WiMAX系统终端软件设计

朱联祥，郝胜华

(重庆邮电大学信号与信息处理重庆市重点实验室，重庆 400065)

WiMAX即全球微波互联接入，是一项基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入城域网技术，其目标是提供一种在城域网一点对多点的厂商环境下，可有效互联接入的宽带无线接入手段［1－2］。WiMAX可替代现有的有线和DSL连接方式，来提供“最后一公里”无线宽带接入。WiMAX主要技术特点是传输速率高，覆盖范围广，支持移动性，提供QoS保证并采用基于全IP的网络构架，实现了数据的分组化、接入的宽带化和终端的移动化的三者合一。

随着IEEE 802.16标准的日益成熟，WiMAX时代已经到来。参与到WiMAX技术推广和市场应用中的厂商也越来越多，各大厂商都想以自己开发的成熟产品在WiMAX应用中掌握主动权［3－4］，这就使得基于标准的基站和终端的开发显得尤为重要。本文基于IEEE 802.16e标准，给出WiMAX终端软件系统总体架构设计方案。

1 WiMAX终端的软件设计架构

IEEE 802.16e终端软件系统构建于ARK平台之上，用于实现控制面主要功能和部分数据面功能［5］。向下通过物理层驱动同物理层进行数据交换以及控制;向上通过虚拟网卡驱动和系统网络协议层交换业务数据(见图1)。

图1 终端软件设计框架图

2 软件系统划分和层次结构

根据系统功能要求，软件系统可划分为CS，MAC，Phy Ctrl，Phy Driver模块［6－7］。其中 MAC 实现主要协议功能，该模块较为复杂，按照实现层次可分为配置管理、连接/服务流管理、传输控制和消息处理4个子模块［3－8］。不同模块的层次关系如图2所示。

图2 终端软件划分层次关系图

主要数据和控制流程依据下列几条:

1)来自网络层的业务数据通过虚拟网络驱动进入CS层，CS层对其进行分类，并将同分类结果(CID)送往MAC层，进入对应的MAC发送队列，等待发送。

2)来自MAC层消息处理模块产生的信令根据对应管理连接CID进入MAC发送队列，等待发送。

3)MAC TX/RX模块收到来自Phy Driver的ULMAP后进行解析调度，从MAC发送队列中取出对应数据，根据相应发送策略构建MAC PDU，通过PHY Ctrl模块发送至Phy Driver。

4)接收数据由Phy Driver送至Phy Ctrl，进入MAC TX/RX模块，经过分片重组和组包拆分之后根据CID分别送往消息处理模块和CS层，其中消息处理模块再解析出PDU中的消息，送至对应状态机进行处理;发送至CS层的数据将PDU还原出网络数据包后，通过虚拟网络驱动送至网络层。

5)终端在进行信道扫描同步、测距、基本能力协商、注册、服务流等过程中从状态配置管理模块中读取终端配置信息参数，在同基站交互过程中记录基站基本信息和交互信息。

6)初始测距过程中，在从基站获取管理连接后，通过连接管理模块建立管理连接基本信息。

7)在DSA/DSD过程中，通过连接/服务流管理模块建立数据连接和服务流基本信息，同时通过CS原语通知CS添加删除分类和头压缩规则。

3 终端软件模块化

3.1 CS

CS层实现上层服务的接入转换工作，本方案主要包括对上层数据包进行分类以及服务原语处理两部分。CS层通过虚拟网络驱动直接挂接到网络协议栈，由上层协议栈中的处理进程调用。通过虚拟网卡的两个接口函数Tx函数和Rx函数以及服务原语与下层的CPS进行服务控制和数据交换。

CS层实现上层协议栈与CPS之间的数据交换。一方面，CS接收上层协议栈的数据包，进行分类，并根据分类结果将数据包送往下层的CPS。另一方面，接收CPS数据包，将其递交给上层协议栈。

根据IEEE 802.16中提供的参考模型，CS和CPS可以按照具体的功能进行层次划分，之间通过服务原语进行服务控制和数据交换。规范中提供参考的有DSA、DSD相关的服务原语。

在本方案中不考虑实现DSC过程，另外由于与CPS数据交换采用更便捷的实现方式，DATA原语不需要实现。

3.2 MAC

按照实现层次可分为终端状态/配置管理、连接/服务流管理、传输控制和消息处理4个子模块。

3.2.1 终端状态/配置管理

终端状态/配置管理包括终端的基本信息，系统状态信息等。具体可分为以下3个:

