（微电子学与固体电子学专业论文）wimax终端mac层软件研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着信息产业的迅速发展，信息量的极大丰富，通信产业的宽带化趋势日渐 明显。但瓶颈存在于接入网，因此各种宽带接入网技术的发展成为当前通信界关 注的重点。而随着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 yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 技术 标准不断完善及系统功能开发的日趋成熟和w i m a x 在技术上的创新，w i m a x 在第四代移动通信中的技术应用将有着更广阔的前景。本文基于8 0 2 1 6 d 协议对 w i 终端系统芯片中的软件架构设计做了理论分析和实践探索，研究了 w i 心终端系统的设计、实现和验证分析问题。 本文通过分析8 0 2 1 6 d 标准中m a c 层协议要求，从系统功能和性能上定出了 w i 心终端s o c 的设计目标。然后结合软硬件划分理论及w i m a x 系统各子功 能特点对系统进行了软硬件划分，提出了w i m a x 终端系统s o c 架构。本系统采 用的方案是基于a r m 9 2 6 e j s 核和a m b a 2 0a h b 总线结构的s o c 。 本文在实现一个基于s o c 的芯片组系统的基础上，对w i m a x 终端系统以及 8 0 2 1 6 d 标准进行研究和开发，详细阐述了w i m a x 终端的入网过程，带宽分配， 申请数据传送与接收，以及不同级别的质量服务保j 正( q o s ) ，并根据软件划分方法， 将不同的功能分别用f i r m w a r e ( 固件程序) 和驱动来实现。 在研究实现方案中，关键问题是如何做到事件处理的实时性，尽量做到最少 的延迟，如果在某个环节引起比较大的延迟，则有可能使得系统出现不可预料的 错误或不稳定性，导致系统的性能受到很大的限制。系统采用a r m 公司的 r e a l v i e wp b 9 2 6 开发板和v i r t e x 6 0 0 0f p g a 板以及基于f p g a 的基带芯片作为硬件 开发平台。最终提供基于f p o a ( v e r t e x 6 0 0 0 ) 的m a c 芯片，来维护p c 主机，a r m 9 c p u 和b a s e b a n d 芯片的交互。以及运行在a r m 9 上的f i r m w a r e 软件，来管理硬件 平台下的所有硬件，并且将提供p c 机上的主流操作系统l i n u x 的驱动软件，在终端 和基站两端运行邱软件，实现大量的数据传输。 关键词w i m a x ；m a c ；s o c ；宽带无线接入 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a y , i ti n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p i n gs of a s tt h a tt h ea m o u n to fi n f o r m a t i o n b e c o m e sv e r yl a r g e i ti so b v i o u st h a ti ti n d u s t r yn e e dw i d e rb a n d b u tt h eb o t t l en e t i st h ec o n n e c tn e t w o r k ，s ot h et e c h n o l o g yo fn e t w o r k e n t r yh a sb e c o m ev e r yh o tn o w t h ep r o t o c o la n df u n c t i o no fw i m a xh a sb e c o m em u c hm o r ep e r f e c tf o l l o w e db yt h e m a r k e td e v e l o p m e n t a st h ef o u r t hg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w i m a x m 硒m u c hm o r ea d v a n t a g e st h a n3 r dg e n e r a t i o n t h i sp a p e rm a k et h e o r ya n dp r a c t i c e a n a l y s i so fs o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g no fw i m a x t e r m i n a ls o cb a s e do n8 0 2 16 d p r o t o c 0 1 t h i sp a p e ra n a l y z em a c l a y e ro f8 0 2 16 dp r o t o c o l ，d