南京郵電大學碩士研究生學位論文摘要 摘要 寬帶無線接入是未來通信網(wǎng)絡極其重要的接入方式，尤其是基于i e e e8 0 2 1 6 協(xié)議標 準的無線城域網(wǎng)( w m a n ) ，由于其帶寬高、覆蓋范圍廣、提供q o s 保證，己成為最重 要的寬帶無線接入技術之一，并是未來可重配置終端必不可少的配置技術。本論文的目的 就是研究如何在d s p 平臺上設計和開發(fā)8 0 2 1 6 標準的m a c 層協(xié)議。 論文總結筆者參與江蘇省高科技項目“下一代泛在網(wǎng)絡端到端重配置關鍵技術”的研 究心得，深入研究和探討在a r m 、d s p 和f p g a 的協(xié)作環(huán)境下，i e e e8 0 2 1 6m a c 層協(xié) 議軟件的設計和實現(xiàn)技術。 論文首先介紹了無線城域網(wǎng)的發(fā)展，并對其進行技術分析，引出了i e e e 8 0 2 1 6 標準及 w i m a x 技術。然后系統(tǒng)地分析了i e e e 8 0 2 1 6 標準的媒質(zhì)訪問控制( m a c ) 層總體功能， 并對其中的關鍵技術作了重點闡述。接著給出了采用t m s 3 2 0 c 5 4 1 0d s p 實現(xiàn)的 i e e e 8 0 2 1 6m a c 層協(xié)議?？傮w設計方案，設計了m a c 層與其上下層的接口模塊。最后研 究m a c 層協(xié)議的d s p 實現(xiàn)技術，給出了m a c 層協(xié)議的模塊結構設計、各功能模塊詳細 的s d l 圖以及模塊的c 語言軟件設計。 論文提出的i e e e8 0 2 1 6m a c 層協(xié)議棧d s p 實現(xiàn)方案有良好的可擴展性，為項目后 續(xù)實現(xiàn)終端w i f i 和w i m a x 協(xié)議重配置奠定了基礎。 關鍵詞：無線城域網(wǎng)i e e e8 0 2 1 6 媒體接入控制數(shù)字信號處理 南京郵電大學碩士研究生學位論文 a b s t r a c t a bs t r a c t b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s si sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tf u t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka c c e s s t e c h n o l o g y ，i nw h i c hi e e e8 0 2 16b a s e dw m a n i so ft h em o s ti m p o r t a n c eo w i n gt oi t sh i 曲 b a n d w i d t h , w i ( 1 ec o v e r a g ea n dq o s i ti sa l s oa ni n d i s p e n s a b l er e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yf o r t h ef u t u r er e c o r t f i g u r a b l et e r m i n a l s t h i s l f k s si sa i m e da tt h es t u d yo ft h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n t o f8 0 2 1 6m a c p r o t o c o lo nd s pp l a t f o r m b a s e do nt h ea u t h o r sr e s e a r c he x p e r i e n c ei nt h ej i a n g s up r o v i n c i a lh i g h - t e c hp r o j e c t “r e s e a r c h0 1 1t h ek e yt e c h n o l o g i e so fe n d - t o e n dr e c o n f i g u r a t i o nf o rn e x tg e n e r a t i o nu b i q u i t o u s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ”，t h e 烈e s i sm a k e sa ni n - d e p t hs t u d yo ns o f t w a r ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo fi e e e 8 0 2 16m a cp r o t o c o lu n d e ra na r m ，d s pa n df p g a c o l l a b o r a t i v ee n v i r o n m e n t f o l l o w i n ga l li n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fw m a n a n di t st e c h n i c a la n a l y s i s ，i e e e 8 0 2 1 6s t a n d a r da n dw i m a xt e c h n o l o g yi sb r i e f e d s y s t e m a t i ca n a l y s i si st h e ng i v e nt o8 0 2 16 m a c l a y e rf u n c t i o n a l i t yw i t hd e t a i l