（通信与信息系统专业论文）宽带无线城域网休眠模式研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着通信技术的发展和新业务的出现，通信领域出现了一些新特点： 一是宽带移动化的趋势；二是移动宽带化的趋势。在这样的背景下，宽带 无线城域网产生了。i e e e 针对特定宽带无线城域网移动通信系统需求和应 用模式提出了i e e e 8 0 2 1 6 标准。由于终端移动功能的加入，使得有效的利 用移动台有限的能量成了一个重要的问题。为了节省移动终端的能量，延 长移动终端的使用周期，i e e e 8 0 2 16 e 协议提出了休眠模式。 本文来源于课题“国家发展和改革委员会下一代互联网示范工程”重 点项目“基于i p v 6 的宽带无线移动城域网通信业务系统与应用示范 。本 文主要目的是i e e e 8 0 2 1 6 em a c 层协议栈软件休眠模式模块的设计和实 现。 论文在概述i e e e 8 0 2 1 6 e 协议体系结构后，对m a c 层的关键技术点 进行了分析。在对i e e e 8 0 2 16 e 协议休眠模式部分进行了深入探讨的同时， 详细的讨论了移动台进入休眠模式消息交互过程、移动台休眠模式终止情 况以及休眠模式下保持活动机制。接下来，论文针对功率节省类i 和功率 节省类i i 的休眠模式机制分别建立了嵌入马尔科夫链模型。同时，论文分 析了移动台在功率节省类i 和功率节省类i i 情况下的能量消耗和数据包延 迟，并建立了特征方程。并对移动台在功率节省类i 情况下的能量消耗和 数据包延迟的特征方程绘制出特征曲线，分析了休眠相关参数对能量消耗 和对数据包延迟的影响，以便于实际工程应用中休眠参数的选择。 最后，本文完成了i e e e 8 0 2 16 em a c 层协议栈软件部分休眠模式模块 系统的设计和开发。最终在l i n u x 内核态实现了一个可以稳定运行在 p i c o c h i p p h y 之上的m a c 软件系统。系统全部采用c 语言编写，核心部 分与操作系统、硬件平台和所使用的i e e e 8 0 2 1 6 e p h y 无关。 关键词：i e e e 8 0 2 1 6 e ；w i m a x ；m a c ；宽带无线；接入网：休眠模式 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dt h ea p p e a r a n c e o fn e wb u s i n e s s e s ，n e wf e a t u r e sa r ec o m i n gf o r t h t h ef i r s tf e a t u r ei s b r o a d b a n da c c e s sm o b i l et r e n d t h eo t h e rf e a t u r ei st h a tn a r r o w b a n dm o b i l e s y s t e mi sc h a n g i n gt ob r o a d b a n d b r o a d b a n dw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e ah a s b e e no f f e r e di nt h i sb a c k g r o u n d i e e ep r o p o s e dt h ei e e e 80 2 。16s t a n d a r d a c c o r d i n g t ot h en e e d sa n d a p p l i c a t i o n s m o d eo fb r o a d b a n dw i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k - s p e c i f i cs y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s a st h e t e r m i n a lb ya d d i n gm o b i l ef u n c t i o n a l i t y ，m a k i n ge f f e c t i v eu s eo fl i m i t e d m o b i l ee n e r g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u e i no r d e rt os a v et h ee n e r g yf o r m o b i l et e r m i n a l sa n dt h ee x t e n s i o n o ft h eu s eo fm o b i l et e r m i n a l sc y c l e ， i e e e 8 0 2 16 ep r o p o s es l e e pm o d e t h i sp a p e ri sf r o mt h ei s s u e s ，”t h es t a t e d e v e l o p m e n ta n dr e f o r m c o m m i s s i o nn