WiMAX系统基于CID的压缩机制研究

张青波，何加铭，朱燕

(1. 宁波大学 通信技术研究所，浙江 宁波 315211；2. 浙江工商职业技术学院 工学院，浙江 宁波 315012；3.陕西安康学院 电子与信息工程系，陕西 安康 725000)

1 引言

WiMAX基于IEEE 802.16协议[1,2]定义了MAC层与PHY层规范。汇聚子层(CS, convergence sublayer)位于MAC层的最上层，完成对上层协议数据单元（PDU, protocol data unit)的汇聚。MAC层是面向连接的，但IPv4(IPv6)网络是基于分组的。因此，汇聚子层的主要功能为将分组映射到IEEE 802.16网络的连接以及完成相反操作，此映射过程称为分类。分类之后的数据分组头一般包含冗余信息，为有效利用紧缺的无线资源，必须压缩分组头的冗余信息，以使更多的无线资源分配给有效信息。

目前，针对WiMAX系统的压缩机制主要基于RTP/UDP/IP头的压缩，如PHS[1,2](payload header suppression)、CRTP[3](compressed real-time protocol)、ECRTP[4](enhanced CRTP) 和ROHC[5](robust header compression)。PHS只能压缩相同分组传输流中连续2个分组间的静态域，如果静态域不是字节的倍数，将不能压缩，另外，如果无线信道误码率较高，PHS也不能很好地压缩，因此，PHS的可压缩性不强。CRTP主要用于低数据率的RTP/UDP/IP数据分组压缩，该方法的缺点在于压缩过程中经常发生分组丢失及令人难以忍受的延时等，为改善CRTP的压缩性能，提出了ECRTP。ROHC对静态域和动态域都能压缩，因此压缩性能优于PHS，另外根据文献[6]的研究，其性能也优于ECRTP，但ROHC也主要针对RTP/UDP/IP头的压缩。

本文提出利用分段MAC PDU报头和子头中的保留位，建立CID映射表和无线信道，通过编码实现对CID进行压缩，达到了满意的压缩效果。

2 CID映射关系的建立

通常，在无线信道中，数据流的传输是基于帧的，其压缩解压的过程如图1所示。

如图1所示，在同一时刻将有多个数据流到达系统，发送端压缩器参考数据流的前一个分组的报头以压缩下一个分组；接收端解压经压缩端压缩的数据，同时反馈信息给压缩端，以校验数据是否正确传输。

类似地，WiMAX接入系统的信号传输也是基于帧的，上行子帧（SS向BS）和下行子帧（BS向SS）构成一帧。上行子帧除用于传输协议数据单元PDU（来自不同SS），同时包含带宽请求和初始测距；而对下行子帧而言，其传输的仅仅是协议数据单元PDU。针对OFDM，每个传输的信号由OFDM符号构成，且这些符号是整数。WiMAX接入系统的物理层MAC PDU信息由OFDM符号传输，包含MAC PDU报头、字头和净荷。报头格式如图2所示。

图2中的各个参数在WiMAX协议中均有定义，在此不再赘述。由图2可知，MAC PDU报头中有2个保留位，同时汇聚子层的上层SDU单元在数据服务时一般拆分为若干个MAC PDU，以满足带宽利用率和QoS保证，其净荷中分段子头包含3个保留位。在通信过程中，这些保留位将实时传输，本文将有效利用保留位对CID进行编码以限制CID传输，最终提高无线资源的利用率。

图1 数据分组压缩解压过程

图2 MAC报头格式

记MAC报头格式属性中2个保留位为RSV11和RSV12，分段子头格式属性中3个保留位分别记为RSV21、RSV22和RSV23。对报头的CID编号，其编号过程也即映射过程，共有25个映射值。将RSV11、RSV12、RSV21、RSV22和RSV23的域值记为：｛0, 1, 2,3,L ｝ ，那么对应的25个CID映射集为：｛2 5 89,3621,5632,L ｝ 。基站和从站分别维护各自的CID映射，当基站和从站有新的通信，即建立了新的CID连接，则立即对其进行编号映射，添加到映射集中，并对映射集中无用映射值定时删除。

3 基于CID的压缩算法设计

3.1 无线信道建模

文献[7]认为可以用Markov模型来建模无线信道。基于此思想，文献[8]建立了2状态Markov模型的无线信道，该方法中无线信道状态由长期平均分组丢失率（记为Pave）和短期暂时分组丢失率（记为Ptem）的比值来定义，如果Pave大于Ptem，则信道状态为好状态，否则信道状态为坏状态。假设信道状态为好，那么数据可以正确地传输，否则数据帧不能很好地传输。由于信道状态的瞬间多变性，用2个好与坏的信道状态无法全面描述信道信息。

为了全面地描述信道，周新运[9]等人提出了3状态Markov模型（three states markov model）来建模无线信道，并根据误码率(BER. bit error rate)来划分无线信道，相对于信噪比(SNR, signal-to-noise ratio)，BER 可以更好地反映信道状态，同时屏蔽不同调制编码方式的影响。根据BER取值范围划分为3个区间，每个区间对应一个信道状态，3个状态分别为：好状态（记为S1）、一般状态(记为S2）和差状态（记为S3）。

