（通信与信息系统专业论文）wimax空中接口技术的研究与仿真实现.pdf

摘要 w i m a x 是一种新兴的宽带无线接入技术标准。它是一项无线城域网( w m a n ) 技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种空中接口标准，被认为是解决宽带城域网 建设“最后一公里 的重要手段。 论文研究了w i m a x 的m a c 层的系统结构，并基于i e e e 8 0 2 1 6 的规范要求，对 汇聚子层进行了研究，给出了m a c 层的流程设计，并对q o s 思想进行了说明。论文 重点研究w i m a x 物理层四种结构中的m a n o f d m 和m a n o f d m a 技术，参考 i e e e 8 0 2 1 6 无线接入标准，分别对w i m a x 系统中同步、测距、信道估计的算法进行 了研究，在对原有算法分析比较的基础上进行了改进，并且用仿真验证了改进后的算 法性能。 关键词：w i m a xm a c 层物理层 a b s t r a c t w i m a xi so n ek i n do fe m e r g i n gw i d eb a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n i c a ls t a n d a r d i ti sa n t e c h n o l o g yo fw 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 ( w ，p r o p o s e do n ek i n do fs p a c e c o n n e c t o rs t a n d a r da i m sa tt h em i c r o w a v ea n dt h em i l l i m e t e rw a v ef r e q u e n c yb a n d ，w a s c o n s i d e r e di m p o r t a n tm e a n st h a ti ss o l v e st h ew i d eb a n dm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k c o n s t r u c t i o n “t h el a s tk i l o m e t e r t h et h e s i sh a ss t u d i e dt h ew i m a xm a cl e v e ls y s t e ms t r u c t u r e ，a n db a s e do nt h e i e e e 8 0 2 1 6c o d er e q u i r e m e n t ，h a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h eg a t h e r i n gs u b l a y e r ，h a s g i v e nt h em a cl e v e lf l o wd e s i g n ，a n dh a sc a r r i e do nt h ee x p l a n a t i o nt ot h eq o st h o u g h t t h et h e s i sh a ss t u d i e dm a n o f d ma n dt h em a n o f d m at e c h n o l o g ye m p h a s i l yi n w i m a x p h y s i c a ll e v e lf o u rk i n do fs t r u c t u r e ，r e f e r st ot h ei e e e 8 0 2 1 6t e t h e r l e s sa c c e s s s t a n d a r d ，t h ea l g o r i t h mw h i c ht ot h ew i m a xs y s t e mi nt h es y n c h r o n i z a t i o n ，t h er a n g ef i n d e l t h ec h a n n e le s t i m a t e dh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c hs e p a r a t e l y ，h a si m p r o v e da l g o r i t h mo nt h e o r i g i n a la l g o r i t h m i ca n a l y s i sc o m p a r i s o nf o u n d a t i o n ，a n dh a sc o n f i r m e dt h ei m p r o v e m e n t a l g o r i t h mp e r f o r m a n c e a f t e rt h es i m u l a t i o n k e yw o r d s ：w