IEEE802.16d Mesh模式及其調(diào)度機制分析

0 前言

IEEE802.16協(xié)議是IEEE(國際電器與電子工程師協(xié)會)制定的關(guān)于無線城域網(wǎng)空中接口規(guī)范的協(xié)議標準。該標準由IEEE協(xié)會下的IEEE802工作組制定，目前，該工作組制定的相關(guān)標準主要涉及到802.11(WLAN) 、802.15(WPAN) 、802.16(WMAN) 、802.20(WBAN)等方面。其中，802.16標準著眼于在城域網(wǎng)中提供高性能的、工作于2GHz～66GHz頻段來解決”最后一公里”問題的無線接入技術(shù)。在2003年發(fā)布的IEEE802.16a標準的基礎(chǔ)上，該工作組于2004年通過了IEEE802.16d協(xié)議標準。IEEE802.16d定義了以下幾方面內(nèi)容：三種物理層模式（單載波、OFDM和OFDMA）、MAC層的三個子層（特定服務(wù)匯聚子層、公共部分子層和安全子層）、兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（PMP和Mesh）。

1 Mesh模式及其幀結(jié)構(gòu)

1.1 Mesh模式的特點

在IEEE802.16d定義中，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)一般采用PMP(點到多點)方式，此時，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能在BS與SS之間進行數(shù)據(jù)的通信，如果要達到更遠的覆蓋距離就必然要犧牲數(shù)據(jù)傳輸速率，降低吞吐量。為了能夠在保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量，保證網(wǎng)絡(luò)有效利用率的基礎(chǔ)上最大限度地擴大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，IEEE802.16d定義了Mesh拓撲結(jié)構(gòu)。相對于PMP模式，Mesh模式有以下幾個特點：

（1）Mesh模式與PMP模式最大的不同點在于，不僅BS與SS之間能夠直接通信，并且SS之間也可以通過多跳的方式實現(xiàn)多點到多點的無線連接。此時，由于鄰近節(jié)點之間距離相對較短，數(shù)據(jù)的傳輸速率相對于BS和較遠SS之間的直接通信有很大提升，具有較大的吞吐量。Mesh模式更容易擴大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時緩解傳輸速率與覆蓋范圍的矛盾。

（2）Mesh模式只支持時分雙工(TDD)方式，沒有明確的、獨立的上下行鏈路子幀，從而使得各個站之間可以與網(wǎng)絡(luò)中其他站建立直接的通信鏈路。

1.2 Mesh模式下的幀結(jié)構(gòu)

Mesh模式下的幀包括控制子幀和數(shù)據(jù)子幀兩個部分。控制子幀完成網(wǎng)絡(luò)控制和調(diào)度控制，因此，控制子幀又分為網(wǎng)絡(luò)控制子幀和調(diào)度控制子幀兩種。

網(wǎng)絡(luò)控制子幀通過發(fā)送MSH-ENTRY(網(wǎng)絡(luò)接入)消息和MSH-NCFG(網(wǎng)絡(luò)配置)消息來使得不同系統(tǒng)之間能夠協(xié)調(diào)一致工作。MSH-ENTRY消息提供了新節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)同步和初始化的方法；MSH-NCFG消息則提供了不同系統(tǒng)節(jié)點之間進行通信的一些參數(shù)。在調(diào)度控制子幀中，Network Description IE中MSH-DSCH-NUM參數(shù)定義分配給MSH-DSCH消息的時隙單位數(shù)量。前（MSH-CTRL-LEN MSH-DSCH-NUM）個時隙單位用于發(fā)送MSH-CSCH消息，其余的用于發(fā)送MSH-DSCH消息。

數(shù)據(jù)子幀被分為256個微時隙單位，而控制子幀可分為多個時隙單位，其數(shù)量由MSH-NCFG消息中的Network Description IE中的MSH-CTRL-LEN參數(shù)來決定。每個控制子幀中包含了(時隙×時隙數(shù)量×7)個OFDM符號，控制子幀發(fā)送信息都采用QPSK1/2調(diào)制編碼。協(xié)議中定義了網(wǎng)絡(luò)控制子幀中第一個時隙單位必須用來發(fā)送網(wǎng)絡(luò)接入消息，剩下（MSH-CTRL-LEN-1）個時隙單位用來發(fā)送網(wǎng)絡(luò)配置消息。Mesh模式下的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Mesh模式下的幀結(jié)構(gòu)

