（通信与信息系统专业论文）ieee80216开发平台研究与设计.pdf

摘要 i e e e8 0 2 1 6 无线城域网是一种宽带无线接入技术，该技术以其高传输速率， 运营成本低等优势被认为是对3 g 技术的重要补充，预计在今后会有广阔的市场前 景。为了科研和开发的使用，需要设计基于i e e e8 0 2 1 6 协议的丌发平台。本论文 就根据i e e e8 0 2 1 6 仂、议提出了一种设计方案，其中包括了物理层协议的随机器、 r s 编码器、卷积码编码器、速率适配器以及交织器模块的设计，还包括了支持自 适应链路技术的射频调制模块的设计；对于m a c 层设计，主要包括了i p 分类器、 m a cs d u 的生成、c i d 的指派以及m a cp d u 的生成和m a p 信息的构造。在对 整个系统物理层协议进行仿真的基础上，提出了基于滑动窗口的i e e e8 0 2 1 6 协议 自适应链路算法，并提出了针对b e 数据业务类型的带宽请求算法和带宽分配算 法。最后，初步对开发平台的构建提出了一种可行的方案。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 自适应链路物理层仿真m a c ( 媒质访问控制) a b s t r a c t i e e e8 0 2 1 6w i r e l e s sm e t r o p o l i t a nn e t w o r k si sab w at e c h n o l o g y , t h i s t e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e dt ob ea di m p o r t a n tc o r n 口j g m e n tt ot h e3 gt e c h n o l o g i e sa n d e x p e c t e dt ob ev e r yp o t e n t i a li nf u t u r em a r k e ts h a r e f o r t h eu s eo fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t ，t h e r en e e d st ob ead e v e l o p m e n tp l a t f o r md e s i g n e do nt h eb a s i so fi e e e 8 0 2 1 6p r o t o c 0 1 t h i st h e s i sp r o p o s e sak i n do fs c h e m ea c c o r d i n gt ot h ei e e e8 0 2 1 6 p r o t o c o lw i t ht h e c o n t e n t sa sf o l l o w s ：t h ed e s i g no fr a n d o m i z e r , r se n c o d e r , c c e n c o d e r , m t l l t i r a t ea d a p t e ra n di n t e d e a v e r ，a l s o ，t h ed e s i g no fm o d u l a t i o nm o d u l et h a t b a c k su pt h el i n ka d a p t a t i o nt e c h n i q u e si si n c l u d e d ；a sf o rt h em a cd e s i g n i tm a i n l y i n c l u d e st h ei pc l a s s i f i e r , t h eg e n e r a t i o no fm a cs d u sa n dp d u s c i da s s i g n m e n ta n d c o n s t r u c t i o no fm a pm e s s a g e 0 nt h eb a s i so ft h ei e e e8 0 2 16p h ys i m u l a t i o n al i n k a d a p t a t i o na l g o r i t h mb u s e do ng l i d i n gw i n d o wi sp r o p o s e d a n dy e tt h eb a n d w i d t h r e q u e s ta n da l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r ea l s op r o p o s e dw i t ht h er e f e r e n c et ot h eb ed a t a s e r v i c e s f i n a l l y , t h ep r e l i m i n a r yc o n s t r u c t i o no f