i m a xm a c l e v e l p h y s i c sl e v e l l l 缩略语 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a u t h o r i z a t i o nk e y a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b i n a r yp h a s es h i 血k e y i n g b a n d w i d t hr e q u e s t b a s es t a t i o n c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r c y c l i cp r e f i x c o m m o np a r ts u b l a y e r c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c o n v e r g e n c es u b l a y e r d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n ，c h a n g ed e l e t i o n e n c r y p t i o nc o n t r o l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e xd u p l e x i n g f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m h a l f - - f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s p r o t o c o ld a t au n i t p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t o u a f i 哆o fs e r v i c e 刚g i n g r e s p o n s e s e r v i c ed a t au n i t s e r v i c ef l o wi n d e n t i f i e r s u b s c r i b e rs t a t i o n t i m ed i v i s i o nd u p l e xo rd u p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 自适应调制与编码 授权密钥 自动重传请求 二进制相位键控调制 带宽请求 基站 连接标识符 循环前缀 公共部分子层 循环冗余检测 会聚子层 动态服务添加 动态服务添加、修改或删除 加密控制 频分双工 快速傅立叶变换 半频分双工 媒体接入控制层 城域网 正交频分复用 正交频分多址接入 协议数据单元 净荷报头压缩 物理媒质相关 服务质量 测距 响应 业务数据单元 服务流标识符 用户站 时分双工 时分复用 时分多址接入 姗 腿脚一眼i窖口鹏嗽13姒贼配啪耵一眦一一一聊|呈胁啷耋詈脚吾；善；2；i珊劂一 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，w i m a x 空中接口技术的研究与仿真实 现是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：j 籼年j 月丑日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名：迁i 茏氐4 年芝月当日 指导导师签名： 岁日 第一章绪论 随着互联网的迅猛发展和个人通信需求的快速增长，全球宽带无线接入技术呈现 出巨大的发展潜力。一方面，传统宽带固定接入用户己不满足于仅在固定环境下使用 宽带业务，更希望使用宽带接入移动服务；另一方面，传统的移动用户也不满足于简 单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化 不断促进了宽带无线接入技术的发展，i e e e 8 0 2 工作组先后制定了w l a n 和w i m a x 等 技术规范，意图能沿着固定、游牧便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化。 1 1 引言 w i m a x ( w o r l d i 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 ，全球微波接入互操作性) 是 一项基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入城域网技术，其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，可有效互操作的宽带无线接入手段。w i m a x 技术可以 替代现有的有线和d s l 连接方式，来提供“最后一公里”的无线宽带接入1 2 1 。