IEEE802.16e 终端MAC层的研究与设计(硕士论文)

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贡献于2012-05-09

字数:0 关键词: 网络技术

西南交通大学 硕士学位论文 IEEE802.16e终端MAC层的研究与设计 姓名:王立军 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:彭代渊 20100401 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页皇曼量曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼鼍曼毫曼篡曼曼曼曼曼曼曼曼曼!曼曼曼_!II--II曼量皇曼皇曼皇曼曼摘要随着通信技术的迅猛发展,移动宽带化和宽带移动化是通信网发展的必然趋势。宽带无线接入系统是解决“最后一公里”问题,即用户网络到核心网络接入瓶颈的有效途径。目前,宽带无线接入系统已成为全球通信架构中的一个重要组成部分。为了促进802.16标准的完善与市场推广,IEEE802.16无线工作组和世界知名通信企业联合发起的WiMAX(WorldwideIntcropcrabilityforMicrowaveAccess,微波存取全球互通)论坛在宽带无线接入架构体系的标准化方面做了大量工作。802.16协议定义了支持多媒体业务的无线城域网(WMAN,WirelessMetropolitanAreaNetwork)空中接口协议。WiMAX作为新一代宽带WMAN的代名词,受到业界的高度关注。随着WiMAX商业应用在世界范围极速膨胀,市场对WiMAX终端的要求也越来越高。WiMAX能够支持多种多媒体业务,且MAC层采用面向连接的机制,来保证端到端服务的QoS。对于802.16e系统的QoS保障,802.16e标准中规定了MAC层服务类别的划分以及系统的QoS框架和具体信令交互机制,并没有规定具体的实现方案,因此这也是目前的研究热点。作者参与XX研究单位的项目,在研究期间,作者对IEEE802.16e协议进行跟踪和分析,参与进行MAC层的总体架构设计,并给出部分模块的详细设计方案,在工程上给予实现。本文所做的主要工作如下:一、基于IEEE802.16e标准,对WiMAX汇聚子层和公共部分子层进行深入研究,重点分析其面向分组业务的功能,并对其QoS思想进行剖析。二、在深入分析802.16e协议的基础上,参与进行MAC层整体设计和功能模块划分,重点阐述所负责的功能模块详细设计和实现方案。三、提出一种基于传输类的分级调度策略,实现不同业务类型对系统资源的公平共享,保证不同业务类型的通信正常进行。四、对设计的各模块进行集成测试,指出设计存在的不足和后续的改进方案,并提出未来的工作方向。关键词:全球微波接入互操作;媒质接入控制;服务质量 西南交通大学硕士研究生学位论文第|I页AbstractWiththerapiddevelopmentofcommunicationtechnology,Mobilebroadbandandbroadbandmobileistheinevitabletrendofdevelopmentofcommunicationsnetwork.BWA(BroadbandWirelessAccess)systemisoneofthemosteffectiveavenues,whichisexpectedtosolve“thelast·mile’’problemthatisalsotitledastheaccessbottleneckofuser’Snetworktocorenetwork.Atpresent,BWAsystemhasbeenoneofthemostimportantcomponentsofglobalcommunicationstructure.Inordertoconsummatethe802.16standardandtospreadthemarket,WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)forum,whichisestablishedbyIEEE802.16wirelessworkgroupandworld’Sbest-knowncommunicationcompanytogether,hasdonealotofworkonthestandardizationofbroadbandwirelessaccessarchitecture.AirinterfaceprotocolsofWMAN(WirelessMetropolitanA。reaNetwork),whichsupportmultimediaservices,aredefinedin802.16protocols.AsasynonymforanewgenerationofbroadbandWMAN,world’ScommunicationcompanieshavepaidmuchattentiontothetechnologyofWiMAX.WiththecommercialapplicationofWiMAXrapidexpansionintheworld,themarketdemandforWiMAXterminalsisincreasinglyhi曲.WiMAXsupportsavarietyofmultimediaservices,andtheconnection-orientedmechanismofitsMAClayerensurestheQoSofendtoendservice.ForQoSguaranteeof802.16esystem,802.16estandardprovidesthedivisionofservice,systemQoSframeworkandthespecificsignalinginteractionmechanism.However,itdoesnotstipulateaspecificimplementationoftheprogram,whichisalsothecurrentresearchfocus.Theauthorparticipatedintheprojectofcertainresearchinstitution.Intheperiodofstudy,theauthorfollowedupandanalyzedIEEE802.16eprotocol,andparticipatedintheoveralldesignofMAClayerandimplementedthemainpartofit.Inthisbackground,thecontentsofthisthesisareprovidedasfollows:First,basedonIEEE802.16estandard,theconvergencesub—layerandthecolnlnonpartsub—layerofMAClayerarestudieddeeply.Thefocusisonanalysisoftheirgroup—orientedbusinessfunctionsandQoSidea.Second,relevantfunctionalitymodules’divisionoftheMAC—layerisanalyzedin-depth, 西南交通大学硕士研究生学位论文第lIl页thenhowtodesignandimplementthemodulesoftheWiMAXsystemisdiscussedindetail.Third,aschedulestrategybasedontrafficclassispresent.Thestrategyachievestheequityshareofsystemresourceamongdifferentservices.Consequently,differenttypesotcommunicationcallbeprogressedsteadily.Forth,theintegrationtestingispresentandthedesigndeficienciesarepointedout.Theimprovedmethodsandthevisionforthefuturearegivenatlast.KeyWord:WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess;MediaAccessControl;QualityofService 西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密口,在年解密后适用本授权书;2.不保密彭使用本授权书。(请在以上方框内打‘‘√,’)学位论文作者签名:国互军日期:。力勿、乡、13指导老师签名:噬勿鸯溯日期:力仉^13 西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:一、基于IEEE802.16e标准,对WiMAX汇聚子层和公共部分子层进行深入研究,重点分析其面向分组业务的功能,并对其QoS思想进行剖析。二、在深入分析802.16e协议的基础上,进行WiMAX移动终端MAC层的整体设计和功能模块划分,重点阐述各功能模块的软件设计和详细实现方案。三、提出一种基于传输类概念的分级调度策略,实现不同业务类型对系统资源的公平共享,保证不同类型业务的通信正常进行。四、对设计的协议栈软件进行系统集成测试,验证其基本功能和性能。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学砬论文作者签名:孑五军日期:刃肜、f侈 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪.论随着宽带无线通信技术应用范围的不断扩大,基于IEEE802.16标准的WiMAX技术已成为宽带无线通信领域的~颗新星,以其快速组网、高带宽、低成本和远距离覆盖等诸多优势,为宽带无线应用提供了新的选择,也使WiMAX的应用前景光明一片。本章将详述本文的研究背景与意义,并对目前WiMAX的国内外研究现状进行分析,最后给出本文的研究方法与组织结构。1.1WiMAX终端的研究背景与意义随着IEEE802.16标准的日益成熟,WiMAX时代已经到来。参与到WiMAX技术推广和市场应用中的厂商也越来越多,各大厂商都想以自己开发的成熟产品在WiMAX应用中掌握主动权,这就使得基于标准的用户站和基站的开发显得尤为重要。2009年底,美国WiMAX运营商Clearwire以65万的用户数高居全球榜首,这一数字比紧随其后的俄罗斯WiMAX运营商Yota高出30万。WiMAX市场研究分析机构Maravedis最新调查结果显示截至2009年末,全球移动WiMAX用户已超过固定用户,随着WiMAX产品的进一步成熟,移动WiMAX用户将迅猛增长。由于用户站相对于基站的开发技术难度较低,其竞争也就愈加激烈,因此,如何开发出高效可靠且经济实惠的终端产品引起各大厂商的关注,也使得基于标准的移动终端开发日趋激烈。目前全球WiMAX供应商超过60家,WiMAX论坛认证产品己达上百种,全球WiMAX试验项目已有几百个,遍及各个大洲。Sequans公司、Wavesat公司、Intel公司、Beceem公司和Fujitsu公司等多家芯片厂商都在积极推进WiMAX终端芯片研发工作;Agilent公司、安华高公司等多家厂商也在积极推出WiMAX终端测试解决方案。同时为了应对未来无线宽带接入市场的竞争,802.16工作组制定的最新标准802.16m预计于2010年夏季通过批准,有望于2012年开始部署该技术。802.16m的目标是为用户提供超过每秒100MB的平均下载速度,同时兼容802.16e标准。WiMAX作为--f-j新兴的宽带无线通信技术,具有诸多的市场竞争优势:首先,覆盖范围广。WiMAX在非视距传输时传输距离可以达到几公里,视距传输时可以达到50公里,这些可以使得电信企业利用该技术来替代传统的数字用户线、光纤接入等有线通信技术。其次,高带宽。WiMAX系统所能提供的最高接入速率是70Mbps,是3G系统所 西南交通大学硕士研究生学位论文第2页能提供带宽的30倍(11。再次,组网更快,成本更低。WiMAX网络部署时间短的主要原因是其广阔的覆盖范围,使得所需的基站更少,建网时间更短,进而建设成本更低,尤其是对于农村地区和人口密度低的偏远地区,很难通过有线技术接入互联网,而WiMAX在该方面的优势是独一无二的。鉴于WiMAX如此众多的竞争优势,许多通信厂商都投入巨资进行相关产品的研制,保证各自在技术上的领先地位,同时在经济上获得巨大收益。到目前为止,WiMAX固定接入产品具有一定的成熟性,而移动领域的WiMAX产品贝.tJNSrJ起步,每个国家或通信厂商都有机会在移动领域中取得突破。同时,随着市场的不断发展,满足用户随时随地接入互联网的需要,移动WiMAX终端的需求势必如雨后春笋般增长。