1、山东大学硕士学位论文IEEE 802.16系统中QoS机制的研究姓名：徐文静申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：张春业20080320山东大学硕士学位论文摘 要IEEE 80216宽带无线城域网技术的不断发展和成熟，推动了宽带无线接入技术的进步，刺激了无线接入市场。作为对基于IEEE 80216标准的产品进行一致性和互操作性认证的国际组织，WiMAX论坛在宽带无线接入领域的影响日益增强，今天WiMAX几乎成为了IEEE 80216的同名词。与此同时，WiMAX中的关键技术服务质量(QoS)也受到了越来越多的研究者的关注，成为WiMAX技术中的研究热点。应用于固定、便携、移动等场景宽
2、带无线接入系统的IEEE 80216标准，需要满足不同种类服务流的QoS需求。标准中提出的媒体接入控制(MAC)协议详细定义了四种类型的服务以及BS与SS之间的信令交互机制(如连接建立、带宽请求、UL-MAP消息等)，规定了UGS服务的上行链路调度算法，还提出了一种系统的QoS架构，但是对于rtPS、nrtPS和BE这三种服务的调度算法以及具体的接纳控制机制却没有作出明确的规定。基于上面的情况，本文在研究了IEEE 80216系统现有QoS技术的基础上，提出了一种改进的QoS架构，该架构新增了缓冲模块、流量整形模块和自适应调制编码(AMC)模块；另外，本文还对架构中的上行分组调度(UPS)模块
3、进行了具体的设计，将其分为信息模块、调度数据库模块和服务分配模块三个部分，提出了一种基于严格优先级的调度服务原则，分别给出了rtPS、nrtPS和BE服务的调度算法，并通过具体仿真验证了提出的策略为实时业务提供QoS支持时的有效性；对于架构中没有定义的接纳控制机制，本文提出了一种基于优先级的动态带宽分配接纳控制机制，并将其与传统的固定带宽分配的接纳控制机制比较，发现提出的接纳控制机制具有更优的性能。另外，针对目前应用广泛的IP网络传送语音(VolP)服务，本文提出了一种应用于IEEE 80216系统VoIP服务的改进的上行链路调度算法，该算法是一种基于语音活动检测的调度算法，BS根据Ss的语音
4、状态转换来分配上行链路资源。它可以弥补传统的调度算法中的一些不足，例如对上行链路资源的浪费、增大MAC负荷和引入附加的接入时延等。本文就系统的吞吐量和接入时延两方面分山东大学硕士学位论文别对传统算法和改进算法作了具体的分析和仿真，结果表明，改进算法在吞吐量和系统容量方面具有最优的性能。最后，对于正EE 8021ie和EEE 80216标准的融合组网问题，通过引入一个无线网关(RG)模块，本文提出了一种用于这两种标准融合组网时的QoS架构，从而实现了正EE 80216和正EE 8021le融合组网中端到端的QoS保障，另外，还提出了基于此架构的两种QoS映射机制：区分优先级的映射和参数化的映射，
5、并分别作了分析研究。关键词：rFEE 80216；服务质量；架构；调度算法；接纳控制II山东大学硕士学位论文ABSTRACTIEEE 8021 6 broadband Wireless Metropolitan Area Network(WMAtechnology grows unceasinglyIt contributes a lot to the development of wirelessaccess technology and the wireless marketThe WiMAX Forum is for the purpose ofguaranteeing the comp
6、atibility and the interoperability of different products based onIEEE 8021 6 standardsIts impact is increasing in the field of Broadband WirelessAccess 03WA)Today WiMAX has become the synonym of IEEE 8021 6At the sametime,the crucial technology of WjM A)呻墙】埘of Service(Qos)has drawn moreand more atte
7、ntions，and has become the hotspot of WiMAX technology studyIEEE 80216，the specification for fixed,portable and mobile BWA systems，ispromising to support heterogeneous classes of tratjfic研也differentiated QoSTheproposed Medium Access Control(MAC)protocol defines four types of service flows，the mechani