w i m a x 将提供固定、移动、便携形势的无线宽带连接，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 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非赢利 组织。w i m a x 论坛的宗旨是促进和认证符合i e e e 8 0 2 1 6 和e t s ih i p e rm a n 标准的 宽带无线接入设备的兼容性和互操作性。 1 1 1w i m a x 发展简史 1 9 9 9 年，i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带无线接入技术规范，目 标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。目前正e e 8 0 2 1 6 主要提供两个标准： i e e e 8 0 2 1 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 。i e e e 8 0 2 1 6 d 标准于2 0 0 4 年1 0 月1 日发布，它规范了 固定接入下用户终端同基站系统之间的空中接口，主要定义空中接口的物理层和m a c 层。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的最大特点在于加入了对移动性的支持，工作在低于6 g h z 的频 段，适宜于移动性的许可频段，支持用户终端以车辆速度移动。 i e e e 8 0 2 1 6 工作组主要针对w i m a x 的物理层和m a c 层制定规范和标准。为了 形成一个可运营的网络，i e e e 8 0 2 1 6 技术必然需要其他技术的支撑，所以w i m a x 论 坛应运而生。2 0 0 1 年4 月9 日，由诺基亚、h a r r i s 、e n s e m b l e 共同发起建立了非赢利 组织- - w i m a x 论坛，它承担起了对8 0 2 1 6 系列标准的宣传推广、产品认证、一致性 测试等一系列任务。目前w i m a x 论坛的成员超过了3 5 0 个，包括多家服务供应商、 系统供应商、零部件公司和芯片制造商。 1 1 2i e e e 8 0 2 1 6 协议标准 i e e e 8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，对工作于不同频带的 无线接入系统空中接口进行了规范。i e e e 8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括i e e e 8 0 2 1 6 、 i e e e 8 0 2 1 6 a 、i e e e 8 0 2 1 6 c 、i e e e 8 0 2 1 6 d 、i e e e 8 0 2 1 6 e 、i e e e 8 0 2 1 6 f 、i e e e 8 0 2 1 6 9 共7 个标准，如表1 - 1 所示。 表1 - 1i e e e 8 0 2 1 6 系列标准 标准号负责的技术领域 i e e e 8 0 2 1 6 i e e e 8 0 2 1 6 a i e e e 8 0 2 16 c i e e e 8 0 2 1 6 d i e e e 8 0 2 1 6 e i e e e 8 0 2 1 6 f i e e e 8 0 2 1 6 9 1o 一6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 2 1 1 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统关于兼容性的增补文件 固定宽带无线接入系统空中接口标准( 1 0 6 6 g h z ，小于1 1 g h z ) 固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准( 小于6 g h z ) 固定宽带无线接入系统空中接口m i b 要求 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求 i e e e 8 0 2 1 6 d 标准是i e e e 8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟并且 最具有实用性的一个标准版本，属于固定无线接入空中接口标准，而i e e e 8 0 2 1 6 e 则 属于移动宽带无线接入空中标准。我们通常所说的w i m a x 就是8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 的 别称。 1 1 3w i m a x 技术特点 i e e e 8 0 2 1 6 技术可以应用的频段非常宽，包括l o - 6 6 g h z 频段、低于l l g h z 许 可频段和低于l l g h z 免许可频段。采用i e e e 8 0 2 1 6 技术，在提供数据业务方面具有明 显的优势，主要表现在： ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 6 支持f d d 和t d d 方式。