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5 物理层帧结构
MAC 协议支持3 种双工技术:Unframed FDD , Framed FDD , Framed TDD。这里只描述典型的Framed FDD 模式。其上、下行帧使用固定帧长,组成帧的最小基本单位是"物理时隙"(PS) 。每PS 由4 个符号组成,物理层帧结构如图3 所示。
上行帧帧结构:上行帧按功能主要划分成Intial Maintenance IE ( IM IE) 、Request IE (Req IE) 、Station Maintenance IE(SM IE) 和SS Data Grant IE(SS 数据) 4 部分。分别用于执行SS 注册、初始测距、带宽请求、周期测距和功率控制、传递SS 的业务分组等功能。
各IE 的起始时间和带宽由上一下行帧中ULMAP 指示。在IM IE 和Req IE 期间,各SS 按截短二进制指数退避算法[2 ]竞争接入。
下行帧帧结构:下行帧头部由帧同步前缀和广播控制信息组成。后者是由DL2MAP、UL2MAP、DCD (下行信道识别符号) 、UCD(上行信道识别符号) 组成。头部后面是以burst 形式携带的各SS 的数据。
DLMAP 为各SS 指明了对当前下行帧中信息的访问方式(如burst 起始时间) ,ULMAP 为各SS 指示了下一上行帧中它们所需带宽分配信息、发射起始时间等。DCD 消息定义了下行物理信道特性。UCD消息则定义了相应的上行帧中各burst 的描述文档, 以及"微隙"包含的PS 数、前缀和SS Transition Gap长度、竞争冲突时退避窗的窗口值等信息。DCD ,UCD 由BS 周期性发射,不一定在每一帧中出现。图3 中DCD ,UCD 未标出。
6 协议仿真
本文在PC 机上实现了对该协议的系统仿真。系统模型如图4 所示,这是一个简单的点对多点系统,包括1 个BS、3 个SS 和1 个ISP Server ,每个SS接1 个CBR 业务终端和1 个VBR 业务终端。工作模式为FDD(收发双工间隔1. 25 GHz) ,上行TDMA-DAMA ,下行TDM。系统基于MAC CPS 层模块[5 ] ,在CS 层设计了带宽请求和分配算法。
仿真系统基本配置如下: 工作频带:选取上、下行各28 MHz 单载波组成基本信道带宽, 收发间隔为1. 25 MHz , 25. 757 ～25. 785 GHz (上行:SS 发) ;24. 507～24. 535 GHz (下行:BS 发) 调制类型:QPSK 信道速率: symbol - rate = 22. 4 Mbaud ; bit - rate= 44. 8 Mbit/ s 帧结构:帧长= 1 ms ;1 微隙含PS 数= 1 ;每PS含symbol 数= 4每帧含PS = 5 600 SS Transition Gap = 2 PS发射功率( Pt) :SS 发射功率= 10 dBm BS 发射功率= 10 dBm 天线辐射模式:BS 采用定向90°扇区天线,收发增益Gr = Gt = 15. 5 dBi SS 采用定向喇叭天线(主瓣宽度为5°) 对准BS , 收发增益Gt = Gr = 35 dBi BS - SS 直视距离:SS- 1 ,SS- 2 ,SS- 3 分别距离BS- 0 为3 km , 2 km , 5 km 业务模型配置:见表1、表2。
仿真结果见图5～图8。图5 显示了仿真期间, 各SS 的CBR 队列长度随时间变化情况。由于各CBR 终端随机接入时没发生竞争冲突。并且按协议规定,CBR 终端接入后不再发出带宽请求,仅持续接收BS 的周期性单播授予,故其分组到达率恒定不变,队列长度一直维持目标值6。
图6 给出了各SS 的VBR 队列长度随时间的变化(按时间平均处理) 。在t = 2. 5～3 秒间,可见队列长度有所增加。原因是所有终端参与工作,各VBR 队列在此期间接收带宽授予不足并存在短时竞争碰撞。在t = 3 秒后,由于各CBR 相继释放带宽资源,并由各VBR 动态利用,带宽授予量相对增加,队列平均长度趋向稳定于目标值180。
图7 给出了SS 侧(所有SS) 每帧接收的净带宽授予总量、每帧带宽请求总量的柱状线。图7 表明在t = 2. 5～3 秒间,由于所有终端工作,系统负荷最大。带宽请求量均值为8 ×3 + 2 ×3 = 30 Mbit/ s(3 750 bytes/ 每帧) ,加上所有协议开销(业务数据封装开销和每帧管理消息/ 信令开销) ,会频繁出现每帧请求量超过系统每帧最大带宽(5 600 bytes) 的情况。但由于带宽动态分配机制,BS 授予总量曲线会呈现出一个对请求总量的"削顶"。随后,CBR 终端释放带宽资源,VBR 平均每帧可授予带宽增大,队列长度减小,从而每帧请求量随之减小。由图7 可见,在授予曲线密集部分之后变得稀疏,表明每帧请求量超过最大带宽的次数明显减少。图7 中较为平稳的两条曲线是对请求量、授予量的时间平均。可见很快便趋于一致,显示了带宽授予量紧跟请求量的按需动态分配情形。
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