WiMAX系統(tǒng)基于CID的壓縮機(jī)制研究

張青波，何加銘，朱燕

(1. 寧波大學(xué) 通信技術(shù)研究所，浙江 寧波 315211；2. 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，浙江 寧波 315012；3.陜西安康學(xué)院 電子與信息工程系，陜西 安康 725000)

1 引言

WiMAX基于IEEE 802.16協(xié)議[1,2]定義了MAC層與PHY層規(guī)范。匯聚子層(CS, convergence sublayer)位于MAC層的最上層，完成對(duì)上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU, protocol data unit)的匯聚。MAC層是面向連接的，但I(xiàn)Pv4(IPv6)網(wǎng)絡(luò)是基于分組的。因此，匯聚子層的主要功能為將分組映射到IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)的連接以及完成相反操作，此映射過(guò)程稱為分類。分類之后的數(shù)據(jù)分組頭一般包含冗余信息，為有效利用緊缺的無(wú)線資源，必須壓縮分組頭的冗余信息，以使更多的無(wú)線資源分配給有效信息。

目前，針對(duì)WiMAX系統(tǒng)的壓縮機(jī)制主要基于RTP/UDP/IP頭的壓縮，如PHS[1,2](payload header suppression)、CRTP[3](compressed real-time protocol)、ECRTP[4](enhanced CRTP) 和ROHC[5](robust header compression)。PHS只能壓縮相同分組傳輸流中連續(xù)2個(gè)分組間的靜態(tài)域，如果靜態(tài)域不是字節(jié)的倍數(shù)，將不能壓縮，另外，如果無(wú)線信道誤碼率較高，PHS也不能很好地壓縮，因此，PHS的可壓縮性不強(qiáng)。CRTP主要用于低數(shù)據(jù)率的RTP/UDP/IP數(shù)據(jù)分組壓縮，該方法的缺點(diǎn)在于壓縮過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生分組丟失及令人難以忍受的延時(shí)等，為改善CRTP的壓縮性能，提出了ECRTP。ROHC對(duì)靜態(tài)域和動(dòng)態(tài)域都能壓縮，因此壓縮性能優(yōu)于PHS，另外根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究，其性能也優(yōu)于ECRTP，但ROHC也主要針對(duì)RTP/UDP/IP頭的壓縮。

本文提出利用分段MAC PDU報(bào)頭和子頭中的保留位，建立CID映射表和無(wú)線信道，通過(guò)編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)CID進(jìn)行壓縮，達(dá)到了滿意的壓縮效果。

2 CID映射關(guān)系的建立

通常，在無(wú)線信道中，數(shù)據(jù)流的傳輸是基于幀的，其壓縮解壓的過(guò)程如圖1所示。

如圖1所示，在同一時(shí)刻將有多個(gè)數(shù)據(jù)流到達(dá)系統(tǒng)，發(fā)送端壓縮器參考數(shù)據(jù)流的前一個(gè)分組的報(bào)頭以壓縮下一個(gè)分組；接收端解壓經(jīng)壓縮端壓縮的數(shù)據(jù)，同時(shí)反饋信息給壓縮端，以校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確傳輸。

類似地，WiMAX接入系統(tǒng)的信號(hào)傳輸也是基于幀的，上行子幀（SS向BS）和下行子幀（BS向SS）構(gòu)成一幀。上行子幀除用于傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（來(lái)自不同SS），同時(shí)包含帶寬請(qǐng)求和初始測(cè)距；而對(duì)下行子幀而言，其傳輸?shù)膬H僅是協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU。針對(duì)OFDM，每個(gè)傳輸?shù)男盘?hào)由OFDM符號(hào)構(gòu)成，且這些符號(hào)是整數(shù)。WiMAX接入系統(tǒng)的物理層MAC PDU信息由OFDM符號(hào)傳輸，包含MAC PDU報(bào)頭、字頭和凈荷。報(bào)頭格式如圖2所示。

圖2中的各個(gè)參數(shù)在WiMAX協(xié)議中均有定義，在此不再贅述。由圖2可知，MAC PDU報(bào)頭中有2個(gè)保留位，同時(shí)匯聚子層的上層SDU單元在數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)一般拆分為若干個(gè)MAC PDU，以滿足帶寬利用率和QoS保證，其凈荷中分段子頭包含3個(gè)保留位。在通信過(guò)程中，這些保留位將實(shí)時(shí)傳輸，本文將有效利用保留位對(duì)CID進(jìn)行編碼以限制CID傳輸，最終提高無(wú)線資源的利用率。

