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北京邮电人学硕士研究生学位论文 w i m a x 系统中m a c ；l - 聚子层的研究与实现 摘要 w i m a x 作为最具发展潜力的宽带无线接入技术，以其独特的优 势和魅力，引起了诸多厂商和运营商的广泛关注。可以预见，在未来 几年内，w i m a x 网络将在全球范围内实现大规模的商业部署和运营。 因此，目前对该技术的研究和产品开发成为了无线通信领域的一大热 点。 在课题研究期间，作者参与了实验室“w i m a x 无线商用基站设 备的研发”工作。项目研发阶段，作者对协议进行跟踪和分析，参与 m a c 层的总体结构设计，并主要对汇聚子层进行了深入研究，给h 该部分的详细设计方案，并在工程上给予实现。 在此背景下，本文作了如下工作： 一、研究了w i m a x 系统的网络结构，并对w i m a x 系统空中 接口协议栈的体系结构进行了分析。 二、基于i e e e8 0 2 。1 6 2 0 0 4 的规范要求，对汇聚子层进行了深 入研究，重点分析了面向分组业务的汇聚子层的功能，并对其q o s 思想进行了讨论。 三、 在系统架构以及协议分析的基础上，根据v x w o r k s 操作系 统的特点，对汇聚子层子系统进行了实体和任务划分，并重点阐述了 w i m a x 系统中该部分的详细设计和实现方案。 四、根据系统实现过程中的体会，指出目前版本设计中的不足 和需要改进的地方，为后续研发提出了一些建议。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 、w i m a x 、c s 、业务流 北京邮电人学硕七研究生学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to n c so fw i m a x sm a c a b s t r a c t a so n eo ft h em o s t p r o m i s i n g b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e s ，w i m a x i s p a i d m o r ea t t e n t i o n b ym a n ys y s t e m m a n u f a c t u r e r sa n ds e r v i c ep r o v i d e r s ，b e c a u s eo fi t ss p e c i a la d v a n t a g ea n d c h a r m i ti sw i d e l ya n t i c i r a t e dt h a tc o m m e r c i a lw i m a xn e t w o r k sw i l lb e d e p l o y e dw o r l d w i d e l ya n dp u ti n t oo p e r a t i o ni nt h ef o l l o w i n gs e v e r a l y e a r s a sar e s u l t ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw i m a xt e c h n o l o g yh a s b e c o m et h eh o t t e s ts p o ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a d u r i n gr e s e a r c ho ft h et h e s i s ，t h ea u t h o rh a dt h ec h a n c et ot a k ep a r t i nt h ep r o j e c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rw i m a xb a s es t a t i o n b a s e do ni e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 d u r i n gt h ep r o j e c t ，a tf i r s tt h ea u t h o rt o o k p a r ti nt h ep r o t o c o lt r a c i n ga n da n a l y z i n g ，a n dp a r t i c i p a t e di na r c h i t e c t u r e d e s i g no fm a c ，t h e nd e d i c a t e dt od e v e l o p m e n to fc s ，a n dp r o p o s e d d e t a i l e dd e s i g np r o j e c ta b o u tt h ep a r t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h et h e s i