（电路与系统专业论文）gbps无线传输系统mac协议设计与实现.pdf

北京邮电大学硕士学位论文r l lllll l l f l l l l f f l lllrliiif 17 5 9 5 5 8 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 丛2 ：型2 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 喜；：；薹耄；二二跫 导师签名： ! 塑盟 适用本授权书。 日期： 丝2 ：丛啦 日期： 递2 = 山i -rlii i r | 北京邮电大学硕十学位论文摘要 g b p s 无线传输系统m a c 协议设计与实现 摘要 第三代移动通信系统( 3 g ) 峰值速率仅有2 m b p s ，难以满足未 来移动通信的需要。为此，国际电信联盟为4 g 系统的性能指标定义 了高达1 g b p s 的峰值数据传输速率，以适应移动通信迅速发展的需 要。在此背景下，我国也加速开展新一代移动通信技术的研究和开发， 科技部启动了“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发 国家 8 6 3 重大课题( 课题编号为2 0 0 6 a a 0 1 2 2 8 3 ) 。 本文所述内容即基于“o b p s 无线传输关键技术与试验系统研究 开发 中m a c 协议设计、实现和调试的相关工作。 首先，本文介绍了论文的选题背景、m a c 协议和嵌入式系统在 通信开发中应用。在此基础上，概述了g b p s 系统的体系结构、性能 指标和关键技术，并指出m a c 协议在系统中的作用和地位。 其次，结合算法需求和系统性能要求，本文论述了应用于g b p s 高速无线传输系统的m a c 协议架构设计。该协议架构设计，以扁平 化、模块化、并行化为原则，从功能上在m a c 层定义了数据处理、 q o s 保证、对端信息处理等多个模块，旨在完成相当于无线通信系统 中空中接口协议层2 的大部分功能。 然后，本文介绍说明了协议实现的软硬件平台，在此基础上，重 点阐述了g b p s 系统开发中的协议实现和调试工作。具体包括协议实 现平台板级支持包的合理配置，嵌入式操作系统v x w o r k s 的剪裁优 化，自有m a c 协议的创建，层间接口的规范和实现，系统数据流程 和性能的优化，以及协议中的系统状态监测功能实现。此外，本文还 总结了协议实现过程中的一些测试方法和调试经验，希望能对后来人 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 有所帮助。 本文所做工作包含了通信系统开发中协议设计、开发和调试全过 程，在最终顺利通过验收的8 6 3 课题“g b p s 无线传输关键技术 与试验系统研究开发 中全部得到应用，是今后系统进一步研究和开 发的基础，对未来实际无线通信系统中协议的设计和开发也具有一定 参考价值。 关键词：4 g 系统g b p sm a c 协议设计与实现 北京邮电大学硕士学位论文a b s t r a c t d e s i g na n di n 伊l e 匝n 1 r a t l 0 no fm - a cp r o t o c a ls i ng b p sw i r e l e ssc o l 、心仉m c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t a l t h o u g h t h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l e s y s t e m h a s a l r e a d yb e e n c o m m e r c i a l ，i t sp e a kd a t ar a t ei so n l y2 m b p s ，w h i c hc a n ts a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so ft h e f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t h e r e f o r e ，i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) d e f i n e dt h a ti nt h e4 t h g e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m ，t h ep e a kd a t ar a t es h o u l db ea sh i g ha s1g b p s ， s a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t so fa l lk i n d so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s o n t h i sb a c k g r o u n d ，c h i n ah a si m p r o v e dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h en e x tg e n e r a t i o n sm o b i l es y s t e m s ，i nw h i c ht h em i n i s t r yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g ys t a r t e dt h en a t i o n a l8 6 3i m p o r t a n tp r o j e c t ： r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to f k e yt e c h n o l o g i e sa n dt e s t i n gs y s t e mi ng b p sw i r e l e s s t r a n s m i s s i o n ( n o 2 0 0 6 a a 0 1z 2 8 3 ) i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n dd e b u go fm a c p r o t o c o l si nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fk e yt e c h n o l o g i e sa n dt e s t i n g s y s t e mi ng b p sw i r e l e s st r a n s m i s s i o na r es t u d i e d f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n d ，m a cp r o t o c o la n dt h ea p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e mi nt h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h e s e ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa n dk e y t e c h n o l o g i e sw i t ht h ef u n c t i o na n di m p o r t a n c eo fm a cp r o t o c o li nt h e s y s t e ma n df u r t h e rd i s c u s s e d 北京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e c o n d l y , t h ea r c h i t e c t u r ed e s i g no fm a cp r o t o c o la p p l i e di ng b p s h i g hs p e e d t r a n s m i s s i o n s y s t e m i sd i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t so fa l g o r i t h ma n ds y s t e mp e r f o r m a n c e t h ea r c h i t e c t u r ei s d e s i g n e di nt h ep r i n c i p l e do ff i a t ，m o d u l i z a t i o na n dp a r a l l e l i z a t i o n ，a n d t h ed a t ap r o c e s s i n g ，q o sg u a r a n t e e ，r i g h t - s i d ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n d s o m eo t h e rm o d u l e sa r ed e f i n e df u n c t i o n a l l yi nm a c l e v e l ，i m p l e m e n t i n g m o s to ft h ef u n c t i o n so fa i ri n t e r f a c ep r o t o c o ll a y e r2i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f i n a l l y ，t h ep r o t o c o li m p l e m e n t a t i o na n dd e b u gi nt h ed e v e l o p m e n t o fg b p ss y s t e ma r eh i g h l i g h t e db a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fp r o t o c 0 1 t h ep r o c e s so f p r o t o c o li m p l e m e n t a t i o n a n dd e b u gi n c l u d e ：c o r r e c tc o n f i g u r a t i o no f i n t e r - b o a r ds u p p o r t i n gp a c k e t si nt h ep l a t f o r m ，t h ec u to p t i m i z a t i o no f v x w o r k se