張青波，何加銘，朱燕

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

1 引言

WiMAX基于IEEE 802.16協議[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，完成對上層協議數據單元（PDU, protocol data unit)的匯聚。MAC層是面向連接的，但IPv4(IPv6)網絡是基于分組的。因此，匯聚子層的主要功能為將分組映射到IEEE 802.16網絡的連接以及完成相反操作，此映射過程稱為分類。分類之后的數據分組頭一般包含冗余信息，為有效利用緊缺的無線資源，必須壓縮分組頭的冗余信息，以使更多的無線資源分配給有效信息。

目前，針對WiMAX系統的壓縮機制主要基于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個分組間的靜態(tài)域，如果靜態(tài)域不是字節(jié)的倍數，將不能壓縮，另外，如果無線信道誤碼率較高，PHS也不能很好地壓縮，因此，PHS的可壓縮性不強。CRTP主要用于低數據率的RTP/UDP/IP數據分組壓縮，該方法的缺點在于壓縮過程中經常發(fā)生分組丟失及令人難以忍受的延時等，為改善CRTP的壓縮性能，提出了ECRTP。ROHC對靜態(tài)域和動態(tài)域都能壓縮，因此壓縮性能優(yōu)于PHS，另外根據文獻[6]的研究，其性能也優(yōu)于ECRTP，但ROHC也主要針對RTP/UDP/IP頭的壓縮。

本文提出利用分段MAC PDU報頭和子頭中的保留位，建立CID映射表和無線信道，通過編碼實現對CID進行壓縮，達到了滿意的壓縮效果。

2 CID映射關系的建立

通常，在無線信道中，數據流的傳輸是基于幀的，其壓縮解壓的過程如圖1所示。

如圖1所示，在同一時刻將有多個數據流到達系統，發(fā)送端壓縮器參考數據流的前一個分組的報頭以壓縮下一個分組；接收端解壓經壓縮端壓縮的數據，同時反饋信息給壓縮端，以校驗數據是否正確傳輸。

類似地，WiMAX接入系統的信號傳輸也是基于幀的，上行子幀（SS向BS）和下行子幀（BS向SS）構成一幀。上行子幀除用于傳輸協議數據單元PDU（來自不同SS），同時包含帶寬請求和初始測距；而對下行子幀而言，其傳輸的僅僅是協議數據單元PDU。針對OFDM，每個傳輸的信號由OFDM符號構成，且這些符號是整數。WiMAX接入系統的物理層MAC PDU信息由OFDM符號傳輸，包含MAC PDU報頭、字頭和凈荷。報頭格式如圖2所示。

圖2中的各個參數在WiMAX協議中均有定義，在此不再贅述。由圖2可知，MAC PDU報頭中有2個保留位，同時匯聚子層的上層SDU單元在數據服務時一般拆分為若干個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個保留位。在通信過程中，這些保留位將實時傳輸，本文將有效利用保留位對CID進行編碼以限制CID傳輸，最終提高無線資源的利用率。

圖1 數據分組壓縮解壓過程

圖2 MAC報頭格式

記MAC報頭格式屬性中2個保留位為RSV11和RSV12，分段子頭格式屬性中3個保留位分別記為RSV21、RSV22和RSV23。對報頭的CID編號，其編號過程也即映射過程，共有25個映射值。將RSV11、RSV12、RSV21、RSV22和RSV23的域值記為：｛0, 1, 2,3,L ｝ ，那么對應的25個CID映射集為：｛2 5 89,3621,5632,L ｝ ?；竞蛷恼痉謩e維護各自的CID映射，當基站和從站有新的通信，即建立了新的CID連接，則立即對其進行編號映射，添加到映射集中，并對映射集中無用映射值定時刪除。

3 基于CID的壓縮算法設計

3.1 無線信道建模

文獻[7]認為可以用Markov模型來建模無線信道?；诖怂枷?，文獻[8]建立了2狀態(tài)Markov模型的無線信道，該方法中無線信道狀態(tài)由長期平均分組丟失率（記為Pave）和短期暫時分組丟失率（記為Ptem）的比值來定義，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)。假設信道狀態(tài)為好，那么數據可以正確地傳輸，否則數據幀不能很好地傳輸。由于信道狀態(tài)的瞬間多變性，用2個好與壞的信道狀態(tài)無法全面描述信道信息。