8、sm for message exchange between BS and SS(such as the connectionset-up，BW-request and UL-MAP message)and the uplink scheduling for UGS serviceflowThe MAC has also proposed a QoS architectureHowever,the details ofscheduling algorithms for rtPS，nrtPS，BE service flow and the admission controlprocess ar
9、e left unspecifiedTo solve the problems mentioned above，this paper proposed an enhanced QoSarchitecture，which is based on the existing QoS architecture and the buffer module，traffic policing module，adaptive modulation code(AMC)module added；In addition,this paper designed the uplink packet scheduling
10、(UPS)and divided it into threemodules：information module，scheduling database module and service assignmentmoduleIt proposed a scheduling service discipline based on strict priority and thescheduling algorithms for rtPS，nrtPS and BE services respectivelyIt also evaluatedthe performance of the propose
11、d mechanism in providing QoS support to real timeapplication by simulation；As the detail of the admission control process is unspecified,this paper defined a dynamic bandwidth allocation admission control process based onIII山东大学硕士学位论文priority,and compared it with the conventional fixed bandwidth all
12、ocafion admissioncontrol processThe result showslat the proposed admission control mechanism ismore emcientIn adStioIlfor Se、7rom service which is become more and more popular,thispaper proposed an enhanced uplink scheduling algofithm for v0口services i11 IEEE8021 6 systems，which is based on voice ac
13、tivity detecting：the BS assigns uplinkresources to tlle SSs considering voice state Vansitions of the SSsThis algofithm Cansolve Se problems caused by the conventional algofithms，such as waste of uplink黝urce，MAC overhead and additional acccs8 delayThe analysis and simmionrcsulB showed t11at this enh
14、anced algofithtn had bett盯performance in view ofthroughput and system capacityLasflto solve the mterworking problem of IEEE 8021 i e and IEEE 8021 6standards，this paper proposed a QoS architcc柚re by designing a radio gateway(RG)module t0 guarantee tlle end-t0一end QoS ill an interworking system of IE
