（通信与信息系统专业论文）futurefdd无线蜂窝试验系统mac层的研究与设计实现.pdf

摘要 摘要 随着移动用户数量的快速增长和新业务的不断出现，现有的移动通信系统已经不能满足市场需 要。新一代移动通信系统的研究开发已经提上日程。未来无线通信通用环境( f u t u r e ) 研究项目是中 国高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 通信主题的重大项目，目标是面向未来移动通信系统的发展趋势， 研究b 3 g 4 g 新一代移动通信空中接口技术，并建立关键技术验证系统 在移动通信系统中，m a c 层一般作为层2 的一个子层，是物理层和上层之间数据传输的通道和 桥梁，实现高层信令与业务向物理层的映射与复用等功能。相比于现有的移动通信系统，b 3 g 移动 通信系统在传输速率、业务功能和类型、服务质量和可靠性等方面提出了更高的要求，重新定义b 3 g 移动通信系统层次结构，并设计高效可靠的m a c 层协议对系统性能至关重要。 f d d 蜂窝无线网络试验系统是f u t u r e 研究计划课题，研究f d d 模式下m i m o 、g m c 、o f d m 等空中接口技术，并演示多用户多小区场景下的多种速率业务数据的传输。在该系统中，m a c 层主 要实现信令和数据的复用和q o s 控制、资源分配控制管理和链路自适应控制等功能。本文首先简要 介绍了f d d 蜂窝无线网络试验系统，分析其业务演示需求，并根据业务演示需求设计了相应m a c 层协议，最后详细介绍m a c 层协议在m p u 板上的实现情况。 关键词：链路自适应，媒体接入控制，后三代移动通信系统，频分双工，自动请求重传，未来无线 通信通用环境 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d i n c r e a s eo fm o b i l eu s e rn u m b e ra n dn e ws e r v i c er e q u e s t , c u r r e n t m o b l l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a l ln o tm e e tn e e d s ，a n dr e s e a r c ho ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r eu r g e n ta n dn e c e s s a r y f u t u r et e c h n o l o g yf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ( f u t u r e ) r e s e a r c hp r o j e c ti so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m m u n i c a t i o nt o p i co fc h i n a8 6 3h i g h t e c hp r o j e c t t h ep u r p o s ei st os t u d yf u t u r ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nc o n c e p t s ，a n dd e v e l o pa i r i n t c r t a c e t e c h n o l o g i e sf o rb 3 g 4 gs y s t e m s d e m os y s t e m s a r ee x p e c t e dt ob ee s t a b l i s h e d s ot h a ts o m ek e y t e c h n o l o g i e sc a nb ev e r i f i e d m a c l a y e ri sg e n e r a l l yas u b l a y e ro ft h el a y e r - 2 i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c ht i e su p b e t w e e np h y s i c a ll a y e ra n dh i g h e rl a y e r , m a p p i n go rd e m a p p i n ga n dm u l t i p l e x i n g o rd e m u l t i p l e x i n g s i g n a l l i n ga n ds e r v i c ed a t at op h y s i c a lc h a n n e l s b e c a u s eo f t h eh i g h e rr e q u e s to fb 3 gt h a nt h a to fc u r r e n t c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt e r m so fb a u dr a t e ，s e r v i c ef u n c t i o n ，q u a l i t yo fs e r v i c ea n dr e l i a b i l i t y ，i tb e c o m e s v c r yi m p o r t a n tt or e d e f i n eb 3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sl a y e rs t r u