[硕士论文精品]ieee802.16e终端mac层处理芯片的研究与设计

上海交通大学工程硕士学位论文摘要第I页上海交通大学工程硕士学位论文IEEE80216E终端MAC层处理芯片的研究与设计摘要IEEE80216协议是IEEE组织推出的无线宽带协议,IEEE制定的80216标准是设计用来实现固定用户（第一代标准，802162004）和移动用户（第二代标准，80216E）的无线宽带数据连接。由于提供了丰富的QOS服务类型，80216网络可以为语音、数据、视频提供高速的无线连接。为了促进80216标准的发展，由多个厂商和机构组成了WIMAX论坛（WORLDWIDEINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESS）。WIMAX论坛不但促进了设备相互兼容性而且促进了80216标准在全球范围推广。在论文中，我们研究了IEEE80216E协议PHY层和MAC层技术。本文将研究重点放在MAC协议的研究上，不但分析了协议本身，而且分析基于WIMAX移动终端的应用业务类型和研制移动终端芯片的必要性，最后研究了如何设计数字集成电路来处理IEEE80216EMAC层协议。我们设计了一款高度集成的、完全支持IEEE80216E协议的移动终端用MAC层处理的SOC芯片。这款MAC层处理芯片由2部分组成LOWMAC模块和HIGHMAC模块。本文完成了LOWMAC模块和HIGHMAC模块的硬件设计，并且对MAC层协议栈固件进行了详细设计。在设计中，采用了专用集成电路与嵌入式处理器相结合的架构。HIGHMAC模块主要由嵌入式处理器构成，负责高层的MAC协议，避免了采用ASIC设计带来工程实现的复杂性，同时可根据IEEE80216E协议的修订上海交通大学工程硕士学位论文摘要第II页不断更新固件，提高了产品的可扩展性；LOWMAC模块采用专用集成电路实现，负责处理低层的MAC协议，使用硬件进行CRC计算和数据包基于连接ID过滤，提高了产品性能。通过采用专用集成电路与嵌入式处理器相结合的架构，这款MAC层处理芯片具有高数据处理性能，高扩展性与设计灵活性，低开发复杂度和低功耗的特点，适合WIMAX移动终端使用。关键词WIMAX,IEEE80216,OFDMA,MAC,SOC上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACT第III页THEDESIGNANDRESEARCHOFIEEE80216EMACPROCESSORFORMOBILESTATIONABSTRACTTHEIEEEDEFINED80216STANDARDSAREDESIGNEDTOENSUREANALWAYSONWIRELESSBROADBANDDATACONNECTIONFORBOTHFIXEDFIRSTGENERATION,802162004ANDMOBILESECONDGENERATION,80216EUSERSWITHTHEABILITYTOSUPPORTMULTIPLEQUALITYOFSERVICEQOSCLASSES,AN80216NETWORKCANSUPPORTMOBILEVOICE,HIGHSPEEDDATA,ANDVIDEOINAWIRELESSNETWORKTHE80216STANDARDSAREENDORSEDBYTHEWIMAXWORLDWIDEINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESSFORUMTHISENDORSEMENTENSURESBOTHEQUIPMENTINTEROPERABILITYANDPROMOTIONOFTHESTANDARDINTHETHESIS,WEINVESTIGATETHEIEEE80216PHY（PHYSICALLAYER）PROTOCOLSANDMEDIUMACCESSCONTROLMACPROTOCOLSWEFOCUSONTHEMEDIUMACCESSCONTROLMACPROTOCOLS，ANALYSIZETHEAPPLICATIONANDBUSINESSCASEMODELSANDTHEREQUIREMENTOFDEVELOPINGAWIRELESSCHIPSETFORTHEMOBILESTATION,RESEARCHTHEPROCESSINGMACPROTOCOLSBYTHEDIGITALINTEGRATEDCIRCUITINTHISTHESIS,WEDESIGNAHIGHLYINTEGRATED,IEEE80216ECOMPLIANT,MACPROTOCOLPROCESSINGSYSTEMONCHIPSOCFORMOBILESTATIONTHESOCHASTWOMAJORCOMPONENTSLOWMACMODULEANDHIGHMACMODULEWEWILLNOTONLYPRESENTTHEHARDWAREDESIGNOFLOWMACMODULEANDHIGHMACMODULE,BUTALSOFINISHTHEDETAILDESIGNOFTHEFIRMWAREMACPROTOCOLSTACKWHICHRUNSINTHEHIGHMACMODULEINTHEDESIGN,WEUSETHEASIC/MCUHYBRIDARCHITECTURETHEHIGHMACMODULEWHICHISIMPLEMENTEDBYEMBEDDEDMCUWILLPROCESSTHEHIGHMACPROTOCOLSTHEDESIGNWILLAVOIDTHECOMPLEXDEVELOPMENTOFASIC,CANUPDATETHEFIRMWAREWHENEVERTHEIEEE80216STANDWARDSAREMODIFIED,ANDWILLIMPLOVETHEEXPANSIBILITYOFTHEPRODUCTTHELOWMACMODULEWHICHIS上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACT第IV页IMPLEMENTEDBYASICWILLPROCESSTHELOWMACPROTOCOLSTHEDESIGN,WHICHPUTTHEHARDWARETOTHEPROCESSCRCANDFILTERTHEPACKETBYCID,WILLIMPROLVETHEPERFORMANCEOFTHEPRODUCTBYTHEASIC/MCUHYBRIDARCHITECTURE,THESOCHASTHECHARACTERISTICSOFHIGHDATAPROCESSCAPABILITY,DESIGNFLEXIBILITY,EASYEXPANSIBILITY,LOWCOMPLEXITYOFTHEDEVELOPMENTANDLOWPOWERCONSUMPTION,ISSUITEABLEFORWIMAXMOBILETERMINALKEYWORDSWIMAX,IEEE80216,OFDMA,MAC,SOC上海交通大学工程硕士学位论文攻读硕士学位期间已发表或录用的论文第80页上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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已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，均已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。学位论文作者签名日期2006年12月11日上海交通大学工程硕士学位论文攻读硕士学位期间已发表或录用的论文第81页上海交通大学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。本人授权上海交通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，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名指导教师签名日期2006年12月11日日期2006年12月11日上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第1页第一章绪论11无线宽带接入简述无线接入技术常分为移动接入和固定接入两大类。移动接入又可分为高速接入和低速接入两类，高速接入一般用于蜂窝系统、卫星移动通信系统、集群系统等来实现，而低速系统可用PCNPERSONALCOMMUNICATIONNETWORK,个人通信系统，如CDMACODEDIVISIONMULTIPLEACCESS，码分多址本地环路、PACS个人接入通信系统、PHS个人手持电话系统等来实现。固定接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入，它实际上是PSTNI/ISDN网（公共交换电话网/综合数字业务网的无线延伸。随着多媒体通信的迅速发展，人们不再局限与传统的语音通信，而更多地需要进行大容量数据的通信，而且随时随地都能进行通信。无线高速上网、无线VOIP、无线视频点播正在改变着人们的通信方式，同时也要求无线通信具有更高的速率、更大的覆盖范围。目前主干网已普遍采用光纤，所以其所提供的带宽己足以保证目前的多媒体通信的需要。但是要做到光纤到户或光纤到路边，其成本太高，目前还不是很现实，提高通信的最大瓶颈还是在接入这一环节。采用宽带无线接入，并提高其传输速率已成为了人们研究的热点，目前无线局域网能够提供几十兆的速率，上百兆的无线传输速率也己经不是遥不可及的事情了。目前，在国内或国外市场上己经存在了多种无线宽带接入的方式，广泛使用的主要有LMDS本地多点分配业务、MMDS多信道多点分配业务、WLAN无线局域网、直播卫星系统DBS。近年来，无线局域网的技术得到了广泛地应用，人们已经能够通过无线局域网实现高速地无线上网，随着无线局域网在企业和家庭用户中的普及，VOWLAN即无线局域网语音通信，也逐步得到了应用。但是无线局域网技术存在一些缺点，比如说覆盖范围小，移动性差，QOS和安全性不健全等。随着多媒体通信的发展，人们需要一种更高速率、更大覆盖率以及具有移动性的无线宽带接入方式，WIMAX技术的出现恰好能满足这些要求。WIMAX的全名是微波存取全球互通WORLDWIDEINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESS，它是一种新兴的无线城域网技术，它能够为用户提供上百兆的传输速率以及能够解决宽带无线通信的移动性问题。上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第2页12WIMAX技术121IEEE80216无线接入标准IEEE802组织在无线领域针对不同的市场需求和应用模式制订了不同的标准，如应用于PAN的IEEE80215标准、应用于无线局域网的IEEE80211标准等。