（通信与信息系统专业论文）ieee80216e入网控制子系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 当前无线通信的发展中一个重要的趋势就是宽带无线化，其中以i e e e 8 0 2 1 6 e 为代表的移动宽带无线城域网技术凭借其自身的优越性取得了快速 的发展，并被i t u 正式批准成为3 g 标准之一。i e e e8 0 2 1 6 e 协议是8 0 2 】6 系列标准中最重要的标准，它定义了宽带无线城域网无线接入系统的空中接 口规范，包括物理层规范和媒体接入控制层规范。 入网控制是i e e e8 0 2 1 6 e 标准的关键过程。本文遵循i e e e8 0 2 1 6 e 协议 标准，设计并实现了i e e e8 0 2 1 6 em a c 软件系统的核心子系统一入网控 制子系统。i e e e8 0 2 1 6 e 在入网过程中使用b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f ) 算法完成测距码的发送，本文着力研究了宽带无线通信的竞争接入机制，讨 论了一种改进的退避算法并对算法的性能进行了仿真验证。 本文首先说明了课题的研究背景、国内外研究现状以及论文的组织安排。 接下来介绍了i e e e8 0 2 1 6 标准以及i e e e8 0 2 1 6 协议栈结构，重点分析了 i e e e8 0 2 。1 6 e 协议入网部分相关协议、测距及信道描述更新的具体流程，在 此基础上，对基站和移动台两端i e e e8 0 2 1 6 e 入网控制子系统进行了详细的 系统设计。根据设计内容，在l i n u x2 6 内核态环境下完成了i e e e8 0 2 1 6 e 入网子系统的全面实现。最后，对i e e e8 0 2 1 6 e 的竞争接入算法进行了研究， 结合e i e d ( e x p o n e n t i a li n c r e a s ee x p o n e n t i a ld e c r e a s e ) 和b n e b 算法，分析了 改进的算法e l b n e b ( e x p o n e n t i a l i n c r e a s e b i n a r yn e g a t i v e - e x p o n e n t i a l b a c k o f f ) 算法并将b e b 和e lb n e b 算法组合一起的b e b + e ib n e b 算法应 用于i e e e8 0 2 1 6 系统中。仿真结果表明，使用b e b + e ib n e b 算法，系统 的平均冲突概率和平均接入时延性能都较好。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 e ：入网控制；测距；b n e b ；随机退避 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t o n eo ft h ek e yt e n d e n c i e sf o r t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni st h a tt h eb r o a d b a n db e c o m e sw i r e l e s s a st h es t a n do fm o b i l e b r o a d b a n d ：。w 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 kt e c h n o l o g y ，i e e e8 0 2 16 eh a s a c h i e v e ds i g n i f i c a n tp r o g r e s sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e sa n dh a sb e c o m eo n eo f t h e3 gs t a n d a r d s i e e e8 0 2 16 es t a n d a r di st h em o s ti m p o r t a n to n ei nt h es e r i e s o f8 0 2 16s t a n d a r d s ，a n di ts p e c i f i e st h ea i ri n t e r f a c et e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gt h e m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r ( m a c ) a n dt h ep h y s i c a ll a y e r n e t w o r ke n t r yc o n t r 0 1i st h ek e yp a r to fi e e e8 0 2 16 e i nt h i st h e s i s ， a c c o r d i n gt o i e e e8 0 2 16 es p e c i f i c a t i o n ，t h ec o r es u