e dd i s c u s s i o no fi t sk e yt e c h n o l o g i e s f u r t h e r m o r ea no v e r a l l d e s i g ns c h e m ei sp r o p o s e do fi e e e8 0 2 1 6m a c l a y e rp r o t o c o lu s i n gt m s 3 2 0 c 5 4 10d s p t h e i n t e r f a c em o d u l e s b e t w e e nm a cl a y e ra n di t su p p e rl a y e ra n dl o w e rl a y e ra r ed e s i g n e d f i n a l l ya s t u d yi sc o n d u c t e do ft h ed s pi m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo fm a cp r o t o c o l ，i n c l u d i n gm o d u l a r s t r c t u r ed e s i g no ft h ep r o t o c o l ，d e t a i l e ds d ld e s i g no fe a c hm o d u l ea n dt h e i rs o f t w a r ed e s i g ni n c l a n g u a g e t h ep r o p o s e dd s pi m p l e m e n t i o ns c h e m eo fi e e e8 0 2 16m a cl a y e rp r o t o c o li so fg o o d s c a l a b i l i t ya n dh a sl a y e ds o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w - u pp r o j e c tt or e a l i z ew i f ia n dw i m a x r e c o n f i g u r a t i o ni nt h et e r m i n a l s k e y w o r d s ：w 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 m a n ) ，i e e e 8 0 2 16 ， m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) i i 南京郵電大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京郵電大學或其它 教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的 任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 躲璐j 飆坪4 r 乙 南京郵電大學學位論文使用授權聲明 南京郵電大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送 交學位論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其它復制手段保存論 文。本文電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相致。除在保密期內(nèi)的保密論文 外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。 論文的公布( 包括刊登) 授權南京郵電大學研究生部辦理。 研究生簽名：五! 麥墮導師簽名： 日期：型呈：蘭! 蘭： l 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章引言 1 1 無線城域網(wǎng)概述 第一章引言 城域網(wǎng)是連接廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)的橋梁，它的特點表現(xiàn)在業(yè)務類型多樣化以及業(yè)務流量 流向的不確定。隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，不斷地向?qū)拵 p 化演進，網(wǎng)絡上的業(yè)務也由早 期的以話音業(yè)務為主逐步轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)業(yè)務、多媒體業(yè)務為主流。目前，網(wǎng)絡建設也將朝著 無線連接、無縫覆蓋的方向努力?，F(xiàn)在以蜂窩移動通信為代表的無線廣域網(wǎng)和以8 0 2 1 1 系 列為代表的無線局域網(wǎng)已經(jīng)在市場上取得了極大的成功，這也是對連接廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)的 城域網(wǎng)的巨大挑戰(zhàn)，因此寬帶無線城域網(wǎng)的發(fā)展是很關鍵的問題。 無線城域網(wǎng)是指城域網(wǎng)向無線化的方向發(fā)展，它主要解決最后一公里的接入，也是實 現(xiàn)無縫覆蓋的網(wǎng)絡的必然需求。 