1、重庆邮电大学硕士学位论文基于IEEE802.16无线Mesh网络的资源调度优化算法姓名：孙彭敏申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：陶洋20100530重庆邮电大学硕士论文 摘要摘要随着宽带无线城域网IEEE80216的逐步形成，越来越多的关键问题有待解决，特别是在Mesh模式下资源调度机制成为目前研究的热点。由于IEEE80216协议对调度算法没有详细的定义，而公平有效的调度机制又是影响网络性能和提高频谱资源效率的重要因素，因此对无线Mesh网络来说如何提高资源利用率成已为一个重要的研究问题。本文主要集中于IEEE80216Mesh模式下的集中式调度。带宽是非常有限的资源，如何进行
2、合理的分配是资源调度中至关重要的问题。首先分析了无线Mesh网络调度算法相关研究工作，对无线Mesh网络的网络结构和协议栈模型进行简单描述，然后集中讨论了集中式Mesh网络的调度的公平性和吞吐量的问题，并着重分析了几种经典的无线调度算法，然后指出现有调度算法相关研究所存在的问题并拟定出所要解决问题，最后给出相应的解决方案。在DRR算法的基础上，提出了基于补偿的改进算法。然后在opnet仿真平台上对改进算法算法进行仿真，仿真结果比较了传统DRR算法、无差错的DRRIDEAL算法、没有QoS的Greedy算法和改进DRR算法在吞吐量上的差别，证明改进的DRR算法能够提高边缘节点的吞吐量提高算法的公
3、平性，并根据80216e的QoS要求，进行业务区分，保证了对吞吐量要求比较高的业务的需求。由于传统的比例公平算法是吞吐量与公平性的折中，对信息的反馈没有进行合理有效的利用。我们对其进行了改进，将时延权重引入到算法的用户信道选择算法中来，根据用户的时延大小设置不同的权值，使时延比较大的用户在下一轮调度中得到比较大的权重，从而增加其传输时间，以获得QoS保证。然后在opnet仿真平台上对改进算法算法进行仿真，仿真结果比较了经典PF算法、Greedy算法、轮询算法和改进的PF算法在节点平均速率等方面的性能，证明改进的PF算法能够提高节点的吞吐量，并将用户的目标速率及时延作为衡量其QoS的标准，仿真结
4、果表示，改进的DPF算法能够较好地满足用户需求。论文的最后提出了下一步的研究工作和方向。关键词：IEEE80216； 公平性； 吞吐量； 时延； 补偿重庆邮电大学硕士论文 AbstractAbstractAs the application of broadband metropolitan area wireless mesh networksIEEE8021 6 coming into being，more and more key problems are waited to be solved,especially the mechanism of scheduling resourc
5、e in mesh mode has become the hotspotAs the IEEE8021 6 doesnt detailed the scheduling algorithm,while a fair and effectivescheduling algorithm is the most important fact that affects the networksperformanceand improves the frequency efficiencyTherefore，how to improve the schedulingefficiency in wire
6、less networks has become the most important problemThis paper concentrate studies the centralized scheduling in Mesh mode in 8021 6As the bandwidth is very limited，how to scheduling rationaly is the key point inscheduling problemsAt fa st,we analysis the structure of network and the model ofprotocol
7、 simplySecond，discussed the problems of fair and throughput in centralizedmodel of wireless networkAnd list the problems in recent studies of fair schedulingalgorithms related and study out what we doAt last,we give a corresponding solutionBased the DRR algorithms，propose a compensation-Deintegro al
