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。

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。
         图8 将SS 侧(所有SS) 每帧接收净带宽授予总量和BS 侧每帧授予总量的柱状线做比较。图8 中位于上面的两条曲线分别是其时间平均曲线,位于下面的曲线是二者的差值。可见在这种业务配置下(系统支持平均速率24 Mbit/ s～30 Mbit/ s ,总带宽44. 8 Mbit/ s) , 每帧协议开销量的均值为: 1 500bytes ,占总带宽(5 600 bytes) 的26. 8 %。

7 　结束语 

         由于无线接入相对于有线的弱点在于有限的带宽资源,因此寻求有效的带宽资源调度机制,直接关系到系统的成本和性能的优劣。本文正是从这一角度,对原协议MAC 层和PHY层主要特点进行了分析,在此基础上,着重研究了协议的TDMA2DAMA 机制,并简要描述实现这一机制的动态带宽请求和分配算法。本文给出了仿真结果,评估了在具有CBR和VBR 两种业务终端的系统环境中,该带宽资源调度机制的性能,以及其对系统队列长度、网络时延等各项性能指标的影响。

参考文献:

[1 ] 　Principles of Telecommunications Network Architecture1Demand Assignment Multiple-Access (DAMA) Protocols[ S]127～321
[2 ] 　KOMORIYA Y, TADENUMA M. DRMA with Multiple Slots Reservation and Retransmission Algorithm Using Exponential Backoff Scheme  S] . IEEE VTC20001
[3 ] 　IEEE Std 802. 16. 2220011IEEE Recommended Practice for Local and Metropolitan Area Networks ———Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems[ S] . 20011
[4 ] 　IEEE Std 802. 16220011Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[ S]120011
[5 ] 　COPPLESTONE C J . An OPNET Model for IEEE802. 16 MAC2Layer [ S ] . Rechenzentrum Universit¾t Stuttgart , Kommunikationssysteme , Projekte &BelWüEntwicklung1