因此,基于WiMAX标准的移动终端的开发具有重要意义。成功研制标准的移动终端产品不仅可以创造新的经济增长点,而且还可利用已有经验继续开发标准基站,构成一套完整的WiMAX解决方案,保证自己在WiMAX领域占有一席之地。1.2国内外研究现状作为3G家族的最新成员,WiMAX技术标准也在不断完善,商用规模逐渐扩大。目前,WiMAX产业链已颇具规模,WiMAX论坛成员已经接近500个,包括芯片厂商、终端厂商、系统设备提供厂商、测量仪表厂商、规划与优化软件厂商和运营商f2】。作为新兴的宽带无线接入技术,WiMAX从一出现就面临高速分组接入(HSPA,HighSpeedPacketAccess)等现有宽带无线技术的竞争,后又面临HSPA演进版本LTE的追赶,这种竞争是两种技术从不同方向向同一市场渗透的必然结果【3】。从成熟度来看,HSPA已规模商用,较为成熟,而WiMAX产品还有待进一步成熟。LTE的技术特点与WiMAX技术类似,但其标准化工作相对于WiMAX滞后。总体来说,WiMAX的性能优于HSPA,且标准的成熟时间要早于LTE,在移动宽带领域有更大的机会获得市场份额。WiMAX论坛和无线宽带产业集团目前有一份报告显示到达2012年,全球将有超过1.33亿.WiMAX用户,大约70%的WiMAX用户,将使用该技术的移动和可移动版本,通过智能电话或其他移动设备接入互联网。WiMAX标准主要包括空中接口标准和网络侧标准两大部分。WiMAX系统的空中接口标准已经完成,但网络侧标准尚在完善中,这两大部分标准分别fl了IEEE802.16工作组和WiMAX论坛来完成【枷。在WLMAX产品的认证上,实质性的测试认证工作于2008 西南交通大学硕士研究生学位论文第3页曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量量皇,一,mNIIII曼曼岂曼鼍曼曼年年初开始。WiMAX的产品认证可分为Wavel和Wave2两个阶段,两者最主要的差别是Wave2增加了MIMO的属性,Wave2又分为两个步骤来实施:Phasel和Phase2。由于2007年之前商用的WiMAX只存在于韩国市场,因此,Wavel阶段只针对韩国应用的2.3GHz频段、8.75MHz带宽的产品进行认证测试,随着WiMAX技术的发展,Wavel的测试已于2007年关闭。Wave2Phasel的认证工作已于2008年年初启动,Phase2已于2008年第3季度启动【9J21。同时,WiMAX技术的发展促使WiMAX网络管理系统的研究和标准化方面的工作具有较强的紧迫性。一般而言,网络管理技术的研究总是滞后于对应的技术体系研究,随着WiMAX技术发展和演迸,特别是在商用网络部署方面的突破,促使网络管理技术的研究也迫在眉睫【13】。WiMAX网管标准除了对现有固定和移动WiMAX标准提供管理支持外,还需要对一些开发中的WiMAX标准保持足够的重视。比如目前正在制定中的IEEE802.16m标准,可能会给网络资源模型、组网方式等带来一定改变,而这些变化都需要纳入到网络管理标准的研究之中。.WiMAX终端主要包括固定终端和移动终端,固定终端主要面向住宅或企业用户,提供P网络接口的点对点、点对多点应用;移动终端主要面向单用户接入,可以提供普通移动终端用户无线上网,提供的接口包括USB,SDIO,PCMCIA等,用于不同的移动终端产品,如笔记本电脑、PDA等。与WiMAX基站设备比较,WiMAX终端设备将更加受限于安装、尺寸、电源、功率等诸多问题,尤其是移动无线宽带接入的应用更是如此。目前移动WiMAX的功率放大器的功率附加效率(PAE,PowerAdditionalEfficiency)很低,相比于W-CDMA40%o"-50%的PAE和GSM500/o---55%的PAE,移动WiMAX的PAE仅有10%"-20%,为支持未来的移动通信标准,提高功率放大器的PAE是解决问题的根本,使得该领域的研究成为WiMAX领域的热点【14’151。随着WiMAX应用的逐步形成,除以上所述的各类研究以外,更多的关键问题亟待解决。在IEEE802.16系列标准中,虽然规定MAC层面向连接的数据传输可以提供端到端的QoS保证[16-iS】,但是并未规定具体的实现方案,因此如何高效的实现WiMAX汇聚子层(CS,ConvergenceSub.1ayer)对上层分组数据包的分类和如何在公共部分子层(CPS,CommonPartSub—layer)合理的进行不同业务类型的调度也是业界研究的热点和提升终端产品质量的关键。WiMAX采用面向连接的机制,支持多种多媒体业务,其支持分组业务的服务流的管理也成为WiMAX系统最关键的问题之一。文献 西南交通大学硕士研究生学位论文第4页皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅舅舅曼曼曼IIII:m=:皇曼曼曼曼皇曼鼍笪皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼蔓曼曼量曼皇曼曼曼皇曼量曼曼曼曼[19]qb,针对动态的QoS配置能力和系统的资源进一步优化使用,提出展开对E2E架构、调度算法、以及接入控制方面的研究,但是并没有提供对包时延限制的保证:文献[20】中提出利用IPDiffServ机制实现业务流内不同口包的优先级,或者根据DiffServ类别建立业务流;文献[2l~28]从QoS体系架构、商业应用模型以及WiMAX的分层架构等多方面对其MAC层QoS机制进行分析,总的来说,都是基于标准的规定,对不同业务类型从不同角度进行QoS等级划分,再映射到WiMAX网络的服务流。当前,IEEE802.16e标准主要提供点对多点(PointtoMulti—Point,aMP)和网状网(Mesh)两种无线信道共享模式。如何借鉴GSM和CDMA等成熟移动网络的组网经验,寻找适合移动WiMAX技术特点的组网方式,是目前业界研究和讨论的热点[29-32]。在进行WiMAX组网时为实现全移动的目标,还应尽量减少移动WiMAX系统的切换时延,同时保证切换过程中数据的完整性【33。7】,如何简化终端重入网过程,减少重入网时延以达到减少切换时延的目的,也成为业界研究的重点。在实际应用中,根据IEEE802.16e标准,MAC层要支持基于业务服务质量需求和协议类型的服务流划分;提供链路自适应技术,根据链路质量状态通知物理层动态调整调制/解调方式;实现用户站注册、管理和监控;还要TCP业务提供ARQ机制,保障TCP数据传输的可靠性,合理的设计MAC层各功能模块,同时简化实现的复杂度和提升系统性能也至关重要[38-43】。WiMAX系统开发中涉及标准强制实施的技术、非强制实施的技术,以及标准未规定使用的技术。系统开发在保持对强制实施技术支持的基础上,还需要考虑对非强制实施技术以及未规定技术的合理选择和使用㈣。1.3主要研究内容宽带移动通信的日益普及,使得宽带无线接入系统必将成为全球通信架构中的一个重要组成部分。IEEES02.16的MAC层支持点对多点的宽带无线接入应用,在上行和下行链路上进行高速传输。为了让多个用户共享一个物理信道,MAC层必须要有有效的接入和带宽分配算法以支持各种业务的Qos保证。标准定义了5种不同的业务类型,它们分别为:主动授予服务、实时轮询业务、扩展的实时轮询服务、非实时轮询业务和尽力传输业务。IEEE802.16的MAC层是基于连接的,为映射各个ss的服务,提供不同级别的QoS,所有的数据通信都是建立在连接的基础之上。一个连接标识了BS和SS的MAC层中对等实体间的连接信息,同时映射到一个服务流。因此,业务流实际上提供了上下行QoS管理的机制,并且和带宽分配的进程紧密联系。一个Ss以基于每个连 西南交通大学硕士研究生学位论文第5页接,即基于不同业务流的方式请求上行带宽。.BS在某个时间调度间隔内,或者对一个sS的所有请求总的授予一个带宽,或者按每个连接来授予带宽。从以上分析可以看出,IEEE802.16可以为不同业务提供不同质量的服务。802.16作为无线城域网的标准,不仅大大提升网络间的互操作性,同时也提供较高的灵活性,随着无线数据服务越来越受欢迎,全球无线宽带接入用户也迅猛增长,本文根据WiMAX无线接入市场需求,结合一款符合IEEE802.16e标准的移动终端的开发,重点研究WiMAX的MAC层,论文主要完成以下内容:一、分析WiMAX系统的网络架构,并对WiMAX系统空中接口协议栈的体系结构进行深入研究。二、基于IEEE802.16e标准,对其MAC层的汇聚子层和公共部分子层部分进行深入研究,重点分析其面向分组业务功能,并对其QoS思想进行剖析。三、在对协议进行深入分析的基础上,对MAC层进行整体设计和功能模块划分,并重点阐述WiMAX系统中各模块的详细设计和实现方案。四、提出一种基于传输类概念的分级调度策略,实现不同业务类型对系统资源的公平共享,保证不同类型业务的通信正常进行。五、对设计的各模块进行集成测试,指出设计不足的地方和后续的改进,并提出未来工作的方向。1.4论文研究方法和结构安排针对WiMAX这项新技术的特点和应用模式,本文采用协议分析和实证研究相结合的方法。首先提出MAC层的总体结构设计,然后进行内部模块的详细实现,再对用户站(CPE)的整体设计进行有目的、有步骤地测试验证,最后进行WiMAX系统集成测试,最终实现WiMAX无线移动终端的MAC层的研发设计。本论文的组织结构如下:第一章介绍本篇论文的研究背景,当前无线城域网标准IEEES02.16的发展状况、目前的研究热点、论文研究的主要内容、论文的理论和实际意义、论文的研究方法以及组织结构。第二章是对WiMAX系统进行介绍。首先对WiMAX组织及作用进行介绍,然后介绍WiMAX两种组网方式,即PMP和Mesh模式,最后对WiMAX的网络架构进行说明。第三章是对IEEE802.16e协议的研究。首先对PHY层进行简单介绍,随后对MAC层 西南交通大学硕士研究生学位论文第6页进行详细的分析,包括其三层分层结构和帧结构。最后对802.16标准中信道接入机制和QoS思想作了深入分析。第四章对MAC层进行整体设计,软件模块划分和代码实现,同时给出一种基于多媒体业务QoS保证的分等级调度策略。对于UGS、rtPS、ertPS、nrtPS和BE业务,协议规定业务优先级由高到低,为了防止因为纯粹的优先级调度而带来的BE业务的“饿死"问题,采用基于最小保证速率和最大维持速率的传输类的概念来实现等级划分,这样可以满足不同业务之间的公平性,都能够得到使用系统资源的机会。第五章对系统进行集成测试,验证设计的合理性和可靠性,并对结果进行分析,提出未来的改进方向。最后总结全文,并提出了未来工作的方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7页皇曼曼曼量曼璺皇曼曼舅曼舅曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼舅--------Tmm1mm蔓曼曼曼曼曼曼詈曼曼置舅曼曼皇曼皇曼曼鼍第2章Wi脚系统概述本论文的研究主要基于IEEE802.16.2005协议即IEEE802.16e标准来开发和设计WiMAX系统中的MACCS子层和CPS子层。首先要了解WiMAX系统的组织和架构,然后深刻理解WiMAX系统的空中接口协议。本章介绍WiMAX系统的网络拓扑结构,之后介绍WiMAX协议栈的媒质接入控SO(MAC)层和物理层((PHY),然后对WiMAX系统的CS子层和CPS子层进行深入介绍,最后对本章进行总结。2.1Wi㈣概述WiMAX英文全称为WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess,即全球微波接入互操作,是由采用IEEE802.16标准的设备和器件供应商共同创建的一个非赢利性生产团体,主要是向市场推广IEEE新的无线通讯标准802.16t451。随着宽带无线通信技术的不断成熟,WiMAX已成为IEEE802.16标准的代名词。2.1.1WiMAX简介WiMAX是一种面向WMAN的宽带无线接入技术,能提供面向互联网的高速无线连接。WiMAX用于将802.11无线接入热点连接到互联网,也可连接公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和用户数字线(DSL,DigitalSubscribeLine)的无线扩展技术,被称作“无线DSL”,实现无线宽带接入。WiMAX作为一项新兴的宽带无线接入技术,允许DSL运营商向那些难以进行有线宽带接入或还没有进行有线宽带接入的用户提供高速的因特网接入。同时作为线缆和DSL的无线扩展技术,WiMAX可以用来提供“最后一英里”的无线宽带接入方案。根据IEEE802.16标准,WiMAX能够向固定终端和移动终端提供高效的无线宽带连接,并最终能够在非视距范围内向无线终端提供宽带连接。当前WiMAX网络主要用于将IEEES02.16无线接入热点连接到互联网,或者把公司网络和家庭网络连接至有线骨干线路。