t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sy i e l d e d k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 l i n ka d a p t a t i o np h ys i m u l a t i o nm a c 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特另, j j l l 以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：么查盍；垦 f i 觌2 两6 - - r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 撩f 八i f i 期 i q j 洲& 6 ， - 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 i e e e8 0 2 1 6 协议为核心的w i m a x 技术被认为是可与3 g 技术相抗衡的宽带无 线接入技术，在数据业务方面它能够提供比3 g 业务更高的传输速率，并且在运营 成本方面有显著的优势，预计在未来2 年后会有广阔的市场f i f 景”3 。但是由于1 6 协议还在不断发展中，虽然现在已经有芯片厂商提供基于8 0 2 1 6 d 协议的芯片， 但其开发平台是完全基于其芯片的，并不具有通用性，不适合科研发展的要求。 因此设计一种通用的、开放的硬件开发和测试平台已经成为科研开发的迫切需要。 本课题的目的是设计一个通用的、开放的、基于w i m a x 标准的无线城域网硬件开 发平台，而不拘泥于某个芯片，详细划分和定义出各个功能模块，描述出各个功 能模块的工作流程和硬件实现方法。在嵌入式软件方面，考虑整个系统与操作系 统的融合，并为m a c 层丌发基于1 6 d 和1 6 e 的m a c 层协议提供底层软件接口。本 课题的意义在于面向科研开发和测试，首先从协议本身出发，探讨协议物理层实 现的原理和方法，为设计开发平台的最终实现打下基础；另外，平台搭建起来以 后也可以用于今后新协议开发和性能测试。 在研究与设计方法上，将按照物理层部分和m a c 层部分分别加以讨论，对物 理层的设计将按照模块讨论，对于m a c 层部分将针对关键技术进行设计，抛弃一 些虽然重要但是并不具有i e e e8 0 2 1 6 本身特性的技术细节。物理层部分按照模 块分别提出了设计方案和部分v h d l 描述，对整个物理层将采用仿真的方法进行性 能分析，并提出自适应链路算法；m a c 层部分将主要对关键技术比如i p 分类器、 m a cs d u 和p d u 的生成、c i d 的指派以及带宽请求和分配算法进行讨论。 1 2 研究现状 2 0 0 5 年1 月底加拿大的w a v e s a t 公司正式发布了基于8 0 2 1 6 d 协议的芯片产 品d m 2 5 6 以及配套的丌发工具。i n t e l 公司也在2 0 0 5 年上半年推出了基于该协议 的芯片。 另外，作为协议的制定者，i e e e 将在2 0 0 6 年的上半年内完成8 0 2 1 6 e 协议的 标准化工作；i n t e l 公司承诺将在2 0 0 6 年下半年推出基于8 0 2 1 6 e 的芯片产品。 i e e e8 0 2 1 6 e 在物理层和1 6 d 协议基本一致，只是增加了对于移动性的支持，预 计在未来的2 年，基于i e e e8 0 2 1 6 e 的w i m a x 产品将会有很广阔的市场前景。 虽然这些大公司已经或者即将推出支持i e e e8 0 2 1 6 协议的芯片产品，并且 针对这些芯片产品有开发平台和开发工具。但是这些歼发平台和开发工具是针对 其产品的，面向商业应用的，并不具有通用性。现在，直接针对实验室科研开发 使用的i e e e8 0 2 1 6 的丌发平台现在还没有，而随着i e e e8 0 2 1 6 协议系列版本 的不断更新，对i e e e8 0 2 1 6 及其衍生出来的w i m a x 技术的科研和教学变得迫在 眉睫。所以，设计一个通用的，可扩展的，面向科研应用的i e e e8 0 2 1 6 开发平 台是一件非常有意义的工作。7 i e e e8 0 21 6 开发甲台研究与设计 1 3i e e e8 0 2 1 6 协议简介“1 i e e e8 0 2 1 6 协议体系规定了固定宽带无线接入系统的空中接口标准，其中 包括多种物理层标准和媒体访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议。下面就针对 物理层和媒体访问控制层标准分别做简要的介绍以对整个i e e e8 0 2 1 6 协议标准 有一个简要的了解。 1 3 1i e e e8 0 2 1 6 物理层 作为固定宽带无线接入系统的宅中接口标准，i e e e 8 0 2 1 6 协议针对不同应用 场合和无线环境制定了一系列不同的物理层协议标准。