寬帶固定無線接入網(wǎng)MAC層設計

2019-11-05 02:18:38

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供稿：網(wǎng)友

　　一、引言
　　寬帶接入網(wǎng)被認為是信息高速公路的最后一公里，必將成為未來國家信息基礎設施發(fā)展的重點。目前有幾種寬帶接入方式，如光纖接入、xDSL、寬帶固定無線接入網(wǎng)等。與其它寬帶接入方式相比，寬帶固定無線接入網(wǎng)有許多優(yōu)點，如建網(wǎng)快、低成本、易維修和可克服某些地理環(huán)境的限制等，已成為一種非常有前途的接入方式。
　　
　　寬帶固定無線接入網(wǎng)是指節(jié)點固定的無線通信系統(tǒng)，主要用來在用戶終端和核心網(wǎng)之間傳送數(shù)據(jù)［１］。寬帶固定無線接入網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。寬帶固定無線接入網(wǎng)是一種點到多點的結(jié)構(gòu)，主要包括基站(BS)、用戶站(SS)和網(wǎng)管系統(tǒng)三大部分，非凡情況下在基站和用戶站之間可以通過接力站(RS)進行中繼。與用戶站相連的可以是單個的用戶終端(TE)，也可以是一個用戶駐地網(wǎng)(CPN)［２］。
　　　

　　寬帶固定無線接入網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方向是雙向的，上行鏈路是指數(shù)據(jù)傳輸方向從用戶站到基站，速率為5.12 Mbit/s,下行鏈路是指數(shù)據(jù)傳輸方向從基站到用戶站,速率為8.86 Mbit/s。寬帶固定無線接入網(wǎng)采用的雙工方式是頻分復用（FDD）。下行鏈路基站以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，各用戶站采用時分復用（TDM）方式共享下行鏈路資源。上行鏈路用戶站以突發(fā)方式數(shù)據(jù)，各用戶站采用時分多址（TDMA）方式共享上行鏈路資源。本文介紹的寬帶固定無線接入網(wǎng)工作在3.5 GHz頻段上，提供電路性業(yè)務和數(shù)據(jù)性業(yè)務的接入。
　　
　　寬帶固定無線接入網(wǎng)分為物理層和MAC層，協(xié)議模型如圖2所示。物理層為基站MAC和用戶站MAC之間提供透明的比特流傳輸［３］。本文以下部分將研究MAC層功能，重點是設計實現(xiàn)MAC層功能的技術(shù)方案，最后用Altera公司的FPGA芯片實現(xiàn)。
　　　

　　二、MAC層
　　寬帶固定無線接入網(wǎng)MAC層由2個子層組成，即特定業(yè)務匯聚子層和公共部分子層。特定業(yè)務匯聚子層位于公共部分子層之上，并利用公共部分子層提供的服務。特定業(yè)務匯聚子層接收來自于高層的業(yè)務數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)封裝成業(yè)務包，以便接收方特定業(yè)務匯聚子層能夠?qū)⑦@些業(yè)務包恢復成高層信息。公共部分子層是MAC層的核心部分，包括成幀、帶寬分配、安全性、鏈路的建立和維護等。成幀是將特定業(yè)務匯聚子層的業(yè)務包封裝構(gòu)成幀然后傳遞給物理層；帶寬分配是如何將寬帶固定無線接入網(wǎng)的帶寬資源分配給不同用戶站的不同業(yè)務；安全性是防止非法用戶站的侵入；鏈路建立和維護是在用戶站與基站之間建立通信鏈路，并維護這條鏈路。
　　
　　MAC層設計目的就是設計出實現(xiàn)上述各項功能的技術(shù)方案，分為特定業(yè)務匯聚子層設計和公共部分子層設計。
　　
　　三、特定業(yè)務匯聚子層設計
　　特定業(yè)務匯聚子層設計的要害是業(yè)務包的設計，不同的業(yè)務數(shù)據(jù)其封裝的業(yè)務包格式是不同的。寬帶固定無線接入網(wǎng)提供數(shù)據(jù)性業(yè)務和電路性業(yè)務的接入，本文根據(jù)其業(yè)務特點設計出數(shù)據(jù)性業(yè)務包和電路性業(yè)務包，并將特定業(yè)務匯聚子層分為2種，數(shù)據(jù)性業(yè)務匯聚子層和電路性業(yè)務匯聚子層，分別用于實現(xiàn)這兩種業(yè)務的封裝過程。
　　
　　1.數(shù)據(jù)性業(yè)務包
　　
　　寬帶固定無線接入網(wǎng)接收來自于高層的數(shù)據(jù)性業(yè)務數(shù)據(jù)是基于IEEE802.3幀格式。IEEE802.3幀自身不能進行幀定界，需要底層給出幀定界符。數(shù)據(jù)性業(yè)務包主要功能就是對IEEE802.3幀進行幀定界。數(shù)據(jù)性業(yè)務包由3字節(jié)的包頭和凈荷組成。包頭是“0x0FFFF0”，功能就是使接收端數(shù)據(jù)性業(yè)務匯聚子層能夠從接收到數(shù)據(jù)流中對IEEE802.3幀進行幀定界。凈荷就是一個是加擾碼的IEEE802.3幀。為了防止IEEE802.3幀數(shù)據(jù)與包頭相同的，必須對IEEE802.3幀加擾碼。加擾碼的原則是當連續(xù)3個半字節(jié)均為“0xF”時，加一個字節(jié)的“0x00”。數(shù)據(jù)性業(yè)務包封裝和加擾碼的原理如圖3所示。
　　　

