（信息与通信工程专业论文）无线接入网mac协议研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 摘要 无线接入网拥有灵活自由的接入方式，其“随时随地”提供网络服务的优势使其在接 入领域具有不可替代的地位。需求的牵引和技术的发展强烈刺激了技术的标准化，i e e e 8 0 2 委员会在w p a n 、w l a n 、w m a n 、w r a n 的全线标准化又进一步推动了无线接入 产品和市场的迅猛发展。由于无线m a c 协议是无线接入网的核心技术，研究无线m a c 协议对设计实现资源利用率更高、稳定性更好、q o s 更有保障的无线接入系统具有重要的 意义。 本文首先介绍现有的无线接入系统，分析了影响无线接入网m a c 协议设计的主要因 素。在此基础上，选取具有代表意义的i e e e8 0 2 1 l 和i e e e8 0 2 1 6 协议，分别从帧格式、 网络接入和q o s 保障三方面分析对比了分布式异步接入控制方式和集中式同步接入控制 的差异。 为实现在真实的物理环境中测试m a c 协议的性能，本文搭建了无线接入实验平台。 该平台以f p g a 和a 1 w 处理器作为m a c 实现器件，采用c c 2 5 0 0 射频收发芯片作为物 理层模块，同时还为其他备选物理层方案预留了接口。 文章最后详细介绍了在无线接入实验平台上实现的基于i e e e8 0 2 1 ld c f 的分布式 m a c 协议。文中根据具体的运用设计了帧格式与协议处理的模块划分，并采用s d l 语言 描述了每一个功能模块的处理流程。对每个处理流程的具体含义、各模块之间的服务原语 交互以及器件的响应都在其流程图之后都作了详细的解释。文章最后还分析并测试了影响 m a c 性能的定时参数。 主题词：无线接入网媒体访问控制i e e e8 0 2 11 i e e e8 0 2 1 6f p g a s d l 第i 页 国防科学技术人学研究生院： 学硕+ 论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sn e x i b i l i t ya n dc 印a b i l i 够t 0s u p p l yn e t w o r ks e r v i c e “a n y w h e r e ，a n y t i m e ， w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k ( w a n ) h a s 趾i 仃e p l a c e a b l ep o s i t i o ni nt h ec o m p a s so fn e t w o r k a c c e s s i n g t l l ep r o c e d u r eo fs t a j l d a r d i 刎i o no fm o s ew a nt e c l l l l o l o g i e si sa c c e l e r a t e db yt h e i n c r e a s i n gd e m 柚d so fs u b s c r i b e r sa l l dm ed e v e l o p m e mo ft e c h n o l o g y a tt l l es 锄et i m e ，t h e s 伽1 d a r d i z a t i o np r o c e d u r ei nw p a n w l a n w m a n w 凡nb yi e e e8 0 2c o m m i t t e ei sa l s o a c c e l e m t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c ta i l dm a r k e t b e c a u s ew i r e l e s sm e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l i st h ek e m e l t e c h n 0 1 0 9 yo fw a n ，r e s e a r c h i n gw i r e l e s sm a cp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nd e v e l o p i n gn e ww a ns y s t e m s t h a ta r em o r ee 伍c i e n ti nr e s o u r c eu s a g e ，m o r e r e l i a b l ei np e 响m a n c ea n dp r o v i d e sb e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) i nt h i st h