以适应不同用户的接入需 要，表1 1 是i e e e8 0 2 1 6 物理层规定的几种不同的物理层规范以及它们的工作 频段和双工方式。 表1 1i e e e8 0 2 1 6 物理层规定的五种不同物理层规范 物理层标准类璎1 ：作频段可选择的舣j ：方式 w i r e l e s s m a n s c 1 0 6 6 g h z 视距t d d f d d w i r e l e s s m a n s c a 1 g h z 以r 卜- 非视距认证频段 t d d f d d w i r e l e s s m a n o f d m 1 1 g h z 以卜非视距认让频段 t d d f d d w i r e l e s s m a n o f d n 1 1 g h z 以f 非视距认证频段 t d d f d d w i r e l e s s h 切d a n 1 1 g h z 以f 坼视距i s m 频段 t d d 其中w i r e l e s s m a n o f d m 物理层标准采用了多种信道编码方式和先进的o f d m 技 术，既具有科研价值相关技术又相对成熟，所以本课题决定采用w i r e l e s s m a n o f d m t d d 方式作为物理层规范。 w i r e l e s s m a n - o f d mt d d 方式下，物理层协议可以分为四大模块：信道编码、 o f d m 、调制、射频。 其中射频部分i e e e8 0 2 1 6 标准只规定了工作频率上限，并没有具体的规定详 细参数，所以对于射频部分，本开发平台将采用商用的射频模块代替，具体参数 将在下一章讨论。 信道编码和调制部分，d 版本的1 6 协议规定了7 种不同的组合方案，以配合 信道自适应技术达到更好的信道利用率，如表1 - 2 所示。相信在后续的版本中， 组合方案的数量将会更多。 表1 2 i e e e8 0 2 1 6 d 版本规定的7 种凋制与信道编码组合方案 信道编码调制方式 c c1 2 b p s k r s c c1 2 q p s k r s c c3 4 q p s k r s c c1 21 6 一o a m r s c c3 41 6 0 a m r s - c c2 3 6 4 一o a m r s c c3 4 6 4 一q a m o f d m 部分，i e e e8 0 2 1 6 规定了采用一个o f d m 符号2 5 6 个正交子载波调制的 方式，其中有效予载波为2 0 0 个，还有5 6 个子载波对应保护问隔。 第一章绪论 1 3 2i e e e8 0 2 1 6 媒体访问控制层 媒体访问控制层( m e d i aa c c e s sn e t w o r k ：m a c ) 处在物理层之上，它是i e e e 8 0 2 1 6 协议的特色内容，它把从其他网络比如i p 网络，a t m 网络得到的数据包按 照服务类型分类，拆分打包成为m a cp d u ，它包含了对无线信道有限资源的共享规 则，比如对带宽的分配、控制业务的接入、功率控制、同步、业务流的动态建立 和撤除以及安全性管理。m a c 层的示意图如图1 1 所示。 1 业务会聚子层 c s ( 业务会聚子层) c p 研公共部分子层) 安全子层 w i r e l e s s m a no f d mt d d _ _ _ _ _ _ _ - m a c 层 图1 1m a c 层示意图 业务会聚子层把从上层得到的数据单元按照业务类型分类，并且将他们和适当 的业务流i d ( s f i d ) 以及连接i d ( c i d ) 联系起来，以便于下层分类别控制处理。作为 和高层的接口，它提供了头压缩功能并能够和不同的高层协议融合。 2 公共部分子层 公共部分子层提供了i e e e8 0 2 1 6w m a n 系统接入控制的核心功能，这些核 心功能包括带宽分配，连接的建立和维持等，它把从业务会聚子层接收到的数据 根据c i d 建立连接，并根据业务的q o s 等级进行传输和调度。 3 。安全子层 安全子层是一个独立的子层，它提供与网络安全相关的鉴权、密钥交换、加密 等功能。 1 4 论文的章节安排 + 一 i e e e8 0 2 1 6 w m a n 开发平台研究与设计 论文共分为五章，除本章外，另外的四章将分别就整个开发平台的设计进行详 细论述。 第二章提出基于e a s y a r m 2 2 0 0 开发板和u c o si i 实时操作系统的i e e e8 0 2 1 6 开发平台设计构思、设备构成以及针对实时操作系统的任务的划分，设计开发平 台的人机交互功能，并分析开发平台的可扩充性。 第三章对i e e e8 0 2 1 6 w m a n 开发平台的硬件部分进行详细设计，设计采用模 块化的方法。将整个硬件部分分为基带和射频两大模块，在基带模块中，分别对 随机器、r s 编码器、卷积编码器、编码速率适配器和交织器进行设计，采用电路 原理图设计和v h d l 语言描述相结合的方法。在射频模块中，针对i e e e8 0 2 1 6 协议调制方式可自适应改变的特点，集中设计调制模块。