（通信与信息系统专业论文）ieee80216emac层协议的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的发展和新业务的不断涌现，通信领域显现出一些新特点：一是宽带 移动化的趋势，l i i j 传统宽带崮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 使川宽带业务，更希望使用宽带移动、l k 务；二是移动宽带化的趋势，即传统的移动用户 也1 i 满足于简单的语音、短信和低速数掘业务，希望能使用高数据速率的多媒体业务。 j t j ) - - 需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合趋势，在这样 的背景下，w i m a x 应运而生。 w i m a x 采j j8 0 2 1 6 技术标准，是一种新兴的远距离宽带无线网络技术，既适用于 人i 二j 密集的都市，也能够在乡村或城市郊区得到很好的应用，成本也较低。 本文首先在第一章对宽带无线接入和i e e e8 0 2 1 6 枷议，以及协议与w i m a x 的关 系做了一个简单的介绍；第二章从m a c 和p h y 两层描述了 j 力，议的体系结构：从第三章 了l ：女台，对8 0 2 1 6 e m a c 层协议做了深入的研究分析，并在此摹础上指f f j 了m a c 系统需 要完成的重要功能：作为文章v , j 3 三干，第四章将m a c 系统划分为多个_ 了系统，并从控 制j i - l f ；i 不t l 数据平面分别做出详细的设汁，最终在l i n u x 内核念实现了一个可以稳定运行 存p i c o c h i p - - p h y 之一k v , jm a c 软件系统。文章的第血章按照w i m a x 论坛的规范，对 m a c 系统进行了功能和性能测试，并对测试结果做出进一步分析。 关键词i e e e 8 0 2 16 ew i m a xm a c 宽带无线接入网 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 eo fn e w b 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 ir s to n ef e a t u r ei sb r o a d b a n da c c e s sm o b i l et r e n d f o rt h et r a d i t i o n a lu s e r so ff i x b r o a d b a n da c c e s si sn o ts a t i s f i e dw i t hu s i n gb r o a d b a n dj u s ta th o m eo ri no f f i c e ，t h e ye v e n w i s ht ou s em o b i l es e r v i c e so fb r o a d b a n da c c e s sa n y w h e r et h e yg o t h eo t h e rf e a t u r ei st h a t n a r r o w b a n dm o b i l es y s t e mi sc h a n g i n gt ob r o a d b a n d t h et r a d i t i o n a lm o b i l eu s e r sa r en o t s a t i s f i e dw i t hs i m p l ev o i c e ，t e x tm e s s a g i n ga n dl o w - s p e e dd a t as e r v i c e s ，t h e ya r el o o k i n g f o r w a r dt ot r a n s f o rm u l t i m e d i ad a t aa th i g hs p e e d w i m a xi saf r e s hb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yb a s e do ni e e e8 0 2 16s t a n d a r d ， i tc a nc o m b i n et h et r a d i t i o n a lb r o a d b a n da c c e s ss y s t e ma n dt r a d i t i o n a lm o b i l es y s t e mt o g e t h e r i tc a nb eag o o da p p l i c a t i o ne i t h e ri nt h er u r a lo ri nt h eu r b a nc i t y , a n dt h ec o s ti sr e l a t i v e l y l o w c r t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e dt h eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，t h ei e e e8 0 2 。16s t a n d a r d s ， a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a n d a r d sa n dw i m a x w ed e s c r i b e dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h e i e e e8 0 2 16 es t a n d a r d sf r o mm a ca n dp h y l a y e r si nt h es e c o n dc h a p t e r ad e e pa n a l y s i so n 8 0 2 。