WiMAX系統(tǒng)終端軟件設(shè)計(jì)

朱聯(lián)祥，郝勝華

(重慶郵電大學(xué)信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

WiMAX即全球微波互聯(lián)接入，是一項(xiàng)基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入城域網(wǎng)技術(shù)，其目標(biāo)是提供一種在城域網(wǎng)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廠商環(huán)境下，可有效互聯(lián)接入的寬帶無(wú)線接入手段［1－2］。WiMAX可替代現(xiàn)有的有線和DSL連接方式，來(lái)提供“最后一公里”無(wú)線寬帶接入。WiMAX主要技術(shù)特點(diǎn)是傳輸速率高，覆蓋范圍廣，支持移動(dòng)性，提供QoS保證并采用基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組化、接入的寬帶化和終端的移動(dòng)化的三者合一。

隨著IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的日益成熟，WiMAX時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。參與到WiMAX技術(shù)推廣和市場(chǎng)應(yīng)用中的廠商也越來(lái)越多，各大廠商都想以自己開(kāi)發(fā)的成熟產(chǎn)品在WiMAX應(yīng)用中掌握主動(dòng)權(quán)［3－4］，這就使得基于標(biāo)準(zhǔn)的基站和終端的開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。本文基于IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)，給出WiMAX終端軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 WiMAX終端的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)

IEEE 802.16e終端軟件系統(tǒng)構(gòu)建于ARK平臺(tái)之上，用于實(shí)現(xiàn)控制面主要功能和部分?jǐn)?shù)據(jù)面功能［5］。向下通過(guò)物理層驅(qū)動(dòng)同物理層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及控制;向上通過(guò)虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層交換業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)。

圖1 終端軟件設(shè)計(jì)框架圖

2 軟件系統(tǒng)劃分和層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，軟件系統(tǒng)可劃分為CS，MAC，Phy Ctrl，Phy Driver模塊［6－7］。其中 MAC 實(shí)現(xiàn)主要協(xié)議功能，該模塊較為復(fù)雜，按照實(shí)現(xiàn)層次可分為配置管理、連接/服務(wù)流管理、傳輸控制和消息處理4個(gè)子模塊［3－8］。不同模塊的層次關(guān)系如圖2所示。

圖2 終端軟件劃分層次關(guān)系圖

主要數(shù)據(jù)和控制流程依據(jù)下列幾條:

1)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)進(jìn)入CS層，CS層對(duì)其進(jìn)行分類，并將同分類結(jié)果(CID)送往MAC層，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的MAC發(fā)送隊(duì)列，等待發(fā)送。

2)來(lái)自MAC層消息處理模塊產(chǎn)生的信令根據(jù)對(duì)應(yīng)管理連接CID進(jìn)入MAC發(fā)送隊(duì)列，等待發(fā)送。

3)MAC TX/RX模塊收到來(lái)自Phy Driver的ULMAP后進(jìn)行解析調(diào)度，從MAC發(fā)送隊(duì)列中取出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)發(fā)送策略構(gòu)建MAC PDU，通過(guò)PHY Ctrl模塊發(fā)送至Phy Driver。

4)接收數(shù)據(jù)由Phy Driver送至Phy Ctrl，進(jìn)入MAC TX/RX模塊，經(jīng)過(guò)分片重組和組包拆分之后根據(jù)CID分別送往消息處理模塊和CS層，其中消息處理模塊再解析出PDU中的消息，送至對(duì)應(yīng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理;發(fā)送至CS層的數(shù)據(jù)將PDU還原出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包后，通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)送至網(wǎng)絡(luò)層。

5)終端在進(jìn)行信道掃描同步、測(cè)距、基本能力協(xié)商、注冊(cè)、服務(wù)流等過(guò)程中從狀態(tài)配置管理模塊中讀取終端配置信息參數(shù)，在同基站交互過(guò)程中記錄基站基本信息和交互信息。

6)初始測(cè)距過(guò)程中，在從基站獲取管理連接后，通過(guò)連接管理模塊建立管理連接基本信息。

7)在DSA/DSD過(guò)程中，通過(guò)連接/服務(wù)流管理模塊建立數(shù)據(jù)連接和服務(wù)流基本信息，同時(shí)通過(guò)CS原語(yǔ)通知CS添加刪除分類和頭壓縮規(guī)則。