e x tg e n e r m i o ni n t e r n e td e m o n s t r a t i o n p r o je c t ”k e yp r o j e c t s ”i p v 6 一b a s e db r o a d b a n dw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m sa n da p p l i c a t i o n sb u s i n e s sm o d e l ”t h em a i np u r p o s ei st od e s i g na n d i m p l e m e n ti e e e 8 0 2 16 em a cl a y e rp r o t o c o ls t a c ks o f t w a r e s l e e pm o d e m o d u l e a f t e ro u t l i n i n gi e e e 8 0 2 16 ea r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h em a c l a y e rk e yt e c h n o l o g y t h e nc a r r y i n g o u ta n i n - d e p t h d i s c u s s i o no n i e e e 8 0 2 1 6 e s l e e pm o d e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h ei n t e r a c t i v e p r o c e s s i n f o r m a t i o nw h o s et e r m i n a le n t e r si n t os l e e pm o d e ，t h es i t u a t i o nw h o s es l e e p m o d et e r m i n a t e sa n d k e e p i n ga l i v e - c h e c k n e x t ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s r e s p e c t i v e l y e m b e d d e dm a r k o vc h a i nm o d e lf o rp o w e rs a v i n gc l a s sia n d p o w e rs a v i n g c l a s si i a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h e e n e r g y c o n s u m p t i o na n dp a c k e td e l a yi nt h ep o w e rs a v i n gc l a s si a n dp o w e rs a v i n g c l a s si ic a s e sa n de s t a b l i s hc h a r a c t e r i s t i c e q u a t i o n a f t e rd r a w i n g a c h a r a c t e r i s t i cc u r v ea c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o no ft h e e n e r g y c o n s u m p t i o na n dp a c k e td e l a yi nt h ep o w e rs a v i n gc l a s sic a s e ，t h i sp a p e r a n a l y s i st h ei m p a c to fs l e e p - r e l a t e dp a r a m e t e r so ne n e r g yc o n s u m p t i o na n d p a c k e td e l a y f o r b e i n ge a s y t oc h o o s es u i t a b l e p a r a m e t e r i n p r a c t i c a l i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a p p l i c a t i o n f i n a l l y ，t h i sp a p e rc o m p l e t e st h ei e e e 8 0 2 16 em a cl a y e rp r o t o c o ls t a c k s o f t w a r ep a r to ft h es l e e pm o d em o d u l a rs y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n t a m a cs y s t e mw h i c hc a nr u no np i c o c h i p - p h ys t a b i l i t yi