c t u r ea n dd e s i g ne f f i c i e n ta n dr e l i a b l e m a cl a y e r t h ef d dw i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r ke x p e r i m e n t a ls y s t e mi sap a r to f t h ef u t u r er e s e a r c hp r o j e c t a d v a n c e db a s e b a n dt e c h n o l o g i e sl i k em i m o ，g m c ，a n do f d ma r ec o n s i d e r e d v a r i a b l es e r v i c e s o f m u i t i u s e ri nd i 行c r e n tc e l l u l a ra r ee x p e c t e dt ob ec a r r i e d i nt h i ss y s t e m ，m a cl a y e r sf u n c t i o nc o n s i g so f m u l t i p l e x i n go fs i g n a l i n ga n ds e r v i c ed a t a ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，q o sc o n t r o l l i n g ，a n d l i n ka d a 眦i o n c o n 仃o i l i n g i nt h i sm a s t e rt h e s i s ，e x p e r i m e n t a ls y s t e mi si n t r o d u c e d ，a n dt h e nt h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa r e a n a l y z e d b a s eo n t h ea n a l y s i s ，m a cl a y e rp r o t o c o li sd e s i g n e dt om e e tt h e s ed e m a n d s f i n a l l y , t h e f p g a b a s e di m p l e m e n t a t i o no fm a cl a y e rp r o t o c o li sp r o p o s e d k e yw o r d s ： l i n ka d a p t a t i o n ( l a ) ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) ，f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ( f d d ) ， b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n ( b 3 g ) ，a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( a r q ) ，f u t u r et e c h n o l o g yf o r u n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ( f u t u r e ) u 英文缩略词 a c k a r q b 3 g b c b s c b t s c d m a c r c d a c k d a d t d b k n m d c s i d d c d d p c c h d d p d c h d f - d t d f f i d l a l d l u l d ，p e r d r s a i d s p d s r a d t s d ，u r a f a f d d f p g a f t p g e g m c i p i t u l m t m a c m l m o m p u m t o f d m p - c c p c h p c i p g 英文缩略词 a c k n o w l e d g e m e n t a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b e y o n d3g e n e r a t i o n b r o a d c a s t b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e d o w n l i n k a c k n o w l e d g m e n t d o w n l i n ka d a p t i v e - r a t ed a t a d o w n l i n k b l o c kn u m b e r d o w n l i n kc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d o w n l i n kd e d i c a t e dc o n t r o i d o w n l i n k d e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l d o w n l i n k d e d i c a t e dp h v s i c a ld a t ac h a n n e l d o w n l i n kf i x e d - r