寬帶固定無線接入網MAC層設計

2019-11-03 09:04:52

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供稿：網友

清華大學微波與數字通信國家重點實驗室

　　摘要：作為一種新型寬帶接入技術，寬帶固定無線接入網因具有諸多無可比擬的優點而成為一種非常有前途的接入方式。MAC層是寬帶固定無線接入網的核心部分，文中從研究MAC層功能出發，著重提出了實現MAC層功能的關鍵技術方案，最后介紹了FPGA芯片的實現。

　　關鍵詞：寬帶固定無線接入網；用戶站；基站；MAC層；FPGA

　　一、引言

　　寬帶接入網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等。與其它寬帶接入方式相比，寬帶固定無線接入網有許多優點，如建網快、低成本、易維修和可克服某些地理環境的限制等，已成為一種非常有前途的接入方式。

　　寬帶固定無線接入網是指節點固定的無線通信系統，主要用來在用戶終端和核心網之間傳送數據［１］。寬帶固定無線接入網的拓撲結構如圖1所示。寬帶固定無線接入網是一種點到多點的結構，主要包括基站(BS)、用戶站(SS)和網管系統三大部分，特殊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(CPN)［２］。

　

　　寬帶固定無線接入網數據傳輸方向是雙向的，上行鏈路是指數據傳輸方向從用戶站到基站，速率為5.12 Mbit/s,下行鏈路是指數據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送數據，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方式數據，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工作在3.5 GHz頻段上，提供電路性業務和數據性業務的接入。

　　寬帶固定無線接入網分為物理層和MAC層，協議模型如圖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MAC層功能的技術方案，最后用Altera公司的FPGA芯片實現。

　　二、MAC層

　　寬帶固定無線接入網MAC層由2個子層組成，即特定業務匯聚子層和公共部分子層。特定業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。特定業務匯聚子層接收來自于高層的業務數據，并將這些數據封裝成業務包，以便接收方特定業務匯聚子層能夠將這些業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。成幀是將特定業務匯聚子層的業務包封裝構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的帶寬資源分配給不同用戶站的不同業務；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上述各項功能的技術方案，分為特定業務匯聚子層設計和公共部分子層設計。

　　三、特定業務匯聚子層設計

　　特定業務匯聚子層設計的關鍵是業務包的設計，不同的業務數據其封裝的業務包格式是不同的。寬帶固定無線接入網提供數據性業務和電路性業務的接入，本文根據其業務特點設計出數據性業務包和電路性業務包，并將特定業務匯聚子層分為2種，數據性業務匯聚子層和電路性業務匯聚子層，分別用于實現這兩種業務的封裝過程。

　　1.數據性業務包

　　寬帶固定無線接入網接收來自于高層的數據性業務數據是基于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。數據性業務包主要功能就是對IEEE802.3幀進行幀定界。數據性業務包由3字節的包頭和凈荷組成。包頭是“0x0FFFF0”，功能就是使接收端數據性業務匯聚子層能夠從接收到數據流中對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幀數據與包頭相同的，必須對IEEE802.3幀加擾碼。加擾碼的原則是當連續3個半字節均為“0xF”時，加一個字節的“0x00”。數據性業務包封裝和加擾碼的原理如圖3所示。

　　

　　2．電路性業務包

　　寬帶固定無線接入網接收的高層電路性業務數據是基于E1幀，其幀結構符合ITU-T G.704。電路性業務匯聚子層將接收的E1幀數據封裝成電路性業務包，在接收端電路性業務匯聚子層將接收到的電路性業務包恢復成E1幀。電路性業務包長度是18字節，包括2個字節的頭和16個字節的凈荷。包頭由一個字節的用戶站標志和一個字節的時隙標志組成。用戶站標志是寬帶固定無線接入網用來區分不同的用戶站，時隙標志是用來區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16幀的數據組成。電路性業務包結構如圖4所示。CPEID是用戶站標志，TSID是時隙標志，F1到F16是時隙中的數據。

　　

　

