宽带固定无线接入网MAC层设计

一、引言
宽带接入网被认为是信息高速公路的最后一公里，必将成为未来国家信息基础设施发展的重点。目前有几种宽带接入方式，如光纤接入、xDSL、宽带固定无线接入网等。与其它宽带接入方式相比，宽带固定无线接入网有许多优点，如建网快、低成本、易维修和可克服某些地理环境的限制等，已成为一种非常有前途的接入方式。
宽带固定无线接入网是指节点固定的无线通信系统，主要用来在用户终端和核心网之间传送数据［１］。宽带固定无线接入网的拓扑结构如图1所示。宽带固定无线接入网是一种点到多点的结构，主要包括基站(BS)、用户站(SS)和网管系统三大部分，非凡情况下在基站和用户站之间可以通过接力站(RS)进行中继。与用户站相连的可以是单个的用户终端(TE)，也可以是一个用户驻地网(CPN)［２］。
　
宽带固定无线接入网数据传输方向是双向的，上行链路是指数据传输方向从用户站到基站，速率为5.12 Mbit/s,下行链路是指数据传输方向从基站到用户站,速率为8.86 Mbit/s 。宽带固定无线接入网采用的双工方式是频分复用（FDD）。下行链路基站以广播方式发送数据，各用户站采用时分复用（TDM）方式共享下行链路资源。上行链路用户站以突发方式数据，各用户站采用时分多址（TDMA）方式共享上行链路资源。本文介绍的宽带固定无线接入网工作在3.5 GHz频段上，提供电路性业务和数据性业务的接入。
宽带固定无线接入网分为物理层和MAC层，协议模型如图2所示。物理层为基站MAC和用户站MAC之间提供透明的比特流传输［３］。本文以下部分将研究MAC层功能，重点是设计实现MAC层功能的技术方案，最后用Altera公司的FPGA芯片实现。
　
二、MAC层
宽带固定无线接入网MAC层由2个子层组成，即特定业务汇聚子层和公共部分子层。特定业务汇聚子层位于公共部分子层之上，并利用公共部分子层提供的服务。特定业务汇聚子层接收来自于高层的业务数据，并将这些数据封装成业务包，以便接收方特定业务汇聚子层能够将这些业务包恢复成高层信息。公共部分子层是MAC层的核心部分，包括成帧、带宽分配、安全性、链路的建立和维护等。成帧是将特定业务汇聚子层的业务包封装构成帧然后传递给物理层；带宽分配是如何将宽带固定无线接入网的带宽资源分配给不同用户站的不同业务；安全性是防止非法用户站的侵入；链路建立和维护是在用户站与基站之间建立通信链路，并维护这条链路。
MAC层设计目的就是设计出实现上述各项功能的技术方案，分为特定业务汇聚子层设计和公共部分子层设计。
三、特定业务汇聚子层设计
特定业务汇聚子层设计的要害是业务包的设计，不同的业务数据其封装的业务包格式是不同的。宽带固定无线接入网提供数据性业务和电路性业务的接入，本文根据其业务特点设计出数据性业务包和电路性业务包，并将特定业务汇聚子层分为2种，数据性业务汇聚子层和电路性业务汇聚子层，分别用于实现这两种业务的封装过程。
1.数据性业务包
宽带固定无线接入网接收来自于高层的数据性业务数据是基于IEEE802.3帧格式。IEEE802.3帧自身不能进行帧定界，需要底层给出帧定界符。数据性业务包主要功能就是对IEEE802.3帧进行帧定界。数据性业务包由3字节的包头和净荷组成。包头是“0x0FFFF0”，功能就是使接收端数据性业务汇聚子层能够从接收到数据流中对IEEE802.3帧进行帧定界。净荷就是一个是加扰码的IEEE802.3帧。为了防止IEEE802.3帧数据与包头相同的，必须对IEEE802.3帧加扰码。加扰码的原则是当连续3个半字节均为“0xF”时，加一个字节的“0x00” 。数据性业务包封装和加扰码的原理如图3所示。
　
2．电路性业务包