e c i d e st h ed e s i g nt a r g e to f w i m a xt e r m i n a ls o cf r o ms y s t e mf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e w i t hs o f t w a r ea n d h a r d w a r ep a r t i t i o nt h e o r ya n df e a t u r e so fs u b s y s t e mo fw i m a x ，d e s i g nw i m a x t e r m i n a ls o ca r c h i t e c t u r e t h i ss y s t e mi sb a s e do na r m 9 2 6 e jsc o r ea n da m b a 2 0 b u s b a s eo ni m p l e m e n t i n gs o cc h i p s e ts y s t e m ，t h i s p a p e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p w i m a ) ( t e r m i n a ls y s t e ma n d8 0 2 16 ds p e c i f i c a t i o n ，i n t r o d u c en e te n t r y , b a n d w i d t h a l l o c a t i o n , d a t at r a n s m i ta n dr e c e i v ea n dq o ss c h e m a t i l es o l u t i o ni st h ef o l l o w i n g ：t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sr e a lv i e wp b 9 2 6 d e v e l o p m e n tb o a r df o r ma r m a n dv i a e x 6 0 0 0f p g ab o a r df r o mx i l i n x ，m a cc h i p i sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eb a s e b a n da n dh o s t t h ef i r m w a r e n m n i n gi na r m 9 i sr e s p o n s i b l ef o rm a n a g i n ga l lt h eh a r d w a r ei n c l u d i n gm a ca n d b a s eb a n d p c ib u si st h eb r i d g eb e t w e e nt h eh o s ta n dc h i p 、胁i l et h ep cb a s e do n l i n u xw i l lc o m m u n i c a t e 、析t hc h i pb yt h en e t w o r kd r i v e r f i n a l l y , c o m m e r c i a l s o f t w a r el i k eg f t pw i l lb er u no ns sa n db s ，a n dd a t aw i l lb et r a n s f e r r e db e t w e e ns s a n d b s k e y w o r d ：w i m a x ；m a c ；t e r m i n a l ：s o c u 独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型! 竺：兰：兰7 r 第l 章绪论 _, i ： i 1 i ii - - _ 量曼毫曼曼曼寡 第1 章绪论 尽管无线局域网j ( w l a n ) 技术已经得到了广泛的应用，但是人们对于无线宽 带通信的探索并未因此停止，人们期待更大的覆盖范围、更高的信息速率、更好 的服务质量。i e e e8 0 2 1 6 工作组推出i e e e8 0 2 1 6 协议族的目的正是为了符合上 述需求。又鉴于w i f i ( w i r e l e s s f i d e l i t y ，无线保真) 组织对于无线局域网推广的作 用，为了推进w m a n ( w i r e l e s sm e tr o p o l i t a na r e an e t w o r k s ，无线城域网) 设备的业 务应用，提高设备互操作性，富士通、i n t e l 、诺基亚等公司共同组建了非赢利性 的w i m a x 组织，旨在帮助推动与保证基于i e e e8 0 2 1 6 宽带无线设备的兼容性 和互操作性。 1 1w i m a x 简介 w i m a x 全称是微波接入全球互通( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) ，w i m a x 来源于w i m a x 论坛。