sf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 r e s e a r c ho nw i m a xs y s t e mn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，a n da n a l y z e t h ea r c h i t e c t u r eo f w i m a xa i ri n t e r f a c ep r o t o c o ls t a c k 2 b a s e do l lt h er e s e a r c hw o r ko ni e e e8 0 2 16 - 2 0 0 4 ，d e e p l y a n a l y z ea n dr e s e a r c hc so fm a c m a i n l yd i s c u s st h ef u n c t i o n s o fp a c k e tc sa n dq o st h i n k i n g 3 a c c o r d i n gt ov x w o r k so p e r a t i o ns y s t e m ，d i s c u s st h ee n t i t ya n d t a s ka s s i g n m e n t sb a s e do nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o l 北j j i 邮电人学硕十研究生学位论文 a n a l y s i s f u r t h e r m o r e ，e l a b o r a t eo nt h es c h e m e so fc sd e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no f w i m a x s y s t e m 4 p o i n to u tt h es h o r t a g eo ft h ec u r r e n tv e r s i o n ，a n dp r o v i d ea d v i c e s f o rf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 16 ，w i m a x ，c s ，s e r v i c ef l o w 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： 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舰定，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：学校可以公靠学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或具它 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传。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 同期 北京邮电人学硕十研究生学位论文第一章绍论 第一章绪论 自i e e e 推出无线局域网以来，各种无线宽带技术标准层出不穷。在需求和 创新的驱动下，i e e e 从2 0 0 1 年开始陆续推出8 0 2 1 6 系列的宽带无线城域网 ( b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ，b w a m a n ) 技术标准。 目前基于该标准的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 ，微 波接入全球互通) 技术的研究和产品开发已经成为无线通信领域研究的热点之 一。本章简要介绍w i m a x 无线宽带接入技术以及8 0 2 1 6 协议标准的发展，最 后叙述了本课题的意义和论文的内容结构。 1 1w i m a x 技术概述 w i m a x 作为一种新兴的无线通信技术，能提供面向互联网的高速连接。 w i m a x 技术的基本目标是提供一种在城域网一点对多点的多厂商环境下叮有 效互操作的宽带无线接入手段。w i m a x 将提供固定、移动、便携形式的无线宽 带连接，并最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供移动无线宽带连接。 w i m a x 的无线信号传输距离最远可达5 0 公里，其网络覆盖面积是3 g 基站的 l o 倍。 为了更快地推动此技术，w i m a x 的众多支持者早在2 0 0 1 年就成立了 w i m a x 论坛组织。w i m a x 论坛是一个由业界领先的运营商、通信部件和设备 公司共同成立的组织。w i m a x 论坛旨在推广i e e e8 0 2 1 6 无线宽带网络技术， 并且对设备的兼容性和互操作性做统一的认证以保证系统互联，且方便运营商部 署。为此，w i m a x 论坛专门成立了w i m a x 产品认证的工作组和实验窀，保证 不同厂商w i m a x 设备问的互操作性和兼容性。