（电路与系统专业论文）基于ieee80216a协议基带传输系统仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的高速发展，当今的通信网络向着移动性、宽带化和综合业务 的方向发展。同时，为了保证不同设备供应商提供的产品和解决方案的兼容性， 发展基于标准的通信技术非常有必要。w i m a x 技术就是适应这一朝流的技术， 它是一项基于i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的无线宽带接入技术，可以作为“最后一公里” 接入，而且具有移动性能的标准i e e e 8 0 2 1 6 e 正在制定中。w i m a x 技术自然成 为当前通信领域发展的热点。 本文在i e e e 8 0 2 1 6a 协议规范的基础e ，深入研究s c a 系统和o f d m 系统 基带传输部分，结合产品设计的有关要求，着重研究如何建立能用于基带处理算 法验证和基带系统性能分析的定点算法仿真平台。建立了仿真平台并将经验证可 行的算法移植到物理层信道板上。另外对o f d m 系统的同步定时和频偏估计等关 键算法也进行了研究。 本文首先对w i m a x 技术的发展和它的协议规范i e e e 8 0 2 1 6 a 进行了介绍， 然后对s c a 基带传输系统仿真平台中的各个模块作了详细的介绍，包括前向控制 纠错、调制解调、接收同步、误码率测量、信号图等模块。最后提出了s c a 系统 和o f d m 系统基带传输性能分析的计算机仿真流程，详细介绍了s c a 系统各模块 之间的接口规范，并对s c a 系统的仿真结果进行了分析，同时还研究了o f d m 系 统的帧同步技术，提出了一种切实可行的算法。并进一步在建立m a c 层功能仿 真平台的基础上，提出了基于i e e e 8 0 1 1 6 a 协议的宽带无线接入设备软硬件相结 合的实现方案。 关键词：i e e e 8 0 2 1 6 a ，基带系统仿真，宽带无线接入，无线城域网，定时同步，( ) f d m a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t h t h e h i g hd e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e d e v e l o p m e n tt r e n do fn e t w o r ki sm o b i l e ，w i d e b a n da n dp r o v i d i n gi n t e g r a t e ds e r v i c e s m e a n w h i l e ，i ti sc r i t i c a lt od e v e l o pc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s eo ns t a n d a r d ，s o a st oe n s u r et h ec o m p a t i b i l i t yo fp r o d u c t sa n ds o l u t i o n sf r o md i f f e r e n te q u i p m e n t p r o v i d e r s w i m a x ，w h i c h i sab 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 yb a s e o n i e e e 8 0 2 16s e r i e ss t a n d a r d c a nb eu s e df o ran u m b e ro fa p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n g “l a s t m i l e ”c o n n e c t i o n s a n dc a nb eu s e df o rt h ec o n n e c t i o n l a s tm i l e ，a l s o t h e 1 e e e s 0 2 16 es t a n d a r d ，s u p p o r t i n gm o b i l i t y , i so nt h ew a y ，s o ，w i m a xi sh o ti nt h e “e l do fc o r n m u n i c a t i o n t h i sa r t i c l ep u te m p h a s i so nh o wt os e tu pas i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt h ev e r i f r 7 i n g o fb a s eb a n da l g o r i t h m sa n da n a l y s i so fs y s t e mp e r f o r m a n c e o nt h ed e e pr e s e a r c ho f b a s eb a n dt r a n s m i s s i o no fs c as y s t e ma n dr e q u i r eo fp r o d u c t