WiMAX无线接入网络基于BS的本地路由_毕业设计论文

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1、WiMAX无线接入网络基于BS的本地路由_毕业设计论文 南 京 邮 电 大 学 毕业设计论文 题 目 Wi无线接入网络基于BS的本地路由 专 业 电子与通信工程 学生姓名 周如光 班级学号 G0980901066 指导教师 潘苏 指导单位 南京邮电大学通信与信息工程学院 日期2011年 3 月15 日至 2011年 11 月 7 日 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 论文独创性声明和使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明所提交的学位是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果本论文中除引文外所有实验数据和有关材料均是真实的本论文中除引文和致谢 的内容外不包含其他人或其它机构已经

2、发表或撰写过的研究成果其他同志对本研究所 做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意 学位论文作者签名周如光 日 期2011年11月3日 学位论文使用授权声明 工程硕士论文工作的知识产权单位属南京邮电大学学校有权保存本学位论文的电子 和纸质文档可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容可以采用影印复印等 手段保存汇编本学位论文学校可以向国家有关机关或机构送交论文的电子和纸质文档 允许论文被查阅和借阅保密论文在解密后遵守此规定 保密论文注释本学位论文属于保密论文保密期限为1年 学位论文作者签名 周如光 指导教师签名 日 期 2011-11-3 日 期 I 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 工程

3、硕士学位论文摘要 南 京 邮 电 大 学 工程硕士学位论文摘要 学科专业信息工程学院电子与通信工程专业 研 究 方 向无线通信 作 者周如光 指 导 教 师潘苏 题 目Wi 无线接入网络基于 BS 的本地路由 英文 题目Local Routing of Wi wireless communication networks based on BS 主 题 词Wi 系统本地路由 ASNBS可行性 KeywordsWi systemLocal routingASNBS Feasibility II 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 工程硕士学位论文摘要 摘 要 本文主要设计了一种全新的数据路由和交

4、换的机制用于实现Wi无线网络中的本 地路由无线城域网Wi是基于80216协议标准的一种全球宽带接入技术由于其很高 传输带宽多业务支持能力以及相对灵活的组网方式使其成为了通信领域的热点研究问 题Wi论坛的网络规范中给出了Wi无线通信网络的架构数据传输和控制机制规 定所有业务数据都需要送到核心网进行路由和数据交换但是对于在同一个BS管辖下的两 个用户之间的通信实际可以在接入网ASN内部进行路由和数据交换以此节约通信路线 减小数据的传输以及处理时延 论文首先对本地路由的可行性进行了论证证明了在同一个BS管辖下的两个用户之间 的数据通信可以在ASN内实现不需要经过CSN的路由和交换然后对本地路由和本地

5、路由 的各功能实体进行详细定义并且利用了一次路由多次交换本地路由核心思想最 后通过设计管理信令用于启动修改和终止本地路由定义各种信令交互流程和数据传 输机制构成了一套全新的完整的基于BS的本地路由的实现方案 本文分析了各种无线网络的优缺点根据wi的优势来考虑企业采用wi网络的可 行性然后根据对企业占地面积等实际情况来分析无线网络覆盖范围和移动性之后拟定 了企业所需的wi网络产品分析这些产品的优缺点以及适用性连接之后所带来的效 果和测试内容 关键词 Wi系统本地路由 ASN BS 可行性 III 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 工程硕士学位论文摘要 Abstract This thesis

6、aims to design a new data routing and switching mechanism to implement Local Routing of Wi wireless communication networks The Wi technology which is based on the IEEE 80216 standards has become a research hot-spot in the wireless communication field for its high data transmit rate heterogeneous ser

7、vices supporting and efficient network mode The network specifications in Wi Forum defines the structure of Wi wireless communication networks data transmission and control mechanism where all business data should be sent to the core network to do routing and data exchange For the communication betw

8、een two users under a same BS the data can actually be routed and exchanged in the access network ASN Local routing and data exchange could save communication lines reduce the data transmission and processing delay First of all the thesis demonstrates the feasibility of local routing proved that the

9、 local routing between two users under the same BS can be realized in the ASN At the second place this thesis defined in details about local routing and functional entities of local routing This thesis make use of an idea called one routing multiple exchange as the principle of local routing Then af

10、ter designing the management signaling to start modify and terminate the local routing the thesis specifies the interaction of various signaling processes and data transfer mechanisms Finally the thesis constitutes a complete implementation scheme of local routing based on BS This thesis analyzes th

11、e advantages and disadvantages of various wireless networks according to the advantages of wi we consider the feasibility of enterprises to adopt According to the area of the actual situation of the enterprise I analyzed the wireless network coverage and mobility Then I developed the wi network prod