这样，经认证后的w i m a x 设备 具有良好的互操作性和对规范的顺从性。此外，w i m a x 论坛组织还致力于帮助 解决技术以外的问题，如各国的频率分配、市场应用案例分析等。 作为宽带无线接入技术的成员之一，w i m a x 最大的竞争对手或合作伙伴是 w i f i 无线局域网技术。相较于w i - f i ，w i m a x 传输距离更长，能提供更快速的 无线数据通信服务，它还对安全隐患进行了修复，增加了高质量电话呼叫功能， 并具有能同时传输数据、语音和视频的能力。 对于x d s l 或者c a b l e 接入方式难以覆盖的地方，w i m a x 将是最有竞争力的 替代方案。与d s l 等有线接入相比，w i m a x 技术较少受距离和社区用户密度 的影响，对一些d s l 或者c a b l e 接入方式难以覆盖的地方，可以考虑采用w i m a x j 9 0 , i j t l f f , l l 人学硕卜研究生学位论文第一章绪论 作为臀代方案：对于一些l 临时性的聚集地，例如展会和体育赛场，w i m a x 可以 发挥快速部署的灵活性，这一点尤其适合未来在奥运项目中应用，w i m a x 部署 周期短的特点也比d s l 或者c a b l e 接入方式拼j 有更大地灵活性。 1 2i e e e8 0 2 1 6 协议的标准化发展 i e e e8 0 2l a n m a n 标准委员会是局域网和城域网标准的最权威制定者，是 局域m 和城域m 标准的世界领导者。针对固定无线宽带接入网的迅速发展，i e e e 8 0 2l a n m a n 标准委员会于1 9 9 9 年专门设立了8 0 2 1 6 工作组。该工作组的主 要任务足j i ：发宽带无线接入系统标准，包括空中接口及其相关功能标准。标准涵 盖2 6 6 g h z 的i ， ：可带宽和免许可带宽。 i e e e8 0 2 1 6 枷；准于2 0 0 2 年4 月3 日正式颁布。这个标准舰定了多q k 务点 对多点宽带尤线接入系统的空中接口，包括m a c 层和物理层。物理层频段定义 作在1 0 6 6 ( ；h z 。i e e e8 0 2 1 6 标准因为仅支持1 0 6 6 g h z 的工作频段，只能 提供町视范罔内的承载服务，市场应用受到很大限制。经过进一步完善，i e e e n ：2 0 0 3 年1 月义发布了新的扩展协议i e e e8 0 2 1 6 a 。i e e e8 0 2 1 6 a 引入了新的 物理层技术，o u 卡f j 用o f d m 来抵抗多径效应等，并对m a c 层做了进一步的强 化，= 【：作频段也扩展到2 1 1 g h z 的许可频段和非许可频段以支持非可视 ( n l o s ) 的接入方式。i e e e8 0 2 1 6 a 具有很强的市场竞争力，真正成为可用于 城域嘲的无线接入手段。i e e e8 0 2 1 6 c 标准于2 0 0 2 年1 2 月份发布，该标准更新 了8 0 2 1 6 的部分内容，列出了用于典型情况下的特征功能集合。2 0 0 4 年6 月i e e e 8 0 2 委员会通过i e e e8 0 2 1 6 d 标准，以i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 名称发布，它是运行在 2 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统的标准，是对i e e e8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 1 6 a 和i e e e8 0 2 1 6 c 的整合和修订。i e e e8 0 2 1 6 d 也是目前i e e e8 0 2 1 6 家族中最成 熟的、商刖化产品最多的标准。2 0 0 5 年1 2 月通过i e e e 正式批准的i e e e8 0 2 1 6 e 足时8 0 2 1 6 标准与8 0 2 1 6 a 的增强，支持用户站以车载速度移动，规定了一个系 统水结合崮定和移动宽带| 己线接入，规定了在基站之间或扇区之间支持高层切换 的功能。制定8 0 2 1 6 e 的目的，是提出一种既能提供高速数据业务又使用户具有 移动性的宽带无线接入解决方案。i e e e8 0 2 1 6 系列标准的比较如表1 1 所示。 表1 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准体系 十，j ：准序吁标准名称技术说明发布时间 8 0 2 1 6 i e e e 局域网平城域网 规定了多业务点对多点宽带2 0 0 2 0 4 标准第1 6 部分同定宽无线接入系统的空中接口，包括 带无线接入系统的空中接m a c 层年| 物理层，点剑多点拓扑 北京邮电丈学硕十研究生学位论文第一章绪论 口 结构，还包括一个特殊的物理层实 现方案，该方案可以j 。