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802.16 协议中的入网测距和时延调整算法. 学生：赵欣（ 0408110182 ）. 前言 802.16 标准定义了无线 MAN （城域网）空中接口规范。 802.16 是固定无线接入的标准，可以应用于 2 ～ 11GHz 非视距 (NLOS) 传输和 10 ～ 66GHz 视距 (LOS) 传输。
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802.16协议中的入网测距和时延调整算法 学生：赵欣（0408110182）
前言 • 802.16标准定义了无线MAN（城域网）空中接口规范。802.16是固定无线接入的标准，可以应用于2～11GHz非视距(NLOS)传输和10～66GHz视距(LOS)传输。 • 802.16可支持TDD(时分双工)和FDD(频分双工)两种无线双工方式。根据使用频段的不同，10-66GHz固定无线接入系统主要采用单载波调制技术，而对于2-11GHz频段的系统，将主要采用OFDM和OFDMA技术。802.16未规定具体的载波带宽，系统可以采用从1.25MHz-20MHz之间的带宽。对于10-66GHz的固定无线接入系统，还可以采用25或28MHz载波带宽，提供更高的接入速率。 • 本文主要介绍工作在TDD方式下的，以BS为中心的，点对多点（PMP）的宽带无线接入系统中SS的入网和测距过程，以及其中的时延调整算法。
1. 802.16协议概述802.16协议详细说明了提供多种服务的固定的点对多点（PMP）的宽带无线接入系统的空中接口，包括媒体接入控制层（MAC）和物理层（PHY）。802.16协议的MAC层包含三个子层（如下图所示）：
服务汇聚子层（CS） （Service Specific Convergence Sublayer） 该层通过服务汇聚子层服务访问点（SAP）接收到高层数据，并将其进行转换或者映射，再发到MAC公共部分子层(MAC CPS)的MAC服务访问点。
1) 从高层接受协议数据单元（PDU），并对其进行分类，将它们分配到合适的连接中（对应于不同的CID）。 2) (如果需要) 处理基于分类的高层协议数据单元，例如载荷头抑制。 3) 把处理后的CS PDU传送到与业务流相关联的MAC接入点，以完成到对等MAC接入点的传输。 4) 从对等实体接收会聚子层的协议数据单元，并恢复被压缩的载荷头信息。
公共部分子层（MAC CPS） （MAC Common Part Sublayer） 提供系统访问，带宽分配，连接建立和连接维护等核心MAC层功能。 它通过MAC 层服务访问点从服务汇聚子层接收数据，再分别对应到不同的MAC层连接。 并实现相应服务质量(QoS) 。 • 单独的加密子层（PS） （Privacy Sublayer） 用以提供鉴权，安全密钥交换和加密功能。
2. 802.16协议中的帧结构 本文中讨论的802.16协议采用TDD时分双工。上行链路采用TDMA时分多址接入。下行链路采用TDM时分复用。 802.16中物理帧由下行链路子帧和上行链路子帧构成，帧结构如下图所示（帧长为5ms）。
下行子帧仅为一个下行物理层PDU，它由长前导码、帧控制头（FCH）、和m个突发（burst）组成。长前导码用于物理层同步。前导码后是一个OFDM符号长度的帧控制头(FCH)，FCH部分采用统一的调制和编码方式，以保证较低的误码率，并保证SS检测MAC层消息，完成注册过程。FCH中包含下行链路帧前缀（DLFP）来指定其后紧跟的一个或几个突发的模式和长度。FCH后是用于传送管理消息、数据等的一些突发，其中紧跟着FCH的突发中会发送DL-MAP消息、UL-MAP消息，并在一定的间隔内周期性的发送DCD消息、UCD消息。每个下行突发数据包都被唯一的DIUC码所标识（由DL-MAP指定），该DIUC码表征了相应的突发数据包的物理层传输参数，以采用不同的调制和编码方式，给突发数据包提供不同的稳定性和高效性。
一个上行链路子帧由初始化测距时隙、带宽请求时隙和一个或几个由不同SS发出的上行链路物理层PDU构成。每个物理层PDU由短前导码和上行突发组成，每个物理层PDU对应于不同SS所发送的突发数据包,每个突发数据包中又包含一个或多个MAC层PDU供改SS中不同的业务使用。每个上行突发的数据包被唯一的UIUC码所标识，采用对应的传输参数发送数据。一个上行链路子帧由初始化测距时隙、带宽请求时隙和一个或几个由不同SS发出的上行链路物理层PDU构成。每个物理层PDU由短前导码和上行突发组成，每个物理层PDU对应于不同SS所发送的突发数据包,每个突发数据包中又包含一个或多个MAC层PDU供改SS中不同的业务使用。每个上行突发的数据包被唯一的UIUC码所标识，采用对应的传输参数发送数据。