当工作在t d d 方式时，能够根据上下行 数据量灵活分配带宽，对于上下行不对称业务具有较高的资源利用率。 ( 2 ) i e e e 8 0 2 1 6 采用o f d m o f d m a 方式，具有较高的频谱利用率，可以提供更 高的数据带宽。 ( 3 ) i e e e 8 0 2 1 6 采用按需分配带宽等资源的方式，更加适合数据业务所采用的包 交换的方式。 1 2w i m a x 的发展现状 1 2 1w i m a x 应用领域 w i m a x 论坛定义以下五种应用场景： ( 1 ) 固定应用场景：包括用户因特网接入、传输承载业务及w i f i 热点回程等； ( 2 ) 游牧应用场景：终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中； ( 3 ) 便携应用场景：用户可以在步行的模式下连接到网络，除了进行小区切换外， 连接不会发生中断； ( 4 ) 简单移动应用场景：用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘 坐公共汽车等； ( 5 ) 全移动应用场景：用户可以在移动速度1 2 0 k m h 甚至更高的情况下无中断地 2 使用宽带无线接入业务。 1 2 2w i m a x 技术优势 w i m a x 技术具有诸多优势： ( 1 ) 开销及投资风险较小：设备的互用性使运营商能从多个设备制造商处购买 w i m a x 终端设备：稳定的基于标准的平台将激发各层、网络管理、天线等技术的创新， 从而改进运营费用的问题； ( 2 ) 长距离下的高容量：w i m a x 基站可以提供最高每扇区7 5 m b i t s 的吞吐量， 可以同时为超过6 0 个t 1 级别的商业用户和上百个x d s l 数据速率的家庭用户提供接 入服务； ( 3 ) 系统容量的可升级性：新增扇区简易，灵活的信道规划使容量达到最大化， 并且允许运营商根据用户的发展来逐渐升级扩大网络，有效的服务质量控制等。 1 2 3w i m a x 的发展现状 作为一种新兴的宽带无线接入技术，w i m a x 具有很多优势。首先，它能够提供优 良的“最后一公里”网络接入服务。它可以作为d s l 等有线接入方式的无线扩展，特 别是在农村和城郊等d s l 与c a b l em o d e m 服务有效覆盖范围以外和不便于部署传统宽 带接入技术的区域，w i m a x 是一种理想的宽带接入选择。其次，w i m a x 能实现很远 的传输距离。w i m a x 能实现5 0 公里的无线信号传输距离，网络覆盖面积是3 g 发射 塔的1 0 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。最后，w i m a x 能提供高速的宽带接入。固定w i m a x 能提供的最高传输速率 是7 5 m b p s ：移动w i m a x 所能提供的最高传输速率是2 0 m b p s ，远高于3 g 的最高传输 速率。 正是由于w i m a x 的独有的技术优势，各国家和厂商纷纷致力于w i m a x 的推广 和研究。著名的市场调查公司r n c o s 在一份题为“w l m a x 市场预测( 2 0 0 6 - 2 0 1 0 ) 的最新报告中对未来五年内w i m a x 市场了全面分析报道，并称到2 0 0 9 年亚太区域的 w i m a x 用户将达到3 7 8 万，占据全球4 4 的w i m a x 用户市场。在2 0 0 5 年，亚太地 区的w i m a x 用户数量突破了八万大关。其中，在印度国内通信市场上，领先的手机 服务商和移动设备制造商阿尔卡特公司通过开展的包括无线高速传输业务在内的多种 移动服务，使印度在无线通信领域领先一步。据悉，阿尔卡特公司在提升其印度无线 研发部门的同时，还加大了在中国通信市场上的研发力度。该报告还深度分析了未来 w i m a x 市场收入以及w i m a x 相关设备的销售预测。该报告称到2 0 0 9 年，韩国所提 供的w i m a x 设备将占到总收入的4 1 。其次是中国市场，占3 3 的份额，日本居三， 略超1 8 。 同时，w i m a x 增加了移动通信方面的服务。在城域网范围内，用户无须购置新的 终端，仅用集成8 0 2 1 6 功能的笔记本电脑，就能以6 0 k m h 以上的移动速度，不间断 地享用高于3 g 十倍以上的速率构成的宽带精彩内容的服务。t i 公司今年早些时候也 加入了w i m a x 论坛。今年全年台湾w i m a x 技术消费者终端产品的销售收入将从去 3 年的2 2 6 0 万美元增长到1 5 9 亿美元。据报道，摩托罗拉公司亚太区总裁梁念坚表示， 摩托罗拉在台湾的产品研发中心将扩大其w i m a x 技术的适用范围，同时该中心还将 向其台湾的合作生产商提供互操作性测试以及其他w i m a x 用户端设备。佳世达公司 将在2 0 0 8 年年底之前推出其e d g e 厂w i m a x 双模手机。综上所述，w i m a x 技术迎来 了产品形成的第一个高峰。 