b s y s t e mo fi e e e8 0 2 16 e m a cs o f t w a r es y s t e m n e t w o r ke n t r yc o n t r o ls u b s y s t e mi sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d i ni e e e8 0 2 16 e ，b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f ( b e b ) a l g o r i t h mi s u s e dt os e n dr a n g i n gc o d ed u r i n gn e t w o r ke n t r yp r o c e d u r e ，i nt h i st h e s i s ，o u r r e s e a r c hf o c u so nt h er a n d o ma c c e s sm e r c h a n i s mo fb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，a n da ni m p r o v e da l g o r i t h mi sd i s s c u s s e da n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ea l g o r i t h mi se v a l u a t e db ys i m u l a t i o n t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ec u r r e n tr e s e a r c h a n dt h eo r g a n i z a t i o no ft h i st h e s i s n e x t ，w ei n t r o d u c et h ei e e e8 0 2 1 6s t a n d a r d a n dt h ep r o t o c o ls t a t c k ，t h e ne m p h a t i c a l l ya n a l y z et h en e t w o r ke n t r yp a r to ft h e p r o t o c o l ，t h e nd i s c u s st h ep r o c e d u r eo fr a n g i n ga n dt h ec h a n n e ld e s c r i p t o ru p a t e i nd e t a i l ，a n dw ed e s i g nai e e e8 0 2 16 en e t w o r ke n t r ys u b s y s t e mo f b o t hb a s e s t a t i o na n dm o b i l es t a t i o ns i d e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，t h en e t w o r ke n t r y s u b s y s t e m si m p l e m e n t a t i o nu n d e rl i n u x2 6k e r n e ls p a c ei sd i s c u s s e d a tt h ee n d o ft h i st h e s i s ，t h er a n d o mc o n t e n t i o na c c e s sa l g o r i t h mo fi e e e8 0 2 16 ei s d i s c u s s e d ，a ni m p r o v e da l g o r i t h m w h i c hc o m b i n e s e x p o n e n t i a l i n c r e a s e e x p o n e n t i a ld e c r e a s e ( e i e d ) a n db i n a r yn e g a t i v e e x p o n e n t i a lb a c k o f f ( b n e b ) a l g o r i t h mt h a ti sc a l l e de i b n e bi sa n a l y s e d a nb e b + e i b n e ba l g o r i t h mt h a t e 1b n e ba n db e ba l g o r i t h ma r eb o t ha p p l i e dt oi e e e8 0 2 16s y s t e m t h e s i m u l a t i o nr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tu s et h eb e b + e i b n e ba l g o r i t h m ，t h es y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 c a na