e s i s ，w e 行r s ti n t r o d u c e ds o m ew a ns y s t e m ，a n da n a l y z e dt h ei m p o n a n tf a c t o r s t h a th a v es i g n i f i c a n ti n n u e n c ei nd e s i g n i n gw a nm a cp r o t o c 0 1 a n dt h e nw ec h o s ei e e e 8 0 2 1 l p r o t o c o la n di e e e8 0 2 16p r o t o c o l ，邪r e p r e s e n t a t i v e s ，t oc o m p a r et h ed i s t r i b u t e d a s y n c l l r o n o u sa c c e s s i n gc o n t r o lw i t ht h ec o n c e n t r a t e ds y n c h r o n o u sa c c e s s i n gc o n t r o li nt h e a s p e c t so ff r a l i l ef o m a t s ，n e 似o r ka c c e s s i n g 觚dq o s i no r d e rt 0c h e c kt h ep e 怕肌a n c eo fm a cp r o t o c o l si np r a c t i c a le n v i r o n m e n t s ，w eb u i l da w i r e l e s sa c c e s s i n gt e s tp l a t f o m t h ep l a t f o n t lh a sap i e c eo ff p g aa n da na r mp r o c e s s o ri n w h i c hw ei m p l e m e n tt h em a c p r o t o c 0 1 t h ep h y s i c a l l a y e ri nu s ei sc c 2 5 0 0r a d i of r e q u e n c y c h i pn o w ，a i l da l s ow es e ta s i d es o m ep o r t sf o rs u b s t i t u t i o n s i nt h el a s tp a no ft l l i sp 印e r ，w ee x p l a i ni nd e t a j lt h ew a yw ei m p l e m e n ta nd i s t r i b u t e d m a c p r o t o c o l i nt h ep l a t f o n t lb a s e do ni e e e8 0 2 1 1d c f i nt h ei m p l e m e n t e dp r o t o c o l ，n e w f 锄ef o m l 巩sa i l dt h ep r o t o c o l p r o c e s s i n gm o d u l ep a r t i t i o na r ed e s i g n e d w ed e s c r i b et h e p r o c e s s i n gf l o wo fe v e 巧m o d u l ei ns p e c i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( s d l ) ，a n dt h e m e a n i n go fe v e r ys t e pi nt h ep r o c e s s i n gn o w ，t h ei n t e r a c t i v es e r v i c ep r i m i t i v e sa i l dr e s p o n do f p h y s i c a l i n s t r u m e n ta r ee x p l a i n e di nd e t a i lf o re v e 巧p r o c e s s i n gn o w i nt h ee n d ，t h ei m e 卜f r 锄e s p a c e ( i f s ) a i l db a c k - o f fs l o ta r ea n a l y z e da n dm e a s u r e db e c a u s eo ft h e i ri m p o i r t a n ti n n u e n c et o t h ep e r f b m l a l l c eo fm a c p r o t o c 0 1 k e yw o r d s ： w a nm