1 2i e e e8 0 2 1 6 標準產(chǎn)生的背景及發(fā)展進程 1 2 1ie e e 8 0 2 16 標準產(chǎn)生的背景 本地多點分配業(yè)務( l m d s ) 是一種固定寬帶無線接入技術，它利用微波傳輸提供點到 多點的通信，能夠進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，并且?guī)捜萘看蟆?l m d s 可以支持包括話音業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務、圖像業(yè)務以及多媒體業(yè)務在內(nèi)的多種業(yè)務 類型，像會議電視、視頻點播、遠程教育等， 戶接入速率，提供高質(zhì)量的服務。除此以外， 十分靈活而且見效很快，很有發(fā)展前景。 業(yè)務種類十分豐富，而且可以達到很高的用 l m d s 建設起來比較容易，成本也比較低， 隨著l m d s 寬帶無線接入系統(tǒng)的快速發(fā)展，有很多公司也已經(jīng)推出了l m d s 的產(chǎn)品， 但是國際上對l m d s 沒有統(tǒng)一的標準，這樣很容易對它的繼續(xù)發(fā)展形成一定的障礙，因此 標準化的工作顯得非常重要。有很多標準化的組織開展了標準化的工作，發(fā)展較快的就是 i e e e 。i e e e8 0 2 1 6 工作組就是專門致力于寬帶無線接入技術的標準化工作。 1 2 2ie e e 8 0 2 16 標準的發(fā)展進程 i e e e8 0 2 1 6 是i e e e 制定的各種標準中定位于無線城域網(wǎng)的接入系統(tǒng)標準。i e e e 8 0 2 1 6 的主要任務是，開發(fā)工作于2 - 6 6 g h z 頻帶的無線接入系統(tǒng)空中接口物n ( p h y ) 層和 媒體接入控n ( m a c ) 層規(guī)范，同時還包括與空中接v i 協(xié)議相關的一致性測試以及不同無線 l 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章引言 接入系統(tǒng)之間的共存規(guī)范。一般所說的i e e e 8 0 2 1 6 標準通常是指空中接口標準。 根據(jù)是否支持移動性，可以將i e e e8 0 2 1 6 系列標準分為兩類，一類是固定寬帶無線 接入空中接口標準，主要包括8 0 2 1 6 2 0 0 1 ，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 d ；另一類是移動寬帶無線接 入空中接口標準，主要是指8 0 2 1 6 e 。此外，i e e e8 0 2 1 6 系列標準還有i e e e8 0 2 1 6 c ，i e e e 8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 三個標準。 i e e e 8 0 2 1 6 工作組成立于1 9 9 9 年，該工作組專門致力于固定寬帶無線接入技術的標 準化工作。 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 標準【1 】由i e e e 8 0 2 1 6 工作組于2 0 0 2 年4 月正式發(fā)布，它是i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議的第一個正式版本，定義了無線城域網(wǎng)的空中接口規(guī)范，屬于固定寬帶無線接 入空中接口標準。i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 工作的物理頻段是1 0 6 6 g h z ，在這個頻段范圍內(nèi)用戶 站和基站之間是視距傳輸。 i e e e8 0 2 1 6 c 標準【2 】由i e e e8 0 2 1 6 工作組于2 0 0 2 年1 2 月發(fā)布，它對i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 標準進行了增補和改正。i e e e 8 0 2 1 6 c 的工作頻段適用范圍是1 0 6 6 g h z 。 i e e e8 0 2 1 6 a 標準【3 】由i e e e 8 0 2 1 6 工作組于2 0 0 3 年1 月發(fā)布，它是對 i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 標準的修改和擴展，仍然屬于固定寬帶無線接入空中接口標準。 i e e e 8 0 2 1 6 a 標準支持的工作頻段為2 1 l gh z ，在這個頻段，系統(tǒng)可以運行于非視距傳輸 環(huán)境。該頻段與高頻段相比有很多優(yōu)勢，在很大程度上降低了安裝用戶站的要求，并且節(jié) 約了成本。能提供更廣的覆蓋范圍。 i e e e8 0 2 1 6 d 標準 4 】由i e e e 8 0 2 1 6t 作組于2 0 0 4 年6 月發(fā)布，它屬于固定寬帶無線 接入空中接口標準，在i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 標準和i e e e8 0 2 1 6 a 標準的基礎上進行了整合和 修正，是固定寬帶無線接入規(guī)范中最成熟的標準。i e e e 8 0 2 1 6 d 標準支持的頻段是2 6 6 g h z ，詳細制定了這個頻段的物理層和m a c 層規(guī)范。 隨著技術和市場的發(fā)展，也對8 0 2 1 6 系列標準提出了移動性的要求，i e e e 8 0 2 1 6 e 標 準增加了對移動性的支持。 i e e e8 0 2 1 6 e 標準 5 】已于2 0 0 5 年1 2 月獲得批準，它屬于移動寬帶無線接入空中接口 標準。i e e e8 0 2 1 6 e 工作的物理頻段是2 - 6g h z ，在i e e e8 0 2 。1 6 d 的基礎上提出了具有移 動特性的系統(tǒng)結構。 