15、EE 8021 leand IEEE 8021 6 standardsBesides，it alproposed two di侬：rent QoS mappingmechanisms based on Sis architecture：pfiofitized mappmg and parameterizedmappingKey Words：IEEE 8021 6；Quality of Service；arcIlitecture；schedulmg algofithm；admission con仃olIVAIFSAMCAPArMBEBSBWACAPCBCCFPCIDCPCPSCSCT山东大学硕士
16、学位论文英文缩略语Adaptive Modulation CodeAccess PointBestE肋rtBase Station仲裁帧间间隔自适应调制编码接入点异步传输模式尽力而为服务基站宽带无线接入Control Acc燃s Phase 控制接入状态Cipher Block Chaining 密码块链Contention Free Period 无竞争时期Connection Identifiers 连接标识符Common Part Sublayer竞争时期公共部分子层Convergence Sublayer 汇聚子层Communication Technology 通信技术DAMA De
17、mandAssignext MultipleAccess 按需分配多址接入DCDDCFDE(玎DHCPDIUCDL下行信道描述器分布式协调功能Digital Enhanced Cordless Telecommunicatiom 数字增强无绳电话Dynamic Host Configuration Protocol 动态主机配置协议Downlink下行间隔使用码下行VDSADSCDSDDSL山东大学硕士学位论文Dyllainic Service Addition 动态服务流添加Dynamic Service Change 动态服务流更改Dynamic Service Delete 动态服务流删
18、除Digital Subscriber Line 数字用户线路DVBH Digital Video Broadcast System for Handheld 手持式数字视频广播系统DVB-T Digital Video BroadcastingTerrestrial 数字无线电视EDCAEDFHCFIEIEEEITUMDSMAC增强型分布式存取机制Earliest Deadline First 最早到期优先Hybrid Coordination function 混合协调功能Information Element 信息单元Institute ofElectrical and Electron
19、ics Engineers 电气和电子工程师协会Information Technology 信息技术Local Multipoint Distribute Service 本地多点分配业务Medium Access Control 媒体接入控制MMDS Multichannel Microwave Distribution System 多路微波分配系统nnPSOFDMPCFPDUPHSPKMPHSIPMPQoSnon real time Polling Service 非实时轮询服务Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用Point
20、 Coordination FunctionPrivacy Key Mangement点协调功能协议数据单元净荷报头压缩密钥管理Payload Header Suppression Indentifier 净荷报头压缩索引PointTo-MultipointQuality of Service点到多点服务质量RFIDftPSSASAPSDUSFIDSNN口SSTCTDD山东大学硕士学位论文无线射频识别技术real time Polling Service 实时轮询服务Security Association 安全联系Service Access Point 服务接入点Service Date
21、Unit 服务数据单元Service Flow Identifiers 服务流标识符Time Division DuplexingTDMA Time Division Multiple AccessTFrPTDTSTSIDUCDUGSUIUCULUPSV，0口WFQWiFiTm伍c IdentifierTfaf丘c Stream IdentifierUnsolicitod Grant ServiceUplinkU81e1“Priorities简单网络管理协议用户站业务种类时分双工时分多址简单文件传输协议业务标识业务流业务流标识上行信道描述器主动授予服务上行间隔使用码上行用户优先级Uplink