m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，c o n s t r u c t i o no fs e l f o w n e dm a c p r o t o c o l ，s p e c i f i c a t i o n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f i n t e r - l a y e ri n t e r f a c e ， o p t i m i z a t i o no fs y s t e md a t af l o wa n dp e r f o r m a n c ea n di m p l e m e n t a t i o n o f t h es y s t e ms t a t u sm o n i t o r i n gi nt h ep r o t o c 0 1 m o r e o v e r , i nt h i sp a p e r ， s o m et e s t i n gm e t h o da n dd e b u g g i n ge x p e r i e n c e sa r ea l s oc o n c l u d e d ， h o p i n gt ob eh e l p f u lf o rt h ef u t u r er e s e a r c h e r s t h ew o r ki nt h i sp a p e ri n c l u d e st h ew h o l ep r o c e s so f p r o t o c o ld e s i g n ， d e v e l o p m e n ta n dd e b u gf o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dt h e ya r e a l l s p e c i f i c a l l ya p p l i c a b l ei nt h e8 6 3p r o j e c t s r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o f k e yt e c h n o l o g i e sa n dt e s t i n gs y s t e m i n g b p sw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ”， w h i c hi sf u n d a m e n t a li nt h ef u r t h e rr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t s a n di t h a sc e r t a i nr e f e r e n t i a lv a l u e si nt h ef u t u r e p r o t o c o ld e s i g n a n d d e v e l o p m e n tf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 北京邮电大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：4 t hg e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m ，g b p s ，m a c ，d e s i g n a n dd e v e l o p m e n t 北京邮电大学硕士学位论文目录 目录 第一章绪论l 1 1 论文选题背景l 1 1 1 4 g 系统的研究现状、目标和特点。l 1 1 2 ( 3 b p s 项目的立项背景3 1 1 3 g b p sm a c 概述5 1 2 m a c 协议6 1 3 嵌入式系统在通信系统开发中的应用7 1 4 论文的主要工作及结构安排7 参考文献8 第二章 g b p s 系统) 技m a c 协议和其巾的地位l o 2 1 g b p s 系统概述l o 2 1 1 系统体系结构1 0 2 1 2 系统性能指标1 4 2 1 3 系统关键技术1 5 2 2 m a c 协议在系统中的作用和地位1 6 第三章 g b p s 系统m a c 协议实现设计l8 3 1 g b p s m a c 层功能概述18 3 2 m a c 协议实现设计1 9 3 。2 1 协议整体实现结构1 9 3 2 2 发送端实现框图及交互信息，2 0 3 2 3接收端实现框图及交：f l ：信息2 2 3 2 4 协议核心模块功能。2 4 3 2 5 协议时序设计2 5 参考文献2 8 第四章 m a c 协议实现的软硬件平台2 9 4 1 m a c 协议实现的软件平台2 9 4 1 1 主流嵌入式操作系统的比较2 9 4 1 2 嵌入式实时操作系统v x w o r k s 2 9 4 i 3 集成开发环境w o r k b e n c h 3 2 4 2 m a c 协议实现的硬件平台3 5 4 2 1 g b p s 硬件平台设计3 5 4 2 2 m a c 协议实现的硬件平台3 7 参考文献4 0 第五章m a c 协议的实现与调试4 l 5 1 b s p 开发及系统剪裁4 l 5 1 1 b s p 开发4l 5 1 2 操作系统剪裁4 4 5 2 m a c 协议创龟。