　　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。公共部分子層關鍵技術是帶寬分配方案、幀結構和用戶站注冊過程。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。幀結構直接決定著寬帶固定無線接入網的一些重要性能，如效率、延時、同步性能等。幀結構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的幀結構。本文中設計的用戶站注冊過程，用于實現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對數據性業務和電路性業務提供接入功能。由于這兩者業務對QoS的要求是不同的，數據性業務是速率可變的、無連接的和非等時求的，電路性業務是速率恒定的、面向連接的和等時的。數據性業務的傳輸不需要建立連接，傳輸采用“盡力而為”的方式，而電路性業務的傳輸首先要建立連接，對于已建立連接的電路性業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；隨機訪問方案允許終端隨機發送信息，如果不同的終端發送的信息在時間上重疊，碰撞的信息按一定的規則延遲一段時間后重新發送，直到成功；按需分配方案是根據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務。隨機訪問方案實現最簡單，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。根據這兩種業務對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務，再將剩余的帶寬用按需分配方案分配給各用戶站的數據性業務。

　　2．幀結構

　　下行廣播幀結構如圖5所示。下行廣播幀長度為2 170字節，由幀頭和凈荷組成。幀頭長度是74字節，包括2字節幀同步碼和和72字節控制信息。幀同步碼為“0xA4A4”，用于保證用戶站和基站之間同步?？刂菩畔⒂糜趥鬏敾鞠蛴脩粽景l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，分為電路性業務區和數據性業務區。電路性業務區用于傳輸電路性業務包，其長度為18n字節，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字節長度的區間傳輸這個時隙的電路性業務包。數據性業務區長度為2 096～18n字節，用于傳輸數據性業務包。

　　

　

　　

　　上行突發幀結構如圖6所示。上行突發幀由幀頭和凈荷組成。幀頭包括9個字節的位同步字、1個字節的獨特字和6個字節的控制信息組成。位同步字是9個字節的“0xAA”，用于恢復時鐘。獨特字是“0xAB”，用于指示下一個字節是控制信息的第一個字節。6個字節的控制信息用于傳輸用戶站向基站發送的一些控制消息。凈荷由電路性業務區和數據性業務區組成。電路性業務區用于傳輸電路性業務包，其長度為18n字節，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字節長度的區間傳輸該時隙的電路性業務包。數據性業務區用于傳輸數據性業務包，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，上行突發幀凈荷長度、電路性業務區長度和數據性業務長度均是變化的，分別決定于寬帶固定無線接入網分配給某用戶站的總速率、傳輸電路性業務的速率和傳輸數據性業務的速率。另外，不同用戶站上行突發幀之間有2個字節的保護間隔，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。其次被允許注冊的用戶站向基站發送注冊請求，注冊請求包含鑒權碼。最后基站接收到注冊請求消息，判斷是否是合法用戶站。若是合法用戶站，則基站向用戶站發送注冊成功信息，注冊成功消息中包含延時調整消息。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為每個用戶站分配一個64 bit長度的鑒權碼。此鑒權碼是用戶站特有的，與用戶站標志對應。基站判斷某一用戶站是否是合法用戶站就是通過比較鑒權碼與用戶站標志是否一致。

　　寬帶固定無線接入網上行鏈路各用戶站以TDMA的方式發送突發幀，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發送上行突發幀。我們稱2ms周期的起始時刻為參考時刻。為了使各用戶站發送的上行突發幀到達基站時不發生碰撞，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。延時調整的目的就是確定每個用戶站的參考時刻。延時調整是利用不同用戶站在參考時刻發送上行突發幀（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的。延時調整過程如圖7所示?；驹趖1時刻通過下行廣播幀將允許注冊請求信息發送給用戶站，用戶站接收到允許注冊請求消息并在用戶站預定參考時刻t2發上行突發幀，基站在t3時刻接收到該上行突發幀，而所有的用戶站在其參考時刻發送的上行突發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

　　目前，我們用Altera公司的FPGA芯片實現MAC層功能。根據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開發系統中進行編譯、仿真和配置下載并進行硬件調試。最后我們用2片ACEX1K系列EPK100實現用戶站MAC層功能和1片ACEX1K系列EPK100和1片APEX20K系列EP20K300E實現基站MAC層功能。

　　六、結論

　　MAC層是寬帶固定無線接入網的核心部分，本文設計了以下關鍵技術實現MAC層功能。針對數據性業務和電路性業務的特點，設計出數據性業務包和電路性業務包，以完成這兩種業務的適配。針對數據性業務和電路性業務對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的幀結構。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。

　　上述各項技術均用FPGA芯片實現，并且通過了測試。寬帶固定無線接入網MAC層的設計成功對推動寬帶固定無線接入網的廣泛應用有十分重要的意義。

　　

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摘自　中寬網

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