nl i n u xk e r n e lw a s c o m p l e t e d s y s t e mu s e scl a n g u a g ea n dh a sn o t h i n gt od ow i t ht h ec o r eo ft h e o p e r a t i n gs y s t e m ，h a r d w a r ep l a t f o r ma n di e e e s 0 2 16 e p h y u s e d k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 16 e ，w i m a x ，m a c ，b r o a d b a n dw i r e l e s s ，a c c e s s n e t w o r k ，s l e e pm o d e i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 随着通信技术的迅速发展和大量新业务不断出现，通信领域出现了一 些新特点：一方面是传统的移动用户也不能满足于简单的语音、短信和低 速数据业务，希望能使用高速数据多媒体业务，即移动宽带化的趋势；另 一方面是传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固 定环境使用宽带业务，希望使用宽带无线接入移动服务，即宽带移动化的 趋势。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术上和业务上 呈现融合趋势。在这样的背景下，宽带无线城域网( b r o a d b a n dw i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ，b w m a n ) 产生了l i - 1 。 为了推动宽带无线接入快速发展，i e e e 8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了 8 0 2 1 6 工作组来专门制订宽带无线标准，该工作组针对特定宽带无线城域 网移动通信系统需求和应用模式提出了i e e e 8 0 2 1 6 标准，其中比较成熟的 两个版本是8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 【3 - 5 1 。8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 是b w m a n 接入部 分( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m ，b w a ) 的空中接口标准，定义了 b w a 的媒体接入层( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范。8 0 2 16 d 只用于固定宽带 无线接入，8 0 2 1 6 e 可以应用于固定和移动宽带无线接入。 为了促进标准的发展、完善和市场推广，由业界领先的运营商、通信 部件和设备公司共同成立了w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t y f o r m i c r o w a v ea c c e s s ) 论坛组织，目的就是制定一套基于i e e e 8 0 2 1 6 标准和 e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品的测试规范和认证体系，使不同 厂商之间的产品在经过认证以后可以具有良好的兼容性和互操作性。 i e e e s 0 2 16 是标准的制定者，而w i m a x 是标准的推广者【6 】。由于w i m a x 宽带无线接入技术，具有传输速率高、覆盖范围大以及支持移动性等一系 列优点，为宽带无线接入系统的建构和应用提供了良好的平台。所以自问 世以来就受到了广泛的关注。 2 0 0 7 年1 0 月1 9 日下午，国际电信联盟( i t u ) 在日内瓦召开的无线 通信全体会议上正式批准w i m a x 成为3 ( 3 标准1 7 1 ，从此，w i m a x 与 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 一起成为四大主流3 g 国际标准。因 重庆邮电大学硕士论文 此，对w i m a x 技术的研究和改进非常有现实意义。 由于目前电池技术和低功耗集成电路发展在近期还解决不了移动终 端能量问题，所以怎么有效的利用移动台( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 有限的 能量成了一个重要的研究问题，也是一个研究热点。为了减少移动台的无 效的能量消耗，i e e e s 0 2 16 e 提出了休眠模式机制来节省m s 能量并强制 要求基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 支持m s 的休眠模式。但是m s 在什么时候 可以进入休眠的决策方案、休眠相关参数对m s 能量消耗和数据包的延迟 有什么样影响、怎么设定休眠相关参数可以保证高效节省m s 的能量而不 违背q o s 等等，这些问题在设计和开发m a c 协议栈软件休眠模式模块部 分时是必须解决的。