宽带固定无线接入网接收的高层电路性业务数据是基于E1帧，其帧结构符合ITU-T G.704 。电路性业务汇聚子层将接收的E1帧数据封装成电路性业务包，在接收端电路性业务汇聚子层将接收到的电路性业务包恢复成E1帧。电路性业务包长度是18字节，包括2个字节的头和16个字节的净荷。包头由一个字节的用户站标志和一个字节的时隙标志组成。用户站标志是宽带固定无线接入网用来区分不同的用户站，时隙标志是用来区分同一用户站不同的时隙。净荷是由时隙标志对应的那个时隙的连续16帧的数据组成。电路性业务包结构如图4所示。CPEID是用户站标志，TSID是时隙标志，F1到F16是时隙中的数据。
　
四、公共部分子层设计
公共部分子层设计是MAC层设计的核心部分。公共部分子层要害技术是带宽分配方案、帧结构和用户站注册过程。带宽分配方案设计的目标既要满足不同业务对QoS的要求，又要有比较高的带宽利用率。为此，本文提出固定按需混合分配方案的带宽分配方案。帧结构直接决定着宽带固定无线接入网的一些重要性能，如效率、延时、同步性能等。帧结构的设计即要使这些性能满足设计要求，又要适应于带宽分配方案。本文提出了适合宽带固定无线接入网的帧结构。本文中设计的用户站注册过程，用于实现安全性和链路建立功能。以下分别讨论这些设计方案。
1.固定按需混合分配方案
宽带固定无线接入网对数据性业务和电路性业务提供接入功能。由于这两者业务对QoS的要求是不同的，数据性业务是速率可变的、无连接的和非等时求的，电路性业务是速率恒定的、面向连接的和等时的。数据性业务的传输不需要建立连接，传输采用“尽力而为”的方式，而电路性业务的传输首先要建立连接，对于已建立连接的电路性业务要保证其传输带宽。设计的带宽分配方案要满足这两种业务对QoS不同的要求。
目前带宽分配方案主要有3种，即固定分配方案、随机访问方案和按需分配方案［４］。固定分配方案就是为每个连接和每次通信固定分配确定的容量；随机访问方案答应终端随机发送信息，假如不同的终端发送的信息在时间上重叠，碰撞的信息按一定的规则延迟一段时间后重新发送，直到成功；按需分配方案是根据终端提出的带宽请求，及时地对无线信道带宽做出分配。固定分配方案最适合恒定比特率业务。随机访问方案实现最简单，但带宽利用率比较低。按需分配方案对可变比特率业务有很好的适应性，可以达到比较高的信道利用率。从以上分析可以看出，以上三种带宽分配方案均不能很好地满足要求。根据这两种业务对QoS要求，我们设计固定按需混合分配方案。在带宽分配时，先用固定分配方案将带宽分配给各用户站的电路性业务，再将剩余的带宽用按需分配方案分配给各用户站的数据性业务。
2．帧结构
下行广播帧结构如图5所示。下行广播帧长度为2 170字节，由帧头和净荷组成。帧头长度是74字节，包括2字节帧同步码和和72字节控制信息。帧同步码为“0xA4A4”，用于保证用户站和基站之间同步。控制信息用于传输基站向用户站发送的一些控制消息，如维护消息、带宽分配消息和信令信息等。净荷长度为2 096字节，分为电路性业务区和数据性业务区。电路性业务区用于传输电路性业务包，其长度为18n字节，n代表已建立连接的时隙。每当为一个E1时隙建立连接时，在下行广播帧中为这个时隙分配一个18字节长度的区间传输这个时隙的电路性业务包。数据性业务区长度为2 096～18n字节，用于传输数据性业务包。
　
　