w i m a x 是一项新兴技术，能够在比 w i f i 更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接，由此支持企业客户享受 t l 类服务以及居民用户拥有相当于线缆的访问能力。凭借其在任意地点的1 - 6 英里覆盖范围( 取决于多种因素) ，w i m a x 将可以为高速数据应用提供更出色的 移动性。此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率，w i m a x 还能够为电信基础设施、 企业园区和w i f i 热点提供回程。 根据参考文献 2 】，w i m a x 将分三个阶段进行部署。第一阶段是通过室内天 线来部署采用i e e e 8 0 2 1 6 d 规范的w i m a x 技术，目标用户是固定地点的已知甩 户。第二阶段会大量部署室外天线，将w i m a x 技术的吸引力拓宽到寻求简化用 户点安装的运营商身上。第三阶段将推出i e e e 8 0 2 1 6 e 规范，在此规范中w i m a x 认证硬件将应用于便携式解决方案，面向那些希望在服务区内漫游的用户，支持 类似于当今w i f i 能力，但更加持久稳固的连接性。 根据参考文献【6 】，w i m a x 之所以能掀起大风大浪，显然是有自身的许多优 势。优势之一，实现更远的传输距离。w i m a x 所能实现的5 0 公里的无线信号 传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3 g 发射塔的l o 倍，只 要少数基站建设就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。 优势之二，提供更高速的宽带接入。w i m a x 所能提供的最高接入速度是7 0 m ， 这个速度是3 g 所能提供的宽带速度的3 0 倍。对无线网络来说，这的确是一个 惊人的进步。优势之三，提供优良的最后一公里网络接入服务。作为一种无线城 域网技术，它可以将w i f i 热点连接到互联网，也可作为d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ，数字用户专线) 等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2i e e e8 0 2 1 6 协议 i e e e8 0 2 委员会在1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组，专门开发无线宽带接入技 术标准，工作组最初由三个小工作组组成，每个小组分别负责不同的方面：i e e e 8 0 2 1 6 1 负责制定工作频率为1 0 - - 6 6 g h z 的无线接口标准；i e e e8 0 2 1 6 2 负责 制定宽带接入系统共存方面的标准；i e e e8 0 2 1 6 3 负责制定频率在2 1i g h z 之间获得频率使用许可应用的无线接口标准。 按照上述工作组分工，各小组就如何有效利用2 1i g ，1 0 - - 6 6 g h z 的频段 进行了研究，并提出了一系列涵盖不同无线城域网网络类型的标准： ( 1 ) i e e e8 0 2 1 6 标准，2 0 0 1 年1 2 月发布，工作频段为1 0 - - 6 6 g h z ： ( 2 ) i e e e8 0 2 1 6 a 标准，2 0 0 3 年4 月发布，工作频段为2 1 0 g h z ； ( 3 ) i e e e8 0 2 1 6 d 标准，2 0 0 4 年5 月发布，对上述标准的修订版本，工作频率 为2 - - 6 6 g h z ，支持固定和缓慢移动设备； ( 4 ) i e e e8 0 2 1 6 e 标准，增加了对移动终端在基站间切换和漫游的支持。 根据文献 1 1 ，i e e e8 0 2 1 6 协议规定了m a c 层和p h y 层的规范。m a c 支持 多种不同p h y 层，如图1 1 。物理层为上层提供透明比特流传输，有三种系统规 范：单载波，2 5 6 载波正交频分多路复用( o f d m ) ，2 0 4 8 载波正交频分多址接 入( o f d m a ) 。m a c 层从上到下分为特定业务会聚子层( s e r v i c es p e c i f i c c o n v e r g e n c es u b - l a y e r ，c s ) ，公共部分子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ，c p s ) 和 安全子层( p r i v a c yl a y e r ) ，c s 子层负责特定上层业务的接入，c p s 子层负责终 端的入网与注册，带宽的分配和管理，质量服务保证，安全子层负责系统接入的 安全和加密传输。 