摘要 寬帶無線多媒體系統(tǒng)m a c 層多播廣播技術的研究 摘要 b w m ( 寬帶無線多媒體，b r o a d b a n dw i r e l e s sm u l t i m e d i a ) 網(wǎng)絡結 合移動電視網(wǎng)絡和寬帶無線接入網(wǎng)絡的特征構建聯(lián)合網(wǎng)絡，旨在尋求運 行高效、成本低廉的技術途徑，從空中接口、無線接入網(wǎng)絡、核心網(wǎng)絡、 業(yè)務平臺和終端等不同側面全方位地達成“三網(wǎng)融合n ob w m 系統(tǒng)的 m a c ( 媒體接入控制，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 層在管理分配上層資源 及提高通信傳輸效率中起著至關重要的作用。在b w m 系統(tǒng)m a c 層中， 采用多播廣播這種點到多點的信息傳輸方式，比點對點通信節(jié)省了頻帶 資源以及發(fā)射功率，是未來通信發(fā)展的主要趨勢。 本文通過對國內(nèi)外現(xiàn)有研究中b w m 系統(tǒng)m a c 層多播廣播基本原 理及關鍵技術的研究和分析，分別在b w m 系統(tǒng)m a c 層多播機制、多 播數(shù)據(jù)調(diào)度、廣播機制中設計了全新的關鍵技術解決方案。在多播機制 中設計了新型的多播連接動態(tài)分配算法，選舉產(chǎn)生多播基站群，使群內(nèi) 所有基站在同一頻道上使用相同的連接標識，并且一個連接同時動態(tài)承 載多個頻道，以減少連接數(shù)量；在多播數(shù)據(jù)調(diào)度中，提出了創(chuàng)新的公平 性調(diào)度算法及時問頻率綜合調(diào)度算法，分別達到無限逼近絕對公平性和 減小冷門節(jié)目和熱門節(jié)目等待時間的差異的目的；在廣播機制中，設計 摘要 了新型的按需廣播計時及計數(shù)算法，采用多個定時器輪詢及計數(shù)器輪詢 的方式，尋找廣播基站的空閑時隙為數(shù)據(jù)通信服務，并對其性能進行了 理論分析；并且針對以上算法在w i n d o w s 系統(tǒng)下采用o p n e t 仿真軟件及 m a t l a b 平臺進行了仿真實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行分析后，發(fā)現(xiàn)多播連接動 態(tài)分配算法可以在一定程度上節(jié)省連接資源，兩個多播數(shù)據(jù)調(diào)度算法均 可達到目標，按需廣播計時及計數(shù)算法可以提高資源的利用率。 關鍵詞：寬帶無線多媒體多播廣播動態(tài)分配數(shù)據(jù)調(diào)度計時及計數(shù) a b s t r a c r r e s e a r c h e so nt e c h n o l o g yo fm u l 月i c a s t a n db r o a d c a s ti nm a cl a y e ro fb r o a d b a n d w i r e l e s sm u l t n e d i as y s t e m a b s t r a c t b w mn e t w o r k sc o n s t r u c t st h en e t w o r k sb a s e do nt h ec h a r a c t e r so f m o b i l ev i d e on e t w o r k sa n dt h eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s ，i n o r d e rt of i n dt h et e c h n i c a lw a yo fo p e r a t i n ge f f i c i e n t l ya n dc o s t i n gl o w l y ， r e a l i z i n gt h e ”c o m b i n a t i o no ft h r e en e t w o r k s ”f r o ma l l t h ed i r e c t i o n sa n d s i d e sw h i c hc o n t a i n sa i ri n t e r f a c e ，w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s ，c o r en e t w o r k s ， s e r v i c ef l a ta n dt e r m i n a l s t h em a cl a y e ro fb w ms y s t e mp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nm a n a g i n ga n da l l o c a t i n gu p l a y e rr e s o u r c e sa n de n h a n c i n g t h et r a n s m i t t i n ge f f i c i e n c y i nm a c l a y e ro ft h eb w mn e t w o r k s ，u s i n g m u l t i c a s ta n db r o a d c a s tw h i c hb e l o n g st ot h et r a n s m i t t i n gm o d eo fp o i n tt o m u l t i p o i n t sc a ns a v em o r ef r e q u e n c yb a n dr e s o u r c e sa n dm o r et r a n s m i t t i n g p o w e rt h a nt h ep o i n tt op o i n tc o m m u n i c a t i o n ，a n di st h em a i nt r e n do ff u t u r e