设计基于FPGA的MAC子系统 打造与众不同的WiMAX产品

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技术要求和商业需求正促使WiMAX无线网络技术快速升温。通信行业面临着进一步降低无线通信网络成本的巨大压力，而实现这一点的一个可能方法就是提高目前的移动网络中使用的无线频谱的使用效率。综合利用一系列允许快速改变通信业务的调制模式和编码模式的先进技术，以及高级纠错技术和流量调度方案，可以有效提高无线频谱的使用效率。

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' Z" y  @4 p1 ]& ^  p$ v　　类似于以太网和无线局域网（WLAN）技术规范，WiMAX无线网络标准基于一种大幅降低企业网络建设成本、提高网络效率的网络设备设计理念。WiMAX无线网络面临的最大挑战是，将其技术优势拓展应用于范围更加广阔的公共网络。


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　　技术规范解读
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' o& M9 ~+ [# W% v6 S" u2 e　　IEEE 802.16标准规定了一个包含两个核心组件的系统：用户站点（SS）或用户端设备（CPE）和基站（BS）。一个基站和一个或多个用户站点可以构成一个点到多点（P2MP）结构的小区。在无线通信过程中，基站控制小区内部的所有通信活动，包括任何用户站点接入无线通信网络、指配相应的服务质量（QoS）等级和根据网络安全机制管理网络。
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　　利用多个基站，可以配置一个无线通信网络。采用正交频分复用（OFDM）技术，这个小区的覆盖范围最高可达方圆30英里；但是，这是在良好的无线通信环境条件下，并且只能提供最低数据率。一般而言，实际可行的小区覆盖范围约为5英里甚或更小。请注意，也可以在点到点（P2P）或网状网络结构中采用WiMAX标准，利用成对的定向天线，实现高于P2MP网络的系统有效覆盖范围。
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　　802.16 MAC协议是专门针对P2MP无线接入环境而设计的，可以支持诸如ATM、以太网和互联网协议（IP）等传输协议，并且可以通过特定的汇聚层（如图1所示），适应未来的技术发展。MAC层还可以利用物理层来实现很高的数据吞吐量，同时提供符合ATM标准的服务质量（QoS），如UGS、rtPS、nrtPS和尽高带宽（BE）（如图2所示）。
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0 W$ E8 G; y$ c, t0 O在802.16网络框架结构中，可以根据链路状况，向用户终端动态分配上行和下行突发配置，从而实时地为用户终端折衷选择通信容量和强健性。此外，相比于非自适应系统，802.16网络实现了2倍（平均值）的通信容量。



　　802.16 MAC采用了一个可变长度协议数据单元（PDU）和其他创新概念，显著提高了网络效率。例如，可以将多个MAC PDU并置到一个SINGLE BURST（单次突发中），从而节省物理层（PHY）开销。也可以将多个业务数据单元（SDU）并置到一个MAC PDU中，以节省MAC报头开销。通过数据包分段，可以利用多个帧来发送很大的SDU，确保服务质量。此外，可以利用有效负载报头压缩，降低SDU报头冗余造成的开销。

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  [& W# E& H9 h8 J+ u7 Y　　802.16 MAC协议采用自矫正带宽请求/授予机制，消除了确认延迟，并且实现了优于传统确认机制的服务质量。取决于各种业务的服务质量和流量参数，用户终端可以选择请求不同的带宽。
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图1——802.16协议堆栈

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图2——各类业务的服务质量等级

) C: U* u! e7 ~7 ^1 w: V　　802.16协议中的保密层采用了与DOCSIS标准相同的模型。利用密码块链接（CBC）模型中实现的数据加密标准（DES），加密需要传输的有效负载和辅助管理连接。利用个人知识管理（PKM）协议，对用户站点进行基于认证的鉴权。利用RSA公共密钥方法和x.509认证，在基站和用户站点之间传递密钥。