a t ed a t a d o w n l i n k f r a m ef o r m a ti n d i c a t i o n d o w n l i n ka d a p t i v ei n f o r m a t i o n d o w n l i n ku s ei n f o r m a t i o n d o w n l i n k p a c k e te r r o rr a t e d o w n l i n k r e s o u r c ea i l o c a t i o ni n f o r m a t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d o w n l i n k s e r v i c er e s o u r c ea l l o c a t i o n d o w n l i n k - t i m e s ! o t d o w n l i n k u s e rr e s o u r c ea l l o c a t i o n f o r w a r da c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f i l et r a n s m i s s i o np r o t o c o l g i g ae t h e r e a l g e n e r a l i z e dm u t i c a r r i e r i n t e r n e tp r o t o c o l i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n l o c a lm a i n t e n a n c et e r m i n a l m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a i np r o c e s s i n gu n i t m o b i l et e r m i n a l o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u k i p l e x p r i m a r v c o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t p a g e n 接收成功确认 自动重传请求 后三代移动通信 广播 基站控制器 基站收发台 码分多址接入 循环冗余编码 下行应答 下行可变速率数据 下行块数 下行信道状态信息 下行专用控卷4 下行专用物理控制信道 下行专甩物理数据信道 下行固定速率数据 下行帧格式指示 下行链路自适应信息 下行链路使用信息 下行误包率 下行资源分配信息 数字信号处理器 下行业务资源分配 下行小时隙 下行用户资源分配 前向接入 频分双工 现场可编程门阵列 文件传输协议 千兆以太 广义多载波 互联网协议 国际电信联盟 本地维护终端 媒体接入控制 多输入多输出 主处理单元 移动终端 正交频分复用 基本公共控制物理信道 外围部件互连 寻呼 英文缩略词 q o s r a r a p c h r a u r l c r l p r t s c s l a c s y n c h t d s c d m a t s t t i u a c k u a d t u b k n m u c s i u - d c u d p c c h u d p d c h u f d t u f f i u l a i u l u l u r s a l u s r a u - t s u u r a w c d m a q u a l i t yo fs e r v i c e r a n d o ma c c e s s r a n d o ma c c c s sp h y s i c a lc h a n n e l r e m o t ea c c e s su n i t r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i ol i n kp r o t o c o l r e a lt i m e s u b - c a r r i e r s i g n a ll i n ka c c e s sc o n t r o l s y n c h r o n i z a t i o nc h a n n e i t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n i z a t i o nc d m a t i m e s i o t 1 - r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l u p l i n k - a c k n o w l e d g m e n t u p l i n ka d a p t i v e - r a t ed a t a u p l i n k b l o c kn u m b e r u p l i n kc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n u p l i n kd e d i c a t e dc o n t r o l u p i n k - d e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l u p l i n k d e d i c a t e dp h y s i c a ld a t ac h a n n e l u p l i n kf i x e d r a t ed a t a u p