sa c c o r d i n gt o i e e e 8 0 2 16 ap r o t o c o l ，w es e tu pas i m u l a t i o np l a t f o r ma n dp l a n tt h eo p t i m i z e dc o d e o fv e r i f i e da l g o r i t h m st op h ys y s t e mb o a r d i na d d i t i o n ，w ea l s od i ds o m er e s e a r c h o nt h ec r i t i c a la l g o r i t h m so fo f d ms y s t e m ，i n c l u d e ss y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na n d e s t i m a t i o no ff r e q u e n c yo f f s e t t h ef i r s tt w op a r to ft h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fw i m a x t e c h n o l o g y a n dc o r r e s p o n d i n gs t a n d a r di e e e 8 0 2 16 a t h e n ，ad e t a i ld e s c r i p t i o no fm o d u l e so f s c ab a s eb a n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，w h i c hi n c l u d e sf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ， m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o no fr e c e i v e r ，m e a s u r e m e n t o fb i t e r r o rr a t ea n ds i g n a lf i g u r e se t c ，w a sm a d e a tl a s tw eg i v et h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n f l o wc h a r tf o rp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs c aa n do f d mb a s eb a n dt r a n s m i s s i o n s y s t e m s ，a n dm a k ead e t a i ld e s c r i p t i o no fa l lt h em o d u l e s i n t e r f a c eo fs c as y s t e m a n dm a k ea na n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t so fs c as y s t e m s w ea l s od i ds o m e r e s e a r c ho nt h es y n c h r o n i z a t i o no fo f d ms y s t e mi nt h i sp a r ta n dc o m eu pw i t ha n a p p l i c a b l ea l g o r i t h m f u t u r e ，o nt h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o no fm a cs u bl a y e r ，a s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m b i n e dp r o d u c t sp r o j e c ti sp r o v i d e d k e y w o r d s ：i e e e 8 0 2 + 1 6 a ，b a s eb a n ds y s t e ms i m u l a t i o n ，b r o a db a n dw i r e l e s sa c c e s s ， w i r e l e s sm a n ，s y n c h r o n i z a t i o n ，o f d m ： i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：扔诲 日期：如订年f 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关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。