泛戍川丁| 1 0 6 6 g h z 之间的各种系统 8 0 2 1 6 a i e e e 局域网和城域网在2 l l g h z ( 包括许可带宽2 0 0 3 0 1 标准第1 6 部分崮定宽和免许可带宽) 的频段上，对m a c 带无线接入系统的空中接 层进行修改扩展和对物理层的补 口m a c 修改和2 1 l 充规范，并结台了a r q 等增强性 g h z 附加物理层规范能的技术 8 0 2 1 6 e i e e e 局域网和城域网对8 0 2 1 6 中的错误和矛盾进2 0 0 2 1 2 标准第1 6 部分同定宽行了修改，更新扩展了8 0 2 1 6 的 带无线接入系统的空中接 部分内容，列出了朋丁典砸情况_ 卜 口1 0 6 6 g h z 详细系的特征功能集合。其频率适用范围 统介绍为1 0 6 6 g h z 8 0 2 1 6 d i e e e 局域网和城域网8 0 2 1 6 d 的目的同8 0 2 ，1 6 c 一2 0 0 4 0 6 标准第1 6 部分固定宽样，只不过频率适川范围为2 带无线接入系统的空中接 1 l g h z 口一一2 1 1 g h z 详细系 统介绍 8 0 2 1 6 ei e e e 局域网和城域网 是对8 0 2 ，1 6 与8 0 2 1 6 a 的增 2 0 0 5 1 2 标准第1 6 部分同定宽强，支持心户站以下载速度移动， 带无线接入系统的空中接规定了一个系统米结合州定和移 口的修正低丁o g h z动宽带无线接入。规定了在基站之 许可带宽的移动业务的物间或扇区之间支持高层切换的功 理层和m a c 层修改能。适用于2 6 g h z 之间许可带 宽的移动业务 1 3 论文选题的意义 在众多的宽带无线接入技术中，w i m a x 以其独具优势的高速接入能力迅速 成为通信界的热点。表现最积极的要数英特尔公司，在向市场投放了第一批 w i m a x 芯片之后，近期英特尔又推出了首款移动w i m a x 基带芯片产品。摩托 罗拉、北电、诺基亚、华为、中兴等电信设备商的热情也非常高。除此之外，对 w i m a x 持积极态度的还有那些拥有固定无线接入经营权的传统固网运营商和 新兴运营商。原本不看好w i m a x 的势力，比如移动运营商，尤其是那些已经丌 北_ ：邮l l 土人学硕卜研究生学何论文 第一章绪论 始考虑b 3 g 和4 g 的移动运营商，过去一直对w i m a x 冷眼旁观，但随着w i m a x 的声势逐渐壮大，越来越多的运营商丌始改变自己的看法，逐步接受了w i m a x ， 比如荚的s p r i n t 和a t & t w i r e l e s s 、英国的t - m o b i l e 等。 专家预测，w i m a x 在2 0 0 7 年能够进入主流市场，2 0 0 8 年将迎来高速成长期， 2 0 0 9 年中【k l 的w i m a x 用户数有望达到8 5 0 万户，其中以城市用户为主，同时 无线宽带业务将与移动通信网络业务不断融合，促成无线通信产业的新格局。 i 叮见，w i m a x 技术是一项极具发展前景的技术，它具有广阔的市场效应与 研究价值。目前，各大厂商也正紧锣密鼓地进行w i m a x 技术的研究与开发。作 者亿读研j f j | i l j 参与了实验室“w i m a x 无线商用基站设备的研发”工作，所作的 i ：作涉及协议丰，j ：准的跟踪和学习、算法分析和系统实现。在相关项目中，作者较 多地承十u 了m a c 汇聚f 层一些功能实体的设计和软件实现工作，论文基于相关 内容的协议分析、研究和技术实现，给出了这一部分比较全面的介绍，为该系统 j r 发领域的研究和丌发人员提供一个比较全面的参考。该论文涉及的内容基本上 已绐托i 程上实现。 1 4 论文结构 本论文啁绕w i m a x 系统协议栈中的汇聚子层的研究与实现进行详细论述， 论文们内容结构安排如下： 第章“绪论”，介绍了w i m a x 这一宽带无线接入城域网技术以及i e e e 8 0 2 1 6 协议的卡，j i 准化进展，阐明本论文选题的意义和本论文的结构安排。 第_ 二章“w i m a x 系统概述”，依次介绍了w i m a x 的系统架构，i e e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 协议所规定的m a c 层和物理层规范，以及w i m a x 系统中涉及的重 要概念。本项目难是依据8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议的规定来进行系统设计和实现工作的。 第三章“w i m a x 汇聚子层的研究”，本章对m a c 中的汇聚子层进行了详细 研究和探讨。酋先介绍了面向异步传输模式( a t m ) 业务的和面向分组业务的两 科一汛聚r 层，接着重点讨论了面向分组业务的汇聚子层的功能以及其q o s 思想。 第叫章“w i m a x 汇聚子层的设计和实现”，本章基于上一章的研究结果描 述了在嵌入式系统f 实现w i m a x 系统中汇聚子层功能的软件设计和实现的细 节。首先介绍了实际丌发过程中所选用的操作系统v x w o r k s 及其丌发环境 t o r n a d o ，接着对w i m a x 系统m a c 层进行实体划分；之后详细论述了汇聚子层 的总体设计以及模块划分，并对各模块的实现给予了细节上的描述。 