r 一一一一一一一一一一一一一_ 一一一一一1 l i (c ss a p】 i li i i h m a n a g e m e n tf - n m y i ：一 l s n c p c 脚- l c o n v e r g e n c el u 4 a y e r i ： ：i c 意篙黜l 旷 c s l m a cc o l m m o np r ts u b l a y e r ( m a cc p s ) 七c ：= 燃 s e c u r ws u b l a y e r # 一j 函莉磊瓣一一： (p h y s a p) i l l p h y s i c a ll a y e r p h - l j 一t i t y 一一i i lj 丌il-i。ii 图1 18 0 2 1 6 协议标准模型 f i g u r e1 18 0 2 16p r o t o c o lm o d e l 2 毫痞iil口譬a譬*蔫o三霉一 第1 章绪论 ! , l i i , 蔓曼皇曼曼曼皇曼量曼曼皇曼曼量皇量 目前业界的关注重点是i e e e8 0 2 1 6 d 标准，物理层采用2 5 6 载波正交频分多 路复用( o f d m ) 规范。 1 3w i m a x 的技术特点和发展动态 8 0 2 1 6 d 标准是将之前发布的i e e e8 0 2 1 6 和i e e e8 0 2 1 6 a 标准的修订版本， 在物理层和m a c 层规范上都进行了改动和增强。反映出了w i m a x 的技术特点 和发展方向：多载波调制方式，链路自适应技术，服务质量保证和无线安全。 1 3 1 多载波调制方式 根据文献【3 】，在最早发布的i e e e8 0 2 1 6 标准中使用的是单载波( s i n g l ec a r r i e r , s c ) 调制方式，称为“w i r e l e s sm a n s c ”。而之后发布的8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 d 标准 除了支持单载波外，还增加了三种调制方式： ( 1 ) w i r e l e s s m a n s c a ：基于w i r e l e s sm a n s c 单载波方式，但工作在支持非 视距传输的11 g h z 以下频段； ( 2 ) o f d m ：采用频率上间隔的2 5 6 个正交子载波进行调制，充分发挥o f d m 的优势，具有抗多径，抗时延的能力，满足大部分应用需求： ( 3 ) o f d m a ：这种方式引入频域多址接入，将频带划分成为多个子信道，各 个子信道依次正交排列并根据信道特性分配给不同用户，实现多用户信号传输复 用和接入，支持多用户应用。 同时根据物理层规范的不同，相应的m a c 层也根据相关特性增加了多种先 进技术。如a r q 重传，u i u c 编码技术等。 1 3 2 链路自适应技术 由于不同的载波调制工作于不同的物理频段，各个频段无线性能参数各不相 同，而同一频段的子信道间的信道质量也受到多方面的因素，因此i e e e8 0 2 1 6 系列标准采用了链路自适应编码调制技术，如在o f d m 的2 5 6 个子载波中，调 制方式可以选用q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m ，编码速率根据调制方式不同可以选 l 2 ，2 3 或3 4 。当由于信道情况导致基站与终端不能采用6 4 q a m 建立链接时， 则可以切换到1 6 q a m 和q p s k 调制方式。这种自适应技术能够保证在信道质量 变化的情况下确保用户的正常通信。 同时m a c 可使用自动重发请求( a r q ) 通过重传提高传输可靠性。通信系统 中的差错控制技术分为两类：纠错编码和a r q 。纠错编码技术通常不需要发射 机进行重传操作，其传输效率由码率决定。a r q 传输效率则由信道条件决定，。 北京工业大学工学硕十学位论文 信道条件好，重传次数少，传输效率高：信道条件差，重传次数多，传输效率低。 将纠错编码和a r q 特点结合在一起形成一种新的差错控制技术混合 a r q ( h a r q ) 。 1 3 3 服务质量保证 i e e e8 0 2 1 6m a c 实现q o s 的原理是将通过m a c 传输的包映射到业务流， 并映射到由c i d 标识的连接上。通过根据s f 提供的q o s 参数进行调度，保障 m a c 的q o s 特性。所以无论上层业务是面向连接( a t m ) 还是无连接的( i p ) ，在 8 0 2 1 6m a c 层中都会根据不同业务类型和数据包包头参数映射到相应的一个连 接上去。 i e e e8 0 2 1 6m a c 定义了4 种业务类型，按优先级从高到低依次为： ： ( 1 ) 主动提供服务f o g s ) 。u g s 是固定带宽的实时服务，如e 1 、t 1 、v o i p 等； ( 2 ) 实时轮询服务( r t p s ) 。r t p s 为可变带宽的实时服务，如m p e g 视频流； ( 3 ) 非实时轮询服务( n r t p s ) 。r t r t p s 以一定周期轮询连接； ( 4 ) 尽力而为服务( b e ) 。根据网络状况提供最大可能的服务，不保证q o s 。 