WiMAX媒體接入控制協(xié)議研究與系統(tǒng)設(shè)計

摘要　文章首先對IEEE 802.16 MAC協(xié)議控制平面關(guān)鍵技術(shù)進行分析，然后介紹靈活可移植的WiMAX MAC軟件系統(tǒng)FPWiMAC的設(shè)計，最后給出了FPWiMAC的測試情況。測試結(jié)果表明，F(xiàn)PWiMAC功能齊全，性能優(yōu)良，并且符合IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)組和WiMAX論壇制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

1、引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，通信領(lǐng)域呈現(xiàn)出寬帶移動化和移動寬帶化的趨勢，寬帶性和移動性成為下一代通信網(wǎng)絡(luò)的兩個重要特征。在這樣的背景下，IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)組和WiMAX論壇共同推出了寬帶無線城域網(wǎng)（BWMAN，Broadband Wireless Metropolitan Area Networks）。

IEEE 802.16d和802.16e是BWMAN無線接入部分（BWA，Broadband Wireless Access System）的空中接口協(xié)議，定義了固定和移動BWA系統(tǒng)的媒體接入控制層（MAC，Media Access Control）和物理層（PHY，Physical Layer）規(guī)范。本文對IEEE 802.16d/e協(xié)議的MAC層技術(shù)進行分析研究。

2、802.16 MAC協(xié)議研究

IEEE 802.16無線接入網(wǎng)絡(luò)包括802.16d基站（BS，Base Station）、802.16d用戶站（SS，Subscriber Station）、802.16e基站和802.16e移動臺（MS，Mobile Station）4個網(wǎng)絡(luò)實體。下文中，802.16d和802.16e基站被統(tǒng)稱為基站，用戶站和移動臺被統(tǒng)稱為終端。

由于篇幅限制，本文只涉及PHY層采用正交頻分多址接入（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）模式和MAC層采用點對多點（PMP，Point-to-Multipoint）模式的規(guī)范，對MAC層控制平面中的入網(wǎng)控制、連接管理和帶寬分配等關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

2.1　入網(wǎng)控制

終端競爭接入成功后，進入入網(wǎng)過程，以注冊到網(wǎng)絡(luò)，使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。入網(wǎng)過程包括初始測距、基本能力協(xié)商、密鑰交換和注冊4個步驟。

（1）初始測距

基站收到測距請求CDMA（Code Division Multiple Access）碼后，向終端廣播測距應(yīng)答（RNG-RSP，Ranging Response）消息和包含CDMA Allocation IE（用于描述分配給終端的專用于發(fā)送測距請求的上行控制信道）的UL-MAP消息。終端根據(jù)RNG-RSP中的指示調(diào)整頻率偏移、時間偏移和功率偏移，在上行控制信道上發(fā)送測距請求消息（RNG-REQ，Ranging Request）�；�站收到RNG-REQ消息后為終端分配兩個專用控制信道（用于后續(xù)信令的發(fā)送），將信道分配信息通過RNG-RSP單播告知終端。

（2）基本能力協(xié)商

終端收到單播給自己的RNG-RSP，從中獲知可以使用的專用控制信道后，將支持的基本能力參數(shù)包含在基本能力請求消息（SBC-REQ，SS Basic Capability Request）中發(fā)送給基站�；�站收到SBC-REQ后，進行能力參數(shù)對比，將雙方都支持的能力參數(shù)包含在基本能力應(yīng)答消息（SBC-RSP，SS Basic Capability Response）中單播告知終端。終端解析SBC-RSP，從而確定在以后的通信過程中應(yīng)該使用的能力參數(shù)。

（3）密鑰交換

完成基本能力協(xié)商過程后，終端將安全參數(shù)包含在密鑰管理請求消息（PKM-REQ，PKM Request）中發(fā)送給基站。基站收到PKM-REQ后，對終端進行認(rèn)證，并確定在以后通信過程中使用的密鑰等安全參數(shù)。協(xié)商完畢的安全參數(shù)被包含在密鑰管理應(yīng)答消息（PKM-RSP，PKM Response）中單播告知終端。只有通過認(rèn)證的終端才被授權(quán)進行注冊過程。