因而对这部分内容的研究十分必要，并且也具有充分 的研究空间。所以研究i e e e s 0 2 16 e 休眠模式，对高效的节省m s 的不必 要的能量消耗是很有意义的。 1 2 研究现状 1 2 1w i m a x 技术应用与发展现状 从2 0 0 6 年年初以来，全球范围的w i m a x 部署发展迅速。截至2 0 0 6 年6 月底，全球得到w i m a x 许可的企业已达到7 2 l 家。其中北美最多， 共3 9 4 家；欧洲、亚洲及加勒比与拉美地区分别为l8 6 、9 7 和4 9 家。进 行w i m a x 试验和提供商用的运营商已超过l5 0 个，遍及美洲、欧洲、亚 洲、非洲和大洋洲。在韩国、日本、美国、英国、法国、意大利、西班牙、 新西兰、阿根廷和瑞典等国共有2 4 个网进入商用阶段。仅仅在2 0 0 7 年一 年之内，全球就有5 0 多个移动w i m a x ( 8 0 2 16 e ) 试行项目和网络合同启 动【引。 在中国，上海的贝尔阿尔卡特凭借全球化的资源优势和强大的本地化 实力，已为国内多家运营商部署了端到端的w i m a x 系统方案。该方案既 适用于个人用户，又可以满足银行、铁道、水利、石油、电力等各种专用 网的特殊要求，还可以应用在商务楼宇及中小企业方面。不论是在公网还 是在专网上，该方案都有很大的发展前景。目前上海贝尔阿尔卡特已可实 现高达10 m b p s 的数据下载。中兴通讯将在伊斯兰堡为t e l e e a r d 建设一个 由1 个6 扇区基站和17 个用户终端组成的p r e w i m a x 实验局。该实验局 在为居民提供电话服务的同时，还可以为企业提供专线上网服务，为宾馆 2 第一章绪论 提供宽带上网服务以及为w i f i 业务提供到i p 骨干网的无线接入。中兴 2 0 0 2 年底启动w i m a x 项目，是全球最早开始w i m a x 技术研究的通信厂 商之一1 9 1 。 1 2 2i e e e 8 0 2 1 6 e 休眠模式研究现状 目前，对8 0 2 1 6 e 协议中休眠模式的研究主要集中在怎样建模休眠机 制过程和对休眠协议的改进。 文献 10 】用仿真分析的方法建模了蜂窝数字分组数据( c e l l u l a rd i g i t a l p a c k e td a t a ) 休眠模式，分析了帧的到达率，缓存的大小、t 2 0 3 ( 等待多 长时间进入休眠) ，t 2 0 4 ( 休眠的时间) 对丢包率的影响。文献【1l 】分析了 蜂窝数字分组数据的休眠模式的节能性能，用m x g 1 l 排对论模型建模 了系统，为该领域问题提供可行的思路、抛砖引玉，但该方法没有很好的 反映实际的系统，不适合i e e e 8 0 2 16 e 休眠机制的分析。文献【i2 】用排队论 m g i 1 n 模型建模了系统，对休眠状态的转换过程提出了嵌入马尔可夫链 分析模型，分析丢包率和平均等待时间，但是只对休眠窗口指数增长情况 进行了分析。文献【l3 15 】用随机过程的方法建模了i e e e 8 0 2 16 e 休眠机制， 分析时考虑了上行和下行业务时的休眠状态，用仿真的方法来验证建模分 析方法的正确性，但只对休眠窗口指数增长的情况进行了分析。文献【16 18 】 针对协议休眠模式机制的不足提出了改进的方案，在一定程度上提高了休 眠的性能，但是这与协议本身相违，不能在软件设计和开发中被采纳。 综上所述，i e e e 8 0 2 1 6 e 休眠模式是目前国内外的一个研究热点。近 年来，宽带无线城域网技术迅速发展，人们对对其进行较多的研究，但还 不完全成熟，尤其是休眠模式部分，因而还需要对该领域进一步研究。 1 3 本文研究内容及组织结构 本文研究内容主要包括：分析i e e e s 0 2 1 6 em a c 层协议关键技术；深 入分析i e e e 8 0 2 16 em a c 层协议休眠模式部分及其关键点；用排队论的方 法为休眠模式机制建立数学分析模型；分析休眠模式相关参数对m s 休眠 状态下能量消耗和数据包延迟的影响并根据特征方程画出其特征曲线，并 做了理论的分析；完成i e e e s 0 2 16 em a c 层协议栈软件系统休眠模式模 块的设计与实现。 本文的内容分为六章，具体组织形式如下： 重庆邮电大学硕士论文 第一章，介绍了宽带无线通信的研究现状以及本文的研究背景； 第二章，对8 0 2 1 6 e 协议协议栈进行了分析，并对m a c 层的关键技术 进行了分析； 第三章，对8 0 2 16 e 协议休眠模式部分进行了详细的分析； 第四章，对休眠模式机制建立了嵌入马尔科夫链模型，在此基础上对 m s 休眠状态下能量消耗和数据包延迟进行了数学建模，并根据特征方程 绘制出特征曲线图，并进行了详细的理论分析； 第五章，完成了8 0 2 1 6 em a c 层协议栈软件部分休眠模式模块系统实 际环境( h d ph a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ) 的设计和开发； 第六章，总结全文，并提出下一步的研究内容，以及需要提高的地方。 