22、Packet Scheduler 上行分组调度器Wireless Fidelity口网络传送话音加权公平排队无线保真(80211标准的简称)VIl山东大学硕士学位论文WiMAX World Intcropcrability for Microwave Access 全球微波接入互操作性AN Wireless Local Area Network 无线局域网WMAN Wireless Metropolitan Area Network 无线城域网，P!AN删心I Wireless Wide Area NetworkVIII无线个域网无线广域网原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师
23、的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：么乞雄 日 期：2丝坠丛关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：绰导师签名：山
24、东大学硕士学位论文第一章引 言随着现代通信技术的飞速发展，人们对语音、视频、数据等的各种需求不断增长。目前，核心网络的建设已具有相当规模，已可以满足社会发展对极大容量信息传输的要求，而突出的矛盾集中在接入网部分，因此各种宽带接入技术的发展成为当前通信界关注的焦点。在各种宽带接入技术中，由于宽带无线接入(BWA)技术1l具有灵活、方便、可移动性和投资少的明显优势，所以越来越受到界的广泛重视。宽带无线接入技术是指从交换节点到用户终端采用无线通信，并能实现宽带业务接入的技术。从20世纪80年代开始，宽带无线接入技术得到了迅速发展，包括无线局域网(WLAN)【21、本地多点分配业务(LMDS)31、多
25、路微波分配系统(MMDS)4在内的多种宽带无线接入技术获得了较为广泛的应用。其中，WLAN是利用无线通信技术在一定范围内建立的网络，它利用电磁波发送和接收数据，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。其目标是通过无线通信的方式实现有线局域网的功能，并可以提供更加灵活、便捷的接入手段。但是，在总体设计上，WLAN并不能很好地用于室外的宽带无线接入，当其应用于室外时，在带宽和用户数方面受到了很大限制，同时还存在通信距离等一些其它问题。LMDS是一种以点对多点的固定无线通信方式提供宽频及双向的语音、数据与视讯等传输的通信技术。MMDS起源于电视网络，是指通过微波传送有线电视的系统，是一种以视距传输为
26、基础的图像分配传输技术。LMDS和MMDS等是早期的固定宽带无线接入技术，目标是提供与有线宽带接入质量相当的高速无线接入服务，但由于缺乏全球性的统一标准，发展空间具有相对的局限性。基于上面的状况，国际电气和电子工程师协会(IEEE)成立了80216工作组，开始研究制定一个解决“最后一公里”问题的宽带无线城域网(WMAN)全球统一标准正EE 80216标准，又被称为IEEE WirelessMAN空中接口标准。与此同时，在借鉴和学习WLAN的WiFi联盟成功经验的基础上，为了促进标准的发展、完善和市场推广，由世界知名通信企业联合发起了WiMAX论坛，并在全球范围内推广IEEE 80216协议。山
27、东大学硕士学位论文图11给出了各种无线接入方式的演化，从中可以看出IEEE 80216系列标准的技术定位，它在城域网中实现无线环境下的高速数据接入。Jit，s e、obitsbits ，、o一litsM怕 弋三、豳。一D面晦 习 RPAN LAN MAN WAN 函图11无线接入方式的演化11 IEEE 80216空中接口标准圈1999年，IEEE成立了80216工作组来专门研究固定宽带无线接入技术规范，目的就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。为了促进该标准的成功制定，2001年4月诺基亚等业界领先的通信设备公司及器件公司共同发起成立了WiMAX论坛，意在全球范围内推广这一标准。2001
28、年底，IEEE 80216工作组发布了其第一套标准：IEEE 80216。随着各种问题的出现和技术的进步，WiMAX标准在不断地演进，目前已经演进到IEEE 80216k。其中已经发布的标准数量达到6个，另外还有4个正在制定中，表l-l给出了各标准涉及到的相关技术领域。在IEEE 80216系列标准中，物理层标准包括IEEE 80216a、16d和16e。由于IEEE 80216工作在毫米波段，建筑物及各种地理条件对其影响太大，于是有了修改版本IEEE 80216a，其工作频段为211 GHz，并包括了业余频段。该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖。另外，IEEE 80216a的MAC层能够
29、提供QoS保证机制，支持语音和视频等实时性业务，能适应各种物理层环境。不过，IEEE 80216a标准仅仅是IEEE 80216标准的修改和扩展，不是一个独立的标准，所以IEEE 80216组织又制定了IEEE 80216dt51。该标准对IEEE山东大学硕士学位论文80216和IEEE 80216a进行了整合和修订，是相对成熟并且最具实用性的一个标准版本。作为增强版的IEEE 80216e161的成功制定，无疑是WiMAX技术的一个最重要的里程碑，因为它成功地将该技术引入到移动领域。它工作在2“-6GHz频段，是支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。实现了高速数据业务的宽带无线移动接入，还支