c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t a b s t r a c t b a s e du p o nt h er e s e a r c ha n da n a l y z eo ft h eb a s i ct h e o r ya n dk e y t e c h n o l o g yo fm u l t i c a s ta n db r o a d c a s ti n t h em a c l a y e ro fb w m i nt h e e x i s t i n g d o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c h ，t h i sp a p e rd e s i g n e di n n o v a t i v e r e s o l v i n gs c h e m e so fk e yt e c h n o l o g yi nt h em u l t i c a s ts c h e m e ，m u l t i c a s tda t a s c h e d u l i n ga n db r o a d c a s ts c h e m eo ft h em a cl a y e ro fb w m i nt h e m u l t i c a s ts c h e m e ，w ed e s i g nt h en o v e la l g o r i t h mo fd y n a m i ca l l o c a t i o no f t h em u l t i c a s tc o n n e c t i o n ，v o t i n gt og e n e r a t et h em u l t i c a s tb a s e - s t a t i o ng r o u p ， m a k i n ga l l t h eb a s e s t a t i o n su s et h es a m ec o n n e c t i o ni d e n t i t yo nt h es a m e c h a n n e la n do n ec o n n e c t i o nu n d e r t a k es e v e r a lc h a n n e l sa to n et i m e d y n a m i c a l l y ，l o o k i n gf o r w a r dt or e d u c et h en u m b e ro ft h ec o n n e c t i o n s ；i n t h em u l t i c a s td a t as c h e d u l i n g ，w ep r o p o s et h ec r e a t e do p t i m i z e de q u i t y s c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mo ff r e q u e n c ya n dt i m ef i r s t ， a i m i n gs e p a r a t e l yt oa p p r o a c ht h ea b s o l u t ee q u i t yi n f i n i t e l ya n dt or e d u c et h e d i f f e r e n c eb e t w e e nc o l da n dh o tp r o g r a m si nt h ew a i t i n gt i m e i nt h e b r o a d c a s ts c h e m e ，w ed e s i g nt h en o v e lt i m i n ga n dc o u n t i n ga l g o r i t h mi n t h eb r o a d c a s to nd e m a n d ，a l t e r n a t ec h e c k i n gs e v e r a lt i m e r sa n dc o u n t e r st o f i n dt h ei d l es l o t so ft h eb r o a d c a s tt op r o v i d es e r v i c ef o rc o m m u n i c a t i o no f d a t a ，e n h a n c i n gt h eu t i l i z i n ge f f i c i e n c yo ft h er e s o u r c e s w ec a r r i e do u tt h e s i m u l a t i o no nt h eo p n e ta n dm a t l a bi nw i n d o w sf o rt h e s ea l g o r i t h m s ，a f t e r a n a l y z i n gt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t ，w ef o u n dt h a ta l g o r i t h mo fd y n a m i c a l l o c a t i o no ft h em u l t i c a s tc o n n e c t i o nc a ns a v et h er e s o u r c e so f a b s t r a c t c o n n e c t i o n so nac e r t a i nd e g r e e ，b o t ho ft h et w om u l t i c a s td a t as c h e d u l i n g a l g o r i t h m sc a nr e a c hi t sg o a l ，a n dt h et i m i n ga n dc o u n t i n ga l g o r i t h mi nt h e b r o a d c a s