16 ew a sm a d ea n dt h ei m p o r t a n tf u n c t i o n so fm a cs y s t e mw e r ep o i n t e do u ti nt h et h i r d c h a r p e r a st h ei m p o r t a n tp a r to ft h i sa r t i c l e ，m a cs y s t e mw a sd i v i d e di n t os e v e r a l s u b s y s t e m si nc h a p t e ri v , a n dam 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 n l i n u xk e m e lw a sc o m p l e t e d i nt h ef i f t hc h a p t e lw ed ot h ef u n c t i o n a la n dt h ep e r f o r m a n c et e s t f o rt h em a cs y s t e ma c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fw i m a xf o r u m k e y w o r d s i e e e8 0 2 16 ew i m a xm a cb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，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- 二i 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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 的晚明并表示了致谢。 作者签名：盔；圣婆日期：兰型l 年月且f i 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，最f j ：学校有权保留并向国 家有天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。学校可以公析j 沦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。 本学位论文属于 1 、保密订，在型2 年 2 月 f同解密后适用本授权声明。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方格内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：丝k 月瑚l 同 日期：童! ! 互乙年厶月坐闩 第1 章绪沦 第1 章绪论 1 1宽带无线接入 伴随着i t 技术的飞速发展，信息社会的历史车轮已经不可阻挡，未来的社会必将 是信息f l ：j = i ：j ：会。信息高速公路的概念出现后，宽带数据业务取得了快速发展。目j 订，基 于光纤通信的骨干网技术基本上可以满足社会发展对信息传输的要求，而“最后一公 单”的接入问题成为制约网络发展的瓶颈，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。 接入网是指从骨干网到终端连接的最后一段路程，也是目f j 订最有希望大幅提高网络 悱能( ( j g ：- 。j s - 。而伴随着电信网络向下一代网络的转型，信息与通信产业的融合以及用户 刈各利宽带新业务的需求，传统的接入网已越来越不适应新形势，成为整个电信网的瓶 颈。接入网技术也在向着多元化的方向发展，基于不同的物理媒介，就有不同的宽带接 入手段。在各种宽带接入技术t 1 1 ，宽带无线接入( b w a ) 系统具有灵活、方便、可移动、 投资少等l j 艟优势，越来越受到j t 业界的j 泛重视【。 宽带无线接入是指接入网部分全部或部分采用无线传输的方式，为用户提供固定或 移动的接x 1 1 t l 务技术。这种技术主要有如下优点0 2 1 ： 1 快速提供服务，特别是在有线接入难以到达的地区； 2 避免高昂的安装费用； 3 能够克服传统有线网络的物理局限。 从全球通信行业的发展来看，市场催生宽带无线接入技术的进步和发展，而宽带无 线接入技术的逐步成熟也l 孕育着无线通信市场。 1 28 0 2 16 协议概述 1 2 1le e e 8 0 2 16 协议的提出 虽然宽带无线接入在市场的推动下取得了蓬勃的发展，甚至有的已经投入商。但 因为没有统一的标准，各个公司研发的产品缺少一致性和互操作性。这阻碍了i w a 接入 系统的进一步发展。为了推动宽带无线接入快速发展，i e e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 j , f 成立了 8 0 2 1 6 一j ：作组来专门开发宽带无线标准。 1 河，1 匕人。孚：l ：。学 页十学 书沦文 i e e e8 0 2 1 6 负责对无线本地环路的空中接口及其相关功能制定标准，它由三个小工 作组组成，每个小工作组分别负责不同的方面：i e e e8 0 2 1 6 1 负责制定频率为i o g 至j j 6 0 g 赫兹的无线接口标准；i e e e8 0 2 1 6 2 负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；i e e e 8 0 2 1 6 3 负责制定频率范围在2 g 至4 j 1 0 g 赫兹之恻获得频率使用许可的无线接口标准。 