最新基于ARMLinux平台IEEE80216MAC层实现方法研究.docx

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最新基于ARMLinux平台IEEE80216MAC层实现方法研究

①子网号为192.168.0.64，主机号范围为192.168.0.65～192.168.0.126（5分）

A、联机关系B、结构关系C、主次关系D、层次关系

B、路由选择、拥塞控制与网络互连

endif

【答案】D

【答案】B

C.只能根据数据库表建立视图D.可以根据数据库表和自由表建立视图

【答案】D

工资>1000AND（职称="教授"OR职称="副教授"）

settalkon

学士学位论文

基于ARM-Linux平台

IEEE802.16MAC层实现方法研究ResearchontheRealizationof

IEEE802.16MACLayerOperation

onARM-LinuxPlatform

作者：

籍汉超

学号：

08211065

班级：

通信0803

导师：

刘颖

北京交通大学

二零一二年五月

A、封面；

B、毕业设计（论文）成绩评议；

C、毕业设计（论文）任务书；

D、毕业设计（论文）开题报告；

E、指导教师评阅意见；

F、评阅教师评阅意见；

G、答辩小组评阅意见；

北京交通大学

学士学位论文

基于ARM-Linux平台

IEEE802.16MAC层实现方法研究

ResearchontheRealizationofIEEE802.16MACLayer

OperationonARM-LinuxPlatform

作者姓名：

籍汉超学号：

08211065

导师姓名：

刘颖职称：

教授

学位类别：

工学级别：

学士

学科专业：

通信工程班级：

通信0803

北京交通大学

2012年5月

致谢

本论文的工作是在我的导师刘颖教授和李旭教授的悉心指导下完成的，刘颖教授严谨的治学态度给了我极大的影响；李旭教授在通信领域的渊博知识及其科学的工作方法给了我极大的帮助。

在此衷心感谢一年来刘颖老师和李旭老师对我的关心和指导。

两位教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向两位老师表示由衷的谢意。

在实验室工作及撰写论文期间，李世杰、韩宗佑、顾晨、王韵琪等同学对我论文中相关的研究工作给予了许多有用的指导和建议；朱昊清、谢云婷、屈海洋等同学为我提供了热情的帮助；在此向他们表达我真挚的感激之情。

另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。

中文摘要

摘要：

无线Mesh网络是一种高容量高速率的自组网技术，因其广覆盖、高可靠、自配置和自愈合等特点，越来越受到研究者和客户的重视。

IEEE802系列多个标准都针对Mesh模式制定了相关协议，本文所研究的内容即基于IEEE802.16中Mesh网络MAC层的相关标准。

经过十数年世界各公司、大学等研究机构对无线Mesh网络终端的研究，现已具备相当成熟的开发硬件平台方案。

在建立数据传输的底三层中，网络层、MAC层、物理层功能一般分别在ARM、DSP和FPGA芯片上实现。

但通用DSP处理器功耗过大，为开发便携式无线设备提出了不小的挑战，但其强大的计算功能却没有得到充分的利用。

本文提出了将MAC层功能移植到ARM处理器的可行方案，以替代DSP处理器，解决功耗难题。

本文通过对ARM处理器、Linux操作系统以及MAC层功能的充分分析，设计了一套建立在ARM-FPGA平台的无线Mesh终端硬件架构解决方案，并对架构中各模块做了具体阐释和分析。

原MAC层程序庞大而繁杂，极不利于移植工作的进行。

为在实际测试中探索在ARM-Linux平台上MAC功能的实现方案，本文提供了约700行的源代码，创建了共包含62.6KB源文件、31.9KB头文件的工程进行测试。

本文提出的无线终端硬件实现方案，为改善现有的Mesh网络MAC层硬件单元的功耗等性能具有重要的实用参考价值。

关键词：

IEEE802.16；无线Mesh网络；MAC层；ARM-Linux平台

ABSTRACT

ABSTRACT:

WirelessMeshNetworkisakindofself-organizingnetworkofhighcapacityandhightransmissionspeed.Inthemeantime,WMNisconcernedbyalargenumberofscholarsandorganizations,becauseitsadvantageofwidecoverage,highreliability,self-configuring,self-healingandhighefficiency.AnumberofstandardorganizationswhicharerelatedtoIEEE802havemadecorrespondingprotocolsaboutMesh.TheMACprotocolreferedinthispaperisbasedonIEEE802.16Standard.