此外，還有兩個標準為i e e e 8 0 2 1 6 f 6 冪hi e e e 8 0 2 1 6 9 7 ，前者用于定義i e e e8 0 2 1 6 系統(tǒng)m a c 層和物理層的管理信息庫( m i b ) 以及相關的管理流程，后者用于規(guī)定標準的i e e e 8 0 2 1 6 系統(tǒng)管理流程和接口。 2 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章引言 1 3w i l d a x 的技術特點及應用 1 3 1wim a x 與ie e e8 0 2 16 標準的關系 w i m a x 8 9 1 0 i 拘全稱為w o r l d w i d ei 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 ，可稱為全 球微波接入互操作系統(tǒng)。它由眾多業(yè)界領先的通信公司及設備制造商共同組建。這個組織 的目的就是對基于i e e e8 0 2 1 6 標準和e t s ih i p e r m a n 標準的寬帶無線接入產(chǎn)品進行一致 性和互操作性認證。通過該組織認證的產(chǎn)品符合8 0 2 1 6 標準的要求，具有一致性和互操作 性，可用于寬帶無線接入的應用。 由此可見，wi 與i e e e8 0 2 16 之間有著非常緊密的關系，但同時它們在分工上 又存在不同，具體來說就是，后者是標準的制定者，前者又是標準的推動者，前者將對產(chǎn) 品是否符合后者的要求進行認證。目前，w i m a x 幾乎已經(jīng)成為i e e e8 0 2 1 6 標準的代名詞。 1 3 2wim a x 的技術特點 11 作為無線城域網(wǎng)的技術，w i m a x 有巨大的發(fā)展?jié)摿皬V泛的應用前景與其技術特點 和優(yōu)勢密不可分。 w i m a x 的技術優(yōu)勢體現(xiàn)在很多方面。首先，它能提供高速率的寬帶接入以及更遠的 覆蓋距離。w i m a x 的基站可以提供最高每扇區(qū)7 5 m b i t s 的接入速率，并且每個基站的覆 蓋范圍可達5 0 公里，較為典型的基站覆蓋距離為6 1 0 公里，這樣只需建設少量的基站就 可以實現(xiàn)全城范圍的覆蓋。 其次，在網(wǎng)絡結構方面，可以支持點到多點( p m p ) 結構和m e s h 結構，前者在i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 標準中就提出了，后者是在i e e e8 0 2 1 6 a 中提出的。這樣在骨干網(wǎng)絡覆蓋不到 的區(qū)域，可以采用w i m a x 網(wǎng)狀網(wǎng)覆蓋，以靈活地擴展接入網(wǎng)的結構。 在物理層，可以根據(jù)實際情況靈活選擇多種調(diào)制方式，包括單載波、o f d m 和o f d m a ， o f d m 技術能有效地降低多徑衰落的影響。并且，隨著傳輸信道狀態(tài)發(fā)生變化，為了保證 傳輸質(zhì)量，載波調(diào)制方式以及一些物理層的參數(shù)都可以進行動態(tài)調(diào)整，十分靈活。 m a c 層的一個重要特點在于它是面向連接的，可以提供服務質(zhì)量保證。不同的業(yè)務 類型具有不同的服務質(zhì)量參數(shù)，可以通過靈活的機制保障各種業(yè)務的服務質(zhì)量。 1 3 3wim a x 的應用 12 兒13 w i l v i a x 因其在網(wǎng)絡拓撲結構上的特點，并且在技術上有很多優(yōu)勢，因此具有廣泛的 應用范圍。 3 南京郵電大學碩士研究生學位論文第一章引言 首先，網(wǎng)絡可以采用p m p 的拓撲結構，提供點到多點的寬帶無線接入。無線網(wǎng)絡相 比有線網(wǎng)絡更加方便靈活，相對還可以節(jié)約成本，比如可以將無線局域網(wǎng)熱點接入高速因 特網(wǎng)，還可以為一些企事業(yè)單位、住宅區(qū)、密集的商業(yè)區(qū)、網(wǎng)吧、寫字樓等提供寬帶接入。 而且對于需要臨時建網(wǎng)的情況，無線網(wǎng)絡的優(yōu)勢就更明顯了。 wi m a x 還可以采用m e s h 的拓撲結構，這種無線網(wǎng)狀網(wǎng)的結構可以非常靈活地建構 網(wǎng)絡，而且w i m a x 的覆蓋范圍很廣，尤其適用于農(nóng)村地區(qū)等一些有線網(wǎng)絡設施不健全的 區(qū)域，構建無線網(wǎng)絡比較方便，建網(wǎng)速度也相對較快。 此外，w i m a x 還可以用于基站之間的無線通信，主要是利用它的長程通信能力，還 可以為企業(yè)提供虛擬專用網(wǎng)服務。 在2 0 0 7 年，w i m a x 已被接受為3 g 系統(tǒng)的無線標準之一。 1 3 4 本人所做的工作 本文研究源于江蘇省工業(yè)高科技研究項目“下一代泛在通信網(wǎng)絡中端到端重配置關鍵 技術研究”。通過對i e e e8 0 2 1 6m a c 協(xié)議的系統(tǒng)性研究，給出了基于a r m ( a r u x 4 9 ) 、 d s p ( t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 ) 3 1f p g a 的協(xié)作環(huán)境下m a c 層協(xié)議的實現(xiàn)方案，設計了m a c 層軟件 模塊，并使用c 語言編寫實現(xiàn)了m a c 層協(xié)議軟件，完成了聯(lián)合調(diào)試，驗證了相關模塊及 算法的正確性及有效性。 第一章首先回顧了無線城域網(wǎng)的發(fā)展，介紹了i e e e8 0 2 1 6 標準產(chǎn)生的背景及發(fā)展進 程，由此引出w i m a x 技術，并對w i m a x 與i e e e8 0 2 1 6 標準之間的關系做了簡要描述。 