本人授权华南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，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 杨递 叼 经即 日期：，一r 年月1 日 日期： 哆年6 月3 日 第一章绪论 第一章绪论 本章作为全文的绪论，主要介绍了w i m a x 技术近几年迅速的发展，同时介 绍了w i m a x 的技术优势及其发展趋势。最后给出了本文的主要工作。 l 1w i m a x 技术的兴起 w i m a x ( w o r l di 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 ) 是基于i e e e 8 0 2 1 6 系列 际准的无线技术，它提供高容量、长距离的宽带连接。w i m a x 技术的应用是多 方面的，它可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现无线宽带的最后一公里 缕入，也可实现与公共无线l a n 及商用无线热点的互连互通，还可以实现蜂窝 回程用途和企业网的连接。w i m a x 提供固定的、便携的宽带无线连接而不需要 基站一定在可视距离内，最终将实现移动的宽带无线连接。 2 0 0 1 年6 月，为确保不同供应商产品与解决方案的兼容性，一些设备和零件 供应商发起并成立了旨在推进和认证兼容i e e e 8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入产品 的w i m a x 论坛。该小组还将与欧洲电信标准协会( e t s i ) 合作，针对欧洲宽带 无线城域网接入标准h i p e r m a n 进行调整测试计划。目前，这一论坛的成员已有 包括英特尔、西门子、富士通、a t & t 、c o v a d 通讯等在内的近八十家成员。每一 件产品经w i m a x 论坛确认符合i e e e8 0 2 1 6 系列标准的统一规范后，就可与其 它也获得w i m a x 论坛认证的产品互连和互操作。这样，服务提供商就可以购买 几家公司的产品，而不用担心能它们能否在一起正常工作，这意味着低成本和无 线宽带行业的快速增长，极大的提高了行业的竞争性。 i e e e 在2 0 0 1 年1 2 月批准了1 0 6 6g h z 频段的最早8 0 2 1 6 无线m a n 标准。 】e e e8 0 2 1 6 标准是定点宽带无线接入系统空中接口( a i ri n t e r f a c ef o rf i x e d b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s ) ，又称为i e e ew i r e l e s s m a n 空中接口，这种 点到多点技术的研发初衷是在m a n 城域网领域提供一种性能堪与c a b l e m o d e m 、 i ) s l 或t 1 等基于线缆的传统宽带接入媲美的、工作于1 0 g h z 到6 6 g h z 频段的最 后一英里无线宽带接入技术。但后来发现，工作于2 g h z 至1 l g h z 的系统基本上 可以满足大多数无线宽带接入需求，而且由于1 1 g h z 以下无线频段范围具备较理 想的非视距特性，信号传输受树木与建筑物等影响小，可以将基站安装于建筑物 顶部，不需要安装高大的信号传输塔，因而更适合最后一英里接入领域。 2 0 0 3 年1 月，i e e e 通过了工作于2 g h z 至1 1 g h z 频段下的8 0 2 1 6 a 标准。 典型的8 0 2 1 6 a 通常由安装于建筑物上的基站或塔式基站和家庭或办公场所内的 用户接入终端组成，最大传送距离为3 1 英里( 5 0 公里) ，通常情况下的有效覆盖 范围可达4 至6 英里，在这一范围内，这一技术的非视距传输特性与穿透性都极 华南理工大学硕士学位论文 为理想。而在单一基站的2 至3 英里覆盖范围内，每区段最大数据速率是每扇区 7 5 m b d s 。与此同时，8 0 2 1 6 a 还可较好地实现与现有公共8 0 2 1 1 无线l a n 及商用 无线热点的互连互通，因而能够担当从电信核心网到家庭无线l a n 桥接重任， 进一步提高现行无线热点的利用效率。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供q o s 保证机 制，可支持语音和视频等实时性业务。这些特点使得8 0 2 1 6 a 与8 0 2 16 相比更具 有市场应用价值，真正成为用于城域网的无线接入手段。 2 0 0 4 年6 月，i e e e 批准了8 0 2 1 6 d 标准。8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 的一个修订版 本，也是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对2 - 6 6 g h z 频 段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，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 层和相对应的多个物理层。该标准对前几个标准进行 了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了8 0 2 1 6 、8 0 2 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， 或者用来更正错误、补充不明确或不完整的描述，包括对部分系统信息的增补和 修订。