為了全面地描述信道，周新運[9]等人提出了3狀態(tài)Markov模型（three states markov model）來建模無線信道，并根據誤碼率(BER. bit error rate)來劃分無線信道，相對于信噪比(SNR, signal-to-noise ratio)，BER 可以更好地反映信道狀態(tài)，同時屏蔽不同調制編碼方式的影響。根據BER取值范圍劃分為3個區(qū)間，每個區(qū)間對應一個信道狀態(tài)，3個狀態(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｛Z( j):j=1,2,L｝為信道中分組丟失/分組正確傳輸的隨機過程，事件空間｛1,0｝分別表示分組正確傳輸和分組丟失；同時假設X( i)=｛S1, S2,S3｝表示比特i傳輸時的信道狀態(tài)，其信道狀態(tài)過程｛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無線信道模型

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

假設第j個分組在βj位開始傳輸，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MAC層支持自適應調制編碼方式，在不同的信道質量下，采用不同的調制編碼方式可以達到滿意的傳輸速率。

對分組中微小變化的域進行壓縮編碼，一般采用LSB編碼方法。在LSB編碼中，域值經壓縮后只傳輸n個最低有效位L，假設待壓縮的值為m，已正確壓縮的基準值為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個最低有效位，最終得到原始值。

n值可經如下確定[9]：對于正確壓縮后的所有基準值m_nom，首先獲得符合條件的最小n_nom，函數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，根據壓縮后的參考基準值，求取n_nom的最大值，該最大值即為n值。對于WiMAX系統的分段MAC PDU而言，假設這些MAC PDU由同一個CID進行傳輸，且CID采用LSB壓縮編碼方法，那么經壓縮傳輸后前后2個MAC PDU中的CID值無差異，即n值為0。

3.2 壓縮算法流程

對分段MAC PDU的CID進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，再由分段控制標識EC（如圖2所示）查找第一個分段MAC PDU，找到第一個分段MAC PDU后，在映射集中查找與此分段MAC PDU對應的CID映射值。若在映射集中有與此分段MAC PDU對應的CID映射值，那么將該值添加到MAC PDU報頭中的保留位，若在映射集中沒有對應的映射值，則將CID值重新進行映射。如果查找到的不是第一個分段MAC PDU，那么判斷該MAC PDU此時的信道，若無線信道為S3（差狀態(tài)），不對CID壓縮而直接發(fā)送MAC PDU 報頭；假設信道為 S2（一般狀態(tài)），CID 值不發(fā)送，而將分段子頭和分段MAC PDU報頭中的保留位映射值設置，對末尾分段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對應的映射值添加到子頭和報頭的保留位中。

4 仿真分析

4.1 仿真環(huán)境設置

對一個OFDM符號，記Tg為前導時間，Tb為有效時間，Ts為持續(xù)時間，則Tb和Ts可分別由式(4)和式(5)計算得到。

其中，G=Tg/Tb，NFFT為FFT數，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。假設幀長為10ms，記OFDM符號個數為m，那么m=360。

設一幀內基站BS向從站SS傳輸的OFDM符號數為160，且BS向SS傳輸的子幀長度等于SS向BS傳輸的子幀長度，6個符號用于SS向BS的初始測距，帶寬請求用4個符號，其余150符號用來傳輸報頭。假定基站BS與6個從站SS通信，同時假設W均勻分配，在當前調制編碼方式下，對任一SS，一個符號能傳輸ybit，則從站SS向基站BS傳輸的字節(jié)數為150×y/6，對于QPSK 1/2方式，則一個符號能傳輸2×192/2=192bit，從站SS向基站BS傳輸50×192/6=4 800bit。其他調制編碼方式類似于QPSK 1/2的計算，同時假定MAC PDU分段長度范圍在6～1 020個字節(jié)之間，以使資源有效利用。

4.2 仿真結果分析

仿真中采用 16QAM 1/2、QPSK 1/2、BPSK 1/2、64QAM 2/3等4種調制編碼方式，由于OFDM采用自適應技術，那么對于AWGN信道，如圖5所示為SS向BS傳輸一個子幀時CID的壓縮狀況。

如圖5所示，當信噪比較低，即信道質量不是很好時，由于OFDM自適應地采用了BPSK 1/2，傳輸速率較慢，價低了誤碼率BER，字節(jié)壓縮數基本保持在4.5左右；當信噪比慢慢提升，即信道質量提高時，為加快傳輸率，OFDM將采用其余3種調制編碼方式，壓縮后字節(jié)數基本保持在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壓縮前后報頭丟失情況

由圖6可知，由于采用了自適應的調制編碼技術，CID被壓縮后，報頭丟失可以忽略不計。在22～25dB時，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 結束語

本文對分段MAC PDU中的CID進行了壓縮研究，在分析WiMAX系統分段MAC PDU報頭及子頭格式的基礎上，提出了一種利用分段MAC PDU頭保留位和子頭保留位對CID進行編碼的壓縮算法，實現對分類之后冗余信息的有效壓縮。仿真結果表明，提出的壓縮機制達到了滿意的壓縮效果，對工程應用有一定的實用價值。

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