30、持基站或扇区间高层切换功能。之外，IEEE 80216e还能向下兼容EE 80216d。除了以上几个物理层标准外，另外还有3个重要标准：IEEE 80216cfg。它们分别定义了系统MAC层和物理层的管理信息库以及相关的管理流程和设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。值得一提的是，IEEE 80216魄这两个标准是WLMAX论坛组织在中国深圳提出的，目的是在网络管理层面形成新标准。目前，IEEE 80216f已经发布，而802169正在制定中。表11 IEEE 80216空中接口相关标准标准编号 发布时间 涉及的技术领域正EE 80216 2001年12月 10-66GHz固定宽
31、带无线接入系统空中接口IEEE 80216a 2003年4月 211GHz固定宽带无线接入系统空中接口IEEE 80216c 2002年lO月 10-q56GHz固定宽带无线接入系统的兼容性IEEE 80216d 2004年7月 2-66GHz固定宽带无线接入系统空中接口(对80216、80216a、80216c的修补)EE 80216e 2005年12月 2-,6GHz固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库(MIB)IEEE 80216f 2005年9月 固定宽带无线接入系统空中接口MIB要求IEEE 802169 制定中 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求IEE
32、E 80216h 制定中 业余频带上运作的无线网络系统mEE 80216i 制定中 宽带无线接入系统空中接口移动MIB要求IEEE 80216k 制定中 局域和城域网MAC网桥IEEE 80216桥接山东大学硕士学位论文12 IEEE 80216技术的优势IEEE 80216技术的优势【7】可以简要概括为以下几点：1传输距离远IEEE 80216技术无线信号传输距离最远可达50公里，是无线局域网所不能比拟的，其网络覆盖面积是第三代移动通信(3G)基站的lO倍，只要建设少数基站就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩大。2接入速度高EE 80216技术所能提供的最高接入速度是70M，
33、这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。对无线网络来说，这的确是一个惊人的进步。EE 80216技术采用与无线WLAN标准8021la和119相同的正交频分复用(OFDM)调制方式，每个频道的带宽为20MHz。这也和lla和llg几乎相同。不过因为可通过室外固定天线稳定地收发无线电波，所以无线电波可承载的比特数高于lla和llg。因此，可实现7481M的最大传输速度。3无“最后一公里瓶颈限制作为一种无线城域网技术，它可以将WFi热点连接到互联网，也可作为数字用户线(DSL)等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。IEEE80216技术可为50公里线性区域内的用户提供服务，用户无需
34、线缆即可与基站建立宽带连接。4提供广泛的多媒体通信服务由于WiMAX较之WiFi具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务。高带宽可以将口网的缺点大大降低，从而大幅度提高VolP的服务质量(QoS)。因此，从技术层面讲，mEE 80216技术更适合用于城域网建设的“最后一公里”无线接入部分，尤其是对于新兴的运营商更为合适。13 IEEE 80216技术的应用场景以IEEE 80216标准为基础的WiMAX无线接入技术可应用于固定、游牧、便携、简单移动和自由移动这五类业务，如图12所示。这些应用场景的区别在于SS4山东大学硕士学位论文的移动性、移动中的切换、无线资源管理、Qo
35、S和功率控制等方面。典型场景包括：面向家庭和企业为尚未铺设xDSL的地区提供无线宽带接入服务；蜂窝通信基站之间的无线连接，延伸网络覆盖范围；实现室内夕bwiFi热点区域的覆盖；支持移动终端的无线接入，保证移动用户在WiFi网络和W蝴网络中无缝漫游等。对于电信运营商来说，WiMAX可以作为高速数据传输的辅助手段。一钠|，：一一一匙 、1 一。翟、。I卢一“、秽舭16d百、黝&图12WiMAX典型组网方式WiMAX技术作为一种随市场实际需求导向不断完善起来的面向“最后一公里”的接入标准，尤其在目前全球缺乏统一宽带无线接入标准之际，有重要的现实意义和战略价值。从覆盖及装备环境限制和历史因素的角度考虑