同时，为了能够后向平滑过渡到8 0 2 1 6 。，8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支持 用户的移动性。 目前，i e e e 正在审查8 0 2 1 6 e 标准，预计将在2 0 0 5 年中期获得批准。8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 的增强版本，该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系 统，工作在2 - 6 g h z 适于移动性的许可频段，可支持用户站以车辆速度移动，同 时8 0 2 1 6 a 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。该标准还规定了支 持基站或扇区间高层切换的功能。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，该技术被业界视为目 前唯一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术。 1 2w i m a x 的技术优势 1 2 1 自适应调制技术 8 0 2 1 6 a 标准通过采用高鲁棒的调制方案，有很高的频谱利用率，远距离下可 以达到很高的传输速率。动态调制技术可使基站在传输距离和传输速率之间做出 平衡。由于利用微波传输，信号的强度随着与基站距离的加大而急剧下降，也因 此使得信噪声比( s n r ) 也随着与基站距离的增加而降低。所以当基站不能与远 处的端站建立稳定的高阶6 4 q a m 调制时，便可将调制方式降为1 6 q a m 甚至 q p s k 调制，这样通过牺牲带宽的手段提高有效传输距离，扩大服务范围。 1 2 2 部署与配置可扩展性 8 0 2 1 6 a 支持灵活的信道带宽。运营商能够根据所拥有的许可，或无需许i t _ 频 段资源灵活规划信道带宽，并根据用户群体状况不断升级扩展网络。如对拥有 2 第一章绪论 2 0 m h z 频谱的运营商而言，既可以将其划分为2 个1 0 m h z 信道、也可以将其划 分为4 个5 m h z 信道。通过增加窄带信道，运营商可以增加用户数量，而又能保 持良好的吞吐量和传输距离。 1 2 3 高覆盖范围 8 0 2 1 6 可采用网状网( m e s h ) 的拓扑结构和智能天线技术来提高覆盖范围。 所谓网状网结构，就是每个接入点( a p ) 之间彼此相连，其最大的好处就是不必 担心无线通信时最严重的断线问题，采用m e s h 的网络结构，当某一连线中断时， 可选择其它线路进行传送。 智能天线技术有两个主要分支。波束转换技术和自适应空间数字处理技术， 或简称波束转换天线和自适应天线阵。天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪 多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪并不意味 着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道 上，移动用户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上 存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪 的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利 用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。这样通过阵列天线使发送和接收信号 极大的提高了覆盖范围，也附带提高了非法提取信号的难度，进而提高了传输的 安拿性。 】2 4 服务质量保证 现代通信网络中，传输语音的能力是非常重要的，尤其在没有得到相应业务 覆盖的地方。因些8 0 2 1 6 a 标准对于延迟反应敏感的语音和视频传输业务，提供 了q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 特性。其采用g r a n t r e q u e s t 设计的介质访问子层，能有 效防止数据包的碰撞，因此也减少了因为数据包碰撞而重新发送所浪费的资源。 由于8 0 2 1 6 a 提供了q o s ，运营商可根据不同用户提供不同等级的服务，如在同 一基站服务的扇区内，给企业用户提供优先保证的高带宽的服务质量，如t l 级 别的服务质量，而为一般用户提供“尽力而为”的低带宽的服务质量。这使得电 信运营商可灵活的采用基于8 0 2 1 6 a 标准的技术用于不同的市场。 】- 2 5 强安全性 因为8 0 2 1 6 是无线城域网技术，保密性的问题势必要去考虑，所以制定8 0 2 1 6 标准时就考虑到了保密性的问题。因此，为了保护用户信息安全、尤其是为满足 企业用户对商业应用数据安全的需求，w i m a x 技术提供了强大的隐私与加密保 护，可通过身份认证与数据加密等途径，保障数据传输安全。 