c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c eo f b o t ha v e r a g ec o l l i s i o np r o b a b i l i t ya n da v e r a g e a c c e s sd e l a y k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 16 e ，n e t w o r ke n t r yc o n t r o l ，r a n g i n g ，b n e b ， r a n d o mb a c k o f f 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 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 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：艾假 日期：o c f 、6 。午 指导老师签名： 日期 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、对i e e e8 0 2 16 e 协议进行了详细分析和研究，遵循i e e e 8 0 2 16 e 协议规定，在l i n u x2 6 内核态环境下设计并实现了作为 i e e e8 0 2 16 em a c 软件系统中核心子系统的高效、可移植的i e e e 8 0 2 16 e 入网控制子系统。 2 、对i e e e8 0 2 16 e 的竞争接入算法尤其是测距相关的算法进 行了调研和研究。在b n e b 退避算法的基础上，结合e i e d 算法对 b n e b 算法进行了改进。同时将b e b 和改进的b n e b 算法组合算法 应用到i e e e8 0 2 16 系统中，仿真结果显示使用该算法，系统在平 均冲突概率和平均接入时延方面都有较好的性能。 又p 帔 d i6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 近年来，在全球通信产业发展中，以移动通信技术和宽带i p 数据通信技 术的发展最为迅猛【1 1 。其中，宽带无线接入组网灵活、升级维护方便还具备 高速数据接入能力，因此获得了业界的重视和青睐。当前，w l a n ( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ) ，w i m a x ( w o r l di 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 ) ， h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 等无线宽带技术快速发展，对社 会科技和生活进步起了重要的推动作用，得到了人们的关注和重视。 目前，w l a n 是宽带无线接入技术中得到广泛部署的无线网络。但是， 由于w l a n 是无线局域网技术，因此其覆盖范围有限，用户只有保持在较小 距离范围内才能接入网络。以i e e e8 0 2 16 为代表的宽带无线城域网 f 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 an e t w o r k ，b w m a n ) 接入技术，有效的 弥补了w l a n 技术传输距离短的缺陷，b w m a n 的无线传输距离可以高达 5 0 公里，其传输速率可高达每秒7 5 兆比特。 i e e e8 0 2 1 6 的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展，特别 是w i m a x 论坛 7 1 的发展壮大，强烈地刺激了市场的发展。w i m a x 论坛是由 业界领先的通信设备公司及器件公司共同成立的非赢利组织。旨在对基于 i e e e 8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。w i m a x 论坛的目标是加快这些产品推向市场的进程。因此，w i m a x 也可以看成i e e e 8 0 2 1 6 的代名词。包括i n t e l 、三星、摩托罗拉以及国内的中兴、华为等企业 都是w i m a x 论坛的成员。 2 0 0 7 年1 0 月1 9 日，i e e e8 0 2 16 e 继w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 及t d s c d m a 之后，正式成为3 g 标准之一，这为i e e e8 0 2 1 6 e 的大规模商用奠定了坚实 的基础。 本文作者在中科院计算所实习期间，参与了“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项目开发，并负责i e e e 8 0 2 1 6 em a c 软 件系统中入网控制子系统的研究和开发。