l i n k f r a m ef o r m a ti n d i c a t i o n u p l i n ka d a p t i v ei n f o r m a t i o n u p l i n ku s el n f o r m a t i o n u p l i n k r e s o u r c ea l l o c a t i o ni n f o r m a t i o n u p l i n k s e r v i c er e s o u r c ea l l o c a t i o n u p l i n k t i m e s l o t u p l i n k u s e rr e s o u r c ea l l o c a t i o n w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c c s s v l 服务质量 随机接入 随机接入物理信道 远端接入单元 无线链路控制 无线链路协议 实时 子载波 信令链路接入控制 同步信道 时分同步c d m a 时隙 传输时间间隔 上行应答 上行可变速率数据 上行块数 上行信道状态信息 上行专用控制 上行专用物理控制信道 上行专用物理数据信道 上行固定速率数据 上行帧格式指示 上行链路自适应信息 上行链路使用信息 上行资源分配信息 上行业务资源分配 上行小时隙 上行用户资源分配 宽带码分多址接入 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 表示了谢意。 研究生签名：莲蓝毛日期：兰皇! 箜! ! ! 1 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盘选! 整导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 随着移动通信业务需求的不断增加，现有移动通信已不能满足日益增- g g j , 用户需求，研究下一 代移动通信系统已势在必行本章简要介绍b 3 g 移动通信发展和f u t u r e 研究计划f d d 试验系统 1 1b 3 g 移动通信 1 1 1b 3 g 移动通信与市场需求 自移动通信诞生之日起，其主流业务一直是人与人之间通过移动通信系统用语音进行沟通的语 音业务。随着i n t e r n e t 及多媒体技术的快速发展，用户越来越不满足这种人与人之间的单一通信方 式。人们希望移动通信系统能够提供更丰富的业务，例如因特网接入、图像传送、视频点播、数据 互传、实时电视节目等数据或多媒体业务。为适应人们对移动通信越来越高的要求，2 0 0 0 年1 0 月6 日，国际电信联盟( i t u ) 在加拿大蒙特利尔市成立了i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s - 2 0 0 0 ) a n db e y o n d 工作组，负责协调分布在欧洲、美洲、亚洲等世界各地的无 线通信技术研发机构和通信设备制造公司对b 3 g 的研究与标准化工作。我国在2 0 0 2 年3 月正式宣 布启动对b 3 g 通信系统的研究工作，并于2 0 0 4 年4 月正式启动b 3 g 移动通信技术的标准化进程。 依照国内外对未来移动通信技术的普遍看法，b 3 g 系统至少应具备以下6 个基本特征。 ( 1 ) 具有很高的传输速率和传输质量 未来的移动通信系统应该能够承载大量的多媒体信息，因此要具备达到1 0 0 m b i t s1 g b i t s 的最 大传输速率、较大地域的连续覆盖、q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证机制、很低的比特开销等性能。 ( 2 ) 灵活多样的业务功能 未来的移动通信网络应能使各类媒体、通信主机及网络之间完成“无缝”连接，使得用户能够 自由地在各种网络环境间无缝漫游，并觉察不到业务质量上的变化，因此瓤的通信系统要支持瞬间 移动管理及相应的认证、鉴权、代理等功能。 ( 3 ) 开放的平台 未来的移动通信系统应在移动终端、业务节点及移动网络机制上具有“开放性”，使得用户能够 自由地选择协议、应用和网络。让应用业务提供商( a s p ，a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) 及内容提供 商( a c p ，a p p l i c a t i o nc o n t e n tp r o v i d e r ) 能够提供独立于操作的业务及内容。使定位信息和计费信 息能够在各个网络和各类应用之间共享。改良的安全机制能够作用于广泛的功能范围。 ( 4 ) 高度智能化的网络 未来的移动通信网将是一个高度自治、自适应的网络，具有很好的重构性、可变性、自组织性 等，以便于满足不同用户在不同环境下的通信需求。 ( 5 ) 高度可靠的鉴权及安全机制 未来的移动通信网将是一个基于分组数据的网络，具有高度可靠的鉴权及安全机制，因为如何保 证数据的安全可靠性将直接影响到整个网络的生存力，也会影响到用户对整个网络的信任程度。 ( 6 ) 高数据速率和q o s 保证 未来移动通信系统不仅要适应用户数的增加，同时也必须要适应多媒体的传输需求，还包括通 信品质q o s 的要求。必须可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。 现阶段，b 3 g 无线通信技术已是世界范围内移动通信的研究热点。b 3 g 标准制定工作也在i t u 的领导下如火如荼的进行着，各国都积极地参与提案，希望未来的标准中出现符合本国利益的条款。 