WiMAX媒体接入控制协议研究与系统设计
摘要 文章首先对IEEE 802.16 MAC协议控制平面关键技术进行分析，然后介绍灵活可移植的WiMAX MAC软件系统FPWiMAC的设计，最后给出了FPWiMAC的测试情况。测试结果表明，FPWiMAC功能齐全，性能优良，并且符合IEEE 802.16标准组和WiMAX论坛制定的一系列标准和规范。1、引言
随着通信技术的发展和新业务的出现，通信领域呈现出宽带移动化和移动宽带化的趋势，宽带性和移动性成为下一代通信网络的两个重要特征。在这样的背景下，IEEE 802.16标准组和WiMAX论坛共同推出了宽带无线城域网（BWMAN，Broadband Wireless Metropolitan Area Networks）。
IEEE 802.16d和802.16e是BWMAN无线接入部分（BWA，Broadband Wireless Access System）的空中接口协议，定义了固定和移动BWA系统的媒体接入控制层（MAC，Media Access Control）和物理层（PHY，Physical Layer）规范。本文对IEEE 802.16d/e协议的MAC层技术进行分析研究。
2、802.16 MAC协议研究
IEEE 802.16无线接入网络包括802.16d基站（BS，Base Station）、802.16d用户站（SS，Subscriber Station）、802.16e基站和802.16e移动台（MS，Mobile Station）4个网络实体。下文中，802.16d和802.16e基站被统称为基站，用户站和移动台被统称为终端。
由于篇幅限制，本文只涉及PHY层采用正交频分多址接入（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）模式和MAC层采用点对多点（PMP，Point-to-Multipoint）模式的规范，对MAC层控制平面中的入网控制、连接管理和带宽分配等关键技术进行分析。
2.1 入网控制
终端竞争接入成功后，进入入网过程，以注册到网络，使用网络服务。入网过程包括初始测距、基本能力协商、密钥交换和注册4个步骤。
（1）初始测距
基站收到测距请求CDMA（Code Division Multiple Access）码后，向终端广播测距应答（RNG-RSP，Ranging Response）消息和包含CDMA Allocation IE（用于描述分配给终端的专用于发送测距请求的上行控制信道）的UL-MAP消息。终端根据RNG-RSP中的指示调整频率偏移、时间偏移和功率偏移，在上行控制信道上发送测距请求消息（RNG-REQ，Ranging Request）。基站收到RNG-REQ消息后为终端分配两个专用控制信道（用于后续信令的发送），将信道分配信息通过RNG-RSP单播告知终端。
（2）基本能力协商
终端收到单播给自己的RNG-RSP，从中获知可以使用的专用控制信道后，将支持的基本能力参数包含在基本能力请求消息（SBC-REQ，SS Basic Capability Request）中发送给基站。基站收到SBC-REQ后，进行能力参数对比，将双方都支持的能力参数包含在基本能力应答消息（SBC-RSP，SS Basic Capability Response）中单播告知终端。终端解析SBC-RSP，从而确定在以后的通信过程中应该使用的能力参数。
（3）密钥交换
完成基本能力协商过程后，终端将安全参数包含在密钥管理请求消息（PKM-REQ，PKM Request）中发送给基站。基站收到PKM-REQ后，对终端进行认证，并确定在以后通信过程中使用的密钥等安全参数。协商完毕的安全参数被包含在密钥管理应答消息（PKM-RSP，PKM Response）中单播告知终端。只有通过认证的终端才被授权进行注册过程。
（4）注册
通过认证并完成密钥交换后，终端将支持的高级能力参数包含在注册请求消息（REG-REQ，Registration Request）中发送给基站。基站收到REG-REQ后，对比能力参数，将双方都支持的高级能力参数包含在注册应答消息（REG-RSP，Registration Response）中单播告知终端。若该终端为可管理终端，基站为其分配一个专用控制信道，用于传输IP地址、时间同步信息和配置文件等上层数据。只有注册成功的终端才能使用网络服务。
2.2 连接管理
802.16接入网是面向连接的，终端和基站之间使用连接来传输各种控制信令和用户数据。传输控制信令的连接被称为信令连接，传输用户数据的连接被称为数据连接。每个连接由一个16位的连接标识符CID（Connection Identifier）进行标识。
信令连接在MAC层又被称为管理连接。管理连接可以分为三类：基本管理连接、主管理连接和次管理连接。数据连接在MAC层又被称为传输连接。传输连接对应的连接标识符被称为传输CID（Transport CID）。上层业务数据在汇聚子层被映射到传输CID上进行传输。
服务流是802.16系统中实现服务质量（QoS，Quality of Service）保证的重要机制。一条提供特定QoS的单向数据包流被定义为一条服务流。每条服务流由一个32位的服务流标识符SFID（Service Flow Identifier）进行标识。
服务流可以分为三类：指派（Provisioned）服务流、接纳（Admitted）服务流和激活（Active）服务流。接纳服务流通过了系统的接纳控制，系统为其预留带宽资源，但并不能直接用于传输数据，只有转变为激活服务流后才能传输数据。一条接纳或激活服务流与一条连接唯一对应，服务流的QoS保证就成为连接的QoS保证。
服务流管理操作通过动态服务流管理过程完成。动态服务流管理包括动态服务流添加（DSA，Dynamic Service Addition）、 修改（DSC，Dynamic Service Change）和删除（Dynamic Service Deletion）三个过程。一个通过DSA过程建立的服务流，可以通过DSC过程进行修改，使用完毕后可以通过DSD过程进行删除。图1给出了动态服务流建立过程的信令流程。