AfterMorethan10yearsofstudying,amaturehardwareplatformsolutionofMeshterminalisdeveloped,accordingwhichtheNETLayer,theMACLayerandthePHYLayerarerespectivelybuiltuponARM,DSPandFPGA.However,thissolutiondoesn’tfitportablepersonaldevicewell,becauseofthelargepowerofDSP.Inthispaper,anewsolutionisstudied.Inthenewsolution,MACLayerisbuiltuponARMalongwithNETLayer,andtheDSPiscutoff.Consequentlythepowerproblemcanbesolved.

AfterthefullstudyontheARM,LinuxandMACstandard,aWMNhardwaresolutionwhichisbasedonARM-FPGAplatformwasdeveloped.Moreover,thedetailsofthesolutionisanalysedanddiscussedinthispaper.

TheoldMACLayerprojectissoenomousandcomplicatedthatit’sverydifficulttoadaptthenewplatform.Asaresult,authorwriteabout700linesofcodesandbuildaprojectincluding62.6KBsourcefilesaswellas31.9KBheaderfiles,totestthepracticalityofthenewsolution.

ThenewplatformdevelopedinthispapercanbehelpfulforimprovingpowerdissipationofMeshterminal.

KEYWORDS：

IEEE802.16;WirelessMeshNetwork;MACLayer;ARM-LinuxPlatform

1综述

1.1引言

IEEE802.11[1]，IEEE802.15[2]，IEEE802.16[3]，以及IEEE802.20[4]系列标准是国际电子与电气工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）陆续发布的为新的个域网、局域网、城域网和广域网量身定做的无线通信标准，提供更高的传输速率，更广的业务覆盖，更廉价的网络服务。

IEEE802.11系列标准为无线局域网系统定制，典型传输范围在300m范围内，在处于楼宇和墙壁遮挡的非视距传输的位置则范围更小[5]。

为了满足城域或广域范围的无线宽带接入技术要求，IEEE又颁布了802.15，802.16，802.20等系列标准。

其中，IEEE802.16系列标准为无线宽带城域网设计了一套完善的空中接口方案，被WiMAX组织（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波互操作性）所支持，也被称为WiMAX标准[6]。

IEEE802.16-2004标准设计最大系统覆盖范围50km，最大数据传输率70Mbps，对于客户要求具有很强的适应能力[7]。

IEEE802.16等技术标准将无线通信带入一个新的时代，但其发展却颇有波折。

IEEE802.16等技术标准的市场化进程触动的是传统电信设备制造商、运营商的利益，面临巨大的竞争压力。

在新兴的诸多宽带无线网络技术中，无线mesh网络技术正逐渐兴起并迅速发展，开始发挥巨大的作用并占领市场。

无线mesh网络（WirelessMeshNetwork，WMN）由传统军用AdHoc网络[8]演进而来，也称作无线网状网，是一种新兴的宽带无线接入网络技术。

无线Mesh网络具有自组织、自配置、自修复等特点，因其覆盖广、成本低、可靠性高、建设和维护简便以及自组织自配置等优势，越来越受到各Internet业务提供商、政府部门和其他无线终端客户的青睐[9]。

无线mesh网络中，MAC层面向需要完成控制节点接入、为上层提供可靠数据链路等功能，因此整个无线mesh网的网络建立和资源调度很大一部分在MAC层实现[10]。

另一方面，MAC层还是数据在无线信道上发送和接收的直接控制者，所以是无线mesh网络中非常重要的一部分，直接决定了网络性能和稳定性。

无线Mesh网络具有多跳性，不仅会受到相邻路径的干扰，也会受到环境噪声和干扰的影响，这对MAC协议中资源管理、调度机制等方面都提出了更高的要求。

本文所研究的课题正是基于某无线终端客户的无线mesh网络项目要求，主要探讨了MAC层功能在不同于传统的硬件平台——ARM-Linux平台上的实现的可能性，还对基于此实现的无线mesh网络（网络层-MAC层-物理层）整体硬件方案进行了设计。

本文中涉及的MAC层功能正是基于IEEE802.16-2004Mesh模式的MAC协议标准。

一方面为应国家对自主知识产权的号召，另一方面为满足客户的个性化要求，本项目所采用MAC层协议并不完全照搬IEEE802.16-2004标准，而是根据实际需要进行了适当增删和修改，当然主要功能机制仍参照标准。

1.2IEEE802.16无线mesh网络简介

IEEE802.16定义了两种网络拓扑结构，一种是点到多点（PointtoMulti-point，PMP）结构，另一种是网状网（Mesh）结构。

两种模式可各有优势，PMP模式下，通信仅发生在用户站和基站之间，资源调度方便，性能稳定。

Mesh模式可下，通信还可以在用户站之间发生，实现多跳通信。

相对于PMP模式，Mesh模式具有更低的建网成本，更广的覆盖范围，但管理机制也更加复杂[11]。

PMP模式（图1-1）类似于蜂窝网结构。

基站（BaseStation，BS）协调和中继网络中的所有通信，在基站的管理下，所有用户站（SubscriberStation，SS）与其他用户站进行通信之前，必须经过基站中继。