to nd e m a n dc a ne n h a n c et h eu t i l i z i n ge f f i c i e n c yo ft h er e s o u r c e s k e yw o r d s ：b r o a d b a n dw i r e l e s sm u l t i m e d i a ，m u l t i c a s ta n db r o a d c a s t ， d y n a m i ca l l o c a t i o n ，d a t as c h e d u l i n g ，t i m i n ga n dc o u n t i n g 北京郵電大學學位論文縮略語 英文縮寫 a r q b w m d l d v b f c f s 網(wǎng)m f i d i e i e e e i p u f m a c m b s m r f m r f l p d u p m p p r o o o s q p r e q r s p 縮略語 英文全拼 a u t or e p e a tr e q u e s t b r o a d b a n dw i r e l e s sm u l t i m e d i a d o w n l i n k d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e f r e q u e n c ya n dt i m ef i r s t i d e n t i t y i n f o r m a t i o ne l e m e n t i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s i n t e r n e tp r o t o c o l l o n g e s tw a i tf i r s t m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i c a s ta n db r o a d c a s ts e r v i c e m o s tr e q u e s t sf i r s t m o s tr e q u e s t sf i r s tl o w e s t p r o t o c o ld a t au n i t p o i n tt om u l t i p o i n t p r o g r a m q u l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t i cp r o g r a m m i n g r e q u e s t r e s p o n d 第5 8 貞共7 0 頁 中文 自動重傳請求 寬帶無線多媒體 下行鏈路 數(shù)字視頻廣播 先到先服務 時f b j 頻率綜合 標識 信息單元 電氣及電子工程師學會 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 最長等待時間先服務 媒體接入控制 多播廣播服務 最多先服務 最低最多先服務 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 點到多點 節(jié)目 服務質(zhì)量 次規(guī)劃 請求 應答 獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他教育機 構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。 本人簽名： 酗i 日期： k ! ；國蘭整日 關于論文使用授權的說明 學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研 究牛在校攻讀學位期問論文工作的知識產(chǎn)權單位屬北京郵電大學。學校有權保留并 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借閱；學 校可以公布學位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段 保存、匯編學位論文。( 保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定) 保密論文注釋：本學位論文屬于保密在年解密后適用本授權書。非保密論文 注釋：本學位論文不屬乇保密范圍，適用本授權書。 本人簽名： 函：c 翌日期：墜墨芻! 因! 暨! p 導師簽名：專絮觸 日期：1 絲顯i 心 北京郵電大學學位論文第一章緒論 1 1 課題的研究背景 第一章緒論 寬帶無線多媒體系統(tǒng)是寬帶無線多媒體網(wǎng)絡的網(wǎng)絡系統(tǒng)架構，b w m ( 寬帶無線 多媒體，b m a d b a n dw i r e l e s sm u l t i m e d i a ) 網(wǎng)絡是一個融合移動電視網(wǎng)絡和寬帶無線 接入網(wǎng)絡技術特征的新型網(wǎng)絡，又區(qū)別于移動電視網(wǎng)絡和寬帶無線接入網(wǎng)絡，可以 配置強大的i p ( 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 核心網(wǎng)絡和綜合業(yè)務管理平臺，并 為不同的終端業(yè)務配置了相同的運維支撐平臺。b w m 網(wǎng)絡能同時接收來自兩種網(wǎng) 絡中各基站的數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡接入更加容易，并且充分利用了陸地電視廣播的頻譜資 源，解決了寬帶無線接入網(wǎng)絡頻譜過高帶來的問題。b w m 網(wǎng)絡同時支持兩種網(wǎng)絡 且兼容現(xiàn)存標準，可獨立工作并支持兩種網(wǎng)絡的衍牛版本，在p m p ( 點到多點，p o i n t t om u l t i p o i n t ) 和m e s h 架構下都可行，采用時分復用方式，幀長可以適應整個網(wǎng)絡 環(huán)境。 