WiMAX系統(tǒng)終端軟件設(shè)計

朱聯(lián)祥，郝勝華

(重慶郵電大學信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶 400065)

WiMAX即全球微波互聯(lián)接入，是一項基于IEEE 802.16標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術(shù)，其目標是提供一種在城域網(wǎng)一點對多點的廠商環(huán)境下，可有效互聯(lián)接入的寬帶無線接入手段［1－2］。WiMAX可替代現(xiàn)有的有線和DSL連接方式，來提供“最后一公里”無線寬帶接入。WiMAX主要技術(shù)特點是傳輸速率高，覆蓋范圍廣，支持移動性，提供QoS保證并采用基于全IP的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組化、接入的寬帶化和終端的移動化的三者合一。

隨著IEEE 802.16標準的日益成熟，WiMAX時代已經(jīng)到來。參與到WiMAX技術(shù)推廣和市場應用中的廠商也越來越多，各大廠商都想以自己開發(fā)的成熟產(chǎn)品在WiMAX應用中掌握主動權(quán)［3－4］，這就使得基于標準的基站和終端的開發(fā)顯得尤為重要。本文基于IEEE 802.16e標準，給出WiMAX終端軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計方案。

1 WiMAX終端的軟件設(shè)計架構(gòu)

IEEE 802.16e終端軟件系統(tǒng)構(gòu)建于ARK平臺之上，用于實現(xiàn)控制面主要功能和部分數(shù)據(jù)面功能［5］。向下通過物理層驅(qū)動同物理層進行數(shù)據(jù)交換以及控制;向上通過虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層交換業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(見圖1)。

圖1 終端軟件設(shè)計框架圖

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 實現(xiàn)主要協(xié)議功能，該模塊較為復雜，按照實現(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)來自網(wǎng)絡(luò)層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動進入CS層，CS層對其進行分類，并將同分類結(jié)果(CID)送往MAC層，進入對應的MAC發(fā)送隊列，等待發(fā)送。

2)來自MAC層消息處理模塊產(chǎn)生的信令根據(jù)對應管理連接CID進入MAC發(fā)送隊列，等待發(fā)送。

3)MAC TX/RX模塊收到來自Phy Driver的ULMAP后進行解析調(diào)度，從MAC發(fā)送隊列中取出對應數(shù)據(jù)，根據(jù)相應發(fā)送策略構(gòu)建MAC PDU，通過PHY Ctrl模塊發(fā)送至Phy Driver。

4)接收數(shù)據(jù)由Phy Driver送至Phy Ctrl，進入MAC TX/RX模塊，經(jīng)過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，送至對應狀態(tài)機進行處理;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，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動送至網(wǎng)絡(luò)層。

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

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

7)在DSA/DSD過程中，通過連接/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，同時通過CS原語通知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層實現(xiàn)上層服務(wù)的接入轉(zhuǎn)換工作，本方案主要包括對上層數(shù)據(jù)包進行分類以及服務(wù)原語處理兩部分。CS層通過虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動直接掛接到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，由上層協(xié)議棧中的處理進程調(diào)用。通過虛擬網(wǎng)卡的兩個接口函數(shù)Tx函數(shù)和Rx函數(shù)以及服務(wù)原語與下層的CPS進行服務(wù)控制和數(shù)據(jù)交換。

CS層實現(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行層次劃分，之間通過服務(wù)原語進行服務(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。

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

3.2 MAC

按照實現(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:

1)終端基本信息，即MAC Address，Vendor ID等標識信息。

2)終端配置信息，包括SBC，REG，DSA交互過程中的預設(shè)參數(shù)和BS協(xié)商的最終參數(shù)，以及定時器、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)是在終端接入過程中通過信道掃描、DCD、UCD等信令獲取的。

4)終端狀態(tài)信息

包括各層狀態(tài)機相關(guān)父子狀態(tài)、各定時器標識以及各重試記錄。

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數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化和維護，連接管理除了對應內(nèi)部空間的維護還需要向傳輸模塊提供連接隊列統(tǒng)計接口。

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，管理連接在初始測距過程中盡力，這些連接的建立維護不通過服務(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過程，在DSA過程除了協(xié)商建立服務(wù)流外還同時建立對應數(shù)據(jù)連接。

所有連接以Connetion Chain方式管理，Connetion Chain相當于上行/下行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)緩存機構(gòu)，該機構(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，保存著以該CID作為標識的IN/OUT隊列，以及隊列中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/帶寬請求、MAC PDU構(gòu)造、ARQ這3部分。

1)上行調(diào)度/帶寬請求。

上行調(diào)度和帶寬請求機制由ULMAP的事件PHY Ctrl解析UL MAP后，將過濾后的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)送隊列的實際情況進行調(diào)度，構(gòu)造上行數(shù)據(jù)。一方面構(gòu)造每個數(shù)據(jù)連接的帶寬請求。

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

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

初始化階段實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)登錄與系統(tǒng)初始化功能，分為4個子模塊來實現(xiàn)，即初始化測距、能力協(xié)商、認證授權(quán)以及注冊。其他幾個功能模塊如服務(wù)流管理、測距以及控制消息的管理單獨成一子模塊實現(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Phy Driver接口對物理層寄存器進行讀寫操作，配置硬件運行環(huán)境，配置射頻參數(shù)等。

2)ULMAP Decode

Phy Driver在底層接收到ULMAP后會及時將ULMAP送至Phy Ctrl，ULMAP負責解析ULMAP消息并進行過濾，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，進行簡單數(shù)據(jù)緩存，提供MAC與Phy Driver交互通道。

3.4 Phy Driver

實現(xiàn)實際對物理層器件操作維護，包括初始化等必須工作。

4 小結(jié)

從WiMAX實際開發(fā)項目入手，基于移動寬帶無線接入空中接口標準IEEE 802.16e協(xié)議標準具體要求，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)及應用［J］.電視技術(shù)，2005，29(11):77－80.

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

［5］田韜.WiMAX 16e無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應用［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，2010.

［7］劉凱.IEEE802.16e終端MAC層處理芯片的研究與設(shè)計［D］.上海:上海交通大學，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］.北京郵電大學學報，2010，33(1):70－73.