m a c 软件系统是i e e e8 0 2 1 6 e 系 统中核心部件，而其中的入网控制子系统又是整个i e e e8 0 2 1 6 em a c 软件 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 系统中必需的核心子系统，因此，针对i e e e8 0 2 1 6 e 入网控制子系统的研究 及实现具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 国内外研究现状 截至2 0 0 8 年8 月，w i m a x 无线网络已经在全世界共1 1 8 个国家实现了 商业应用部署，总共签署3 0 0 多个商业应用合同，用户达4 0 0 万。其中，美 国以超过3 0 亿美元的的w i m a x 网络投资总额排名第一，其次是中国台湾， 预计投资将达到6 6 4 亿美元。目前，美国商用w i m a x 网络已经开通，台湾 计划于2 0 0 9 年开始推出w i m a x 商用服务。此外，日本和印度也正在或将要 部署w i m a x 网络【s 】。 在无线通信系统中，当信道不是独享，而是需要用户站共享的时候，就 会使用竞争的方式接入系统。在早期的随机接入协议a l o h a t 9 】中，每当节点 需要发送分组时，就立即发送，若有冲突发生，则随机等待一段时间后再发 送，而没有考虑冲突避免问题，因此系统的吞吐量不高，一般系统只能达到 1 2 e 的吞吐量。在以太网中使用的的载波监听多路访问冲突监听1 1 0 ) ( c a r t i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n c s m a c d ) ，能够保证在信道 忙时没有节点发送，不过由于以太网是有线网络，能够相对容易的监听到信 道是否有冲突，但是无线通信系统与有线网络不同，当有冲突发生时不易检 测到冲突发生。因此，在i e e e8 0 2 11 中，也就是我们非常熟悉的无线局域 网w l a n ，采用了一种载波监听多路访问冲突避免 ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 的方法来解决竞争接入的问题。 截止目前为止，国内外已有多篇文献对i e e e8 0 2 1 6 随机竞争接入机制 进行了讨论和研究t 2 - 2 3 1 。h m i n n 等人在文献 1 2 中提出使用正交信号用于竞 争接入，由于竞争信号的正交性，大大降低了冲突的概率，因此该算法也被 吸收采用为i e e e8 0 2 1 6 测距机制。文献 1 3 对i e e e8 0 2 1 6 的竞争接入过程 进行了建模，并对8 0 2 1 6 系统接入时延方面的性能进行了分析。文献 1 4 】分 析了i e e e8 0 2 1 6 系统中随机竞争机制的性能，讨论了理想信道条件下8 0 2 1 6 系统随机接入的平均时延，并给出在知道竞争用户数的情况下，满足最小接 入时延应该使用的退避窗口数。文献 1 5 针对o f d m a 物理层特点，提出了 在冲突时通过随机选择频率而不是时间的适用于o f d m a 物理层的快速重传 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 算法，减少了竞争接入的时延。 由于i e e e8 0 2 1 6 是集中控制式的网络，所有的上行带宽资源都是由b s 负责分配的，因此也有一些文献根据这个特点对8 0 2 1 6 系统竞争机制进行了 讨论和研究。如文献 1 6 对8 0 2 1 6 eo f d m a 物理层时，为满足系统的时延限 制，在频率和时间域上应该分配的竞争机会数，以支持如视频、语音等实时 性业务。文献 1 7 使用三维马尔可夫链模型对初始测距过程进行建模并评估 了系统接入时延和接入成功概率两方面的性能，并提出了动态调整初始测距 窗口的方法，有效的改善了系统系能。文献 1 8 】讨论了竞争时隙大小分配对 系统吞吐量的影响并提出了一种动态分配竞争时隙的算法。文献 1 9 ，2 0 提出 了初始测距、周期测距情况下优化的测距区域分配方法，并给出了一个动态的 测距区域分配器实现方法。 另外， i e e e8 0 2 1 1 也使用的是基于b e b 算法进行竞争接入的，因此， 针对i e e e8 0 2 1 1 竞争机制的研究算法对i e e e8 0 2 1 6 网络具有重要的参考价 值。在文献 2 4 1 中，r o m d h a n i 等人根据i e e e8 0 2 1 1 e 标准的特点，提出了一 种基于业务优先级的自适应调整竞争窗口方案的方案，对i e e e8 0 2 1 6 网络， 该算法适用于带宽分配，但不适用于i e e e8 0 2 1 6 网络的测距过程；文献 2 5 提出了一种指数增长指数减少( e x p o n e n t i a li n c r e a s ee x p o n e n t i a l d e c r e a s e ，e i e d ) 退避算法并对该算法同b e b 算法相比较，由于e i e d 算法具 有的记忆性，因此减小了网络的冲突概率。文献f 2 6 将e i e d 算法应用到 8 0 2 1 6 e 周期测距中并与b e b 算法在冲突概率和平均发送次数两方面的性能 进行了比较。