IEEE80216则是为制订无线城域网WIRELESSMAN标准成立的工作组，该工作组自1999年成立后，主要负责固定无线接入的空中接口标准，涉及MMDS、LMDS等技术，并没有引起很大的关注。但是自从支持移动特性的80216E任务组成立以及很多主流设备制造商加盟WIMAX后，IEEE80216E吸引了越来越多的目光。图11IEEE80216相关标准演进FIG11EVOLUTIONOFIEEE80216STANDWARDIEEE80216的主要任务是，开发工作于266GHZ频带的无线接入系统空中接口物理层PHY和媒质接入控制层MAC规范，同时还有与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范。IEEE80216规定的无线系统主要应用于城域网。根据是否支持移动特性，IEEE80216标准可以分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准，其中80216、80216A、802162004（也称为80216D）属于固定无线接入空中接口标准，而80216E属于移动宽带无线上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第3页接入空中标准（图11）。IEEE802162004基本上是对IEEE80216、IEEE80216A和IEEE80216C的修订，因此可以认为目前IEEE80216包括两个主要空中接口标准IEEE802162004和IEEE80216E，分别为固定宽带通信和移动宽带通信设计。同时，又相继成立80216F，80216G，80216I网络管理工作组，80216J多跳技术研究工作组等。122WIMAX联盟WIMAX联盟是由业界领先的通信设备公司及器件公司共同成立的非盈利组织，该联盟旨在对基于IEEE80216标准和ETSIHIPERMAN标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。在推进IEEE80211无线局域网的应用方面，WIFI联盟的作用是不可低估的。WIFI联盟的兼容性测试，确保了WLAN产品的互通，降低了芯片和设备的成本，也使市面上基本上所有的WLAN产品都贴上了WIFI的标志，确保了WLAN产品的兼容性。WIFI联盟对于WLAN技术的推广起到了很大的作用。同样，WIMAX联盟与WIFI联盟一样使用同样的方法，定义和进行互操作测试，并且加快符合IEEE80216技术标准的宽带无线接入设备的上市时间。现在我们可以看到WIMAX和IEEE80216之间的关系后者是标准的制定者前者是标准的推动者，同时WIMAX还为IEEE80216的一致性标准作出了重要的贡献。目前业界所指的WIMAX技术实际上就是IEEE80216技术，涵盖了IEEE80216DIEEE802162004和IEEE80216E。所以在本文中，WIMAX技术指的就是IEEE80216技术。13本文章节安排及主要研究的内容本文研究重点的是WIMAXMAC层的关键技术，围绕IEEE80216E标准展开。IEEE80216的MAC层支持点对多点的宽带无线接入应用，主要是在上行和下行链路上进行高速传输。为了让多个用户共享一个物理信道，MAC层必须要有有效的接入和带宽分配算法以支持各种业务的QOS保证。标准定义了4种不同的业务类型，它们分别为主动授予服务UGS、实时轮询业务RTPS、非实时轮询业务NRTPS、尽力传输业务BE。IEEE80216可以根据不同的QOS动态分配带宽，具有较大的灵活性。IEEE80216MAC层是基于连接的，为了映射各个用户站SS的服务，提供不同级别的QOS，所有的数据通信都是建立在连接的基础之上的。当网络系统中出现SS上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第4页时，业务流就被提供了，SS注册后，连接就与业务流一一对应，从而可让各端分清是谁申请了带宽。此外，当一个用户的服务需要改变时，新的连接也将建立。一个连接标识了BS和SS的MAC层中对等实体间的连接信息，同时映射到一个业务流，业务流则为该连接上传输的协议数据单元PDU定义了QOS参数。因此，业务流实际上提供了上下行QOS管理的机制，并且和带宽分配的进程紧密联系。一个SS以基于每个连接也即基于不同业务流的方式请求上行带宽。BS在某个时间调度间隔内，或者对一个SS的所有请求总地授予一个带宽，或者按每个连接来授予带宽。因此从以上的分析可以看出，IEEE80216E可以在无线接入网部分为不同业务提供不同质量的服务。本文根据WIMAX无线接入的市场需求，结合一款符合IEEE80216E、可用于移动终端网卡的MAC层处理芯片的开发，将论文研究的重点放在MAC层方面，论文完成了以下的内容1IEEE80216MAC层的原理及技术研究。2IEEE80216OFDMAPHY层的技术及研究。3IEEE80216E终端MAC层处理芯片的应用类型分析与需求分析。4IEEE80216E终端MAC层处理芯片的总体设计。5IEEE80216E终端MAC层处理芯片的硬件设计。6IEEE80216E终端MAC层处理芯片的协议栈固件设计。7IEEE80216E协议中小区切换技术研究。上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第5页第二章IEEE80216标准的分析研究IEEE80216的主要任务是，开发工作于266GHZ频带的无线接入系统空中接口物理层PHY和媒质接入控制层MAC规范，同时还有与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范。