与其它的接入技术相比较而言,以IEEE802.16为基础的无线城域网技术具有投资少、传输速率高、建设快、组网灵活、布置方便等一系列优点,因此WiMAX在出现时就引起社会各界的广泛关注,受到运营商和设备制造商的积极响应和支持,成为未来最具发展前途的无线接入技术之一。WiMAX与Wi.Fi一样,都是提供用户进行无线接入的技术,但Wi.Fi解决的是无线局域网的接入问题,而WiMAX解决的是无线城域网的接入问题。WiMAX通过与晰.Fi 西南交通大学硕士研究生学位论文第8页应用相结合,可以作为Wi.Fi接入点之间的骨干连接,极大地扩展Wi.Fi用户的无线网络接入范吲46'471。与此同时,Wi]诳LX可以吸纳采用Wi.Fi技术的运营商及企业用户加入到WiMAX阵营,克服Wi㈣终端存在的成本问题。WiMAX的最大特点在于它能够提供较大的频谱覆盖范围,并且能够向其覆盖范围内的无线终端提供高速率的无线接入。WiMAX重点强调的特性是系统容量,即以足够的带宽同时支持多个以T1/E1速率实现的商业连接。在WiMAX传输方式下,’单信道传输速率最高可达75Mbps,多信道传输速率最高可达350Mbps,能够为其网络覆盖范围内的用户站提供至骨干网的连接,向固定终端和移动终端提供高速的多媒体服务。2.1.2WiMAX网络架构WiMAX网络由至少一个BS和多个ss组成,IEEE802.16e协议在802.16d基础之上,扩展了WiMAX网络对移动终端的支持,能向移动用户站(MobileSubscriberStation,MSS)提供无线网络服务。WiMAX的网络架构在设计时,充分考虑了数据传输的高效性和网络架构的灵活性。整个网络可以分为两大部分:接入服务网(ASN,AccessServiceNetwork)和连接服务网(CSN,ConnectionServiceNetwork),如图2.1所示【481。嗯√MSS自√MSSb√MSS图2.1WiMAX网络架构IEEE802.16标准主要提供两种无线信道共享模式,即PMP模式和Mesh模式。在PMP模式下,基站与多个固定或者移动用户站进行通信,用户站之间不存在直接的通信,网络中所有的通信连接必须经由基站,系统应用场景如图2.2所示;在Mesh模式下,各个用户站可以通过直连或中继的方式进行连接,Mesh网络采用多个BS以网状网方式扩大无线覆盖区。其中一个Bs作为业务接入点(sAP)与核心网相连,其余BS通过无线链 西南交通大学硕士研究生学位论文第9页路与该sAP相连。因此,作为SAP的基站既是业务的接入点又是搂八的汇聚点.而其余基站并{F简单的中继站(Rs)功能,而是业务的接入点Mesb网络应用场景如图2_3所示。⑦WIMAXBS罔2-2WiMAXPMP模式应用场景图2-3WiMAXMesh模式应用场景Mesh网络与PMP网络最主要的不同是:在PMP网络中,数据交换只发牛在Bs和ss之间;但在Mesh|阚络中,数据的传输可能会经过其他的ss,而14,数据变换可以在两个ss之间直接进行。本文主要研究摹于PMP组网模式下的终端应用情况,该WiMAX网络架构可以满足多种宽带应用场景的要求,并采用基于全IP的网络架构,充分利用IP交换、路由以及其他可以重用的IP网络功能。wiMAx网络支持漫游模式和非漫游模式,如图2_4和圈2.5所示m圳。廖警kb燃/|!! 西南交通大学硕士研究生学位论文第10页图2_4非漫游模式下的WiMAX端到端参考模型图2.5漫游模式下的WiMAX端到端参考模型ASN主要为WiMAX用户提供相应的无线接入和控制,ASN可以包含BS和ASN接入网关·(ASN.Gw)等相关网元设备,其参考模型如图2.6所示t49’5们。BS主要负责WiMAX的无线接入和无线资源管理功能,ASN.GW负责用户的接入管理、移动性管理和数据通道管理功能,根据功能需求,可以将ASN.GW分成控制面网元和用户面网元两部分。CSN是WiMAX核心网,为WiMAX用户提供IP连接服务。CSN包含很多功能实体,3A服务器负责用户的接入认证和计费;DHCP)]及务器负责地址的分配:归属代理(HA,HomeAgent)负责通过移动IP(MIP,MobileIP)方式实现第三层的业务切换等。ASN和CSN可以隶属于不同的运营商。ASN可根据用户要求选择不同的CSN网络为用户提供服务,为虚拟运营业务的开展提供了便利,方便了无线接入网络的共享。WiMAX网络中用户的鉴权、认证和计费功能通过归属网络的3A服务器实现,拜访网络仅提供3A代理功能,这种架构设计给运营商组网建设和网络管理提供了很大的灵活性。WiMAX系统中各网元设备的接口关系如图2.7所示,各个接口的含义详细说明如下149.so]: 西南交通大学硕士研究生学位论文第11页m。uummIImuu!●R1接口:BS与MSS之间空中接口,即标准定义的MAC和PHY部分;●R2接口:MSS与CSN之间的逻辑接口;·R3接口:ASN与CSN之间的接口;●R4接口:ASN.GW之间的接口;●R5接口:访问CSN和本地CSN之间的接口;·R6接口:ASN.GW和BS之间的接口;·R8接口:ASNBS之间的接口,提供快速和无缝切换。图2-6WiMAXASN参考模型图2.7WiMAX系统各网元接口关系图2.2IEEE802.16标准发展介绍IEEE802.16是为制定无线城域网标准而专门成立的工作组,该工作组自1999年成立以来,主要负责固定无线接入的空中接口标准制定。IEEE802.16标准是一种新的 西南交通大学硕士研究生学位论文第12页针对微波和毫米波频段提出的空中接口标准,是一项无线城域网技术。表2.1IEEE802.16系列标准发展《;’t争。’,卅口‘:’,吒”一j{,‘,。,,’蓐茹;标准类尉说嗡状态vi。、。v,撕最初的空中接口,使用频段为10~66GHz,适用802.16空中接口2002年4月发布LOS环境对IEEE802.16扩展,使用频段为2~11GHz,使802.16a空中接口2003年4月发布用于NLOS环境,采用OFDM高级调制技术对工作在2~llGHz频段的IEEE802.16协议进行802.16e空中接口2003年1月发布互操作定义,统一不同厂家产品的协议接口对工作在10~66GHz的宽带无线接入系统的共存802.16.2共存进行研究,最初于2001年9月出版,目前由IEEE2004年4月出版802.16.2.2004所替代对IEEE802.16.2进行补充,增加了对2~11GHz802.16.2a共存2004年4月出版的支持,并且增加了点对点协议的传输对IEEE802.16a互操作性的加强,后来对IEEE802.16d空中接口802.16和IEEE802.16a进行统一合并,称为IEEE2004年10月发布802.16—2004,是目前最权威也最广泛公认的标准在IEEE802.16d的基础上支持用户的移动性,增802.16e空中接口2005年12月发布强移动性管理定义802.16固定接入系统MAC层和物理层的管802.16f共存2005年也月发布理信息库(MIB)以及相关的管理流程规定标准的802.16系统管理流程和接口,从而能802.169共存够实现802.16设备的互操作性和对网络资源,移2006年12月发布动性和频谱的有效管理致力于解决共存问题,可以使WiMAX适用于UHF电视频段,并避免与其他使用更高频率的802.16h共存‘WiMAX设备之间的干扰使其能够满足FCC的要2007年2月发布求,作为次要使用者使用空白的地面电视频道定义了802.16移动接入系统MAC层和物理层的802.16i共存管理信息库(Mm)以及相关的管理流程2007年2月发布为了改善802.16网络的覆盖,吞吐量以及系统容802.16j共存量,定义了中继站和基站的多跳中继功能2007年4月发布针对802.16的桥接进行修改,使之能与802.16802.16k共存2007年3月批准MAC达到兼容为了成为ITU的IMT.Advanced候选标准适应下802.16m空中接口一代移动通信网络的需求,定义了一种基于预计2010年发布WirelessMAN.OFDMA的增强型空口计划最初的IEEE802.16协议是2001年12月IEEE通过的无线城域网标准,该标准支持的工作频段为10""66GHz,只能承载在视距的环境中,这些限制并不利于固定宽带 西南交通大学硕士研究生学位论文第13页接入技术的推广,因此在2003年1月,IEEE又发布了扩展协议IEEE802.16a,目的在于使固定宽带接入技术也能支持非视距传输,工作频率范围为2"--'11GHz,需要许可证和免许可证频段。随后,为了能够使IEEE802.16系列标准能够传输从每秒几兆比特到每秒几百兆比特的数据,提供高速多媒体业务传输的能力,成为解决接入网“最后一公里”瓶颈的有效手段,802.16工作组对IEEE802.16a协议进行了改进,提出了融合后的IEEE802.16REVd协议,也称为IEEE802.16.20叫802.16d协议,目前该协议已经成为业界标准,各大厂商都基于该标准设计推出各种固定无线接入产品。2005年,作为固定接入技术的扩展,增加对终端用户的移动性支持,制定了IEEE802.16.2005/IEEE802.16e协议,从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。随后,针对802.16d和802.16e标准的改进,又制订了一系列修订版本,即802.16f、802.169、802.16h、802.16i、802.16i和802.16k标准。为了应对来自其它无线接入技术的竞争和未来4G技术的发展需要,802.16工作组制定的最新标准802.16m预计将于2010年夏季通过批准,各种IEEE802.16系列标准如表2.1所汞511。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14页第3章IEEE802.16e协议栈分析IEEE802.16e标准定义的空中接1:2由物理层和MAC层组成,如图3.1所示m1。MAC层又分为三个子层,即汇聚子层、公共部分子层和安全子层,MAC层的结构设计可支持多种物理层规范,不同的物理层技术适合不同的无线传输环境。,一、上行链路处理过程下行链路处理过程,^㈨nL....一一●\!!!:竺,一k以太网帧发送I以太网帧接收服务汇聚子层L2重封装lL2解封装(CS)分类器数据包定向l—MSB《3)宝o‘篷o嫠山LENLSB《8)CIDMSB(8);{fi{CIDLSB(8)HCS(8){{};图3.12通用MAC报头格式J^?l{iiType(3)BRMSB(11)t箔±}}、,t¨I"-工{{{;BRLSB《8)CIDMSB《8){l;l};}CIDLSB(8)HCS(8)i}jl图3.13带宽请求报头格式表3.1通用MAC报头域描述域名长度描述CI1bit0=无CRC校验l=有CRC校验Cm16bits连接标识符EClbito=负荷不加密1-负荷加密EKS2bitSTEK索引,当EC=I时有意义HCS8bitsMAC头的前五个字节校验 西南交通大学硕士研究生学位论文第24页曼曼曼曼曼曼曼曼曼!曼皇曼!曼曼曼曼量Ili_IIii.li(续)表3.1HTlbito=通用头LENllbitsMACPDU数据字节长度(包括头及负荷)Type6bits撑5:MESH子头,l=存在,o=不存在拍:ARQ反馈净荷,l=存在,o=不存在ff3:扩展子头l=有扩展,适用于ARQ允许的连接o=无扩展,适用于ARQ禁止徉2:分段子头,l=存在,o=不存在撑l:打包子头,l=存在,o=不存在棚:下行表示FAST-FEEDBACK分配子头上行表示授权管理子头l=存在,o=不存在表3.2带宽请求报头域描述域名长度描述BR19bits带宽要求,表示SS需要的上行带宽字节数Cm16bitS连接标识符EClbito:负荷不加密l=负荷加密HCS8bitSMAC头的前五个字节校验HTlbitsl=带宽请求头Type3bits指示带宽请求头的类型000=要求的额外的带宽001=要求的总的带宽3.2.3wMAXSS子层WiMAXMAC层包含一个单独可选的安全子层来提供认证、密钥交换以及加密等功能。WiMAX系统通过加密ss和BS之间的连接给用户提供安全接入宽带无线网络的能力,此外BS通过加密相关的业务流来禁止未经授权的访问,给运营商提供强大的防盗用功能。IEEE802.16e标准的SS子层定义两部分内容:●加密封装协议该协议负责加密宽带无线接入网络中传输的分组数据,定义了加密和鉴权算法,以及这些算法在MACPDU净荷中的应用规则(标准规定,加密只针对MACPDU净荷部分,MAC头不被加密)【171。●密钥管理协议(PKM,PrivacyKeyManagement)PKM负责BS到sS之间密钥的安全分发,SS和BS之间密钥数据的同步,以及BS强迫接入网络服务。PKM采用客户/服务器(C/s)模型,SS作为客户端请求密钥,BS作为服务器端响应SS的请求,并授权给SS唯一密钥㈣。PKM使用CPS子层定 西南交通大学硕士研究生学位论文第25页义的MAC管理消息来完成上述功能。PKM支持周期性重授权以及密钥更新机制。PKM使用X.509数字证书、RSA公钥加密算法和强对称算法进行BS与SS之间的密钥交换。通过使用基于数字证书的认证方式和基站与终端之间进行相互认证的方式,进一步加强PKM的安全性能。