韩国的h y u n gj o ok i 等人在文献 2 7 中针对i e e e8 0 2 1l d c f 提出一种二进制负指数退避( b i n a r yn e g a t i v e e x p o n e n t i a lb a c k o f f , b n e b ) 算 法并对b n e b 算法在吞吐量和接入时延方面的性能进行了分析。文献1 2 8 中 提出一种基于b n e b 的快速退避算法在同使用b e b 算法的终端竞争时获得 更多的发送机会，并对使用该算法后的系统吞吐量性能给出了仿真结果。 1 3 论文的组织安排 本文内容共划分为5 章，其中： 第1 章绪论首先陈述了课题研究背景和意义，然后认真总结分析了近年 来随机竞争接入技术的国内外研究现状。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章首先介绍了i e e e8 0 2 1 6 标准的引入以及i e e e8 0 2 1 6 协议栈结 构。然后详细分析i e e e8 0 2 1 6 e 协议中的入网部分相关的流程，最后重点介 绍了测距及信道描述更新等相关过程和功能。 第3 章、第4 章详细描述了入网子系统的设计和实现。系统设计上，将 入网控制子系统划分为基站和移动台两个部分，分别进行了系统功能描述和 模块的划分与设计，还对相关核心数据结构定义进行了说明。系统实现上对函 数功能和函数调用关系以及主要函数实现等方面对基站和移动台入网控制子 系统进行了完整说明，对系统进行了测试并给出了测试结果。 第5 章对i e e e8 0 2 1 6 e 竞争接入机制进行了研究，介绍了i e e e8 0 2 1 6 e 使用的竞争接入技术以及当前一些研究进展，结合e i e d 和b n e b 算法，讨 论了改进的e ib n e b 算法，将e lb n e b 算法和b e b 算法结合在一起应用 在i e e e8 0 2 。1 6 系统中，并对仿真结果进行了讨论和比较。 最后是本文工作的总结和致谢。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章 le e e8 0 2 16 协议分析 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准介绍 2 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准 i e e e8 0 2 1 6 是适用于2 6 6g h z 的空中接口规范。由于它所规定的无线 接入系统覆盖范围在公里级，因此8 0 2 1 6 是一种无线城域网标准，被视为可 与d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 竞争的“最后一公里”宽带接入解决方案。 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括8 0 2 1 6 1 2 9 】、8 0 2 1 6 a 3 0 】、8 0 2 1 6 c t 3 1 】、 8 0 2 1 6 d m 】、8 0 2 1 6 e 1 3 3 、8 0 2 1 6 f 3 4 和8 0 2 1 6 9 t l 七个标准，如表2 1 所示。其中 8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空口标准。 表2 1i e e e8 0 2 1 6 系列各标准对应的技术领域 标准号相对应的技术领域 8 0 2 1 61 0 6 6 g h z 同定宽带无线接入系统空中接口 8 0 2 1 6 的修正案，增加了2 1 1 g h z 授权和非授权频率的运行 8 0 2 1 6 c保证1 0 6 6 g h z 范同内个各固定宽带无线接入系统的互操作性 8 0 2 1 6 d2 - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口 8 0 2 1 6 e 同定和移动宽带无线接入系统空中接口 8 0 2 1 6 f 周定宽带无线接入系统管理信息库( m i b ) 要求及相关管理流程 8 0 2 1 6 9 同定和移动宽带无线接入系统控制平面、管理平面流程和服务要求 8 0 2 1 6 d 对2 - 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，定 义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个 物理层。8 0 2 1 6 d 属于固定宽带无线接入技术【3 6 5 i ，7 1 。 8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 d 的增强版本，该标准与前几个标准的最大区别在于增 加了对移动性的支持，属于移动宽带无线接入技术，并向后兼容8 0 2 1 6 d ， 即在固定和移动环境下也能进行无线接入，被视做可与其他3 g 技术竞争的 宽带无线通信技术。8 0 2 1 6 e 标准于2 0 0 5 年1 2 月正式通过1 3 6 1 3 7 1 。 2 1 2i e e e8 0 2 1 6 协议栈结构 同大多数通信网络系统一样，i e e e8 0 2 1 6 e 也采用了分层的思想。