图1 动态服务流建立过程
2.3 带宽分配
连接与服务流提供了一种有服务质量保证的数据传输机制。要将用户数据按照所期望的服务质量进行传输，必须为连接分配相应的带宽。带宽分配在基站和终端上分别进行。基站带宽分配包括下行和上行带宽分配，下行带宽分配由下行调度器完成，上行带宽分配由上行调度器完成。终端带宽分配由分组调度器和带宽请求生成器完成。图2显示了802.16系统中的带宽分配框架。
图2 802.16带宽分配框架
3、FPWiMAC系统设计
在对协议进行深入分析和研究的基础上，我们设计了IEEE 802.16MAC层关键算法和一个灵活可移植的WiMAX MAC软件系统FPWiMAC（Flexible and Portable WiMAX Medium Access Control System）。
FPWiMAC面向研究机构和设备生产商而设计，其设计目标包括：
（1）高度可移植性：MAC软件核心部分独立于操作系统、物理层实现和硬件平台。
（2）灵活性：方便算法实现和验证。
（3）可扩展性：方便加入新功能。
（4）稳定性和高性能：面向商用，用于设备生产商二次开发或直接集成到设备中。
为了达到上述目标，FPWiMAC被设计为由一个灵活健壮的框架和一系列高性能算法构成。由于篇幅限制，本文不对算法进行介绍，下面仅介绍系统设计中的几项关键技术。
3.1 软件层次结构
图3给出了FPWiMAC的软件层次结构。
图3 FPWiMAC软件层次结构
3.2 操作系统抽象层和物理层管理子系统
FPWiMAC使用操作系统抽象层和物理层管理子系统两个概念来实现高度可移植性，如图4所示。操作系统抽象层使用多个OS封装器屏蔽操作系统特定数据结构和函数接口，使FPWiMAC核心部分能透明地访问特定接口。物理层管理子系统使用PHY适配器屏蔽底层硬件平台和物理层实现的细节，使FPWiMAC核心部分能透明地使用物理平台提供的服务。
图4 OS封装器和PHY适配器
3.3 核心数据库和算法库
FPWiMAC使用核心数据库和算法库来实现灵活性和可扩展性，如图5所示。核心数据库用于保存管理平面、控制平面和数据平面的各种信息。算法库用于封装MAC层各种关键算法，只需按照预定义的库接口实现某一算法，便能在FPWiMAC中对该算法进行验证，而无需了解FPWiMAC其它部分的实现细节。
图5 核心数据库与算法库
4、FPWiMAC测试结果
我们实现了用于16d/16e基站和终端的4个软件系统：FPWiMAC-16dBS，FPWiMAC-16dSS，FPWiMAC-16eBS和FPWiMAC-16eMS。基于FPWiMAC软件系统与相关的物理平台，我们设计并开发了WiMAX基站和终端原型系统，将原型系统构成试验网络，对FPWiMAC进行了测试。测试场景如图6所示。下面给出部分测试结果。
图6 测试场景示意图
4.1 功能测试
测试表明，FPWiMAC包含但不限于如下功能：
（1）802.16d BS允许多个802.16d SS同时接入，802.16e BS允许多个802.16d SS和802.16e MS同时接入；
（2）支持CDMA初始测距、CDMA周期性测距、CDMA切换测距和CDMA带宽请求；
（3）支持快速信道反馈，根据信道测量和报告结果对信道进行管理；
（4）跟踪信道变化，自适应调整调制编码方式；
（5）对终端进行入网控制，包括测距控制、基本能力协商、密钥交换、认证授权控制和注册控制；
（6）支持多条不同服务类型、不同服务质量的服务流和连接；
（7）支持多种业务类型，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）支持多种上行调度类型，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主动发起的服务流建立/修改/删除操作；
（10）支持头压缩和业务快速分类；
（11）支持异种业务的不同调度方法和带宽分配方法；
（12）支持同种业务的不同服务质量需求；
（13）支持多种服务质量参数，包括业务优先级、时延和最小速率等；
（14）根据带宽分配情况，对协议数据单元SDU进行分片、打包和填充；
（15）支持自动重传请求ARO和HARQ；
（16）支持功率控制、休眠模式和空闲模式；
（17）支持移动性管理、硬切换和多种切换策略；
（18）支持802.16f/802.16iMIB库和802.16g管理接口；
（19）同时支持IPv4业务和IPv6业务；
（20）同时支持网络层路由和链路层交换。
4.2 性能测试
（1）参数配置（见表1）
表1 参数配置
表2 测试结果
4.3 一致性测试
（1）遵循IEEE 802.16d-2004标准、IEEE 802.16e-2005标准和IEEE 802.16修订草案；
（2）支持IEEE 802.16f、802.16i和IEEE 802.16g标准草案；
（3）符合WiMAX论坛系统配置标准、协议一致性测试标准和互操作性标准。
5、总结与展望
本文在对宽带无线城域网络IEEE 802.16MAC协议进行分析研究的基础上， 设计了一个灵活可移植的FPWiMAC软件系统。我们实现了用于WiMAX基站、用户站和移动台的4个MAC软件系统，并在开发的设备原型系统上构建了试验网络。试验测试结果表明，PPWiMAC软件系统功能齐全、性能优良、符合标准，并具有良好的健壮性、可靠性、稳定性、易移植性、易扩展性和灵活性。目前，FPWiMAC软件已被国内外多家研究机构和设备生产商购买。
基于单天线FPWiMAC软件系统，我们正在研制适用于多天线系统的MIMO-FPWiMA。MIMO-FPWiMAC针对多输入多输出天线系统（MIMO，Multiple Input and Multiple Out put），将应用于大规模高端无线接入设备。
参考文献
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