3 华南理工大学硕士学位论文 1 2 6 提供无线漫游 目i ；i 逐还在制定的中的8 0 2 1 6 e 标准，有针对网络漫游问题所制定的解决方 案。关键是切换流程的实施，即将移动设备从一个基站切换到另一个基站、从一 类8 0 2 网络切换到另一类8 0 2 网络( 如从8 0 2 1 1 b 到8 0 2 1 6 ) ，甚至从有线网络切 换到8 0 2 1 1 或8 0 2 1 6 连接。目前，8 0 2 1 l 用户可以在一幢建筑物或一个热点周围 移动并保持连接，但是如果他们离开，连接就会断开。依靠8 0 2 1 6 e ，用户将能够 保持“最佳连接”，即在热点内使用8 0 2 1 1 连接，离开热点但仍然在w i m a x 服 务区内时可以连接到8 0 2 1 6 。此外，标准的确立也为设备供应商大开方便之门， 这将使设备供应商能够集中精力进行系统设计而不是开发整个端到端的解决方 案。 1 3w i m a x 的应用及发展趋势 作为一种面向最后一英里接入领域的无线m a n 技术，w i m a x 可以广泛应用 于多个宽带相关领域。尤其是在城郊和农村等d s l 与c a b l e m o d e m 服务有效覆盖 范围以外、或不便于部署传统宽带接入技术的区域，w i m a x 技术更是大有用武 之地。当前，d s l 与c a b e m o d e m 等宽带接入服务由于受技术特性等客观条件的 限制，在服务范围上有其各自的局限。如d s l 接入的有效覆盖范围仅限于中心局 三英里以内的区域，这就将许多城郊附近的区域排除在了d s l 服务之外。而 c a b l e m o d e m 的局限性主要表现在部分有线公司由于原有网络架构过于陈旧等方 面的原因，无法向网内用户提供c a b l e m o d e m 接入服务。而卫星宽带接入虽然较 少受到地理环境的限制，但服务价格过于高昂，超出了多数普通用户的承受能力。 在这种情况下，w i m a x 无疑是一种理想的宽带接入选择，并有望推动8 0 2 1 l 无 线热点与家庭或小型办公领域无线l a n 的部署。图1 1 是作为宽带无线接入的应 用。 同时，随着i e e e 8 0 2 1 1 无线热点数量的急剧增加，用户通常期望能够在离开 无线热点有效覆盖范围之后也能继续保持无线连接，作为8 0 2 1 6 a 延伸标准的 i e e e s 0 2 1 6 e 就提供了一种可以很好满足用户这类需求的解决方案，这一标准提 供漫游支持能够使用户离开家中或办公场所的无线热点覆盖范围后同样可以保持 与无线i s p 网络连接，甚至可以方便地接入另一城市的另一家无线i s p 网络。 当前，对于许多商业用户而言，宽带接入己成为一种事关业务成败的关键性 技术。而w i m a x 技术不仅可使服务商随时根据客户需要迅速提供无线宽带接入 服务，而且能够提供满足客户包括瞬间交易高峰在内的各种实时带宽需求的宽带 接入服务，使服务供应商基于无线带宽按需供应创造新的收入机会。 4 第一章绪论 图1 1w i m a x 技术的应用 f i g u r e1 - 1a p p l i c a t i o no fw i m a xt e c h n o l o g y i n t e l 在w i m a x 的发展中超到了非常关键的作用。i n t e l 通过内黄w l a n 芯 片的“迅驰”笔记本芯片获得了巨大成功，但w l a n 在技术上存在很多局限性， 如覆盖范围、使用开放频段易受干扰等问题。因此，i n t e l 希望通过w i m a x 进一 步巩固其市场霸主地位，进一步扩大无线接入的影响力。i n t e l 已经在2 0 0 4 年9 月推出了基于8 0 2 ，1 6 d 的r o s e d a l e 芯片，并计划2 0 0 6 年将8 0 2 1 6 e 的芯片植入笔 记本，实现便携性。i n t e l 预计2 0 0 8 年，内置w l a n 的笔记本将超过7 0 0 0 万， 而内置w i m a x 芯片的笔记本达到5 0 0 0 万。 目前，多家电信服务供应商、设备厂商已公布了w i m a x 芯片试用计划，并 相继发布了基于英特尔w i m a x 技术的产品。英特尔发布的w i m a x 路线图显示， 2 0 0 5 年w i m a x 技术将主要用于小企业、家庭企业和消费者市场的宽带网络；2 0 0 6 年用于手机并开始用于笔记本电脑；2 0 0 7 年w i m a x 技术将在笔记本电脑领域迅 速发展；2 0 0 8 年全球一半的笔记本电脑都将采用w i m a x 技术。但是，目前还没 有真正完全经过认证的产品上市，而且，最为关键的频谱问题还没有最终解决， 这一切成了w i m a x 技术发展的障碍。因此，w i m a x 的发展充满机遇与挑战。 1 4 课题来源及本文主要工作 本课题来源于本人参与的某通信公司开发基于i e e e 8 0 2 1 6 a 协议的宽带无线 接入产品的项目。该项目与2 0 0 3 年初起动，也就是i e e e 8 0 2 1 6 a 刚刚发布之后。 本论文研究的重点是s c a 系统和o f d m 系统中基带传输部分的性能仿真及有 华南理工大学硕士学位论文 关算法的研究，目的是开发出一个能对基带传输部分各功能模块的算法进行验证 的仿真平台，能对系统性能进行分析的定点算法仿真平台，并提出部分功能模块 的算法。 