　　2．電路性業(yè)務包
　　
　　寬帶固定無線接入網(wǎng)接收的高層電路性業(yè)務數(shù)據(jù)是基于E1幀，其幀結(jié)構(gòu)符合ITU-T G.704。電路性業(yè)務匯聚子層將接收的E1幀數(shù)據(jù)封裝成電路性業(yè)務包，在接收端電路性業(yè)務匯聚子層將接收到的電路性業(yè)務包恢復成E1幀。電路性業(yè)務包長度是18字節(jié)，包括2個字節(jié)的頭和16個字節(jié)的凈荷。包頭由一個字節(jié)的用戶站標志和一個字節(jié)的時隙標志組成。用戶站標志是寬帶固定無線接入網(wǎng)用來區(qū)分不同的用戶站，時隙標志是用來區(qū)分同一用戶站不同的時隙。凈荷是由時隙標志對應的那個時隙的連續(xù)16幀的數(shù)據(jù)組成。電路性業(yè)務包結(jié)構(gòu)如圖4所示。CPEID是用戶站標志，TSID是時隙標志，F(xiàn)1到F16是時隙中的數(shù)據(jù)。
　　　

　　四、公共部分子層設計
　　公共部分子層設計是MAC層設計的核心部分。公共部分子層要害技術(shù)是帶寬分配方案、幀結(jié)構(gòu)和用戶站注冊過程。帶寬分配方案設計的目標既要滿足不同業(yè)務對QoS的要求，又要有比較高的帶寬利用率。為此，本文提出固定按需混合分配方案的帶寬分配方案。幀結(jié)構(gòu)直接決定著寬帶固定無線接入網(wǎng)的一些重要性能，如效率、延時、同步性能等。幀結(jié)構(gòu)的設計即要使這些性能滿足設計要求，又要適應于帶寬分配方案。本文提出了適合寬帶固定無線接入網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)。本文中設計的用戶站注冊過程，用于實現(xiàn)安全性和鏈路建立功能。以下分別討論這些設計方案。
　　
　　1.固定按需混合分配方案
　　
　　寬帶固定無線接入網(wǎng)對數(shù)據(jù)性業(yè)務和電路性業(yè)務提供接入功能。由于這兩者業(yè)務對QoS的要求是不同的，數(shù)據(jù)性業(yè)務是速率可變的、無連接的和非等時求的，電路性業(yè)務是速率恒定的、面向連接的和等時的。數(shù)據(jù)性業(yè)務的傳輸不需要建立連接，傳輸采用“盡力而為”的方式，而電路性業(yè)務的傳輸首先要建立連接，對于已建立連接的電路性業(yè)務要保證其傳輸帶寬。設計的帶寬分配方案要滿足這兩種業(yè)務對QoS不同的要求。
　　
　　目前帶寬分配方案主要有3種，即固定分配方案、隨機訪問方案和按需分配方案［４］。固定分配方案就是為每個連接和每次通信固定分配確定的容量；隨機訪問方案答應終端隨機發(fā)送信息，假如不同的終端發(fā)送的信息在時間上重疊，碰撞的信息按一定的規(guī)則延遲一段時間后重新發(fā)送，直到成功；按需分配方案是根據(jù)終端提出的帶寬請求，及時地對無線信道帶寬做出分配。固定分配方案最適合恒定比特率業(yè)務。隨機訪問方案實現(xiàn)最簡單，但帶寬利用率比較低。按需分配方案對可變比特率業(yè)務有很好的適應性，可以達到比較高的信道利用率。從以上分析可以看出，以上三種帶寬分配方案均不能很好地滿足要求。根據(jù)這兩種業(yè)務對QoS要求，我們設計固定按需混合分配方案。在帶寬分配時，先用固定分配方案將帶寬分配給各用戶站的電路性業(yè)務，再將剩余的帶寬用按需分配方案分配給各用戶站的數(shù)據(jù)性業(yè)務。
　　
　　2．幀結(jié)構(gòu)
　　
　　下行廣播幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。下行廣播幀長度為2 170字節(jié)，由幀頭和凈荷組成。幀頭長度是74字節(jié)，包括2字節(jié)幀同步碼和和72字節(jié)控制信息。幀同步碼為“0xA4A4”，用于保證用戶站和基站之間同步。控制信息用于傳輸基站向用戶站發(fā)送的一些控制消息，如維護消息、帶寬分配消息和信令信息等。凈荷長度為2 096字節(jié)，分為電路性業(yè)務區(qū)和數(shù)據(jù)性業(yè)務區(qū)。電路性業(yè)務區(qū)用于傳輸電路性業(yè)務包，其長度為18n字節(jié)，n代表已建立連接的時隙。每當為一個E1時隙建立連接時，在下行廣播幀中為這個時隙分配一個18字節(jié)長度的區(qū)間傳輸這個時隙的電路性業(yè)務包。數(shù)據(jù)性業(yè)務區(qū)長度為2 096～18n字節(jié)，用于傳輸數(shù)據(jù)性業(yè)務包。
　　　