3. 802.16协议中的入网过程和时延调整算法 在入网过程中，测距是几个过程的组合，BS和SS用来维持它们之间的RF通信的质量。初始测距使得新入网的SS获得正确的上行传输参数，例如时间偏移和发送功率等级。这样SS就能通过标记微时隙的边界来对齐符号（时延调整），并采用正确的发射门限（功率控制）以便SS能与BS通信。
（1）扫描网络粗同步 BS开机后，在每一个下行子帧的开始都要发送长前导码（长前导码定义为一个REF1信号，其后跟一个REF2信号），FCH（DLFP）、DL-MAP和UL-MAP信号，以及周期发DCD,UCD信号。 当SS进入网络后，会先扫描长前导码，由长前导码来判断帧边界，进行粗同步。然后接收DL-MAP和UL-MAP并从中取出时隙分配信息.还要接收DCD和UCD，以获取上下行链路的参数，以及初始化测距时隙的尺寸。
因为传播时延的存在，SS的帧边界的粗同步与BS的帧边界相比滞后了一个传播时延，因此SS要执行测距过程来进行时延和功率的校正.如图3所示：因为传播时延的存在，SS的帧边界的粗同步与BS的帧边界相比滞后了一个传播时延，因此SS要执行测距过程来进行时延和功率的校正.如图3所示：
（2）发出初始化测距请求。 在每一上行子帧中有一个公用的初始化测距的传输机会。要入网的SS通过接收DL-MAP和UL-MAP解析出这个公用测距机会的位置，然后在这个传输机会内以竞争方式发出RNG-REQ消息（其中包含SS的MAC地址），其中CID将设置为未初始化的SS的值（0x0000）。一旦BS成功的接收到了RNG-REQ消息，它将下一帧的下行子帧中以SS的MAC地址为标识返回一个RNG-RSP消息。如果发生碰撞，SS应该根据退避算法随机退避整数个帧长，在随后的某个帧中再发出测距请求。
（3）分配基本CID分配专用信道。 当一个SS的测距请求被正确接收到以后，BS将下一帧的下行子帧中返回一个RNG-RSP消息，并以SS的MAC地址来对不同的SS进行标识，在这个消息中会给SS分配一个基本CID，RNG-RSP中也包含射频功率调整、频率偏移量调整、和时间偏差校正值。从这个时间点开始，BS将使用SS的基本CID来标注这个SS并完成测距过程。
一旦SS得到基本CID，BS会在以后每帧的公用带宽申请时隙后给该SS分配一个专用的测距时隙（以基本CID为标识）。公用测距时隙将空出来，SS以后的测距过程将利用专用测距时隙来完成。若有其它SS在这个过程中也要入网并竞争发送成功，则BS也为它单独分配另一个测距信道用于维持它的入网。当SS入网成功后BS负责将这个信道删除。
（4）利用专用的测距时隙进行初始化测距 在BS给SS分配了专用的测距时隙后，SS在这个信道内发出RNG-REQ消息，BS在随后的下行子帧中给这个SS回应一个RNG-RSP消息，通过这样的一个消息来回完成了二个功能：1、调整功率。2、调整时延。
一方面，在初始化测距过程中，BS和SS要完成将SS的发射功率调整到一个适当的值，使SS的无线信号刚好能到达BS，又不会对其他网络造成影响或者浪费能量。 另一方面，SS在粗同步的过程中是以收到的BS的前导码和DL-MAP、UL-MAP所计算出来的帧边界作为自己的帧边界的，这样SS的帧边界就比BS实际的帧边界在时间上延迟了一个传播时延。BS和SS也要通过测距过程来消除这个传播时延。
这个过程的工作原理为：SS在测距信道内向BS发送一个RNG-REQ消息，BS根据一个测距算法计算出SS的功率修正值和SS的时延修正值，并将功率和时延的修正值放到RNG-RSP消息中发送给SS，SS利用该修正值修正自己的发射功率和时间偏移，然后利用修正过的参数继续发射RNG-REQ，BS再将修正的值通过RNG-RSP（其中包含的状态为：continue）消息发送给SS。
2）下图SS发出一帧后移动了5个sample的距离（无时钟漂移）时，时延调整算法的工作流程。由于BS和SS帧边界的判断没有出现偏差，所以仅修正SS和BS之间的链路时延值（prop delay）。
通过这样的往复迭代，当SS的各种参数满足要求后，BS就通过RNG-RSP（其中包含的状态为：success）给SS指示测距成功，并在其中给SS分配主管理CID,随后BS负责将这个信道删除.SS把基本CID和主管理CID放到自己的CID CAM中，将这些CID与本身的MAC地址对应起来。BS也确知了哪个SS加入网络，从而BS把SS的MAC地址和SS的CID对应起来放到BS的CID CAM中。
通过以上讨论的操作， SS就完成了在BS上进行MAC层的注册功能。以后SS如果有业务要传输，它会以基本CID为标识在公用带宽申请时隙内发出带宽申请，BS会更据网络资源情况结合业务优先级给SS分配相应的业务CID，并会为该CID分配相应的传输时隙。这样多个SS就可在BS统一控制下进行通信。