1)终端基本信息，即MAC Address，Vendor ID等标识信息。

2)终端配置信息，包括SBC，REG，DSA交互过程中的预设参数和BS协商的最终参数，以及定时器、重试次数参数。

3)基站信道信息，包括BSID，CHNID，Burst Profile等信息，这些参数是在终端接入过程中通过信道扫描、DCD、UCD等信令获取的。

4)终端状态信息

包括各层状态机相关父子状态、各定时器标识以及各重试记录。

3.2.2 连接/服务流管理

连接/服务流管理模块用于管理在终端侧实际使用的连接和服务流，主要工作包括建立连接/服务流，激活连接/服务流，删除连接/服务流。

连接管理还包括对管理连接、广播连接等特殊连接的管理控制。

服务流管理主要功能为相应数据结构初始化和维护，连接管理除了对应内部空间的维护还需要向传输模块提供连接队列统计接口。

连接管理模块中广播连接等特殊连接在初始接入是由MAC自行建立，管理连接在初始测距过程中尽力，这些连接的建立维护不通过服务流管理模块。数据连接的建立删除依赖和服务流控制，由于系统定义不包括DSC过程，在DSA过程除了协商建立服务流外还同时建立对应数据连接。

所有连接以Connetion Chain方式管理，Connetion Chain相当于上行/下行数据管理和数据缓存机构，该机构以CID作为唯一索引，除了保存基于该CID的系统参数(QoS，ARQ等)信息以外，同时，保存着以该CID作为标识的IN/OUT队列，以及队列中BLOCK的各种状态与信息。

3.2.3 传输控制

传输控制包括上行调度/带宽请求、MAC PDU构造、ARQ这3部分。

1)上行调度/带宽请求。

上行调度和带宽请求机制由ULMAP的事件PHY Ctrl解析UL MAP后，将过滤后的MAP IE送至传输控制模块。一方面调度根据连接的QoS要求和发送队列的实际情况进行调度，构造上行数据。一方面构造每个数据连接的带宽请求。

2)MAC PDU构造。

MAC PDU构造包括分片组包处理，MAC头处理等。

3)目前暂不支持ARQ功能。

3.2.4 消息处理

消息处理实现的功能主要包括网络登录与初始化、周期性的测距、服务流管理以及SS控制。SS端的消息处理机制的顶层状态。

初始化阶段实现网络登录与系统初始化功能，分为4个子模块来实现，即初始化测距、能力协商、认证授权以及注册。其他几个功能模块如服务流管理、测距以及控制消息的管理单独成一子模块实现。

3.3 Phy Ctrl

Phy Ctrl包括 Phy Conf，ULMAP Decode 和 Phy Ctrl Tx/RX共3部分。

1)Phy Conf

通过Phy Driver接口对物理层寄存器进行读写操作，配置硬件运行环境，配置射频参数等。

2)ULMAP Decode

Phy Driver在底层接收到ULMAP后会及时将ULMAP送至Phy Ctrl，ULMAP负责解析ULMAP消息并进行过滤，分解终端需要的数据MAPIE和CDMA IE，将相关信息送至MAC传输模块。

3)Phy Ctrl TX/RX

数据收发接口，进行简单数据缓存，提供MAC与Phy Driver交互通道。

3.4 Phy Driver

实现实际对物理层器件操作维护，包括初始化等必须工作。

4 小结

从WiMAX实际开发项目入手，基于移动宽带无线接入空中接口标准IEEE 802.16e协议标准具体要求，给出终端软件系统总体架构方案。

［1］IEEE Std 802.16TM—2009，IEEE standard for local and metropolitan area networks，part16:air interface for fixed broadband wireless access systems［S］.2009.

［2］IEEE 802.16e－2005，IEEE standard for local and metropolitan area networks，part 16:air interface for fixed broadband wireless access systems，amendent 2:for physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operations in licensed bands［S］.2006.

［3］曹宇辉，郑伟，王匡.WiMAX 技术及应用［J］.电视技术，2005，29(11):77－80.

［4］朗为民，祈向宇，宋姗姗.WiMAX应用研究［J］.数字通信世界，2010(8):36－39.

［5］田韬.WiMAX 16e无线网络技术与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［6］吴立.IEEE802.16e终端MAC层的研究与设［D］.成都:西南交通大学，2010.

［7］刘凯.IEEE802.16e终端MAC层处理芯片的研究与设计［D］.上海:上海交通大学，2010.

［8］胡金龙，庞迪，周继华，等.灵活易移植的WiMAX MAC协议栈软件系统［J］.北京邮电大学学报，2010，33(1):70－73.