8、gorithms based 011the DRR algorithmsThen simulated the DDRR algorithms in opnet,the results ofsimulation compared the DRR,DRR Ideal，Greedy and DDRR algorithms in throughputand other aspects，which showed that the DDRR(conpcnsationDeintegro DRR)couldimprove the throughput of the edge nodes，and differe
9、ntiate services according to thedemand of QoS in 8021 6eThe DDRR algorithms meets the demand of services whichneed high thoughput,while it increase the translate delay inevitablyBecause the PF(Proportional F删algorithms is a compromise of fair andthroughput,it do not considering the demand of QoSWe d
10、raw delay-weight into thechoosen of signal path algorithms，and intercalated different weights according to thedelayThen simulated the DPF algorithms in opnet,the results of simulation comparedthe PF,RR,Greedy and DPF algorithms in speed and other aspects，which showed thatthe DPF algorithm could impr
11、ove the throughput of nodes，and consider the goal speedand delay as the standard of QoSThe simulation showed that the DPF algorithm couldmeet the need of nodes betterAt the last of this paper,we proposed the next work and directions重庆邮电大学硕士论文 AbstractKey Words：IEEE8021 6； fair：throughput；delay： comp
12、ensationIII重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论11研究背景和意义111研究背景第一章绪论弟一早三百T匕无线Mesh网络(WMN，Wireless Mesh Network，又称无线网状网、无线网格网等)主要定位于移动性较小或静止的Ad hoc网络。2002年，Intel开始关注并认可Ad Hoc技术，MeshNetworks和Tropos等公司开发出定位于Ad Hoc网络的相关产品。2004年1月，IEEE 80211 WorkingGroup正式成立了网状网研究组(MeshStudy Group)，3月又成立了网状网任务组(Mesh Task Group)，标志着无线Mesh网络技术
13、正式踏上了广泛标准化道路。其他标准如802513a，820154和专用短程通信(Dedicated Short Range Communications，DSRC)也开始探索如何通过网状网嵌入式设备来改进现有技术，IEEE80216己经将网状技术纳入其MAC层协议标准中I】o目前，推出无线Mesh网络，提供不同环境下的宽带数据服务的公司如，Aerial公司，Nokia公司，Notel公司等等，他们所推出的产品和应用基本上都是以8021l、80215、80216为代表。8021lS是为拓展8021l覆盖于2004年提出的，Intel公司和Cisco公司积极主导的，兼容8021labg的无线分布标
14、准，可实现自动构建路径和自配置拓扑结构的多条网络，同时支持广播和多播业务。802151和802154是Bluetooth和ZigBee公司的标准，其中802151趋向于支持个人周边区域的无线低速率通信，用简便硬件支持窄带宽的多条分散网络；802154采用Mesh拓扑结构支持低速通信。802155是一种适合于无线个人局域网通信(WPAN)的Mesh网络拓扑标准，易于网络构建，用于在不增加发射功率和影响接受灵敏度的情况下拓展网络的覆盖，减小路由器冗余，有效提高网络的覆盖能力。80216是WiMAX的技术标准，为扩展特别的用户链路，采用集中式调度和分布式调度两种调度方式，其中，后者是前者的补充方式。