i e e e 于2 0 0 3 年1 月2 9 同通过了支持无线城域网( w m a n ) 酐, j 8 0 2 1 6 a 标准规范书，其频率范 围介于2 11 g h z 之间f 3 】。 8 0 2 1 6 不同于8 0 2 1l 的地方在于它提供了一个支持真正无线网络迂网的标准，开始 便着眼于声音、视频、数据的服务质量问题。这种技术可以在城域网中提供最后一公罩 的宽带接入，接入性能可与电缆、d s l 币1 1 e i t i 桐媲美。 当前，全世界都还有惊人的大片区域不能提供宽带接入，而8 0 2 1 6 无线技术则提供 了一种灵活、高效的基于标准的方法来填平目前在宽带覆盖方面存在的鸿沟。 1 2 2 ie e e 8 0 2 16 协议簇 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目i j 为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、 8 0 2 1 6 f 平n8 0 2 1 6 9 共七个标准，如表1 1 所示。其中：8 0 2 1 6 、1 6 a 、1 6 d 属于固定无线 接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中标准h 1 。 表1 ii e e e8 0 2 1 6 e 标准组制订的标准草案 8 0 2 1 6 9 罂主军言蔫霉翥登芸入的空中接口 定义基丁8 0 2 1 6 d e 标准的接入设箭的 管理接口与规程，川丁网络管理。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在1 0 - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的空巾 接口物理层和m a c 层进行了规范。出于其使用的频段较高，因此仅能应用于视距( l o s ) 第1 荦绪论 曼!曼曼曼!曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼ii一一一一 一； = o i 曼 f 输。 2 0 0 3 匀z 1 月颁4 1 i i f j 8 0 2 1 6 a 标准对之前颁稚的8 0 2 1 6 标准进行了扩展，对使用2 1 l g h z 1 ：可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空巾接口物理层和m a c 层进行了 规范。陔频段具有非视距( n l o s ) 传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 公平，通常小区 i 二径为1 0 公艰以内。另外，8 0 2 1 6 a c l , 0 m a c 层提f j t t q o s 保证机制，可支持语音和视频等 实l i i f 悱业务。 2 0 0 2 年正式发f i i 自9 8 0 2 1 6 c - 丰) j i 准是划8 0 2 1 6 h i 准的增补文件，对工作在1 0 - - - 6 6 g h z , 嘶 段8 0 2 1 6 系统的兼容性进一步规范，细舰定了1 0 - - 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的一 系列特性和功能。 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是桐对比较成熟并且最具有实用 性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对1 0 6 6 g h z 频段币1 1 1 1 g h z 频段的固定宽带无线接入空 。f i 接| 物s q j 五, om a c 层进行了详细舰范，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 层和相埘应的多个物理层。该标h l x , i 自，j 几个8 0 2 1 6 标准进行了整合和修 订，属一j ：蚓定宽带无线接入规范。它保持了8 0 2 1 6 、1 6 a 等标准中的所有模式和主要特 性，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用柬更币错误、不明确或不 完整n ，j 描述。2 0 0 4 年6 月2 3i - 1 ，i e e e 萨式批准了8 0 2 1 6 d 标准。 8 0 2 1 6 f 是2 0 0 4 年7 月份正式成立的工作纽，定义8 0 2 。1 6 固定无线接入系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及相关的管理流程。标准已在2 0 0 6 年发布。 8 0 2 1 6 9 也是2 0 0 4 年7 月份正式成立的工作组，标准制定的目的是为了规定8 0 2 1 e 管理流秤和接口，从而能够实现8 0 2 1 6 设备的互操作性并u x , j 网络资源、移动性和频谱 n 勺有效管理。8 0 2 。1 6 9 标准的主要工作是用绕管理平面进行的。该标准的制定工作目日酉 讥处。_ j ：白f 求文稿阶段，计划将在2 0 0 7 年发和。 1 2 3ie e e 8 0 2 16 e 协议 随着市场对移动性需求的增长，8 0 2 1 6 工作组在2 0 0 6 年2 且讵式发前i 了支持移动 性宽带无线接入的新标准i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 5 ( 8 0 2 。1 6 e ) 协议。 8 0 2 1 6 e 与i 玎几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准规定了可同时支持 m 定和移动宽带无线接入的系统，工作在6 g 赫兹以下适宜于移动性的许可频段，可支 | 牛川j 、终端以车载速度移动。