在我国，b 3 g 的立项早在2 0 0 0 年初就已开始酝酿，2 0 0 1 年1 1 月立项申请被批准，随后国家成 立了由尤肖虎教授负责、“8 6 3 ”计划通信技术主题专家组领导的总体组，并于2 0 0 1 年底和2 0 0 2 年6 月发布了两次课题指南，成立了一系列课题组，开始了计划的启动，称为f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e s 1 东南大学硕士学位论文 f o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划【1 1 。国内高校如东南大学、清华大学都参与了f u t u r e 研究计 划项目。当前东南大学主要承担f u t u r e 研究计划二期工程f d d 无线蜂窝试验系统的研究开发工作。 1 1 2f u t u r e 研究计划f d d 蜂窝无线网络试验系统 当前东南大学b 3 g 课题组承担的f d d 蜂窝移动通信无线网络试验系统研究开发项目是8 6 3 重 点项目f u t u r e 研究计划二期工程，研究f d d 模式下3 g 后一代移动通信系统的空中接口技术，建 立多载波与m i m o 等关键技术，支持峰值速率为1 0 0 m 的语音和数据业务，并支持新的未来可能出现 的无线通信业务p j 。 f d d 蜂窝无线网络试验系统演示f d d 模式下多用户多小区场景下的多业务数据传输。f d d 蜂 窝移动通信基站系统如图1 1 1 所示，f d d 蜂窝移动通信基站系统由远端天线接入单元r a u 和近端 基站构成i i 。其中每个近端基站可以接2 - - - 3 个r a u ，每个r a u 接4 副天线，共可接8 幅天线，每 个r a u 模块有4 个射频收发通道，实现光电转换、频率变换( 1 9 g 到3 5 g 的转换) 、l n a 和功率 放大功能。近端基站的机柜由基带框、2 个射频小信号框以及e o 转换框构成，基带框完成基带处 理和主控功能，每个射频小信号框完成4 天线模拟基带到1 9 g 射频收发小信号的转换，e o 转换框 实现电信号和光信号之间的相互转换。r a u 和近端基站之间通过模拟光纤相连。移动台( m t ) 配有四 副收发天线，通过多天线与基站系统通信。 图1 1 1f d d 蜂窝移动通信基站系统示例图 f d d 实验系统上行链路采用4 天线发送和8 天线接收的m i m o g m c 无线传输技术l e w ，可把物 理带宽约为1 7 2 8m h z 的频段均匀分解成1 2 个3 d b 带宽为1 2 8m h z 的基本子信道，其中子信道之 间存在0 1 6 m h z 的保护带宽，通过1 6 个子带滤波器组( 只用到了其中的1 2 个子带滤波器) 进行多 载波合路和分路，子带滤波器组可通过d f t 快速实现。对每个子信道，采用双循环自适应时隙结构、 高效编码与调制、空时分集与空分复用、迭代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分组数据传 输，满足b 3 g 系统对传输速率、系统容量、频谱效率以及功率效率等方面的要求。 f d d 实验系统下行链路采用8 天线发送和4 天线接收的m i m o o f d m 无线传输技术p j 。其将物 理带宽为1 7 2 9m h z 的频段均匀分解成1 5 3 6 个子载波，其中相邻的1 2 8 个子载波构成一个子带，共 1 2 个子带( 子带带宽为1 4 4 m h z ，每个子带已包括有导频子载波) ，时域上以8 3 7 5 m s 为帧，由 1 0 个时隙组成。一个子带上的个时隙为一个最小时频单元，支持多种资源分配和复用方式。在每 2 第一章绪论 个用户( 组) 所分配的时频资源中，用户业务数据根据各自的业务需求进行动态的高效编码与调制、 空时分集与空分复用、迭代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分组数据传输，满足b 3 g 系统 对传输速率、系统容量、频谱效率以及功率效率等方面的要求。 1 2 媒体接入控制层( m a c ) 移动通信系统中m a c 层一般是作为层2 链路层的一个子层，是物理层和上层之间数据传输的 通道和桥梁【4 5 6 j 。例如c d m a 2 0 0 0 移动通信系统1 2 , 3 中链路层( 层2 ) 是三层信令应用与物理层之间的桥 梁，实现高层信令与业务向物理层的映射与复用，同时为信令和业务数据提供一定的服务质量保证 机制，并且完成信令信息的寻址、鉴权等功能。其包括两个协议子层：链路接入控制子层( l a c ) 和媒 体接入控制子层( m a c 层) ，其中l a c 子层完成信令信息的打包、分割、重装、寻址、鉴权以及重 传控制等功能；m a c 子层则完成信令和业务数据的复用和q o s 控制，以及空中接口的接入过程控 制。链路层为实现包括高速多媒体业务在内的电路和分组型业务的支持，c d m a 2 0 0 0 的第二层协议设 计体现了如下需求： 1 ) 支持广泛的高层业务的要求； 2 ) 为数据业务在宽范围( 1 2 k b i t s 到2 m b i t s ) 内提供高效率及低延时的服务； 3 ) 支持电路和分组交换数据业务不同的q o s 的传递能力； 4 ) 需要支持多种同时发生的多媒体业务一一每种业务都有不同的q o s 需求： 其中，m a c 子层主要提供了两点主要功能： 1 ) “尽力传送”：由m a c 层无线链路协议“尽力而为”地保证传输的可靠性，实现在无线链路 上能够适度可靠的传输； 2 ) 复用( m u x ) 和q o s 控制：通过协调由竞争业务产生的冲突请求以及为接入请求安排合适的优 先级来确保实旋协商好的q o s 级别。 