目前，寬帶無線多媒體網(wǎng)絡正向多網(wǎng)融合的方向發(fā)展，這種發(fā)展將形成未來的 寬帶無線多媒體網(wǎng)絡即下一代寬帶無線多媒體網(wǎng)絡。一方面，基于i p 的核心網(wǎng)作為 下一代寬帶無線多媒體網(wǎng)絡的核心網(wǎng)已經(jīng)成為公認的事實，這使得下一代寬帶無線 多媒體網(wǎng)絡在核心網(wǎng)互融互通成為可能。另一方面，各種無線技術層出不窮，如i e e e ( 電氣及電子工程師學會，i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 8 0 2 1 1 、 i e e e8 0 2 1 6 、d v b ( 數(shù)字視頻廣播，d i 西t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 一t h 等，3 g p p 、 3 g p p 2 等都在研究下一代寬帶無線技術。基于l p 的核心網(wǎng)和無線技術使下一代寬帶 無線多媒體網(wǎng)絡為移動用戶提供無處不在的服務成為可能，多網(wǎng)融合為下一代寬帶 無線多媒體網(wǎng)絡提供用戶透明的服務，即在應用層提供統(tǒng)一的、無縫的業(yè)務平臺， 使得用戶可以在不同的網(wǎng)絡之間實現(xiàn)透明的無縫切換。 在m a c ( 媒體接入控制，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 層網(wǎng)絡架構方面，b w m 網(wǎng) 絡充分考慮了移動電視網(wǎng)絡和寬帶無線接入網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構特征，既支持移動電視 網(wǎng)絡中的以傳統(tǒng)廣播為特征的大基站覆蓋模式，又支持寬帶無線接入網(wǎng)絡中的以蜂 窩組網(wǎng)為特征的全小基站覆蓋模式，允許針對點到點或者點到多點的通信模式進行 優(yōu)化組網(wǎng)。b w m 網(wǎng)絡本身是一個獨立完整的網(wǎng)絡，雖然它融合了移動電視網(wǎng)絡和 第1 頁共7 0 頁 北京郵電大學學位論文第一章緒論 寬帶無線接入網(wǎng)絡的特征，但并不是簡單的兩個網(wǎng)絡相加，而是技術層面上的融合。 因此，b w m 網(wǎng)絡的m a c 層也是獨立完整、不可分割的，它不是針對移動電視網(wǎng)絡 和寬帶無線接入網(wǎng)絡各有一套機制，而是針對整個b w m 網(wǎng)絡使用統(tǒng)一的機制。因 此，本文后續(xù)三、四、五章提出的算法都是應用于獨立完整的b w m 網(wǎng)絡m a c 層 的，并不是針對移動電視網(wǎng)絡m a c 層或?qū)拵o線接入網(wǎng)絡m a c 層中的某一個。 目前所有的多網(wǎng)融合技術都是在網(wǎng)絡層和應用層實現(xiàn)，在接收端通過多模移動 終端實現(xiàn)在網(wǎng)絡間的切換，這些實現(xiàn)方案存在移動終端的節(jié)能和切換性能等方面的 缺陷。b w m 網(wǎng)絡在m a c 層實現(xiàn)多網(wǎng)融合是一種新的嘗試，也是下一代寬帶無線多 媒體網(wǎng)絡的發(fā)展需要。 在現(xiàn)有技術領域中，視頻、音頻等多媒體業(yè)務既可以通過廣播系統(tǒng)( 例如 d v b 刪) 以廣播方式發(fā)送到終端，也可以通過基于蜂窩的通信系統(tǒng)( 例如2 g ，3 g ) 以單播方式發(fā)送給終端，移動或者固定寬帶無線接入系統(tǒng)( 例如i e e e8 0 2 1 6 ) 以及無 線接入網(wǎng)絡技術( 例如3 g p p t s2 5 3 4 6 ) 也可以為終端提供良好的多媒體多播服務。 寬帶無線多媒體系統(tǒng)m a c 層多播廣播技術是迅速發(fā)展的一種無線通信領域新 的網(wǎng)絡技術，近年來成為研究的熱點，很快滲透到各個相關領域，但是這種技術只 是剛剛起步，發(fā)展并不成熟，這也給本課題提供了一個平臺，希望本課題的研究和 實踐可以為寬帶無線多媒體系統(tǒng)m a c 層多播廣播技術的后續(xù)研究提供有價值的技 術準備。本文從宏觀和具體兩個角度，依據(jù)于理論推導，提出創(chuàng)新的算法，爭取在 寬帶無線多媒體系統(tǒng)m a c 層多播廣播技術中有所突破，在此基礎上使得寬帶無線 多媒體系統(tǒng)m a c 層多播廣播能夠充分發(fā)揮它的優(yōu)勢，得到更加廣泛的重視和應用。 1 2 課題的研究工作 本課題正是在b w m 網(wǎng)絡m a c 層多網(wǎng)融合的背景下提出來的，重點針對寬帶 無線多媒體網(wǎng)絡的m a c 層中的點到多點即廣播與多播通信模式展開，設計了全新 的b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制，b w m 多播數(shù)據(jù)調(diào)度算法以及b w m 網(wǎng)絡m a c 層 廣播機制。 本文首先對現(xiàn)階段國內(nèi)外已有的b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播關鍵技術的基本 原王咀和關鍵技術進行了深入的研究和分析，以此為基礎設計后面的新算法。 在b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制中，設計了新型的多播連接動態(tài)分配算法，依 據(jù)頻道內(nèi)容及地理位置選舉產(chǎn)生多播基站群，中心服務器根據(jù)多播基站群中所有基 站提供服務的各個頻道的狀態(tài)，動態(tài)并集中地為各個頻道分配連接標識或改變連接 第2 頁共7 0 頁 北京郵電大學學位論文第一章緒論 標識的狀態(tài)，使得一個連接可以同時動態(tài)承載多個頻道，并使得群內(nèi)所有基站在同 一頻道上使用相同的連接標識，以減少連接數(shù)量。