上行突发帧结构如图6所示。上行突发帧由帧头和净荷组成。帧头包括9个字节的位同步字、1个字节的独特字和6个字节的控制信息组成。位同步字是9个字节的“0xAA”，用于恢复时钟。独特字是“0xAB”，用于指示下一个字节是控制信息的第一个字节。6个字节的控制信息用于传输用户站向基站发送的一些控制消息。净荷由电路性业务区和数据性业务区组成。电路性业务区用于传输电路性业务包，其长度为18n字节，n代表位这个用户站已建立连接的时隙。每当这个用户站的一个E1时隙建立连接时，就为该时隙分配一个18字节长度的区间传输该时隙的电路性业务包。数据性业务区用于传输数据性业务包，其长度由基站确定的并通过前一个下行帧通知给用户站。因此，上行突发帧净荷长度、电路性业务区长度和数据性业务长度均是变化的，分别决定于宽带固定无线接入网分配给某用户站的总速率、传输电路性业务的速率和传输数据性业务的速率。另外，不同用户站上行突发帧之间有2个字节的保护间隔，用于防止它们之间的干扰。
3．用户站注册
用户站注册是合法用户站与基站之间建立通信链路的过程。用户站注册是一个3次握手的过程。首先基站在下行广播帧中通知某一未注册的用户站可以注册。宽带固定无线接入网采用轮询的方式来决定哪个用户站注册。这是在用户站的数量不是很多，注册不是很频繁的条件下一种最有效和最简单的方法。其次被答应注册的用户站向基站发送注册请求，注册请求包含鉴权码。最后基站接收到注册请求消息，判定是否是合法用户站。若是合法用户站，则基站向用户站发送注册成功信息，注册成功消息中包含延时调整消息。若不是合法用户站，则丢弃该注册请求消息。
宽带固定无线接入网的空中接口是开放的，为了防止非法用户站的侵入，在用户站注册阶段要对用户站的身份进行鉴别。宽带固定无线接入网为每个用户站分配一个64 bit长度的鉴权码。此鉴权码是用户站特有的，与用户站标志对应。基站判定某一用户站是否是合法用户站就是通过比较鉴权码与用户站标志是否一致。
宽带固定无线接入网上行链路各用户站以TDMA的方式发送突发帧，即上行链路以2 ms为周期，将这2 ms划分成不同的时隙，各用户站在分配给自己的时隙内发送上行突发帧。我们称2ms周期的起始时刻为参考时刻。为了使各用户站发送的上行突发帧到达基站时不发生碰撞，用户站的参考时刻应该超前于基站的参考时刻，超前时间是基站与用户站之间的传输延时。延时调整的目的就是确定每个用户站的参考时刻。延时调整是利用不同用户站在参考时刻发送上行突发帧（注册请求）应该在基站的参考时刻到达基站这一原理来实现的。延时调整过程如图7所示。基站在t1时刻通过下行广播帧将答应注册请求信息发送给用户站，用户站接收到答应注册请求消息并在用户站预定参考时刻t2发上行突发帧，基站在t3时刻接收到该上行突发帧，而所有的用户站在其参考时刻发送的上行突发帧均在基站参考时刻t4到达基站，因此将t4－t3作为延时调整值返回给用户站。随后该用户站将预设参考时刻延迟t4－t3，延迟后的时刻就是该用户站的参考时刻。
五、FPGA实现
目前，我们用Altera公司的FPGA芯片实现MAC层功能。根据本文介绍的设计方案，用VHDL语言对其RTL级行为进行描述，然后在Altera公司Quartus开发系统中进行编译、仿真和配置下载并进行硬件调试。最后我们用2片ACEX1K系列EPK100实现用户站MAC层功能和1片ACEX1K系列EPK100和1片APEX20K系列EP20K300E实现基站MAC层功能。
六、结论
MAC层是宽带固定无线接入网的核心部分，本文设计了以下要害技术实现MAC层功能。针对数据性业务和电路性业务的特点，设计出数据性业务包和电路性业务包，以完成这两种业务的适配。针对数据性业务和电路性业务对QoS要求的不同，提出了固定按需混合带宽分配方案。这种带宽分配方案即满足了这两种业务对QoS要求，又有比较高的带宽利用率。本文设计了适合宽带固定无线接入网的帧结构。此外，设计了用户站注册过程，用于保证宽带固定无线接入网的安全性和在用户站与基站之间建立通信链路。
上述各项技术均用FPGA芯片实现，并且通过了测试。宽带固定无线接入网MAC层的设计成功对推动宽带固定无线接入网的广泛应用有十分重要的意义。