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 - _ l _ _ _ l _ l _ - l _ _ _ _ _ l _ _ l _ l i l - i _ l _ _ - _ l i - _ i _ i - l _ l i _ _ - - _ _ l - _ _ _ - i _ - _ - _ i e e e 8 0 2 1 6 em a c 层由三个子层组成，从上到下依次为：特定业务汇聚子层 ( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e ，c s ) 、m a c 通用子层( m a cc o m m o n p a r t s u b l a y e r ，m a cc p s ) 和安全子层( s e c u r i t ys u b l a y e r ，s s ) ，如图2 - 1 所示。 f - 一一一一一一一磊聂磊苗一一一一一一- i i ，。、 c qs a p 广一 jl 特定业务汇聚子层 1 管弹章佑i ( c s ) l r 特定业务i l 聚于层 1 l r 、 k m cs e 广一 乙l m a c 公共部分子层 气 芝 管理实体 网 ( m a c c p s )- m a c 公共部分子层 络 i 。一。1 7 冒 安全子层 ；安伞了层； 理 系 统 ( s s ) ，。一、 1 e h ys a e 广一 至 物理层 管理实体 a _ ( p h y )物理层 j 数据，控制平面 管理平面 图2 1 i e e e8 0 2 1 6 e 协议体系结构 ， m a cc s 子层负责将其服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 收到的外 部网络数据转换和映射到m a c 业务数据单元( s e r v i c ed a t au n i t ，s d u ) 并传 递到m a c 层服务接入点。m a cc p s 层提供m a c 的核心功能，包括系统接 入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过m a cs a p 接收来自各种c s 层的数据并分类到特定的m a c 连接，还对物理层上传输和调度的数据实施 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 控$ 1 j 。通常说的m a c 层主要指m a cc p s 。而安全子 层s s ，提供认证授权，密钥管理、消息认证和加解密处理等功能【1 j 。 2 2 入网与初始化 入网初始化是移动台开机、切换、信号丢失等情况下进入网络必须经过 的过程。整个初始入网过程可以划分为以下几个步骤： 1 ) 移动 ( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 扫描下行信道并与基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 建立下行同步。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 _ l _ _ - l _ l _ l _ _ _ _ l _ _ _ _ l _ l i _ i - - _ i - l - _ l l _ l i - l - - _ - l _ l l _ _ _ - l i _ _ _ l i _ _ - 2 ) 接收上行信道描述( 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 ) 消息并从中获 得发送参数。 3 ) 初始测距。 4 ) 基本能力协商。 5 ) 鉴权与密钥交换 6 ) 注册。 7 ) 建立i p 连接。 8 ) 建立系统时间。 9 ) 传送操作参数。 1 0 1 建立准入连接。 其中步骤7 ，8 ，9 是可选的步骤，完整的初始入网流程如图2 - 2 所示。 图2 - 2 初始入网流程示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 本文设计实现的i e e e8 0 2 1 6 em a c 软件系统入网子系统中，实现了最 基本的入网过程，包括上下行同步、测距、基本能力协商，注册。下面对这 些过程进行介绍。 扫描与下行同步 在初始入网或信号丢失后，为了进入网络，移动台需要搜索小区信号以 取得和基站的联系。一旦物理层检测到基站信号，m a c 层就需要获取下行 同步。基站会周期性的广播发送d l _ m a p ( d o w n l i n km a p ) ，u l m a p ( u p l i n k m a p ) ，d c d ( d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t i o n ) 及u c d 消息。d lm a p 和 u lm a p 中包含了基站调度模块在下行和上行链路上的带宽分配信息。移动 台在接收到基站发送的d lm a p 消息并对该消息进行解码后，移动台就取得 了m a c 层同步；并在以后过程中需要连续的接收基站发送的d l m a p 和 d c d 消息。若在规定的时间间隔内没有接收到d lm a p 或d c d 消息，则认 为同步丢失，移动台需要重新扫描信道进行下行同步。