　　上行突發(fā)幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。上行突發(fā)幀由幀頭和凈荷組成。幀頭包括9個字節(jié)的位同步字、1個字節(jié)的獨特字和6個字節(jié)的控制信息組成。位同步字是9個字節(jié)的“0xAA”，用于恢復時鐘。獨特字是“0xAB”，用于指示下一個字節(jié)是控制信息的第一個字節(jié)。6個字節(jié)的控制信息用于傳輸用戶站向基站發(fā)送的一些控制消息。凈荷由電路性業(yè)務區(qū)和數(shù)據(jù)性業(yè)務區(qū)組成。電路性業(yè)務區(qū)用于傳輸電路性業(yè)務包，其長度為18n字節(jié)，n代表位這個用戶站已建立連接的時隙。每當這個用戶站的一個E1時隙建立連接時，就為該時隙分配一個18字節(jié)長度的區(qū)間傳輸該時隙的電路性業(yè)務包。數(shù)據(jù)性業(yè)務區(qū)用于傳輸數(shù)據(jù)性業(yè)務包，其長度由基站確定的并通過前一個下行幀通知給用戶站。因此，上行突發(fā)幀凈荷長度、電路性業(yè)務區(qū)長度和數(shù)據(jù)性業(yè)務長度均是變化的，分別決定于寬帶固定無線接入網(wǎng)分配給某用戶站的總速率、傳輸電路性業(yè)務的速率和傳輸數(shù)據(jù)性業(yè)務的速率。另外，不同用戶站上行突發(fā)幀之間有2個字節(jié)的保護間隔，用于防止它們之間的干擾。
　　
　　3．用戶站注冊
　　
　　用戶站注冊是合法用戶站與基站之間建立通信鏈路的過程。用戶站注冊是一個3次握手的過程。首先基站在下行廣播幀中通知某一未注冊的用戶站可以注冊。寬帶固定無線接入網(wǎng)采用輪詢的方式來決定哪個用戶站注冊。這是在用戶站的數(shù)量不是很多，注冊不是很頻繁的條件下一種最有效和最簡單的方法。其次被答應注冊的用戶站向基站發(fā)送注冊請求，注冊請求包含鑒權(quán)碼。最后基站接收到注冊請求消息，判定是否是合法用戶站。若是合法用戶站，則基站向用戶站發(fā)送注冊成功信息，注冊成功消息中包含延時調(diào)整消息。若不是合法用戶站，則丟棄該注冊請求消息。
　　
　　寬帶固定無線接入網(wǎng)的空中接口是開放的，為了防止非法用戶站的侵入，在用戶站注冊階段要對用戶站的身份進行鑒別。寬帶固定無線接入網(wǎng)為每個用戶站分配一個64 bit長度的鑒權(quán)碼。此鑒權(quán)碼是用戶站特有的，與用戶站標志對應。基站判定某一用戶站是否是合法用戶站就是通過比較鑒權(quán)碼與用戶站標志是否一致。
　　