最后，对i e e e8 0 2 1 6 物 理层进行仿真和性能分析，仿真和性能分析的结果构成i e e e8 0 2 1 6 自适应链路算 法的基础。在物理层的关键技术研究中，主要研究并提出自适应链路算法并对算 法进行了分析。 第四章针对开发平台的m a c 层进行了详细设计。按照分层的理论，将m a c 层分别按照c s 子层和c p s 子层进行设计，并对m a c 层管理消息d l m a p 、 u l m a p 等进行适合开发平台特点的简化和改进。 第五章对整个论文内容进行总结，指出论文工作中存在的不足并对以后的开发 平台设计和实现提出建设性的意见和建议。 第二章开发平台的基本功能设计 第二章开发平台的基本功能设计 2 1e a s y a r m 2 2 0 0 开发板和r t o s 介绍 e a s y a r m 2 2 0 0 开发扳 6 1 是由广州周立功公司开发和生产的一款功能强大的3 2 位a r m 单片机开发板，采用了p h i l i p s 公司的a r m 7 t d m i s 内核、总线开放的 单片机l p c 2 2 1 0 ，具有j t a g 调试等功能。板上提供了一些键盘、l e d 、r s 2 3 2 等常用功能部件，并具有i d e 硬盘接口、c f 存储卡接口、以太网接口和m o d e m 接口等等，并设计有外设p a c k ，极大地方便了用户在3 2 位a r m 嵌入式系统领 域进行开发试验。e a s y a r m 2 2 0 0 开发板具有完全自主设计的软硬件、拥有自主版 权的j t a g 仿真技术，支持a d s l 2 集成开发环境及其p h i l i p s 所有型号a r m 微 控制器的仿真与开发，它具有4 m s r a m ，1 6 m b i tf l a s h ，方便用户样机的快速开 发，并具有多种免费商业化软件包及其详细的开发文档。 e a s y a r m 2 2 0 0 的硬件框图如图2 1 所示。 图2 1e a s y a r m 2 2 0 0 开发板的硬件框图 i e e e8 0 2 1 6 w m a n 开发平台研究与设计 为了满足系统对实时性的要求，在开发板上移植了实时操作系统( r t o s ) u c o si i t ”，u c o si i 是著名的、源代码公开的实时内核，可用于多种8 位、1 6 位 和3 2 位单片机或者d s p 。它是一个完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式实 时多任务内核。对于u c o si i 在e a s y a r m 2 2 0 0 的移植，开发板的配套教材中有详 细说明，随开发板还有已经配置好的移植代码，可以很方便地直接使用，让用户 更多关注于自己产品的开发而不是烦琐的细节构架。这里，对于本开发平台的设 计当中，将更多地关注于与i e e e8 0 2 1 6 协议实现方面的内容。 2 2 基于开发板开发的构思 开发平台的实现将主要围绕e a s y a r m 2 2 0 0 来设计，唯一例外的是同步模块， 由于开发平台是采用时分双工方式，因此时间上的同步对于整个系统的正常运行 非常的重要，同步模块需要单独进行设计，这里不加讨论，而是假设系统处于时 间严格同步状态。 本开发平台至少包含两台设备，分别作为b s 和s s 。其设备构成如图2 2 所示。 终端设各( 电脑) 与i e e e8 0 2 1 6 协议兼容的网卡设备通过r j 4 5 接口相连接， 网卡设备由e a s y a r m 2 2 0 0 开发板开发，射频模块通过r s 2 3 2 串口与开发板连接。 为了方便对系统进行调试，并口与e a s y j t a g 接口相连接。接口连接示意图如图 2 3 所示。 图2 2 开发平台的设备构成图 l 玺l2 3 接口连接示意图 第二章开发平台的基本功能设计 2 3 任务的划分 u c o si i 是一个多任务的实时操作系统【8 1 ，在实际的嵌入式应用当中，需要 对问题划分为若干个独立的任务，并赋予任务不同的优先级。针对i e e e8 0 2 1 6 协 议，并根据前面几章的设计，对开发平台应用划分为“个独立运行的任务。下面 的各个小节分别对1 1 个独立任务进行简单的概括。 2 3 1 前导码探测( p r e a m b l e _ d e t e c tt a s k 0 ) p r e a m b l e _ d e t e c t _ t a s k o 任务与同步有关，在s s 接收b s 发送的下行帧的第一步 就是要探测到下行帧的长前导码，该任务被赋予最高的优先级，以维持和建立系 统的同步。 系统在待机过程中会一直运行该任务，检测到前导码出现后，该任务会激活后 面的任务。 2 3 2m a p 信息接收( m a ps e n d _ t s k 0 ) m a p 信息控制整个系统按照协议规定的方式接收和发送有效数据，同时，正确接 收和解析出m a p 信息也是s s 与b s 达到同步的重要标志。