12、ucts which the business needs and I analyzed the advantages and disadvantages and applicability of these products connection and testing of the effects caused by the content Keyword Wi system Local routingASN BS Feasibility IV 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 目录 目 录 摘 要 I 摘 要 III ABSTRACT IV 目 录 V 第一章 绪论 1 11 宽带无线

13、通信简介与WI系统发展前景 1 12 论文的研究意义 1 13 论文的主要研究内容和文章结构 2 第二章 WI无线通信网络数据传输机制 3 21 WI系统概述 3 22 IEEE80216协议基础架构 3 23 WI无线网络架构 4 24 当前WI网络规范中的数据传输机制 9 25 本章小结 17 第三章 基于BS的本地路由 18 31 本地路由可行性论证 18 32 本地路由的定义 18 33 基于BS本地路由概述 19 34 本地路由对系统中网络实体的要求 19 35 和本地路由相关的消息原语 23 36 基于BS的本地路由方案流程详述 27 37 本章小结 31 第四章 银晶光电无线网络

14、设计方案 32 41 银晶光电厂区WI网络分析 32 42 WI网络构架 36 43 本章小结 42 第五章 本地路由方案带来的有益效果分析 43 51 流程描述 43 52 效率分析 44 1 数据包传输和处理时延 44 53 本章小结 44 致 谢 46 缩略语 47 参考文献 49 V 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 11 宽带无线通信简介与Wi 系统发展前景 随着移动通信技术的迅猛发展无线通信系统呈现出移动化宽带化和IP化的趋势 移动通信市场的竞争也日趋激烈宽带无线接入BWA越来越引人注目成为新的技术热点 宽带无线接入技术常应用于四种范围的网络 无线个域

15、网WPAN无线局域网WLAN 无线城域网WMAN和无线广域网WWAN 1-2其体系结构如图11所示 WWAN 80220 WMAN 80216 WLAN 80211 WPAN 80215 图11 宽带无线网络体系结构图 本论文所讨论的Wi系统属于无线城域网它泛指通信运营商在城市及郊区范围内 提供多种业务的所有网络以宽带光传输为开放平台通过各类网关实现语音数据图 像多媒体接入并与各运营商长途网和PSTN实现互通的本地综合业务网络 作为一种宽带无线接入技术Wi在提供最后一公里8数据接入方面具有无可 比拟的优势首先Wi能够通过无线的方式实现宽带连接无需铺设线缆可显著降 低成本其次Wi传输距离50公里

16、传输速度75Mbps的技术指标使Wi可作为xDSL Cabel Modem等有线接入技术的补充覆盖有线技术难以到达的地区第三由于受距离 以及用户密度的影响较小Wi可以为社区企业商务用户提供高速数据接入最后 由于具有部署灵活施工周期短的特点 Wi系统在一些临时性的聚集地可以快速解决 用户数据接入的问题 12 论文的研究意义 众所周知在有限的资源下尽可能接纳最多的用户尽可能的完成数据的处理和传 输并且能够实现用户通信质量的最大保证是所有通信系统设计的原则和追求的目标 当通信的双方的数据路径都经过同一个BS时数据从这个BS出去后经过ASN-GWCSN 1 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章

17、绪论 路由后又送回到这个BS形成传输路径上的浪费BS可以直接将这样的报文向目的地转发 而不必再经过ASN-GW和CSN如图12蓝色虚线表示常规路由的传输路径红色实线表示 BS本地路由的传输路径 A ASN-GW CSN BS B 图12 本地路由和常规路由传输路径示意图 由于IEEE 80216协议5和现在Wi论坛的相关规范3中没有提出位于同一 BS管理下的两个用户在本地进行数据交换的方案所以经过研究和论证得出一种全新的本 地路由的方法是很有价值的这个本地路由的方案即可以使得上述BS本地路由过程得以 实现并且在从常规路由切换到本地路由时又可以保证通信不受影响同时在不得不 拆除本地路由的情况下也

18、可以保证通信也不受影响这样在使用本地路由技术后运 营商在传输网络的建设上的投资可以大大下降而通信双方的通信延迟也可以下降同时 用户通信质量又得以保证最后将进而提高整个通信系统的容量 13 论文的主要研究内容和文章结构 论文对本地路由的可行性进行了论证并且在对本地路由进行详细定义的基础上提 出了一套全新的完整的基于BS的本地路由的实现方案 论文的第一章是绪论介绍了Wi系统的发展前景以及Wi本地路由的研究意义 第二章阐述了Wi的系统架构和网络拓扑重点介绍了Wi论坛现有规范中的CSN核心 路由方案第三章对基于BS的本地路由进行了详细定义给出了对系统中各个网元的功能 要求以及本地路由的控制机制最后给出