本论文的结构如下： 第一章介绍了当今流行的w i m a x 技术的兴起及发展前景，对w i m a x 技术 中的优势技术进行了分析。 第二章给出了i e e e 8 0 2 1 6 协议的概述，包括介质访问层和物理层的协议规 范，着重介绍了i e e e 8 0 2 1 6 a 的物理层技术规范。 第三章对基于i e e e 8 0 2 1 6 a 的系统物理层基带传输部分进行了研究。说明了 单载波系统中基带传输部分各个功能模块的作用，为仿真平台的建立做好了铺垫。 并简要介绍了o f d m 技术原理。 第四章在前一章对各个功能模块研究的基础上，提出了适合单载波s c a 和 o f d m 系统基带传输部分性能分析的仿真平台，详细说明了单载波系统各模块之 间的接口规范，并对单载波s c a 系统的仿真结果数据进行了分析。这些分析方法 是通信系统仿真中经常使用的。同时提出了o f d m 系统中帧同步和频偏估计等关 键技术的有关算法，可用于o f d m 系统仿真中。在进一步对m a c 层功能进行仿 真的基础上，提出了基于i e e e 8 0 2 1 6 a 的宽带无线接入设备软硬件的实现方案。 6 第二章i e e e 8 0 2 1 6 a 拂议概述 第二章i e e e 8 0 2 1 6 a 协议概述 i e e e 针对特定市场需求和应用模式提出了一系列不同层次的互补性无线技 术标准，其中已经得到广泛应用的标准系列包括应用于家庭互连的i e e e8 0 2 1 5 和应用于无线局域网的i e e e8 0 2 1 1 。而i e e e8 0 2 1 6 的提出，弥补了i e e e 在无 线城域网标准上的空白。i e e e 8 0 2 1 6 对国际无线城域网的工作频段、拓扑结构、 物理层及介质访问层、安全性、移动站漫游等待性都有较具体的技术规范。 这个标准是一系列地方和都市的网络标准的一部分。它们间的关系如图2 1 所示。 田 v - 二二二三三二二 鼹 圜圈嘲圜圜 r m m i e e es l d t 蠢。 图2 - 1i e e e 8 0 2 x 协议之间的关系 f i g u r e2 - 1r e l a t i o n s h i po fi e e e 8 0 2 xp r o t o c a l s p h y $ 瞻 l u w e r 2 1 i e e e 8 0 2 1 6 协议概述 8 0 2 1 6 固定宽带无线接入系统的参考模型如图2 2 所示。在8 0 2 1 6 协议中规 定无线系统组成包括：实现8 0 2 1 6 空中接口媒介访问控c u ( m a c ) 层及物理( p h y ) 层协议的基站( b s ) 和用户站( s s ) ，与外部网络( 骨干网和用户网) 的接口u n i 和s n i ，由m a c 和p h y 传输的服务，以及包括用户终端( t e c p n ) 、b s 连接网 络和网管设备等 2 。基站通过业务网络接口( s n i ) 直接与骨干网络或核心网络 相连，用户站一侧可以连接单个用户终端( t e ) 或一个用户驻地网( c p n ) 。通 常一个基站分为多个扇区，在不同的扇区中使用不同的信道频率与用，t 站进行通 信。 华南理工大学硕士学位论文 图2 2固定宽带无线接入系统的参考模型 f i g u r e2 - 2 r e f e r e n c em o d e lf o rf i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m 8 0 2 1 6 标准描述了一个点到多点的固定宽带无线接入系统的空中接口，包 括媒体访问控制层( m a c ) 和物理层( p h y ) 两大部分。以该系统组建的无线城域 网可提供多种业务。其m a c 层能支持多种物理层规范，以适合各种应用环境。 1 0 6 6 g h z 频段的物理环境由于是微波，要求b s 和s s 问直视( l 0 s ) ，并可忽 略多径效应。其信道带宽较大，通常是基于单载波调制的空中接口，单载波带宽 为2 5 m h z 或2 8m h z ( 我国采用) ，因此也被称为w i r e l e s s m a n s c l ”空中接口。 i e e e8 0 2 1 6 的协议栈结构如图2 3 所示。 8 0 2 1 6 协议栈很类似于a t m 的风格，事实上它的设计目标、服务类型也都 类似于a t m ，因此其复杂性也类似于a t m 。 物理层的任务是定义与实现建立、维持和拆除物理连接信道所必须的机械、 电气及功能的特性与规格。保证可靠的按比特为单位的同步与传输。例如，物理 媒体的类型及规格、连接接头规格的定义与实现，比特信号的变换及传输方式的 定义与实现。 数据链路层的基本功能是两个数据链层之间建立和维持数据链路，为网络层 提供无差错的通信服务。m a c 层的任务是在发送数据时，按某种规则从l l c 层 接收数据，然后执行媒体访问规程，查看网络，如可发送，将给数据加上控制信 息，形成帧，送往物理层。在接收数据时，从物理层接收到数据帧，并检查数据 帧中的控制信息，判断是否发生传输错误。将正确的数据去掉控制信息后送至l l c 层。l l c 层的任务是完成两通信实体问点到点链路上的数据帧传输与控制。同时 为上层提供数据报与虚电路两种不同服务。 8 第二章i e e e 8 0 2 1 6 a 协议概述 m f c ? 