4 第二章i e e e 8 0 2 16 e 媒体接入控制( m a c ) 协议研究分析 第二章i e e e 8 0 2 16 e 媒体接入控制( m a c ) 协议研究分析 2 1i e e e 8 0 2 1 6 e 协议栈模型 i e e e 8 0 2 1 6 e 协议体系结构【1 9 】【2 0 1 如图2 1 所示。8 0 2 1 6 实体在纵向上 可以划分为m a c 层和物理层，在水平方向上可以划分为数据平面( d a t e p l a n ) 和管理控制平面( m a n a g e m e n t c o n t r o lp l a n ) 。m a c 层处于物理层之 上，通过物理层的服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) p h ys a p 使 用物理层所提供的服务。8 0 2 1 6 e 的管理功能终止于m a c 层，对于物理层 的管理通过m a c 层进行。8 0 2 t6 em a c 向管理信息库( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nb a s e ，m i b ) 提供m a c 层和物理层的相关信息，并通过cs a p 和ms a p 同网络控制与管理系统( n e t w o r kc o n t r o la n dm a n a g e m e n t s y s t e m ，n c m s ) 交互，完成核心网对接入设备的控制与管理功能。 8 0 2 1 6 实体 周络控 制与管 理系筑 数据平面管理控制平面 图2 1i e e e 8 0 2 1 6 e 协议栈模型 8 0 2 16 e 协议中主要定义了8 0 2 16 实体的m a c 和p h y 的规范，管理 信息数据库和网络控制与管理系统的规范由8 0 2 1 6 f 、8 0 2 1 6 9 等协议定义 2 1 , 2 2 】。本文主要针对8 0 2 1 6 em a c 协议进行分析和研究，所以对于管理信 息数据库和网络控制与管理系统的规范在此就不赘述。 2 2i e e e 8 0 2 1 6 em a c 层 8 0 2 16 em a c 层被分为三个子层：业务汇聚子层( s e r v i c es p e c i f i c 墨三显獬 重庆邮电大学硕士论文 c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，c s ) 、m a c 公共子层( m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ， c p s ) 和安全予层( s e c u r i t ys u b l a y e r ，s s ) 。 ( 1 ) 特定业务汇聚子层 业务汇聚子层主要负责完成外部网络数据与m a c 公共子层数据之间 的映射。业务汇聚子层功能如图2 2 所示。 上层实体( 网桥、路由器等) il 上层实体( 网桥、路由器等) i 灌c i d 2 c i d 4 卜一 鬻蚁七巫 i _ i 讲 8 0 2 1 6m a c 公共部分子层 li y8 0 2 1 6m a c 公共部分子层 图2 2 业务汇聚层功能图 在数据发送过程中，业务汇聚子层将所有从汇聚层服务接入点 ( c ss a p ) 接收到的外部网络数据转化并且映射成m a cs d u ，汇聚子层 对外部网络数据进行分类，并将其与合适的m a c 服务流标识( s f i d ) 以 及连接标识( c i d ) 进行关联，同时还可选择地执行负荷头压缩功能p h s 。 通过m a c 服务接入点( m a cs a p ) 发送给m a c 公共子层。 在数据接收过程中，对端的m a c 公共子层接收到数据后，将s d u 通 过m a c 服务接入点( m a cs a p ) 发送给业务汇聚子层，业务汇聚子层进 行必要的数据恢复工作之后通过业务汇聚层的服务接入点( c ss a p ) 将 s d u 发送给上层实体。 ，“ 业务汇聚子层有两种主要的类型：a t mc s 和p a c k e tc s 。a t mc s 把 上层的a t m 信元映射成为固定大小数据包的8 0 2 16 e 连接。数据包的大小 是预先知道的，这使得m a c 可以有效地把多个信元打包成一个m a cp d u 而不需要多个数据包头的开销。p a c k e tc s 可选地支持负载数据包头压缩 ( p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n ，p h s ) 。p h s 通过一定规则在发送端消除包 头中的重复信息，并在接收端重构这些信息。p h s 使得包含多层报头的数 据传输更加有效。这种特性提高了带宽的利用率。 6 第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 媒体接入控制( m a c ) 协议研究分析 ( 2 ) m a c 公共子层 m a c 公共子层简称c p s 子层。