15、80220和80222是最大区域覆盖的移动宽带高速无线接入系统标准，用于部分地区和室内外密集环境，80220是基于IP的设计，将现有的IP网络扩展到无线终端；80222是利用空闲频段(如Tv频段)进行无线通信的标准。无线Mesh网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。同时，因为无线信道传输具有高误码率、衰落、冲突、信号衰减等特性，移动终端获得的实际带宽远小于理论带宽，带宽资源就更为宝贵。所以在无线环境中协议设计的主要要求是尽量减少重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。同时，因为无线信
16、道传输具有高误码率、衰落、冲突、信号衰减等特性，移动终端获得的实际带宽远小于理论带宽，带宽资源就更为宝贵。所以在无线环境中协议设计的主要要求是尽量减少不必要的带宽资源浪费，减少不必要的开销。而在无线Mesh网络中的节点同时具有路由功能，因此，在这种无线网络中如何建立、维护和选择路由，提高网络的吞吐量，最大限度地利用宝贵的无线资源是无线Mesh网络的一个根本问题嘲。由于Ad Hoc采用扁平的网络结构，用户节点之间通过无线自由组网，没有中心和集中控制单元，每个节点都要存有整个网络的路由信息表，很难用于大规模组网。无线Mesh采用分层结构，能够很好的将传统网络结构和Ad hoc网络的优点糅合起来，使
17、集中控制管理和动态组网有机结合口1。如何解决多个用户高效、合理地共享有限的无线信道资源这一问题，即MAC协议是IEEE80216标准的关键问题之一。IEEE 802162004标准MAC层主要通过调度解决相互竞争的多个用户之间信道资源共亨，标准虽然详细定义了Mesh模式下的调度机制，但是并没有明确规定Mesh模式调度机制下带宽资源的分配算法。同时无线资源永远是有限的，因此研究如何最大化并合理利用有限频谱资源的总是有着积极而重要的意义，而无线资源管理“3承担的就是这样的作用，它包括了：资源的调度、功率控制、移动性管理、接纳控制、负载控制等等。它们每部分都对无线系统的良好运作起着重要作用。而其中带
18、宽资源调度更是影响系统性能最关键的一环，可以在很大程度上决定了系统的性能。因此，设计适用于Mesh模式下的高效、公平、保证QoS的调度机制就具有重要意义。112 IEEE80216的组网特性IEEE80216具有八大特性使其与其他的城域网不同：踊1它采用正交频分多址接入技术，即OFDMA(Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access)；2它采用的频率从125MHz到28MHz；3采用时分双I(TDD)和频分双I(FDD)的方式；4采用波束成型、多输入多输出(MIMO)等先进的天线技术；5具有很强的自适应性；6应用先进的编码技术，例如时空编码和turb
19、o编码技术；7安全性能更高；8Qos多业务登记的区分，具有更高的Qos保障。IEEE80216组成的网又叫WiMax，是近年来研究比较多的无线网之一，关于它2重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论的组网特性和关键问题的研究也都比较多比较热门。12研究的主要内容IEEE80216标准所定义的无线Mesh网络作为一种多跳宽带无线接入网，如满足用户所要求的较高吞吐量和公平的用户业务满意率，是进行此类网络路由和调度研究需要关注的首要问题，因此本文将对无线Mesh网络中公平调度算法和业务补偿模式等关键无线资源调度算法进行研究。本文主要针对IEEE8021 6标准Mesh模式下MAC层协议进行研究，研究Mesh
20、模式下集中式的调度机制，并考虑到业务流的时延对用户在竞争中的影响，提出一种有效的调度算法；并提出一种新的补偿模式，使调度算法更有QoS保证。针对以上目标，本文核心工作内容如下：l、本文对无线Mesh网络中的调度问题和对现阶段的相应的算法进行了概述和总结，指出现有的算法所存在的问题以及拟定所要解决的问题：2、从理论上分析了调度问题的原理和主要注重的方面，同时也从理论上研究了网络资源分配的公平性问题；3、提出了一种基于资源预留的补偿模型，并对此种算法进行了详细的论述，通过仿真结果验证其能够在提高系统的吞吐量，并且相对于其它算法能够更具有公平性；4、在公平带宽调度方面，为了保证每个节点公平地共享网络
21、的带宽及在此基础上实现资源的最大化利用，在PF(Proportional faireness Schduling)算法思想基础上，提出了一种基于时延的改进的调度算法，此调度算法在考虑到信道状态的条件下综合时延对业务流的影响，改变用户的竞争机制，从而实现了用户在Oos下的“公平”思想。13论文结构本文共分六章，各章的内容安排如下：第一章介绍了无线Mesh网络研究背景及意义，阐明了基于Mesh网络的有效调度策略研究具有十分重要的价值，针对要达到的目标总结了论文的研究内容；第二章介绍了无线Mesh网络的基本结构和特点，分析了IEEE80216的产生和标准化的进程，概述了调度的基本问题，综合分析了现有