第j l 章“总结与展望”，对论文进行总结，指出了项目实现中的需要扩展及 改进的地方，并埘w i m a x 技术的未束发展趋势作出了展望。 4 北京邮电人学硕十研究生学位论文 第一章w i m a x 系统概述 第二章w i m a x 系统概述 本课题研究主要基于i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议标准来开发w i m a x 系统中的 m a c 层，在课题研究之初。首先要了解w i m a x 系统的组织和架构，并深刻理 解w i m a x 系统的空中接口协议。本章首先介绍了点到多点( p m p ) 和网状网 ( m e s h ) 两种w i m a x 系统网络结构；之后分析了w i m a x 协议栈中的媒体接 入控制( m a c ) 层和物理层( p h y ) ：接着对w i m a x 系统中的重要概念给予解 释。 2 1w i m a x 系统架构 w i m a x 系统由b s ( b a s es t a t i o n ) 和s s ( s u b s c r i b e rs t a t i o n ) 组成，b s 是 用来管理、控制s s 的设备，这种基站和传统移动网络的基站很相似，也叮以是 3 扇区或者6 扇区配置。s s 是用户站，用来和b s 通信。s s 可以有两种形式， 一种是类似笔记本的p c m i a 卡，另外一种是位于建筑物顶部的接收器。图2 - l 为一个三扇区的b s 。 图2 1 三扇区配置的b s w i m a x 支持p m p 和m e s h 两种网络结构。p m p 是一个b s 和多个s s 之间 构成的点到多点的通信方式，m e s h 是s s 之间借用无线通信方式，b s 和很多s s 构成的一个网状网的通信方式。 图2 2 为p m p 网络系统结构，p m p 网络是以基站( b s ) 为核心，采用点到 多点的连接方式，构建星形结构的w i m a x 接入网络。 w i m a x 连接的核心网络通常为传统交换网或因特网。w i m a x 系统提供核 心网与基站问的连接接口，但w i m a x 系统并不包括核，t l , 网络。基站( b s ) 扮 北京邮l l 人学硕十研究生学位论文第二章w i m a x 系统概述 演q k 务接入点( s a p ，s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 的角色，通过动态带宽分配技术， 罐站( b s ) 町以根捌覆盖区用户的情况，灵活选用定向天线、全向天线以及多 扇i k 技术满足大韪的用户站( s s ) 设备接入核心网的需求。必要时，可以通过中 继站( r s ，r e p e a ts t a t i o n ) 扩大无线覆盖范围。还可以根据用户群数量的变化， 灵活划分信道带宽，对网络扩容，实现效益与成本的协调。 图2 - 2p m p 网络系统结构 p m p 模足一种常用的接入网应用形式，其特点在于网络结构简洁，模式 jx d s l 等线缆接入形式相似，因此，是一种线缆替代的理想选用方案。本文主 要壤十p m p 模式进行研究。 m e s h 网络采用多个基站( b s ) 以网状网方式扩大无线覆盖区。其中，有一 个魑站作为业务接入点( s a p ) 与核心网相连，其余基站( b s ) 以无线链路与该 s a p 十f 1 连。因此，作为s a p 的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点，而其 余壁站并非简单的中继站( r s ) 功能，而是业务的接入点。图2 3 是m e s h 网络 系统结构图。 图2 3m e s h 网络系统结构图 北京邮电大学硕十研究生学位论文第一二章w i m a x 系统概述 m e s h 网络与p m p 网络最主要的不同是：在p m p 网络中。数掘交换只发生 在b s 和s s 之1 日j ；但在m e s h 网络中，数据的传输可能会经过其他的s s ，而且， 数据交换可以在两个s s 之间直接进行。 2 2w i m a x 系统协议栈分析 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议遵循了o s i 模型的通信系统分层思想，如图2 - 4 所示， 从垂直向来看，协议栈由下而上分别规定了物理层和m a c 层的技术规范，物理 层定义了双工方式、帧长度、调制编码技术等内容。m a c 层负责数据发送的调 度、无线资源的使用、链路的纠错控制等。其中m a c 又可以进一步分为三个子 层：业务特定汇聚子层( 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 r ，简称c s ) 、公共 部分子层( c o m m o n p a r ts u b l a y e r ，c p s ) 和安全子层( s e c u r i t y s u b l a y e r ) ，层与 层之间通过不同的服务接入点进行数据的传输或控制原语的交互。