负责提供m a c 层核心功能，包括协议 数据单元( p r o t o c o ld a t au n i t ，p d u ) 的构造与传输、自动重传请求 ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 机制、混合自动重传请求( h y b r i da r q ， h a r q ) 控制、数据调度、带宽分配与请求、竞争接入、连接建立和维护、 节电控制和移动性支持等。公共子层通过m a cs a p 从不同的汇聚子层接 收数据，形成m a cs d u ( s e r v i c ed a t au n i t ，服务数据单元) 。m a c 公共 予层和安全子层通过数据处理将s d u 构造成p d u ，然后通过p h ys a p 传递给物理层进行发送。 8 0 2 16 e 网络中每个节点都有一个4 8 b i t 的m a c 地址，而且对于每个 设备都是唯一的。m a c 层最显著的特征是：它是基于“连接”的，所有m s 的数据业务以及与此相联系的q o s 要求，都是在“连接”的范畴中来实现的。 每一个“连接”均由一个1 6b i t 连接标识符( c i d ) 来唯一地标识。对于所 承载的业务，b s 会根据提供给它的信息来建立连接。 ( 3 ) 安全子层 安全子层是m a c 层一个可选的子层，为8 0 2 16 e 系统提供认证、密钥 交换和加解密功能，也可以通过用户授权来控制网络的接入以防止服务的 冒用。8 0 2 16 e 标准的安全子层定义了两部分内容： 加密封装协议：该协议负责对接入网络的分组数据进行加密。定义了 加密和鉴权算法，以及这些算法在m a cp d u 负载中的应用规则。 密钥管理协议( p r i v a t ek e ym a n a g e m e n t ，p k m ) ：p k m 负责从基站到 终端之间密钥的安全分发，基站和终端之间密钥数据的同步，以及基站强 迫接入网络业务。p k m 采用服务器客户机模型，终端作为客户端来请求 密钥，基站作为服务器端响应终端的请求并授权给终端唯一的密钥。p k m 使用c p s 子层中定义的m a c 管理消息来完成上述功能；支持周期性地重 新授权及密钥更新机制。 2 3i e e e 8 0 2 1 6 e 物理层 i e e e8 0 2 1 6 e 标准根据不同的应用情况划分了不同的物理层。 w i r e l e s s m a n s c 物理层 w i r e l e s s m a n - s c 主要应用于l o 6 6 g h z 频段的p t m p ( 点到多点) 结 构系统，具有l o s ( 视距) 传输的特点，可采用f d d 或t d d 双工方式。 下行方向采用t d m 方式，且调制方式必须支持q p s k 和1 6 q a m ，可选 7 重庆邮电大学硕士论文 支持6 4 q a m 。上行方向采用t d m a 和d a m a 方式，且调制方式采用 q p s k 。 w i r e l e s s m a n s c a 物理层 w i r e l e s s m a n s e a 采用单载波调制技术，主要应用于2 l lg h z 频段， 具有n l o s ( 非视距) 传输的特点，可采用f d d 或t d d 双工方式。下行 方向采用t d m 或t d m a 方式，上行方向采用t d m a 方式。此外，上下行 均可采用f e c 编码技术，当选择不支持f e c 编码时，差错控制采用a r q 技术。可选支持a a s 和s t c 。调制方式必须支持s p r e a db p s k 、b p s k 、 q p s k 、1 6 - q a m 和6 4 - q a m ，可选支持2 5 6 q a m 。 w i r e l e s s m a n o f d m 物理层 w i r e l e s s m a n o f d m 采用2 5 6 个子载波的o f d m 调制技术，主要应 用于2 11 g h z 频段的p m p 结构系统，具有n l o s ( 非视距) 传输的特点。 在许可频段，双工方式可采用f d d 或t d d ，且b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 是必须支持的调制方式；在免许可频段，只能采用t d d 双工 方式，且除了b p s k 、q p s k 和1 6 - q a m 外，可选支持6 4 q a m 调制方式。 在许可频段，信道带宽应是规划频带宽度除以2 的幂后四舍五入到2 5 0 k h z 的倍数。 w i r e l e s s m a n o f d m a 物理层 w i r e l e s s m a n o f d m a 采用2 0 4 8 个子载波的o f d m a 技术，主要应用 于2 1 1g h z 频段的p t m p 结构，具有n l o s ( 非视距) 传输的特点。在许 可频段，双工方式可采用f d d 或t d d ，在免许可频段，只能采用t d d 双 工方式。可选支持a a s 、a r q 和s t c 。调制方式采用q p s k 和1 6 q a m ， 可选支持6 4 q a m 。信道带宽应是规划频带宽度除以2 的幂，但不小于 1 0 m h z 。在6 4 q a m 调制方式下，2 0 m h z 信道可提供高达7 5 m b p s 的传输 速率。 o f d m a 模式下，能够向多个用户灵活分配子载波，所以更适合移动 信道。