22、的有关带宽分配和时间重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论分配的相关研究并指出了这些算法的缺点并拟定所要解决的问题；第三章详细分析了无线Mesh网络的资源调度机制和主要问题，详细分析了几种经典的无线调度算法并对其优缺点进行分析，最后对相关研究工作进行分析；第四章提出了一种基于资源预留的补偿模型，并对其进行理论验证，通过仿真比较它和未运用补偿模型的算法在吞吐量等指标，从而得到了比较好的效果证明其切实有效；第五章考虑到时延对整个网络的吞吐量的影响，提出了种基于时延的改进的比例公平算法；仿真实验中比较了PF算法、轮询算法和贪婪算法在整个网络中的平均速率、时延等指标，验证了新提出算法的有效性；第六章总结了本
23、文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。4重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制第二章基于l EEE8021 6无线MESh网络调度机制21 IEEE80216无线MESH网络的基本架构IEEE80216无线城域网标准主要负责规范PHY层和MAC层协议，以便在城域范围内提供无线服务。嘲该标准支持点对多点(PMP)宽带通信，PMP通信工作在10-66GHz的许可频段，并要求BS和SS之间具有视距(LOS)传输条件。除了PMP模式外，IEEE80216e标准还扩展了Mesh模式。嘲Mesh模式采用211GHz低频段，并允许非视距(NLOS)通信。下面介绍下IEEE
24、80216所支持的两种模式：PMP模式：PMP模式包含一个基站(Base station)和多个用户站(SubscriberStation)，通过基站BS网关功能与互联网相连，并为用户站提供接入服务。这种网络结构下，普通客户端和已有的无线网络可以通过Mesh路由器的基站或中继功能接入到无线Mesh网络中。如果普通客户端具有与Mesh路由器相同的无线技术，则可以直接建立通信；若所用的无线技术不同，则不同的客户端需要接入具有以太接口的基站荐与Mesh路由器相连。SS和BS之间的通信链路有两个方向：上行链路(从SS到BS)和下行链路(从BS到ss)。在上行链路上，MAC采用按需分配多路寻址(DAMA
25、)和时分多址(TDMA)相结合的技术，动态地改变信道分配。对于下行链路，BS以广播的形式来传递信息，SS接收所有的广播数据包，并根据数据包头部的连接号判断接收属于自己的数据包。MESH模式：MESH模式和PMP模式的最大区别在于，在PMP模式中，通信只发生在SS与BS之间，SS与SS的通信需要经过BS转发；在MESH中SS之间可以有直接的通信，且可以用sS路由转发方式通信。MESH模式下只支持时分双I(TDD)方式，没有明确独立的上下行链路子帧，从而使得各个站之间可以与网络中其他站建立直接的通信链路。根据所采用的传输协议，MESH网又可以分为以下三种：1对等的分布调度方式；2有中心站MESH
26、BS的集中调度方式；3以上两种方式的结合。m在MESH模式中，MESH BS是一个与网络外的服务直接连接的系统。在MESH网中与一个节点乇可以直接连接的节点矗，之，1ll称为这个节点o的邻居节点， 毛重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制的所有邻居节点，Jll组成这个节点的邻居关系。一个节点到它的邻居节点称为单跳。每个节点都需要有其他节点合作才能完成数据传输，在对等分布调度方式下，所有节点(包括Bs)都要与它的两条邻居协调传输，且要将自己的包头(资源、请求和准许)广播给它所有的单跳邻居。每个节点都要保证传输不会引起与其他两跳邻居发送的数据信息和控制信息发生碰
27、撞。混合结构无线MESH网络：混合组网结构Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络。这种结构提供了与其他一些网络结构的连接，如互联网、无线局域网、蜂窝和传感器网络。同时，客户端的路由能力可以为无线Mesh网络增强连接性和扩展覆盖范围。图21 IEEE80216网络示意图图21给出了IEEE80216的网络示意图。在该图中，处于PMP模式的ss必须直接连接到BS。而恰恰相反的是，MESH模式中的Ss则可以与相邻的SS进行通信，而且MESH模式中的SS还可以作为无线中继站来将其他SS的流量转发到中心BS。因此，BS的覆盖范围就得到了扩展，这样网络的成本就得到了显著降低。MESH模式
28、是PMP模式的补充。如上图的无线Mesh网络通过集中式调度和分布式调度的结合，同时具备集中式和分布式网络结构的主要特征：频谱效率高：在无线Mesh网络中，每个用户节点和邻近节点间距离较短，相对较小的发射功率就能满足每跳链路上承载业务的QoS要求，对其他用户节点造成的干扰很小。通过空间复用可以使得多链路互不干扰地同时传输，从而提高频谱效率。6重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制覆盖范围大：WiMAX调制使用OFDM技术，能有效对抗多径干扰；采用自适应功率控制技术，可以根据信道状况动态调整发射功率；采用自适应编码调制技术，可以实现覆盖范围和传输速率的折衷。通过