（4）注冊

通過認(rèn)證并完成密鑰交換后，終端將支持的高級能力參數(shù)包含在注冊請求消息（REG-REQ，Registration Request）中發(fā)送給基站�；�站收到REG-REQ后，對比能力參數(shù)，將雙方都支持的高級能力參數(shù)包含在注冊應(yīng)答消息（REG-RSP，Registration Response）中單播告知終端。若該終端為可管理終端，基站為其分配一個專用控制信道，用于傳輸IP地址、時間同步信息和配置文件等上層數(shù)據(jù)。只有注冊成功的終端才能使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2.2　連接管理

802.16接入網(wǎng)是面向連接的，終端和基站之間使用連接來傳輸各種控制信令和用戶數(shù)據(jù)。傳輸控制信令的連接被稱為信令連接，傳輸用戶數(shù)據(jù)的連接被稱為數(shù)據(jù)連接。每個連接由一個16位的連接標(biāo)識符CID（Connection Identifier）進行標(biāo)識。

信令連接在MAC層又被稱為管理連接。管理連接可以分為三類：基本管理連接、主管理連接和次管理連接。數(shù)據(jù)連接在MAC層又被稱為傳輸連接。傳輸連接對應(yīng)的連接標(biāo)識符被稱為傳輸CID（Transport CID）。上層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在匯聚子層被映射到傳輸CID上進行傳輸。

服務(wù)流是802.16系統(tǒng)中實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Service）保證的重要機制。一條提供特定QoS的單向數(shù)據(jù)包流被定義為一條服務(wù)流。每條服務(wù)流由一個32位的服務(wù)流標(biāo)識符SFID（Service Flow Identifier）進行標(biāo)識。

服務(wù)流可以分為三類：指派（Provisioned）服務(wù)流、接納（Admitted）服務(wù)流和激活（Active）服務(wù)流。接納服務(wù)流通過了系統(tǒng)的接納控制，系統(tǒng)為其預(yù)留帶寬資源，但并不能直接用于傳輸數(shù)據(jù)，只有轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ罘��?wù)流后才能傳輸數(shù)據(jù)。一條接納或激活服務(wù)流與一條連接唯一對應(yīng)，服務(wù)流的QoS保證就成為連接的QoS保證。

服務(wù)流管理操作通過動態(tài)服務(wù)流管理過程完成。動態(tài)服務(wù)流管理包括動態(tài)服務(wù)流添加（DSA，Dynamic Service Addition）、　修改（DSC，Dynamic Service Change）和刪除（Dynamic Service Deletion）三個過程。一個通過DSA過程建立的服務(wù)流，可以通過DSC過程進行修改，使用完畢后可以通過DSD過程進行刪除。圖1給出了動態(tài)服務(wù)流建立過程的信令流程。

圖1　動態(tài)服務(wù)流建立過程

2.3　帶寬分配

連接與服務(wù)流提供了一種有服務(wù)質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)傳輸機制。要將用戶數(shù)據(jù)按照所期望的服務(wù)質(zhì)量進行傳輸，必須為連接分配相應(yīng)的帶寬。帶寬分配在基站和終端上分別進行�；�站帶寬分配包括下行和上行帶寬分配，下行帶寬分配由下行調(diào)度器完成，上行帶寬分配由上行調(diào)度器完成。終端帶寬分配由分組調(diào)度器和帶寬請求生成器完成。圖2顯示了802.16系統(tǒng)中的帶寬分配框架。

圖2　802.16帶寬分配框架

3、FPWiMAC系統(tǒng)設(shè)計

在對協(xié)議進行深入分析和研究的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了IEEE 802.16MAC層關(guān)鍵算法和一個靈活可移植的WiMAX MAC軟件系統(tǒng)FPWiMAC（Flexible and Portable WiMAX Medium Access Control System）。