19、了BS本地路由的判断方法和具体的数据传输机 制第四章根据BS本地路由的数据传输机制结合江苏银晶光电厂区实际情况提出无线 城域网的可行性方案和本地路由实现方式第五章在分析了本地路由和常规路由的数据传 输机制的优缺点的基础上重点阐述了实施BS本地路由所带来的有益效果 2 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 本章介绍了Wi系统无线网络参考模型和网络拓扑结构重点阐述了当前Wi论坛现 有规范中的CSN路由方案的数据传输路由及交换的机制为基于BS的本地数据路由的提出奠 定基础 21 Wi 系统概述 Wi全称为World Int

20、eroperability for Microwave Access即全球微波接入互操作 性它是由通信行业众多知名的设备制造商共同组建的这个组织组建的目的就是对基于 IEEE80216标准的设备进行互操作性和一致性方面的认证IEEE 80216是一种在固定宽带无 线接入系统方面的新协议它定义了无线城域网的空中接口Wi的基本目标是提供一种在 城域网接入环境下确保不同厂商的无线设备互连互通主要用于为家庭企业以及移动通 信网络提供高速宽带接入以及为将来的个人移动通讯业务提供服务4 WI支持PMP和Mesh两种网络结构PMP是一个BS和多个MS之间构成的点到多点的通信方 式Mesh是MS之间借用无线通

21、信方式BS和很多MS构成的一个网状网的通信方式本文主要 基于PMP模式进行研究如图21所示 MS1 MS2 上联设备 Internet 路由器交换机 MS3 BS 图21 PMP 网络系统结构 22 IEEE80216 协议基础架构 Wi网络的参考模型系统包括数据控制平面与管理平面本文所使用的80216d协议的 网络参考模型如图22所示 3 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 CS SAP 管理实体 面向业务的汇 面向业务的 聚子层 CS 汇聚子层 MAC SAP M A C MAC公共部分子层 管理实体 MAC CPS MAC公共部分 网络 子层 管理

22、 系统 安全子层 安全子层 PHY SAP P H Y 物理层 管理实体 PHY 物理层 数据控制平面 管理平面 图22 Wi 80216协议参考模型 图22是Wi协议参考模型从图中可以看出Wi系统包括两个平面分别为数据 控制平面和管理平面系统在数据控制平面之内是保证数据的正确传输而管理平面中定义 的管理实体分别与数据控制平面的功能实体相对应通过与数据控制平面中实体的交互 管理实体可以协助外部的网络管理系统完成有关的管理功能 Wi标准为数据控制平面定义了物理层和MAC层其中MAC层自上而下依次分为三个子 层面向业务汇聚子层CS公共部分子层CPS和安全子层SSCS子层提供了外部网络数据到MAC

23、层的映射通过CS SAP将外部数据映射到MAC SDU并将其MAC业务流标识SFID和连接标 识CID并联Wi支持三种汇聚子层IP-CSEth-CSIPoEth-CS本文的讨论都是基 于IP-CS进行的CPS子层通过MAC层的核心功能包括系统接入带宽分配连接建立和连接 维护SS安全子层提供认证安全的密钥交换和加密功能 23 Wi 无线网络架构 231 网络参考模型 Wi网络架构应该可以同时满足多种宽带应用场景的要求如固定游牧便携简单 移动全移动等模式并基于全IP的网络架构充分利用IP交换路由以及其它可以重用的IP 4 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制

24、网络功能Wi网络参考模型如图23所示 图23 Wi无线网络参考模型 23 11 网络实体 Wi 网络参考模型由接入业务网络ASN连接业务网络CSN固定和移动用户 台MS组成Wi 网络分成两部分一部分负责接入称为ASN另一部分负责认证核 心路由等功能称为 CSN 其中 NAPNSP 和 ASP 是供应商负责不同网络的设备供应 NAP 网络接入供应商NSP 网络业务供应商ASP 应用业务供应商 2312 接入业务网络 ASN ASN的功能是管理IEEE 802 16空中接口为Wi用户提供无线接入ASN通常由基站BS 和网关ASN-GW两部分构成BS通过空中接口与移动终端MS连接使MS连接到Wi 网

25、络在Wi论坛发布的Wi网络标准中定义了三种不同功能分布的ASN组网形式4 ASN Profile AASN Profile B和 ASN Profile C 其中ASN Profile B将BS和ASN-GW合并在一起作为一个物理实体参考点R6作为实体内 部参考点不再暴露所以BS的功能实体和ASN-GW的功能实体之间不需要使用信令及你选哪个 信息交互具体分布如图24所示 5 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 图24 ASN Profile B示意图 ASN Profile A和ASN Profile C将BS和ASN-GW分开作为独立的物理实体也就是说