3.3信道接入机制wiMAxBS给Ss分配时间或带宽的前提是SS已经成功注册进入网络,而SS在进入网络之前,网络是不会给SS分配时隙的。为了提供一个SS进入网络的入口,在上行子帧周期的起始时刻,IEEE802.16提供了两个竞争周期:初始测距竞争周期和带宽请求竞争周期。在这两个周期内,除了没有加入网络的SS,其他sS不会在这两个周期内发送数据。SS只要解开ULMAP,就知道竞争周期的时刻,而后就可以在竞争周期内发起入网过程。3.3.1网络接入与初始化WiMAX终端在网络接入和初始化时,包括上下行参数获得、初始化测距、基本能力协商、注册和建立口连接等过程,如图3.14所示㈣。具体描述如下:●上下行链路同步和参数获取为了获得网络的上下行链路通信参数,SS通过接收ULMAP、DLMAP、上行信道描述符(UCD)和下行信道描述符(DCD)消息获得网络的上下行参数和同步信息。●初始化测距测距过程是sS和BS之间保证无线通信质量的一系列过程。包括下行链路突发属性管理、上行链路周期性测距和针对OFDMA物理层模式的测距机制。测距过程交互的参数包括链路时序,功率级别等。·基本通信能力协商sS和BS协商对基本通信能力的支持。包括带宽分配支持参数,PDU构建、传输参数和物理层支持参数。●SS注册注册是Ss被允许进入网络的过程,一个被管理的sS在此时建立次管理连接,注册过程中采用注册请求(REG.REQ)和注册回应(REG.RSP)进行消息交互,该过程还包含D版本协商。 西南交通大学硕士研究生学位论文第26页●IP连接建立SS发起动态主机配置协议(DHCP)过程,获取一个IP地址和建立IP连接需要的其他参数。建立m连接的参数在次管理连接上传输。●系统时间获取SS和BS都需要获得当前的系统时间,完成一些需要时间戳的控制事件。扫描下行信道÷‘l>勰|建立明响,下行同步建立上上一jfss数.曙期热l)日期叫上上获取七行参数>ss敬完毕操作参数传输rlJr.获取£行参数.翮Sj;在瞒靖注册>爹羹传输完牛上三1L测距&自动调整>ss一建立预设连接'r主上_匝&自动调整I完壤l建立m连接上J●●⋯⋯●一_一I基本镌力协商>IP连j妻限亩,-l图3.14WiMAX网络接入和初始化流程图3.3.2带宽分配与竞争解决在WiMAX网络PMP模式中,Bs控制上行链路的带宽分配,各个Ss只能通过时间帧的上行子帧向BS发送传输请求。当Bs的可用带宽资源充足时,BS将采用轮询的方式遍历各个SS,并根据SS的带宽需求向各个SS提供带宽资源。当Bs的可用带宽资源处于缺乏状态时,ss通过竞争的方式获取网络资源。ss在使用竞争方式获取带宽资源时,不同的SS在请求传输机会时会发生请求碰撞㈣。当前802.16标准使用截断二进制指数后退方式来协调各个Ss在带宽请求阶段和初始连接阶段产生的冲突。 西南交通大学硕士研究生学位论文第27页3.3.2.1带宽分配802.16e协议中描述了多种带宽分配及请求方式,从带宽请求消息结构来分,可分为单独的带宽请求消息和附带带宽请求消息两种;从带宽请求交互方式来分,可分为直接发送单独的带宽请求或附带请求、轮询、借用、竞纠17】。下面分别介绍请求、授予和轮询这三种主要的带宽分配方式:(1)带宽请求带宽请求是指Ss向BS发送请求申请带宽,可以采用两种方式,即通过带宽请求头和通过捎带(PiggyBack)请求方式‘171。当采用带宽请求头的方式请求带宽的时候,SS可以单独发送一个带宽请求头也可以使用附带请求。在带宽请求头中Type字段表明了请求的带宽类型是额外带宽(Incremental)还是总的带宽(Aggregate)。当BS接收到一个SS的Incremental带宽请求时候,会在现有的带宽基础上增加带宽;对于Aggregate带宽请求时,直接进行总带宽的分配而不考虑已经分配的带宽。对于PiggyBack请求方式,总默认为Incremental方式。(2)带宽授予协议规定,带宽的授予是授予所有属于某SS的连接,而不是对于特定的连接,此时,SS根据收到的信息以及请求的状态决定是否重新发起请求或者丢弃SDUtl7】。SS利用基本CID分配的时隙来发送数据,也利用这个时机来请求带宽。SS在等待接收SDU同时为连接发送额外带宽请求,然后对接收到的ULMAP进行处理,如果有带宽授予,则进行带宽分配,带宽分配完成后,如果对分配的带宽不满意则继续申请增加带宽,如果对分配的带宽满意则进行数据的发送以及新的带宽请求。(3)轮询轮询是BS为sS分配带宽的一种处理流程。对于轮询,协议特别指明是基于SS的,带宽的请求是基于CID,而带宽的分配则是基于SStl71。轮询分为单播轮询、多播和广播轮询。单播轮询时,Bs在ULMAP中分配足够的带宽用于sS发送带宽请求,而不发送专门的消息来轮询SS。如果SS不需要发送请求带宽,则分配的带宽将被填充。单播轮询一般通过分配~个指向sS的基本CID的数据授权信息元素(IE,InformationElement)来实现。多播与广播轮询则用于带宽不足以满足ss的单播轮询时,在此时,ULMAP中没有单独的带宽分配消息,而且带宽分配是与一个广播或多播CID相关联而不是与Ss的基本CID相关联。当使用多播或广播轮询时,所有属于 西南交通大学硕士研究生学位论文第28页该组的ss都可以利用ULMAP中分配给关联广播/多播CTD的时隙来发送带宽请求,此时,只有需要带宽请求的Ss可以响应该轮询,在此过程中,竞争解决算法提供了一种减少各个SS之间冲突的方法,传输不成功的话,SS会一直使用该算法来重新发送带宽请求。3.3.2.2竞争解决BS通过ULMAP消息控制上行信道的分配,来控制冲突发生。协议中规定竞争解决采用截断二进制回退算法,BS控制初始回退窗口和最大回退窗口【171。当SS要发送信息并进入竞争解决过程时,就会设置内部回退窗口等于带宽请求或BS发送的控制消息中定义的初始测距回退初始值。SS在选定的发送时机发送后,一旦在随后的ULMAP收到数据授权突发类型IE发送带宽请求,竞争解决过程结束;如果sS在超时后仍然没有收到数据确认,表示竞争发送丢失,此时SS将重新选择确认回退窗口值,然后重复上述延时过程。如果重试次数达到最大次数后仍然没有得到数据确认,带宽请求PDU就会被丢失。在竞争解决过程中,~旦接收到单独的请求IE或数据授权突发类型IE,SS都将停止竞争带宽请求过程而采用BS给出的单独发送时机。3.4WiMAXQoS机制WiMAX系统中,提供QoS的基本原则是将通过MAC接口的分组数据与某一个服务流相关联,系统中的SS和BS就是根据该服务流所定义的QoS参数集合来提供QoS保证的。根据不同的应用,WiMAX系统定义了五种调度服务类型,调度服务类型是MAC调度器为了在某一连接上进行数据传输的处理机制f52】。系统中的传输连接和调度服务类型一~对应,各调度服务有自己的QoS参数。对不同类别的调度服务,系统规定了不同的带宽请求与分配机制。WiMAX系统支持的五种调度服务类型为:主动授权服务(UGS)、实时轮询服务(rtPS)、扩展的实时轮询服务(ertPS)、非实时轮询服务(nrtPS)和尽力而为服务(BE)。WiMAX系统中实现的多媒体业务区分QoS机制如图3.15所示[s21,五种调度服务类型的详细描述如下:●UGS:BS周期性地分配固定大小的带宽给恒定比特率连接,节省SS进行带宽请求所带来的开销和时延,主要用于承载固定带宽业务,如T1/E1业务和不带静音抑制的V0口业务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第29页图3—15多媒体业务的区分QoS机制●rtPS:BS周期性地向SS发出带宽请求机会,允许SS利用此机会向BS请求其数据传输所需要的带宽大小,随后BS根据SS的请求及当前无线资源的使用状况决定为该业务分配合适的带宽资源。该过程通过信令交互得以实现,因此将耗费一定的系统资源用于带宽申请的开销,主要用于承载实时可变速率业务,例如MPEG音视频业务等。··ertPS:该种业务类型是一种行程安排机制,建立在UGS和riPS两者的效率之上。crtPS的设计针对在WiMAX网络上进行可变数据速率业务的实时运输,例如带静音抑制的vo口业务。·nrtPS:rtPS业务类似,区别是BS不定期地向SS发出带宽请求机会,因此该模式主要用于承载非实时变速率业务,如高速率的FTP应用。·BE:尽可能地利用空中资源传送数据,但是不会对高优先级的连接造成影响,例如Web浏览和E-mail应用。对于WiMAX系统来说,其QoS机制具有三个特点:一是BS集中管理,BS控制着带宽的分配以及接入控制,可以根据实际情况处理ss的带宽请求,尽可能的在保证带宽分配的公平性的基础上提高带宽分配的效率;二是定义五种调度服务类型,对于每一 西南交通大学硕士研究生学位论文第30页种调度类型,定义了不同的QoS参数,使得Bs可以根据实际需要选择合适的调度算法满足不同的业务需求;三是对服务流的管理,一条服务流通过一系列的QoS参数(时延、抖动、吞吐量等)来表现,协议中对不同的服务流定义了不同的QoS参数,同时不同的服务流之间也可以转换,最大可能的提供QoS保障。3.5,J、结本章对IEEE802.16e标准的PHY层和MAC层规范进行了详细的分析和研究。首先对WiMAX系统进行简要介绍,然后对IEEE802.16e协议的网络拓扑结构和节点模型进行说明,之后对PHY规范进行分析,详细阐述OFDMA的帧结构以及具体参数,最后对MAC层进行详尽分析,重点阐述WiMAX的信道接入机制和QoS机制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第31页第4章WiMAX终端MAC层的设计与实现本章的设计是遵循IEEE802.16e标准的MAC层协议处理而开发的,主要用于移动终端在标准以太网环境下的应用。MAC层主要为PHY层提供数据服务,同时完成无线资源管理、数据封包解包、系统同步以及移动管理等~系列工作。4.1终端总体设计概述本文所描述的WiMAX移动终端总体架构,具体可分为硬件平台、嵌入式系统、协议栈软件、高层应用软件和管理工具软件共五个方面,如图4.1所利531。图4.1WiMAX移动终端总体架构硬件平台设计包括CPU芯片的选择、外围设备芯片选择等;嵌入式系统设计包括嵌入式操作系统(EOS,EmbeddedOperationalSystem)选择和相关板级支持包(BSP,BoardSupportPacket)及外围设备驱动程序开发;协议栈软件设计包括基于IEEE802.16e协议分析、模块划分和软件实现;高层应用软件实现移动终端的基本应用;管理工具软件用于对终端进行管理,包括目标主机协议(THP,TargetHostProtoc01)、命令行接口(CommandLineInterface)和连接管理工具(CM,ConnectionManager)。目标主机协议可实现终端和主机处理器之间数据包和命令消息的传送,其功能主要包括:提供主机和目标机片上系统(SoC,SystemonChip)之间通信的双向数据链路;命令行接口提供命令链路,用于完成服务流创建、睡眠模式及空闲模式触发和目标机配置等功能;提供命令行接口,可输入各种控制命令到目标机;连接管理工具实现通过主机端的图形控制界面对目标机进行控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第32页硬件设计在很大程度上决定了整个系统的性能和可靠性,本文WiNL舣终端的CPU芯片选用ARM926处理器,带有8KB的数据Cache和8KB的指令Cache,时钟频率200MHzt54-56]。ARM926处理器上运行的嵌入式操作系统选择美国风河公司(WindRiver)的VxWorks嵌入式实时操作系统。VxWorks是一个高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统,被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。WiMAX移动终端需要实现的协议栈功能包括PHY层、MAC层和网络层。PHY层和MAC层的功能涵盖在IEEE802.16e标准中,网络层与开放式系统互联参考模型(OSI,OpenSystemInterconnectReferenceModel)中的网络层相当,用于实现WiMAX系统和现有网络的互连互通。4.2硬件平台组成WiMAX移动终端的硬件架构组成如图4.2所示【531,包括CPU子系统、主机接口、WiMAX子系统、射频接口和外围设备等。图4.2WiMAX移动终端硬件设计框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第33页CPU子系统用于MAC处理和控制各种各样的外设;Host接口通过MII、USB或SDIO接口提供至外部主机处理器或外部网络的连接;WiMAX子系统实现WiMAX接口内部数据处理;射频接口由四个RFADC和DAc以及一个通用目的ADC/DAC组成,提供至天线的连接;其他外围设备包括电源、时钟、SD洲、FLASH、EEPROM、FPGA、串口芯片和以太网芯片等。4.3EOS和BSP硬件平台和嵌入式操作系统确定以后,需要对CPU芯片进行底层软件的开发和相关BSP选择。