在s s 端，需要设计 m a pr e c e i v et s k 0 任务用于m a p 信息的接收，该任务是在前导码被检测出之后立 即建立起来的，它负责接收b s 发过来的d l m a p 信息和u l m a p 信息，其中包 括了一个校验，并掌握了一个信号量，如果校验成功，说明正确接收到了m a p 信 息，就会将该信号量释放，以建立下一个任务。 2 3 3m a p 信息的构造( m a pb u i l d _ t s k o ) m a p 信息的构造任务是由带宽分配算法任务激活的，负责将带宽分配算法的 计算结果按照表1 4 和表1 6 的格式构造成为d l m a p 信息和u l m a p 信息。 2 3 4m a p 信息的解析( m a p _ a n a l y z e _ t s k 0 ) m a p 信息的解析任务是在s s 上运行的任务，用于将s s 接收到的d l m a p 和u l m a p 信息解析成为图3 6 所示的帧描述符的格式，便于进行计数器链表的建 立。 2 3 5 信息的接收( i n f o r r e e e i v et s k 0 ) 信息的接收任务是对有效信息进行接收的过程，对于s s 这个过程是在接收到 m a p 信息之后被触发的任务。而对于b s 这个过程是在发送完下行帧之后直接触 发的。 i e e e8 0 2 1 6 w m a n 开发平台研究与设计 2 3 6 信息的发送( i n f o r _ s e n d _ t s k 0 ) 信息的发送任务是对有效信息发送的过程，对于s s 这个过程是根据u l m a p 信息规定的开始时刻运行的，而对于b s 这个任务是在发送完m a p 信息之后开始 运行的。 2 3 7 缓冲区的管理( b u f f e r r e c e i v em a n a g e _ t s k 0 ) 该缓冲区管理其中包含多个任务，它与多个任务都有密切的交互过程，其他 任务会通过与该任务通信以控制它对缓冲区进行建立，删除，修改等基本操作。 2 3 8i p 包的重建( i pp a c k e _ t _ r e t r i e v e _ t s k 0 ) i p 包的重建负责对接收到的m a cp d u 进行去头，恢复压缩头信息等操作， 最终恢复出i p 数据包。 2 3 9i p 包的分类( 1 p _ p a c k e t _ c a t a g o r y _ t s k 0 ) i p 包的分类任务用于在发送的时候，将i p 包分类以建立m a cs d u 。 2 3 1 0c i d 的分配( c i d _ a s s i g n _ t s k 0 ) c i d 的分配模块用于为m a cp d u 分配c i d 。 2 3 1 1 带宽请求计算( b a n d w i d t h _ r e q u e s t _ t s k 0 ) 带宽请求计算任务运行在s s 设备当中，用于计算s s 带宽请求的数量并将带 宽请求信息生成为带宽请求消息。 2 3 1 2 带宽分配计算( b a n d w i d t ha l l o c a t i o n _ _ t s k 0 ) 带宽分配计算工作在b s 设备当中，用于对发出带宽请求信息的设备提供带宽 分配的计算，并将结果传递给m a p 信息构造模块进行d l m a p 和u l m a p 信息 的生成。 2 4 开发平台的人机交互功能 开发平台的人机交互功能是在开发平台基本功能的基础上，开发出来的专门 用于对平台进行配置和控制的命令行指令，这个功能可以用来对系统进行测试以 及用于教学和科研实践，因为开发平台的构成至少包括一个b s 设备和一个s s 设 备，因此对于设备的配置功能就需要针对b s 和s s 分别设计。 第二章开发平台的基本功能设计 2 4 t 针对b s 的交互功能设计 1 增加一个连接( a d d _ c o n n e c t i o n ) 格式：a d d c o n n e c t i o n 【c i d 】 d lm o d 】 # d l _ b y t e s 】 u l _ m o d 】 # u lb y t e s 】 其中，c i d 代表所增加的连接的1 6 位c i d 号码；d lm o d 代表对应该c i d 的 下行突发的调制和编码方式，可以用r a t ei d 来代表，r a t ei d 所代表的含义参照 表3 5 ：u lm o d 代表对应该c i d 的上行突发的调制和编码方式，可以用r a t ei d 表示；# d lb y t e s 和# u lb y t e s 分别表示为该连接所分配的带宽，以字节为单位。 2 修改一个连接( m o d i f y _ c o n n e c t i o n ) 格式：m o d i f yc o n n e c t i o n 【c i d d l _ m o d # d l b y t e s u l _ m o d # u l _ b y t e s 】 中括号代表的字段的含义和增加一个连接的含义相同。 3 。