" u4 N0 }- J2 {) ~- W　　任何SS器件接入网络都要执行一系列任务，以进行鉴别和同步基站和用户站点。当基站下行信号实现同步后，上行信道描述符（UCD）将提供定时参数和初始测距连接时隙数据。在用户站点测距的过程中，基站将在用户站点登录后，为协商性能分配各种管理消息。利用PKM，可以为鉴权建立一个安全的辅助管理连接。现在，这个系统可以部署各种MAC业务，通过采用各种IP协议的用户连接进行通信。通过常规测距和信道状况监视，管理信道资源。

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　　服务质量（QoS）和信道资源调度

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　　WiMAX标准包括许多值得关注的特性，其中之一就是能够实现很高的服务质量和支持信道资源调度。对于服务提供商而言，这些特性尤为重要，因为这些特性能够最大限度地提高无线信道利用率和系统吞吐量，并且能够确保达到服务级别协议（SLA）中规定的要求（如图3所示）。

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4 e" O7 T! d5 _) ^0 A+ Q　　基于MAC实现的基础设施能够支持各种业务类型。各个用户站点和基站之间的带宽请求和授予机制则实现了服务质量特性。当前的服务质量机制主要包含四种业务：UGS（主动授予业务）、rtPS（实时轮询业务）、nrtPS（非实时轮询业务）和BE（尽高带宽业务），可以为视频、音频和数据业务等提供其需要的服务质量等级。由数据包调度程序(Packet Scheduler)负责为一个用户的各种不同业务类型调度相应的资源。也就是说，到达用户实现SLA的要求。可以将用户划分为各种不同的优先级，如标准和高级（如图4所示）。

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) c+ j$ v" ?. O% b. I8 @/ n　　在IEEE 802.16-2005系统中管理移动性

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　　IEEE 802.16-2005系统的一个关键要求就是在高速移动中实现越区切换并且保持很低的丢包率。虽然大多数越区切换都可以通过软件来完成，但是，要实现高性能越区切换就必须由硬件来执行部分处理任务。



　　为了识别相邻网络并确定该网络相对于相关移动终端（MSS）的特性，基站将定期广播一条相邻节点通告管理消息。所有MSS都要扫描相邻的基站，并测量信号强度，然后通过执行测距和相关步骤，选择适当的相邻基站，准备进行越区切换。


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0 c5 K1 T- S) ]% E6 S7 y' |' Y　　越区切换的性能主要体现在用户从一个小区进入另一个小区时的鉴权速度。区别在于是否能够快速适应在移动中不断变化的服务质量要求。MSS可以是固定的，也可以是移动的，服务质量配置也可以变化。SLA甚至可以针对移动用户终端和固定用户终端采用不同的策略。



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图3——802.16标准中规定的数据包调度，实现了资源最大化

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/ T- I2 F+ }* e3 p: T  L图4——数据包调度程序的功能及其为不同用户类型调度相应的资源

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　　分配子信道，实现MAC层/物理层交互
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　　随着用户数量日益增加，多径衰落和路径损耗变得更加显著。基于正交频分复用（OFDM）技术的正交频分复用多址（OFDMA）技术不会受到符号间干扰和频率选择性衰落的影响。传输速率的高低取决于宽带无线接入（BWA）系统是否能够实现灵活、高效的资源分配。如果采用跳频技术和自适应调制技术来分配副载波，并且由发射机生成信道增益，则可以大幅提高系统性能。最优解决方案是每次都向用户分配最佳信道。当然，这个过程没有听起来那么简单，因为适用于某个用户的最优副载波也可能是适用于另一个用户的最优副载波，并且这个用户没有其他良好副载波可供使用。服务质量要求的定义是，在每次发射中，向每个用户提供特定的数据传输率和误码率（BER）。
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- N0 M4 [! u: }- w7 p　　虽然关于WiMAX标准及其相对于传统无线通信标准的优越性的讨论始终沸沸扬扬，但是，当前的发展趋势表明，WiMAX标准非常适于在无线通信网络上实现语音、数据和视频业务。
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　　伸缩自如的OFDMA
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$ Z! }8 U3 D( ?+ s  T1 y4 Q) i( @+ u　　IEEE 802.16无线城域网标准中的OFDMA物理层模型提出了“灵活伸缩性”这个概念。一个伸缩自如的物理层允许基于标准的解决方案在从1.25MHz至20 MHz的信道带宽上，以固定的副载波间隔，向固定用户终端和便携式/移动用户终端，提供最优网络性能，并且保持很低的系统成本。这种灵活伸缩性主要归功于每个信道带宽具备不同的FFT样本数的子信道结构。
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6 [! w# L( v& t' [0 r3 j　　WiMAX技术规范还支持高级调制和编码（AMC）子信道、混合自动重复请求（HARQ）、高效率上行子信道结构、多入多出（MIMO）、覆盖增强安全信道、不同的副载波分配技术和多样化机制。WiMAX MAC层利用CQI和HARQ请求的反馈信息，实现了灵活伸缩性。