同时8 0 2 1 6 d 规定的围定无线接入用户能力并不因此受到 1 河，i l 人学l ：学硕- l j 学 节论文 影响1 5 j 。 1 2 48 0 2 16 与wim a x 的关系 为了促进标准的发展、完善和市场推广，由世界知名通信企业联合发起了 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 yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 论坛，目的就是制定一套基于 i e e e8 0 2 16 e 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f r j 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。 由于w i m a x 宽带无线接入技术，具有的接入速率高、覆盖范围大以及支持移动。陀 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。在w i m a x 论坛的推动下，i e e e 8 0 2 1 6 和i e e e8 0 2 1 6 d 都已经 有产品投入市场，而8 0 2 1 6 e 的产品很快也将进入市场。i e e e 8 0 2 1 6 是标准的制定者， 而w i m a x 是标杆k 的推广者。 1 3wim a x 的发展现状 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。截至去年6 月底，令球 得到w i m a x 许可的企业已达到7 2 1 家。其中北美最多，共3 9 4 家；欧洲、亚洲及加锄 比与拉美地区分别为1 8 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 1 5 0 个，遍及美洲、欧洲、亚洲、非洲和大洋洲。在韩国、同本、美国、英国、法囤、 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i ：j 1 6 l 。 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，已为阁 内多家运营商部署了犏i t l i 到- ，z , 丽l l i l l j j rw 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l o m b p s 的数据下载。 中兴通讯将在伊斯兰堡为t e l e c a r d 建设一个由1 个6 扇区基站和1 7 个用户终端2 f l 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。到目前为止，中兴通讯已经在美国圣地亚哥及国内设立了三个w i m a x 研发基地， 有多项专利被纳入w i m a x 标准领域，分前i 在w i m a x 的物理层、应用层以及m a c 层。 4 第l 章绪沦 英网的固定w i m a x 接入业务于2 0 0 5 年开始部署。t e l e b r i a 公司在肯特郡， c o m m u n i t yi n t e r n e t 公司在牛津都构建了w i m a x 网，为用户提o , l j j 务。英国电信公司 在4 个农村地区试验成功的基础上，发起了一个“b t 2 4 小时无线城市”的行动，计划在 1 2 个城市部署w i m a x 网络，2 0 0 7 年2 月份投入商用。英国政府为推动w i m a x ，分 配了2 0l0 m h z 、一2 0 2 5 m h z 、2 2 9 0 m h z - 2 3 0 2 m h z 和2 5 0 0 m h z - 2 6 9 0 m h z 等频段。其基 本策略足在城t b - l l 】w i m a x 补充取代固定宽带网，在固定网不易到达的农村边远地区直 接用w i m a x 提供宽带接入业务。 法国日i j 主要是面向巾小企业提供固定w i m a x 业务。法围电信监管当局a r c e p 最近宣自i 发放3 4 g h z 3 6 g h z 的3 5 张w i m a x 运营牌照。法国政府要求到2 0 0 8 年6 j i 底必须有3 5 0 0 个基站投入使用，同时还在评估5 4 g h z 5 7 g h z 频段是否分配给 w i m a x 。 俄罗斯i 乜信运营商s t a r tt e l e c o m 与阿尔卡特合作，从2 0 0 6 年2 月开始对固定 w i m a x 网络进行测试。他们认为w i m a x 技术在俄罗斯有着巨人的发展潜力，在未来 儿年l 大j 必将成为主流宽带接入技术。e n e m a 公司已经在饿罗斯1 6 个城市完成w i m a x 网络的部署，明j f 年底i j 订完成俄罗斯2 7 个州府城市宽带无线网络的部署。另一运营商 p r e s t i g ei n t e m e t 计划投资超过5 0 0 0 力美元在俄罗斯的2 8 个城市建设w i m a x 网络，网 络建设i , j l i - 两年内完成。 最近，美国在w i m a x 部署方面还发生了两个较大的事件。一是英特尔公司和摩托 罗托公司共同向无线互联网服务商c l e a r w i r e 公司注入了9 亿美元，以推；动w i m a x 无 线宽带技术在全美的普及。其中6 亿美元来自英特尔投资公司，这是该公司有史以来最 人的一笔单项投资。选择c l e a r w i r e 公司是囚为它目前在美同约2 0 0 个城市提供基于 w i m a x 前期标准的无线互联网服务，其下载速度为1 5 m b i t s ，上传速度为2 5 6 k b i t s 。 另一事件是南方贝尔( b e l i s o u t h ) 和阿尔卡特签署阶议，将在南方贝尔实验室进行阿尔卡 特e v o l i u mw i m a x 解决方案( i e e e 8 0 2 16 - 2 0 0 5 ) 的测试。