4 7 5 3 接口规范及其实现5 0 5 4 数据流程及其性能优化5 4 5 4 1 系统数据流程5 4 北京邮电大学硕十学位论文 目录 5 4 2数据流程性能优化5 7 5 5 系统状态实时监测6 3 5 6 实现与调试经验6 5 5 6 1m a c 协议测试6 5 5 6 2 g b p s 系统联调6 7 参考文献6 8 第六章总结和展望6 9 致谢7 0 攻读学位期间发表的学术论文口录7 1 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先阐述了论文的选题背景，包括4 g 系统的研究现状、目标和特点， g b p s 项目的立项背景以及g b p s 系统中的m a c 协议概述，然后介绍了通信系统中 的m a c 协议和嵌入式系统在通信系统开发巾的应用，最后说明了论文的主要工 作和结构安排。 1 1 论文选题背景 1 1 14 g 系统的研究现状、目标和特点 移动通信技术已然成为当代通信领域内发展潜力最大，市场前景最广的热点 技术。第三代移动通信系统( 3 g ) 已经在全球范围内得到商用，人们正在向自 己期待中的任何人可以在任何时问、任何地点、进行任何方式通信的目标步步逼 近。然而3 g 系统虽然在极限条件下可以达多j 2 m b p s 的数据传输速率，即使在高速 移动环境中也可以实现1 4 4 k b p s 的数据速率，但是它也有其明显的缺点。首先， 由于c d m a 技术固有的干扰问题的限制，3 g 系统的数据速率很难达到诸如 5 0 1 0 0 m b p s 这样的范围；其次，3 g 系统目前还难以保证不同用户对于不同服务 质量( q o s ) 的要求，难以支持多速率业务；第三，3 g 标准将面临竞争和标准不兼 容等问题。因此，正当3 g 还未广泛商用时，对于未来蜂窝移动通信系统一g 的研发已经如火如茶地展开了1 f l - 2 】。 早在1 9 9 9 年，国际电信联盟( i t u ) 成立了i t u rw p s f - 作组，专门负责 3 g 未来发展和后3 g 系统的研究。2 0 0 0 年l o 月，i t u 已经发起了“i m t - 2 0 0 0 及 b e y o n d ”工作组；随后，后三代技术的研究在各个国家纷纷展开，每一个国家 的研究机构都期望能够影响下一代陆地移动通信系统( f p l m t s ) 的标准化进程， 从而在未来的产业竞争中占据优势地位。 2 0 0 3 年6 月，i t u - rw p s f t 作组完成了建议书“f u t u r ed e v e l o p m e n to f i m t - 2 0 0 0a n ds y s t e m sb e y o n di m t - 2 0 0 0 ”的制定【1 4 l 。根据全球通信市场和用户的 发展趋势，建议书中明确指出，i m t - 2 0 0 0 的未来发展远景以及b e y o n di m t - 2 0 0 0 系统无线接入部分的总体目标是：在2 0 1 0 年左右开发出后3 g 系统，并在2 0 1 5 年 前后在一些国家大规模实施。后3 g 系统应该具备支持高数据速率和高移动性的 能力，其空中接i ：i 的速率在高速移动环境下将会高达1 0 0 m b p s ，低速环境下 北京邮电大学硕+ 学位论文第一章绪论 l g b p s t 卜4 】【i 5 1 。预计会需要一种和多种新的无线接入技术以满足未来用户对高带 宽业务的需求。 2 0 0 5 年1 0 月，i t u rw p 8 f 召开了1 7 次会议。在本次会议上，将4 g 系统 统一命名为i m t a d v a n c e d ，并在2 0 0 8 年2 月开始了i m t - a d v a n c e d 的技术提案 征集工作。 日本移动运营商n t td o c o m o i ji 入了一个名词“m a g i c ”来形容未来4 g 系 统的特性【l 棚。其巾，m - m o b i l em u l t i m e d i a ；a a n y t i m e ，a n y w h e r e ，a n y o n e ； g j g l o b a l m o b i l i t ys u p p o r t ：l - - i n t e g r a t e dw i r e l e s ss o l u t i o n ： c - - - c u s t o m i z e d p e r s o n a ls e r v i c e 。这一定义较好地说明了研究者对于未来4 g 系统的人致定位。4 g 移动通信系统总的技术目标和特点可概括如下： ( 1 ) 高速率，高容量 4 g 系统目标速率为：对于大范围高速移动用户( 2 5 0k m h ) ，数据速率为2 0 m b p s ；对于中速移动用户( 6 0k m h ) ，数据速率为l o o m b p s ；对于低速移动用户( 室 内或步行者) ，数据速率为1 g b p s 。同时，为适应数据和多媒体业务不断增长的 需求，4 g 系统还应具有比以往更高的容量，但由于分给4 g 系统的频谱仍有限， 故4 g 系统的频谱效率应只为3 g 系统的5 1 0 倍。 ( 2 )无缝连接 4 g 系统应能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。无线 通信领域的一个发展趋势是移动网络和无线接入网络的融合，而4 g 系统应当是 一个移动网络和无线接入网的融合体，应能实现与无线l a n 的无缝连接。4 g 的 无缝特性，包含系统、业务和覆盖等多方面的无缝性。