FPWiMAC面向研究機構(gòu)和設(shè)備生產(chǎn)商而設(shè)計，其設(shè)計目標(biāo)包括：

（1）高度可移植性：MAC軟件核心部分獨立于操作系統(tǒng)、物理層實現(xiàn)和硬件平臺。

（2）靈活性：方便算法實現(xiàn)和驗證。

（3）可擴展性：方便加入新功能。

（4）穩(wěn)定性和高性能：面向商用，用于設(shè)備生產(chǎn)商二次開發(fā)或直接集成到設(shè)備中。

為了達到上述目標(biāo)，F(xiàn)PWiMAC被設(shè)計為由一個靈活健壯的框架和一系列高性能算法構(gòu)成。由于篇幅限制，本文不對算法進行介紹，下面僅介紹系統(tǒng)設(shè)計中的幾項關(guān)鍵技術(shù)。

3.1　軟件層次結(jié)構(gòu)

圖3給出了FPWiMAC的軟件層次結(jié)構(gòu)。

圖3　FPWiMAC軟件層次結(jié)構(gòu)

3.2　操作系統(tǒng)抽象層和物理層管理子系統(tǒng)

FPWiMAC使用操作系統(tǒng)抽象層和物理層管理子系統(tǒng)兩個概念來實現(xiàn)高度可移植性，如圖4所示。操作系統(tǒng)抽象層使用多個OS封裝器屏蔽操作系統(tǒng)特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)接口，使FPWiMAC核心部分能透明地訪問特定接口。物理層管理子系統(tǒng)使用PHY適配器屏蔽底層硬件平臺和物理層實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，使FPWiMAC核心部分能透明地使用物理平臺提供的服務(wù)。

圖4　OS封裝器和PHY適配器

3.3　核心數(shù)據(jù)庫和算法庫

FPWiMAC使用核心數(shù)據(jù)庫和算法庫來實現(xiàn)靈活性和可擴展性，如圖5所示。核心數(shù)據(jù)庫用于保存管理平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面的各種信息。算法庫用于封裝MAC層各種關(guān)鍵算法，只需按照預(yù)定義的庫接口實現(xiàn)某一算法，便能在FPWiMAC中對該算法進行驗證，而無需了解FPWiMAC其它部分的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

圖5　核心數(shù)據(jù)庫與算法庫

4、FPWiMAC測試結(jié)果

我們實現(xiàn)了用于16d/16e基站和終端的4個軟件系統(tǒng)：FPWiMAC-16dBS，F(xiàn)PWiMAC-16dSS，F(xiàn)PWiMAC-16eBS和FPWiMAC-16eMS。基于FPWiMAC軟件系統(tǒng)與相關(guān)的物理平臺，我們設(shè)計并開發(fā)了WiMAX基站和終端原型系統(tǒng)，將原型系統(tǒng)構(gòu)成試驗網(wǎng)絡(luò)，對FPWiMAC進行了測試。測試場景如圖6所示。下面給出部分測試結(jié)果。

圖6　測試場景示意圖

4.1　功能測試

測試表明，F(xiàn)PWiMAC包含但不限于如下功能：

（1）802.16d BS允許多個802.16d SS同時接入，802.16e BS允許多個802.16d SS和802.16e MS同時接入；

（2）支持CDMA初始測距、CDMA周期性測距、CDMA切換測距和CDMA帶寬請求；

（3）支持快速信道反饋，根據(jù)信道測量和報告結(jié)果對信道進行管理；

（4）跟蹤信道變化，自適應(yīng)調(diào)整調(diào)制編碼方式；

（5）對終端進行入網(wǎng)控制，包括測距控制、基本能力協(xié)商、密鑰交換、認(rèn)證授權(quán)控制和注冊控制；

（6）支持多條不同服務(wù)類型、不同服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)流和連接；

（7）支持多種業(yè)務(wù)類型，包括UGS（Unsolicited Grant Service）、RT-VR（Real-Time Variable Rate Service）、NRT-VR（Non-Real-Time Variable Rate Service）、BE（Best Effort Service）和ERT-VR（Extended Real-Time Variable Rate Service）；

（8）支持多種上行調(diào)度類型，包括UGS、rtPS（Realtime Polling Service）、nrtPS（Non-real-time Polling Service）、BE和ertPS（Extended rtPS）；