3 終端軟件模塊化

3.1 CS

CS層實(shí)現(xiàn)上層服務(wù)的接入轉(zhuǎn)換工作，本方案主要包括對(duì)上層數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類以及服務(wù)原語(yǔ)處理兩部分。CS層通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)直接掛接到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，由上層協(xié)議棧中的處理進(jìn)程調(diào)用。通過(guò)虛擬網(wǎng)卡的兩個(gè)接口函數(shù)Tx函數(shù)和Rx函數(shù)以及服務(wù)原語(yǔ)與下層的CPS進(jìn)行服務(wù)控制和數(shù)據(jù)交換。

CS層實(shí)現(xiàn)上層協(xié)議棧與CPS之間的數(shù)據(jù)交換。一方面，CS接收上層協(xié)議棧的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行分類，并根據(jù)分類結(jié)果將數(shù)據(jù)包送往下層的CPS。另一方面，接收CPS數(shù)據(jù)包，將其遞交給上層協(xié)議棧。

根據(jù)IEEE 802.16中提供的參考模型，CS和CPS可以按照具體的功能進(jìn)行層次劃分，之間通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)進(jìn)行服務(wù)控制和數(shù)據(jù)交換。規(guī)范中提供參考的有DSA、DSD相關(guān)的服務(wù)原語(yǔ)。

在本方案中不考慮實(shí)現(xiàn)DSC過(guò)程，另外由于與CPS數(shù)據(jù)交換采用更便捷的實(shí)現(xiàn)方式，DATA原語(yǔ)不需要實(shí)現(xiàn)。

3.2 MAC

按照實(shí)現(xiàn)層次可分為終端狀態(tài)/配置管理、連接/服務(wù)流管理、傳輸控制和消息處理4個(gè)子模塊。

3.2.1 終端狀態(tài)/配置管理

終端狀態(tài)/配置管理包括終端的基本信息，系統(tǒng)狀態(tài)信息等。具體可分為以下3個(gè):

1)終端基本信息，即MAC Address，Vendor ID等標(biāo)識(shí)信息。

2)終端配置信息，包括SBC，REG，DSA交互過(guò)程中的預(yù)設(shè)參數(shù)和BS協(xié)商的最終參數(shù)，以及定時(shí)器、重試次數(shù)參數(shù)。

3)基站信道信息，包括BSID，CHNID，Burst Profile等信息，這些參數(shù)是在終端接入過(guò)程中通過(guò)信道掃描、DCD、UCD等信令獲取的。

4)終端狀態(tài)信息

包括各層狀態(tài)機(jī)相關(guān)父子狀態(tài)、各定時(shí)器標(biāo)識(shí)以及各重試記錄。

3.2.2 連接/服務(wù)流管理

連接/服務(wù)流管理模塊用于管理在終端側(cè)實(shí)際使用的連接和服務(wù)流，主要工作包括建立連接/服務(wù)流，激活連接/服務(wù)流，刪除連接/服務(wù)流。

連接管理還包括對(duì)管理連接、廣播連接等特殊連接的管理控制。

服務(wù)流管理主要功能為相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化和維護(hù)，連接管理除了對(duì)應(yīng)內(nèi)部空間的維護(hù)還需要向傳輸模塊提供連接隊(duì)列統(tǒng)計(jì)接口。

連接管理模塊中廣播連接等特殊連接在初始接入是由MAC自行建立，管理連接在初始測(cè)距過(guò)程中盡力，這些連接的建立維護(hù)不通過(guò)服務(wù)流管理模塊。數(shù)據(jù)連接的建立刪除依賴和服務(wù)流控制，由于系統(tǒng)定義不包括DSC過(guò)程，在DSA過(guò)程除了協(xié)商建立服務(wù)流外還同時(shí)建立對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)連接。