8 0 2 16 e 采用o f d m a 时，具有如下优点： 1 ) 通过采用可扩展的o f d m a ，可以支持多种信道带宽； 2 ) 当采用o f d m a 时，有可能实现频率复用系数为1 ； 3 ) 较高的频谱效率，如d l 及u l 上所用的子信道化模式，在各子载 波级分配中具有最大灵活性； 4 ) o f d m a 中子载波在子信道中的分配无需邻接，有利于实现频率分 集； 5 ) 支持对每帧子载波级的传输进行优化的功率控制。子载波具有正 8 第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 媒体接入控带t i ( m a c ) 协议研究分析 交性，无需像在c d m a 系统中那样严格控制功率。 w i r e l e s s h u m a n 物理层 w i r e l e s s h u m a n 主要应用于5 6 g h z 免许可频段，典型信道宽带为 1 0 m h z 和2 0 m h z 。可采用s c a 或o f d m 或o f d m a 调制方式，双工方式 为t d d ，必须支持动态频率选择( d f s ) ，可选支持a a s 、a r q 、m e s h 和 s t c 等。 2 4m a c 层关键技术分析 2 4 1 信道定义 8 0 2 16 e 系统的逻辑信道由多个物理子信道( s u b c h a n n e l ) 构成，一个 子信道由多个子载波( s u b c a r r i e r ) 构成，如图2 3 所示。 子载波 m 蛳m 土土巡士士土乏士巡士i ! ：f 士乏土萎土士l ；：毫 、_ 一+ ； 甲回圆甲 ：，_ ：j ? 一一一一一 ? 。 _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ l - - _ _ _ _ _ - _ o o _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ o _ i 逻辑信道1 il 逻辑信道m l _ _ _ _ - - - _ - _ - _ _ - 一_ - _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ - _ 一 图2 38 0 2 1 6 e 信道构成 8 0 2 1 6 e 逻辑信道可以分为业务信道和控制信道两类，动态地映射到物 理子信道上，这种映射关系由m a c 层动态控制。业务信道用于承载用户数 据，控制信道用于承载系统信令。 ( 1 ) 业务信道 业务信道又分为广播业务信道和单播业务信道。广播业务信道用于下 行( 从基站到终端方向) 数据传输。在广播业务信道上发送的数据可以被 所有终端或属于某一多播组的所有终端接收。单播业务信道用于下行或上 行( 从终端到基站方向) 数据传输。在下行单播业务信道上发送的数据只 能被特定的终端接收，在上行单播业务信道上发送的数据被终端所属的基 站接收。 ( 2 ) 控制信道 控制信道分为广播控制信道、随机接入信道和专用控制信道。广播控 9 重庆邮电大学硕士论文 制信道用于传输下行控制信令，这些控制信令被所有终端或属于某一多播 组的所有终端接收并作用于这些接收终端。随机接入信道用于传输上行控 制信令，被所有终端或多个终端竞争使用。当终端没有任何专用信道时， 可以使用该信道向基站发送信道申请信令。专用控制信道用于传输上行或 下行控制信令，被特定的终端独占使用。 2 4 2m a c 层帧格式分析 8 0 2 1 6 e 协议支持1 2 5 毫秒至2 0 毫秒的多种帧长并且支持t d d 和f d d 两 种双工方式。在t d d 方式下，一个m a c 帧在被分为上行子帧和下行子帧， 在频域上上行子帧和下行子帧使用相同的中心频率。在f d d 方式下，在频 域上分为上行子帧和下行子帧，上行子帧和下行子帧使用不同的中心频 率，在时域上无需划分上行子帧和下行子帧。本文主要针对t d d 方式的 8 0 2 1 6 em a c 帧结构进行研究，图2 4 给出了t d d 方式的帧结构图。 o f d m as y m b o ln u m b e r t 名 e 三 8 害 = 害 写 e - 皇 暑 r a n g i n gr e g i o n f c h 萋 仉b u r s t 鹳 u lb u r s t 三弓 r _ _ u lb u r s t 2 名 l 耋耋 d lb u n l t # 4 墨 u lb u r s t 鹕 e军 一 g 舌 乱 o lb u r s t 柚 d lb l m j t 2 阻h 叭粕 u lb u r s t “ 厂一 u lb u r s t 档 一 一j l 图2 4i e e e 8 0 2 1 6 eo f d m a t d d 模式下的帧结构图 t d d 方式下的8 0 2 16 em a c 帧是一个时频二维的区域，在频域上以子 信道( s u b c h a n n e l ) 为单位进行划分，在时域上以符号( s y m b 0 1 ) 为单位 进行划分。