29、采用这些先进技术，与WiFi等无线网络相比，WiMAX具有更大的覆盖范围、更高的传输速率和更可靠的传输性能。可靠性强：在传统的点到多点(PMP，Point to Multi Point)模式下，网络中所有的数据需要经由中心点转发，一旦中心发生故障，那么该网络中的所有用户节点都无法继续工作。而在Mesh模式下，网络中每个用户节点存在多条路径与多个其他网关节点相连，路由可以绕过发生故障的某个网关或用户节点而通过其他节点实现接入，具有较强的可靠性。阳3可扩展性强：无线Mesh网络具有用户自组织能力，新节点可以自动被发现并被加入到网络中。所以，在建网初期，可以在某些地方优化得部署少量基站(BS，bas
30、e station)以便用户接入，随后可按需增加节点的设置，扩大网络的规模。22 IEEE80216概述221无线Mesh网络的产生虽然BWA技术发展迅速，但由于没有全球性的统一标准，相关市场一直没有繁荣扩大。无线城域网(Wireless Metropolitan Area Network，WMA)的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入市场需求。虽然多年IEEE80211技术一直与许多其他专有技术一起被用于BWA，并获得很大成功，但是WLAN在总体设计上并不能很好的适用于室外BWA应用。当其用于室外时，在宽带和用户数方面受到很大的限制，同时还存在着通信距离等其他一些问题。基于这种情况，电气和电
31、子工程学会(IEEE)决定为BWA和“最后一公里“接入需求量身定制一种新的全球标准。同时解决物理层环境(室外射频传输)和服务质量(Quality ofService，QoS)两方面的问题，以满足市场的需求。1999年，IEEE802局域网城域网成立了80216-1-作组来专门研究宽带无线接入标准，主要任务是制定LMDS的网络无线传输标准，建立一个全球统一的宽带无线接入标准，解决“最后一公里”的宽带无线城域网的接入问题。符合IEEE80216标准的设备可以在“最后一英里“宽带接入领域替代电缆Moderm、DSL和T1El，也可以为IEEE80211热点提供回程。基于80216的这重庆邮电大学硕士
32、论文 第二章基于IEEES0216无线Mesh网络调度机制种系统主要有如下优点：快速提供服务，特别是在有线接入难以达到的地区：避免高昂的安装费用，能够克服传统有线网络的物理局限。当然，给不能提供宽带接入的地区，提供用电缆和DSL方式的有线接入，是一种非常耗时和需要大量财力的过程。在全世界都还有惊人的大片区域不能提供宽带接入，而IEEE80216无线技术则提供了一种灵活、高效的基于标准的方法来填平目前在宽带覆盖方面存在的鸿沟。222 IEEE80216的发展为了解决无线城域网中的宽带接入问题，IEEE在1999年成立了80216工作组。IEEE80216工作组的初始目的是为了使用许可频段lO-6
33、6GHz，并部署一个点对多点(PointtoMultipoint,PMP)结构。2003年1月，IEEE又颁布了IEEE8021 6a标准，IEEE80216a工作在211GHz的低频段范围。表21给出了IEEE80216标准的各个主要扩展范围t标准 描述IEEE8021 6a 包含了21 1GHz频段的新规范和MESH模式IEEE8021 6b 提供了服务质量(QoS)特征IEEE8021 6c lO-66GHz频段的系统操作规范，支持互操作性IEEE8021 6d 固定宽带无线规范IEEE8021 6e 80216d规范的修订，支持移动性IEEE8021 6f 8021 6管理信息库(Ma
34、nagement Information Base，MIB)IEEE8021 69 提供高效的切换和QoSIEEE8021 6h 免许可频段中的共存规范IEEE8021 6i 定义了物理层的管理信息库(MIB)要求以及相关管理流程IEEE8021 6j 采用无线中继站IEEE8021 6k 兼容WiMAX局域和城域网的MAC网桥IEEE8021 6m 核心技术为MIMO和OFDMA表21 IEEES0216系列标准223无线Mesh网络的网络结构WMN的结构与传统意义上的移动Ad Hoe网络结构有一定的差异。一般来讲，WMN由客户端节点、Mesh路由器节点和网关节点组成。但根据网络具体配置的重
35、庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制不同，WMN不一定包含以上所有类型的节点。Mesh客户节点也有可能分为两类：一类是普通的WLAN客户节点，这类节点不具有移动Ad Hoc网络典型意义下的信息转发功能，只是作为普通终端设备接入网络；另一类节点既具有普通终端节点的接入功能，又具有路由和信息转发功能，即兼具有无线路由器的功能，但通常这类节点不具备网关或网桥节点的功能。若按节点的不同功能，网络结构可分为基础设施的网络结构、终端设备的网络结构和混合结构。若按结构层次，网络又可分为平面结构、多级结构和混合结构。这两种分层思路本质上是相似的，基础设施的网络结构就是一种多