所有連接以Connetion Chain方式管理，Connetion Chain相當(dāng)于上行/下行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)緩存機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)以CID作為唯一索引，除了保存基于該CID的系統(tǒng)參數(shù)(QoS，ARQ等)信息以外，同時(shí)，保存著以該CID作為標(biāo)識(shí)的IN/OUT隊(duì)列，以及隊(duì)列中BLOCK的各種狀態(tài)與信息。

3.2.3 傳輸控制

傳輸控制包括上行調(diào)度/帶寬請(qǐng)求、MAC PDU構(gòu)造、ARQ這3部分。

1)上行調(diào)度/帶寬請(qǐng)求。

上行調(diào)度和帶寬請(qǐng)求機(jī)制由ULMAP的事件PHY Ctrl解析UL MAP后，將過(guò)濾后的MAP IE送至傳輸控制模塊。一方面調(diào)度根據(jù)連接的QoS要求和發(fā)送隊(duì)列的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)度，構(gòu)造上行數(shù)據(jù)。一方面構(gòu)造每個(gè)數(shù)據(jù)連接的帶寬請(qǐng)求。

2)MAC PDU構(gòu)造。

MAC PDU構(gòu)造包括分片組包處理，MAC頭處理等。

3)目前暫不支持ARQ功能。

3.2.4 消息處理

消息處理實(shí)現(xiàn)的功能主要包括網(wǎng)絡(luò)登錄與初始化、周期性的測(cè)距、服務(wù)流管理以及SS控制。SS端的消息處理機(jī)制的頂層狀態(tài)。

初始化階段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)登錄與系統(tǒng)初始化功能，分為4個(gè)子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，即初始化測(cè)距、能力協(xié)商、認(rèn)證授權(quán)以及注冊(cè)。其他幾個(gè)功能模塊如服務(wù)流管理、測(cè)距以及控制消息的管理單獨(dú)成一子模塊實(shí)現(xiàn)。

3.3 Phy Ctrl

Phy Ctrl包括 Phy Conf，ULMAP Decode 和 Phy Ctrl Tx/RX共3部分。

1)Phy Conf

通過(guò)Phy Driver接口對(duì)物理層寄存器進(jìn)行讀寫操作，配置硬件運(yùn)行環(huán)境，配置射頻參數(shù)等。

2)ULMAP Decode

Phy Driver在底層接收到ULMAP后會(huì)及時(shí)將ULMAP送至Phy Ctrl，ULMAP負(fù)責(zé)解析ULMAP消息并進(jìn)行過(guò)濾，分解終端需要的數(shù)據(jù)MAPIE和CDMA IE，將相關(guān)信息送至MAC傳輸模塊。

3)Phy Ctrl TX/RX

數(shù)據(jù)收發(fā)接口，進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)緩存，提供MAC與Phy Driver交互通道。

3.4 Phy Driver

實(shí)現(xiàn)實(shí)際對(duì)物理層器件操作維護(hù)，包括初始化等必須工作。

4 小結(jié)

從WiMAX實(shí)際開(kāi)發(fā)項(xiàng)目入手，基于移動(dòng)寬帶無(wú)線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16e協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具體要求，給出終端軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)方案。

［1］IEEE Std 802.16TM—2009，IEEE standard for local and metropolitan area networks，part16:air interface for fixed broadband wireless access systems［S］.2009.

［2］IEEE 802.16e－2005，IEEE standard for local and metropolitan area networks，part 16:air interface for fixed broadband wireless access systems，amendent 2:for physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operations in licensed bands［S］.2006.

［3］曹宇輝，鄭偉，王匡.WiMAX 技術(shù)及應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2005，29(11):77－80.

［4］朗為民，祈向宇，宋姍姍.WiMAX應(yīng)用研究［J］.數(shù)字通信世界，2010(8):36－39.

［5］田韜.WiMAX 16e無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［6］吳立.IEEE802.16e終端MAC層的研究與設(shè)［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.

［7］劉凱.IEEE802.16e終端MAC層處理芯片的研究與設(shè)計(jì)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2010.

［8］胡金龍，龐迪，周繼華，等.靈活易移植的WiMAX MAC協(xié)議棧軟件系統(tǒng)［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(1):70－73.