IEEE802.16d Mesh模式及其调度机制分析

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0 前言
　　IEEE802.16协议是IEEE(国际电器与电子工程师协会)制定的关于无线城域网空中接口规范的协议标准。该标准由IEEE协会下的IEEE802工作组制定，目前，该工作组制定的相关标准主要涉及到802.11(WLAN) 、802.15(WPAN) 、802.16(WMAN) 、802.20(WBAN)等方面。其中，802.16标准着眼于在城域网中提供高性能的、工作于2GHz～66GHz频段来解决”最后一公里”问题的无线接入技术。在2003年发布的IEEE802.16a标准的基础上，该工作组于2004年通过了IEEE802.16d协议标准。IEEE802.16d定义了以下几方面内容：三种物理层模式（单载波、OFDM和OFDMA）、MAC层的三个子层（特定服务汇聚子层、公共部分子层和安全子层）、两种网络拓扑结构（PMP和Mesh）。
1 Mesh模式及其帧结构
　　1.1 Mesh模式的特点
　　在IEEE802.16d定义中，网络拓扑结构一般采用PMP(点到多点)方式，此时，网络系统只能在BS与SS之间进行数据的通信，如果要达到更远的覆盖距离就必然要牺牲数据传输速率，降低吞吐量。为了能够在保证网络吞吐量，保证网络有效利用率的基础上最大限度地扩大无线网络的覆盖范围，IEEE802.16d定义了Mesh拓扑结构。相对于PMP模式，Mesh模式有以下几个特点：
　　（1）Mesh模式与PMP模式最大的不同点在于，不仅BS与SS之间能够直接通信，并且SS之间也可以通过多跳的方式实现多点到多点的无线连接。此时，由于邻近节点之间距离相对较短，数据的传输速率相对于BS和较远SS之间的直接通信有很大提升，具有较大的吞吐量。Mesh模式更容易扩大无线网络的覆盖范围，同时缓解传输速率与覆盖范围的矛盾。
　　（2）Mesh模式只支持时分双工(TDD)方式，没有明确的、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。
　　1.2 Mesh模式下的帧结构
　　Mesh模式下的帧包括控制子帧和数据子帧两个部分。控制子帧完成网络控制和调度控制，因此，控制子帧又分为网络控制子帧和调度控制子帧两种。
　　网络控制子帧通过发送MSH-ENTRY(网络接入)消息和MSH-NCFG(网络配置)消息来使得不同系统之间能够协调一致工作。MSH-ENTRY消息提供了新节点接入网络同步和初始化的方法；MSH-NCFG消息则提供了不同系统节点之间进行通信的一些参数。在调度控制子帧中，Network Description IE中MSH-DSCH-NUM参数定义分配给MSH-DSCH消息的时隙单位数量。前（MSH-CTRL-LEN MSH-DSCH-NUM）个时隙单位用于发送MSH-CSCH消息，其余的用于发送MSH-DSCH消息。
　　数据子帧被分为256个微时隙单位，而控制子帧可分为多个时隙单位，其数量由MSH-NCFG消息中的Network Description IE中的MSH-CTRL-LEN参数来决定。每个控制子帧中包含了(时隙×时隙数量×7)个OFDM符号，控制子帧发送信息都采用QPSK1/2调制编码。协议中定义了网络控制子帧中第一个时隙单位必须用来发送网络接入消息，剩下（MSH-CTRL-LEN-1）个时隙单位用来发送网络配置消息。Mesh模式下的帧结构如图1所示。

　　

　　图1 Mesh模式下的帧结构

2 Mesh模式下调度机制分析
　　IEEE802.16d标准定义了Mesh模式下的两种调度方式：集中式调度和分布式调度。
　　（1）集中式调度
　　在集中式调度方式（见图2）下，一方面，BS在调度过程中处于中心位置，并协调SS的接入问题；另一方面，由于Mesh模式下没有独立的上下行子帧，BS和SS之间在通信过程中不必建立直接链路，可以通过中间SS中继来建立连接。在该调度模式中，BS和SS可以视为处于同一棵调度树中，BS处于调度树的根部。BS在确定链路的burst分配以及相关参数后，根据SS的请求统一安排网络资源。

　　

　　图2 集中式调度示意图

　　BS在MSH-CSCH消息中广播调度信息；在MSH-CSCF消息中广播各条链路的burst分配以及相关参数，各个节点根据MSH-CSCF消息中的调度树来进行链路更新。由于集中式调度机制中BS负责整个网络通信过程中SS之间的关系，在一定程度上可以避免碰撞问题，可以有效解决SS之间对于资源的竞争。但是，在集中式调度机制下，容易出现以下几个方面的问题：由于SS之间需要通过BS来进行通信，一旦BS与某SS之间无法建立连接将导致该SS无法与网络中其他节点进行通信；BS需要大量的额外开销来维护整个网络中节点的状态信息表；整个网络的通信效率较低；由于网络通信对于BS的过度依赖，BS必须保证工作的稳定性。为了解决以上问题，分布式调度机制就显得尤为重要。
　　（2）分布式调度
　　在分布式调度方式中，网络中各个SS可以直接进行通信，这使得整个网络的通信效率大大提高，也有效规避了过度依赖BS带来的通信风险。分布式调度如图3所示。

　　

　　图3 分布式调度示意图

　　依据在传输调度过程中是否存在碰撞现象，IEEE802.16d进一步将分布式调度划分为协同分布式调度和非协同分布式调度。根据MSH-DSCH消息中特定位的比特值来标志调度类型：0为协调调度，1为非协调调度。在协同分布式调度中，控制子帧使用无碰撞的方式来传输调度包；而在非协同分布式调度中，传输调度包则部分采用竞争方式。
　　IEEE802.16d Mesh模式中的分布式调度，采用请求、答复和确认三次握手的方式来建立发送数据前的链接：首先由请求发送节点发送MSH-DSCH消息中的Request IE来指明要发送数据的属性以及可用的时隙，然后目标节点则根据请求寻找合适的时隙并回复请求节点数据微时隙位置；最后，请求节点收到目标节点回复后发送MSH-DSCH许可消息来完成链接的建立过程。

　　

　　图4 分布式调度中三次握手示意图

　　三次握手的过程如图4所示。在该过程中，IEEE802.16d提供了各个节点计算自己发送机会的调度算法，以实现各个节点之间发送机会的公平性。
3 结束语
　　一般地，固定宽带无线通信，引入多跳方式的Mesh模式可在一定程度上缓解无线网络的覆盖范围与通信效率之间的矛盾，大大扩展基于IEEE802.16d协议的BS以及SS的使用范围，但这也增加了使用不同的QoS的各条链路之间的干扰。尤其是在分布式调度方式下，由于没有BS的协调，各个链路之间的干扰显得较为明显。因此，优化相关调度算法解决Mesh模式下带有不同QoS的各条链路间干扰问题，成为Mesh模式下一步的研究重点。
　　参考文献
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