36、，在城郊、农村、偏远等地区以及利用xDSL、CableModcm方式不能有效覆盖、不便于和不值得部署有线网络的区域，更是大有用武之地。而且在IEEE 80216a基础上增强改进的IEEE 80216e标准，更有助于有效延伸WLAN的连接，从而将有望与WiFi互补联手，有力地推进热点地区及家庭与SOHO等小型办公区域的WLAN的有效发展，使WLAN与WMAN互补发展，形成一种健康、合理的发展格局。14课题的提出随着A1iJ对不同应用需求的日益增长，QoS8】成为宽带无线接入中的关键技术和热门研究课题。QoS是一个抽象概念，从用户角度来说，是用户对网络提供服务的满意程度；而从业务角度来说，则是网络
37、向业务所提供的带宽、延时、丢-。辄童一h山东大学硕士学位论文包率等参数的指标。QoS的目的是向用户提供端到端的服务质量保障，保证网络在发生拥塞时重要业务信息的安全性，并保证网络资源的高效使用。QoS涵盖了多种针对不同需求并且尽量合理使用网络资源的技术。不同类型的业务特点不同，如视频和话音业务虽然对传输延时十分敏感，但对数据的丢失却有一定的忍耐度；与之相反，一般的数据业务虽然对延时不十分在意，但对数据本身的丢失和差错却十分敏感。QoS首先要保证精确甄别每个网络应用的类型，其次要恰当地分配网络资源，如带宽和优先级等。这样，所谓的关键商务应用就会得到所必需的优先级和带宽水平，以保障其有效运作。而其它
38、应用则会得到“尽量多“的带宽，并被赋予相对较低的优先级。在有线网络中，已经有相对成熟的QoS模型和机制，如综合业务模型(IntServ)、区分业务模型(DiffServ)等。在无线网络中，无线终端的移动性、网络拓扑结构的不断变化、无线信道易受干扰的特点使得链路状态时好时坏，因而无线网络并不像有线网络那样有固定的带宽。另外，无线信道访问存在竞争，这样就不可避免地带来隐藏终端、暴露终端等不同于有线网络的问题。因此，无线网络不能照搬有线网络的QoS机制。当前对无线网络QoS资源支持的研究主要集中在QoS模型、QoS媒体访问控制(MAC)、QoS路由以及QoS资源预留信令协议等几个方面。先通过QoS模
39、型来确定QoS目标，规定媒体访问控制、路由和信令协议的功能，再通过后三者各自的具体实现，互相协作，共同完成QoS支持的目标。与有线网络不同，MAC层的媒体访问控制协议在无线网络协议体系中占有极其重要的地位，所有上层QoS协议都依赖于它的实现，因此本文对QoS机制的研究都是基于MAC层的。作为宽带无线接入中基于城域网的标志性技术，WiMAX技术的不断发展和成熟，以及对QoS支持的不断改善，推动了BWA技术的发展和进步，刺激了BWA市场的增长。随着移动通信的发展和普及，无线宽带和移动宽带的发展将呈逐步增长的趋势，今后各种宽带无线网将彼此相连，互为补充，并与固定网络融合在一起，为人类提供从窄带到宽带
40、的各种无线服务。IEEE 80216系列标准和WiMAX技术无疑完善了整个无线市场的结构，必将在未来的通信格局中占据一席之地。作为WiMAX技术中的关键技术吣S技术也受到了广大研究者的密切关注，6山东大学硕士学位论文是WiMAX技术中的研究热点，也是IEEE 80216系列标准中的重点部分。因此，本文在阅读了大量关于BWA文献的基础上，对IEEE 80216系统中的QoS机制进行了研究和改进。本文的关键技术点包括：IEEE 80216系统中QoS架构的改进：IEEE 802。16系统中QoS上行分组调度的实现；IEEE 80216系统中基于优先级的动态带宽分配接纳控制机制的提出：IEEE 80
41、216系统中Volt服务调度算法改进；IEEE 8021le和IEEE 80216融合组网中的QoS架构设计。在这些关键技术的研究过程中，本人以第一作者在国家核心期刊上发表学术论文2篇，非核心期刊上发表学术论文2篇；以第三作者在国家核心期刊上发表学术论文l篇。15本文内容安排本文主要对IEEE 80216系统中的QoS机制进行了研究和改进，共分为六章：第一章引出了研究课题。本章从BWA技术的发展引出IEEE 80216宽带无线城域网技术，由其对QoS的需求引出了本研究课题。第二章介绍了IEEE 80216 MAC层协议及协议中已经定义的QoS机制。本章首先研究了IEEE 80216 MAC层的
42、三个子层及各自的功能，然后介绍了IEEE80216 MAC层协议中与QoS有关的机制。第三章对IEEE 80216系统中的QoS机制进行了设计与改进。本章基于IEEE80216系统现有的QoS架构设计出了一种改进的QoS架构参考模型，新增了三个模块，并分别对架构中最主要的上行分组调度模块和接纳控制模块做了具体的定义和仿真分析。第四章提出了一种应用于IEEE 80216系统中的基于语音活动检测的v0口服务调度算法，并通过仿真验证了该算法的有效性。第五章通过引入一个无线网关(1硒)模块提出了一种用于IEEE 8021le和IEEE 80216标准融合组网时的QoS架构，从而实现了其端到端的QoS保