a ci e e e8 0 2 11i e e e8 0 2 1 6f p g as d l 第i i 页 国防科学技术大学研究生院1 ：学硕七论文 表目录 表3 1c c 2 5 0 0 的s p i 定时参数3 l 表4 1s d l 部分图例说明4 2 表4 2m a c 协议主要定时参数，6 6 表4 3不同信道接入方式的主要定时参数参考值( 单位：p s ) 6 8 第ll l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 翻2 3 图2 4 圈2 5 图2 6 圈2 7 图2 8 图2 9 圈2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 圈3 - 4 图3 5 圈3 6 窝3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 豳4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 阁4 8 图4 9 图4 1 0 瘸4 1 l 图目录 接入网示意图1 m a c 游议在协议栈中的位置5 集中式网络体系结构。8 a dh o c 网络体系结构1 0 l e 嚣e8 0 2 1l 协议栈模型1l l e e 嚣8 0 2 。ll 的c s m 刘a 协议。l2 i e e e8 0 2 16 d 协议栈模型13 i e e e8 0 2 16 分类和c i d 映射15 l e 鼹8 0 2 n 协议数据帧格式16 i e e e8 0 2 1 6 协议数据帧格式。l7 i e e e8 0 2 1 l 用户站状态变量与业务间的关系。1 9 l 嚣e8 0 2 1 6 嬲络接入和初始化流程图2 0 硬件平台总体结构图2 3 a 蹦核心板实物图2 4 m a c 底板实物图2 5 v x 1 l 系列f p g a 的内部结构示意图2 6 m a c 板与o f d m 板接口示意图2 8 c c 2 5 0 0 系统框图。3 0 c c 2 5 0 0 参考设计电路图。3 0 c c 2 5 0 0 射频模块实物图3l c c 2 5 0 0 的s p i 接口读写时序。3l c c 2 5 0 0 输出帧格式3 3 m a c 协议顶层状态机。3 6 m a c 协议的发送过程3 7 m a c 协议的接收过程。3 7 m a c 按议的实现梃图。3 9 通用m a c 帧格式4 l 包接收进程的处理流程4 3 发送队列管理流程。4 4 接收协调进程工作流程4 5 发送协调进程预处理4 6 发送协调进程r t s 发送4 7 发送协调进程m p d u 发送。4 9 第l v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 发送协调进程分段发送结束处理5 0 发送协调进程发送退避处理5l 发送协调进程c t s a c k 确认失败处理5 2 发送模块发送数据泵进程5 3 发送模块退避进程5 4 信道状态估计进程l 5 6 信道状态估计进程2 5 7 m p d u 校验进程6 0 m p d u 过滤进程6 2 分段重组进程6 4 m a c 协议定时参考图6 7 定时关系测量结果示意图一6 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：专! 至彦日期： 加d7 年f 1 月，f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位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，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：垂线接圆丛丝怂这遮i 土皇塞塑 学位论文作者签名：一书、j 鸯 作者指导教师签名： 翌迸 日期：加口7 年，月，厂日 日期：沁7 年f 月心日 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 第一章绪论 1 1 接入网的基本概念 “任何人在任何地方、任何时间能与其他任何人进行任何方式的通信 这是通信 发展的最终目标。通常情况下，一次通信传输的过程是这样的：通信源节点产生的数据先 经过必要的处理，然后以有线或者无线的方式传输到骨干网络，以特定路径穿过骨干网的 数据再以有线或者无线的方式发送到目的节点完成本次传输。通信网络中以有线或者无线 方式将用户设备连接到核心网的网络就叫做接入网。 国际电联i t u 在1 9 9 5 年制定的电信接入网总体标准g 9 0 2 i l 】中给出了接入网的严格 定义如下： 接入网( a c c e s s n e t 、o 比a n ) 是由一系列实体( 诸如线缆装置、传输设施等) 组成的， 为在业务节点接口( s e n ，i c en o d ei m e 血c e ，s n i ) 和每一个与之相关联的用户网络接口 ( u s e r n e t w o r ki n t e 而c e ，u n i ) 之间提供电信业务而提供所需传送承载能力的一个实现。