在VxWorks系统中,底层软件主要由三部分组成:引导程序(BootLoader),BSP和设备驱动程序(Drivers)[57,59]。·BootLoader:在VxWorks中,也称其为BootROM,是目标系统上电后执行的第一段代码,配置处理器寄存器和工作状态、初始化系统内存等功能,完成目标系统的硬件初始化,为操作系统运行提供硬件环境;●BSP:针对不同芯片或开发板,专门定制的一套代码,包括CPU地址空间划分、CPU寄存器定义、CPU运行参数配置、外围设备定义、系统启动和初始化代码等[59.60】;·Drivers:驱动特定目标环境下的各种设备,包括字符型设备、块设备、网络设备、总线设备等,对它们进行控制和初始化【611。。本文所设计的移动WiMAX终端底层软件的开发采用WindRiver公司提供的针对ARM926EJ.S芯片的BSP代码,同时需另行开发外围设备驱动程序,包括PCI总线驱动、串口设备驱动、网络设备驱动、FLASH芯片驱动和EEPROM芯片驱动等。4.4MAC层整体设计和软件模块划分IEEE802.16e标准规定,WiMAX网络可提供IEEE802.3(Ethemet)、802.1Q(VLAN)和IP(IPv4和IPv6)多种基于包的业务与WiMAX系统CPs服务接入点之间的逻辑关系映射,本文设计针对最常用的Ethernet应用,其基本通信流程如图4.3所示。SS8S1.2FotwardingL2Forwarding◆EthemetEthemetCSEthemetCS|IEt】hemet●802.16802.16I图牛3基于Ethernet/立用的基本通信流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第34页由于802.16e协议内容繁多、功能复杂,必须立足于协议并根据实际开发的需求对系统功能实体进行合理的划分,通过模块化开发方式保证整个系统完备的功能和高效的性能。依据协议,可将整个系统的MAC部分(本文设计不涵盖安全子层)划分为CS、CPS控制平面和CPS数据平面三个实体,CS部分完成对以太网包汇聚,映射到wiMAX网络的连接;CPS控制平面通过MAC管理消息来完成带宽分配、数据成帧、网络接入和初始化功能,CPS数据平面完成链路建立和维护功能,实现上层业务基于WiMAX连接的传输,MAC层的整体设计框图如图4—4所示【53】。图4.4MAC层整体设计框图(不考虑安全子层)基于以上分析,MAC层所实现的功能模块按类型可划分为:PHY层控制模块、MAC层控制模块、MAC层调度模块、MAC层数据模块和MAC层数据库模块。上述五种类型模块共同组成了802.16e协议栈的MAC层。PHY层控制模块控$!JPHY层的处理过程;MAC层控制模块实现MAC协议所需的状态机,并对管理信息包进行处理;MAC层数据模块完成对系统所支持的数据包的处理,分为数据包接收与数据包发送两种处理过程;MAC层数据模块管理移动用户站信息、服务流信息和服务类信息;MAC层调度模块通过消息排队、优先级区分、MAP消息构建和调度来实现QoS,是实现过程中最为 西南交通大学硕士研究生学位论文第35页曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼蔓曼曼曼曼鼍曼曼量皇曼曼III__..一..I皇曼曼重要的功能模块,控制着整个MAC层的调度处理过程,其他模块的正常运行很大程度上也依赖于该模块的实现。各个模块类型所包含的软件模块相关描述如表4一l所利531,软件模块间的相互交互关系如图4.5所示∞1。砉童荟黑薹童E日数据包流—_MAC管理消息流图4.5MAC层软件模块关系说明 西南交通大学硕士研究生学位论文第36页表4.1WiMAXMAC层各软件模块描述4。w‘。弘碑呼镌≈#}‘罗茹誓嚣:二y一燃麓弩獭谚粥渺裼颥≯模块描述0⋯77’爹黟i7卵””弼弹拶彩+模块窘‘弛。,I自⋯一k一h。诺“;撼一。珏虢《锻?科£☆■*璐镰龌#‰%%*虢张獭纨牦《‰,口嚣,般:靠。崩。~勘#锄。意艘缘{。是,描虢曩l锄。磊赫盛巍{藏,癌;貉缓≯。甄ARQAutomaticRepeatPHSPayloadHeadSpreesreQuest(ARQ)ManagerCAPCapabilitiesDatabasePKMPrivacyKeyManagerDHCPSDHCPontheMSPKMSPrivacyKeyManageronMSDLCDownlinkConfigurationPMSPowerManagerontheMSDLCSDownlinkControlOiltheMSPSCDPowerSavingDatabaseDMCDataMessageClassifierREGISRegistrationOiltheMSDREGSDe—RegJistrationmessageREPSStatisticsReportManageronhandlingonMStheMSDSXDynamicServiceFlowRNGSRangingontheMSESFExtendedSub.headerFieldRRMRFReceiveModuleETMEthernetTrafficModuleSBCSMSBasicCapabilitiesonMSFCFrameControlSFDSFDatabaseHOSSHandoverScanningonMSSLPSSleepModeonMSHPMSHostPowerManagementSMSMSManagerontheMSServiceontheMSIDLSIdleModeOilMSSSDMSDatabaseMMDMACMessageDispatchTODSTimeofDayProtocolMMTMACMessageTransmitterULCUplinkConfigurationNBSDNeighborBSDatabaseULCSUplinkControlonMSMOBSMobilityMessageManagerUMSSUplinkMapScheduler011MSOiltheMSUPCSUplinkPowerControlonMSNDSSNetworkDiscoveryandUQSSUplinkQoSScheduleronMSSelectionontheMS 西南交通大学硕士研究生学位论文第37页4.5WiMAXCS子层软件实现WiMAX网络是面向连接的,为了传送基于分组的外部网络数据包,需要CS子层完成高层协议数据单元与WiMAXMAC层连接间的映射,该过程被称之为分类,本文将分类器称为数据消息分类器(DMC,DataMessageClassifier)。CS完成的各项功能是为保证系统的QoS设计的,分类功能是QoS保证的前提。同时,无线通信环境中的带宽资源是十分宝贵的,CS的净荷头压缩(PHS,PayloadHeadSprees)功能使空中传输数据量减少,能降低系统占用带宽,提高传输效率,故PHS措施是系统QoS保证的一个方面。4.5.1CS子层发送端实现CS子层发送端完成的主要功能是:对接收到的高层数据包进行分类;对需要进行头部信息压缩的数据包进行头部信息压缩;将汇聚之后的CSPDU交给CPS子层。4⋯511DMC模块为实现数据分类操作,CS子层定义了分类器,即一系列的匹配准则,所有进入WiMAX网络的外部数据包,首先经过分类器,映射到对应的服务流,与特定的服务流标识(SFID)、连接标志(CID)及净荷头压缩准则(PHS)相关联,完成外部网络数据包到Wi心网络数据的转化。7二DMC模块由DMCActions、DMCStart和DMCStructures---部分共同组成,如图4.6所示。图4.6DMC模块软件构成框图DMCStructures定义了DMc模块使用的所有数据结构;DMCStart完成DMC的初始化工作;DMCActions完成外部数据包到wiMAX网络连接和服务流的映射。DMC模块应用在射频接口数据通道上。DMC模块决定传送数据包时所使用的传输CID及对应的SFID:判另OPHS准则是否需要被应用,若需要则使用PHS准则对净荷报头进行压缩。遵照IEEE802.16e协议所规定的分类器内容,可定义分类器的分类规则结构ClassifierRule如下所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第38页臼pedefstmctclassierrule{u8pnofi锣;IpDscpRangeMaskdscpRangeMask;u8ipProtocol;MaskedlpAddresssrcIpAddress;MaskedlpAddressdstlpAddress;ProtocolPortRangesrcPortRange;ProtocolPortRangedstPortRange;MaskedMacAddresssrcMacAddress;MaskcdMacAddressdstMacAddress;Ipv6FlowLabel_tipv6FlowLabel;Ieee8022Sapsap;严分类规则优先级宰/j嶂DSCPrangeandmask*/产口协议类型串/严源D地址·/严目的IP地址木//·源端口范围吖严目的端口范围木//幸源MAC地址串/严目的MAC地址吖/*IPv6流标识奉//*802.2SAp*/Ieee8021DUserPriorityuscrPfiofit),;/*802.1d用户优先级幸/u16vlanld;/|IⅥ.ANm叫u8phsi;严PHSI枣/u16index;/*Index*/u8dscpRangeMaslcPresent;洚IstheDSCPrangeinformationpresent?’|u8ipProtocolPresoent;/*NumberofIPprotocols*/u8srclpAddressPresent;/*NumberofsourceIPaddress*/u8dstlpAddressPresent;/*Numberofdestination口·addre鼹幸/u8srcPortRangePresent;/*Numberofsourceportrange幸/u8dstPortRangePresent;/*Numberofdestinationportrange*/u8srcMacAddressPresent;/*NumberofsourceMACaddress*/u8dstMacAddressPresent;/*NumberofdestinationM匕屺address吖u8ipv6FlowLabelPresent;/*Numberof?owlabel’|u8sapPresent;/*IstheS陋informationpresent?*/u8userPfiofiWPresent;|’IstheUSerpriorityrangeinformationpresent?*/u8vlanIdPresent;/*Is也eVIANidinformationpresent?*/u8phsiPresent;|’IsthePHSIpresent?*/}ClassifierRule;上层包经由分类器匹配后,将被分配到与之对应的服务流,该服务流有唯一的SFID,服务流被激活后将与唯一的传输CID相对应。分类器的分类规则所对应的各个域的说明如图4.7所示,分类规则与服务流之间的包含关系如图4.8所示,一个分类器可对应一条或多条服务流,但必须明确,同时每个分类器和唯一的PHS准则相关联。4.5.1.2PHS模块802.16e协议规定,PHS规则包括:PHSI(PayloadHeaderSuppressionIndex)、PHSV(PayloadHeaderSuppressionValid)、PHSM(PayloadHeaderSuppressionMask)、PHSF(PayloadHeaderSuppressionField)和PHSS(PayloadHeaderSuppressionSize)。PHSI是PHS规则的索引,取值范围是l到255。数据包通过分类后映射到合适的连接,每个连接关联着一个PHSI,如果需要进行PHS操作,则通过PHSI的值找到其 西南交通大学硕士研究生学位论文第39页图4—7DMC分类规则各个域的说明CIassifierRule+priority+dscpRangeMask+ipProtocol+srclpAddrcss+dstlpAddrc嚣+srcPortRange+dstPortRange+戢MacAddress+dstMacAddress+ilrv6FIowLabe+sap+userPfiority+vlanId+phsi+dscpRangeMaskPreseat+index+ipProtocolPresent+srclpAddressPrescnt+dstlpAddressPresaat+srcPortRangePreseat+dstPortRangePresent+srcMacAddressPresent+dstMacAddressPresent+ipv6FIowLabelPrasent+sapPresent+userPriorityPr鳓t+vlanldPresem+phsffhresent图4.8分类规则与服务流的包含关系指示的PHS规则来进行数据包头部信息压缩。