从水平向来 看，w i m a x 系统又分为数据面、控制面和管理面等不同的平面：其中数掘面手 要负责用户数据在m a c 层的处理和转发，如封装、加密、解封装等；而控制面 则是通过b s 与s s 之b j 特定的信令交互来完成一些系统运行所必需的控制功能， 如调度、业务流管理、网络进入等。管理平面是独立于协议的规定并为上述各层 提供网管系统进行配置的接口，它的实现基于标准的w i r e l e s sm a nm i b 。 标准筢畴 特定服务忙聚子层 _ _十精嚣张f r 弋r 订r 订广 公共部分子层 一 t 2 氅， 安全子层 1 0 安全子层一 物理层 麓嚣 一 数据控制平面! ! 管理平面 ：一一一一一一一一一一一一一一一一一。：一一一一一一一一一一一一一一一一一。 图2 - 4i e e e8 0 2 3 6 协议参考模型 m a c 层作为8 0 2 1 6 系统中的关键点，是最值得关注的地方，下面将对m a c 展丌详细的介绍。 北京邮【乜人学硕卜研究生学何论文第一二章w i m a x 系统概述 2 2 iw i m a x 系统m a c 层 m a c 层最显著的特征是：它是基于“连接”的，即所有s s 的数据业务以及 与此棚联系的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。个连接标识符( c i d ) 来唯一地标识。 存8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标准中，m a c 层定义了较为完整的q o s 机制，并通过采用 链路自适应技术和自适应重传( a r q ) 技术以提供比较高的频谱效率。m a c 层 针对每个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括速率、延时等指标。 为了史好地控制 二行数掘带宽分配，w i m a x 系统中还定义了四种业务类型： 手动授权业务( u g s ) ，实时轮询业务( r t p s ) ，非实时轮询业务( n r t p s ) 和尽力 而为业务( b e ) 。w i m a x 的m a c 层可以根据业务的需要提供实时、非实时的 不川速率要求的数据传输服务。m a c 层不仅仅是控制优先等级，还能适应杂乩 的物胖层环境，即存室外工作时遇到的干扰、快衰落和其他现象。 m a c 层包括二三个子层，从上至下分别为：特定服务汇聚子层、公共部分子 层莉f 安全子层。 2 2 1 1 汇聚子层( c s ) f i 自d ，协议定义了两种类璎的c s ：一种是面向a t m 业务的汇聚子层( a t m c s ) ，提供肘a t m 的业务支持。另一种是面向分组业务的汇聚子层( p a c k e t c s ) ， 提供对i e e e8 0 2 3 ( e t h e m e t ) 、i e e e8 0 2 1 q ( v l a n ) 、i p ( i p v 4 、i p v 6 ) 等基 于包的、i k 务的映射。 具体来说，c s 主要完成以下功能： 在发送端，对高层束的数据进行分类；对需要进行数据包头部信息压缩的数 掘流i i 缩数据包头部信息；将汇聚之后的s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ) 交给c p s ； 在接收端，接收c p s 送来的m a cs d u ；重建数据，将恢复后的数据交给高 层。本文的主体部分将对c s 进行详细讨论，这里就不再赘述。 2 2 1 2 公共部分子层( c p s ) c p s 子层提供了m a c 层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立 与维护等等。c p s 子层分数据面和控制面来分别描述。 控制面完成的功能有：系统接入、带宽分配、连接建立与连接保持等。m a c c p s 足嘶向连接的，一个连接对应一种服务。连接一旦建立，需要根据连接中 的、l k 务类璎动态的保持。比如高突发性，高分片机率特点的口服务，就需要实 - 8 一 北京邮电大学硕十研究生学位论文第一二章w i m a x 系统概述 时保持。 数据面在收发两端完成的功能不同。在发送端，根据特定的带宽资源分配， 读取适量的c sp d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 或m a c 管理信令，结合业务流传输策 略，把数据封装成合适的m a cp d u 。在封装过程中，多种机制会被采用，包括 分段( f r a g m e n t ) 和打包( p a c k ) 等。封装过程必须严格按照协议进行。而在接 收端，c p s 首先根据标准m a cp d u 格式，结合业务流传输策略，把从物理层收 到的m a cp d u 分解成m a cs d u ( c sp d u 或者m a c 管理信令) ，然后萨确识 别c sp d u 和m a c 管理信令，并转发到m a cc s 或相应的信令接收模块。当然， m a cp d u 的拆封装同样需要遵循协议的规定。 此外，w i m a x 还支持a r q 功能，该功能主要体现在c p s 数据面。也就 是说m a cc p s 还要完成a r q 的功能。 