系统的无缝性指的是用户 既能在w l a n 中使用，也能在蜂窝系统中使用；业务的无缝性指的是对话音、 数据和图像的无缝性；覆盖的无缝性则指4 g 系统应能在全球提供业务。 ( 3 ) 全i p 的核心网络 有文献把4 g 系统称为“基于l p 的第四代无线网络 。4 g 系统的网络l p 与实际 采用的各种无线接入方式和接入协议兼容，即全i p 。因此，4 g 系统在设计核心 网络时具有很大的灵活性，并不需要去考虑无线接入采用何种方式和协议。一个 采用l p 的核心网络可以采用多种无线接入方式，比如w - c d m a ，i e e e8 0 2 1 l ， h i p e r l a n 2 ，b l u e t o o t h 等。 ( 4 ) 高度智能化和兼容性 4 g 网络是一个高度自治、自适应的网络，应具有良好的重构性、可伸缩性、 自组织性等，以满足不同环境、不同用户的通信需求。同时，4 g 通信系统应当 具备全球漫游、与多种网络互联、终端多样化以及能从3 g 平稳过渡等特点。 2 北京邮电大学硕士学位论文笫一章绪论 1 1 2 g b p s 项目的立项背景 在国际上4 g 系统研究如火如荼开展的大背景下，我国的一些科研院所，如 北京邮电大学、东南大学和清华人学等已实现1 0 0 m b p s 以上数据传输速率的下 一代移动通信的演示系统。但从g b p s 无线传输系统的实现看，国内日前还没有 g b p s 的无线传输系统实现，同时国外也仅西l 、j 子、d o c o m o 、三星这三家国际 性大通信公司实现了g b p s 的无线传输。目前我国对于g b p s 系统的研发与国外 仍有一定的差距，我们面向更高速率( i g b p s ) 以上的下一代移动通信系统的研 发仍然刻不容缓。 g b p s 无线传输系统的实现需要多项关键技术的支撑，如宽带信道的测量与 建模技术、o f d m 技术、多天线技术、信道编码技术、自适应链路技术、同步 技术、信道估计技术以及m a c 协议技术等，这些技术目前在国际上都进行了广 泛的研究，但针对g b p s 传输的研究还不充分，需要进行多方面的研究和论证以 及试验。 与此同时，我国的新一代移动通信技术研究工作也在同步开展。在国家8 6 3 制订f u t u r e 计划的这个大环境下，8 6 3 总体组设立了新一代蜂窝移动通信系统 的重大研究课题，主要目标是而向未来l o 年移动通信领域的发展趋势与需求， 研究4 g l t e 新一代蜂窝通信空中接u 技术，建立关键技术验证系统，支持面向 未来的无线通信新业务；推进国际合作，对形成新一代无线与移动通信知识产权 和体制标准方面做出较大贡献，使中国移动通信技术研究与国际先进水平同步发 展，为实现中国未来无线通信产业的跨越式发展创造条件。在此种背景下，国家 8 6 3 计划于2 0 0 1 年底制定并启动了未来移动与无线通信发展f u t u r e 计划 ( 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 - 简称f u t u r e 计划) ，该计 划旨在推动我国4 g l t e 系统研究与开发；作为十五计划中的重大科研项目，全 国共有7 所高校参与本次8 6 3 - - f u t u r e 计划的第二阶段研究，分别进行t d d 和 f d d 两部分研发工作，项目具体分工如下：北京邮电大学、华中科技大学、上海 交通大学、成都电子科技大学四校合作研发t d d 系统( b 3 g t d d ) ；东南大学、 清华大学、中国科技大学三所高校负责研发f d d 系统( b 3 g f d d ) ；另外，西 安交通大学、西安电子科技大学以及传输所负责系统平台设计和全系统测试【1 7 】。 根据f u t u r e 计划拟定的第二阶段研究开发计划和课题滚动支持方案，本 阶段课题研究开发的总体目标是：在f u t u r e 计划一期研究工作的基础上，面 向4 g l t e 移动通信在传输速率、业务支持、系统容量、终端移动性、频谱效率、 功率效率等方面的应用需求，在4 g l t e 移动通信系统网络结构、空中接口、传 输体制、编码与调制、检测与估计等各个方面，进一步开展深入系统的研究，重 3 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 点突破，形成完善的o f d mb 3 g 总体技术方案，构建具有b 3 g 移动通信主要技 术特征的试验系统，具备向i t u 提交初步的新一代无线通信体制标准建议的技 术基础。 2 0 0 6 年底，科技部启动“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发”国 家8 6 3 重大课题( 课题编号为2 0 0 6 a a 0 1 2 2 8 3 ) ，由北京邮电人学，清华大学和 东南大学分别进行l t e t d d 制式的研发，其研究目标为：突破基础性的g b p s 无线传输硬件与软件关键技术，研制出无线数据传输能力达到i g b p s 以上的试 验验证系统，并进行相关试验和典型n k 务传输演示。其主要研究内容：低复杂度 g b p s 无线传输系统链路与m a c 设计技术、宽带射频与多天线实现技术、高速 模数数模转换与基带处理技术、软件控制技术、i p 网络接口技术与业务应用技 术等。探索g b p s 无线传输技术在第四代( i m t a d v a n c e d ) 移动通信、无线局域 网和短距离无线通信等系统中的应用。