据悉，北京、上海、天津、武汉、杭州、深圳已经确立无线城市计划，并在付诸 实施，w i m a x 网络建设已经在六大城市正式铺开。上海已经在嘉定区建设w i m a x 网络，嘉定利用w i m a x 做为无线传输，提供单路5 1 2 k b p s 3 m b p s 的图象传输带宽， 多个视频监控终端接入处于街道的节点，该方案比光纤接入成本低、施工简便。 1 3 论文研究的主要内容 本文主要完成对w i m a x 空中接口技术中m a c 层和物理层协议的分析与研究。 m a c 层最大的特点是面向连接。w i m a x 的物理层定义了多种工作模式，其中最常用 的是o f d m 模式。支持时分双工和频分双工两种双工方式。移动w i m a x 在加速蜂窝 移动通信技术更新换代方面也发挥了巨大作用。 本文第一章叙述了w i m a x 相关知识，包括w i m a x 的发展简史、技术特点、应 用、发展现状以及本文的结构安排。 第二章对w i m a x 的m a c 层进行详细的分析与研究。 第三章详细阐述了m a c 层协议处理过程的软件设计思路，从数据控制平面给出 了设计结构和程序流程，包括用户站和基站各自的协议流程。 第四章分析了w i m a x 物理层的主要技术特点。 第五章针对物理层中的三个关键问题：同步、测距和信道估计给予详细的研究并 在对原有算法分析比较的基础上进行改进，通过仿真给出新算法的性能。 4 第二章w i m a x 的m a c 层协议分析 2 1w i m a x 空中接口概述 无线接入技术所定义的空中接口，通常只涉及到o s i 七层协议架构中的下两层： 物理层和m a c 层。 2 1 1w i m a x 物理层特点 w i m a x 的物理层定义了多种工作模式，其中最常用的是o f d m 模式。因为它在 保持高频谱效率和最大限度利用可用频谱的同时还支持非视距的传输。w i m a x 的物理 层支持智能天线系统，用来改善基站服务的范围和容量。同时，物理层还采用了 r e e d s o l o m n 与卷积级联码的前向纠错、动态频率选择、空时编码来减小干扰。物理层 支持时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种双工方式。f d d 需要成对的频率，t d d 则不需要，而且可以灵活的实现上下行带宽的调整。 2 1 2w i 眦m a c 层特点 w i m a x 的m a c 层最大的特点是面向连接，每一个连接均由一个标识符( c i d ) 来唯一标识。而且，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、 时延和时延抖动等指标，从而为该连接建立专门的服务质量保证机制。w i m a x 的m a c 层使用由b s 安排的t d m a 协议在点到多点的网络拓扑中给用户分配容量。 2 2w i m a x 系统架构 w i m a x 系统的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 据业务以及与此相连的q o s 要求，都是在“连接”的范畴中实现的。每一个“连接 均由一个连接标识符( c i d ) 来唯一标识的。 2 2 1w i m a x 的拓扑结构 w i m a x 的m a c 层支持双向点到多点( p m p ) g l 格状网( m e s h ) 两种网络拓扑结构， 如图2 1 和2 2 所示。p m p 结构下，每一个基站( b s ) 下连若干个用户站( s s ) ，下行方 向只有b s 发送，通常采取广播的形式，向上通过b s c 连到骨干网，基站充当着路由 器的作用。上行带宽由多个s s 共享，共享方式是基于请求的。b s 同时负责上行和下 行带宽资源分配，每帧的分配结果体现在下行映射( d l - m a p ) 和上行映射( o l - m a p ) 结 构中。s s 根据d l - m a p 和u l - m a p 的规定接收和发送数据管理信令。在这种网络中 可以使用高性能的集中式无线资源分配和调度策略。 m e s h 网络也称多跳网络，是一种在无线设备间高效传输数据的非常灵活的体系 结构。网络中的用户节点不仅可以作为m e s h 网络的客户端，同时也起到m e s h 网络中 的路由器作用。与外网相连的节点被称为m e s hb s ，其他的节点都被称为m e s hs s 。在 m e s h 模式下，w i m a x 用户可以通过相邻的其他用户节点，以多跳的方式连接到骨干 网。因此，作为业务接入点( s a p ) 的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点，而 其他的基站也并不具有简单的中继站( r s ) 功能，而是业务的接入点。m 髂h 方式在频 谱资源的空间复用度、功率效率和网络覆盖能力方面有很大的优势，但是m e s h 结构需 要很复杂的控制信令，为了减小信令开销，分布式的资源调度策略更加有意义。 墓! * 一一 照” n 墅* 图2 1p m p 网络拓扑结构 图z 2m 础网络拓扑结构 m 髂h 网络与p m p 网络的最主要区别是：在p m p 网络中，数据交换只发生在b s 和s s 之间；但是在m 鹤h 网络中，数据的传输可能会经过其它的s s ，而且，数据交换 可以直接在两个s s 之间进行i 硐。 