80216E标准于2005年底发布，该标准正式版本称为802162005，该标准规定的系统工作在2G66GHZ之间适宜于移动性的许可频段，80216E的实现方式与80216D是基本一致的，主要差别是对OFDMA进行了扩展。在80216E中，可以支持2048点、1024点、512点和128点的OFDMA，以适应不同地理区域从20MHZ到125MHZ的信道带宽差异。在80216标准中，MAC层定义了较为完整的QOS机制,所有终端的数据业务以及与此相关的QOS要求都是基于“连接“的。21拓扑结构和结点结构共用媒质的网络必须提供一种有效的共享机制，在这里，媒质指的就是电磁波共用的传播空间。IEEE80216支持两种拓扑形式点对多点结构（PMP）和网状网结构（MESH）。211点对多点结构PMP是一种点对多点的结构（图21）。在下行链路上，BSBASESTATION是唯一的发送者，通常采取广播的形式。下行帧的头部有DL_MAP消息，其中规定了各个终端不同的接收时隙。SSSUBSCRIBERSTATION在自己的时隙内开始接收，并且根据数据包头部的连接号判断接收属于自己的数据包。在上行链路上，SS以DAMADEMANDASSIGNEDMULTIPLEACCESS的方式共享上行链路。这种媒体共享方式是基于请求允许的BS在其中充当调度者的角色，根据业务连接所属的服务类别（IEEE80216根据业务对时延的敏感程度和速率特性划分了五种业务类别，包括UGS，RTPS，ERTPS，NRTPS，BE），或周期性为其分配传送机会；或周期性对其进行问询，获取其队列信息；或分配竞争时隙，让连接以竞争的方上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第6页式传送带宽请求信息。图21点对多点结构FIG21PMPSTRUCTURE212网状网结构MESH是IEEE80216D中新增的一种拓扑结构（图22）。它和PMP的主要区别是，在PMP拓扑中，传输只出现在BS和SS之间；而在MESH拓扑中，数据可以直接在SS之间问传输，并且可以通过多跳的方式传输。在MESH网络中，与外网相连的节点被称为MESHBS，其它的节点都被称为MESHSS，上行链路和下行链路的方向分别被定义为流向MESHBS和离开MESHBS的方向。MESH网络中的所有的节点都必须相互协调才能发送信息。运用分布式调度，包括MESHBS在内的所有节点都必须在两条之内协调其传输，必须向自己的邻居节点广播其可用资源、请求、允许等信息。若运用集中式调度MESHBS负责搜集所有节点的请求信息，并且在一定的区域内对资源进行分配。在后续的章节中若未经说明，我们所讨论的拓扑结构是PMP结构。上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第7页图22网状网结构FIG22MESHSTRUCTURE22结点结构节点是组成网络的基本元素，其结构可以使用协议分层参考模型来描述。IEEE80216规定了节点的物理层PHY和数据链路层的介质访问控制MAC子层结构，图23是80216的协议层参考模型。上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第8页图23IEEE80216协议分层参考模型1FIG23IEEE80216PROTOCOLLAYERING1其中，MAC层包括三个子层，PHY包括一个子层ZCS子层SERVICESPECIFICCONVERGENCESUBLAYERCS子层位于MACCPS的顶部，通过MACSAP获得MACCPS提供的服务，并且通过CSSAP为上层提供服务。它具有以下功能1从上层获取PDU2对上层的PDU进行分类，将其划分到相应的MAC层连接；3根据分类的结果对上层PDU进行指定操作如PHS头部压缩；4将CSPDU送到相应的MACSAP；5接收对等实体发来的CSPDU；IEEE80216标准对应于ATM,IEEE8023/ETHERNET、IEEE8021/VLAN和IP定义了不同的CS规范。ZMACCPSMACCOMMONPARTSUBLAYERMACCPS子层提供了MAC层的核心功能，可以分为数据平面（DATAPLANE）和上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第9页管理平面（MANAGEPLANE）两块。数据平面主要功能是对发送数据进行分片（FRAGMENTATION）和包装（PACKING），对接收数据进行解包（UNPACKING）和重组（REASSEMBLE）；管理平面主要负责系统接入，初始化、带宽请求/分配、连接建立/释放和连接保持等。ZSSSECURITYSUBLAYERSS子层是独立的安全子层，提供认证、密钥交换和加密等功能。ZPHYPHYSICALLAYERIEEE80216的物理层支持266GHZ，包括授权频率和非授权频率，定义了四种物理层实现方式单载波、增强单载波，OFDM256POINT、OFDMA2048POINT。物理层负责对数据调制,前向纠错，发射,接收等。23MAC层概述IEEE80216MAC层要对上层屏蔽无线链路的复杂性，并且适应不同的PHY层标准，这决定了IEEE80216MAC协议具有相当的复杂性。231帧结构资源在时域上被组织成帧的形式。