36、级结构，而终端设备的网络结构就是一种平面结构n们。2231平面结构图22所示为WMN中最简单的一种结构平面结构。图中所有的节点为对等结构，具有完全一致的特性，即每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议，既具有客户端节点的功能，也具有能够转发业务的路由器节点的功能。显然，网络中的节点与现有的WLAN等技术不直接兼容。这种结构适用于节点数目较少且不需要接入到核心网络的应用场合。图22删平面结构平面网络结构也称为终端设备网络结构。网络中的节点为具有Mesh路由器功能的增强型终端用户设备。终端用户设备自身配置RF(Radio Frequency)装置，通过无线信道的连接形成一个点到点的网络。
37、这是一种任意网状的拓扑结构，节点可以任意移动，网络拓扑结构会动态变化。在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发功能进行数据通信。在任意时刻，终端设备在不需要其他基础设施的条件下可以独立运行，可支持移动终端高速率的移动，快速形成宽带网络。终端用户模式事实上就是一种Ad Hoc网络结构模式，它可以在没有或不便利用现有网络基础设施的9重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制情况下提供一种通信支撑环境。2332多级网络结构图23所示为WMN典型的多级结构，分为上层和下层两个部分。在这种结构中，终端节点可以是普通
38、的VoIP手机、笔记本电脑和无线PDA(Personal Di西talAssistant)等。这些终端节点设备通过Mesh路由器(相当于WLAN中的AP)接入到上层Mesh结构的网络中，实现网络节点的互联互通。该结构模式在接入点(Mesh路由器)与终端用户之间形成无线回路。移动终端通过Mesh路由器的路由选择和中继功能与网关节点形成无线链路，网关节点通过路由选择及管理控制网关节点也可以与其他网络相连，从而实现无线宽带接入。这样的结构降低了系统建设成本，也提高了网络覆盖率和可靠性。这种结构的另一个优点是网络可以兼容市场上已有的设各，但缺点是任意两个终端节点之间不具备直接通信的能力。2333混合网
39、络结构图23 WMN分级结构图24所示的混合结构为以上两种结构的混合。在这种结构中，终端节点已不是目前市面上仅仅支持WLAN的普通设备，而是增加了具有转发和路由功能的Mesh设备，设备之间可以以Ad Hoc方式互联，直接通信。一般来说，终端节点10重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制设备需要同时能够支持接入上层网络Mesh路由器和本层网络对等节点的功能。在以上各种结构中，为了简明起见，没有再细分Mesh路由器的种类。实际上，在构建WMN的典型应用时，上层的网络边缘路由器，还需要具有网关或网桥节点的功能，以便与IP(mcmct Protoc01)核心网相连，
40、接入因特网。由于上述结构中的两种接入模式具有优势互补性，因此同时支持这两种模式的设备可以在一个广阔的区域内实现多跳方式的无线通信；移动终端既可以与其他网络相连，实现无线宽带接入，又可以与其他用户直接通信；并且可以作为中间的路由器转发其他节点的数据，送往目的节点。所以，WMN不仅可以看作是WLAN与移动Ad Hoc网络融合的一种网络，也可看作是因特网的一种无线版本。图24 WMN混合结构224 IEEE8021 6协议栈模型IEEE80216d和80216e协议栈模型的空中接口由物理层和MAC层组成，MAC层又分为三个子层：特定服务汇聚子层(service specific convergenc
41、e sublayer,CS子层)，公共部分子层(common part sublayer,CPS子层)，安全子层(security sublayer,SS子层)。图25为IEEE80216de的协议栈模型示意图。重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制标准范围厂 rs sAp、lJ L特定业务汇聚子层 管理实体(CS) 特定业务汇聚子层-(MACCPS 3-Ar犀 网Etk rA络MAC公共部分子层 管理实体管(MACCPS)MAC公共部分子层 理加密子层 叫 安全子层系统、 ， (，物理SAP、卜J L一-一一J 。 管理实体理层 物理层、 7 物理层V (
42、PHY)管理平面数据，控制平面2241物理层图25 80216de规范协议栈参考模型协议栈的最底层是物理层，物理层由传输汇聚子层(TCL)和物理媒介依赖子层(PMD)组成，通常说的物理层主要是指PMD，。这一层的协议主要规定了频率带宽，调制模式，纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输率和时分复用结构等方面的规定。因为MAC的设计必然考虑到物理层，我们简单讨论一下80216的物理层特性和关键技术。1正交频分复用技术(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种多载波传输技术，它将告诉的数据流通过串并转换，分配到传输速率相对较低的若