主要指标为：系统载频2 g h z 以上，无线 传输带宽不大于i o o m h z ，系统无线数据传输速率不小于i g b p s ，传输距离不小 于5 0 米。 课题主要研究g b p s 景级无线传输关键技术并开发其实验系统，拟采用 2 4 g h z 频段利用i o o m h z 带宽实现频谱利用率不低于1 0 b p s h z 的无线传输。 g b p s 量级宽带无线传输联合采用具有较高频谱效率的多载波技术、多天线技术、 应用高阶调制的链路自适应技术。实验演示系统的开发采用高速率f p g a 和d s p 实现高速并行处理。研究内容和创新点包括： ( 1 ) g b p s 高效无线传输技术，主要解决1 0 b p s h z 以上高频谱效率传输的 技术问题，为实验系统提供可靠方案，主要包括：宽带m i m o 信道特性分析和 建模、低p a p r ( p e a k 4 0 - a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 的多载波传输、低复杂度高效率宽 带多天线发送接收技术、多载波m i m o 导频设计和信道估计技术、多天线同步、 高阶调制与高速率信道编译码。 ( 2 ) 高效m a c ( m u l t i m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 、跨层链路自适应技术，创新点 在于联合优化各层设计，进一步提升频谱效率和系统性能。 ( 3 ) 通用全链路浮点和定点仿真平台，提供统一和可信的算法和实现验证 平台。 ( 4 ) g b p s 实验演示系统开发，创新点在于演示g b p s 量级无线高速多媒体 业务，填补国内空白。 在关键技术研究和实验系统开发中与合作企业紧密合作，发挥双方优势，实 现以下预期目标： 4 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 在g b p s 无线传输关键技术领域形成一系列具有自主知识产权的技术。 ( 2 ) 实现g b p s 无线传输实验系统的室内和室外演示，填补国家空白。 ( 3 ) 培养一批高水平的科研人才梯队，提高中国科研力量。 ( 4 ) 在已成功尝试专利转让等方式后进一步加强产学研紧密耦合的合作方 式，促进高新技术的标准化和产业化。 1 1 3 g b p sm a c 概述 由未来移动通信系统的特点我们可以看到，未来移动通信系统的研究为广大 研究人员提出了众多具有挑战性的课题。其中m a c 层技术山于其所处的位置以 及所起的作用，成为了未来移动通信系统的关键研究点之一。由于未来移动通信 系统中，m i m o 、o f d m 、a m c 、智能天线等多种新型物理层技术的采用，使得 在m a c 层如何适配，如何更好的使用这些物理层技术提供的服务，使它们充分 发挥各自的优势，成为了未来移动通信系统中，m a c 层技术研究的根本出发点。 此外，在未来移动通信系统中，在各种网络并存的同时，蜂窝网络结构也有了革 命性的变化，如何更好的适应这些变化，保障网络性能，保证用户业务质量，从 而更好的为高层提供服务，是m a c 层技术研究的最重要目标。第三，m a c 还 应根据业务情况和物理信道使用情况进行物理信道的传输格式选择，以提高信道 利用率。 在g b p s 无线传输系统中，为了实现物理层峰值速率为! g b p s 的系统，对 ， m a c 层也提出了更高的要求。m a c 模块需完成承载i p 层数据、保证q o s 、通 信双方控制及信令信息交互、与p h y 层关于系统工作参数及工作状态消息交互 等功能，从处理功能上可将m a c 模块分为三个相对独立处理层：业务接口子层， 公共处理子层和m a c - p h y 接口子层。此外，4 g l t e 系统上层对业务端到端时 延和重传时延有严格规定，以保证q o s ，由于算法本身引入的时延是数字系统的 固有时延，因此要求系统内部芯片间及板间接口不能引入大时延。如何设计出合 适的m a c 支撑系统以满足高吞吐率，低延迟，高效，易维护，可靠灵活的数据 平面对于保障4 g l t e 系统的正常运行至关重要，这也是本文主要研究的内容。 在g b p s - - t d d 系统中，使用t d m a o f d m a 的接入方式。m a c 层在在使 用p h y 层提供服务的基础上，为高层提供服务。依据g b p s 演示系统的特点和 需求，为适应近g b p s 级业务数据传输的要求，并保障整个通信的流畅与可靠， 设计的g b p s 系统m a c 层所实现的功能不仅实现了一般意义上的空中接口部分 层2 ( l 2 ) 中的m a c 部分功能，还把层2 ( l 2 ) 中的r l c 和p d c p 部分功能以 5 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 及层3 ( l 3 ) 的部分功能融入m a c 。如此设计可简化层次结构，提高空中接口 部分的处理效率，以适应g b p s 无线传输系统的整体设计要求和预期h 标。系统 演示证明此方案是适应g b p s 无线传输系统需求的，对进一步的研究和实现也有 一定的指导和借鉴作用。 综上所述，g b p s 系统m a c 层设计并实现了以下七部分功能： ( 1 ) 无线资源的调度、管理； ( 2 ) 业务层p d u ( i p 包) 承载处理； ( 3 ) m a c 层s d u 包处理： ( 4 ) m a c 层q o s 保证策略； ( 5 ) a p 端与m t 端控制信息的交互； ( 6 ) 与p h y 层交互业务和控制数据； ( 7 ) 系统状态及业务流量实时监控。 