7 图2 - 3i e e e 8 0 2 1 6 协议栈结构 f i g u r e2 - 3 s t r u c t u r eo fi e e e 8 0 2 ，1 6p r o t o c a l 互1 1i e e e 8 0 2 1 6m a c 层概述 m a c 层由特定业务汇聚子层( c s ) ，m a c 公共部分子层( m a cc p s ) ，加密 协议子层( p r i v a c y ) 三部分组成，其中加密协议子层是可选的。 ：1 1 1 公共部分子层 m a c 层的核心部分是公共部分子层( c p s ) ，包括系统接入，带宽分配，连接 建立和连接维护等，同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量( q o s ) 控制。 p d u 数据结构 公共部分子层( c p s ) 通过服务访问点c p ss a p ( c o m m o np a r ts u b l a v e rs e r v i c e a c c e s sp o i n t ) 接收来自会聚层( c s ) 数据，形成m a c 层公共部分子层的服务数 据单元s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ) 数据包。s d u 数据包在发送前，需要再拆分或合并 成m a c 层的协议数据单元p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 才可发送，其数据格式如图 2 - 4 所示。 一个完整的p d u 是由一个4 8 比特固定长度的m a c 报头、变长的有效载荷和可 选的3 2 比特循环冗余校验( c r c ) 和组成。 9 华南理工人学硕士学位论文 m a c 头 净荷( 可选) c r c ( 可选) 图2 - 4m a c 层p d u 数据结构 f i g u r e2 - 4 m a cp d u ss t r u c t u r e 用户站接入 用户站接入过程是在端与基站在建立数据传输连接前完成的合法用户站与基 站间建立通信链路的过程，同时也是用户站完成相关性能参数初始化的过程。在 接入过程中，用户站通过管理消息与基站进行交互，获取上下行信道的参数，进 行功率和频率的调整，完成基本能力的协商，以及建立i p 连接。如果在初始化过 程中的某一步出现异常或错误，用户站将根据情况重新初始化或扫描其他可用信 道。这一完整的用户站接入过程依据实现顺序与功能的不同可分为扫描下行信道 获取与基站的同步、获取上行参数、初始测距与自动调整、用户站基本性能i 办商、 鉴权和密匙交换、注册、建立i p 连接、传输运行参数等。 连接和服务流 8 0 2 1 6 的m a c 层最显著的特征就是数据的传输是基于连接的，所有业务都 要映射到一个连接上进行传输。每一个连接均由一个1 6 b i t 的c i d ( 连接标识符) 来标识，所有的传输请求都是基于该c i d 的，服务类型也隐含在c i d 中。一个用 户站在接入网络的过程中，在每个方向上都会分配3 个管理连接【4 】用于传输管理 消息。此外，基站还会为用户站分配传输连接，用于数据的传输。此时连接以及 伴随着的相应的服务流就被提供给这个用户站。而且，当用户的业务需要改变时， 也可以新建一个连接。连接一旦建立起来以后，需要维护时，维护要求则随着连 接的业务类型不同而改变。当然，当用户的业务合约改变时，连接也可以被终止。 与连接紧密相连的服务流概念是公共部分子层协议工作的核心概念，定义了在连 接上传输的协议数据单元( p d u ) 的q o s 参数( 如延迟、抖动和流量保证等) ， 提供了上行和下行链路的q o s 管理机制。个连接分配一个对应的服务流，服务 流也可以与带宽分配过程联系在一起。上下行方向都有服务流，所有的服务流都 有基站分配的3 2 b i t 服务流标识符( s f i d ) 。 用户数据通过会聚子层被提交到公共部分子层上传输，这些消息中包含c i d ， 通过这个c i d 映射到该连接的服务流上。根据服务流的特征可以把服务流分为不 同的类别，从而使得上层实体和外部请求可以根据所需的q o s 选择不同的服务 流。一旦连接建立起来，它将一直保持，直到收到要求终止的消息。 1 0 第二章i e e e s 0 2 1 6 a 协议概述 带宽的分配和q o s 机制 带宽请求和分配是m a c 层的一个重要功能，在固定宽带无线接入系统中， 各用户站采用t d m a 方式共享上行信道，用户站首先提出带宽请求，向基站i 二报 业务量信息，基站根据整个系统的业务量来分配空中带宽资源。i e e e 8 0 2 1 6 中并 没有明确规定具体的带宽分配算法，各个设备供应商可以自行开发。 i e e e 8 0 2 1 6 的m a c 层协议下行信道的分配比较简单，因为只有基站在发送。 上行信道的分配则比较复杂，因为所有用户都会竞争发送，信道的分配与每个用 户所要求的服务质量有关。上行通道分配带宽时常采用的是一种基于预留的集中 控制方式。上行通道可以看作是由竞争的和预留的发送时机( t r a n s m i t o p p o r t u n i t y ) 动态组成的微时隙( m i n i s l o t ) 流。 按需分配多址接入( d a m a ) 服务则定义了按需求分配带宽的机制。