接 入网可以经由q 3 接口进行配置和管理。接入网可以实现的u n i 和s n i 的类型和数量原 则上没有限制。接入网不解释用户信令。 凰 用户设备 图卜1 接入网示意图 图1 1 直观的描述了接入网所处的位置。接入网可以只连接一台具体的用户设备，也 可以将多台用户设备组成的用户驻地网( c u s t o m e rp r e m i s e sn e t 、v o r k ，c p n ) 连入核心网。根 据接入网的两个总体标准i t ug 9 0 2 和i t uy 1 2 3 1 【2 j ，接入网的功能主要由三部分组成： 传送功能：承载业务数据，在用户和服务提供者业务节点之间传送； 接入功能：对用户进行接入控制( 如认证、加密、i p 地址分配等) ； 系统管理功能：包括配置管理、故障管理、安全管理等； 接入网按其传输介质的不同，可以分为无线接入和有线接入两种。目前运用广泛的以 太网接入技术、光纤接入技术、电话铜线接入技术和光纤同轴混合接入技术都属于有线接 入的范畴。有线接入的突出特点是：带宽高、技术成熟、终端成本低、可以利用现有设备 等。但是和无线接入相比，有线接入的最大缺点是受线缆的约束，不支持移动性。所以， 虽然无线接入方式有保密性差、传输质量不高、易受干扰、使用价格相对昂贵和带宽较低 等许多缺点，但是无线接入方式以其接入的自由性在接入领域还是具有不可替代的地位。 一般而言，无线接入网是由网络管理系统1 3 1 ( n e 铆o r km a l l a g e m e n ts y s t e m ，n m s ) 、基 站控制器( b a s es t a t i o nc o 曲r 0 1 l e r ，b s c ) 、基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 和用户站( s u b s 嘶b e rs t a t i o n ， s s ) 组成。网络管理系统是操作维护中心，检测网内设备、诊断并排除故障。基站控制器 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 实现有线与无线信令的转换，提供交换机接口，并分配无线信道。一个基站控制器可以控 制多个基站。基站包含收发信机，用于提供空中接口，并对空中接口进行认证和加解密 和对无线资源进行管理等。用户站是一个无线网络终端，用于识别用户的用户号码，鉴权 并转发基站与用户终端之间的业务信号等。 从网络的组成结构来看，无线接入网的接口包括本地交换机与基站控制器的接口，基 站控制器与网络管理系统的接口，基站控制器与基站的接口，基站与用户站之间的接口， 用户站与用户终端的接口。本地交换机与基站控制器之间的接口方式有两类：一是用户接 口方式( z 接口) ，一是数字中继线接口方式( v 5 ) 。基站控制器与网络管理系统接口采 用q 3 管理接口。基站控制器与基站之间不同的产品采用不同的接口协议，需要参见具体 的产品说明。基站和用户站之间的接口是空中接口，涉及无线信道的划分、无线调制方式、 多址方式以及功率控制等问题。空中接口比较复杂，而且是直接影响无线接入网系统性能 的最主要因素，所以本文以空中接口为主要研究内容。 1 2 现有无线接入系统 根据系统中的用户终端是否处于运动过程，无线接入可以分为移动接入与固定接入两 种。固定无线接入技术主要有四类：多信道多点分配业务( m u l t i - c h a n n e lm u l t i p o i n td i s t r i b u t e s e r v i c e ，m m d s ) 、直播卫星系统( d i r e c tb r o a d c a s t i n gs a t e l l i t e ，d b s ) 、本地多点分配业务 ( l o c a lm u l t i p o i md i s t r i b u t es e r v i c e ，l m d s ) 和基于i e e e8 0 2 1 6 d 【4 】的宽带无线接入系统。 不同频段的固定无线接入技术的组网均采用一种类似蜂窝的服务区结构，将一个需要提供 业务的地区划分为若干个服务区，每个服务区内设基站，基站设备经过点到多点无线链路 与服务区内的用户端通信。 目前，移动无线接入技术主要有：基于i e e e8 0 2 1 5 的无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a l p 虹e an e t w o r k ，w p a n ) 、基于i e e e8 0 2 1 1 1 5 j 的无线局域网( w i r e l e s sl o c a lp 汀e an 咖o r k ， w l a n ) 、基于i e e e8 0 2 1 6 e 1 6 j 的无线城域网( w i r e l e s sm e 仃o p 0 1 i t a i l 心e an e t 、v o r k ，w m a n ) 和基于i e e e8 0 2 2 0 或第3 代蜂窝移动通信技术( 3 g ) 的无线广域网( w i r e l e s sw i d e 心e a n 娟v o r kw w a n ) 等。