另外，移动台会根据 d c d 消息中包含的参数如小区类型、可用的下行无线资源来决定该小区是否 适合进行入网。 获取上行参数 在完成下行同步后，m s 应该等待接收上行信道描述u c d 消息以获得上 行信道的发送参数，b s 使用m a c 广播地址，周期性的发送u c d 消息。如 果在适当的超时周期内没有接收到u c d ，那么m s 将重新开始扫描和下行同 步过程。 m s 从信道描述符参数中判断该信道是否是可用的信道。若信道不合适， m s 会继续扫描寻找其他的下行信道。如果信道合适，m s 就从u c d 中提取 出该上行信道的参数，等待接收u lm a p 消息以获得该信道的带宽分配映 射。同下行同步一样，也需要进行上行同步保持，即需要在规定时间内周期 性接收到u lm a p 和d c d 消息，否则就表明同步丢失。 初始测距 i e e e8 0 2 1 6 e 系统中的测距信息分为两种，一种是测距请求( r a n g i n g r e q u e s t ，r n gl 辽q ) 消息，一种是测距码( 即c d m a 码) 。其中后者只应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 于o f d m a 模式的物理层。 由于目前商用的i e e e 8 0 2 1 6 e 系统几乎都是采用的o f d m a 物理层，因 此本文将对基于c d m a 码的测距进行详细说明和介绍。 本文2 3 节对测距过程进行详细说明和分析。 基本能力协商 测距完成后，m s 要与b s 进行基本能力协商以确定应该使用的基本能 力。m s 通过发送s b c _ r e q ( s sb a s i cc a p a b i l i t yr e q u e s t ) 消息通知b s 它的基 本能力。b s 在接收到m s 发送的s b cr e q 消息后与自身的基本能力取交集， 然后b s 回复一个s b c r s p ( s sb a s i cc a p a b i l i t yr e s p o n s e ) 响应消息给m s 。 m s 根据s b cr s p 中规定的基本能力确认与该b s 通信时可以使用的基本能 力。 注册 注册是m s 被允许接入到网络以及被管理m s 接收s e c o n d a r yc i d 而成 为被管理m s 的过程。为了注册到b s ，m s 要向b s 发送i g - r e q ( r e g i s t r a t i o n r e q u e s t ) 消息，b s 通过r e g r s p ( r e g i s t r a t i o nr e s p o n s e ) 消息回应。对于可以 管理m s ，b s 会分配一个s e c o n d a r yc i d 并存在k e gr s p 消息中回复给b s 。 对于被管理的m s ，b s 在发送完r e gr s p 消息后将等待一个 t f t pc p l t ( c o n f i gf i l et f t pc o m p l e t e ) 消息。如果t 1 3 超时，b s 应释放对 应m s 的管理c i d ，并采取一些措施去老化这些c i d 。 m s 在r e gr e q 消息中可以包含i p 版本参数来表明它在s e c o n d a r yc i d 上支持的i p 版本。当r e gr e q 消息中存在i p 版本参数时，b s 应该在 r e gr s p 消息中包含i p 版本信息来命令m s 使用的i p 版本。 图2 3 描述了初始入网过程中b s 与m s 之间主要的信令消息交互过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 上下行同步卜一f 二= 】= c d m a 初始测e 二 距l 初始测距 基本能力协商 密钥交换 注册 图2 3 初始入网主要信令交互过程 2 3 测距 测距的主要目的是使终端在初始化阶段调整无线链路质量，例如时间偏 移、频率偏移以及传输功率的大小，便于终端与基站之间达到帧同步。测距 主要分为三种类型：初始测距、周期测距和切换测距。初始测距属于入网过 程的一部分，周期测距则用于初始入网之后终端定期调整传输参数以便更好 地与基站维持通信。 2 3 1 初始测距 在o f d m a 模式下，初始测距的流程如下： 移动台在获取下行同步和上行链路参数后，使用截断的二进制随机退避 算法从上行测距时隙中等概随机的选择一个用于发送c d m a 测距码，其中 c d m a 测距码是在初始测距码集中随机选择的。在发送时隙到来之际，移动 台在该时隙把选定的c d m a 初始测距码发送给基站。 由于c d m a 测距码是随机竞争发送的，并且c d m a 测距码中没有携带 标识移动台的信息如m a c 地址等，因此基站端不能区分是哪个m s 发送的 测距码。基站在接收c d m a 测距后，回复一个r n gr s p 消息给m s ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 r a n gr s p 消息中包含了时间、功率和频率的调整参数以及接收到该c d m a 测距码的o f d m a 符号号，子信道号，以便m s 区分是否是回复自己c d m a 测距码的回应消息。 