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设计基于FPGA的MAC子系统,打造与众不同的WiMAX产品

技术要求和商业需求正促使WiMAX无线网络技术快速升温。通信行业面临着进一步降低无线通信网络成本的巨大压力,而实现这一点的一个可能方法就是提高目 前的移动网络中使用的无线频谱的使用效率。综合利用一系列允许快速改变通信业务的调制模式和编码模式的先进技术,以及高级纠错技术和流量调度方案,可以有 效提高无线频谱的使用效率。

类似于以太网和无线局域网(WLAN)技术规范,WiMAX无线网络标准基于一种大幅降低企业网络建设成本、提高网络效率的网络设备设计理念。WiMAX无线网络面临的最大挑战是,将其技术优势拓展应用于范围更加广阔的公共网络。

技术规范解读

IEEE 802.16标准规定了一个包含两个核心组件的系统:用户站点(SS)或用户端设备(CPE)和基站(BS)。一个基站和一个或多个用户站点可以构成一个 点到多点(P2MP)结构的小区。在无线通信过程中,基站控制小区内部的所有通信活动,包括任何用户站点接入无线通信网络、指配相应的服务质量(QoS) 等级和根据网络安全机制管理网络。

利用多个基站,可以配置一个无线通信网络。采用正交频分复用(OFDM)技术,这个小区的覆盖范围最高 可达方圆30英里;但是,这是在良好的无线通信环境条件下,并且只能提供最低数据率。一般而言,实际可行的小区覆盖范围约为5英里甚或更小。请注意,也可 以在点到点(P2P)或网状网络结构中采用WiMAX标准,利用成对的定向天线,实现高于P2MP网络的系统有效覆盖范围。

802.16 MAC协议是专门针对P2MP无线接入环境而设计的,可以支持诸如ATM、以太网和互联网协议(IP)等传输协议,并且可以通过特定的汇聚层(如图1所 示),适应未来的技术发展。MAC层还可以利用物理层来实现很高的数据吞吐量,同时提供符合ATM标准的服务质量(QoS),如UGS、rtPS、 nrtPS和尽高带宽(BE)(如图2所示)。

在802.16网络框架结构中,可以根据链路状况,向用户终端动态分配上行和下行突发配置,从而实时地为用户终端折衷选择通信容量和强健性。此外,相比于非自适应系统,802.16网络实现了2倍(平均值)的通信容量。

802.16 MAC采用了一个可变长度协议数据单元(PDU)和其他创新概念,显著提高了网络效率。例如,可以将多个MAC PDU并置到一个SINGLE BURST(单次突发中),从而节省物理层(PHY)开销。也可以将多个业务数据单元(SDU)并置到一个MAC PDU中,以节省MAC报头开销。通过数据包分段,可以利用多个帧来发送很大的SDU,确保服务质量。此外,可以利用有效负载报头压缩,降低SDU报头冗余造成的开销。

802.16 MAC协议采用自矫正带宽请求/授予机制,消除了确认延迟,并且实现了优于传统确认机制的服务质量。取决于各种业务的服务质量和流量参数,用户终端可以选择请求不同的带宽。

 设计基于FPGA的MAC子系统,打造与众不同的WiMAX产品

图1 802.16协议堆栈

 设计基于FPGA的MAC子系统,打造与众不同的WiMAX产品

图2 各类业务的服务质量等级

802.16 协议中的保密层采用了与DOCSIS标准相同的模型。利用密码块链接(CBC)模型中实现的数据加密标准(DES),加密需要传输的有效负载和辅助管理连 接。利用个人知识管理(PKM)协议,对用户站点进行基于认证的鉴权。利用RSA公共密钥方法和x.509认证,在基站和用户站点之间传递密钥。

任 何SS器件接入网络都要执行一系列任务,以进行鉴别和同步基站和用户站点。当基站下行信号实现同步后,上行信道描述符(UCD)将提供定时参数和初始测距 连接时隙数据。在用户站点测距的过程中,基站将在用户站点登录后,为协商性能分配各种管理消息。利用PKM,可以为鉴权建立一个安全的辅助管理连接。现 在,这个系统可以部署各种MAC业务,通过采用各种IP协议的用户连接进行通信。通过常规测距和信道状况监视,管理信道资源。

服务质量(QoS)和信道资源调度

WiMAX标准包括许多值得关注的特性,其中之一就是能够实现很高的服务质量和支持信道资源调度。对于服务提供商而言,这些特性尤为重要,因为这些特性能够最大限度地提高无线信道利用率和系统吞吐量,并且能够确保达到服务级别协议(SLA)中规定的要求(如图3所示)。

基 于MAC实现的基础设施能够支持各种业务类型。各个用户站点和基站之间的带宽请求和授予机制则实现了服务质量特性。当前的服务质量机制主要包含四种业 务:UGS(主动授予业务)、rtPS(实时轮询业务)、nrtPS(非实时轮询业务)和BE(尽高带宽业务),可以为视频、音频和数据业务等提供其需要 的服务质量等级。由数据包调度程序(Packet Scheduler)负责为一个用户的各种不同业务类型调度相应的资源。也就是说,到达用户实现SLA的要求。可以将用户划分为各种不同的优先级,如标准 和高级(如图4所示)。

在IEEE 802.16-2005系统中管理移动性


(责任编辑:ioter)

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