移动无线接入方式的组网既可以采用类似蜂窝网的集中控制方式 ( 如基于i e e e8 0 2 16 e 的无线城域网) 又可以采取完全对等的分布式控制方式( 如基于 i e e e8 0 2 1 l 的无线局域网) 。下面分别简要介绍现有的几种典型的无线接入网络系统【7 】。 l 、多信道多点分配业务( m m d s ) 多信道多点分配业务采用点到多点的拓扑结构，系统工作频率在3 5 g h z ，覆盖范围 一般可达1 0 公里，属于准视距传输。据统计，3 5 g h z 无线信号在降雨量为2 5 m m 1 1 时其 衰减低于0 1 d b l ( m ，所以系统受雨衰的影响很小。m m d s 无线接入系统技术成熟度高、 技术难度小、设备成本低，侧重于中低速的数据服务。系统可支持多业务的接入，主要用 于向中小企事业用户、住宅小区提供数据和语音等业务，另外还可以用于各种移动网或无 线本地环路基站的互连。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 2 、卫星接入技术 卫星接入技术以其广阔的覆盖范围为显著特点，对于野外活动的接入和应急抢险的接 入具有特别重要的意义。根据通信卫星运行轨道的高低，可以将卫星接入系统分为g e o 、 m e o 、l e 0 三种类型。 g e o ( g e o s t a t i o ne a n l lo r b i t ) ：地球同步轨道卫星，运行在高度为3 6 0 0 0 k m 的地 球同步轨道上。由于卫星轨道高，对卫星通信系统的发射功率和天线要求都很高， 通常适用于永久性的固定用户。g e o 的典型应用系统是电视直播卫星。 l e o ( l o we a n ho r b i t ) ：低地球轨道卫星，运行轨道高度为8 0 0 l ( l 2 0 0 0 k m 。由于 轨道高度低，为实现不问断覆盖系统需要同时部署很多颗卫星，加重了系统的建 设成本和运行成本；但是对系统的发射功率和天线要求比较低，可以使用手持终 端进行通信。l e o 的典型系统是铱星( i r i d i u m ) 系统和全球星( g l o b a ls t a i ) 系统。 m e o ( m e d i 啪e a m lo r b i t ) ：中地球轨道卫星，运行轨道高度为1 0 0 0 0 m 2 0 0 0 0 k m 。m e o 卫星的特点可以认为是g e o 和l e o 两种系统的折衷。典型系统 是运行十分成功的国际海事卫星1 1 1 i i l a r s a t 。 3 、本地多点分配业务( l m d s ) 本地多点分配业务是一种工作在毫米波段的宽带接入技术，它的工作频率为 2 8 3 l g h z 。l m d s 系统最突出的优点就是其宽带特性其可用带宽达到1 3 g h z 。在理 想情况下，l m d s 的通信可信度及传输效能与光纤相当，所以被业界成为“无线光纤 。 它可以为一般用户提供最高达3 5 5 8 m b s 的下行速度，而对于商业用户更是可以高达 5 1 8 5 1 5 5 5 2 m b s ，上行链路容量也有4 0 m b s 。由于l m d s 的工作频段在毫米波段，信 号对障碍物穿透能力较弱，所以易受到雨雪天气以及自然环境的影响，产生严重的雨衰效 应。系统要求视距传输，覆盖范围较小，终端缺乏灵活移动性。 4 、蜂窝移动通信技术 蜂窝移动电话对当今社会的深远影响无疑是大家有目共睹的，这种无线广域接入技术 几乎实现了无论何时何地能与世界上任何人通信的愿望。蜂窝移动通信系统依靠基础公共 网络，采用蜂窝小区结构，每个蜂窝设置一个位置固定不动的基站，用户可以在不同的蜂 窝小区之间自由移动，并能保持通信的连续性。这种网络适于密集用户小区，典型的接入 有基于g s m 瞄1 ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u i l i c a t i o 玛全球移动通信系统) 的接入和基于 c d m a ( c o d ed i 、，i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 的接入等。早期的业务主要是话音业务， 为了满足人们日益增长的移动数据业务需求，先后在g s m 网络上叠加了分组技术，实现 了g p r s 【8 1 ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e i c e ，通用分组无线电业务) ，g p r s 的最高理论速率为 1 7 1 2 i ：吲s ：同时在c d m a 技术的基础上推出了c d m a 2 0 0 0 1 x 分组业务。