2 2 2w i m a x 网络的参考模型 图2 3 是w i m a x 网络的协议栈模型。w i m a x 系统包括两个平面，数据，控制平面 与管理平面。系统在数据，控制平面实现的功能主要是保证数据的正确传输。因此，数 据，控制平面定义了必要的传输功能，除此以外还需要定义一些控制机制来保障传输的 顺利进行。而管理平面中定义的管理实体，分别与数据5 制平面的功能实体相对应。 通过与数据胜常0 平面中实体的交互，管理实体可以协助外部的网络管理系统完成有关 的管理功能。 r 一一= 二二= = ：= = = = = = 二= = 一1一： ( 堡坠! 卜一 。厂画i 服务 聚子层 7 鬯堂璺型 c 巫巫互) 一 公共部分子层 。 酾萎习 一r 竺! ! ! 三中 安全子层 t 塞全三星i r 1 丙丽 一 管理实体 物理层 ! l j i i 塑型翌j j ! jl ! ! ! 竺竺一j 图2 3 协议栈模型 藿 麟攀垂 w i m a x 标准为无线空中接口分别定义了媒体接入控制( m a c ) 层和物理层。其 中m a c 层又可以划分为3 个子层：面向业务的汇聚子层( c s ) 、公共部分子层( c p s ) 和安全子层( s s ) 。下面分别对m a c 层中定义的3 个子层的功能作介绍。 2 3m a c 层基本工作原理 2 3 1 面向业务的汇聚子层( c s ) 面向业务的汇聚子层位于w i m a x 系统m a c 层的最顶端，通过公共部分子层提供 的媒体访问控制服务访问点( m a cs a p ) 使用下一子层提供的服务。协议定义了两种 c s 子层将上层业务映射成连接：即面向异步传输模式( 朋m ) 业务的和面向分组业务 的模式。 在8 0 2 1 6 协议里，c s 主要负责数据传送。如前所述，c s 分为数据平面和控制平 面。c s 的数据面包括数据收发、分类器、头压缩及头压缩恢复。c s 的控制平面通过 与c p s 控制面业务流管理模块的信息交互完成的功能包括建立、修改和删除c l a s s i f i e r r u l e ；建立、修改和删除p h sr u l e ；当收到符合新的分类规则的口数据包时，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。 分组子层定义了分类器的概念。分类器是一系列映射标准的集合，每个进入i e e e 8 0 2 1 6 d 网络的数据包根据分类器定义的规则映射成为连接。分类器可以通过配置得到 动态建立，s s 进入网络时也可以通过空中接口从基站侧获得【1 3 1 4 1 。m a c 层的每个连 接长度为1 6 比特的唯一标识，这种基于连接的机制是提供q o s 保障的基础。c s 子层 对于特定业务还可以进行进一步处理，如对于v o l p 业务，c s 子层支持头压缩( p h s ) ， 对i p 头进行压缩，提高了传输效率1 3 9 1 。由于目前通信网络中最大的数据业务是基于i p 的分组业务，而且w i m a x 组织仅认证与口相关的i e e e8 0 2 1 6 d 设备，因此本文主要 涉及的是分组业务子层。 2 3 2 公共部分子层( c p s ) 公共部分子层是整个m a c 层的核心，也是w i m a x 系统的核t l , 。c p s 中实现的操 作包括了系统接入、带宽分配、连接的建立和连接维护等。除了把接收到的m a c 层 s d u 映射到特定的连接并打包成m a cp d u 外，它的最主要任务是对所传输的数据实 施服务质量控制。这也是w i m a x 网络可以支持未来高速多媒体业务的关键。 2 3 2 1m a c 层p d u 格式与管理信息 m a cp d u 的格式如图2 4 所示，每个p d u 包含一个固定长度的m a c 帧头，在通 用m a c 帧头后，是m a cp d u 净荷。净荷信息长度是可变的，因此m a cp d u 也可 表示变长的字节流。m a cp d u 可以包含一个c r c ，这种c r c 能力的实现对于o f d m 物理层是必须的。 7 m s b l s b 图2 4m a c 层p d u 格式 m a c 层帧头格式有两种。一种是通用m a c 帧头，位于m a c 管理信息或c s 数 据的m a cp d u 的起始位置，如图2 5 所示。另一种是用于请求额外带宽的带宽请求帧 头，如图2 6 所示。单比特帧头类型字段用于区别通用m a c 帧头格式和带宽请求帧头 格式，o 为通用m a c 帧头，1 为带宽请求帧头。带宽请求p d u 仅由带宽请求帧头构成， 没有净荷，若s s 在下行信道上接收到带宽请求帧头，应该丢弃此p d u 。 