删除一个连接( d e l _ c o n n e c t i o n ) 格式：d e l c o n n e c t i o n 【c i d 。 用来删除对应 c i d 所表示的连接。 4 显示b s 管理的所有连接列表( s h o w _ c o n n e c t i o n ) 格式：s h o w c o n n e c t i o n 用来显示b s 所管理的所有连接的列表，列表的格式如下： 5 读发送缓冲区( r e a dt xb u f f e r ) 格式：r e a dt xb u f f e r 用来显示b s 当前时刻发送缓冲区内的数据内容。该命令返回一个列表，显示 一个完整的下行帧的数据内容，列表的格式如下： 其中c o n t e n t s 代表对应c i d 在本上行顿中对应的数据内容，用十六进制数串 表示。 6 读接收缓冲区( r e a d r x b u f f e r ) 格式：r e a d r x b u f f e r 用来显示b s 当前时刻接收缓冲区内的数据内容。该命令返回一个列表，显示 接收到的一个完整的上行帧的数据内容，列表的格式如下： 其中c o n t e n t s 代表对应该c i d 在本上行帧中对应的数据内容，用十六进制数 据串表示。 2 4 2 针对s s 的交互功能设计 1 增加一个连接( , s s a d d c o n n e c t i o n ) 格式：s s a d d c o n n e c t i o n 【c i d 】 增加c i d 为 c i d i 的连接。 i e e e8 0 2 1 6 w m a n 开发平台研究与设计 2 删除一个连接( s s d e l c o n n e c t i o n ) 格式：s s d e l c o n n e c t i o n 【c i d 删除c i d 为 c i d 的连接。 3 显示所有连接列表( s sc o n n e c t i o ns h o w ) 格式：s sc o n n e c t i o ns h o w 显示s s 内部所有的连接，只用列表的形式显示所有的c i d 。 4 读发送缓冲区( s sr e a dt xb u f f e r ) 格式：s sr e a dt xb u f f e r 显示s s 发送缓冲区的内容，它返回一个列表，列表的格式如下： 5 读接收缓冲区( s sr e a dr xb u f f e r ) 格式：s sr e a dr xb u f f e r 显示s s 接收缓冲区的内容，它返回一个列表，列表的格式如下： 2 5 开发平台的可扩充性 前面设计了开发平台的基本功能，除了基本功能之外，i e e e8 0 2 1 6 协议还有 很多管理消息的交互，因为这些任务是需要在这些基本功能之上开发的，因此这 些功能可以作为可扩充性内容加以开发。由于篇幅的关系，这些扩展性功能就不 再列出了，详细信息请参见i e e e8 0 2 1 6 协议。 开发平台可扩充的功能包括： 1 对r a t e i d 的扩充，也就是说r a t e _ i d 可以包括更多的调制和编码方式； 2 对于信噪比、误码率等系统收发性能参数的统计； 3 对管理消息的扩充，可以开发更多更详细的管理消息以满足系统发展的需 要。 第三章i e e e8 0 2 1 6w m a n 开发平台的硬件设计 第三章i e e e8 0 2 1 6w m a n 开发平台的硬件设计 开发平台的物理层设计将采用由原理设计到实际设计逐步细化的方法，首先 根据协议的要求，严格按照协议的规定划分和定义物理层的各个功能块，然后再 对各功能块划分关键部件，对关键部件进行详细设计，最后是对整个物理层的性 能仿真，并由仿真结果推演出一个用于系统性能分析的近似公式，仿真结果和近 似公式是自适应链路算法的基础。 整个开发平台的硬件模块示意图如图3 2 所示： 测试接口 以点网接i ：1 j t a g 或并口r i 4 5 图3 2i e e e8 0 2 1 6 开发平台的硬件模块示意图 i e e e8 0 2 1 6 开发平台的硬件部分被设计为两大模块：射频模块和基带模块。 射频模块和基带模块之间采用r s 2 3 2 接口连接，这样的设计有两个目的： 1 射频模块可更换，由于i e e e8 0 2 1 6 规定了五种不同的物理层标准，这五 种不同的物理层标准的主要区别体现在射频模块，比如工作频段，调制方式( 单 载波，多载波) 等，将射频模块与基带模块分开并用通用的串行接口连接，可以 方便以后开发五种不同的物理层标准。 2 方便测试，在测试的时候，可以分别对射频模块和基带模块进行功能和性 能测试，降低了测试的复杂度。 另外，根据测试和开发需要，在开发平台上还设计了两个开放接口，一个用于 测试的接口，可以用j t a g 或者并口承担；一个用于应用和高层通信接口，用r j - 4 5 口承担。 在后面的小节里面，将分模块对开发平台的硬件部分进行详细的定义和设计。 3 1 基带模块 如图3 2 所示，基带模块主要包括4 部分：协议处理模块、随机器、f e c 、交 织器。其中协议处理模块主要承担与m a c 层协议相关的硬件和软件操作，将在第 三章和第四章详细设计。