圖1 數(shù)據(jù)分組壓縮解壓過(guò)程

圖2 MAC報(bào)頭格式

記MAC報(bào)頭格式屬性中2個(gè)保留位為RSV11和RSV12，分段子頭格式屬性中3個(gè)保留位分別記為RSV21、RSV22和RSV23。對(duì)報(bào)頭的CID編號(hào)，其編號(hào)過(guò)程也即映射過(guò)程，共有25個(gè)映射值。將RSV11、RSV12、RSV21、RSV22和RSV23的域值記為：｛0, 1, 2,3,L ｝ ，那么對(duì)應(yīng)的25個(gè)CID映射集為：｛2 5 89,3621,5632,L ｝ ?；竞蛷恼痉謩e維護(hù)各自的CID映射，當(dāng)基站和從站有新的通信，即建立了新的CID連接，則立即對(duì)其進(jìn)行編號(hào)映射，添加到映射集中，并對(duì)映射集中無(wú)用映射值定時(shí)刪除。

3 基于CID的壓縮算法設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線信道建模

文獻(xiàn)[7]認(rèn)為可以用Markov模型來(lái)建模無(wú)線信道?；诖怂枷?，文獻(xiàn)[8]建立了2狀態(tài)Markov模型的無(wú)線信道，該方法中無(wú)線信道狀態(tài)由長(zhǎng)期平均分組丟失率（記為Pave）和短期暫時(shí)分組丟失率（記為Ptem）的比值來(lái)定義，如果Pave大于Ptem，則信道狀態(tài)為好狀態(tài)，否則信道狀態(tài)為壞狀態(tài)。假設(shè)信道狀態(tài)為好，那么數(shù)據(jù)可以正確地傳輸，否則數(shù)據(jù)幀不能很好地傳輸。由于信道狀態(tài)的瞬間多變性，用2個(gè)好與壞的信道狀態(tài)無(wú)法全面描述信道信息。

為了全面地描述信道，周新運(yùn)[9]等人提出了3狀態(tài)Markov模型（three states markov model）來(lái)建模無(wú)線信道，并根據(jù)誤碼率(BER. bit error rate)來(lái)劃分無(wú)線信道，相對(duì)于信噪比(SNR, signal-to-noise ratio)，BER 可以更好地反映信道狀態(tài)，同時(shí)屏蔽不同調(diào)制編碼方式的影響。根據(jù)BER取值范圍劃分為3個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)信道狀態(tài)，3個(gè)狀態(tài)分別為：好狀態(tài)（記為S1）、一般狀態(tài)(記為S2）和差狀態(tài)（記為S3）。

設(shè)｛Z( j):j=1,2,L｝為信道中分組丟失/分組正確傳輸?shù)碾S機(jī)過(guò)程，事件空間｛1,0｝分別表示分組正確傳輸和分組丟失；同時(shí)假設(shè)X( i)=｛S1, S2,S3｝表示比特i傳輸時(shí)的信道狀態(tài)，其信道狀態(tài)過(guò)程｛X( i):i=1,2,L｝可以用3狀態(tài)馬爾科夫模型建模，如圖3所示。

圖3 3狀態(tài)Markov無(wú)線信道模型

在每個(gè)狀態(tài)中，信號(hào)傳輸時(shí)存在誤碼率（BER），分別記為BERS1、BERS2和BERS3。這里，假設(shè)｛Y( i):i=1,2,L｝為信號(hào)傳輸時(shí)的比特錯(cuò)誤/比特正確，而事件空間｛1,0｝分別表示比特錯(cuò)誤和比特正確，這樣比特i在信道中傳輸時(shí)，其狀態(tài)可描述為

假設(shè)第j個(gè)分組在βj位開(kāi)始傳輸，終止位為βj+λj-1，那么分組丟失概率Z( j)可描述為

由于WiMAX系統(tǒng)MAC層支持自適應(yīng)調(diào)制編碼方式，在不同的信道質(zhì)量下，采用不同的調(diào)制編碼方式可以達(dá)到滿意的傳輸速率。

對(duì)分組中微小變化的域進(jìn)行壓縮編碼，一般采用LSB編碼方法。在LSB編碼中，域值經(jīng)壓縮后只傳輸n個(gè)最低有效位L，假設(shè)待壓縮的值為m，已正確壓縮的基準(zhǔn)值為m_nom，那么L即為m與m_nom差異后的最低有效位。L取代m_nom中的n個(gè)最低有效位，最終得到原始值。

n值可經(jīng)如下確定[9]：對(duì)于正確壓縮后的所有基準(zhǔn)值m_nom，首先獲得符合條件的最小n_nom，函數(shù)f(m_nom, n_nom)中包含了將要壓縮的值，f(m_nom, n_nom)定義如下：

然后，根據(jù)壓縮后的參考基準(zhǔn)值，求取n_nom的最大值，該最大值即為n值。對(duì)于WiMAX系統(tǒng)的分段MAC PDU而言，假設(shè)這些MAC PDU由同一個(gè)CID進(jìn)行傳輸，且CID采用LSB壓縮編碼方法，那么經(jīng)壓縮傳輸后前后2個(gè)MAC PDU中的CID值無(wú)差異，即n值為0。