当业务传输需要申请或增加带宽时，8 0 2 1 6m a c 支持单独带宽请求和追加 带宽请求两种方式，即可以发送单独的带宽申请m a c 帧，也可以在业务m a c 帧的尾部追加带宽申请消息。新申请的带宽可以从空闲带宽中分配，也可以从已 经分配的带宽中调整出新申请的带宽，以保证实时传输的最低延迟。 同时m a c 还支持a r q ( h a r q ) ，定义了每一个业务的重传机制，保证在较 高误码率的情况下m a c 层数据帧的自动纠错重传，屏蔽了无线链路对上层应用 的影响。 1 3 4 无线安全 由于无线传输是共享传输介质的，信息传输的安全性就很重要了。为了保证 用户信息的安全，尤其是为了满足企业用户对商业应用数据安全的需求，i e e e 8 0 2 1 6 标准在m a c 层中定义了加密子层，为空中无线链路接口定义了注册认证， 密钥交换和用户数据加密等协议。用户注册过程基于私钥管理协议( p k m ) 进行了 两层密钥的安全分发交换，避免非法用户入侵，用户注册完成后，用户还需要实 时更新密钥，进行身份的实时确认。业务传输时，使用通信双方协商的加密协议 对数据进行加密封装，确保无线数据交换的安全。 综上所述，w i m a x 技术集成了无线宽带接入的移动性，灵活性和传统有线 宽带接入的高宽带性和服务质量保证，自提出以来受到产业界的极大关注，被公 4 第l 蕈绪论 皇皇鲁皇曼鲁皇量鼍甍i i ii mii i 。 _ _ 。皇曼皇量舅皇 认为有望成为“最后一英里”宽带接入的无线终结方案。无线城域网宽带无线接入 领域由于i e e e8 0 2 1 6 协议的最终确定而成为一个炙手可热的研究点。i e e e 8 0 2 1 6 协议中对多种关键技术的支持使得这种研究成为可能，同时由于i e e e 8 0 2 1 6 协议的开放性又给研究人员提供了广阔的研究空间。o f d m a 自适应比特 功率分配也存在广阔的研究空间。在q o s 算法中，对于u g s 和r t p s ，可以进一 步研究调度算法，提高信道利用率。无线城域网领域可以进行很多理论研究和实 践。深入的研究必将对无线城域网推广起到积极作用。 1 4w i m a x 系统和应用方案 根据i e e e8 0 2 1 6 标准中的定义，w i m a x 系统可以有点对多点( p o i n tt o m u l t i p o i n t ) 和网状网( m e s h ) 两种组织形式，本课题的研究主要着眼于点对多点系 统，以下论文中提到的w i m a x 系统也均指点对多点系统。 根据文献 6 】，一个典型的w i m a x 系统包括一个基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 和一 到多个用户站( s u b s c r i b e rs t a t i o n ，s s ) ，二者之间通过无线链路进行数据传输。 实际应用中的w i m a x 网络体系往往还包括核心网、用户驻地网络和网管平台， 如图1 2 所示。 夕 s u b s c r i b l e $ t a t i o l l l o c a l n a w o t k ”j p 一， s u b s c r i b l e 卜淼”i j f b a j l _ - o ，_ 7 l s t a t i o n l o c a ln e t w o r kj 彻蛰娑 一l o c a l n e t w o r kj 一l o c a l n e t w o r k1 图1 2w i m a x 网络体系架构 f i g u r e1 2w i m a xn e t w o r ka r c h i t e c t u r e 其中各个组成功能分别介绍如下： 核心网络：通常指基于t c p i p 协议的i n t e m e t 网络，用户驻地设备请求服 务时需要连接的服务器般都位于核心网络，w i m a x 系统提供核心网络设备到 w i m a x 基站的连接接口。 基站：使用空中接口为用户站提供到核心网络的连接，使整个系统与核心网 络交互的唯一出口。基站通常采用全向天线或扇形定向天线，一台或多台基站 共同实现3 6 0 度小区覆盖。基站是整个w i m a x 系统的管理设备，负责所有用 户站的注册管理和资源分配；基站与用户站定期交互控制信息，根据信道质量优 5 # 目i # t l 镕 劣动态调整到每个用户站的传输模式和可用带宽，以确保和用户站的正常连接。 用户站：提供用户设备到基站的中继连接并提供用户驻地网的部分管理功 能。用户站通常采用定向天线与基站通信，用户站与用户驻地设备之间可以采用 以太网连接方式如果用户站集成了w f i 功能则还可以采用无线局域网方式 进行连接。 用户驻地网：由个人电脑或p d a 、智能手机等用户驻地设备组成提供以 太网接口或w i f i 接口，通过用户站和基站的中继实现接入到核心网络，使用核 心网设备提供的服务。 网管平台：监控和管理w i m a x 系统内基站和所有用户站，提供状态查询、 状态修改、参数配置、错误汇报和故障恢复等基本网管助能。 