测试将在2 3 g h z 频段进行。 南方贝尔是美国酋家利用p r e w i m a x 技术进行尤线宽带商j j 推广的主要电信运营商。 1 4结论 世界各冈都积极开展了对于4 g 的研究，移动通信技术的竞争愈来愈归结为核心技 术以及4 1 1 关矢以产权的竞争。若无法在新一代移动通信技术产生的初期加入竞争行列， 河北人学i ：学硕十。：忙论文 就无法在未来的竞争中取得战略性的主动地位并获得未来产业发展所必须的核心技术 的知识产权。因此，积极开发下一代移动通信，掌握其核心技术和知识产权是非常重要， 也是非常有意义的工作。 本文论述的是当前国际上炙手可热的由w i m a x 论坛所倡导的一种宽带无线接入 技术：i e e e 8 0 2 1 6 e 协议规范中媒体接入控制层( m a c ) 的研究与实现。在跟踪协议 内容的同时，整理了协议的体系结构。然后对m a c 层的5 个方向做了深入的研究分析。 在研究分析的基础上设计出一个m a c 软件系统的框架，并最终在硬件平台上实现了 个符合w i m a x 论坛规范的8 0 2 1 6 e m a c 软件系统。其性能达到了国际领先水平。 本文的具体内容安排如下： 第一章，简单陈述了宽带无线的概念和研究状况以及本文的研究背景； 第二章，对8 0 2 1 6 e 协议的体系结构做出了初步分析； 第三章，从m a c 层的信道、帧结构、竞争接入、服务流建立和带宽分配等方而 对协议做了进一步的研究分析； 笫四章，在对协议分析的基础上，设计了一个切实可行的m a c 软件系统，并在 p p c + l i n u x 平台上成功开发出来； 第五章，对所开发出来的m a c 软件系统从功能和性能等方面做了深度测试，并 对测试结果做了简单的分析； 第六章，总结全文，并提出下一步的研究内容，以及系统需要提高的地方。 6 第2 章8 0 2 1 6 e 协议体系结构 ! i i 曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼! 皇! 曼! ! 皇! ! 曼曼曼! 曼! 曼曼! 曼! 曼曼! ! ! 曼 第2 章8 0 2 16 e 协议体系结构 i e e e 8 0 2 1 6 e 的协议栈结构1 7 】1 8 1 盎f 1 幽2 1 所示。m a c 层处于物理层之上，通过物理 层f l , j3 l l j 务接入点( s a p ，s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) p h ys a p 使j f 钉物理层所提供f l ：jr l l 曼务。 8 0 2 1 6 e 的管理功能终i ：于m a c 层，对于物理层的管理通过m a c 层进行。8 0 2 1 6 e m a c 阳管珂h 吉息库( m i b ) 提供m a c 层和物理层的4 日关信息，并通过cs a p 和ms a p 同 网络控制_ t j 管理系统( n c m s ，n e t w o r kc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m ) 交互，完成核 心川对接入设备的控制与管理功能。 图2 li e e es t d8 0 2 1 6 e 协议栈结构 2 18 0 2 16 em a c 层 i e e e 8 0 2 1 6 e 的m a c 层被分为三个子层：汇聚予层( c s ，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 ) 、m a c 公共子层( m a cc p s ，m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ) 和 安全子层( s e c u r i t ys u b l a y e r ) 。 2 1 1 汇聚子层 汇聚予层主要负责完成外部网络数据与m a c 公共予层数据之问f l , j i 蟛l , l 。它将所有 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 ，通过 m a c 服务接入点( m a c s a p ) 发送给m a c 公共予层。在这个过程中，汇聚子层对外 ：；1 纠删络数据进行分类，并将其与合适的m a c 业务流标 j j , ( s f i d ) 1 3 1 , 及连接标i ! ( c i d ) 进行 父联，网l 寸还可选择地执行负荷头压缩功能p h s t 引。 河北人学i ：。学硕十学何论文 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 1 6 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 h s ( 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 通过一定舰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j f f 3 率。p a c k e tc s 有三种模 式：8 0 2 1 q ，8 0 2 3 以太网和i p 。每种模式拙述了这种类型的数据包到8 0 2 1 6 e 连接的映 射。 2 1 2 m a c 公共子层 m a c 公兆予层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ) ，简称c p s 子层。