3.2 壓縮算法流程

對(duì)分段MAC PDU的CID進(jìn)行壓縮的算法流程如圖4所示。

圖4 CID壓縮流程

由圖4可知，BS在收到SS的MAC PDU后，利用Type首先判斷其是否為分段MAC PDU，再由分段控制標(biāo)識(shí)EC（如圖2所示）查找第一個(gè)分段MAC PDU，找到第一個(gè)分段MAC PDU后，在映射集中查找與此分段MAC PDU對(duì)應(yīng)的CID映射值。若在映射集中有與此分段MAC PDU對(duì)應(yīng)的CID映射值，那么將該值添加到MAC PDU報(bào)頭中的保留位，若在映射集中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的映射值，則將CID值重新進(jìn)行映射。如果查找到的不是第一個(gè)分段MAC PDU，那么判斷該MAC PDU此時(shí)的信道，若無(wú)線信道為S3（差狀態(tài)），不對(duì)CID壓縮而直接發(fā)送MAC PDU 報(bào)頭；假設(shè)信道為 S2（一般狀態(tài)），CID 值不發(fā)送，而將分段子頭和分段MAC PDU報(bào)頭中的保留位映射值設(shè)置，對(duì)末尾分段MAC PDU而言，其CID映射值直接發(fā)送；如為S1狀態(tài)（好狀態(tài)），則將CID對(duì)應(yīng)的映射值添加到子頭和報(bào)頭的保留位中。

4 仿真分析

4.1 仿真環(huán)境設(shè)置

對(duì)一個(gè)OFDM符號(hào)，記Tg為前導(dǎo)時(shí)間，Tb為有效時(shí)間，Ts為持續(xù)時(shí)間，則Tb和Ts可分別由式(4)和式(5)計(jì)算得到。

其中，G=Tg/Tb，NFFT為FFT數(shù)，W為信道帶寬，n為采樣因子。取W=10MHz，G=1/4，n=144/125，NFFT=256，那么由式(4)和式(5)可得，Ts=2.77×10-5。假設(shè)幀長(zhǎng)為10ms，記OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)為m，那么m=360。

設(shè)一幀內(nèi)基站BS向從站SS傳輸?shù)腛FDM符號(hào)數(shù)為160，且BS向SS傳輸?shù)淖訋L(zhǎng)度等于SS向BS傳輸?shù)淖訋L(zhǎng)度，6個(gè)符號(hào)用于SS向BS的初始測(cè)距，帶寬請(qǐng)求用4個(gè)符號(hào)，其余150符號(hào)用來(lái)傳輸報(bào)頭。假定基站BS與6個(gè)從站SS通信，同時(shí)假設(shè)W均勻分配，在當(dāng)前調(diào)制編碼方式下，對(duì)任一SS，一個(gè)符號(hào)能傳輸ybit，則從站SS向基站BS傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)為150×y/6，對(duì)于QPSK 1/2方式，則一個(gè)符號(hào)能傳輸2×192/2=192bit，從站SS向基站BS傳輸50×192/6=4 800bit。其他調(diào)制編碼方式類似于QPSK 1/2的計(jì)算，同時(shí)假定MAC PDU分段長(zhǎng)度范圍在6～1 020個(gè)字節(jié)之間，以使資源有效利用。

4.2 仿真結(jié)果分析

仿真中采用 16QAM 1/2、QPSK 1/2、BPSK 1/2、64QAM 2/3等4種調(diào)制編碼方式，由于OFDM采用自適應(yīng)技術(shù)，那么對(duì)于AWGN信道，如圖5所示為SS向BS傳輸一個(gè)子幀時(shí)CID的壓縮狀況。

如圖5所示，當(dāng)信噪比較低，即信道質(zhì)量不是很好時(shí)，由于OFDM自適應(yīng)地采用了BPSK 1/2，傳輸速率較慢，價(jià)低了誤碼率BER，字節(jié)壓縮數(shù)基本保持在4.5左右；當(dāng)信噪比慢慢提升，即信道質(zhì)量提高時(shí)，為加快傳輸率，OFDM將采用其余3種調(diào)制編碼方式，壓縮后字節(jié)數(shù)基本保持在4.2～6之間，壓縮率大約為32%。如圖6所示表示CID壓縮前后MAC PDU丟失情況。

圖5 在不同信噪比下CID壓縮情況

圖6 CID壓縮前后報(bào)頭丟失情況

由圖6可知，由于采用了自適應(yīng)的調(diào)制編碼技術(shù)，CID被壓縮后，報(bào)頭丟失可以忽略不計(jì)。在22～25dB時(shí)，先是由于信噪比的增大，MAC PDU的丟失有所上升，待穩(wěn)定后慢慢回落。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)分段MAC PDU中的CID進(jìn)行了壓縮研究，在分析WiMAX系統(tǒng)分段MAC PDU報(bào)頭及子頭格式的基礎(chǔ)上，提出了一種利用分段MAC PDU頭保留位和子頭保留位對(duì)CID進(jìn)行編碼的壓縮算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)分類之后冗余信息的有效壓縮。仿真結(jié)果表明，提出的壓縮機(jī)制達(dá)到了滿意的壓縮效果，對(duì)工程應(yīng)用有一定的實(shí)用價(jià)值。

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