典型的应用方案如躅i3 所示： 1 5 课题来源 r “一 图l3w i m a x 系统应用方案 f i g u r e1 3w i m a x s y s t e ma p p l i c a t i o ns o l m i o n 北京市嵌入式系统重点实验室自成立以来，就致力于多媒体和无线通信领域 芯片的研究和设计。实验室具备a r m 处理器核授权，通过s o c 设计方法学研究 和分析基于a r m 核的无线通信终端s o c 的设计对于实验室的教学和科研也都 具有很重要的理论研究意义和现实参考价值。 本课题来源于北京市嵌入式重点实验室承担北京市科技计划委员会的研制 无线城域网s o c 的项目。在本课题中，将会在实现一个基于s o c 的芯片组系统 的基础下，对w i m a x 终端系统和8 0 21 6 d 标准的研究和开发，详细说明并实现 w i m a x 终端的入网过程，申请数据传送与接收，以及不同级别的质量服务保证 ( q o s ) ，最终实现一个基于a r m 9c p u 的s o c 系统。为了进行实验室中的测试， 第1 章绪论 将会在同样的硬件平台下实现一个d u m m y 的w i m a x 基站( 同样是一个基于 a r m 9c p u 的s o c 系统，但它简化的实现了8 0 2 1 6 d 中的关于基站部分的协议) ， 与终端进行包括基于t c p ，u d p ，a r p 等网络层协议的通信。 1 6 论文结构 本文结合项目的总体需求和开发过程，对w i m a x 技术和w i m a x 终端s o c 的整体架构设计进行了论述，并根据本人在项目中负责的工作重点和相关的系统 测试进行了详细的介绍。后续的各章的主要内容说明如下： 第二章对i e e e8 0 2 1 6 d 中的m a c 协议进行说明，由于本系统并没有将 m a c 协议的全部内容都实现，一些协议中规定可选的部分则没有实现，所以本 章将对系统实现的协议部分进行说明。 第三章介绍w i m a x 终端s o c 系统的整体设计，重点阐述s o c 中m a c 芯 片的设计。 第四章详细阐述了w i m a xs o c 终端中m a c 层软件的设计和开发，包括 协议模块定义与划分，m a c 核心功能分析和关键技术实现，网络层主要协议说 明和基于w i m a x 系统结构的处理机制。 第五章重点讨论系统集成方案和测试结果，给出测试相关数据并对存在的 伺题进行简要分析。 7 第2 章m a c 中c p s 层协议分析 第2 章m a c 中c p s 层协议分析 根据文献 1 】，m a c 层中的公共部分子层( c o m m o np a r ts u b - l a y e r ，c p s ) 一共 有下面几个部分：组网形式，调度服务，a r q 回传机制，带宽申请与分配，竞 争机制，入网注册，服务质量保证。以上部分在当前这个系统中并没有全部实现， 所以本章将会对本系统实现的部分进行说明。 2 1 组网形式 使用共享媒介的网络应提供有效的共享机制，双向点对多点( p m p ) 和多点对 多点( m e s h ) 就是共享媒介的两种网络拓扑结构举例，如图2 1 ，此处的媒介指的是 电磁波传播通过的空间。在本系统的实现中，只包含点对多点网络拓扑结构，不 包含m e s h 网络拓扑结构。以下内容描述点对多点的拓扑和要求。 p m p 拓扑结构m e s h 拓扑结构 图2 1p m p 和m e s h 的拓扑结构 f i g u r e2 1p m pa n dm e s ht o p o l o g y 下行( 即从b s t u s s ) 基于点到多点方式操作。在该方式中，有一个中, l , b s 和扇区天线，扇区天线能同时处理多个独立的扇区。在给定的频段和天线扇区， 所有的s s 接收相同或者部分相同的信息。下行一般是广播的。当d l m a p 没有明 确指示下行链路帧的某个部分是发送给某个特定s s 时，所有能监听该下行帧的 s s 必须在下行链路上进行监听。s s 检查收到的p d u ( p r o t o c o ld a t au n i 0 中的 c i d ( c o n n e c t i o ni d ) ，只保留地址是自己的p d u 。在上行方向，所有的s s 在请求带 宽的基础上来共享与b s 之间的链路。根据其服务类型，s s 可能被b s 授权持续进 行发送，或者在b s 收到其带宽请求并允许后才能发送。除了每个消息都标志地 址外，消息也可以在多播连接( 例如控制消息和视频分发) 和广播中发送给所有 终端。在一个扇区内，用户必须通过个传输协议，从而实现对媒质竞争的控制。 通过四种不同的上行链路调度机制，可以保证每个用户服务对带宽及时延的需 9 北京工业大学工学硕士学位论文 求，即通过主动带宽授权( u n s o l i c i t e db a n d w i d t hg r a n t s ) ，轮询( p o l l i n g ) ，竞争 ( c o n t e n t i o np r o c e d u r e s ) 机制来实现，协议所定义的这些机制，可以支持厂商在保 持互操作性的同时，通过不同的组合来优化系统性能。其中轮询包括实时轮询和 非实时轮询。 竞争机制可以避免轮询那些长时间没有业务的终端。轮询的使用简化了接入 操作，保证应用在一定保证的基础上按要求接收。