m s b _ _ 一 e k sl e n u “ t y p c ( 6 ) 力一 、一， “ 幺vz 一 h ( 2 )名om s b ( 3 ) 叫 u il l e n l s b ( 8 ) c l d m s b ( 8 ) c l d l s b ( 8 )h c s ( 8 ) ij m s b 图2 5 通用m a c 帧头格式 l s b l - o i =l | 2t y p e ( 3 ) b r m s b ( 1 1 ) 三一 u 叫 b r l s b ( 8 )c i d m s b ( 8 ) c i d l s b ( 8 )h c s ( 8 ) l s b 图2 6 宽带请求帧头格式 带宽请求帧头需要满足以下要求：帧头的长度始终是6 字节；加密控制( e c ) 字 段必须设为零，表明没有加密；c i d 应指明是哪个连接申请上行带宽；带宽请求( b r ) 字段必须指明所申请的字节数；对带宽请求所允许的类型，0 0 0 表示递增，0 0 1 表示合 计，需要注意的是，m a c 帧头的第一个字节不能等于0 x f x ( x 表示任何值) ，以防止 误检测到传输会聚子层的填充字节。 m a c 的管理信息：w i m a x 协议定义了一套m a c 管理信息。这些信息在m a cp d u 8 的净荷中被传送。所有的m a c 管理信息以一个管理信息类型字段开始，并且可以包含 其它的字段。在基本连接、广播连接、初始测距连接中的m a c 管理信息既不被打包又 不被分段。在主要管理连接中的m a c 管理信息可以被打包或分段。在可分段广播连接 上的m a c 管理消息可以被分段【1 4 1 5 1 。对于o f d m 物理层来说，承载与基本连接、广 播连接、可分段的广播连接、初始测距连接、主要的管理连接上的管理信息应该已经 将c r c 功能激活。 2 3 2 2m a c 层p d u 的构建与传输方式 ( 1 ) 数据发送要求：在w i m a x 网络中，数据的发送必须符合以下的条件：发送 时，m a c 消息中所定义的各个域的顺序与在上一节中定义的格式一致；所有以二进制 数字出现的消息域或t l v ( t y p e l e n g t h v a l u e ) 编码，包括c r c 在内，都要按照二进 制数字本身的顺序从m s b ( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ) 开始发送；若同时存在多个s d u 或 者其分片以后的s d u ，也应该按照从上层接收时的顺序发送；定义为字符串形式的消 息域则按照字符串本身符号的顺序发送。 ( 2 ) 级联多个p d u ：在w i m a x 系统中，多个m a cp d u 可以连在一起，一并送 往接收端，这样的操作称为串联。图2 8 中的举例是上行链路上多个m a cp d u 串联在 一起，因为每个m a cp d u 都是通过其中包含的c i d 来唯一标识的，所以接收端的对 应m a c 实体能够正确地取出s d u ，并通过对应的m a c 服务访问点，交给上层应用进 行处理。在w i m a x 系统中，不论是m a c 管理消息、用户数据、还是带宽请求，p d u 都可以串联在一起发送。 臣堕 臣亟至丑匡匦卫至亚至回 c l d = 0 x 2 3 0 1c l d = 0 x 0 3 9 9c i d = 0 x 0 e f l c i d = 0 x 5 f 3 ec i d = 0 2 5 5 5 图2 8 级联多个p d u ( 3 ) 分片：分片的过程是将一个m a cs d u 或m a c 管理消息被划分成一个或多个 m a cp d u 的过程。需要强调的是，分片是首先对s d u 进行操作，而不是对p d u 。 w i m a x 系统规定，分片功能是必须实现的。一个连接所承载业务的p d u 在传输过程 中是否分片是在连接创建的时候决定的，由b s 发起的下行连接和由s s 发起的上行连 接都可能出现分片。具体映射如表2 - - 1 所示。 2 - 1 分片的状态与f c 取值的对应关系 分片的状态f c 域的取值 第一个分片 中间位置的分片 最后一个分片 没有分片 1o 11 0 1 0 0 根据连接是否使用了自动请求重传，w i m a x 的m a c 层对s d u 进行的分片操作 9 有两种，一种是非a r q 连接：对于没有使用a r q 的连接，在一个上行或者下行子帧 中，分片只能发送一次，且必须按顺序发送【1 5 1 。另一种是a r q 使能连接：a r q 使能 连接通常是指将序列号相邻的多个a r q 数据串联在一起发送。 ( 4 ) 打包：一条连接的打包功能如果被激活，则m a c 可以将多个m a cs d u 打包 成一个单独的m a cp d u 。打包通过连接的属性来指出当前连接所承载的是定长分组 还是变长分组。w i m a x 网络中的节点解包能力是必须的【3 2 】。 针对连接是否支持a r q 技术可分为四中情况： ( 1 ) 使用定长m a cs d u 的非a r q 连接。如果要对定长块进行打包操作，我们在 设置请求腊输策略时，就必须允许打包并强制分片。w i m a x 系统是通过m a c 报头中 的长度域来计算出单个p d u 中包含s d u 的个数。比如说m a cs d u 的长度端是n 个 字节，假如发送端将k 个相同长度的m a cs d u 打包成一个p d u 发送给接收端，而 m a c 报头以及所有的子报头的总长度是j 个字节。