本章主要对随机器、f e c 、交织器进行详细定义和设计。 随机器、f e c 、交织器的工作流程图如图3 3 所示。 i e e e8 0 2 1 6 w m a n 开发平台研究与设计 3 1 1 随机器 f从m a c 的安全子层 、 获得的串行数据流 l， + i随机器随机化 i + lr s 编码 i lc c 编码 l + l凿孔编码速率调整 上 进入射频调制模块 ： 图3 3 随机器、f e c 、交织器的工作流程图 在上行链路和下行链路中，基站和终端设备在发送信号过程中都需要进行随 机化。随机化的过程是这样的，发送信号的设备将标识自己的标识符或部分标识 符作为随机器的种子对发送的信息流进行随机化，在接收端，也利用这个己知的 种子对信息流去随机，就得到原有的信息流。利用随机器对发送信息进行随机化 的目的是这样的：对于p b i p 模式下的i e e e8 0 2 1 6 系统而言，在下行信道进行随 机化处理的目的就是要让中心的基站对所有其管辖下的终端设备进行信息的保 护，也就是说如果其他不属于该基站管辖范围内的终端设备意外接收到了该基站 发出的信息，由于它不属于这个网络，所以它并不知道有关该基站的标识符，它 就不能够正确恢复接收到的信息，从而避免出现混乱；对于上行信道，终端设备 发出的信息也有可能被其他不属于本小区的基站所接收，同样，对其发出的信息 中加入一些标识符，就能够避免出现混乱。 在p m p 模式下的i e e e8 0 2 1 6 系统采用一种按需分配的动态t d m ( 对下行链路 而言) 和动态t d m a ( 对上行链路而言) ，并且其上下行的帧长度不固定，信息以不 同长度的突发( b u r s t ) 的形式发送，所以，对上行和下行链路发送信息的随机化 是针对突发的，也就是说，随机器初始化时间点在不同突发的开始点。 要设计随机器必须要了解p m p 模式下i e e e8 0 2 1 61 9 a a n0 f d m 物理帧结构。p m p 模式下的整个系统的帧长为固定的，可能为5 m s 、1 0 m s 、1 2 5 m s 、2 0 m s 等。每一 个物理帧包含一个上行帧和下行帧，分别对应上行链路和下行链路，上行帧和下 行帧的切换点是动态不固定的，相应帧长也是不对称的，这样做能够适应承载业 务类型和业务量的动态变化，非常适合传输综合数据业务类型。 第三章i e e e8 0 2 1 6w m a n 开发平台的硬件设计 下行帧结构如图3 4 所示。 图3 4 下行帧结构示意图 在下行帧当中，因为前导码，f c h ( 帧校验头) 和下行突发l ( 其中包含d l m a p 、 u l m a p 信息) ，这些信息都与系统同步和信息的解析有舂接关系，所以前导码作为 一个同步信息不进行随机化操作，后二个帧域用了一个公开的初始化向量( 100 10 1010000000 ) 作为种子进行初始化，从后面的下行突发2 开始往后 的每一个突发的开始点，随机器都重新进行种子的初始化，不过初始化向量是由4 b i t s 的b s i d 、1 1 、4b i t s 的o l u c 、l 和4b i t s 的帧号组成的，共有1 5 个比特。 这样，在下行链路，也就是在基站设备当中，发送信息的随机化处理流程如图 3 6 所示。 上行帧结构如图3 5 所示。 图3 5 上行帧结构示意图 每一个上行突发前面都有一个前导码，通常是短前导码，它和下行帧当中的长 前导码结构不同，但是作用相同，用于基站与移动台之间的同步。同样，短前导 码也不需要进行随机化处理，在移动台发送信息的时候，短前导码不经过随机器 直接被发出，而后面跟的上行突发需要随机化，并且在每个上行突发开始的时候， 随机器的向量都要被初始化。 测距时隙和带宽请求时隙分别用于移动台在入网或者失去同步时随机发送测 距请求和带宽分配请求，这些信息都不需要进行随机器的随机操作，所以，每个 上行帧的随机化处理的最初初始化时刻是由时隙定时器触发的。移动台设备发送 信息的随机化处理流程如图3 8 所示。随机器的结构如图3 7 所示，它由一个移位 寄存器和两个异或门组成。 串行 高位 低位 图3 7 随机器的结构 i e e e8 0 2 1 6 w m a n 开发平台研究与设计 图3 6 + f 行链路发送信息随机化流程图 第三章i e e e8 0 2 1 6w m a n 开发平台的硬件设计 图3 8 上行链路发送信息随机化流程图 随机器可以用下面的v h d l 语言描述： 首先定义一个循环左移的过程： l i b r a i t yi e e e ； u s ei e e e s t dl o g i c1 1 6 4 a l l ； u s ei e e e s t dl o g i ca r i t h a l l ； u s ei e e e s t dl o g i cu n s i g n e d a l l ； p a c k a g ec p a ci s p r o c e d u r es h i f tf i n “i a t ev e c t o r i ns t dl o