43、干个正交子信道中，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。2多址接入。80216物理层定义了TDD和FDD两种双工方式，这两种方式都使用突发数据传输机制，这种机制支持自适应的突发业务数据，传输参数(调制方式、编码方式、发射功率等)都可以动态调整，但是需要MAC辅助完成。FDD既支持全双工的SS，也支持半双工的SS，但是这会增加系统调度的复杂性。物理层的上行链路采用TDMA和DAMA(Demand Assignment Multiple Access)混合接入方式。上行信道分为许多个小时隙(minis100，由MAC层控制这些小时隙的分配，使上行信道资源得到最大的利用。
44、下行链路采用TDM方式，用时分复用的方式传输给各个SS，SS根据MAC12重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制报头中的目的地址接收发送给自己的数据。而对于发送给半双工FDD方式的SS，下行数据的传输采用TDlVLA方式，每个TDlVL4数据部分前面的头用于SS的同步。IEEE 80216标准支持五种不同的物理层规范，分别运行在运营执照频段和非运营执照频段，以及视距和非视距条件下。表22归纳了这五种空中接口的主要差别，Mesh模式仅支持WirelessMAN-OFDM和Widessm TAMAN物理层，采用256点FFTOFDM调制。名称 信道接入 频段7i
45、reless【ANSC 单载波TDMA,DAMATDM 1066GHzWhlessNL蝌SCa 单载波TDMATDM l 1GHz运营执照频段、斫relessMANOFDM OFDM TD【A厂rDM 1 1GHz运营执照频段，irelessM A No网DMA oFDMLA l 1GHz运营执照频段WirelessHUMAN 以上任意一种 1 1GHz运营执照频段2242 MAC层表22 IEEE80216标准定义的空中接口MAC的设计主要是为网络提供可靠接入，提供媒体接入控制，MAC层在80216组成的网络中是核心设计层，也是其与其他协议标准组成网络最明显不同的一层。如上所述，MAC层由3
46、个子层组成。CS子层的主要功能是负责将其业务接入点(cssap)收到的外部网络PDU转换和映射成MAC层SDU，并传递到MACCPS层业务接入点(MAC SAP)。协议提供了ATM CS和Packet CS两种汇聚子层作为与外部网络的协议接口。安全子层的主要功能是提供认证、密钥叫唤和加解密处理，该协议子层是可选的。1cS子层。CS子层位于MAC CPS层的项部，并通过MAC SAP(服务接入点)利用来自底层的服务。它的主要功能是：从高层接收高层协议数据单元(PDU)，映射高层业务到MAC层，区分业务数据单元，并转换成MAC层业务数据单元(SDU)，将转换后的SDU关联到适当的MAC业务流和连接
47、标识符CID上。协议的层次如图26所示。13重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制ATl讧 IP 其他高层协议A硼CS CS 其他CS子层MAC层公共部分子层加密子层物理层图26CS子层协议层次该协议定义了异步传输模式(御M CS)和数据分组CS两种CS规范。2MAC CPS子层。这是MAC层的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MAC SAP接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施QoS控制。我们通常所说的MAC层主要就是指这一层。3SS子层。这一层是可选部分，主要提供认证、密钥
48、叫唤和加解密处理。安全子层的协议栈如下图所示。MAC层主要解决一下几个问题：1为用户分配无线信道资源，实现用户的接入。无线频率资源是有限的无线信道资源，在有线环境下，多个用户共享一个物理信道；怎么分配无线信道资源，决定用户是否接入，是MAC层首先要考虑的问题。MAC必须有有效的接入和带宽分配算法，和解决多用户的冲突问题的方法来满足不同用户不同业务对QoS的要求。2实现带宽接入与QoS保证。1180216标准的目的是为用户提供宽带无线接入服务，因此MAC协议要能够为上行链路与下行链路提供较高的比特传输速率。同时，如何为用户提供QoS保障，以及如何与其他标准兼容，也是MAC协议要解决的问题。为了能
49、支持多媒体业务，结合使用单播、多播、组播三种查询方式以及支持不同的QoS，IEEE80216d定义了四种调度业务类型，并对每种业务类型的带宽请求方式做了规定。刁a主动授权业务(UGS，Unsolicited Grant Service)。主动授权业务(UGS)用于传输固定速率实时数据业务，例如TlE1以及没有压缩的VoIP等。BS周期性地以强制方式进行调度，不接受来自SS的请求，同时禁止使用捎带请求。BS基于业务流的最大连接业务速率(MSTR)周期性地提供固定长度的授权，这样避免了带宽14重庆邮电大学硕士论文 第二章基于IEEE80216无线Mesh网络调度机制请求引入的开销和时延，以满足实时业务的时延和时延抖动要求。如果需要改变某个授权周期内的授