设｛Z( j):j=1,2,L｝为信道中分组丢失/分组正确传输的随机过程，事件空间｛1,0｝分别表示分组正确传输和分组丢失；同时假设X( i)=｛S1, S2,S3｝表示比特i传输时的信道状态，其信道状态过程｛X( i):i=1,2,L｝可以用3状态马尔科夫模型建模，如图3所示。

图3 3状态Markov无线信道模型

在每个状态中，信号传输时存在误码率（BER），分别记为BERS1、BERS2和BERS3。这里，假设｛Y( i):i=1,2,L｝为信号传输时的比特错误/比特正确，而事件空间｛1,0｝分别表示比特错误和比特正确，这样比特i在信道中传输时，其状态可描述为

假设第j个分组在βj位开始传输，终止位为βj+λj-1，那么分组丢失概率Z( j)可描述为

由于WiMAX系统MAC层支持自适应调制编码方式，在不同的信道质量下，采用不同的调制编码方式可以达到满意的传输速率。

对分组中微小变化的域进行压缩编码，一般采用LSB编码方法。在LSB编码中，域值经压缩后只传输n个最低有效位L，假设待压缩的值为m，已正确压缩的基准值为m_nom，那么L即为m与m_nom差异后的最低有效位。L取代m_nom中的n个最低有效位，最终得到原始值。

n值可经如下确定[9]：对于正确压缩后的所有基准值m_nom，首先获得符合条件的最小n_nom，函数f(m_nom, n_nom)中包含了将要压缩的值，f(m_nom, n_nom)定义如下：

然后，根据压缩后的参考基准值，求取n_nom的最大值，该最大值即为n值。对于WiMAX系统的分段MAC PDU而言，假设这些MAC PDU由同一个CID进行传输，且CID采用LSB压缩编码方法，那么经压缩传输后前后2个MAC PDU中的CID值无差异，即n值为0。

3.2 压缩算法流程

对分段MAC PDU的CID进行压缩的算法流程如图4所示。

图4 CID压缩流程

由图4可知，BS在收到SS的MAC PDU后，利用Type首先判断其是否为分段MAC PDU，再由分段控制标识EC（如图2所示）查找第一个分段MAC PDU，找到第一个分段MAC PDU后，在映射集中查找与此分段MAC PDU对应的CID映射值。若在映射集中有与此分段MAC PDU对应的CID映射值，那么将该值添加到MAC PDU报头中的保留位，若在映射集中没有对应的映射值，则将CID值重新进行映射。如果查找到的不是第一个分段MAC PDU，那么判断该MAC PDU此时的信道，若无线信道为S3（差状态），不对CID压缩而直接发送MAC PDU 报头；假设信道为 S2（一般状态），CID 值不发送，而将分段子头和分段MAC PDU报头中的保留位映射值设置，对末尾分段MAC PDU而言，其CID映射值直接发送；如为S1状态（好状态），则将CID对应的映射值添加到子头和报头的保留位中。

4 仿真分析

4.1 仿真环境设置

对一个OFDM符号，记Tg为前导时间，Tb为有效时间，Ts为持续时间，则Tb和Ts可分别由式(4)和式(5)计算得到。

其中，G=Tg/Tb，NFFT为FFT数，W为信道带宽，n为采样因子。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。假设帧长为10ms，记OFDM符号个数为m，那么m=360。

设一帧内基站BS向从站SS传输的OFDM符号数为160，且BS向SS传输的子帧长度等于SS向BS传输的子帧长度，6个符号用于SS向BS的初始测距，带宽请求用4个符号，其余150符号用来传输报头。假定基站BS与6个从站SS通信，同时假设W均匀分配，在当前调制编码方式下，对任一SS，一个符号能传输ybit，则从站SS向基站BS传输的字节数为150×y/6，对于QPSK 1/2方式，则一个符号能传输2×192/2=192bit，从站SS向基站BS传输50×192/6=4 800bit。其他调制编码方式类似于QPSK 1/2的计算，同时假定MAC PDU分段长度范围在6～1 020个字节之间，以使资源有效利用。

4.2 仿真结果分析

仿真中采用 16QAM 1/2、QPSK 1/2、BPSK 1/2、64QAM 2/3等4种调制编码方式，由于OFDM采用自适应技术，那么对于AWGN信道，如图5所示为SS向BS传输一个子帧时CID的压缩状况。

如图5所示，当信噪比较低，即信道质量不是很好时，由于OFDM自适应地采用了BPSK 1/2，传输速率较慢，价低了误码率BER，字节压缩数基本保持在4.5左右；当信噪比慢慢提升，即信道质量提高时，为加快传输率，OFDM将采用其余3种调制编码方式，压缩后字节数基本保持在4.2～6之间，压缩率大约为32%。如图6所示表示CID压缩前后MAC PDU丢失情况。

图5 在不同信噪比下CID压缩情况

图6 CID压缩前后报头丢失情况

由图6可知，由于采用了自适应的调制编码技术，CID被压缩后，报头丢失可以忽略不计。在22～25dB时，先是由于信噪比的增大，MAC PDU的丢失有所上升，待稳定后慢慢回落。

5 结束语

本文对分段MAC PDU中的CID进行了压缩研究，在分析WiMAX系统分段MAC PDU报头及子头格式的基础上，提出了一种利用分段MAC PDU头保留位和子头保留位对CID进行编码的压缩算法，实现对分类之后冗余信息的有效压缩。仿真结果表明，提出的压缩机制达到了满意的压缩效果，对工程应用有一定的实用价值。

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