g i cy e c t o r ； s i g n a ld o u r ：o u ts t dl o g i cv e c t o r ) ； e n dc p a c ： p a c k a g eb o d yc p a ci s p r o c e d u r es h i f m i n i t i a t ev e c t o r ：i ns t dl o g i cv e c t o r ： s i g n a ld o u r ：o u ts t dl o g i cy e c t o r ) i s b e g i n f o rii ni n i t i a t ev e c t o r r a n g el o o p i e e e8 0 2 1 6 w m a n 开发平台研究与设计 i f ( 1 “ _ i n i t i a t ev e c t o r l e f nt h e n d o u t ( 1 + i ) = i n i t i a l _ v e c t o r ( i ) ； e l s e d o u t ( 1 + i i n i t i a t e _ v e c t o r l e f t ) = i n i t i a t e _ v e c t o r ( i ) ； e n d i f ； e n dl o o p ： e n ds h i f t ； e n dc p a c ； 随机器的描述： l i b r a r yi e e e ； u s el e e e s t dl o g i c1 1 6 4 a l l ； u s ew o r k c p a c a l l ； e n t i t yb s ri s p o r t ( i n i t i a t ev e c t o r ：i ns t dl o g i cv e c t o r ( 1 4d o w n t oo ) ； e l k e n b d a t ai n ：r ns t dl o g i c ； d o u r ：0 u ts t dl o g l cv e c t o r ( 1 4d o w nt 00 ) ： d a t ao u t ：0 u ts t dl o g i c ) e n d b s r ； a r c h i t e c t u r er t lo fb s ri s b e g i n p r o c e s s ( c l k ) b e g i n i f ( c l k e v e n ta n de l k - - l ，、t h e n 1 f ( e n b = 0 1t h e n d a t ao u t = d a t ai n ： e l s e s h i 娥i n i t i a t e d a t a _ o u t = d o u t ( 1 4 ) x o r d o u t ( 1 3 、x o r d a t a _ i n ； e n d i f ； e n d i f ； e n d p r o c e s s ； e n d r t l ； 3 1 2r e e d s o l o m o n 编码器 r e e d s o l o m o n 编码器【9 】( 简称r s 编码器) 是用于数据块容错的编码校验器， 对于i e e e8 0 2 1 6 系统，协议规定其r s 编码器类型为r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，8 ) ，其含义是2 3 9 信息字节经过编码器之后得到2 5 5 字节的己编码信息，其中包含了1 6 字节的冗余 信息用于纠错，并且可纠正8 字节的信息。 经过随机化的数据比特流在进行r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，8 ) 的r s 编码之前，首先要 经过一个数据块变换，即将数据流比特流分割成为长度为2 3 9 字节为单位的数据 块流，然后将这些数据块依次送入r s 编码器进行编码，编码后的码字是由数据信 息和奇偶校验位组成的，对于r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，8 ) 而言，生成的码字结构如图3 9 第三章i e e e8 0 2 1 6w m a n 开发平台的硬件设计 所示。 i2 3 9 字节数据信息1 6 字节奇偶校验位 1 一一，。 图3 9r s 编码码字结构 r s 编码器的工作过程是将数据信息m ( x ) 和生成多项式g ( x ) ，通过线性运算得 到码字冗余校验信息，( 力和最终传输码字c ( x ) 的过程。如图3 1 0 所示的r s 编码 器编码过程示意图。 m ( x ) 广一一一一一一一一一一一一一一一一一 ii 生成多项式处理器：足 r m o d ( g ( x ) ) “x ) 一 i码字c ( x ) i r s 编码器 i 图3 i ok s 编码器编码过程示意图 r s 编码器的编码运算步骤如下： ( 1 ) 根据r