以TDD的双工方式为例的帧结构（图24）。每一帧FRAME被进一步划分为下行子帧DOWNLINKSUBFRAME和上行子帧UPLINKSUBFRAME。每帧最前端是PREAMBLE，用于同步而后紧接的是FCH，用于写入本帧的控制信息。在前导字和FCH之后传送的是本帧的控制信息DL_MAP和UL_MAP。DL_MAP和UL_MAP是MAC控制信息，他们分别定义了接下来的上行子帧和下行子帧中的INTERVAL的使用情况。无线资源在时域上被划分为若干个INTERVAL。每个INTERVAL被用来传送一个SS的数据，一个INTERVAL上传送的数据被称为“突发”BURST。BURSTPROFILE是指在一个INTERVAL中使用的物理层传输参数的集合，这些参数包括调制方式、FEC类型、前导字长度等。80216在上行和下行链路上都支持可变的BURSTPROFILE配置，也可根据需要对于每个SS在每一帧中动态调整使用的BURSTPROFILE。BS周期性地向所有的SS广播DCD和UCD控制信息。用于描述下行链路和上行链路使用的物理层参数配置。DCD中描述了多个DOWNLINK_BURST_PROFILE，每个上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第10页DOWNLINK_BURS_PROFILE包含一组物理信道的配置参数，并且与一个DIUCDOWNLINKINTERVALUSAGECODE相关联，因此，通过DIUC码就可以得到对应的这一组物理信道配置参数。UCD的原理是一样的。通过DCD和UCD的广播，BS和SS都保存了当前的物理层的参数配置组合。在后继的传输过程中只要通过传送DIUC码和UIUC码就可以告知SS，当前BS所选择用于发送或接收的物理层配置参数组合。图24IEEE80216OFDMTDD帧结构示意图1FIG24IEEE80216OFDMTDDFRAMESTRUCTURE1BS在每个帧中向所有的SS广播DL_MAP和UL_MAP控制信息。DL_MAP和UL_MAP中都包含了若干信息单元IEINFORMATIONELEMENT，每个IE对应控制一个INTERVAL。在IE中应该包含的基本信息有1INTERVAL所要采用的BURSTPROFILE编号；2INTERVAL的开始时间和结束时间3该INTERVAL被分配给哪个SS；4在上行链路中还应说明该INTERVAL的指定用途，如测距，带宽请求，数据发送等。在接收到每一帧的DL_MAP和UL_MAP控制信息后，SS就按照IE中要求的物理层参数配置在相应的时间段接收或发送数据。上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第11页232系统初始化过程系统初始化流程如图25图25SS系统初始化过程1FIG25SSINITIALIZATIONOVERVIEW1SS在上电之后要经历一系列的初始化操作才能够接入网络，进行正常的通信。系统的初始化过程如图25所示。从上电开始，SS首先根据频率列表选择信道。在决定了使用的信道之后，SS检测周期性帧前导字，获取物理层的信道同步。而后SS搜寻周期性广播的DCD和UCD信息获取调制、纠错和帧控制信息，实现MAC层同步。在实现了MAC层同步之后，SS开始扫描UL_MAP控制信息，寻找初始化测距的机会。SS将使用截尾的二进制指数退避算法发送初始化测距信息。BS将根据SS上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第12页的测距信息的时延特性和功率特性，发送应答信息，要求SS在时间和功率上作出一定的调整，再次发出测距信息，当SS测距信息的时间和功率合乎BS的要求，测距过程就获得成功BS为SS分配BASICCID和PRIMARYMANAGEMENTCID。初始化测距完成之后，SS向BS发送一个SBCREQSSBASICCAPABILITYREQUEST信息通知BS自己的基本功能BS从SS支持的功能中选择自己也支持的部分，然后生成SBCRSP信息发送给SS。此阶段是基本BS和SS之间基本能力的协商。随后，BS和SS之间进行鉴权，并交换密钥。鉴权成功之后。SS发起注册请求，若注册成功，则SS被允许进入网络。在此期间，SS获得SECONDARYMANAGEMENTCID，并且协商IP的版本。注册成功之后，SS通过DHCP获取IP地址，建立系统时间，并且从TFTP服务器获取配置文件。最后建立连接，在完成了上述一系列初始化操作之后，SS就可以进行正常的传输通信了。233调度服务分类IEEE80216按照业务对时延的敏感程度和流量特性，定义了4种调度服务类别UGS，RTPSNRTPS和BE。UGS实用于周期性产生固定长度数据包的业务，例如VOICEOVERIPWITHOUTSILENCESUPPRESSION。UGS为连接周期性地分配实时的传送机会，这样可以省去因为请求而产生的负载和延迟，并且保证连接的延迟。RTPS适用于周期性产生不定长度的数据包的实时数据业务，例如MPEG视频流。RTPS为连接周期性地分配实时的非竞争的请求机会，SS可在请求中说明需要的带宽。RTPS较之UGS需要付出多余的信令开销，但它可以有效的支持可变速率的业务。NRTPS适用于非实时的突发性业务，如FTP等。NRTPS经常性的为连接分配非竞争的请求机会，连接可利用这个机会发送请求信息。BE为连接提供BESTEFFORT的服务。连接可以通过BS分配的竞争请求机会或非竞争的请求机会发送请求信息。