最后在o p n e t 及m a t l a b 仿真平臺 上對上述算法做出仿真實驗并分析結果，證明該算法可以提高連接資源利用率。 在b w m 多播數(shù)據(jù)調(diào)度的創(chuàng)新設計中，為節(jié)目分段在基站的數(shù)據(jù)調(diào)度設計了公 平性調(diào)度算法及時間頻率綜合調(diào)度算法，公平性調(diào)度算法無限逼近絕對公平性，時 間頻率綜合調(diào)度算法減小冷門節(jié)目和熱門節(jié)目等待時間的差異，通過仿真實驗證明 兩個算法都可達到各自目標。 在b w m 網(wǎng)絡m a c 層廣播機制中，主要設計了新型的按需廣播計時及計數(shù)算 法，采用多個定時器輪詢及計數(shù)器輪詢的方式，在復雜環(huán)境下完成基站與終端之間 的狀態(tài)相瓦查詢，實現(xiàn)基站對終端狀態(tài)的全局統(tǒng)計，用以尋找廣播空閑時隙為通信 數(shù)據(jù)服務，提高廣播基站的時隙利用率。對算法性能進行了分析，并在基于w i n d o w s 平臺的o p n e t 及m a t l a b 環(huán)境的仿真系統(tǒng)中驗證了方案的可行性。 1 3 論文的組織結構 本課題在這樣的技術背景下，設計了b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播幾個全新的 關鍵技術的解決方案，首先設計了新型的b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制中的多播連 接動態(tài)分配算法，其次創(chuàng)新地提出了多播數(shù)據(jù)調(diào)度算法一公平性調(diào)度算法及時間頻 率綜合調(diào)度算法，最后設計了新型的b w m 網(wǎng)絡m a c 層廣播機制中的按需廣播計 時及計數(shù)算法。并對以上內(nèi)容分別基于w i n d o w s 平臺的o p n e t 及m a t l a b 仿真軟件搭 建了全套的仿真環(huán)境，進行了系統(tǒng)仿真。論文的結構及作者豐要的工作包括： 第一章為緒論，主要介紹b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播技術研究背景及意義， 介紹了論文結構。 第二章主要介紹b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播技術的基本原理，以及其他研究 中已有的多播廣播相關技術。 第三章設計了b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制中的多播連接動態(tài)分配算法以集中 并動態(tài)地管理連接資源，進行仿真實驗及結果分析。 第四章提出了b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播數(shù)據(jù)調(diào)度算法一公平性調(diào)度算法及時間 頻率綜合調(diào)度算法，闡述其設計原理并進行實驗。 第五章設計了b w m 網(wǎng)絡m a c 層廣播機制中的按需廣播計時及計數(shù)算法，并 對該算法進行性能分析及仿真實驗。 第六章對全文進行總結，得出重要結論。 第3 貞共7 0 頁 北京郵電大學學位論文第二章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的基本原理及關鍵技術 第二章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的基本原理及關鍵技術 第一章介紹了b w m 網(wǎng)絡的定義，原理及研究背景，意義等等內(nèi)容，本章在第 一章內(nèi)容的基礎之上，首先介紹現(xiàn)有研究中b w m 網(wǎng)絡m a c 層的多播廣播的定義 及基本原理，然后介紹已有的b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的關鍵技術，為本文后 續(xù)第三章，第四章，第五章的新型算法設計奠定了基礎。 2 1b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播基本原理 b w m 網(wǎng)絡是一個融合移動電視網(wǎng)絡和寬帶無線接入網(wǎng)絡技術特征的網(wǎng)絡，以 多網(wǎng)融合為發(fā)展方向，b w m 網(wǎng)絡m a c 層也是以多網(wǎng)融合為豐要形成方式，b w m 網(wǎng)絡m a c 層現(xiàn)有功能融合了寬帶無線接入技術例如i e e e8 0 2 1 6 l 卜2 1 、3 g p p 3 卅等的 特征，b w m 網(wǎng)絡m a c 層現(xiàn)有功能主要覆蓋了入網(wǎng)過程，無線資源管理，移動切換， 安全子層，a r q h a r q ，周期測距，網(wǎng)絡管理等等。 其中，入網(wǎng)過程包括了初始測距，能力協(xié)商，準入控制和注冊等功能。無線資 源管理包括業(yè)務流管理，帶寬分配機制，功率控制和省電機制，主要完成對無線帶 寬和功率等資源的控制、分配和管理。周期測距過程為移動終端和基站之間交互物 理層相關信息，如時問和頻率偏移，以保證移動終端與基站時鐘保持同步。網(wǎng)絡管 理功能向網(wǎng)絡管理實體提供報告相關信息的接口和管理接口。 b w m 網(wǎng)絡m a c 層現(xiàn)有的另一個主要功能就是多播廣播，b w m 網(wǎng)絡m a c 層 現(xiàn)有的多播廣播機制也融合了寬帶無線接入技術例如i e e e8 0 2 1 6 、3 g p p 等的特征， 下面首先介紹現(xiàn)有研究中b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的定義，然后分別在 2 1 1 2 1 5 中介紹現(xiàn)有研究中b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的工作原理。 