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( _" P: h7 H" I2 K3 }　　实现WiMAX系统的主要挑战
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　　在实现WiMAX系统时，面临的最为严峻的挑战大概是确定处理器应当执行哪些任务以及硬件或者更确切的说，基于FPGA的加速器应当执行哪些任务。确定这种硬件和软件分工的关键是找到系统性能和处理要求以及产品上市速度之间的最佳平衡点。取决于实现这种折

9 m  X) h; u% z' m9 i4 \衷的方式，可以产生不同的用户端设备和基站实现。

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6 q6 ]2 [: U1 m: N　　WiMAX用户端设备必须采用一个处理器，并且借助硬件加速器，实现诸如循环冗余码校验（CRC）和加密/解密等比较低级的MAC功能。另一方面，基站则需要从比较低级的MAC加速器，升级为通过慢速通道/快速通道处理数据包。要在硬件中实现这个功能，基站的MAC层利用处理器（FPGA上的嵌入式处理器或外接处理器）实现了速度较慢的管理和控制功能，同时利用支持硬件加速的FPGA逻辑结构，实现了速度较快的数据通道功能。



　　MAC层实现的关键在于利用适当的队列和调度机制，实现处理“三网融合”的语音、数据和视频业务。虽然IEEE 802.16标准对此类功能做出了明确规定，但是各种竞争性解决方案实现这种特性的具体方式却各不相同,有了Xilinx FPGA，设备制造商可以针对这个要求苛刻的系统设计领域，提供灵活的平台，开发、实现新的MAC层功能。
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) X) T  K7 ?, d& {6 s" u　　最新推出的Virtex-4 FX平台FPGA包含了一个短时延辅助处理器接口（APU）。通过这个接口，可以将自定义指令整合到软件代码中，再通过执行这些指令，改变逻辑结构，从而简化了硬件/软件划分过程。
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, w0 b% F/ y. {# Z　　Xilinx平台FPGA还可以支持诸如高性能前向纠错（FEC）等先进的数字信号处理（DSP）功能，有助于实现高级功能和产品差异化。得益于Xilinx推出的包含在低成本WiMAX FEC包中的优化Turbo Convolutional编解码器，系统设计师可以快速部署这些高效率的FPGA核心，在WiMAX基带芯片中实现灵活的FEC解决方案。

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　　当然，WiMAX基站设计还包含许多其他方面，Xilinx技术也可以有所贡献，但限于篇幅，本文暂不讨论。目前，Xilinx器件通常用于实现射频卡中的高级DSP纠错算法，以及振幅因素缩小（CFR）、数字预矫正（DPD）和数字上变频器（DUC）和数字下变频器（DDC）等应用。通过以数字化方式矫正功率放大器（PA）的特性，可以利用更加经济划算的模拟射频电路，从而节省大量元件成本，并大幅降低基站的总成本。关于这方面的详细信息，请登录：www.xilinx.com/cn/esp/wireless。

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　　结束语

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　　虽然关于WiMAX标准及其相对于传统无线通信标准的优越性的讨论始终沸沸扬扬，但是，当前的发展趋势表明，WiMAX标准非常适于在无线通信网络上实现语音、数据和视频业务。早在WiMAX标准化进程的最初阶段，Xilinx就已积极参与其中。我们的产品拥有独特的特性组合，能够帮助我们的客户迅速推出WiMAX产品，占领市场先机。
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WiMAX无线网络面临的最大挑战是，将其技术优势拓展应用于范围更加广阔的公共网络。