相比3 g 移动通信系统，b 3 g 在数据传输速率上存在更高的要求，同时要求以l p 为基础的无线 接续，支持q o s 和各系统之间无缝的业务支持，并提供全球无缝漫游，要求支持多重模式、对称 非对称业务。这些需求必然导致通过在物理层采用新的传输技术，同时要求上层协议支持高速的数 据传输和物理层采用的各种新技术。对于m a c 层来讲应该更贴近物理层，以适应高速数据传输的 要求，同时要求层2 协议支持上层不同业务和信令的需求，以满足b 3 g 以1 p 基础的多系统之间无 缝接续和多重模式、对称非对称业务传输需求。 b 3 gf d d 蜂窝无线网络试验系统的系统层次划分和功能定义是参照c d m a 2 0 0 0 系统的标准，但 其要求的参数和指标要远远高于c d m a 2 0 0 0 系统，主要表现为数据传输的峰值速率高达1 0 0 m b i t s ， 参数和指标的不同导致物理层实现技术和上层协议结构以及实现上的差别，对于层2 和m a c 层来 讲，存在以下新的需求： 1 ) 为数据业务在更宽的范围( 6 4 k b i t s 至1 0 0 m b i t ) # 提供高效可靠和低延时的服务： 2 ) 为不同类型和速率的业务提供不同级别的q o s 保证； 3 ) 支持物理层采用的多种新的传输技术； 4 ) 支持未来可能出现的新的业务。 因此，层2 和m a c 层需要更加贴近物理层以适应高速数据传输的要求，同时又要满足上层多 种业务的不同需求，所以f d d 蜂窝无线网络试验系统的层2 协议的设计相对c d m a 2 0 0 0 系统来讲存 在更高的要求和难度。本文第二章将详细介绍f d d 蜂窝无线网络试验系统的层2 和m a c 层协议设 计。 1 3 相关研究与设计实现 本文主要完成b 3 gf d d 蜂窝无线网络试验系统的m a c 的研究工作，即完成m a c 层协议的设 3 东南大学硕士学位论文 计与实现工作，研究内容包括： 1 ) 分析b 3 gf d d 蜂窝无线网络试验系统的无线资源和演示需求，制定最佳的演示业务数据 分类和其资源分配方案； 2 ) 根据制定的资源分配方案，设计m a c 层协议，m a c 层协议要求能够支持f d d 蜂窝无线 网络试验系统各种演示需求和参数，并支持未来可能出现的新的业务； 3 ) 根据设计的m a c 层协议，在华为公司提供的r m p u 板上的f p g a 内实现m a c 层功能， 并调试通过。 1 4 本文的主要工作与组织结构 本文主要介绍了b 3 gf d d 蜂窝无线网络试验系统m a c 层的设计和实现工作，全文分为六章， 组织结构如下； 第一章主要介绍b 3 g 移动通信的发展现状和东南大学承担的8 6 3 重点项目一f u t u l 通研究计划 f d d 蜂窝无线网络试验系统，分析其对m a c 层的需求，并指出本文的研究内容。 第二章首先介绍f d d 蜂窝无线网络试验系统的框架和演示任务，并分析试验系统的无线信道资 源和试验系统具体的业务演示需求，根据演示需求制定了的无线信道资源分配方案以及层2 - m a c 协 议。 第三章首先介绍了华为公司制作的演示系统硬件，并根据第二章设计的m a c 层协议，考虑到 m p u 板硬件实现的难易程度，将第二章设计的层2 协议实体进行了软硬件实现任务分工，然后根据 软硬件任务分工和m a c 层协议设计了m a c 层硬件实现的整体方案以及缓存接口定义，并对各个具 体的实现模块进行了详细定义和说明。 第四章详细说明了第三章定义的各个功能模块的f p g a 实现情况，对各个模块详细说明了其功 能定义、工作时序以及状态机。 第五章简要介绍了m t - m a c 层硬件实现的测试步骤和过程。在介绍的几种测试方案中，单测 m t - m a c 的几种测试方案均已通过。系统联调中单箱调试和整体联调尚且未做。 第六章主要对全文进行总结，简要介绍各章的实现内容和完成情况，并简要介绍设计和实现中 发现的一些问题，同时对未来的工作进行展望。 4 第二章b 3 g 移动通信试验系统m a c 层协议 第二章b 3 g 移动通信试验系统m a c 层协议 本章详细介绍b 3 1 3 蜂窝无线网络试验系统m a c 层协议本章首先介绍试验系统框架，层次结构 和无线资源，并分析系统需求以定位m a c 层功能。最后介绍系统无线资源分配的简化实现方案。 2 1b 3 g 蜂窝移动通信试验系统 2 1 1 试验系统总体框架和层次结构 b 3 g 蜂窝无线网络试验系统( 下文简称试验系统) 总体框架1 9 lo j 如图2 1 1 所示，包括一个 b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) ，两个b t s ( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) ，三个m t ( m o b i l et e r m i n a l ) ，四个 r a u ( r e m o t ea c c e s su n i t ) ，演示包括两个小区和三个用户场景下的多用户多小区多业务蜂窝移动通 信。其中每个小区包括两个r a u 和一个b t s ，r a u 通过光纤与b t s 相连，构成一个小区基站系统。 每个r a u 配有四副天线和四个射频收发通道，实现射频信号的收发处理；b t s 负责基带信号的收 发处理，通过光纤与b s c 相连。每个b t s 与一个l m t ( l o c a lm a i n t e n a n c et e r m i n a l ) 相连，可用于本 地维护。每个m t 配有四副天线，在试验系统中用以模拟一个移动用户。试验系统对三个用户的定 义如下：用户l 和用户2 模拟中高速数据业务用户，可以传输多种数据业务，其峰值速率为1 0 0 m b i t y s ； 用户3 模拟低速语音业务用户，数据速率为6 4 k b i t s 。