現(xiàn)有研究中1 3 刊介紹b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的定義： 多播和廣播都屬于“點到多點”數(shù)據(jù)通信業(yè)務，“點到多點”服務是指從一個數(shù) 據(jù)源實體向多個終端傳送數(shù)據(jù)。 廣播模式的定義為：通過公共無線信道傳輸高速多媒體數(shù)據(jù)( 視頻，音頻等等) ， 不同于現(xiàn)存的小區(qū)廣播服務( 只傳輸短信等低速業(yè)務) 。與多播的區(qū)別在于終端不是 必須要注冊該服務，這樣可以為終端節(jié)能。 多播模式的定義為：不同于i p 多播，要求終端注冊到多播服務上，然后加入到 相應的終端分組。 第4 頁共7 0 頁 北京郵電大學學位論文第二章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的基本原理及關鍵技術 廣播多播業(yè)務是一種共享網(wǎng)絡資源從一個數(shù)據(jù)源向多個目標傳送傳輸數(shù)據(jù)的技 術。資源的利用取決于內(nèi)容渠道的數(shù)量，而非終端數(shù)量，從而提高網(wǎng)絡資源，尤其 是寶貴的空中接口資源的利用率。廣播多播不僅能實現(xiàn)純文本的速率的消息類廣播 多播，而且還能實現(xiàn)高速多媒體業(yè)務的廣播多播，提供多種豐富的視頻。 現(xiàn)有研究中1 1 砣i b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的工作原理包括2 1 1 基站接入， 2 1 2 注冊服務，2 1 3 服務流添加，2 1 4 數(shù)據(jù)接收和2 1 5 服務的維護。即b w m 網(wǎng) 絡m a c 層多播廣播服務進行時，首先需要基站以某種方式接入核心網(wǎng)，以獲取節(jié) 目數(shù)據(jù)；然后終端需要接收多播廣播服務時，需要在基站進行注冊( 廣播不需要) ， 之后終端可隨時向基站發(fā)起服務流添加進程，這時便可以某種方式從基站接收節(jié)目 數(shù)據(jù)，最后要進行服務的維護直到停止接收。 2 1 1 基站接入 i l 、 i 似7 - 勿彳牟贏、 之一茵薩 第5 頁共7 0 頁 北京郵電大學學位論文第二章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的基本原理及關鍵技術 終端還需要在網(wǎng)絡層注冊到多播服務上) 都可以接收加密過的m a cp d u ( 協(xié)議數(shù)據(jù) 單元，p r o t o c o ld a t au n i t ) ，這些m a cp d u 包含多播內(nèi)容，這些內(nèi)容是多個基站在 特定時間傳輸?shù)饺魏蔚攸c的。它要求在參與一個多基站多播服務中的很多基站，同 步傳輸公共的多播數(shù)據(jù)。 由于有多個基站接入了核心網(wǎng)，每個頻道都要通過很多基站傳送服務流里的數(shù) 據(jù)，并且不使用a r q ( 自動重傳請求，a u t or e p e a tr e q u e s t ) 。與某個特定終端相 關聯(lián)的多播服務的初始化，在注冊階段通過建立攜帶多播數(shù)據(jù)的多播服務流實現(xiàn)。 在很多基站中實行同步的多播服務，使得終端能夠從很多基站中接收多播服務，因 此能夠提高接收的可靠性。 2 1 2 注冊服務 在基站以某種方式接入核心網(wǎng)后，終端巳u 可以通過基站接收核心網(wǎng)的節(jié)目數(shù)據(jù)， 但是在此之前，對于在b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播來說，終端還需要在基站進行注冊， 而b w m 網(wǎng)絡m a c 層廣播機制不同于多播機制，它不需要終端在接收數(shù)據(jù)前在基站 進行注冊。 在很多基站中實行同步的多播服務，使得終端能夠從很多基站中接收同步的多 播服務，因此能夠提高接收的可靠性。多基站多播的終端不是只能在它接收信息的 基站上進行注冊，也可以在其他基站上進行注冊，也就是說，終端在任何一個多播 基站進行注冊都可以，只要成功完成注冊，即可以在包括注冊基站和非注冊基站在 內(nèi)的任一基站上接收信息。多播基站群中所有基站下同一頻道的數(shù)據(jù)都被同步。 2 1 3 服務流添加 終端在基站進行注冊后，不需要立刻接收來自核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)，而可以在需要時 隨時向基站發(fā)起服務流添加進程，通過服務流接收數(shù)據(jù)。 服務流是m a c 層的一個重要概念，一條服務流就是一條提供特定q o s ( 服務 質(zhì)量，q u l i t yo fs e r v i c e ) 的單向數(shù)據(jù)包流l l 卅。提供q o s 的核心機制是將通過m a c 接口的數(shù)據(jù)包與一條由特定字段標識的服務流關聯(lián)起來，以使得該數(shù)據(jù)包獲得該服 務流的q o s 支持。業(yè)務的類型和其他當前參數(shù)都包含在該標識字段當中。m a c 協(xié) 議內(nèi)的q o s 機制大致可分為三個部分t 首先是初始化和鑒權；其次是服務流管理， 包括創(chuàng)建服務流并對服務流的q o s 參數(shù)進行配置，以及在通信過程中對服務流進行 優(yōu)化管理；最后是在通信過程中對上層來的數(shù)據(jù)包進行分類映射并依據(jù)服務流的類 第6 頁共7 0 頁 北京郵電大學學位論文 第二章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播廣播的基本原理及關鍵技術 別進行區(qū)分優(yōu)先級的調(diào)度。 關于特定服務流的多播的建立通常是在終端向基站注冊的過程中進行的【m l 。