c d m a 2 0 0 0 1 x 作为3 g 技术的第一阶段，其最高速率为1 5 3 6 k b s 。 无论是g p r s 还是c d m a 2 0 0 0 1 x ，其速率都不能完全满足多媒体通信的要求，因此 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕七论文 提高移动通信的速率，大力发展3 g 技术是当前的热门话题。基于c d m a 、分组交换、功 率控制、软切换以及智能天线的3 g 技术可以在不同的移动条件下提供不同的通信速率， 最高可以达到2 m b s 。典型的3 g 系统规范有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 以及t d s c d m a 。 其中t d s c d m a 是由中国大唐电信牵头制定的，其标准己成为3 g 国际标准r 4 版本。 5 、无线个域网 无线个域网( w p a n ) 工作于服务范围为l o 米的“个人区域”，用于组成个人网络。 w p a n 一般由主设备单元和几个从设备单元构成一个网络，无需任何中央管理装置。这 种专用网的最重要特点是动态网络拓扑结构能够适应网络节点的移动性：当一个设备需要 和其他设备交换数据时网络就形成，而一旦数据交换完毕，此设备就可能从网络中撤销， 网络拓扑结构随时可能发生变化。系统适合于传输数据、音频和图像等多种类型的文件， 既可以独立工作也可以连接到互联网或蜂窝无线网络。 现有i e e e 无线个域网接入标准是i e e e8 0 2 1 5 。i e e e8 0 2 1 5 1 主要是由蓝牙b l u e t o o t h v 1 1 【8 】【9 】标准演变而来，工作在2 4 g h zi s m 频段，利用快速跳频技术提供1 m b s 的数据传 输速率，覆盖范围1 0 米( 加入额外的功率放大器之后可以将距离扩展到1 0 0 米) 。 6 、无线局域网 无线局域网( w l a n ) 是工作于1 0 0 米范围内的宽带无线接入技术。在各种宽带无线接 入技术中，w l a n 从技术、标准到市场都是发展最为成熟的。w l a n 的工作频率为2 4 g h z 和5 g h z ，作为接入网使用时，w l a n 的组网一般采用有中心节点的控制方式。 现有i e e e 无线局域网的技术标准是i e e e8 0 2 1 1 ，现行版本是1 9 9 9 版。随着技术的 发展，无线局域网的网络传输速率正在不断地提高，从2 m b s ( 8 0 2 11 ) 、1 1 m b s ( 8 0 2 11 b i l 0 1 ) 提高到5 4 m b s ( 8 0 2 1 1 a 【1 1 1 和8 0 2 1 l 一1 2 1 ) ，并且正在向1 0 0 m b s 以上( 8 0 2 1l n ) 的速率发展。 在8 0 2 1 1 i 中，网络的安全性有了极大的增强。目前正在进行的标准化工作还有8 0 2 1 1 e ( 链 路q o s 保障) 、8 0 2 1 1 s ( 无线m e s h 网) 、8 0 2 11 p ( 车辆接入网) 、8 0 2 1 1 k ( 无线广播资源管 理) 、8 0 2 1 1 r ( 快速漫游) 、8 0 2 1 1 t ( 网络性能评估) 、8 0 2 1 l u ( 与其他网络的交互) 、 8 0 2 1 1 v ( 无线网络管理) 等。 7 、无线城域网 无线城域网( w m a n ) 是覆盖半径为十公里到几十公里的宽带无线接入技术。w m a n 通过一个基站将若干个用户站连接到运营商的核心网络，数据传输速率最高可达7 0 m b s 。 现有i e e e 无线城域网的技术标准是i e e e8 0 2 1 6 ，现行比较成熟的版本是i e e e 8 0 2 1 6 d 2 0 0 4 【4 】。i e e e8 0 2 1 6 d 主要用于城域固定宽带无线接入，2 0 0 6 年发布的新标准 8 0 2 1 6 e 能提供面向移动终端的服务。i e e e8 0 2 1 6 标准是适用于2 6 6 g h z 频段的空中接 口规范，覆盖范围5 0 k m ，每个基站提供的总数据速率最高可达2 8 0 m b p s 。它的最主要的 技术特点是面向连接( 类似多协议标签交换技术) ，同时还支持可变带宽、链路自适应和 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 m e s h 网络结构。 以上简要的介绍了目前运用较多的典型宽带无线接入技术。其中，有一些已经得到了 广泛的运用，有一些正在积极丌拓市场，还有一些尚处于标准制定阶段。这些宽带无线接 入技术有些是相互补充的，但是有一些则是相互竞争的。