负责提供m a c 层核心 功能，包括m a cp d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ，协议数据单元) 的构造与传输、a r q ( a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ，自动重传淆求) 机制、h a r q ( h y b r i da r q ，混合自动重传请求) 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r 乜控制和移动性支持 等。公共子层通过m a cs a p 从不同的汇聚予层接收数据，形成m a cs d u ( s e r v i c ed a t a u n i t ，服务数据单元) 。m a c 公共子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f 8 i 。 8 0 2 1 6 e 网络巾每个节点都有一个4 8 b i t 的m a c 地址，而且对于每个设备部是唯一 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l i | 一个1 6b i t 连接十，j ： 识符( c i d ) 来唯一地标识。对于所承载f l , j , j k 务，b s 会根据提供给它的信息来建立连接。 m a cp d u 的数据格式如图2 2 所示，分为m a ch e a d e r 、p a y l o a d 和c r c 三部分， 其巾，p a y l o a d 和c r c 都是可选内容。 m s bl s b g e n e r i cm a ch e a d e r p a y l o a d ( o p t i o n a l )c r c ( o p t i o n a l ) ， 甾2 2m a cp d u 的数据格式 琊2 币8 0 2 1 6 e 仂- 议体系乡占f j ： 曼曼曼寰曼! 曼! ! 皇! 曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼! ! ! 曼曼! 曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼i i ! 曼 m a c 层共提供汗i 一刁i 同的j ：行带宽调度模式，分别为： 1 ) u g s ( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) ：基站为终端j i l j 期性地分配固定长度的上行带宽。 2 ) r t p s ( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) ：基站周期性地为终端分配可变长度的上行带宽 机会。 3 ) e r t p s ( e x t e n d e dr t p s ) ：基站j 习期性地为终 - 丽i l l 分配带宽，但带宽的大小可以调 整，也会周期性的为终端分配上行带宽请求v 1 8 l 会。 4 ) n r t p s ( n o n r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) ：不定期地为终端分配可变长度的f ：行带宽。 5 ) b e ( b e s te f f o r t ) ：为终端提供尽力而为的上行带宽分配。 m a c 层需要根据这血种不同的业务类型进行调度和带宽分配。 在8 0 2 1 6 e 标准t | j ，在c p s 层定义了较为完整的q o s 机制。每个连接可以分别设 霄刁i 刚的q o s 参数，包括速率、延时等指标。可以在连接建立的时候，设定q o s 参数， 也l i j 以住数据1 譬输过程- 1 一根据需要动态地凋绉q o s 参数以更好地控制上行数据n 勺带宽 分配。通过这些机制，使得整个系统的资源分配非常的灵活，可以在满足q o s 要求的 i 】i 捉i 、尽可能地提升资源的利j j 率。 2 1 3安全子层 安全予层是m a c 层包含的一个单独可选的子层，为8 0 2 1 6 e 系统提供认证、密钥 交j 奂利加解密功能| 8 i ，也可以通过用户授权来控制网络的接入1 9 , 1 7 l t i ：t l i 务的胃用。 8 0 2 1 6 e 标7 1 e 的安全子层定义了两部分内容： ：l j l j 密封装m 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 up a y l o a d 中的应用规则( 加密只针对m a cp d u 中的 p a y l o a d 部分，m a ch e a d e r 不被加密) 。 密钏管理协议( p k m ) ：p k m 负责从b s 到m s 之问密钥的安全分发，m s 和b s 之川密 ；j j 数据的同步，以及b s 强迫接入网络业务。p k m 采用服务器客户机模型，m s 作为客户端来请求密钥，b s 作为服务器端响应m s 的请求并授权给m s 唯一的密钥。 p k m 使j t jc 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。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 n m np u b l i c k e ys y s t e m ) 公钥加密算法利强对称算法进行b s 与m s 之m 的密钐】交换。 9 河北人学l ：学硕十学何论文 2 28 0 2 16 e 物理层 物理层可以使用两种复用模式，一种是时分双t ( t d d ) ，另一种是频分双工( f d d ) 。 t d d 复用模式只支持成帧方式，f d d 模式支持成帧和不成帧两种方式。成帧方式的姆 一帧的时长都是固定的，山m a c 层的参数来控制。t d d 模式是在一帧罩面分为了上下 子帧，并且上下子帧的划分可以动念调整。 i e e e8 0 2 1 6 e b j i 准根据不同的应用情况划分了不同的物理层f 引。 