第二章概述i e e e 8 0 2 1 6 標準，簡要介紹了i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議棧參考模型以及物理層與m a c 層協(xié)議。第三章對i e e e 8 0 2 1 6m a c 層協(xié)議的各功能子層做了詳細闡述，系統(tǒng)分析了公共 服務功能子層的各種功能，并對其中的關鍵技術做了重點闡述。這些分析為第五章的程序 設計打下了基礎。第四章給出了基于a r m ( a r m 9 ) 、d s p ( t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 ) 和f p g a 硬件平 臺的m a c 層協(xié)議實現(xiàn)方案，描述了終端的系統(tǒng)結構及工作流程，設計并實現(xiàn)了m a c 層 與其上下層的接口模塊，并對接口模塊進行了調(diào)試和分析。第五章給出了基于d s p 的i e e e 8 0 2 1 6 m a c 協(xié)議設計和實現(xiàn)方案，首先介紹了m a c 層協(xié)議軟件架構，設計了m a c 層協(xié) 議軟件調(diào)度器，然后對m a c 層各軟件模塊進行了介紹及實現(xiàn)，最后對整個m a c 層協(xié)議 棧的實現(xiàn)進行了調(diào)試和測試。最后總結了本論文的工作情況，說明了本文存在的不足和后 期需要進一步改進的地方。 4 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議概述 第二章i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議概述 2 1i e e e8 0 2 1 6 協(xié)議棧參考模型 本文主要參考的是i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ( 即8 0 2 1 6 d ) 標準。標準中給出了i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議棧的參考模型，如圖2 1 所示。 由協(xié)議模型圖可以看出，i e e e8 0 2 1 6 的空中接口由物理層( p h y ) 和媒體接入控制 ( m a c ) 層組成。m a c 層又分成了三個子層，分別是特定業(yè)務匯聚子層( s e r v i c e s p e c i f i cc s ， s e r v i c e - s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) ，m a c 公共部分子層( m a cc p s ，m a cc o m m o n p a r ts u b l a y e r ) 和安全子層( s s ，s e c u r i t ys u b l a y e r ) 。 標準范圍 l ( c ss a p ) 一 特定業(yè)務匯聚子層 。管理實體 ( c s ) 1 7 特定業(yè)務匯聚子層1 ( m a cs a p ) 一 m a cj| ； m a c 公共部分予層 網(wǎng) 五 ； ( m a c c p s ) 絡 。管理實體管 7m a c 公共部分子層1 r 理 加密子層 。l i _ ! 系 ( p r i v a c y ) 1 刀u 譬- j - 屋：統(tǒng) i t r ； ( p h ys a p 一 jl ；物理層霞、一、管理實體二 p h y 層 ；( p a y ) 、 e = - + 、物理層二 i 邕 。 m ?n 霸 數(shù)據(jù)控制平面 管理平面 圖2 i i e e e8 0 2 1 6 協(xié)議棧參考模型 2 2i e e e8 0 2 1 6 物理層 物理層定義了多種規(guī)范，每一種都為了適用于特殊的頻率范圍和應用。 物理層使用1 0 6 6 g h z 和2 11 gh z 的頻率范圍，并可以支持時分雙工( t d d ) 方式和頻 分雙工( f d d ) 方式。時分雙工是指上行傳輸和下行傳輸占用不同的時間段，頻分雙工是指 上行傳輸和下行傳輸占用不同的頻率。 在l o 6 6g h z 這個頻段，需要滿足視距傳輸?shù)男枨?，可以不用考慮多徑效應。針對此 頻段8 0 2 1 6 協(xié)議定義了一種物理層規(guī)范即無線城域網(wǎng)一單載波( w i r e l e s s m a n s c ) 模式，即 5 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議概述 采用單載波調(diào)制方式，可以采用q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 調(diào)制技術。在w i r e l e s s m a n - s c 模 式下，下行信道采用時分復用( t d m ) 方式，上行信道采用時分多址接2 k ( t d m a ) 與按需分 配多址接) k ( d a m a ) 相結合的多址方式。 在2 1i gh z 這個頻段，滿足非視距傳播要求，針對此頻段8 0 2 1 6 協(xié)議定義了三種物 理層規(guī)范，分別為無線城域網(wǎng)一增強單載波( w i r e l e s s m a n s c a ) 模式、無線城域網(wǎng)一正交 頻分復用( w i r e l e s s m a n o f d m ) 模式以及無線城域網(wǎng)一正交頻分多址 ( w i r e l e s s m a n o f d m a ) 模式。其中，w i r e l e s s m a n s c a 模式也指單載波調(diào)制方式， w i r e l e s s m a n 。