IEEE 802. 16 协议的研究及系统仿真

摘　要:

基于最新的宽带无线接入协议IEEE 802.16 ,通过计算机仿真平台,实现了工作在TDMA-DAMA/ FDD 模式的仿真系统,设计了上行链路接入的带宽调度机制来实现动态带宽分配。仿真的结果评估了在具有CBR 和VBR 两种业务终端的系统环境中,对该带宽调度机制的性能,以及其对系统队列长度、网络时延等各项性能指标的影响。

关键词:

宽带无线接入;按需分配多址接入;仿真;动态带宽分配

1 　引　言

宽带化是通信网发展的必然趋势。目前以光纤为主体的核心网已基本能满足带宽需求,而主要瓶颈在于"最后一英里(Last-mile) "问题,即从客户网到核心网之间的接入瓶颈。宽带无线接入(BWA) 系统,是解决此问题的有效途径。为此, IEEE(国际电
气与电子工程师协会) 去年颁布了新的协议标准IEEE Standard 802. 16 - 2001 ,定制了新的无线城域网(WMAN) 空中接口规范WirelessMANTM。协议规定,下行链路数据流由基站(BS) 按时分复用(TDM) 向下广播,不存在竞争。上行链路采用时分多址接入(TDMA) 方式,但不同于传统的TDMA ,它引入了按需分配多址接入(DAMA[1 ]) 方式。这不仅需要周期测距来实时补偿各用户站(SS) 距基站(BS) 的路径时延,而且还需要复杂的上行链路调度机制来实现动态带宽分配(DBA) ,使各SS 发射的业务数据达到同步,在保证获得期望的QoS 的同时,它还需要简单有效的时隙竞争方案使各SS 在发射带宽请求消息时减少碰撞概率[2 ] 。

2 　BWA 系统参考模型[ 3]

BWA 通常指在用户终端和核心网间传递宽带业务的固定无线系统。LMDS(Local Multipoint Distributed System) 本地多点分配业务系统是第一代BWA 系统, 而IEEE 802. 1622001 协议描述的是第二代BWA 系统。BWA 系统的通用参考模型如图1 所示。

BWA 的典型系统包括:基站(BS) 、用户站(SS) 、用户终端设备(TE) 、核心网设备、小区间链路、中继站(RS) 等设备, 组建城域网时, 还包括网管系统(NMS) 和光缆等基础设施。BWA 系统通常采用"点到多点"(PMP) 拓扑结构,每个BS 覆盖一个蜂窝小区。下行是点到多点,BS 以TDM 的广播方式发送信号;上行是点对点,SS 以TDMA 或FDMA 等多址方式接入系统。

3 　IEEE 802. 16 协议参考模型[ 4]

IEEE 802. 16 协议参考模型如图2 所示。它由媒体访问控制层(MAC) 和物理层(PHY) 两大部分组成。MAC 层由特定业务汇聚子层(CS) 、MAC 公共部分子层(MAC CPS) 、加密协议子层(Privacy) 3 部分组成,加密协议子层是可选的。
CS 子层的主要功能:负责将其业务接入点(CSSAP) 收到的外部网络PDU 转换和映射成MAC SDU ,并传递到MAC CPS 层业务接入点(MAC SAP) 。协议提供了ATM CS 和Packet CS 两种汇聚子层作为与外部网络的协议接口。

MAC CPS 子层是MAC 层的核心,包括系统接入、带宽分配、连接的建立和连接维护等。它把从MAC SAP 接收的MAC SDU 映射到特定的连接并封装成MAC PDU ,同时对物理层上传输的数据实施QoS 控制,最后将MAC PDU 传递到PHY SAP。

Privacy 子层的主要功能:提供认证、密钥交换和加解密处理,该协议子层是可选的。

物理层:传输汇聚子层(TC) 和物理媒质依赖子层(PMD) 。TC 层负责把收到的MAC PDU 封装成TC PDU ,并执行接入竞争方案和控制同步逻辑,PMD 主要执行信道编码、调制等处理。物理层最大特点是,每帧按"突发"( burst) 划分,各burst 可采用QPSK、16 QAM、64 QAM等不同调制方式。

4 　MAC 层特点

MAC 层把来自高层的PDU 映射到SS 的不同业务流并与各种QoS 等级关联,而所有业务流都是以CID (16 bit) 标识的"连接"为背景,即SS 在注册后立即将各种业务流和特定的连接映射,从而为"是谁请求的带宽"提供一个参考,并且连接是随着业务流的变化而动态建立和拆除的。无论高层业务是面向连接的话音业务还是无连接的IP 业务,在MAC 层都将按业务流映射成动态的连接。

MAC层寻址方式:下行链路,BS 向扇区内所有SS 按TDM方式发射数据,各SS 根据接收消息中的CID地址来判断是否是属于自己的消息。上行链路,SS 发射携带CID 的带宽请求消息,BS 按需分配并预定SS 下一帧接入时间。SS 通过从上一下行帧收到的ULMAP 消息得知接入时间和带宽,从而按TDMA-DAMA 方式接入BS。

MAC 层接入控制机制:具体是通过主动带宽授予、轮询(Polling :单播、多播、广播) 和请求竞争过程中5 种不同类型的上行链路调度机制来实现的。

MAC 层主要提供了两种带宽有求方式:独立的带宽请求头(BRH) 或授予管理子头中捎带请求域(PBR) 。

上行链路调度: 设计调度服务是为了提高轮询/ 授予进程的效率。通过指定一种调度服务和它相关的QoS 参数,BS 就能预测上行链路业务的吞吐量和时延需求,并在适当的时候提供轮询/ 授予。协议支持主动授予、实时轮询、非实时轮询、尽力传送4 种基本调度服务,每种服务提供了支持某类特殊业务流的带宽调度方法。