m s 接收到c d m a 初始测距码的r n gr s p 消息后，根据r n gr s p 消 息中的调整信息进行参数调整。若r n gr s p 消息中的状态为c o n t i n u e ，则 继续c d m a 测距过程；若状态为s u c c e s s ，则在基站分配的c d m aa l l o c a t i o n i e 中发送r n gr e q 消息给基站，r n gr e q 消息里包含了移动台的m a c 地址等信息。若状态是a b o r t ，则m s 重新扫描下行信道进行同步。 基站接收到r n gr e q 消息后，为m s 分配b a s i cc i d 及p r i m a r yc i d ， 存入r n gr s p 消息回复给m s 。 m s 在接收到r n gr s p 消息后，保存b a s i cc i d 及p r i m a r yc i d ，然后 启动t 4 定时器以触发周期测距过程 m s 在接收到r n gr s p 消息后，发送功率等参数的调整是应用独立的， 但是必须满足以下限制： 1 ) 所有的调整参数值应该在可以接受的范围之内。 2 ) 功率调整应该从最初始的最小值开始，除非在非易失性存储里保存 有一个有效值，那么应该使用该保存的值作为调整的开始点。 3 ) 功率调整值应该能够根据r n gr s p 消息中指定的值增大或者减小。 4 ) 如果在初始化期间，功率值已经达到了最大值而没有接收到 r n gr s p 消息，则应从最小功率值开始调整。 图2 _ 4 描述了初始测距过程中b s 与m s 之间交互流程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 4 初始测距b s 与m s 交互流程 2 3 2 周期测距 周期测距过程和初始测距过程几乎一致，只不过周期测距使用专门的周 期测距码和周期测距区域进行测距竞争发送。 2 3 3 切换测距 m s 在切换到另外一个小区后的重入网过程中，需要进行切换测距。切 换测距过程和初始测距过程相类似，但是有以下几个方面的不同： 在c d m a 切换测距过程中，使用的是随机选择而不是随机退避，即在一 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 帧的竞争发送机会里等概随机的选择一个发送机会。另外，使用的是切换测 距码而不是初始测距码，切换测距码是从切换测距码集中随机选择的。 如果b s 预先知道了要切换过来的m s ，则b s 可能会为该m s 分配一个 快速测距i e 以便m s 发送r n gr e q 消息，这样m s 不需要进行竞争的测距， 因此加快了切换过程中重入网的速度。 2 4 信道描述更新 信道描述( d c d 及u c d ) 消息由b s 在规定的时间周期性广播发送。每个 信道描述符包含一个配置改变计数器，该计数器按模2 5 6 计数，只要信道描 述符不发生改变，配置改变计数的值就不会改变。d lm a p 和u lm a p 消 息中规定的发送和接收所使用的调制编码方式在d c d 和u c d 消息中定义， 并且d lm a p u lm a p 与d c d u c d 消息的配置改变计数器数值应该一致。 当使用的调制编码方式或其他参数改变时，信道描述符就需要更新。当 b s 发送与d c d u c d 的配置改变计数器相同值的d lm a p u lm a p 消息 后，原来的信道描述消息就过时并作废，并且从此后发送的 d lm a p u lm a p 消息中的调制编码属性应该与当前使用的信道描述消息 一致。在信道描述符更新后，m s 应该保证至少接收到一次更新后的 d c d u c d 消息。 图2 5 以u c d 消息的更新描述了信道描述更新的过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 5 本章小结 图2 5u c d 信道描述更新示意图 本章对i e e e8 0 2 1 6 标准进行了介绍，然后详细介绍了i e e e8 0 2 1 6 e 规 定的入网初始化过程中需要进行的步骤，接下来单独讨论了入网测距的原理 和流程，最后介绍了信道描述的更新过程，为后面讨论入网子系统的设计和 实现奠定了理论基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章 ie e e8 0 2 16 e 入网控制子系统设计 3 1i e e e8 0 2 1 6 em a c 软件系统总体架构 3 1 1i e e e8 0 2 1 6 em a c 软件系统子系统划分 i e e e8 0 2 1 6 em a c 软件系统总共划分为1 0 个子系统，分别是：网络驱 动子系统，汇聚层子系统，连接管理子系统，数据收发子系统，调度子系统， 入网控制子系统，安全子系统，移动性管理子系统，物理层管理子系统，公 共支持子系统，如图3 1 所示。 - q 汇聚层子系统 f - i 连接管理子系一调度子系统卜一 - _ t 统 数据收发 网络驱动公共支持 - 子系统 _ 入网控制子 _ 子系统 子系统 - 系统 jl 移动性管理子 一安全子系统卜一 _ 系统 t t - - t物理层管理子系统卜 图3