通常数据应用容许一定时延， 但实时应用，如话音和视频，要求更统一的接收参数，有时需要非常严密的控制 l 机制。 m a c 层是面向连接的，为了把业务映射至t s s 上并和不同等级的q o s 关联， 所有的数据通信都在连接的上下文中。当一个s s 被安装到系统中时，就可以提供 业务流。当s s 完成注册，连接就与业务流关联( 一条业务流对应一条连接) 来提供 请求的带宽保证。当用户服务需求改变时，可能会建立新的连接。一个连接不仅 定义了与汇聚层的映射，还定义了业务流，而业务流定义了在这个连接上传输的 p d u 的q o s 参数。业务流提供了一种上下行链路的q o s 管理机制。m a c 协议设计 的中心思想是业务流架构在连接上的概念。业务流提供了上下行q o s 管理的机 ，制。s s 以连接为基础来请求带宽，这实际上就与业务流关联起来了。连接在建立、 后，可能需要主动维护，根据服务类型的不同，维护会不一样。如非信道化e l 服务由于每一帧具有恒定的带宽，因此基本上不需要维护，而信道化e l 服务由于 带宽动态变化，需要维护。i p 服务由于突发和分段的特性，需要持续的维护。当 需要改变或者删除一个用户的业务时，连接可以被b s 或者s s 删除。连接可以根 据b s 及s s 的要求动态建立、修改及终止，也可以静态配置。 2 2 调度服务 调度服务是由m a c 调度器( s c h e d u l e r ) ) 白支持对应连接上的数据传输处理而 实现的一套数据处理机制。每一个连接都和单个数据服务相关联。而每一个数据 服务又与一系列q o s 参数集合相关联，这些q o s 参数集合就决定了数据服务的 行为。q o s 参数由d s a ( d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n ) 和d s c ( d y n a m i cs e r v i c ec h a n g e ) 消息来管理。根据数据服务的不同，分为以下四种服务类型：主动授权服务 ( o o s ) ，实时轮询服务( r t p s ) ，非实时轮询服务( n r t p s ) 和尽力而为服务( b e ) 。若业 务需要加密，则i e e e8 0 2 1 6 d 标准中定义了另一种特殊服务，加密实时轮询服 务( e r t p s ) ，此类服务没有在本系统中实现。以上5 种服务类型的特征如表2 1 所 示。 1 0 第2 章m a c 中c p s 层协议分析 表2 1 服务类型特征 t a b l e2 1s e r v i c ec l a s sf e a t u r e i 业务级别 定义 应用。，- ，7 ? ，服务质量标准参菠。荔 u g s 实时数据流t 1 ，e l 、v o i p ( 未实最高持续业务速率 包含定期发出的固定大现静音抑制技术)= 最低专用业务速率 小的数据包最长时延 抖动容限 请求传输策略 e r t p s 实时业务流v o l p ( 实现静音抑 最高持续业务速率 定期生成可变大小的数 制技术) 最低专用业务速率 据包最长时延 请求传输策略 r t p s 实时数据流m p e g 视频最低专用业务速率 包含定期发出的可变大最高持续业务速率 小的数据包最长时延 业务优先级 请求传输策略 n r t p s容许延迟的数据流f t p ( 文件传送协 最低专用业务速率 包含可变大小的数据议)最高持续业务速率 包，必须确保最低数据业务优先级 塞 请求传输策略 b e 数据流h t t p ( 超文本传送最高持续业务速率 未设定最低业务级别，协议) 业务优先级 可以根据信道资源可用请求传输策略 情况，灵活提供传输服 务 2 3 带宽申请与分配 在网络接入和初始化阶段，每个终端被分配三个专用c i d 用于发送和接收控 制消息。通过这三个连接允许对承载m a c 管理业务的不同连接采用不同级别的 q o s 。除了不可压缩恒定比特速率u g s 连接，增加或减少带宽请求对其他所有业 务都是必要的。不可压缩u g s 连接的带宽需求在连接建立到终止期间是不变的。 依据业务情况，可压缩u g s 连接( 如信道化的t 1 ) 的带宽需求可能增加或减少。 北京工业大学工学硕士学位论文 对d a m a 业务，一旦带宽需求出现，将基于“请求分配”原则分配给它资源。当 终端需要为一个b e 调度业务的连接请求带宽时，终端向基站发送一个包含 d a m a 连接当前需求的消息。连接的q o s 在连接建立时建立，并被基站查询。终 端能够通过多种方法向基站发带宽请求消息。 2 3 1 请求( r e q u e s t s ) 请求涉及终端采用什么样的机制通知基站它们需要上行带宽分配。请求可能 以单独的带宽请求头或捎带请求的方式出现。捎带请求的能力是可选的，所以在 本系统中没有实现。由于上行突发p r o f i l e 可以动态改变，因此所有的带宽请求应 该根据承载m a c 头和净荷( 而不是物理开销) 需要的字节数来表示。带宽请求消息 可以在除初始测距间隔外的所有上行发送区间发送。带宽请求可以是增量的，也 可以是总量的。当基站接收到增量带宽请求时，它应将在对应连接当前带宽需求 的基础上增加带宽请求的数量。