（9）支持BS和SS/MS主動發(fā)起的服務(wù)流建立/修改/刪除操作；

（10）支持頭壓縮和業(yè)務(wù)快速分類；

（11）支持異種業(yè)務(wù)的不同調(diào)度方法和帶寬分配方法；

（12）支持同種業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量需求；

（13）支持多種服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，包括業(yè)務(wù)優(yōu)先級、時延和最小速率等；

（14）根據(jù)帶寬分配情況，對協(xié)議數(shù)據(jù)單元SDU進行分片、打包和填充；

（15）支持自動重傳請求ARO和HARQ；

（16）支持功率控制、休眠模式和空閑模式；

（17）支持移動性管理、硬切換和多種切換策略；

（18）支持802.16f/802.16iMIB庫和802.16g管理接口；

（19）同時支持IPv4業(yè)務(wù)和IPv6業(yè)務(wù)；

（20）同時支持網(wǎng)絡(luò)層路由和鏈路層交換。

4.2　性能測試

（1）參數(shù)配置（見表1）

表1　參數(shù)配置

表2　測試結(jié)果

4.3　一致性測試

（1）遵循IEEE 802.16d-2004標(biāo)準(zhǔn)[1]、IEEE 802.16e-2005標(biāo)準(zhǔn)[2]和IEEE 802.16修訂草案[3]；

（2）支持IEEE 802.16f[4]、802.16i[5]和IEEE 802.16g[6]標(biāo)準(zhǔn)草案；

（3）符合WiMAX論壇系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)[7]、協(xié)議一致性測試標(biāo)準(zhǔn)[8]和互操作性標(biāo)準(zhǔn)[9，10，11]。

5、總結(jié)與展望

本文在對寬帶無線城域網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.16MAC協(xié)議進行分析研究的基礎(chǔ)上，　設(shè)計了一個靈活可移植的FPWiMAC軟件系統(tǒng)。我們實現(xiàn)了用于WiMAX基站、用戶站和移動臺的4個MAC軟件系統(tǒng)，并在開發(fā)的設(shè)備原型系統(tǒng)上構(gòu)建了試驗網(wǎng)絡(luò)。試驗測試結(jié)果表明，PPWiMAC軟件系統(tǒng)功能齊全、性能優(yōu)良、符合標(biāo)準(zhǔn)，并具有良好的健壯性、可靠性、穩(wěn)定性、易移植性、易擴展性和靈活性。目前，F(xiàn)PWiMAC軟件已被國內(nèi)外多家研究機構(gòu)和設(shè)備生產(chǎn)商購買。

基于單天線FPWiMAC軟件系統(tǒng)，我們正在研制適用于多天線系統(tǒng)的MIMO-FPWiMA。MIMO-FPWiMAC針對多輸入多輸出天線系統(tǒng)（MIMO，Multiple Input and Multiple Out put），將應(yīng)用于大規(guī)模高端無線接入設(shè)備。

參考文獻

【1】　IEEE Std 802.16d.Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access systems[S].2004.

【2】　IEEE Std 802.16e.Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment 2:Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and Corrigendum 1[S].2005.

【3】　IEEE P802.16-Cor2-D3.Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Corrigendum 2[S].2007.

【4】　IEEE Std 802.16f.Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access systems Amendment 1：Management Information Base[S].2005.

【5】　IEEE P802.16i-D2.Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Draft Amendment：Management Information Base Extensions[S].2007.

【6】　IEEE P802.16g-D9.Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access systems Amendment 3：Management Plane Procedures and Services[S].2007.

【7】　WiMAX Forum Mobile System Profile.Revsion 1.4.0[R].2007.

【8】　WiMAX Forum Mobile Protocol Implementation Conformance Statement（PICS）Proforma.V1.0.0[R].2006.

【9】　WiMAX Forum Plugfest Mobile3-Guidelines for Scenarios and Profiles for Vendor Interoperability between Mobile WiMAX devices.vM3.0.8[R].2006.

【10】　WiMAX Forum MIOT-Wave 1 Mobile InterOperability Tests.V1.1.0[R].2007.

【11】　WiMAX　Forum MIOT-Wave 2 Mobile InterOperability Tests.V2.0.O[R].2007.