　　寬帶固定無線接入網(wǎng)上行鏈路各用戶站以TDMA的方式發(fā)送突發(fā)幀，即上行鏈路以2 ms為周期，將這2 ms劃分成不同的時隙，各用戶站在分配給自己的時隙內(nèi)發(fā)送上行突發(fā)幀。我們稱2ms周期的起始時刻為參考時刻。為了使各用戶站發(fā)送的上行突發(fā)幀到達基站時不發(fā)生碰撞，用戶站的參考時刻應該超前于基站的參考時刻，超前時間是基站與用戶站之間的傳輸延時。延時調(diào)整的目的就是確定每個用戶站的參考時刻。延時調(diào)整是利用不同用戶站在參考時刻發(fā)送上行突發(fā)幀（注冊請求）應該在基站的參考時刻到達基站這一原理來實現(xiàn)的。延時調(diào)整過程如圖7所示。基站在t1時刻通過下行廣播幀將答應注冊請求信息發(fā)送給用戶站，用戶站接收到答應注冊請求消息并在用戶站預定參考時刻t2發(fā)上行突發(fā)幀，基站在t3時刻接收到該上行突發(fā)幀，而所有的用戶站在其參考時刻發(fā)送的上行突發(fā)幀均在基站參考時刻t4到達基站，因此將t4－t3作為延時調(diào)整值返回給用戶站。隨后該用戶站將預設參考時刻延遲t4－t3，延遲后的時刻就是該用戶站的參考時刻。
　　

　　五、FPGA實現(xiàn)
　　目前，我們用Altera公司的FPGA芯片實現(xiàn)MAC層功能。根據(jù)本文介紹的設計方案，用VHDL語言對其RTL級行為進行描述，然后在Altera公司Quartus開發(fā)系統(tǒng)中進行編譯、仿真和配置下載并進行硬件調(diào)試。最后我們用2片ACEX1K系列EPK100實現(xiàn)用戶站MAC層功能和1片ACEX1K系列EPK100和1片APEX20K系列EP20K300E實現(xiàn)基站MAC層功能。
　　
　　六、結(jié)論
　　MAC層是寬帶固定無線接入網(wǎng)的核心部分，本文設計了以下要害技術(shù)實現(xiàn)MAC層功能。針對數(shù)據(jù)性業(yè)務和電路性業(yè)務的特點，設計出數(shù)據(jù)性業(yè)務包和電路性業(yè)務包，以完成這兩種業(yè)務的適配。針對數(shù)據(jù)性業(yè)務和電路性業(yè)務對QoS要求的不同，提出了固定按需混合帶寬分配方案。這種帶寬分配方案即滿足了這兩種業(yè)務對QoS要求，又有比較高的帶寬利用率。本文設計了適合寬帶固定無線接入網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)。此外，設計了用戶站注冊過程，用于保證寬帶固定無線接入網(wǎng)的安全性和在用戶站與基站之間建立通信鏈路。
　　
　　上述各項技術(shù)均用FPGA芯片實現(xiàn)，并且通過了測試。寬帶固定無線接入網(wǎng)MAC層的設計成功對推動寬帶固定無線接入網(wǎng)的廣泛應用有十分重要的意義。

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