當 終端為了接收多播信息而注冊到基站時，它應該首先進行服務流添加的初始化程序， 這個程序與特定的多播廣播服務流相關，用來通知基站：某個終端將成為你的多播 廣播服務終端。這種通知用來初始化終端與網(wǎng)絡之間的雙邊上層通信，目的是構建 多播廣播服務，并且基站和終端都會該構建信息進行儲存。 2 1 4 數(shù)據(jù)接收 在終端與基站建立服務流后，可以從基站接收各種節(jié)目數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的方式 分為m b s ( 多播廣播服務，m u l t i c a s ta n db r o a d c a s ts e r v i c e ) 一m a p 和m b s m a p _ i e o ( 信息單元，i n f o r m a t i o ne l e m e n t ) 兩種方式。 ( 1 ) m b s m a p 終詹基站 島噠堂匭 二 n 終端監(jiān)視1 一 m b s m a p 、 m b s _ m a p 標識的幀 1 一1 i 廠一 二二墮巫二二二 廣1 兒一， 。一j l 一 、7 1 分配凼定| 否 匕鱉墨_ | 。i 唧。i 匕， 是 、 否 l 選擇空閑i i 其享連接l 一，l 一 j 分配_ 1 l， 【蘭蘭竺竺jf 。j 磊i j j f l i 共享連接i l ， 迮接標識f 弋應答消息i ，。莉m o n o k ： 、7 ， 暈 ， ，m o 置粵改 n a g ：o 的連 、 菇湍蠢i 7o | 。 是 否 。 否匿廣 愚擁竺連接標識i 弋應答消息r 圖3 4 只考慮接收率的多播連接動態(tài)分配算法 如圖3 4 所示，在只考慮接收率因素的情況下，如果分配連接標識時發(fā)現(xiàn)該頻 道不是常用頻道，則計算m o 比n 0 的比值( 接受率) ，將該比值與一個事先設定的 門限值相比較，如大于該門限值，則分配專用連接給該頻道，暫不允許其他頻道與 該頻道共享。如小于門限值，則分配共享連接給該頻道，分配的過程中，首先選擇 分配哪種共享連接確定n 的具體大小，然后選擇分配該種n 頻共享連接中具體哪個 連接( 需是開放狀態(tài)) 給該頻道，這是因為每個1 1 頻共享連接的飽和度不同，即當 前已包含的頻道數(shù)日不同。最后，還需計算后續(xù)頻道如何加入該連接，耳, p i , - t - 算一個 連接最多可以承載多少、何種狀態(tài)的頻道。分配連接標識之后按照一定的閾值為連 接標識設置狀態(tài)，即為開放狀態(tài)或封閉狀態(tài)。 當最初的連接標識分配結束后，每收到一個連接標識請求消息連接統(tǒng)計消息， 只須根據(jù)當前m o 和n 0 的值以及m o 比n 0 的比值判斷頻道接收狀況的變化，并修 改原連接標識的狀態(tài)，修改完連接標識狀態(tài)之后，重新回到等待連接標識請求消息 連接統(tǒng)計消息的狀態(tài)。 第2 0 頁共7 0 頁 蓋一 一等一 一連息一 一q 一例塑 一吣盎童 北京郵電大學學位論文 第三章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制 囝圜一 j l ( 型圜 ，常角；壺道、 、! 夕否 否 是參 圖3 5 只考慮服務質(zhì)量的多播連接動態(tài)分配算法 _ 。： l 釜霪髹鬟 是 7 掌用9 頻道z ， f 硬咒定時菇 l 竺蘭。竺竺j “ ，7 t 1否 = 一、 l 美豢寰| 足。警享哆- 一，l l 連接標識廠 “ 、? ， ( 等待消息) l 一1 i 、一廠j 選擇空閑i 一7 一 j 共享連接j 一 t 1 終結， l 、 | 分眥兒體l | 共享連接i ，一l 一。 f 等待消息- ( 妻簍歲夕 、。 、 是 終端分布 、! ， 否匿 連接標識l 弋應答消息r 圖3 6 只考慮分散程度的多播連接動態(tài)分配算法 如圖3 5 ，3 6 所示，也可以設計只考慮服務質(zhì)量或只考慮分散程度的多播連 接動態(tài)分配算法。也可以將接收率，服務質(zhì)量和分散程度中的一個或幾個因素綜合 考慮，根據(jù)一定的閾值選擇一個專用連接或共享連接使得這個因素同時達到最優(yōu)的 狀態(tài)，并根據(jù)后續(xù)消息改變連接的狀態(tài)。三種因素決定連接分配的目標不同，應將 三種因素綜合考慮，找到能同時逼近三個目標最優(yōu)狀態(tài)的算法，來分配連接。 3 2 4 連接應答 執(zhí)行完多播連接動態(tài)分配算法后，中心服務器將分配給該頻道的連接標識存入 頻道參數(shù)列表，并向基站發(fā)送連接建立應答消息，其中包括連接標識。當基站接到 第2 1 頁共7 0 頁 一閑接一 一體接一 一漢息 一髓韃 一麒韃一貅黼 一選共一 一分共一 一連應一 rl r、l，、 北京郵電大學學位論文 第三章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制 連接建立應答消息時，將中心服務器分配給該頻道的連接標識存入頻道參數(shù)列表。 并向終端發(fā)送此連接建立應答消息，其中包括連接標識。 3 3 算法仿真 為了能夠確定b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播連接動態(tài)分配算法的可行性，分析多播 連接動態(tài)分配算法是否通過集中并動態(tài)分配連接標識來提高連接資源利用率，以及 算法中參數(shù)的選取對算法性能的影響，進而對b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播連接動態(tài)分 配算法進行細化設計即參數(shù)選擇進行指導，需要研究b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播連接 動態(tài)分配算法仿真實現(xiàn)過程中，各種參數(shù)對仿真結果的影響。下面就在w i n d o w s 平 臺的o p n e t 8 0 環(huán)境及m a t l a b 6 5 1 環(huán)境下對b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播連接動態(tài)分配算 法進行仿真，選取不同參數(shù)得到多個仿真結果，并對仿真結果進行比較分析。