WiMAX媒体接入控制协议研究与系统设计

isioned）服务流、接纳（Admitted）服务流和激活（Active）服务流。接纳服务流通过了系统的接纳控制，系统为其预留带宽资源，但并不能直接用于传输数据，只有转变为激活服务流后才能传输数据。一条接纳或激活服务流与一条连接唯一对应，服务流的QoS保证就成为连接的QoS保证。

服务流管理操作通过动态服务流管理过程完成。动态服务流管理包括动态服务流添加（DSA，Dynamic Service Addition）、　修改（DSC，Dynamic Service Change）和删除（Dynamic Service Deletion）三个过程。一个通过DSA过程建立的服务流，可以通过DSC过程进行修改，使用完毕后可以通过DSD过程进行删除。图1给出了动态服务流建立过程的信令流程。

图1　动态服务流建立过程

2.3　带宽分配

连接与服务流提供了一种有服务质量保证的数据传输机制。要将用户数据按照所期望的服务质量进行传输，必须为连接分配相应的带宽。带宽分配在基站和终端上分别进行。基站带宽分配包括下行和上行带宽分配，下行带宽分配由下行调度器完成，上行带宽分配由上行调度器完成。终端带宽分配由分组调度器和带宽请求生成器完成。图2显示了802.16系统中的带宽分配框架。

图2　802.16带宽分配框架

3、FPWiMAC系统设计

在对协议进行深入分析和研究的基础上，我们设计了IEEE 802.16MAC层关键算法和一个灵活可移植的WiMAX MAC软件系统FPWiMAC（Flexible and Portable WiMAX Medium Access Control System）。

FPWiMAC面向研究机构和设备生产商而设计，其设计目标包括：

（1）高度可移植性：MAC软件核心部分独立于操作系统、物理层实现和硬件平台。

（2）灵活性：方便算法实现和验证。

（3）可扩展性：方便加入新功能。

（4）稳定性和高性能：面向商用，用于设备生产商二次开发或直接集成到设备中。

为了达到上述目标，FPWiMAC被设计为由一个灵活健壮的框架和一系列高性能算法构成。由于篇幅限制，本文不对算法进行介绍，下面仅介绍系统设计中的几项关键技术。

3.1　软件层次结构

图3给出了FPWiMAC的软件层次结构。

图3　FPWiMAC软件层次结构

3.2　操作系统抽象层和物理层管理子系统

FPWiMAC使用操作系统抽象层和物理层管理子系统两个概念来实现高度可移植性，如图4所示。操作系统抽象层使用多个OS封装器屏蔽操作系统特定数据结构和函数接口，使FPWiMAC核心部分能透明地访问特定接口。物理层管理子系统使用PHY适配器屏蔽底层硬件平台和物理层实现的细节，使FPWiMAC核心部分能透明地使用物理平台提供的服务。

图4　OS封装器和PHY适配器

3.3　核心数据库和算法库

FPWiMAC使用核心数据库和算法库来实现灵活性和可扩展性，如图5所示。核心数据库用于保存管理平面、控制平面和数据平面的各种信息。算法库用于封装MAC层各种关键算法，只需按照预定义的库接口实现某一算法，便能在FPWiMAC中对该算法进行验证，而无需了解FPWiMAC其它部分的实现细节。

图5　核心数据库与算法库

4、FPWiMAC测试结果

我们实现了用于16d/16e基站和终端的4个软件系统：FPWiMAC-16dBS，FPWiMAC-16dSS，FPWiMAC-16eBS和FPWiMAC-16eMS。基于FPWiMAC软件系统与相关的物理平台，我们设计并开发了WiMAX基站和终端原型系统，将原型系统构成试验网络，对FPWiMAC进行了测试。测试场景如图6所示。下面给出部分测试结果。

图6　测试场景示意图

4.1　功能测试

测试表明，FPWiMAC包含但不限于如下功能：

（1）802.16d BS允许多个802.16d SS同时接入，802.16e BS允许多个802.16d SS和802.16e MS同时接入；

（2）支持CDMA初始测距、CDMA周期性测距、CDMA切换测距和CDMA带宽请求；

（3）支持快速信道反馈，根据信道测量和报告结果对信道进行管理；

（4）跟踪信道变化，自适应调整调制编码方式；

（5）对终端进行入网控制，包括测距控制、基本能力协商、密钥交换、认证授权控制和注册控制；

（6）支持多条不同服务类型、不同服务质量的服务流和连接；

（7）支持多种业务类型，包括UGS（Unsolicited Grant Service）、RT-VR（Real-Time Variable Rate Service）、NRT-VR（Non-Real-Time Variable Rate Service）、BE（Best Effort Service）和ERT-VR（Extended Real-Time Variable Rate Service）；

（8）支持多种上行调度类型，包括UGS、rtPS（Realtime Polling Service）、nrtPS（Non-real-time Polling Service）、BE和ertPS（Extended rtPS）；

（9）支持BS和SS/MS主动发起的服务流建立/修改/删除操作；

（10）支持头压缩和业务快速分类；

（11）支持异种业务的不同调度方法和带宽分配方法；

（12）支持同种业务的不同服务质量需求；

（13）支持