2 2 1 3 安全子层 m a c 层包含一个单独可选的安全子层来提供认证、密钥交换及加密等功能。 8 0 2 1 6 通过加密s s 和b s 之间的连接给用户提供安全接入固定宽带无线网 络的能力，此外b s 通过加密相关的业务流以禁止未经授权的访问，还给运营商 提供强大的防盗用功能。 8 0 2 1 6 标准的安全子层定义了两部分内容： 1 ) 加密封装协议： 该协议负责加密固定宽带无线接入网络中传输的分组数掘，定义了加密和鉴 权算法，以及这些算法在m a cp d u 净荷中的应用规则( 加密只针对m a cp d u 中的净荷部分，m a c 头部不被加密) 。 2 ) 密钥管理协议( p k m ) p k m 负责从b s 到s s 之间密钥的安全分发，s s 和b s 之间密钥数掘的同步， 以及b s 强迫接入网络业务。 p l ( m 采用服务器客户机模型，s s 作为客户端请求密钥，b s 作为服务器端响 应s s 的请求并授权给s s 唯一的密钥。p k m 使用c p s 予层中定义的m a c 管理消息 来完成上述功能。p k m 支持周期性地重新授权及密钥更新机制。p k m 使用x 5 0 9 数字证书( i e t fr f c3 2 8 0 ) 、r s a ( r i v e s t s h a m i r - a d l e m a np u b l i e k e ys y s t e m ) 公钥加密算法和强对称算法进行b s 与s s 之日j 的密钥交换。通过使用基于数宁证 书的认证方式，进一步加强了p k m 的安全性能。 北京| 1 1 ；【乜人学硕十研究生学位论文第一二章w i m a x 系统概述 2 2 2w i m a x 系统物理层 物理层定义了两种双工方式：时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) ，f d d 需要成对的频率，t d d 则不需要，而且可以灵活地实现上下行带宽动态调整。 这蹦种办式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数 掘，传输参数( 调制方式、编码方式、发射功率等) 可以动念调整，但是需要 m a c 层协助完成。 w i m a x 支持灵活地划分载波带宽，系统可以采用从1 2 5 2 0 m h z 之间的带 宽。考虑备个凼家已有固定无线接入系统的载波带宽划分，w i m a x 规定了几个 系列：1 2 5 m h z 的倍数、1 7 5 m h z 的倍数。对于1 0 6 6 g h z 的固定无线接入系 统，还i t ，以采用2 8 m h z 载波带宽，提供更高的接入速率。 根圳使用频段的不同，8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 分别规范了多种物理层与之相对应，如 表2 1 所示。 表2 18 0 2 1 6 d 空中接口物理层分类 物理层类型使用频段基本特点 w i r e l e s s m a n s c 1 0 6 6 g h z 许l 叮频采雌载波凋制方式视距传输1 j r 选信 段道带宽2 0 m h z 、2 5 m h z 或2 8 m h z ，上行 采j ht d m a 方式，舣j 方式l j j 采用f d d 相jt o d 。 w i r e l e s s m a n - s c a 1 1 g h z 许可频段 采川单载波调制方式，1 r 视距传输，允许 信道带宽不小r1 2 5 m h z ，上行采j h t d m a 方式，可选支持自适应大线系统 ( a a s ) 、a r q 和宅时编码( s t c ) 等， 双i ：- j j 式町采_ l jf d d 和t d d 。 w i r e l e s s m a n o f d m 1 1 g h z 许可频段采州2 5 6 个子载波的o f d m ( 正交频分复 川) 调制方式，1 视距传输可选支持a a s 、 a r q 、网格模式( m e s h ) 和s t c 等，舣 i ：方式j r 采川f d d 和t d d 。 w i r e l e s s m a n o f d m a 分类器：根据分类规则对所接收的高层数据进行分类，对应到四种q k 务 类型( u g s 、r t p s 、n r t p s 、b e ) ，然后映射到符合其q o s 要求的业务流 上。 头压缩及头压缩恢复：在发送端按照某一业务流相关联的头压缩舰则对 接收到的高层妒数据包进行头压缩( o p t i o n a l ) ：接收对端发送来的数据， 应用同一头压缩规则进行解压缩( o p t i o n a l ) 操作，恢复原始的i p 数据包。 2 c s 的控制平面 为了支持c s 的两大功能，即分类器( c l a s s i f i e r ) 与数据包头压缩。c s 的控 制面建立了以业务流d 为索引的分类规则( c l a s s i f i e r r u l e ) 表、头压缩规则( p h s r u l e ) 表。