每帧由下行子帧( d l ) 、上行子帧( u l ) 、t t g ( t r a n s m i t r e c e i v e t r a n s i t i o ng a p ，发送接收转换间隔) 和r t g ( r e c e i v e t r a n s m i tt r a n s i t i o n g a p ，接收发送转换间隔) 组成。 下行子帧中包括用于帧同步作用的前导头( p r e a m b l e ) 、帧控制头 ( f r a m ec o n t r o lh e a d e r ，f c h ) 、下行子帧信道分配消息( d l m a p ) 和多 个下行数据突发( b u r s t ) 。p r e a m b l e 用于基站和终端进行同步。f c h 主要用 于描述d l m a p 的编码方式和重复编码次数，f c h 采用固定的调制编码方 l o 第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 媒体接入控制( m a c ) 协议研究分析 式。d l m a p 用于描述下行数据突发的构成情况，每个d l m a p 由多个信 息单元( i n f o r m a t i o ne l e m e n t ，i e ) 构成，每个i e 对应一个下行数据突发， 用于描述该下行数据突发在当前帧中所处的位置和该突发使用的调制编 码方式的索引( d o w n l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e ，d i u c ) 。第一个下行数据 突发包括u l m a p ，如果存在，还包括下行信道描述消息( d o w n l i n kc h a n n e l d e s c r i p t i o n ，d c d ) 和上行信道描述消息( u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t i o n ， u c d ) 。其余的下行数据突发包含了基站向终端发送的下行数据和管理消 息。d c d 消息中含有下行突发调制编码方式和d i u c 之间的对应关系，u c d 消息中含有上行突发的调制编码方式和上行子帧包括用于初始测距、周期 性测距和带宽请求测距的测距区域和用于发上行数据的上行数据突发。初 始测距区域用于终端发送c d m a 码竞争接入系统。周期性测距区域用于终 端竞争发送c d m a 码对时间偏移、频率偏移和功率偏移进行调整。带宽请 求测距用于终端以竞争的方式发送c d m a 码请求基站为终端分配用于发送 带宽请求消息的带宽。上行数据突发用于发送上行用户数据和管理消息。 测距区域由所有的终端竞争使用，而数据区域由基站统一调度，每个数据 时隙被唯一地分配给一个终端。u l m a p 也由多个i e 构成，用于描述上行 子帧的构成情况，每个i e 对应一个上行数据突发或者测距区域，用于描述 该突发或者区域在当前帧中所处的位置和该突发使用的调制编码方式的 索引( u p l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e ，u i u c ) 。 2 4 3 入网接入过程分析 m s 的网络接入包含了一系列的过程，按照顺序主要依次是：扫描，初 始测距，基本能力协商，密钥交换，注册过程等。终端和基站入网过程的 信令交互流程如图2 5 所示。 重庆邮电大学硕士论文 图2 58 0 2 1 6 入网控制信令流程 2 4 4 服务流管理技术分析 8 0 2 16 e 接入网是面向连接的，基站和终端之间传输的各种管理消息和 用户数据都是基于连接的。传输各种管理消息的连接称为信令连接，传输 用户数据的连接成为数据连接。每个连接由一个16 位的连接标识符c i d ( c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ) 标识。8 0 2 16 e 协议针对数据连接提出了服务流的 概念，一条服务流就是一条提供特定q o s 的单向数据包流。每条服务流根 据不同的业务类型配置不同的服务流参数。下面分别从8 0 2 16 em a c 业务 类型和服务流管理方面进行分析。 ( 1 ) 业务类型分析 8 0 2 1 6 e 中根据每种业务对服务质量的要求、数据传输特点等特性将所 支持的业务划分成了五种业务类型，对这五种业务类型特征分析如下。 主动授权业务( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ，u g s ) ：该业务特征为周期 性产生数据包、数据包大小固定、数据速率固定并且实时性要求很高。该 业务的q o s 参数包括最小保留速率、最大保持速率、最大时延、可容忍的 时延抖动和非请求授予间隔等。t 1 e l 业务和没有静音抑制的v o l p 业务为 典型的u g s 类型的业务。 扩展的实时可变比特率业务( e x t e n d e dr e a l t i m ev a r i a b l e r a t es e r v i c e ， e r t - v r ) ：该类业务的特征为数据的传输速率可变、传输速率变化慢、实 时性要求较高。该业务的q o s 参数包括最小保留速率、最大保持速率、最 1 2 第二章i e e e s 0 2 1 6 e 媒体接入控匍j ( m a c ) 协议