当一个 用户站需要为某一业务请求带宽时，它将向基站发送一个带宽请求消息，基站则 按相应方式分配带宽资源。 8 0 2 1 6 协议中预先规定了4 种上行基本业务：主动提供的带宽分配业务u g s ( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 、实时轮询业务r t p s ( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 、非 实时轮询业务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 ) 和尽力而为b e ( b e s te f f o r t s e r v i c e ) 。所有服务都是面向连接的，每个连接在建立时就要确定使用哪一种服 务。u g s 是具有固定定比特率的数据业务，如a t m 的c b r ( 固定比特率) 业务、 t 1 e 1 及v o i c e o v e r i p 等业务；该服务要求在预定的时间内发送预定数量的数据， 因此可通过给每个这样的连接指定专用时隙来实现。r t p s 是实时可变比特率业务， 用于传输经过压缩的如m p e g 等多媒体信息或其它软实时应用，这些应用在每个 时问段内要求传输的数据量可能不同，因此基站周期性地轮询这些用户，询问当 前需要多少带宽。n r t p s 是非实时可变比特率业务，用于传输非实时的但流量比较 大的数据，如f t p 业务。基站会经常轮询这些用户，但不是严格按周期来询问。 一一个恒定比特率的用户也可以向基站请求轮询它，以便发送额外的数据。如果一 个用户站连续k 次轮询没有响应的话，该站会被放入一个多播组，并且不再去单 独询问它。当多播组被轮询到时，该组中的任何站点都可以响应，竞争服务。这 样，流量小的站就不会浪费宝贵的轮询机会。b e 即尽力而为业务用于其它的数 据传输。使用这种服务的站点不会被轮询到，他们必须与使用该服务的其它站点 竞争。用户请求带宽时，必须在上行传输映像中标记为可用于竞争的时隙中发送 带宽请求。 通过这四种上行规定业务以及相应的q o s ，基站可以预期上行数据的吞吐量 及处理时问，并在适当的时间提供查询或分配带宽。除了非压缩固定比特速率的 u g s 业务之外，其他业务可在数据传输过程中增加或减少带宽分配。 华南理工大学硕士学位论文 m a c 层管理消息 i e e e 8 0 2 1 6m a c 层定义了4 3 种管理消息，用于维护w i m a x 系统的正常运行 和管理。这些消息是携带在m a cp d u 的数据载荷部，用户根据m a c 头内的c i d 判断有效载荷中包含的是普通数据还是管理消息。基站对用户站的一些控制功能 就是通过发送这些管理消息实现的，并在通信过程中提供一种动态的服务，分别 用于卜下行信道描述、系统接入、注册、带宽资源申请、动态服务管理和接入认 证等。管理消息按其优先级和对时延的要求从高到低依次分为基本( b a s i c ) 、主要 ( p r jm a r y ) 、辅助( s e c o n d a r y ) 3 种。 2 1 1 2 会聚子层 8 0 2 1 6 协议除传输8 0 2 系列的l l c 、m a c 和p h y 各层外，还传输对应于承 载服务要求的各种上层协议。会聚子层根据提供服务的不同，提供不同的功能。 对于8 0 2 1 6 来说，能提供的服务包括数字音频视频广播、数字电话、异步传输 模式a t m 、因特网接入、电话网络中无线中继和帧中继等：8 0 2 1 6 标准中定义 了两种类型的会聚子层：a t m 会聚子层和数据包会聚子层。 会聚子层的主要作用就是对上层的业务数据单元( s d u ) 进行分类，负责将 其业务接入点( c ss a p ) 收到的外部网络数据( s d u 业务数据单元) 转换和映射 成m a cs d u ，并传递到m a cc p s 层业务接入点( m a cs a p l 。这具体包括对外 部网络数据( s d u ) 执行分类，并关联到适当的m a c 业务流( m a cs e r v i c ef l o w ) 和 连接标识符( c i d ) - ，甚至可能包括净荷头抑制( p h s ) 等功能，从而确保不同业务 的q o s 。 上下层的地址映射是通过会聚子层的分类鉴别器完成。分类鉴别器是运用在 每一个进入8 0 2 1 6 网络的数据包上的一套匹配标准，它由一些协议特性所规定的 数据包匹配标准( 如目标i p 地址等等) 、一个分类优先级以及对一个c i d ( 连接 标识符) 的映射关系组成。如果一个数据包与某个特定的数据包的匹配标准相匹 配，那么该数据包将被发送到服务访问点( s a p ) ，由c i d 所对应的连接进行传 输，对应于该连接的业务流特性对数据包的传输提供了q o s 的支持。下行数据的 分类在基站侧进行，而上行数据的分类则在用户站侧进行。 2 1 1 3 加密子层 无线网络使用无线介质进行数据传输，任何具有接收能力的设备都可以随时 进行网络窃听，因此，对于无线网络而言，安全问题比较严重。一般无线网络至 少存在两大安全威胁：非法访问和窃听，相应于无线网络的认证和保密问题。 i e e e 8 0 2 1 6 协议在m a c 层定义的加密子层就是用于解决这两个问题，即完成b s 对s s 的身份鉴别认证和，以及实现b s 和s s 间的安全通信。加密子层包括两