26、在BS 上的功能实体和在ASN-GW上的功能实体在R6参考点处需要通过信令交互进行能力协商以及 合作共同完成控制功能ASN Profile A将所有负责控制的功能实体都放置在ASN-GW将负责 直接和MS交互的任务执行功能实体放置在BS在其功能实体分布如图25所示 图25 ASN Profile A示意图 而ASN Profile C将对空中接口的控制和资源分配的权利全部交给BSASN-GW将不再执行 接纳控制带宽分配等相关的空口操作具体功能实体分布如图26所示 6 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 图26 ASN Profile C示意图 在Wi论坛

27、的网络规范中将ASN Profile C作为发展的主流网络协议后续细节的规 范也是基于ASN Profile C进行定义的并且本文讨论的基于BS的本地路由需要BS对空中接 口有完全的控制能力所以本文后续描述都是基于ASN Profile C进行的 在ASN Profile C的组网形式下ASN-GW具有以下功能 1 发现网络根据策略限制选择某个BS获得无线接入服务 2 将AAA控制消息传递给用户的归属NSP协助完成鉴权计费等功能 3 协助高层与MS建立二层连接分配IP地址完成ASN和CSN的隧道建立 4 进行ASN内移动性管理包括所有类型的切换并进行寻呼和位置管理 5 存储临时用户信息列表类似

28、于3G网络中VLR的功能 在ASN Profile C的组网形式下BS具有以下功能 1处理IEEE 802 16空中接口完成物理层MAC层和调度功能 2管理无线资源完成连接的接纳控制带宽分配对连接进行维护管理 3 配合ASN-GW完成切换功率控制等功能并更新无线资源管理和MS活动状态 激活 和体眠 支持密钥管理和会话管理等功能 2313 连接业务网络 CSN CSN定义了一套网络功能的组合为Wi用户提供IP连接 CSN可以由路由器 AAA代 理或服务器用户数据库Intemet网关设备等组成CSN可以作为全新的Wi系统的一个新 建网络实体也可以利用部分现有的网络设备实现 2314 网络参考点 W

29、i参考模型中的参考点包括如下 R1移动用户台与接入网ASN之间的接口 7 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 R2移动用户台与连接服务网络CSN之间的逻辑接口 R3接入网络ASN和连接业务网络CSN之间互操作的接口 R4处理与ASN网关间移动性相关的一系列控制和承载平而协议 R5拜访CSN与归属CSN之间互操作的一系列控制和承载平而协议 R6BS和IABN网关间的互操作接口 R7ASN-GW决策点与ASN-GW执行点之间的控制平而的接口 R8 BS与BS之间的接口 232 网络拓扑结构 如图27所示为Wi网络的拓扑结构在一个ASN内部有一个ASN-GW和

30、多个BS三个ASN 都属于同一个NAPASN-GW之间互联一个ASN-GW可以连接到一个CSN 如ASN-GW1也可以 连接到多个CSN 如ASN-GW3 CSN1 AAA LMA CSN2 R3 R3 ASN-GW1 R3 R4 ASN-GW2 R4 ASN-GW3 ASN2 R6 R6 ASN3 ASN1 R6 R6 BS3 BS1 BS2 BS4 R1 MS C MS D MS A MS B DD 图27 Wi无线网络拓扑结构 三个ASN都接入同一个CSNCSN属于NSPNSP和NAP可能是同一运营商也可能是不同的 运营商这没有关系CSN还有归属地和拜访地的区别之间联到现在用户所在的AS

31、N上的CSN 是拜访地的CSN用户原来属于的CSN是归属地的CSN 8 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 24 当前Wi 网络规范中的数据传输机制 现在的Wi系统都是在CSN进行数据路由在提出基于BS的本地路由之前需要对网络 现有的路由和数据传输机制进行一定的描述方便后文对两种路由机制进行比较 241 CSN路由方案概述 Wi网络的一般结构如图28所示 A 数 数 数 数 数 ASN- 数 数 数 数 数 CSN GW BS 数 数 数 数 数 B 图28 CSN路由方案示意图 上图中用户A与用户B之间进行通信数据首先由BS接收经过处理后再转发给ASN