24信道接入方式分析MAC层核心的功能是进行接入控制，IEEE80216在下行链路上采用TDMTIMEDIVISIONMULTIPLEXING的复用方式，在上行链路采用TDMAMDMADEMAND上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第13页ASSIGNEDMULILTIPLEACCESS的多址方式，所有的传输都是基于连接的并且由BS进行统一调度。我们将在本节中对LEEEE80216协议信道接入所涉及的概念和机制做详细的分析，这对建立QOS的模型有非常重要的意义。241连接与服务流CONNECTIONSERVICEFLOWIEEE80216的MAC机制是基于连接CONNECTION的，所有的业务，无论是面向连接的语音业务，还是无连接的数据传输业务都必须与某一个连接相联系。连接为系统的带宽请求、QOS支持提供最基本的机制，并且根据连接能将数据传输和路由到正确的汇聚子层。每个连接用16比特的连接号来唯一标识。注册成功之后，可管理的SS分配到3个管理连接MANAGEMENTCONNECTION这三个连接拥有不同的QOS级别，被用于传送不同级别的管理信息。BASICMANAGEMENTCONNECTION被用于传送较短，且时效性很强的链路控制信息PRIMARYMANAGEMENTCONNECTION用于传送较长，且能容忍一定延迟的管理信息，如鉴权和连接建立等；SECONDARYMANAGEMENTCONNECTION用于传送DHCPDYNAMICHOSTCONFIGURATIONPROTOCOL、TFTPTRIVIALFILETRANSFERPROTOCOL、SNMP（SIMPLENETWORKMANAGEMENTPROTOCOL等标准管理信息。除了以上3个基本的管理连接，还可建立多个用于业务传输的连接。在SS注册成功之后，连接即可被建立起来，并与服务流SERVICEFLOW建立一定的映射关系，作为问询、带宽请求、带宽分配的单位。在系统运行过程中，可以根据SS业务需求的改变而建立新的连接，也可根据需要终止连接。服务流SERVICEFLOW是IEEE80216的MAC协议中的重要概念。它被定义为在SS和BS之间提供的单向数据包传输的MAC层传输服务。一个服务流可以用一组QOS参数如时延，时延抖动，吞吐量等来进行描述。为了标准化SS和BS之间的操作，这些参数还包括SS和BS之间的带宽请求和分配操作。在服务流被接纳ADMITTED之后，它就与连接建立一一对应的关系，SS以连接为单位请求上行链路带宽其实就是以服务流为单位进行带宽请求所以说，服务流BS根据服务流的参数为其分配带宽，或以问询等方式获取服务流的状态信息。242带宽请求BWREQUEST如前所述，IEEE80216的上行链路接入是基于DAMA的，由需要传送数据的SS必须先进行带宽请求，再由BS对带宽资源进行统一的调度。除UGS类型的连接外，上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第14页任何连接在发送数据前都必须向基站发送带宽请求信息。IEEE80216中定义了两种带宽请求的类型增量请求方式INCREMENTAL和集合请求方式AGGREGATE。增量请求方式用于表明需要在原有基础上增加若干BYTE的传输请求；集合请求方式用于表明总共有多少BYTE的传输请求。为了避免传送差错和差错积累引起的带宽分配错误，提升系统的鲁棒性，标准中规定了要定期使用集合请求方式来发送请求。IEEE80216协议规定，REQUEST信息可以通过一个单独的BANDWIDTHREQUESTHEADER或是以PIGGYBACK的方式来传送ZBANDWIDTHREQUESTHEADER这是一个单独的带宽请求头部信息，它不带任何负载。它的域包括CID域用于标明发出请求的连接CID；BR域用于说明请求发送的BYTE数目；TYPE域用于说明带宽请求的类型INCREMENTAL或AGGREGATE。ZGRANTMANAGEMENTSUBHEADERPIGGYBACK这种方式适用于SS已经得到了一定的带宽分配，还需要进一步请求带宽的情况。SS在发送的数据包添加一个GRANTMANAGEMENTSUBHEADER域，以PIGGYBACK的方式发送进一步的带宽请求信息。若SS传送的是UGS类型的数据则SUBHEADER中包含两个有效BIT1SI比特用于说明UGS连接队列的当前状态，以便BS决定是否增加传送机会来对速率失谐进行补偿；2PM比特用于向BS请求问询的机会，以便非UGS的连接可以获得机会传送带宽请求信息。因为UGS类型的连接可以定期获得带宽分配，所以协议规定，对于有UGS连接的SS不再进行其它方式的问询，也不允许其通过竞争方式发送带宽请求信息。若传送的是非UGS数据，则16比特SUBHEADER用PIGGYBACK的方式向BS说明接下来需要请求的BYTE数。243轮询POLLINGIEEE80216所定义PMP拓扑结构中，系统的资源由BS进行统一调度，带宽请求信息的发送也必须由BS进行严格调度，轮询是BS获取SS上各个连接的当前状态和带宽请求信息的重要机制。所谓“轮询”，就是BS为SS分配一定的带宽使其能够发送带宽请求信息。问询按其目的地址的不同，可以分为单播轮询UNICASTPOLLING，组播轮询MULTICASTPOLLING和广播轮询BROADCASTPOLLING。