o f d m 模式是采用2 5 6 點變換o f d m 技術，w i r e l e s s m a n o f d m a 模式是 采用2 0 4 8 點變換o f d m 技術。在w i r e l e s s m a n s c a 和w i r e l e s s m a n o f d m 模式下，和 w i r e l e s s m a n s c 模式類似，一般在下行信道采用時分復用( t d m ) 方式，上行信道采用時 分多址接入( t d m a ) 與按需分配多址接入( d a m a ) 相結合的多址方式，而在 w i r e l e s s m a n o f d m a 模式中，上行信道和下行信道都采用了正交頻分多址( o f d m a ) 方 式。 2 3i e e e8 0 2 1 6 姒c 層 前面已經(jīng)提到，m a c 層包含三個子層，分別為特定業(yè)務匯聚子層、m a c 公共部分子 層和安全子層。 特定業(yè)務匯聚子層位于m a c 公共部分子層之上，接收高層來的協(xié)議數(shù)據(jù)單元( p d u ) ， 對其分類并映射到特定的m a c 連接，并通過m a cs a p 將m a cs d u 交給m a c 公共部分 子層。不同類型的匯聚子層可以為高層提供不同的接口。 m a c 公共部分子層主要提供m a c 層的核心功能，包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接 建立以及連接維護，它通過m a cs a p 從各種類型的匯聚子層接收數(shù)據(jù)還可以提供q o s 機 制。 m a c 層還包含一個安全子層，用來提供鑒權、密鑰交換和加密功能。 在后面將對m a c 層協(xié)議進行詳細的介紹。 6 南京郵電大學碩士研究生學位論文第三章i e e e 8 0 2 1 6m a c 層 第三章i e e e80 2 1 6m a c 層 i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議的m a c 層由c s ( 特定業(yè)務匯聚子層) ，m a cc p s ( m a c 層公共部 分子層) 和p r i v a c y ( 安全加密子層) 組成。3 1 節(jié)分別描述了c s 子層為支持兩種( a t mc s 和p a c k e tc s ) 匯聚業(yè)務而具備的功能。3 2 節(jié)研究了m a cc p s 子層的協(xié)議封裝、業(yè)務調(diào) 度、支持的物理層特性。3 3 節(jié)簡要介紹了作為可選項的加密子層。 3 1c s 子層 c s 子層位于m a cc p s 子層之上，經(jīng)由m a cs a p ( m a c 業(yè)務接入點) ，接收m a cc p s 的服務。它執(zhí)行如下功能： 接收來自高層的p d u 。 對高層p d u 分類并映射到以1 6 b i t s 的c i d 為標識的相應連接上。 發(fā)送c sp d u 到和業(yè)務流相關的m a cs a p ，以便傳遞到對等層m a cs a p 。 接收來自對等層m a cs a p 的c sp d u 。 當前本協(xié)議僅提供兩種c s 規(guī)范：a t mc s 和p a c k e tc s 。其它c s 層規(guī)范可在未來加 入。無論哪種c s 都要執(zhí)行“分類( c l a s s i f i c a t i o n ) 和可選的“凈荷頭抑制”( p h s ，p a y l o a d h e a d e rs u p p r e s s i o n ) 功能。 3 1 1 分類功能 分類：是指外部網(wǎng)絡p d u 進入c s 子層后( 稱為c ss d u ) ，被映射到某個特定的連接， 在整個m a c 對等層間的傳遞過程中使用，在映射過程中將創(chuàng)建該連接的業(yè)務流特征和q o s 限制。 分類器是一組匹配準則，它逐個處理進入i e e e 8 0 2 1 6 協(xié)議層的每一個外部網(wǎng)絡p d u ( c ss d u ) 。它由針對特定外部協(xié)議的某種匹配準則( 如a t m 分類器以v p i v c i 為對象， p a c k e tc s 分類器以目的地i p 地址為對象) 、某種分類優(yōu)先級和一個對c i d 的引用法則組 成。符合特定匹配準則的c ss d u 將被傳遞到相應的m a ps a p 上，并使用由c i d 定義的 “連接”在m a cc p s 層中進一步傳遞。該連接的業(yè)務流特性將為該s d u 提供q o s 。 多個分類器可以將c sp d u 分類到同一個業(yè)務流上。分類器優(yōu)先級用于指明優(yōu)先使用 哪個分類器對c sp d u 分類。由于分類器使用的模式可能部分重疊，因此有必要明確指定 順序。b s 和s s 側分別應用下行鏈路、上行鏈路分類器對收到的c ss d u 分類。如果c s 7 南京郵電大學碩士研究生學位論文第三章i e e e 8 0 2 1 6 m a c 層 接收到無法識別和分類的c ss d u 應當為其分配一個默認的c i d 或者簡單丟棄。c s 子層 的分類功能如圖3 1 和圖3 2 所示。 高層實體( 路由器，橋) 百嗣一 飛毓 分類器 c s 層羔 b s ( 竺三竺! j m a c c p s 層 高層實體( 路由器，橋) _ = 磊濟- c s 層螽 圖3 1c s 層的分類和c i d 映射( b s 到s s ) 高層實體( 路由器，橋) - = 磊濟_ 重構 ( 如：恢復p h s ) 麓 c s 層，j l 、b s 叫 m a cs a p 卜一 、- m a c c p s 層 高層實體( 路由器，橋) 下嗣一 上行 分類器 圖3 - 2c s 層的分類和c i d 映射( s s 到b s ) 3 1 2 凈荷頭抑制功能 凈荷頭抑制：是指將進入c s 層的c ss d u 頭部的部分冗余信息在發(fā)送端抑制，而在 接收端對等實體中恢復的過程。