同时c s 控制面通过与c p s 控制面业务流管理模块的信息交互完成以 下功能： c l a s s i f i e rr u l e 的建立、修改和删除； p h sr u l e 的建立、修改和删除： 北京邮电人学硕十研究生学位论文第二章m a c c s 的研究 i ， ! 与收到符合新的分类规则的i p 数据包时，通知业务流管理模块激活预设 的业务流来进行承载； 当收到业务流管理模块的删除业务流的指示时，将存储的该业务流的相 关信息删除。 下而对c s 的各项功能进行详细描述。 3 2 2 功能描述 3 2 2 1 分类( c l a s s i f i c a t i o n ) c s 的核心内容是、j k 务分类。分类操作就是将进入i e e e8 0 2 1 6 网络的数据 包进i j 分类并将其映射到合适的连接。连接关联着一系列的业务流参数，这些参 数 i ；足l j0 0 s 和带宽分配相关的，会体现到数据通过物理层时的调度和发送。 也就是说，连接是从c s 丌始的。 分类器足系列映射标准的集合，分类器有优先级的不同。根据上层来的数 抓的特定的参数，选择使用不同的分类器。w i m a x 系统允许多个分类器指向同 一个、i k 务流。当存在多个不同的分类器时，它们的优先级决定了应用的顺序。因 为不刊分类器所使用的映射模式可能会有重叠，所以有必要对分类器设立优先 级。每个分类器包含一个优先级别的字段，来决定搜索使用分类器的顺序。如果 找到匹配的分类器，则会把数据包对应到相应的连接。如果没有找到，则将数据 乏弃。如果有多个分类器与数据包匹配，则选择优先级高的分类器。 对不同类型的普通l p 包，分类器内容不同。有关t c p u _ d p 数据包的分类器 内容参考表3 1 ( 本论文的研究只涉及i p v 4 数据包) 。i c m p i g m p 数据包的分类 器内锌与t c p u d p 数掘包的分类器内容相比，没有t o s 、i p v 4p r o t o c o ls o u r c e p o r t r a n g e 以及i p v 4p r o t o c o ld e s t i n a t i o np o r tr a n g e 这三个域。 袁3 1t l vi nt c p u d pc l a s s i f i e rr u l e t l v d e s c r i p t i o n c o n s t i t u t i o n p r i o r i t yp r i o r i t yf o rc l a s s i f i e rr u l e 0 - 2 5 5a n dd e f d u l t0 t o s - l o w ，t o s m l g h ， l o st o sv a l u e sr a n g e t o s m a s k p r o t l ，p r o t 2 ， ， p r o t o c o lt y p e p r o t o c o lt y p ev a l u e se n u m e r a t i o n p r o i n i p v 4m a s k e ds o u r c e m a s k e ds o u r c ea d d r e s s e se n u m e r a t i o n s f c l ，s m a s k l ， a d d r e s s s r c r t ，s m a s k n i i 、4m a s k e dd e s t i n a t m n m a s k e dd e s t i n a t i o na d d r e s s e se n u m e r a t i o n d s t l ，d m a s k l ， a d d r e s s d s t n ，d m a s k n s p o r t l o w i ，s p o r t h i g h i p v 4 p r o t o c o l s o u r c e s o u r c ep o r t sr a n g e se n u m e r a t i o n 1 ，s p o r t l o w n ， p o r tr a n g e s p o r t h i g h n 北京邮电人学硕十研究生学位论文第二三章m a c c s 的研究 d p o r t l o w l ，d p o r t h l g i p v 4p r o t o c o ld e s t i n a u o n d e s t i n a t i o np o r t sr a n g e se n u m e r a t i o n h l ，d p o r t l o w n ，d p p o r tr a n g e o r t h l g h n 1 - 2 5 5i fa b s e n t n o i fc u r r e n tc l a s s i f i e rr u l em a t c h e d ，p h sr u l ep h s ，b u t0s h o u l d a s s o e i a t e dp h s i w i t ht h i si n d e xs h o u l d b ed o n e b ec a 州e di 1 1m a c s d up h s ih e a d