如果某个MAC连接被设定为要求进行PHS操作,那么每个MACSDU都必须以PHSI开始。PHSF是数据包头部包含的一串字符,指示了需要压缩的数据头部的信息。PHSF的内容是预先定义的,一旦某个PHSF已经被分配给了一个PHSI,这个PHSF的内容就不能再改变。如果需要修改业务流上某个PHSF的值,系统就必须为其定义新 西南交通大学硕士研究生学位论文第40页的PHS规则(新规则加入的同时,旧的规则会从服务流中移除)。PHSM允许选择数据包头部中哪些字节不被压缩。因此,PHSM可以用来保存上层会话中的_些信息而不被修改。PHSS表明数据包头部需要压缩的字节总数,其值也应该与PHSF相对应。PHSV指示在数据包头部信息压缩前是否需要对包头信息进行验证,验证操作就是将PHSM所指示的数据包中需要压缩的内容与PHSF中的信息相比较,如果相同,则验证通过,表示PHSF中的要压缩的信息内容与数据包头部中的部分信息内容相同;如果不同,则验证失败,使用PHSM的PHS操作如图4.9所示,PHS操作流程图如图4.10所示。『匝圈臣工口!卫Ⅱ马臣圈Sender.{陬sM叠圭口互亡主卫互[匀J}t垤哪I÷,lf【MF匪工豇!卫五日:,:。+::2Assignf;。·。厂。’j,越rl№南∞{匝函匝工口匿至王如JL..J‘二.I.二二二;;二.二二=:二—_I---......J......-JJ二k0二‘i--—二·;二_二-÷··‘j‘--J【:‘÷..j。-一。....。::f雕翎.11jOlflIoillAA-善EZ黧溜蓦Ix=∞p’tca陀Receiver{PHsFx.ic',x.ilE',I眦s硝I●l●,÷【旺互互习罡11噩丑互圈匿墨嚣如图4-9使用PHSM的PHS操作PHSV取值为“0”或“l",“0”代表需要验证,如果验证通过,接着进行PHS操作;如果没有验证通过,则不进行PHS操作,将PHSI设为“0”。∥1”代表不需要验证,这就无法保证PHSF中的要压缩的信息内容与数据包头部中的部分信息内容是否相同,而直接根据PHSM指示的压缩字节进行PHS操作。一般有两种类型的信息将会被压缩:一是分类器中的某些字段,符合某个业务流的所有数据包都具有部分相同的信息,压缩这些相同的信息对以后的传输以及接收端恢复信息都不会有影响;二是数据包长度、校验和等字段,因为接收端可以计算出这些值或者从MACCPS得到这些值,不需在空中链路中传送。可定义PHS结构PHSRule如下: 西南交通大学硕士研究生学位论文第41页量量曼!!曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼皇皇鼍曼鼍皇鼍曼孽I—Iiii;Ii ;.一i—i4.5.2CS子层接收端实现图4.10PHS操作流程图自cPssAP』鉴别ClD并提取PHSIJ获取PHSF,PHSM,PHSSJ重建头部信息j数据C包SS传A送P武/CS SAP/’(结束)CS子层接收端完成的主要功能是:接收CPS子层的MACSDU;重建数据,将恢复后的数据包交给高层,如图4-11所示。接收端的处理流程描述如下:首先创建两个定时器Timer一1和Timer一2并开启定时器,Timer1控制从CPS子层接收数据消息,Timer一2控制向高层发送数据包;等待接收管理消息或数据消息;根据接收的不同类型消息,进行不同处理。消息的详细处理过程如下:1)Timerl定时时间到,从CPS子层接收数据消息,调用数据包重建函数,按照协议规定对CSSDU进行解压缩等操作,并重新启动Timer_l;2)Timer2定时时间到,构建包含恢复后的CSSDU长度以及存放地址在内的数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第42页曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼曼量皇曼曼曼皇皇鼍曼皇曼葛-----=--_--_:-皇曼鼍曼曼蔓!曼曼曼曼包发送到高层,并重新启动Timer2,高层即可从共享链表中取出CSSDU;3)接收到CPS子层发送的管理消息,调用服务流管理函数进行相应的创建、修改和删除操作,并修改相应的PHS准则。4.5.2.1定时器设计图4-11CS接收端处理流程图定时器可完成对Timer一1和Timer一2的控制,视系统需要,也可以在定时器队列中创建其它功用的定时器。定时器队列中所使用的宏定义如下:#-defineTMEROUEOUELEN#defineT撇ERSTATEIDLE#rtPS>ertPS>nrtPS>BE。以上所述是基于MRTR的应用,对于那些数据速率超过MSTR的包,本文采取传输修正(trafficshaping)的策略,即当传输速率达到或超过MSTR时,传送的包将被延迟而不是被丢弃,采用该策略可明显改善TCP连接的吞吐量,如图4—18所示。TcP№诵mD呷鼻孪闻TcP妇e、釉shaping时闻图4一l8采用TrafficShaping策略对TCP吞吐量的改善4.6.2.1UQSS模块UQSS模块实现用户站对上行包的QoS管理,接收的包可能来自ETM模块(数据通道)也可能来自MMT或者DSX模块(MAC管理通道)。ETM模块发过来的是高层业务数据包,相比于MMT或者DSX模块发送的MAC管理信息包,具有较低的优先级,MAC管理信息包总会被优先传输,这对保证系统的有效性是很关键的。UQSS模块将使用规定的基于传输类的调度策略,将接收到的包以一定的优先级顺序传送给UMSS模块进行发送。UQSS模块调用的函数如下所示:voiduqssNotifyBwr(Cid_tcid.u32aggregatedByteQty);|'Thisfunctionnofi?estheQoSthataBWRrequestofthegivenbytequantityhasbeendoneonthegivenCID宰/voiduqssPushPackets(Packet__t·*packets,intpacketQty);/事Thisfunctionistheinputpacketbatchinterface枣/voiduqssGetPendingState(Cid_t串outCidTable,u16幸outPkQtyTable,u32·outByteQtyTable,u32掌maxBytePktSizeTable,int·tablesSize,intmaxTablesSize);/*Thisfunctionreturnsthependingbytes,packetquantityandthemaxsizeofthenextpacketsforalltheCIDs幸/voiduqssDropCidPackets(Cidtcid,intmaxByteQty,int毫outPkDroppedQty,int*outByteDroppedQty);/·Tbisfunctiondropsthe?rstpackets(QoSorder)withinthemaxByteQtybytequantitylimit*/voiduqssNotifyArqCidAecepted(Cid_tcid);‘/幸111isfunction。typicallycalledbytheARQmodule,noti?esthatapreviouslyARQdeniedpacketmavnOWbeaccevted*/ 西南交通大学硕士研究生学位论文第51页4.6.2.2UMSS模块UMss模块完成的任务是:接收和处理UL.MAP消息、DLMAP消息、UCD消,g和DCD消息;接收UQSS模块送来的数据包和管理包并根据UQSS模块的调度结果进行包的传送。通过分析接收到的UL-MAP消息和DI,MAP消息,终端可以获知当前下行子帧和上行子帧各个突发的相关信息,包括每个突发的位置、长度和属性。UMSS模块使用的主要函数如下:砌d珊删6_,CI锄卿燃ed阮IpRecd、矧(Packett幸*maps,u32饯咖,constu16~m娜o{&哟;/*NotifythenxxiulcoftherecqxionofarawcompressedDL-MAPpacket*/voidumssNotifyUIMapReccivcd(e珈且nMacMsgTypetype,Packct_t*ulMapRawPadcct);/*NotifythemoduleofthereceptionofarawUL-MAPpacket*/voidumssNofifyUcdReceived(enumMacMsgTypetype,Packett*packet);/*NoCif;ythemoduleofthereceptionofanUCD*/voidmmsNotifyDcdRecdved(entrelMacMsgTypctype,Packet.t*packet);/*Notifythemoduleofthe陀ce却of袖DCD*/void麟RcgisterMacNoti?cation(manMacMsgTypetype,删x:MsgNtf_tra);/*Regist鹏acallb扯kusedtOBO曲CO删Imodalc让l越agivmMACnmagcnmltmessagehasbeensw.ccssfuUysent*/voidumssRegisterDataNoti?cation(Pack西_t·牲眦f缸umssEMtaMsgNtf_tntO;/幸R£酉stc翳acallbackusedtonotify删module吐latagivendata唧hasbeen觥fullysent*/4.6.3数据处理在调度模块完成带宽分配以后,将进行MACPDU的构建,即对CSPDU进行封装,最后根据调度结果把队列中的MACPDU串联成PHYPDU进行发送。本节所描述的数据包处理,可分为数据包接收与数据包发送两个过程,并详细说明其中所涉及的ARQ模块实现方案。4.6.3.1ETM模块该模块完成把从上层协议得到的包组建为PDU和调用传输函数向底层传输发送包的功能。分段操作是将一个MACSDU分成一个或者多个MACPDU的过程,某一个连接上的传输是否支持分段操作,在该连接建立时就已被确定。打包操作是将多个MACSDU或者MACSDU分段封装为一个MACPDU的过程,一个MACPDUP勺可同时打包多个固定长度的SDU或变长的SDU,也可对SDU分段进行打包,当同时进行分段和打包 西南交通大学硕士研究生学位论文第52页操作时,分段子头和打包子头不能同时出现。根据IEEE802.16e协议描述,MACPDU的构建流程如图4.19所示,分段和打包的规则说明分别如图4.20和图4—2l所示。是图4.19MACPDU的创建流程FragmentFragmentationcontrol(FOFirstFragment10ContinuingFragmentllLastFragment01Unfragmented00图4.20MACSDU分段规则 西南交通大学硕士研究生学位论文第53页曼曼量曼曼曼曼曼曼蔓舅曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇I一一I_一_IiI曼曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼!曼曼曼!曼曼七M蛇g姚专萋翱帕由lerl|glh托睁由Iel,glhRxeo|_4enOth∞C^^ACSDu^flACSoU僦SDLJ堇蚕b嗨廿1=nIor日th;nb叼育h。n(a)打包固定长度的MACSDU—k材IACSO愧一DN苗2+惦^龇br-g出磊茎variable.1ength蔓三莹筮毫扎ACSDU也oMACSOUmmgm:alength:6萎出圣33(b)打包可变长度的MACSDU—rMACSOUs——N+vadable-length磊釜MACSDU山罟length;c∞.一~DX鲁掣一-Unfrag-mentedMACSDUlength=coo委芷口一主蠡Last柏cjment主喜薹Unfragrnented焉王星∞IIo西僦∞U}嫩CSDUb訇th=alength=b唾"r-kUk(c)打包中包吉MACSDU的分段图4.21MACSDU打包规则4.6.3.2I酬模块该模块完成数据包的接收,通过MAC头部C]D的值判断是数据包还是管理包,数据包发往CS子层进行处理,管理包发往MMD模块进行处理。该模块的处理过程比较简单,BS端的包无线传输到SS端之后,首先检查ARQ报文确认和重传请求,然后处理数据报文段,若出现不连续的序列号则向ARQ模块报告重传请求,若序列号都连续则通过解包、分段合并,将一个MACPDU或多个MACPDU重组成MACSDU。RRM模块处理流程如图4.22所示。待接收数据刨]■否伴萼亟弋芦篁l是/序列八萝馏是f,皇囱l犍踹送至CS实体lu盐三f==图4.22RRM模块数据处理流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第54页量曼舅皇曼曼IIIIII=I=寰曼鼍曼寰量曼曼皇皇皇量皇曼曼皇舅曼皇皇曼曼曼蔓寡曼曼曼曼曼曼曼曼曼量4.6.3.3ARQ模块WiMAX系统采用选择性重传ARQ机制,减少到达网络层的信息差错,大大提高系统业务吞吐量。