2 Mesh模式下調(diào)度機制分析

IEEE802.16d標準定義了Mesh模式下的兩種調(diào)度方式：集中式調(diào)度和分布式調(diào)度。

（1）集中式調(diào)度

在集中式調(diào)度方式（見圖2）下，一方面，BS在調(diào)度過程中處于中心位置，并協(xié)調(diào)SS的接入問題；另一方面，由于Mesh模式下沒有獨立的上下行子幀，BS和SS之間在通信過程中不必建立直接鏈路，可以通過中間SS中繼來建立連接。在該調(diào)度模式中，BS和SS可以視為處于同一棵調(diào)度樹中，BS處于調(diào)度樹的根部。BS在確定鏈路的burst分配以及相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)SS的請求統(tǒng)一安排網(wǎng)絡(luò)資源。

圖2 集中式調(diào)度示意圖

BS在MSH-CSCH消息中廣播調(diào)度信息；在MSH-CSCF消息中廣播各條鏈路的burst分配以及相關(guān)參數(shù)，各個節(jié)點根據(jù)MSH-CSCF消息中的調(diào)度樹來進行鏈路更新。由于集中式調(diào)度機制中BS負責整個網(wǎng)絡(luò)通信過程中SS之間的關(guān)系，在一定程度上可以避免碰撞問題，可以有效解決SS之間對于資源的競爭。但是，在集中式調(diào)度機制下，容易出現(xiàn)以下幾個方面的問題：由于SS之間需要通過BS來進行通信，一旦BS與某SS之間無法建立連接將導致該SS無法與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點進行通信；BS需要大量的額外開銷來維護整個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的狀態(tài)信息表；整個網(wǎng)絡(luò)的通信效率較低；由于網(wǎng)絡(luò)通信對于BS的過度依賴，BS必須保證工作的穩(wěn)定性。為了解決以上問題，分布式調(diào)度機制就顯得尤為重要。

（2）分布式調(diào)度

在分布式調(diào)度方式中，網(wǎng)絡(luò)中各個SS可以直接進行通信，這使得整個網(wǎng)絡(luò)的通信效率大大提高，也有效規(guī)避了過度依賴BS帶來的通信風險。分布式調(diào)度如圖3所示。

圖3 分布式調(diào)度示意圖

依據(jù)在傳輸調(diào)度過程中是否存在碰撞現(xiàn)象，IEEE802.16d進一步將分布式調(diào)度劃分為協(xié)同分布式調(diào)度和非協(xié)同分布式調(diào)度。根據(jù)MSH-DSCH消息中特定位的比特值來標志調(diào)度類型：0為協(xié)調(diào)調(diào)度，1為非協(xié)調(diào)調(diào)度。在協(xié)同分布式調(diào)度中，控制子幀使用無碰撞的方式來傳輸調(diào)度包；而在非協(xié)同分布式調(diào)度中，傳輸調(diào)度包則部分采用競爭方式。

IEEE802.16d Mesh模式中的分布式調(diào)度，采用請求、答復和確認三次握手的方式來建立發(fā)送數(shù)據(jù)前的鏈接：首先由請求發(fā)送節(jié)點發(fā)送MSH-DSCH消息中的Request IE來指明要發(fā)送數(shù)據(jù)的屬性以及可用的時隙，然后目標節(jié)點則根據(jù)請求尋找合適的時隙并回復請求節(jié)點數(shù)據(jù)微時隙位置；最后，請求節(jié)點收到目標節(jié)點回復后發(fā)送MSH-DSCH許可消息來完成鏈接的建立過程。

圖4 分布式調(diào)度中三次握手示意圖

三次握手的過程如圖4所示。在該過程中，IEEE802.16d提供了各個節(jié)點計算自己發(fā)送機會的調(diào)度算法，以實現(xiàn)各個節(jié)點之間發(fā)送機會的公平性。

3 結(jié)束語

一般地，固定寬帶無線通信，引入多跳方式的Mesh模式可在一定程度上緩解無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與通信效率之間的矛盾，大大擴展基于IEEE802.16d協(xié)議的BS以及SS的使用范圍，但這也增加了使用不同的QoS的各條鏈路之間的干擾。尤其是在分布式調(diào)度方式下，由于沒有BS的協(xié)調(diào)，各個鏈路之間的干擾顯得較為明顯。因此，優(yōu)化相關(guān)調(diào)度算法解決Mesh模式下帶有不同QoS的各條鏈路間干擾問題，成為Mesh模式下一步的研究重點。

參考文獻

[1] IEEE Std 802.16-2004(Revision of IEEE Std 802.16-2001),IEEE Standard fot Local and metropolitan area networks Part16:Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S].2004

[2] Tutorial.802.16 MAC Layer Mesh Extension Overview[Z].Nokia，2002

[3] 黨梅梅.IEEE802.16無線接入技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國無線電，2004，7

[4] 曾智慧,劉富強,陶健,李慶.IEEE802.16 Mesh模式下MAC調(diào)度機制的研究[J] .計算機工程與應用，2005，23