上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第15页ZUNICASTPOLLINGUNICASTPOLLING是针对某一单播地址的。BS在上行链路上分配一定的带宽。让被问询的连接得以发送带宽请求信息。单播问询是无竞争的。ZMULTICASTPOLLING子载波邻接排列方式AMC这两种方式可以灵活的使用一个突发由若干时隙组成,时隙是分配数据传输的最小单位一个时隙的具体的OFMDASYMBOL结构,受下行还是上行,PUSC还是FUSC,子载波分布排列还是子载波邻接排列等因素决定子载波信道分布排列方式使用伪随机选择子信道的方法来克服深衰弱信道,通常适合平均小区间干扰的环境所以,这种方式特别适合那些高速移动,低SINR的用户在频域上资源分配的基本单位是子信道OFDMAPHY中有两种子信道使用方式；FUSC（全部的子信道被分配给发送者）和PUSC（部分的子信道被分配给发送者）。OFDAMA与OFDM不同，它承载数据的方式是在时域和频域同时进行，这里有三个基本概念非常重要，分别是OFDMA的时间片、OFDMA中的数据域和OFDMA的数据映射。ZOFDMA的时间片就是最小可能的数据分配单元，其定义依赖与OFDMA符号结构，并且随着上行和下行链路、FUSC和PUSC、分布式载波排列和邻近载波排列会有所不同A对于使用分布式子载波排列的下行FUSC，一个时间片在时间轴上占用一个OFDMA符号，在频域轴上占用该符号中的一个子信道。B对于使用分布式子载波排列的下行PUSC，一个时间片在时间轴上占用两个OFDMA符号，在频域轴上占用每个符号中的一个子信道。C对于使用分布式子载波排列的上行PUSC，一个时间片在时间轴上占用三个OFDMA符号，在频域轴上占用每个符号中的一个子信道。D对于使用邻近子载波排列的上行和下行链路，一个时间片在时间轴上占用一个OFDMA符号，在频域轴上占用该符号中的一个子信道。在PUSC中，符号首先被分成最基本的TILE，同时零载波也被分配。然后导频和数据子载波在每一簇中进行分配。OFDMA中的TONE一个SYMBOL和一个子载波是一个TONE。OFDMA中的TILE若干个DATATONES和PILOTTONES组成一个TILE。在下图（图28）ULPUSC例子中，TILE3SYMBOLS4SUBCARRIERS。上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第19页图28TILEOFULPUSC实例FIG28EXAMPLEOFATILEOFULPUSCZOFDMA中的SLOTSLOT是由若干个TILE组成，以SYMBOL为单位的时间作为横坐标，以一个子信道作为纵坐标的一个二维分配，可视为一个矩形，是最小的分配数据空间的单位。在下图（图29）ULPUSC例子中，一个SLOT由6个TILES组成上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第20页图29SLOTOFULPUSC实例FIG29EXAMPLEOFASLOTOFULPUSCZOFDMA中的DATAREGION数据域就是一组连续子信道在一组连续的OFDMA符号中的一个二维分配。图210所示，这种分配可视为一个矩形，比如说43的矩形。图210DATAREGION实例（引自1）FIG210EXAMPLEOFTHEDATAREGIONSLOTOFULPUSC上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第21页数据映射就是将MAC层的数据映射到OFDMA数据域中，在DL和UL种，映射方法各不相同。上行链路1首先将数据分块，块的大小与一个OFDMASLOT相同。2一个SLOT在子载波轴横跨一个子信道，在时间轴横跨3个OFDMA符号。最低序号的时间片应该占据在最低序号的OFDMA符号中的最低序号的子信道。3通过增加OFDMA符号的索引，进行连续映射，当到达数据域的边界时，从下一个子信道的的最低序号OFDMA符号继续映射。映射方法如图211所示。从图211中可以看到，数据域的范围为OFDMA符号索引从K到K8；每个OFDMA符号中，子信道的索引从7到18。我们令DP，Q为第P个OFDMA符号中的第Q个子信道，APP1P2、Q表示相邻的连续三个OFDMA符号，那么数据映射的循序为AKK1K2，7、AK3K4K5，7、AK6K7K8，7、AKK1K2，8、AK3K4K5，8、AK6K7K8，8、。图211OFDMAUPLINK子信道与符号映射实例1上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第22页FIG211EXAMPLEOFMAPPINGOFDMASLOTSTOSUBCHANNELSANDSYMBOLSINTHEUPLINK1下行链路映射方法与上行链路基本相同，不同的是它的每个时间片应该在时问轴横跨2个OFDMA符号。254OFDMA的帧结构IEEE80216系统支持TDD和FDD方式帧是由若干个区块组成,这些区块可以根据OFDM子载波划分,也可以根据MIMO模式划分图212是IEEE80216OFDMATDD的帧结构TDD的帧结构由下行子帧和上行子帧组成，两个子帧之间设有保护时隙GUARDTIME，称为发射/接收变换间隔TTG；帧与帧之间也有保护时隙，称为接收/发送变换间隔RTG。