抑制的原因是新形成的c sp d u 中頭部信息保留了原s d u 頭部必要信息，而部分冗余信息，如a t mc ss d u 的v p i v c i 被映射成c i d ，校驗信息 h e c 被丟棄，在m a cc p s 層中將使用新協(xié)議自身的校驗位h c s 。這樣通過抑制冗余信息 來節(jié)省帶寬和協(xié)議開銷。p h s 一般是在對c ss d u 進行分類后執(zhí)行，并且是可選的。p h s 準則根據(jù)高層業(yè)務流( 由s f i d 標識) 的特點將來自高層業(yè)務分組的頭部部分冗余字節(jié)抑 制，并加以p h s i 前綴。因此p h s 準則由一對 s f i d ，p h s i 標識，在接收端c s 層再應用 p h s 準則重構原p d u 的頭部。 8 ，鼴一 蔞 一童一 南京郵電大學碩士研究生學位論文第三章i e e e 8 0 2 1 6 m a c 層 3 1 3a t mc s 子層 3 1 3 1a t mc s 業(yè)務定義 a t mc s 子層定義了對來自外部網(wǎng)絡a t m 層的p d u 進行匯聚的協(xié)議規(guī)范。作為聯(lián) 系各種a t m 業(yè)務和m a cs a p 的邏輯接口，它對來自a t m 層的a t m 信元執(zhí)行分類、凈 荷頭抑制( 可選的) 和轉(zhuǎn)發(fā)到適當m a cs a p 等功能。由于a t m 信元流是根據(jù)a t m 標準 產(chǎn)生的，因此在a t mc s 子層中不需要a t mc s 業(yè)務原語。a t mc sp d u 由h e a d e r 和 p a y l o a d 組成。p a y l o a d 應當?shù)扔赼 t m 信元的p a y l o a d 大小，h e a d e r 則應由來自外部a t m 網(wǎng)絡的a t m 信元頭按一定規(guī)則映射形成，最大不超過5 b y t e ( 不采用p h s 時) 。如圖3 - 3 所 示。 l a h t 。刪mc 鰳sp d u a t mc sp d up a y l o a d ( 4 8b y t e s ) 圖3 3a t mc sp d u 格式 3 1 3 2a t mc s 的分類和凈荷頭抑制功能 外部網(wǎng)絡a t m 信元在a t mc s 層中( 也稱為a t mc ss d u ) 被分類、封裝成a t mc s p d u 。一個a t m 連接存在v p 和v c 交換2 種模式，因此a t mc s 子層使用2 種匹配規(guī)則 的分類器來區(qū)分收到的a t m 信元。a t mc s 的分類器由某種a t m 信元匹配準則( 以 v p i ，v c i 為對象) 、分組優(yōu)先級和一個對c i d 的引用法則組成。分類后的a t m 信元將被映 射到以c i d 為標識的m a c 連接上。對于v p 交換模式，a t m 信元的v p i 域( n n i ：1 2 b i t 或u n i ：8 b i t ) 被映射成1 6 b i t 的c i d ；對于v c 交換模式，則v p i 和v c i 一起( n n i ：2 8 b i t 或u n i ：2 4 b i t ) 被映射成1 6 b i t 的c i d 。由于在連接建立時將設置相應的q o s 和業(yè)務參數(shù)類 別，所以將v p i v c i 映射成c i d 就可保證m a cc p s 子層能正確處理各種a t m 業(yè)務。但 v c 模式下不能支持全部的v p i v c i 組合( 1 6 b i t 的c i d 可尋址2 1 6 個連接，v c 模式下在 n n i 側和u n i 側的v p i v c l 分別可尋址2 2 8 或2 2 4 個a t m 連接) 。 表3 1 給出了分類后采用p h s 形成新的a t mc sp d u 頭部的c 語言函數(shù)。可見，對 于v p 交換模式的a t m 信元，其p h s 法則中v p i 被當成冗余成分抑制，因為v p i 將被映 射成1 6 b i t 的c i d 用來尋址一個m a c 連接，并隨后在該連接上傳遞m a cs d u 到m a c c p s 層，故應在a t mc sp d uh e a d e r 中被抑錯l j ( s u p p r e s s i o n ) 。對于v c 交換模式的a t m 信元， 則v p i 和v c i 一起被映射成1 6 b i t 的c i d 尋址，故在a t mc sp d uh e a d e r 中均被抑制。 9 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第三章i e e e 8 0 2 1 6 m a c 層 表3 1a t mc sp d uh e a d e r 生成函數(shù) 語法( c 語言)大小注釋 a t m c s - p d u h e a d e r 0 a t mc sp d uh e a d e r 映射函數(shù) i f ( n o _ p h s ) 如果不做凈荷頭抑制( p h s ) ， a t mh e a d e r 4 0b i t s 則直接繼承全部4 0 b i t 的a t m 頭。 