当基站接收到一个总量带宽请求时，它应将用带 宽请求的数量替换对应连接的当前带宽需求。带宽请求头中的“类型”域指出请求 是增量的还是总量的。由于捎带带宽请求没有类型域，因此捎带带宽请求总是增 量的。请求授权协议的自纠错特征要求终端应周期性地使用总量带宽请求。周 期可以是业务的q o s 和链路质量的函数。由于可能出现冲突，所以在广播或多播 请求i e 中发送的带宽请求应该是总量请求。其他带宽请求机制还有集中式的带宽 请求和c d m a 带宽请求，这两种机制没有在本系统中实现。 2 3 2 授权( g r a n t s ) 对于终端，带宽请求针对单个连接，然而每一个带宽授权针对终端的基本 c i d ，而不是各个连接的c i d 。由于无法判断哪个请求被授权，因此当终端得到 比期望短的发送机会时( 调度器判决、请求消息丢失等) ，不会给出明确的原因。 不管哪种情况，终端根据从基站收到的最新信息和请求的状态，决定执行回退并 重新请求或者丢弃s d u 。终端可以使用广播的请求i e ，也可以使用针对其所在多 播轮询组的请求i e ，还可以使用针对其基本c i d 的请求i e 。在所有情况下都使用 请求i e 突发p r o f i l e ，即使基站能够从一个更有效的突发p r o f i l e 接收终端。为了更 有效的利用突发p r o f i l e 的优点，终端应该在由数据授权i e ( 针对其基本c i d ) 定义的 间隔中发送。正是这个原因，终端的单播轮询通常通过分配针对其基本c i d 的数 据授权i e 来实行。还需要注意的是，终端可以在针对其基本c i d 的数据授权i e 中 为它的任何连接进行带宽请求。 1 2 第2 章m a c 中c p s 层协议分析 = 量量量量曼量量皇曼曼曼量皇曼曼曼皇量皇皇皇曼鲁曼量舅舅舅曼舅量鲁璺皇曼曼曼量曼舅皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量量置曼量曼曼曼量量量量曼量量量曼皇曼皇量皇曼曼曼寰 2 3 3 轮询( p o l l i n g ) 轮询是基站为终端分配专门用于带宽请求的带宽的过程。这些分配可能是给 单个终端的，或者是给一组终端的。给一组连接和或终端的分配区间实际上就 是定义带宽请求竞争i e 。这种分配不是以一个明确消息的形式呈现，而是 u l m a p 消息中包含的一系列i e 。需要注意的是，轮询是基于终端的。带宽请求 总是基于c i d ，而分配则是基于终端。 2 3 4 单播( u n i c a s t ) 当终端被单独轮询时，没有明确的消息被发送来轮询终端。更合适的做法是， 在u l m a p 消息中为终端分配足够的带宽来用于带宽请求。如果终端不需要带 宽，对应的发送区间发送填充。拥有活动的、足够带宽的u g s 连接的终端不应该 被单独轮询，除非u g s 连接包头中的p m 位被设置。这样可以避免单独轮询所有 终端，因而节省了带宽。需要注意的是，单播轮询通常通过分配针对终端基本 c i d 的数据授权i e 来对单个终端进行。 2 3 5 多播与广播( m u l t i c a s ta n db r o a d c a s t ) 如果没有足够的带宽挨个轮询很多非活动的终端，一些终端可能在多播组内 被轮询，或者进行广播轮询。与单播轮询一样，这种轮询也不是一个明确的消息， 而是在u l m a p 中分配的带宽。不同的是，单播轮询是针对终端基本c i d 分配带 宽，而这里是针对多播或广播c i d 分配带宽。当轮询针对多播或广播c i d 时，从 属于该轮询组的终端可以在分配给该c i d 的任何请求间隔( 在u l m a p d p 以请求 i e 的方式) 期间请求带宽。为了减少多播和广播轮询冲突的可能性，只有需要带 宽的终端才应答，这些终端执行竞争处理算法来选择在哪个时隙中发送初始带宽 请求。零长度带宽请求不应该用在多播或广播请求间隔。如果在若干个( 由基于 竞争的预留超时参数指定) 后续u l m a p 消息中没有收到授权，终端则认为传输 不成功。对基于帧的物理层，它们的u l m a p 消息在预定时刻出现，错误的 u l m a p 也要被计算。如果重新请求是在多播或广播机会中实行的，则终端继续 执行竞争处理算法。需要注意的是，终端并不是只能在多播或广播间隔进行重新 请求。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 6p m 位 具有u g s 连接的终端正常情况下是不会被基站轮询的，但是如果终端希望被 基站轮询，则可以通过设置u g s 连接m a c 包头中的p m 位( 在授权管理子头中) ，从 而实现终端上非u g s 连接请求带宽。为了减少单独轮询的带宽需求，拥有活动 u g s 连接的终端只在p m 位被设置时( 或者u g s 的间隔太长以至于无法满足终端 其他连接的q o s 时) 才需要被单独轮询。一旦基站检测到该轮询请求，将使用单独 2 轮询来满足该请求。为了最小化基站丢失p m 位的风险，终端可在所有上行调度 间隔的u g sm a c 授权管理子头中设置该位。 2 4 竞争机制 竞争处理必须支持的方法是基于截短的二进制回退算法，它使用由基站控