如果是FDD方式,FDD的帧结构由下行子帧和上行子帧组成,两个子帧的频率不同,所以没有保护时隙GUARDTIME一个OFDMA帧是一个时域频域二维结构，纵轴单位为子信道，横轴单位为OFDMSYMBOL前导序列PREAMBLE在最前面，固定的占用一个OFDMSYMBOL后面紧接着的固定位置是帧控制头FCH,FCH中规定了DLMAP和ULMAP采用的调制编码方式和长度,ULMAP紧跟在DLMAP之后,DLMAP/ULMAP分配DL/UL的数据突发,控制信令,用来测距RANGIN的UL控制信道,ULACK信道,信道质量反馈信道CQICH上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第23页图2125MSOFDMATDD帧结构FIG2115MSOFDMATDDFRAMESTRUCTUREDL_MAP负责告诉不同的用户其使用的数据在哪些子载波和哪些SYMBOL中。80216从处理效率和传输效率考虑，制定了多种MAP表示方法，比如压缩式的MAP和紧凑式的MAP如果DL_MAP中定义各个IE的位置是以偏移量的方式定义的话,移动终端MS需要先接收整个突发,该突发中包含许多有不同用户的数据包，移动终端MS需要从中找出属于自己的包,带来了处理开销大的缺点，但是DL_MAP占用的数据量较小如果DL_MAP中不用偏移量,而是直接定义IE位置的话,移动终端MS不需要接收整个突发，而只需要精确的从属于自己的IE的地方接收数据，处理速度会快,但是由于MAP需要定义整个IE,带来了数据传输量较大的缺点通过灵活的实用这些MAP格式，可以避免以上问题,以减少MAP数据量或提高处理效率上海交通大学工程硕士学位论文第二章IEEE80216标准的分析研究第24页26本章小结本章对IEEE80216标准的MAC层规范进行了分析和研究。首先简要介绍IEEE80216协议的网络拓扑结构和节点模型，然后对MAC层的QOS机制和信道接入机制进行了介绍和分析。最后介绍了OFDM和OFDMA的基本概念，然后详细地阐述了IEEE80216标准中的OFDMA帧的结构以及具体的参数。上海交通大学工程硕士学位论文第三章需求分析和总体设计第25页第三章需求分析和总体设计PMP网络拓扑结构以基站（BS）为核心，采用点到多点的连接方式，构建星形结构的WIMAX接入网络。在PMP网络拓扑结构中，基站（BS）扮演业务接入点（SERVICEACCESSPOINT）的角色，通过动态带宽分配技术，基站（BS）可以根据覆盖区用户的情况，灵活配置无线资源满足大量的用户站（SS，SUBSCRIBERSTATION）设备接入核心网的需求。由于PMP网络拓扑结构是一种常用的接入网应用形式，其特点在于网络结构简洁，应用模式与DOCSIS等线缆接入形式相似，是目前最主要的网络架构。目前，针对80216E的基站解决方案较多，针对移动终端的解决方案较少，而且当WIMAX开始商用后，对移动终端芯片的需求量会远远超过对基站芯片的需求量，因此，研制开发一款支持80216E协议的MAC层处理芯片有巨大的现实意义。设计的80216EMAC处理芯片主要应用在PMP网络拓扑结构中，负责处理移动终端的MAC层协议。通过分析用户站终端在PMP网络结构中的应用类型和特点，并结合目前市场上出现的主要WIMAX芯片，分析针对移动终端的解决方案，可以为设计的80216EMAC处理芯片制定其主要功能和总体结构。31应用类型及需求WIMAX终端主要包括固定终端和移动终端，固定终端主要面向住宅或企业用户,提供IP网络接口的点对点、点对多点应用；移动终端则主要面向单用户接入，可以提供普通移动终端用户无线上网，提供的接口包括USB、SDIO、PCMCIA等，用于不同的移动终端产品,如笔记本电脑、PDA等。目前WIMAX终端产品还比较少，例如，2006年1月WIMAXFORUM公布的首批经过认证的产品有4种，其中基站设备的有3种,终端设备只有1种13与基站设备比较，终端设备将更加受限于安装、尺寸、电源、功率等诸多问题，尤其是MBWA的应用更是如此。与WIFI的应用类似，即使对于BWA的应用，移动终端预计仍有很大需求主要用于用户通过笔记本电脑、PDA之类的终端直接接入BWA网络。这就对WIMAX终端芯片的设计提出了更加苛刻的要求，要求芯片有体积小,功能强,功耗低等特点。上海交通大学工程硕士学位论文第三章需求分析和总体设计第26页311典型应用类型通用的用户终端根据应用场合的不同，有如下几种类型1回程（BACKHAUL）通信模式蜂窝通信系统中，电信塔（基站）之间的连结则是使用回程线路WIRELESSBACKHAUL（图31）。目前，大多使用有线回程线路WIREDBACKHAUL。世界上有部分地区如美国，有线回程线路市场竞争很激烈，成本也在厂商能力范围；世界其它地区却非如此，多数国家的地区电信业者很少将线路出租给竞争对手。由于WIMAX技术容量大费用低的优点，现在移动电话服务供货商可以将WIMAX回程线路产品做为低成本解决方案，用来取代传统专线和专属微波线路。图31回程（BACKHAUL）通信模式FIG31BACKHAULAPPLICATIONSTRUCTURE2住宅接入模式住宅接入模式主要目标是把诸如企业、校园和SOHO（SMALLOFFICEHOMEOFFICE）等用户的住宅局域网通过WIMAX接入城域网（图32）。与其他应用模式相同，基站（BS）还是作为SAP与核心网相连提供无线接入服务。在用户侧，用户的WIMAX无线接入终端SS，其一侧通过无线链路与基站（BS）连接，另一侧通过有线链路（例如以太网）与用户住宅网交换机、WIFIAP等设备相连。WIMAX终端（SS）可以采用定向天线，以及各种自适应技术，灵活调整工作方式，保证用户的正常