1 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1 0 - - 一6 6 g h z 频段的p t m p ( 点到多点) 结构系统，具彳j l o s ( 视距) 传输的特点，可采i j f d d 或t d d 双工方式。下行方向采用t d m 方式，f 1 凋 制方式必须支持q p s k 平r 1 1 6 - q a m ，可选支持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f q p s k 。 2 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 c 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1 j 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n 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 平1 1 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 一q a m k f l 6 4 - q a m ，可选支持2 5 6 - q a m 。 3 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 1 l 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，双工方式可采刚 f d d 或t d d ，且b p s k 、q p s k 、1 6 - q a m 不n 6 4 q a m 是必须支持的调制方式；在免确：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 并i i l 6 - q a m 9 - ，可选支持6 4 一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 的幂后四舍五入至l j 2 5 0 k h z f l ：j 倍数。 4 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 l g 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i h 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 矛i i s t c 。调制方 i o 并；2 章8 0 2 1 6 c 协议f 书系乡f i 衫 式采i i j q p s k 1 11 6 一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， 仙不小于i 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 f l ；j 专输速率。 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 1 6 e 采川0 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，有可能实现频率复斤j 系数为1 ； 3 ) 较高的频谱效率，如d l 及u l 上所用的予信道化模式，在各予载波级分配 叫，具有最大灵活性； 4 ) o f d m a 中予载波在予信道r 1 的分配无需邻接，有利予实现频率分集； 5 ) 支持对每帧子载波级的传输进行优化的功率控制。予载波具有难交性，无 需像在c d m a 系统【f 1 那样严格控制功率。 5 w i r e l c 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l0 m h z 和 2 0 m i l z 。可采j t i j 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 币l i s t c 等。 河j 匕人学i 。学硕十学f 节沦文 第3 章8 0 2 16 e m a c 层协议研究分析 下面从信道、帧结构、竞争接入、服务流建立和带宽分配等方面对8 0 2 1 6 e 协议 m a c 层做进一步的研究分析。 3 1信道 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1 8 】一个子信道山多 个予载波( s u b c a r r i e r ) 构成，如图3 1 所示。 臣霉固圈甲 堕困 堕回 幽3 18 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，动念地映射到物理子信道_ j ：， 这种映射关系山m a c 层动态控制。业务信道用于承载用户数据，控制信道j t j 于承载系 统信令。 3 1 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。在卜 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。 3 1 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川。 第3 章8 0 2 1 6 e l i a c 层防议例冗分析 当终端没有任何专刖信道时，可以使用该信道向基站发送信道申请信令。专h j 控制信道 川j 二传输上行或下行控制信令，被特定的终端独占使h j 。 3 2 帧结构 8 0 2 1 6 e 协议支持1 2 5 毫秒至2 0 毫秒之f h j 的多利，帧长。8 0 2 1 6 e m a c 帧山一个时频 二维区域构成，在l j i j 域上山n 个o f d m a 符号( s y m b 0 1 ) 卡f ：j 成，在频域上山n 1 个物理子信 道卡