32、-GW ASN-GW转发给CSN在CSN处进行核心路后将数据经过ASN-GW转发给BSBS在将数据通过空中 接口发送给用户B 242 基本流程图 用户A和用户B位于同一个BS之下并且两个用户的信息由同一个ASN-GW管理在此将 先给出用户A把数据发到用户B的具体流程图29是具体的交换流程图 9 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 用户A业务发起 N 用户A是否接入系统 用户A接入系统 Y 增加业务连接建 立数据通道 用户A将数据通过空中接口发送到BS处 BS解析数据并打包转发给ASN-G ASN-GW解析数据并打包转发给CSN CSN解析数据并进行路由

33、CSN将数据转发给ASN-GW ASN-GW查询用户Context并且找到用户B N 用户B是否接入系统 用户B接入 或重接入系统 Y 增加业务连接建立数据通道 ASN-GW将数据传送到用户B N 业务结束 Y 结束 图29 CSN路由方案的交换流程图 243 CSN路由方案具体流程 1用户A发起业务 根据用户A是否接入系统可以将业务发起的过程分为以下两种 用户A已经接入系统 当MS处于Active模式或者Sleep模式下时用户是处于Availability状态MS与BS之间 10 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 已经建立了三对管理连接MS和BS之间

34、可以通过这三对管理连接进行管理信息的交互用于 连接的建立用户鉴权等 用户A没有接入系统 当MS处于Idle模式时MS与BS之间没有任何连接包括管理连接所以MS必须要在发 送请求消息之前进行网络重接入并且建立三对管理连接 网络重接入过程 1MS通过DL-MAP和UL-MAP消息获得上下行同步信息完成与BS 物理和时间同步并获 得信道相关参数 2MS在测距连接CID 0上通过竞争发送测距请求将自己的MAC地址等信息发送给 BS 3BS为MS分配基本管理CID主要管理CID和次要管理CID 4BS做出测距应答通过MS的MAC地址将上述三对管理CID传给MS 2增加业务连接建立数据通道 下图210为主

35、要的信令交换流程 图210 上行数据通路建立信令流程 主要有以下几个步骤 STEP 1用户A向BS发起连接建立的请求 11 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 STEP 2BS告诉用户A请求已经收到 STEP 3BS通过接纳机制判决后决定接纳用户A的业务请求于是向ASN-GW发起数据通 道DP Data Path登记请求 STEP 4ASN-GW经过选择机制决定接纳业务分配数据通道然后通过将DPID发送给BS 建立DP STEP 5BS接到DP建立确认信息之后想用户A发送连接建立消息将CID分配给用户A STEP 6用户A向BS进行确认 STEP 7BS

36、向ASN-GW进行确认说明从用户A到ASN-GW的上行数据通路已经建立完毕 至此从MS到ASN-GW的所有连接都已经建立并且在BS处存储有一张CID和DPID的对应 表如表21所示 表21 CID与Data Path ID对应关系 CID Data Path ID MS CID-A DPID-A ASN-GW CID-E DPID-E 3用户将数据通过空中接口发送到BS IP层的数据作为MAC层的SDU需要添加一些MAC的相关信息打包成为MAC PDU再传到下层 进行发送如下图211所示为MAC PDU的格式 图211 IEEE80216MAC PDU结构示意图 4BS解析数据并重新打包发送到

37、ASN-GW BS与MS之间采用的是80216的标准进行数据传输在BS与ASN-GW之间的R6参考点使用的 传输标准在论坛的网络体系结构中有规定2 图212是BS和ASN的控制平面和数据承载平面的协议参考模型 12 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 ASN R6 BS ASN-GW 控制平面 16CNTL ASN CRTL ASN CRTL CSN CRTL MAC IP IP IP PHY LINK LINK LINK PHY PHY PHY 数据承载平面 IP IP IP IP IP-CS GRE GRE XXX MAC IP IP LINK PH

38、Y LINK LINK PHY PHY PHY 图212 R6参考点的协议参考模型 网络体系结构中规定了BS和ASN-GW基于数据通道DP Data Path进行通信BS和ASN-GW 都具有数据通道功能DPF Data Path Function功能模块两者可以通过信令的交互进行DP 的登记修改和撤销并且控制数据包在两个实体之间传送4 DP也是基于业务的分配用于保证用户通信QoS也就是说一个DP对应一个特定的QoS参 数集用于传输一个特定类型的业务SF用DPID进行唯一标识这一点和80216中的空中连 接CID标示是一样的 DP是通过在数据包的外面再加一个包头把DPID作为传输依据实现的在Wi的ASN网 络中我们使用GRE协议对数据进行打包在R6传输的数据包格式如图213所示 13 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 Wi 无线通信网络数据传输机制 IP Ver IP HLEN Type IP Datagram Total Length IP Identification Fl