那么，m a c 报头中长度域的值就 等于n x k + j 。所以，接收端在收到p d u 之后，可以直接计算得出p d u 中所包含s d u 的个数，即k 的取值1 1 5 j 。图2 9 中一个由多个定长s d u 打包构成的p d u 的示意图， 在打包定长s d u 时，仅仅是将一串s d u 前后连接在一起，这样，系统中无谓的开销 就减少了，提高了带宽的利用率，即用分组长度的灵活性换取了更高的带宽利用率。 图2 9 非a r q 连接上定长m a c s d u 的打包 ( 2 ) 使用变长m a cs d u 的非a r q 连接。对于采用变长s d u 的连接，这就需要 用到打包子报头，如图2 1 0 所示，当一个m a cp d u 中包含多个m a cp d u 时，我们 需要设置m a c 报头中的类型域，指出打包子报头的存在。 d 变长 _ ；= 罕永r i 罕 m a cs d u 幂亘 变长 司甲 变长 队cs d u 巾当 m a cs d u l e n g t h = a 亩罾 l e n g l h = b 圃蛩 l e n g t h = c o 忡一o器3 忡j o 泳，g 萼兰藿 占 图2 1 0 非a r q 连接上变长m a c s d u 的打包 ( 3 ) 使用定长m a cs d u 的a r q 使能连接。在a r q 使能连接上，定长s d u 的打 包和非a r q 连接也一样，都支持分片操作。打包子报头中的b s n 还将被a r q 协议用 来标识丢失的s d u ，从而进入重传过程。a r q 连接上的打包也是可以包含独立的m a c s d u 或者是m a cs d u 的分片，图2 1 1 解释了打包报头不存在时，发送端如何通过分 1 0 片子报头携带分片信剧”】。图2 1 2 是打包子报头存在时，一个m a cp d u 的结构，每 一个打包的m a cs d u 或者m a cs d u 的一个分片或者a r q 反馈都必须有一个单独的 打包子报头旧。 ( 4 ) 使用变长m a cs d u 的a r 0 使能连接对于a r q 使能连接来说，m a cs d u 的长度对于打包操作没有任何影响，我们仍可以用图2 1 1 和2 1 2 来解释使用变长m a c s d u 的a r q 使能连接上的打包过程。 图2 1 1 包含扩展的分片子报头的m a cp d u 通用授权管理子报净荷( 一个s d u 或s d u净荷( 一个 m a c头( 只存在于 打包子打包子 s d u 或s d u 的 c r c 一2 3 2 报头 的一个分片或一组a r q 报头 校验 报头上行链路) 反馈信息元素) 一个分片) 图2 1 2 包含打包子报头的m a cp d u ( 5 ) c r c 值的计算t 一个m a cp d u 是否进行c r c ，取决于报头中h t 域的取值， 当h t 取值为o 时，系统将计算所得c r c 结果附加在m a cp d u 的净荷之后，也就是 说，带宽请求p d u 是不受c r c 保护的l ”j 。在w i m a x 系统中，c r c 值的计算应该包 含通用m a c 报头和净荷，此外，加密之后进行c r c 值的计算，即c r c 保护的是通用 报头和加密以后的净荷。 2 3 3 安全子层( s s ) 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t 该协议负责加密固定宽带无线接入网络中传输的分组数据， 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 l ( m ) ：p k m 负责从b s 到s s 之间密钥的安全分发，s s 到 b s 之间密钥数据的同步，以及b s 强迫接入网络业务。 安全子层为用户提供了固定接入无线网络的安全传输，它通过对b s 和s s 之间的 连接进行加密实现，也就是为用户提供隐私。b s 和s s 之间遵循一个有认证机制的c s 结构密钥管理协议，在这个协议中，b s 作为s e r v e r 控制s s 的密钥资源分发，通过对 网络上的服务流强制加密，b s 能够防止对数据传输业务未经授权的访问。此外，通过 在协议中加入了基于数字签名证书的s s 认证机制，使得系统的安全得到进一步增强。 2 4m a c 层q o s 保证机制 w i m a x 系统定义其m a c 层是面向连接的，w i m a x 网络架构在支持多种i p 服务 的同时支持基于每用户或者基于每用户每业务流的q o s ，进行许可控制和带宽管理。 能够根据运营商与用户之间的协议实现各种的q o s 策略。w i m a x 所定义的所有q o s 协议和机制都可以适用于上行或者下行链路上的业务。w i m a x 系统中定义的q o s 的 主要目的是确定最终在无线空中接口进行数据传输时的顺序和调度规则。w i m a x 系统 中m a c 层的q o s 机制包含两部分内容，一部分是关于业务流的管理，它提供了一种 实现上、下行q o s 管理机制，它是m a c 层的核心功能；另一部分是相应的q o s 保证 机制，包括调度、带宽分配