具體 參數(shù)如下： 包格式：自定義的字長為3 2 位的若干域組成 鏈路模式：自定義的數(shù)據(jù)傳輸速率為9 6 0 0 b i t s s 隨機種子s e e d ：2 1 仿真時間：1 0 0 0 s e c o n d s 發(fā)包間隔：4 和4 0 終端選擇隨機分布：二項分布，泊松分布，均勻分布 3 3 1 數(shù)據(jù)包發(fā)包速率對多播連接動態(tài)分配算法鏈路利用率的影響 喇柏 n 鰣a - e ：1 1 2 蚺屯e 。田e f n 舯如蔭t 岫矗撕哪 k 。一 1 t 嘶知1 嘶1 圖3 7 多播連接動態(tài)分配算法不同包速率下鏈路利用率 如圖3 7 所示，圖中深色線表示多播連接動態(tài)分配算法的第一次仿真實驗的鏈 路利用率，淺色線表示第二次仿真實驗的鏈路利用率。數(shù)據(jù)源發(fā)包速率的不同導致 第2 2 頁共7 0 頁 北京郵電大學學位論文第三章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制 了兩次實驗結果中鏈路利用率不同，因為數(shù)據(jù)源發(fā)包速率在本仿真中取決于終端節(jié) 點模型中的s i m p l es o u r c e 發(fā)包器a ( 連接建立請求消息) 及d ( 連接刪除請求消息) 中的發(fā)包間隔( 可為常數(shù)間隔或隨機間隔) ，進而決定了鏈路中信號的傳遞速率的差 別，從而決定了上圖中兩次仿真鏈路利用率的差別。 3 3 2 多播連接動態(tài)分配算法與固定連接分配端對端時延比較 mm1 圖3 8 兩種算法端對端時延對比 如圖3 8 所示，圖中淺色線代表多播連接動態(tài)分配算法的端對端時延，深色線 代表固定連接分配的端對端時延，且多播連接動態(tài)分配算法端對端時延高于固定連 接分配。這是因為前者由中心服務器集中動態(tài)為各個頻道分配連接標識，需經(jīng)歷3 2 節(jié)中多個步驟才能使終端得到連接標識，而后者由基站直接分配連接標識給終端， 步驟簡單，因此多播連接動態(tài)分配算法端對端時延遠高于固定連接分配。但前者后 期時基站可以直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出所選頻道的連接標識發(fā)送給終端，也簡化了步驟， 因此后期多播連接動態(tài)分配算法中端對端時延與固定連接分配中相差無幾。 3 3 3 多播連接動態(tài)分配算法和固定連接分配連接數(shù)量比較 下面通過改變實驗中隨機分布參數(shù)，比較多播連接動態(tài)分配算法和固定連接分 配，分析多播連接動態(tài)分配算法是否可以提高連接資源利用率。實驗的數(shù)據(jù)分析結 果如下： 如圖3 9 所示，各個終端的頻道數(shù)據(jù)選取的隨機分布定為b i n o r n d ( 二項分布) ， 參數(shù)設為0 5 ，終端數(shù)量從1 連續(xù)增加至1 0 0 ，圖中星形線條代表多播連接動態(tài)分配 算法的連接標識數(shù)量，十字線條代表固定連接分配的連接標識數(shù)量下限，圓圈線條 代表固定連接分配的連接標識數(shù)量上限?？芍嗖ミB接動態(tài)分配算法的連接標識數(shù) 第2 3 頁共7 0 頁 北京郵電大學學位論文第三章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制 量比固定連接分配的下限還要小，因為后者每個基站獨自為各路頻道分配連接標識 而不獲取其他基站的分配情況，則可能使同一路頻道占用了兩個連接標識，連接標 識數(shù)量增加，即使恰巧與其他基站對各路相同頻道分配的連接標識相同( 固定連接 分配的下限) ，但是后者是一路頻道占用一個連接標識，而前者多路頻道占用一個連 接標識，則多播連接動態(tài)分配算法的連接標識數(shù)量仍然比固定連接分配下限要小。 圖3 9 兩種算法二項分布下連接數(shù)量 - - - - i - 一- - l - - - + 動面分配 + 固定分配上限 爭固定分配下限 “f 1 贏廣畝f j 茄茄礦面畝1 贏廣高r 面苗1 高r 贏 用戶數(shù)量 圖3 一lo 兩種算法二項分布下終端增加后連接數(shù)量 如圖3 1 0 所示，終端的頻道數(shù)據(jù)選取的隨機分布定為b i n o m d ，參數(shù)設0 5 ， 終端數(shù)量從1 0 0 增加至1 0 0 0 0 ，圖中符號意義同上，多播連接動態(tài)分配算法的連接 標識數(shù)量基本維持在3 4 之問，固定連接分配下限基本維持在2 0 ，上限7 0 。這是 因為頻道種類數(shù)定為4 0 ，終端數(shù)量在變化過程中都比4 0 大很多，它隨機選取頻道 的樣本空間中每個樣本基本都遍歷一次，1 0 0 次實驗隨機所取的頻道組成的集合基 本相同，且多播連接動態(tài)分配算法的連接標識數(shù)量僅是固定連接分配的5 2 5 。 第2 4 貞共7 0 頁 加 一糍警霉端蛾 北京郵電大學學位論文 第三章b w m 網(wǎng)絡m a c 層多播機制 圖3 1 1 兩種算法二項分布改變參數(shù)舌連接數(shù)量 如圖3 1 1 所示，各個終端的頻道數(shù)據(jù)選取的隨機分布定為b i n o r n d ，參數(shù)改為 0 1 ，然后將終端數(shù)量從1 連續(xù)增加至1 0 0 ，圖中符號意義同上。與前圖相比，多播 連接動態(tài)分配算法的連接標識數(shù)量基本不變，固定連接分配上下限變小，因參數(shù)為 0 1 ，使得終端頻道選取范圍變小，即使基站為頻道分配與其他基站不同的連接標識， 事件發(fā)生的次數(shù)也會隨之變小，則固定連接分配的連接標識數(shù)量略有下降，且多播 連接動態(tài)分配算法的連接標識數(shù)量僅是固定連接分配的9 3 0 0 6 0 。 用尸教置 圖3 一1 2