ARQ反馈消息可作为单独的MAC管理消息发送,也可在已有连接上捎带发送。ARQ参数在连接建立时通过动态服务流建立或动态服务流修改消息来确定。协议规定ARQ模块的主要参数如下:(1)BSN:ARQ块的序列号,IIbits;(2)ARQ_BSN_MODULUS:允许的BSN值的个数,取值2048;(3)ARQ.WrNDOW_SIZE:任何时间内,没有收到确认的ARQ块的最大数目;(4)ARQ.BLOCK_LIFETIME:ARQ块的最大生存时间;(5)ARQRETRYTIMEOUT:发送端等待重发的最小时间;(6)ARQ-BLOCK_SIZE:将SDU分成一组ARQ块的大小;(7)ARQ_SYNC_LOSS—TIMEOUT:声明发送状态机和接收状态机不同步之前,ARQ-TX.WINDOW—START或ARQ_RX_W1NDOW_START保持同值最大时间;(8)ARQ』X_WINDOW_START:所有BSN在ARQJXWINDOW_START-1之前的ARQ块都收到确认了;(9)ARQ_TX_NEXT_BSN:下一个将要发送块的BSN;(10)ARQ_RX_WINDOW_START:所有BSN在ARQRXWINDOW—START-1之前的块均被正确接收了;(11)ARQ_RX_HIGHEST_BSN:接收到的块的最高BSN值加1。IE中BSN选择性ACKIE中BSN景积性ACKIE中BSN黟:J于州序列1长度序列2长度IE+Ip碉BSNl⋯j块序列l1块序列27选择性和累积性ACK带有块序刊的景积性ACK图4.23ACK四种反馈模式说明 西南交通大学硕士研究生学位论文第55页WiMAX系统中,定义四种ACK类型:选择性ACK、累积性ACK、选择性累积性结合的ACK和带有块序列的累积性ACK,如图4.23所示。接收端利用不同的反馈类型,采用不同方式告知发送端ARQ块的接收情况,提高系统的灵活性。本文采用选择性累积性相结合ACK,节省信道资源,同时发送端能快速查找出错的数据包。具体实现ARQ操作的过程是:所有属于待传输队列的数据,发送之后添加到已发送队列等待确认;发送窗口根据空中链路的传输时延设定:收发两端的缓冲区大小根据发送窗口大小进行设定;对收到ACK的已发数据,从已发送队列删除;对收到NACK或超时的数据,从已发送队列删除并添加到重传队列,等待重传;重传队列优先级高于待传输队列,传输时优先传输重传队列数据,以避免传输时延过长。ARQ功能的实现分成状态机同步管理、发送状态机和接收状态机三部分。状态机同步管理部分完成ARQ状态机的同步管理功能,包含两个定时器,分别是发送状态机同步定时器和接收状态机同步定时器。每次发射机变量ARqTXWINDOWSTART和接收机变量ARQRXWINDOWSTART更新时,定时器均重置为0。当定时器超出ARQSYNCLOSSTIMEOUT时,发射状态机或接收状态机将发起ARQReset管理消息,重新建立同步,ARQResa管理消息的定义如表4-2所示。表4-2ARQResa管理消息格式ARQReset消息大小注释。消息类型=338bits连接D16bitS该消息指示的CID类型2bitS0b00=指示器原始消息0b01=回应者确认消息0b10=指示器确认消息0bll=保留值方向2bits0b00=上行或下行0b01=上行0b10=下行0bll=保留值保留值4bits设置为0发送状态机完成ARQ块的发送,包括对已发送ARQ块进行管理;将己发送的AgQ块放入已发送队列;将需要重发的ARQ块放入重发队列中并从己发送队列中删除;对超时或者是收到ACK的ARQ块,将其从已发送队列中删除:对接收到的ACK进行分析,判断其BSN值是否有效。发送状态机如图4.24所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第56页⋯》.心qRETRY_TIMEOIYr—≯ARQJLOCK_LIFETIME图4.24发送状态机流程图图4—25接收状态机流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第57页接收状态机实现对接收ARQ块BSN值的分析,判断是否是需要接收的ARQ,如果是,则产生ACK发送给发送端,并将该ARQ块储存准备交给高层处理;否则丢弃该块,返回发送端NACK消息。接收状态机的详细实现流程如图4.25所示。本文采用选择性和累积性结合ACK作为反馈消息,ACK数据结构定义如下:其中CID指明该ACK消息针对哪一条连接;ACKType指明该ACK消息是何种反馈模式,本文取值为0X2;BSN值表明该ARQ块和它之前的所有数据块均已正确接收:NumberofACKMaps指明了选择性ACKM印的个数,最大值为4;Last表明该ACK是否是最后一个反馈信息元,0表示否,1表示是。选择性ACKMap数据结构SELECTACK的定义中,每一比特位与BSN相对应,取1代表对应的BSN块正确接收,取O代表接收错误,并且第一个比特位始终取值为1,与该ACK反馈信息元中的BSN块相对应,该结构的定义如下:4.7小结IEEE802.16e协议的MAC层是面向连接的,用户站被激活进入网络后,会与基站建立一个或多个用于数据传输的连接,高层业务根据QoS需求的不同映射到不同的连接进行传输,MAC层对无线资源的使用进行调度并根据业务不同提供QoS保证。本章详细说明MAC层各模块的软件设计及实现方案。本章提出基于传输类的分级调度方案在实际应用中也取得了良好的效果,可以保证具有不同优先级的多种业务类型的正常通信。 塑里圣堡奎茎至圭堑耋圭兰堡丝圣篁!!至第5章WiMAX系统集成测试结果与分析在WiMAXMAC层的各个模块实现并达到基本需求后,将所有模块集成到项目开发平台下,利用某公司的标准基站对开发设计的终端进行WtMAX网络下的整体功能与性能测试。本章将详细舟绍测试的过程,最后对测试的结果进行相关分析。5l系统集成测试方案511测试设备通过将设计实现的WiMAXMAC层各个子模块和高层模块进行整合,升级为Firmware后烧写NCPE的FlashcP吲化.进行功能和性能测试。来进行封装的WiMAX终端如图5.1所示,测试使用基站如图5—2所示。射频天线接口Iu一45_『姜l图5—1WiMAX终端耒封装内部结构圈‘图5-2wlMAx测试用标准基站外观图 西南交通大学硕士研究生学位论文第59页512测试网络拓扑结构测试网络由PC机、路由器、WiMAX基站、WiMAX终端、IP电话和集线器组成WiMAX基站通过业务数据接12I(即wiMAx基站的有线接口)连接至三层设备为终端提供服务,同时通过串口和调试丰机相连以设置其列施的配置参数,WiMAX终端可直接挂接IP电话和一台PCiS【,也可通过集线器挂接多台PC机,WiMAX终端和Pc机的【P地址可设置为静态IP,也可设置为通过DHCP动态分配来获取,测试网络拓扑结构图如同5.3所示。路·|]器腿务器—卜一J业i:\/WiMAX萆卦J1埘【A机513测试配置参数WiMAX终端图5-3测试网络拓扑结构圈根据项目需求,设置测试的配置参数如表51所示表5一j测试配置参数IP电话双工模式TDDDLKIL子帧分配比例FFT点数1024带宽’5MHz,875姗z,10MHz循环耵缀帧周期5msCS于层面向分组业务的包CS子层加密功能开启 亘里塞塑查耋堡主塑窒兰耋堡堡塞兰!!要(续表5一分段功能开启打包功能开启QoS分等级的QoSMAP消息有无压缩无环境温度/相对湿度室温/40%LOSMOSNLO$5.2系统集成测试5.21基本功能测试1ARP在以太网环境下,一台主机为了发送数据包到同一网段下的另一台主机,必须将目的主机IP地址转换为目的主机MAc地址,该转换操作通过查找ARP表自动完成,如果没有找到对应的MAC地址,数据包将被发送至默认网关进行转发。必要时也可以手动修改终端的ARP表,ARP表的查看和配置如图5.4所示。ARPCo邮g●●ra日nn:9“翟厂C_一_-G.',-m一.UjZ■虻j.1}.‘t!鸭一哺。[煎婴‘型j图5-4AR-2表配置2.DHCPWiMAX终端支持对挂接于该设备之下的主机进行IP地址分配功能。开启终端的DHCP,眠务器配置功能并对D地址池进行配置.主机开机可自动获取口地址。终端的DHcP服务器配置如图5.5所示。3.阿页浏览用户主机通过终端取得有效的IP地址后,通过IE浏览器可实现对网页的正常访问与浏览功能。4.文件下载用户主机通过终端取得有效P地址后,通过TFTP方式进行文件下载。如图5.6所示。 亘里兰望奎耋至圭堑塞兰耋堡堡圣篁!!至DffCPS⋯Confl9uealllo.:IPPaolCollllgulatlon:_PP001C0nnau啪0r】TweB,9“IP^dd_sF£n口IP^adr自essubndMa5kGm日、v烈U榭nme鲤哟醛型图5—5DHCP]K务器配置LOadorBachDOV竹TFTP:TFTPs日rmⅫ⋯陌阿r『PileTHpe历面万—————刁F¨eN—e瓦鬲r——————~墅鲥垂i!臼i壁!刚图5—6矸TP文件下载5.安全接入终端通过接入控制列表(ACL,AccessControlList)管理来实现安全接入功能。IP地址在ACL定义的子网范围内的主机允许通过该终端接入WiMAX网络,否则将被禁止接入。ACL管理如图5—7所示。ACLManagement蕊季====蓄tPⅧ一『『r『一SubndMask厣阿r『到丝坐|塑型I图5—7ACL的管理配置6.用户管理通过串口或Web界面可连接到终端的管理系统,对终端信息进行查看和修改.通 西南交通大学硕士研究生学位论文第62页■一III I燃!!!!!!!皇过串门进行管理时发置串Ij速{·为115200bps。图5—8和图5.9分别是用户登陆广]志信包和置陆界面。LOgInfo呷nUon。,哮⋯⋯””E王i亘口臣亘亘口臣匿童垂口[至至亚口瑟㈣:啬护”。“⋯一““””522性能测试1.功耗测试图5—8用户登陆同志信息图5.9用户登陆界面WiMAX终端在正常工作时应保证具有较低的功耗.测试结果如表5—2所示表5.2WiMAX终端功耗测试传输配置上行链路下行链路功率吞吐率包的大小w编码方式吞吐率包的太小FFA2编码方式(m孵)1kpps128fe?16QAM3/4CC3k”s128引j16QAM3/,K'C 西南交通大学硕士研究生学位论文第63页(续表5.2)128字节16QAM5/6CTC323lklaPS128字节16QAM5/6CTC3kpps50pps64字节16QAM3/4CC‘50pps64字节16QAM3/4CC27l50pps64字节16QAM5/6CTC50pps64字节16QAM5/6CTC27l无数据传输一MS处于正常工作状态257无数据传输一MS处于休眠状态72.吞吐率测试11上行和下行单独传输时UDP吞吐率∥3⋯“”!。7i矽。,,#’+,+。。41%,??;,“‘_”’一j|■蛩o⋯7野⋯、⋯~?ji+“{坩’譬,’?7冀溺》上;管毛摹入单出)下露(单入单邀>i,《扩i.包大,l、理论速率溅量速率溅量速率理论速率测量速率溅量速率I§:咿⋯。蠢Mbpsppspps}(字节>pps.p譬%4‰-一一#⋯。、镌‘’。;⋯.i#⋯,,☆蛊#十“镶÷‘h+?,.t,?·vw:10f哦。641200082464.233428146107.5:128626862416.4174621346913.8256320632056.68931893118.3512162116216.64517451718.515005575576.71553155318.62)上行和下行同时传输时UDP吞吐率翳犷i’珊”,⋯”’铲0一?》≯如P%≯’一~{y‘、~‘矽。玑,f}’,一0I槲≯删:t,?:“7j⋯。”》Ⅳ¨I谭移≈,嘲雠辫“”g上;孥(单入单凄)。下:匿(单入多如>毒霉络罐}包大,l、理论速率测量速率^测量速率理论速率测量速率测量速率i翦、盘l(字节>pps一ppsIvropspps^。pps。旅钆,,≈,孥。,蠢鬟I‰~p二。。一.?;*;§篱0*z|,”,zwrd{≯‰x,自i*,々弛,,;。觞≯⋯6412000390323342840392.1128626844124.51746238053.9256320632006.6893l5144lO.5512162116206.64517451718.515005575576.71553155218.63)FTP吞吐率F躲9吾商彬”‘’r:1。4一^⋯’P’+。5"0:“‘。一⋯、一”。'锄上行(单入单也>下行(单入多出)谨zi调制编码方式IOMbytes%l?谁0—1旃滤?、。%yte⋯一.口龇。0德%≮勰*5缸僦p一肘,一¨o,∽矗r蚺,,。贮麓巍埔爝”、-,.+,{o硝锄嘞tQPSK-CTC-1/21.2Mbps2.9Mbps 西南交通大学硕士研究生学位论文第64页16QAM··CTC—-3/42.5Mbps8.6Mbps64QAM-CTC一3/45.7Mbps13Mbps3.延迟测试1)UDP传输延迟(发送包的长度为64Bytes)黟“包速率。