43、障。7山东大学硕士学位论文第六章对课题研究进行了总结，并对课题未来的研究方向作出了展望。16本章小结本章由宽带无线接入技术的发展演进引出了IEEE 80216宽带无线城域网技术，给出了它的空中接口相关标准，介绍了其技术优势和应用前景。然后通过阐述BWA技术的QoS需求，引出了本文的课题IEEE 80216系统中QoS机制的研究。同时给出了本文的5个关键技术点。山东大学硕士学位论文第二章IEEE 80216标准MAC层协议及QoS机制的研究IEEE 80216标准规定的基站和用户站的协议栈模型如图21所示。其中，协议栈模型纵向可以分为数据控制平面和管理平面，横向分为MAC层和PHY层，协议对这两
44、层的功能做了详细规定。由于MAC层的媒体访问控制协议在无线网络协议体系中占有极其重要的地位，所有上层QoS协议都依赖于它的实现，因此本文对QoS机制的研究都是基于MAC层的。r一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1： 协议的定义范围 ：厂 cs SAP卜cAn 、L特定服务，聚子层 秽”獭(CS) 。 管理实体 一一特定服务汇聚子层 一 鸳一MAC SAP卜 秀) 公共部分子层 璃l： (CPS) li， 管理实体 酶剐t安全子层 MAC公共部分子层一。如jI：_蒸ir(SS) 卜 安全子层 ：I PHY SAP少一 暂 貔 物理层一 一 管理实体E(PHY)1 一 物理层 -r 浚黧捌l数
45、据，控制平面 I 管理平面II一I图21正EE 80216协议栈模型21 IEEE 80216 MAC层协议为了保证有效的传输介质共享机制，IEEE 80216协议建议MAC层的设计既支持点对多点(P)，又支持网格(Mesh)结构。本文只研究支持点对多点结构的MAC层。点对多点结构即一个中心基站(BS)服务多个用户站(SS)，在给定的频率区域中所有的用户收到相同的传输信息。基站是下行方向上的唯一消息发送者，它以时分复用(TDM)的方式将消息广播至各用户端，用户端通过检验地址接收9山东大学硕士学位论文发给自己的信息，并通过时分多址接入(TDMA)的方式共享上行链路。IEEE 80216协议MAC
46、层由3个子层组成：特定服务汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层(SS)。其中，特定服务汇聚子层提供了对来自外部网络的数据进行转换或者映射的机制，包括对来自外部网络的服务数据单元(SDU)进行分类，并将它们与正确的MAC服务流标识(SFID)和连接标识(CD)相关联【9】。公共部分子层实现MAC层的所有核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护。安全子层提供鉴权、安全密钥交换和加密功能。211特定服务汇聚子层(CS)特定服务汇聚子层负责接收高层协议数据单元(PDU)，并将接收到的PDU映射到MAC层连接上，或者进行相反的操作。其主要功能有：从高层接收高层协议数据单元对高层
47、PDU进行分类基于分类对高层PDU进行处理将CS PDU传递给正确的MAC服务接入点(SAP)从对等层接收CS PDU其中的分类功能是该层最核心的功能。IEEE 80216协议定义了两种特定服务汇聚子层：ATM汇聚子层和分组汇聚子层(Packet CS)。ATM汇聚子层用于支持基于ATM连接的各类数据单元，分组汇聚子层则用于映射类似于坤v4、lPv6、以太网和虚拟局域网(，AN)的分组业务数据单元。本文只研究分组汇聚子层。分组汇聚子层用于传输所有基于分组的协议，例如口协议、点对点协议(PPP)、IEEE Std 8023(以太网)协议、IEEE Std 8021Q1998(VLAN)协议等。一
48、旦分组被分类并与某条MAC连接相关联时，高层PDU将被封装到MACSDU中。当相关连接定义了净荷报头压缩(PHS)规则时，8比特的净荷报头压缩索引(PHSI)域就会出现在MAC SDU中。在分组汇聚子层，分类操作即把MAC服务数据单元(SDU)映射到特定连接上，这样SDU就可以在MAC对等层之间进行传送。而映射过程是将一个MACSDU与一条连接关联起来，同时也将该SDU与该连接的服务流特性关联起来。10山东大学硕士学位论文一个分类器就是一组匹配准则。它由某种特定协议的分组匹配准则(例如，目标m地址)、分类器优先级和一个CID参考组成。如果一个分组和某个分组匹配准则匹配，则该分组将被映射到由该C
49、ID定义的连接上，而该连接的服务流特性为该分组提供QoS。如果分组无法与所定义的分类器匹配，那么该分组就会被丢弃。212公共部分子层(CPS)MAC公共部分子层完成几乎所有的MAC层核心功能，包括MAC PDU的构建和传送、MAC层对物理层的支持、服务流的管理以及各种链路自适应技术的实现。另外，与QoS机制有关的网络接入过程、带宽的请求与分配、竞争解决算法的实现等也都是在这一子层中完成的。2121 MAC PDU的构建和传送来自汇聚子层的MAC SDU可能被分段或者打包，构建成为MAC PDU。携带数据的MAC PDU在进行加密之后，还可能需要进行循环冗余校验(CRC)计算，计算所得的CRC会添加到MAC PDU的尾部。CRC所提供的保