根据试验系统需求，在试验系统中上行链路 采用4 8 的m i m o 信道，下行链路采用8 4 的m i m o 信道。 厂一一一一一一一 、 | ，、 、 一， 、 、! 、； ；、 i 、一 ：8 _ r 8 图2 1 1b 3 g 蜂窝移动通信无线接入网络试验系统构成 5 、 、 、 一 一一一一一 一 一 一 ， 、 ，iiiii，、 | ；，矿 东南大学硕士学位论文 b 3 g 蜂窝无线网络试验系统的系统层次结构划分如图2 1 2 所示，其中红线表示逻辑信道，绿线 表示物理信道，蓝线表示本地控制信令传输通道。语音业务为固定速率为6 4 k b i t s 的数据，数据业 务是峰值速率为1 0 0 m b i t s 的可变速率的中高速数据，并要求支持多种类型的数据业务。信令层除通 过逻辑信道在空口传输信令外，也向本地链路层( 层2 ) 和物理层( 层1 ) 直接发送控制信令。链路层包 括r l c 子层和m a c 子层，其中r l c 子层实现信令和数据业务的打包、分割、重装、寻址以及重传 控制等功能，其中s l a c ( s i g n a l i n g l i n k a c c e s sc o n t r 0 1 ) 完成信令信息的处理，r l p ( r a d i ol i n kp r o t o c 0 1 ) 完成数据业务的处理；m a c 子层实现信令和数据的复用和q o s 控制、资源分配控制管理和链路自 适应控制等功能，其中c c hm u x & q o s 完成控制信道的处理，d c hm u x & q o s 完成数据信道的处 理。本章后面部分将详细介绍m a c 层协议。 o 鳓 3 7 缓 气 f o s l 滋2 f o s l j 滋i 气 f 图2 1 2 试验系统第二层协议的层次结构 2 1 2 物理信道和逻辑信道 试验系统采用频分双工( f d d ) 模式，上下行链路频段各为1 7 2 8m h z ，试验系统上行链路采用4 天线发送和8 天线接收的m i m o g m c 无线传输技术，把物理带宽约为1 7 2 8m h z 的频段均匀分解 成1 2 个3 d b 带宽为1 2 8m h z 的基本子信道，其中子信道之间存在o 1 6 m h z 的保护带宽：在时域上， 以8 3 7 5 m s 为帧，由l o 个时隙组成，一个子信道上的一个时隙为一个最小时频单元，如图2 1 3 所示。试验系统上行链路包括四类物理信道，如图2 1 3 所示，介绍如下： _s y n c h - - s y n c h r o n i z a t i o nc h a n n e l ，同步信道，用于传输系统上行链路同步数据： r a p c h r a n d o ma c c e s sp h y s i c a lc h a n n e l ，随机接入信道，用于传输上行随机接入请求信 息，此信道暂时不用，随机接入请求信息放到u _ d p c c h ： _ u - d p c c h n u p l i n kd e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ，用户n ( n = l ，2 ，3 ) 上行专用物理控制 信道，用于传输用户n 上行控制信息和低速语音业务； 一 l d p d c h u p l i n kd e d i c a t e dp h y s i c a ld a t ac h a n n e l ，上行专用物理数据信道t 用于传输上 行中高速数据业务。 6 第二章b 3 g 移动通信试验系统m a c 层协议 t s 01 s 1t s 21 s 3t s 4匹5t s 6t s 7 t s b t s 9 s c n _，? ? 1 s c l l ， s c 一，, 4 ，7，一7 | 7 ，7j + f j ，| + s c 9 ， s c 8 j j i s c 7 ， 一： s c 6 ，7 ， 7 ，7 ， ，7 ，7 ， ，? ：。| s c j + -一，| | ，7 ，一一7 s c 4j | ， 、l， 7 ，7 ，- ， 。，l ， s c 3， ，7 | ，一7 ，r 。，一，7 ，7，_i，i，。i ，7 ， ， 。 s c 2，f ， r ，7 ，| ，一 一， s c ls 硇呵c hr a p c hm d p c c h ld p c c h 2m d p c c m。，。? ，+ 。， 一? ，- 图2 1 3 试验系统上行链路物理信道 下行链路采用8 天线发送和4 天线接收的m i m o o f d m 无线传输技术，将物理带宽为1 7 ，2 8 m h z 的频段均匀分解成1 5 3 6 个子载波，其中相邻的1 2 8 个子载波构成一个子带，共1 2 个子带；在时域 上，以8 3 7 5 m s 为一帧，由1 0 个时隙组成，一个子带上的一个时隙为个最小时频单元，如图2 1 4 所示。试验系统下行链路包括四类物理信道，如图2 1 4 所示，介绍如下： s y n c h - - - - s y n c h r o n i z a t i o nc h a n n e l ，同步信道，用于传输下行链路同步数据： p c c p c h r i m a 嗲c o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l ，主公共控制物理信道，用于传输下 行公共控制信令； _ d d p c c h n - - d o w n l i n kd e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ，用户n ( n = l , 2 ，3 )