WiMAX系統基于CID的壓縮機制研究

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2個分組間的靜態域，如果靜態域不是字節的倍數，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對靜態域和動態域都能壓縮，因此壓縮性能優于PHS，另外根據文獻[6]的研究，其性能也優于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 ｝ 。基站和從站分別維護各自的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。基于此思想，文獻[8]建立了2狀態Markov模型的無線信道，該方法中無線信道狀態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，則信道狀態為好狀態，否則信道狀態為壞狀態。假設信道狀態為好，那么數據可以正確地傳輸，否則數據幀不能很好地傳輸。由于信道狀態的瞬間多變性，用2個好與壞的信道狀態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，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個區間，每個區間對應一個信道狀態，3個狀態分別為：好狀態（記為S1）、一般狀態(記為S2）和差狀態（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，其信道狀態過程｛X( i):i=1,2,L｝可以用3狀態馬爾科夫模型建模，如圖3所示。

圖3 3狀態Markov無線信道模型

在每個狀態中，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），不對CID壓縮而直接發送MAC PDU 報頭；假設信道為 S2（一般狀態），CID 值不發送，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映射值直接發送；如為S1狀態（好狀態），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。

[1] IEEE 802.16d-2004.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Access Systems[S]. IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee,2004.

[2] IEEE 802.16e-2005. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems[S]. IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee, 2006.

[3] El-HENNAWY H M, GOMAA H H, AMIN A S. The effectiveness of transmitting voice traffic over IPv6 convergence sublayer of WiMAX mesh networks[A]. IEEE 17th International Conference on Telecommunications[C]. Doha, Qatar, 2010. 293-298.

[4] JONG T P, DAE I C, SU Y K, et al. IP header translation protocol design and implementation to a post wireless network service[A]. 2011 13th International Conference on Advanced Communication Technology[C]. Sungnam, Korea, 2011. 453-457.

[5] FRACCHIA R, GOMEZ C, TRIPODI A. R-RoHC: a single adaptive solution for header compression[A]. IEEE 73rd Vehicular Technology Conference[C]. Budapest, Hungary,2011. 1 -5.

[6] RAWAT P, BONNIN J M. Designing a header compression mechanism for efficient use of IP tunneling in wireless networks[A]. The 7th IEEE Consumer Communications and Networking Conference[C]. Las Vegas, USA, 2010. 1-5.

[7] NITHYA V, BHASKAR V. Finite-state Markov channel modelling under jointly varying amplitude and phase in time-varying flat fading channels[J]. Institution of Engineering and Technology, 2011,9(5):1237-1245.

[8] NINAN N G , EWALD N L, FAIRHURST G. Impact of ROHC on IP encapsulation efficiency in a DVB-S2 GSE-only transmission system[A]. The 5th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal Processing for Space Communications Workshop[C]. Cagliari, Italy, 2010. 484-489.

[9] 周新運, 孫利民, 皇甫偉等. 無線多媒體傳感器網絡中一種自適應的報頭壓縮機制[J].軟件學報, 2007, 18 (5): 1122-1129.ZHOU X Y,SUN L M, HUANGFU W, et al. An adaptive header compression scheme in wireless multimedia sensor networks[J]. Journal of Software, 2007, 18 (5): 1122-1129.

[10] SOFOTASIOS P C, FREEAR S. Novel expressions for the one and two dimensional Gaussian Q-functions[A]. IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems[C]. Hawaii,USA, 2010.1-4.