4“’H“掌z:。“仍““。喈÷一。。母如r一一“簪:f⋯鼍≯甥延迟(ms>‘{ipps上行下行||£l,,最u奎平均最大最小平均最大l觞蟛;,;《船≥~._,,,缓5333950789500ll2l4579152)挂接于基站和终端的主机之间Ping测试(Ping包长度64Bytes)。j铹琶鑫≯平均最大?i§§‰”。{,÷M:j.⋯‰磁44ms50伽60Ills5.3测试总结在测试过程中,WiMAX终端能够保持长时间正常运行,基本满足功能需求和协议规定的要求。测试是在同一栋楼宇内的不同房间之间进行的,由于测试环境比较理想,出现丢包的情况极少。从项目后期改进来说,需要进一步进行室外测试,验证WiMAX终端在非视距环境下多障碍物之间的通信能力。同时,BS与SS之间的数据吞吐量还不是很理想,并且在进行高速率数据传输时,语音通信质量会受到细微影响。在长时间进行高速率数据传输时,偶尔会出现协议栈软件模块异常导致整个系统死机现象,初步认为导致该现象的主要原因是CPU负载过重,由于同时运行的任务较多且MAC层处理需要频繁的进行大量数据转移操作,在较长时间运行以后,很容易出现内存等系统资源不足的情况。后期将继续结合硬件平台的改进完善协议栈软件,提升系统的处理性能和稳定性。5.4小结本章介绍WiMAX移动终端MAC层设计的系统集成测试结果,并对结果进行总结分析。通过基本功能测试,验证系统实现了要求的各项功能;通过性能测试,验证基于该设计的终端产品满足需求分析中的性能参数等指标。最后对存在的问题加以分析,并针对问题提出后续的改进方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文。。第65页曼曼曼曼曼!曼皇曼曼皂曼量曼曼曼蔓曼!皇量曼曼曼曼曼ILnmm一,量曼皇曼皇曼舅舅舅曼舅曼鼍曼曼曼曼第6章总结与展望随着宽带无线接入技术的应用日趋广泛,特别是WiMAX正式成为3G家族的成员之后,WiMAX技术的应用前景更让人充满希望,而且WiMAX目前也被业界认为是4G时代的唯一候选技术,正是在这样的背景之下,WiMAX技术相关产品的开发意义显得特别重大。本文主要是基于移动宽带无线接入领域IEEE802.16—2005协议进行MACCS子层和CPS子层设计,开发出符合协议要求并且满足协议定义基本功能的标准移动WiMAX终端。6.1全文总结本文在系统介绍IEEE802.16e协议的基础上,重点讨论了MAC层软件模块的开发过程。通过对IEEE802.16e协议深入细致的研究,对大量专业文献查阅和分析,顺利完成了WiMAX项目的研发任务。本文的主要工作就是在对MAC层功能进行整体分析后,进行软件设计、开发和测试工作,同时在进行软件设计与实现过程中,必须保证设计的后向兼容性,以方便新增功能的扩展。论文首先对课题的研究背景和研究现状进行分析,详细论述目前全球WiMAX的发展和研究方向,之后提出本文的研究方法和文章的整体结构安排。第二章简要介绍WiMAX技术以及802.16系列标准的发展情况,包括WiMAX的系统架构。第三章对IEEE802。16e协议的分层参考模型进行分析。按照协议栈参考模型依次介绍汇聚子层、公共部分子层、安全子层和物理层的技术规范。通过对WiMAX系统架构以及IEEE802.16e协议的分层参考模型的介绍,对WiMAX系统形成一个整体认识。随后深入研究汇聚子层和公共部分子层的功能,介绍ATMCS和分组CS子层的功能,并重点对CPS子层的信道接入机制和QoS保证机制进行详细论述。第四章在简要介绍硬件平台之后,提出了实现WiMAXMAC层功能的整体设计方案,对各个模块的实现方案进行详细描述,并且在CPS子层调度处理模块实现中,提出_种符合应用需求的基于最小保证传输速率和最大维持传输速率下,通过传输类的概念区分优先级的调度策略,有效利用无线资源的同时保证各种业务的正常通信。最后通过对各单元的集成测试,验证本论文中提出的MAC层设计实现方案能够达到协议中所规定的功能和性能要求,同时满足项目要求的各项指标,这为WiMAX项目的下一步开发提供了经验积累。 西南交通大学硕士研究生学位论文第66页曼。一In一_-iii.i;li一._曼.I:.一曼曼;蔓;!;曼曼;li皇皇皇曼曼皇曼曼曼曼曼皇量皇拿皇曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼皇曼6.2未来工作本文设计实现的wiMAXMAC层协议栈软件功能复杂且模块众多,在MACCS子层实现中,对于DMC模块内的分类规则的建立与维护需要进一步的改进,减少与其他模块外部函数接口的交互关系,后续工作将围绕如何提高该部分功能实现的效率进行。在MACCPS子层实现中,首先考虑的是传输过程中QoS的设计问题,本文提出的传输类的概念区分不同调度业务的优先级可满足现有的功能需求,但系统的吞吐量还未达到理想状态,由于调度处理在系统中居于核心地位,调度算法的优化能够大大改善整个系统的性能,对于调度处理的进一步优化是CPS子层要继续完善的一个重要课题。另外,鉴于无线传输的安全性,如何设计一种安全可靠性高的QoS架构是项目下一步开发中不可避免的问题;而且如何保证无线数据传输的高度保密,也成为未来工作的主要方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第67页参考文献【l】曾春亮.WiMAX/802.16原理与应用[M】.机械工业出版社,2006:10~35【2]党梅梅.IEEE802.16无线接入技术的发展现状[J】.中国无线电.2004(7):11—15[3]汤刚.WiMAX[J].数据通信.2008(1):23~24【4]李宝荣,熊尚坤,陈长怡.移动WiMAX的发展与应用【J].电信科学.2008(6):18-22[5]郎为民,焦巧,祈向宇,张欣.WiMAX标准体系研究【J】.电信工程技术与标准化.2008(5):1~5【6]胡亚希.WiMAX标准跟踪研究[J】.电信工程技术与标准化.2008(2):23~26[7】郎为民.WiMAX技术原理与应用【M】.机械工业出版社,2008【8】张莉,姜涛.WiMAX的标准化现状和发展[J】.移动通信.2006(11):19~22[9]李珊.移动WiMAX向主流技术进军[J】.现代电信科技.2008(2):19~21[10】张俊峰.WiMAX技术进展与应用前景[J】.通信管理与技术.2007(1):22-25[11】张云勇.WiMAX发展现状及业务建议[J】.移动通信.2008(1):23~26[12】王雪,李平.悄然崛起的WiMAX技术[J】.邮电设计技术.2008(1):27~29.[13]张勇,李晋.WiMAX网络管理发展现状[J】.移动通信.2008(4):13—15[14]DarcyPoulin.突破传统传输技术指标一一WiMAx挑战无线系统设计【J】.Micro—Electronics.2006(2):82"--84[15]蓬田宏树.实现移动WiMAX的关键在于提高功率放大器的效率[J】.电子设计与应用.2008(6):44~49【16]IEEEStandard802.16d一2004-IEEEStandardforLocalandMetropolitanAreaNetworks—Part16:AirInterfaceforFixedBroadbandWirelessAccessSystems【17]IEEEStandard802.16e-2005-AmendmenttoIEEEStandardforLocalandMetropolitanAreaNetworks—Part16:AirInterfaceforFixedBroadbandWirelessAccessSystemsPhysicalandMediumAccessControlLayersforCombinedFixedandMobileOperationinLicensedBands 西南交通大学硕士研究生学位论文第68页【18]IEEEStandard802.169-2007一Amendment3:ManagementPlaneProceduresandServicesforLocalandMetropolitanareanetworks—Part16:AirInterfaceforFixedandMobileBroadbandWirelessAccessSystems【19】周文安.WiMAX的E2EQoS分析和其面临的挑战[J].移动通信.2008(4):16-20【20]蒋春元.移动WiMAX网络端到端QoS解决方案的研究【J】.电信科学.2008(6):36-39[21]林闯.超三代移动通信系统的QoS体系结构[J】.软件学报.2008(1):13-16[22】李茗,彭木根,王文博.WiMAX系统QoS机制研究[J].现代电信科技.2005(7):25~30【23]宋海波,谈振辉.802.16宽带无线接入系统的QoS保证和调度策略[J].电信科学.2005(3):46~49【24]周志东,杜文峰,贾维嘉.WiMAX网络MAC层接入算法研究[J】.计算机应用.2007(1):305—308【251SanjayShakkottai,AlexanderL.Stolyar.Schedulingformultipleflowssharingatime-varyingchannel:Theexponentialrule.AmericanMathematicalSocietyTranslations.2000,207(2):150-154[26]GovindanNair,JoeyChou,TomaszMadejski.IEEE802.16MediumAccessControlandServiceProvisioning.IntelTechnologyJournal.2004(8):50-65[27]WiMAXForum.BusinesscasemodelsforFixedBroadbandWirelessAccessbasedonWiMAXTechnologyand802.16standards.10October,2004[28]C.Lindemann,A.Thummler.PerformanceanalysisoftheGeneralPacketRadioService.IEEEInternationalConferenceOnDistributeComputingSystems.2001:673~680[29]郑海英.IEEE802.16标准关键技术和WiMAX的组网应用[J】.电信工程技术与标准化.2008(5):5—12[30]陈晓冬,王庆扬.移动WiMAX的组网方式研究及性能仿真[J】.电信科学.2008(6):48-51【3l】王茜,王岩.无线城域网WiMAX技术及其应用[J】.电信科学.2004(8):27-30【32】李春媛,刘培植,徐国鑫.WiMAX技术应用及网络规划[J】.通信世界.2006(1):34~36 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西南交通大学硕士研究生学位论文第71页致谢论文即将完成之际,首先要向我的导师彭代渊教授表示衷心的感谢,在我研究生阶段整个学习和科研过程当中,彭老师给予我无微不至的关心和鼓励,不仅使我在知识上得到了长进,同时在创新精神、交流沟通能力和团队协作方面都有了长足的进步。彭老师严谨的治学精神,渊博的专业知识以及平易近人的作风给我留下了深刻印象。彭老师在生活上也给予我诸多关怀,我将永远铭记于心。感谢在项目研究期间,不同项目组的领导在我工作中遇到问题时给予我及时而又深刻的指导,帮助我解决了很多研发工作上的困难,提出了许多建设性意见,使我的工作得以顺利进行。从他们身上,我不仅学习到了许多专业知识,也学习到了作为一个科研工作者所应具有的品质,在此向他们表示我深深的谢意!感谢实验室和我身边所有的同学们,与他们的交流使我获益颇多,与他们一起度过的日子是我一生的美好回忆。在这里还要感谢我的家人,为我的学业提供了最大的支持和鼓励。在研究生三年里给了我宝贵的学习经历和生活体验,圆了我的梦想。这段时间里,我感到了学习的充实和快乐,体会到关怀的温暖,我也为拥有这样一段经历而欣慰和自豪,同时又是我迈向新生活的起点。最后衷心祝愿身边所有的人工作顺利,幸福平安! 西南交通大学硕士研究生学位论文第72页攻读硕士学位期间已发表或录用的论文[1]王立军,彭代渊.网格编码调制系统性能分析.2008年信息、电子与控制技术学术会议(IECT2008),324-.,328[2]王立军,姚琨,曹宝.移动WiMAX系统媒质接入控制层的研究.移动通信,2009.年10月,33,258,50-53[3]王立军,石元兵.WiMAX点对点宽带无线接入系统容量分析.通信技术,2010年6月(已录用) IEEE802.16e终端MAC层的研究与设计 作者: 王立军 学位授予单位: 西南交通大学 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1687091.aspx

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