从技术层面上来看，没有一种通 信技术可以满足人们的所有需要。只有各种接入技术在其适应的环境中发挥各自的优势， 多网络协同工作才能满足人们随时随地方便接入的需求。 1 3 论文研究的目的和意义 所有无线接入网最核心的功能是接入功能，即承载业务数据在用户和业务节点之 间传送。但是由于无线信道的共享性造成了接入效率的降低：当某一个节点处于发送状态 时，那么在当前时刻、当前发送信号所占用的频点和当前发送功率所能覆盖的地理范围内 的所有其他节点都不能再占用该频点发射信号，否则多个节点之间就会产生冲突导致所有 发送都失败。所以需要媒体访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议来控制和协调各 节点对无线信道的使用，以达到协调多个站点接入信道，同时提高信道利用率的目的。 无线信道是一种复杂的广播型信道，发射机和接收机之间的传播路径可能是视线传 输，也可能因为有山脉、建筑物或植被等障碍物而绕射传输等，所以无线传输环境非常恶 劣。同时无线信道中对电波传播起重要作用的各种反射、衍射和散射物可能是不断运动的。 因此即使收发两端都固定，物理层检测到的信道还是时变的，而且具有随机的不可预测性。 所以无线网络的m a c 协议非常复杂，它是无线接入网各种协议中最重要的一部分。m a c 协议对无线接入网络的性能起着非常重要的作用。图1 2 描述了m a c 协议在一个简化协 议栈中的相对位置。 ： 用户应用 )( 用户应用 ： 卜f卜- 二 t c p )( u d p ： ，i _ir _i p p路由算法 、 l ji 数据链路逻辑链路控制 l 厂、 !姒c协议 l ji 厂1 、 物理信道接口 l 运用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图卜2 姒c 协议在协议栈中的位置 m a c 层既要实现对无线信道资源进行管理，包括信道划分、分配和能量控制；又要 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 负责向网络层提供统一的服务以屏蔽底层不同的信道控制方法，实现数据流复用、拥塞控 制、优先级排队、帧检测、分组发送和确认、差错控制和流量控制等功能。m a c 协议详 细地说明了网络中每个移动单元如何以一种高效率的方式共享有限的无线宽带资源。 在评估无线接入网的m a c 协议的时候，主要考虑以下几种性能指标3 】： ( 1 )吞吐量和时延：吞吐量通常按照每单位时间内成功发送的无线链路层分组 的百分比来测量。传输时延定义为发送节点分组到达m a c 层的那一时刻 与发送节点确认其发送的该分组已被成功接收的那一时刻之间的时间差。 ( 2 )公平性：公平性一般衡量为不同移动节点的分组流所作出的信道分配的公 平性程度。节点移动和无线信道的不可靠性是影响公平性的两个主要因素。 ( 3 ) 能量效率：能量效率按照有用能量消耗( 用于成功的分组传输) 与总能量 消耗之比来测量。 ( 4 )多媒体支持：m a c 协议提供支持不同服务类型( 对应于不同的吞吐量、时 延、分组丢失率需求) 的传输能力。 目前，多种新型业务的推出对接入网提出了更高的要求。为了满足这些业务要求发展 了越来越多新的接入技术，同时原有的技术标准也在不断地修改更新以适应更高的要求。 在这个过程中，无线m a c 协议的发展尤为迅速，协议的信道访问效率越来越高，使得无 线接入可在不宽的频段上实现高速传输，实现了对高误码率数据的强力纠错，可以在变化 起伏的环境中实现稳定的通信，可以在同一频段实现多个通信系统的共存，可以有效的实 现分布式的网络拓扑等等。 本文研究无线m a c 协议的目的和主要意义在于： l 、为改进的m a c 协议提供软硬件平台 为了能够提出改进的m a c 协议并在特定的环境下得到更高的媒体访问效率，我们首 先需要汲取前人创造的优秀成果，理解并吸收成熟的典型m a c 协议的工作过程及原理。 在充分理解各种接入策略的适用条件的基础上，再根据具体的协议提出自己的改进方案。 在提出初步的改进方案之后，为了反馈改进效果以进一步优化改进方案，我们需要测 试所提方案在无线接入网络中的工作性能。测试过程一方面可以通过软件进行仿真来进行 前后对比；另一方面，为了得到更有说服力的结果就需要在真实的信道条件下在物理平台 上进行测试。但是现有的商用无线网卡的m a c 协议都是固化在网卡芯片中的，不支持用 户对协议进行修改。所以为了能在实物上进行测试就需要自己搭建物理平台，然后编写程 序实现修改后的协议。 所以，本文首先选择了两个具有代表性的m a c 协议：i e e e8 0 2 1 1 和i e e e8 0 2 1 6 ， 分别从协议帧格式、网络接入过程、带宽请求与分配、数据发送接收流程等方面对两个 协议进行了详细地分析。然后，根据协议处理能力的需求设计并实现了硬件平台。最后在 硬件平台上设计了基于i e e e8 0 2 1 l 的分布式m a c 协议，并实现了部分模块。 