e l s ei f ( v p _ s w i t c h e d ) 否則，若要求p h s 且該a t m 信元是屬于v p 交換的， p t i3 b i t s 抽取a t m 信元的p t i 域 c l pl b i t 抽取a t m 信元的c l p 域 r e s e r v e d 4 b i t s 預留4 b i t s v c i1 6 b i t s 抽取a t m 信元的v c i 域( v h 為冗余b i t ) ， e l s e ( v c _ s w i t c h e d ) 否則，若要求p h s 且該a t m 信元是屬于v c 交換的， p t i3 b i t s 抽取a t m 信元的p t i 域 c l p1 b i t 抽取a t m 信元的c l p 域 r e s e r v e d4 b i t s 預留4 b i t s ( v p i 和v c i 均為冗余b i t ) a t m 信元的h e c 域在2 種模式下都被抑制。 ) 另外a t m 信元的h e c 域在2 種模式中都要抑制，因為在m a cc p s 層中形成的新 m a cp d u 有自己的頭部校驗域( h c s ，h e a d e rc h e c k s u m ) 。圖3 - 4 和3 - 5 給出了基于v p 和v c 交換的兩種a t m 信元被映射成的2 種a t mc sp d u 的具體格式。 圖3 4v p 交換模式的a t m 連接下a t mc sp d u 格式 1 0 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第三章i e e e s 0 2 1 6 m a c 層 a 1 c s 頭 a t m 凈荷 、 i i 盯ic l p 保留 v c i 3b i t slb i t 4b i t s 1 6b i t s 圖3 - 5v c 交換模式的a t m 連接下a t mc sp d u 格式 3 1 4p a c k e to s 子層 3 1 4 1p a c k e tc s 的業(yè)務定義 一p a c k e tc s 支持的高層外部協(xié)議是諸如i p 、p p p 、i e e e 8 0 2 3 ( 以太網(wǎng)) 的基于分組的協(xié)議。 它也執(zhí)行和a t mc s 類似的分類和p h s 等功能。高層外部協(xié)議p d u 應被封裝在p a c k e tc s p d u 中。對于一些高層外部協(xié)議的p a c k e tp d u ，其前面可能會加上一個8 b i t 的凈荷頭抑制 指不域( p h s i ，p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o ni n d i c a t i o n ) 再形成p a c k e tc sp d u ，另一些則直 接將高層外部協(xié)議p d u 映射成p a c k e tc sp d u 。p h s i = 0 表示對該高層p d u 沒有執(zhí)行p h s 操作，否則指示了某種抑制規(guī)則。p a c k e tc sp d u 格式如圖3 - 6 所示。 圖3 - 6p a c k e t c sp d u 格式 3 1 4 2p a c k e tc s 的分類和凈荷頭抑制功能 p a c k e tc s 的分類器由多個分類器組成。每個分類器包含一個優(yōu)先級域來決定優(yōu)先使用 次序。如果分組和某個分類器的所有參數(shù)匹配則轉(zhuǎn)發(fā)至相應的連接上，如果找不到匹配的 分類器則選擇默認的連接或丟棄分組。當p a c k e tc s 收到來自高層分組流時，將該分組和 一組匹配器進行比較。一旦匹配則產(chǎn)生一個s f i d ( 標識該分組所屬業(yè)務流) 、一個c i d ( 標 識分配的連接) 和p h s 準則。 p h s 準則提供一組數(shù)據(jù)字節(jié)( p h s f , p h s i ，p h s m ，p h s s 和p h s v ) 。當p h s v = i 時，發(fā) 送方c s 層把高層p d u 頭部字節(jié)和p h s f 中將被抑制的字節(jié)( 由p h s m 掩碼指示) 做比較， 若匹配則抑制p h s f 中除p h s m 屏蔽外的所有字節(jié)。最后，在高層p d u 上加上p h s i 前綴 構成c sp d u 并遞交給m a cs a p 。收端m a cc p s 去掉m a c 頭得到c sp d u 和相應c i d ， 一起遞交給c s 層。接收方c s 使用c i d 和c sp d u 的p h s i 來恢復p h s f ，并查詢p h s m 和p h s s 字節(jié)，以重構原高層p d u 的頭部。完成后傳遞到c ss a p 。p a c k e tc s 的具體p h s 操作如圖3 7 所示。 11 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第三章i e e e 8 0 2 1 6 m a c 層 高層p d u 7到達 ， + 分類分組 獲取p h s k ，p h s i ， p h s m p h s s ，p h s v - l 用p h s f 和p h s m 驗證凈荷頭 ， 1，1 | 令 用p h s m 抑制 設置p h s i = 0 置p h s i 為i n d e x 上 添加p h s i 到 該p d u 到m a c s a p s， d 舯u1 ) ( 結柬 )來tjmacs a p 的p d u 到達 +識別c i d 并 抽取p h s i 獲取p h s f p hs m 和p h s s上 重構頭部上 遞交cspdu 到c ss a p + 7 、結束1 圖3 7p a c k e tc s 層中凈荷頭壓縮( p h s ) 流程圖 3 2m a cc p s 子層 3 2 1m a cc