1 2m a c 协议 m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层协议在i s o 的o s i 七层协议模型巾被翻 译为媒体访问控制协议子层，属于位于物理层和网络层之问的数据链路层的卜半 部分子层。m a c 子层的主要功能包括数据帧的封装卸装，帧的寻址和识别，帧 的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。m a c 子层的存在屏蔽了不同物 理链路种类的差异性。 特别地，在移动通信的空中接口协议中，层2 丰要是有m a c 、r l c 以及p d c p 等子层组成。m a c 层面需向高层主要提供三种服务：数据传输、无线资源管理 和m a c 参数的重新分配以及测量报告等服务；面向物理层，则主要将资源分配 信息和上层的业务数据信息以特定方式传送给物理层。具体地，m a c 层的功能 有：接入控制；逻辑信道与传输信道之问的映射；对数据流进行优先级处理；无 线资源的动态分配与调度；时隙分配；q o s 保障；对业务流量和指定的链路资源 进行监控，并向r r c 汇报测量结果；在m a c 层对等实体之间维护m a c 信令的 链接；为高层信令安排路由。 1 3 嵌入式系统在通信系统开发中的应用 b 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 嵌入式系统是以应用为中心、以计算为基础、软硬件可裁减、适应应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 之所以称为嵌入式系统，是相对通用的p c 系统而言的。虽然嵌入式系统和 p c 系统都由硬件系统和软件系统两部分组成，但两者之间有很大的区别。方 面，由于嵌入式系统是面向于某一种特定应用，所以它的硬件系统相对于p c 要 简单一些，由一些专门集成的电路搭成的，并且对于不同的应用，硬件系统的差 别很大。另一方面，对于软件系统，嵌入式系统和p c 系统都是由操作系统和应 用软件组成，操作系统主要用于管理硬件，并为应用程序的编辑和编译提供一个 平台，而应用软件则与实际的系统密切相关，用于实现具体功能。相对于p c 机 而言，嵌入式系统的软件具有紧凑、高效、坚固等特点。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和特定 的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 移动通信系统本身就是一个嵌入式系统，通常移动通信系统利用嵌入式d s p 计算能力强的特点来实现通信过程中复杂的算法，利用嵌入式通信处理器接口 多、处理能力强的特点来实现通信过程中复杂的控制和协议。 在市场需求的驱动下，移动通信相关的业务不断增加，移动通信协议也就会 不断的升级更新。如果这种情况下移动通信系统巾的设备( 例如复杂的基站、 r n c ) 的设计都采用专用集成电路( a s i c ) 米实现的，那么这个移动通信系统 就没有可重新配置的可能，系统中的设备必然会在工作一段时问后就要被新的设 备完全替代，造成巨大的浪费。而具有重复可编程特性的嵌入式通信处理器可以 很好的解决这个问题，它使得设计的系统能根据新的业务需要或新的通信协议通 过软件编程来达到系统升级，这样极大的节约了系统升级所需的成本。正是由于 这个原因，嵌入式通信处理器和相应的嵌入式实时操作系统在移动通信系统得到 了广泛的应用。 1 4 论文的主要工作及结构安排 本论文作者全程参与了国家8 6 3 项目“g b p s 无线传输系统关键技术的 研究和试验系统 的开发，主要负责完成了系统m a c 层协议的设计，实现和调 试工作。 本文主要阐述了本论文作者在g b p s 系统中m a c 协议设计、实现和调试中 所做的工作，具体结构安排如下： 第一章是绪论部分，简单介绍了论文选题背景，移动通信系统中的m a c 协 7 第一章绪论 议以及嵌入式系统在通信协议开发中的作用。 第章是g b p s 系统及m a c 协议在其巾的地位，该章首先概述了g b p s 系统 的体系机构、性能指标和关键技术，在此基础上说明了m a c 协议在系统中的作 用和地位。 第三章是g b p s 系统m a c 协议实现设计，该章先是阐述了g b p s 系统中的 m a c 协议功能，然后详细介绍了协议的实现设计，包括协议整体架构，发送和 接收端的实现框图，各模块功能和协议的运行时序。 第四章是m a c 协议实现的软硬件平台，该章主要介绍了m a c 协议实现所 基于的软件和硬件平台，其中软件平台采用了在通信领域有广泛应用的实时嵌入 式操作系统v x w o r k s 以及其开发平台w o r k b e n c h ，硬件平台使用的是x i l i n x 出 品的业界领先的内嵌p p c 4 4 0 的v i r t e x5 系列f p g a 。 第五章是m a c 协议的是实现与调试，是本文的重点，根据协议的开发实现 流程，先后详细阐述了板级支持包的优化配置，嵌入式实时操作系统的精简，自 有m a c 协议的创建，协议层间接口的规范和实现，系统数据流程和性能优化， 协议中对系统的状态监测功能，以及调试过程中积累的一些有益经验。 第六章是总结和展望，总结了本文的主要工作和贡献，对今后的需要进一步 研究和考虑的工作点做了展望。 参考文献 f r a t t a s is ，f a t h i