无线接入网的数据侦收 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 数据侦收即对网络中传输的数据进行未授权的接收。为了达到正确接收的目的，除了 在物理层需要提供相应的解调和信道接入方式的支持以外，更重要的是要破解m a c 层协 议。这包括如下几部分内容：一是获得数据帧结构，除了用于提取有效数据信息之外，还 要根据数据帧中的控制信息协调物理层的接收；二是网络接入过程，在一些m a c 协议中 没有经过网络接入过程的站点是不能完成接收同步的( 包括调制方式、编码方式的同步和 帧同步等) 例如i e e e8 0 2 1 6 中的调制编码方式是由用户站点和基站首先是在网络接入 过程中通过协商来确定的，如果不能捕获这些信息则很难实现侦听。所以为了实现数据侦 听，我们需要研究无线接入网的m a c 协议，针对具体的m a c 协议提出对应的破解方案。 通过以上分析我们可以看到，研究并实现典型的无线接入网m a c 协议不但具有一定 的理论价值，更能在工程实践中指导具体的工作。 1 4 本文的主要内容和结构 本文的具体内容和结构安排如下： 第一章绪论，阐述了接入网的基本概念和现有的典型无线接入网系统。讲述了 m a c 协议在无线接入网系统中的作用和重要意义。最后介绍本论文的结 构。 第二章典型无线接入网m a c 协议分析，从协议帧格式、网络接入过程、带宽 请求与分配、数据发送j 嬖收流程等方面对i e e e8 0 2 1l 和i e e e8 0 2 1 6 两个协议进行了详细地对比分析。 第三章无线接入实验平台硬件设计与实现，介绍了硬件设计的总体框架，各部 分的设计细节和功能。 第四章基于i e e e8 0 2 1 1 的分布式接入控制m a c 协议总体框架和分模块实现。 根据需要实现的功能、硬件所能够提供的支持和以后扩展的需要，结合 规范提供的流程，设计了在f p g a 中的程序，详细介绍各功能模块的工 作过程和程序接口。分析并测试了影响i e e e8 0 2 1 lm a c 协议工作性能 的主要定时参数。 第五章总结与未来工作展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕七论文 第二章典型无线接入网m a c 协议分析 没有一种万能的m a c 协议是能够在任何运用环境中表现优异的。根据具体的运用场 景不同，必须提出相应优化的m a c 协议。为了在通信组网时选择或设计更合适的媒体访 问策略，同时改进提高现有的协议的功能，研究并借鉴现有成熟的m a c 协议设计具有重 要的实际意义。 但是，现有的m a c 协议数量众多，我们不可能对每一种m a c 协议都进行具体分析。 因为技术成熟、运用广泛的无线局域网标准i e e e8 0 2 1l 和目前发展迅猛、使用了多种先 进技术的无线城域网标准i e e e8 0 2 1 6 基本上涵盖了典型的无线接入策略的特点。所以本 章首先对影响m a c 协议设计的主要因素进行阐述，然后再针对i e e e8 0 2 1l 和i e e e 8 0 2 1 6 协议进行具体分析。 2 1 影响m a c 协议设计的主要因素 网络体系结构、通信模式和双工复用机制三方面因素1 4 1 的选择定义了个通用框架 结构，在这个通用框架结构内实现具体的媒体访问控制协议。通用框架结构做出的决策基 本上定义了整个通信系统如何工作，网络中各节点之间交互的程度，并限制了能提供的服 务类型和系统总体性能。下面分别介绍各个因素选择的具体意义和对接入网性能的影响 2 1 1 网络体系结构 网络体系结构决定网络的结构如何实现，以及网络控制管理功能在各设备之间如何分 配。通常有两种网络体系结构：集中式网络体系结构和a dh o c 网络体系结构。 2 1 1 1 集中式网络体系结构 图2 一l 集中式网络体系结构 集中式网络体系结构的特点是有一个专门的节点( 例如基站) 来协调和控制该节点覆 盖范围内的所有传输。基站发射机的覆盖范围和移动节点所能提供的功率共同决定了蜂窝 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 小区的大小，为扩大网络的覆盖范围，需要把若干个基站通过无线或者地面有线线路互连 起来，并最终连接到现有网络中( 例如公共交换电话网) 。所以，基站还起着移动节点到 有线网络的接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 的作用。图2 1 表示了一个简单的有三个蜂窝小区的 集中式网络。 集中式网络体系结构中，即使是同一个小区内可以彼此侦听到对方信号的两个节点间 的通信( 例如图2 1 中的m l 和m 2 两个节点) 也要通过中心控制节点转发( 图中经过基 站b 1 ) 。不在一个小区内的两个节点的通信则需要控制源节点的基站将接收到的数据先 传到骨干网，数据经过骨干网传输到控制目的节点的基站，再由控制目的节点的基站