Mesh模式（图1-2）则灵活得多，用户站可以通过多跳通信链路直接进行通信。

根据不同的传输协议算法，可以令基站具有更高的优先权，即集中式调度，也可以令所有节点具有平等的优先级别，即分布式调度，也可以采用两者的结合。

图1-1PMP模式

Fig.1-1PMPMode

图1-2Mesh模式

Fig.1-2MeshMode

具体来讲，IEEE802.16协议定义了Mesh模式的如下3种调度机制：

1）集中式调度

集中式调度中，资源以比较集中的方式被授予。

基站作为树形结构【3】的树根在一定跳数范围内收集所有用户站的资源请求，而后决定网络中每条链路所授予的资源总数，再将授权结果通知各用户站。

各用户站在接收到授权消息后根据基站调度发送数据。

2）协调分布式调度

在分布式调度中，所有的节点地位平等。

源节点和目的节点之间需要通信时，通过“请求-授权-确认”的三次握手机制来进行数据调度。

在协调分布式调度中，各节点的请求和授权消息占用帧的控制时隙发送，发送和接收数据的节点间通过请求授权消息的交互过程来计算彼此发送请求或授权消息的具体时间。

3）非协调分布式调度

有区别于协调分布式调度的是，非协调模式中，节点占用数据时隙发送请求或授权消息，但需要保证这些消息不会和其他控制消息或数据微时隙发生碰撞。

1.3ARM嵌入式处理器及Linux操作系统简介

ARM微处理器为ARM（AdvancedRISCMachine）公司授权生产的一系列微处理器的总称。

其主要特点有：

（1）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容8位/16位器件；

（2）大量使用寄存器，指令执行速度快；（3）大多数数据操作在寄存器中完成；（4）寻址方式灵活简单，执行效率高；（5）采用精简指令集（RISC），指令长度固定。

比较其他嵌入式微处理器，ARM系列微处理器具有明显的低功耗和低成本两大优势，也因此覆盖了微处理器应用的每一个领域。

从成本低廉的嵌入式微控制器，到要求非常高的手机等消费娱乐应用的多核处理器，都可以看到ARM的身影。

ARM公司共开发了六套体系架构版本，版本号从1~6，具体不在此赘述[12]。

通用ARM处理器共分为ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和ARM11等系列，其中ARM9以上版本的最大的进步即在ARM7架构中加入了MMU（MemoryManagementUnit，内存管理单元）。

MMU一方面作用是将虚拟地址与物理地址相互进行映射，另一方面还提供了硬件机制的内存访问授权，从真正意义上支持现代多进程多用户操作系统，如WindowsCE、Linux、PalmOS等。

ARM10、ARM11等系列主要在旧有系列上在浮点运算、媒体处理能力、数据安全等方面做了进一步优化。

随着技术的发展，人们对电子产品处理性能要求也越来越高。

在个人消费类电子产品领域，越来越多随身携带的电子设备“PC化”趋势明显，要求完成电脑能完成的许多日常工作；在工业控制领域，系统级芯片（SystemonChip，SoC）以低廉的价格提供了丰富的功能，使得一个嵌入式系统可以同时完成多个控制功能。

嵌入式操作系统可以为多种多样的处理请求灵活分配系统资源、调度多个应用程序，实现任务的并行处理，也因此得到了广泛的应用。

嵌入式领域可供选择的操作系统很多，比如VxWorks、WindowsCE，Linux等。

Linux因其低成本——无需交纳许可费用、强大可裁剪能力——开放源码和模块化驱动、以及优秀的兼容性——从全面的硬件驱动到各类免费应用，成为实际应用最为广泛的嵌入式操作系统[14]。

Linux是一种类Unix操作系统，兼容POSIX标准并包含了UNIXSystemV与BSD的大部分特征。

它支持多工处理、多用户处理，并采用保护模式的方式执行各个进程，个别的进程失控不会造成系统死机。

Linux系统将系统状态分为用户状态、系统状态和硬件中断状态，将硬件中断作为独立于系统外的最高优先级处理。

Linux使用虚拟内存，但需在硬盘上规划一块区域作置换用的交换区。

Linux对内存采用灵活的页管理方式，多个程序初始共用一块内存区域，但当某个程序尝试写入内存的话，该页会拷贝至其他位置，作为该程序独有的内存页。

Linux的最大缺点在于实时性，2.6版本虽然做了比较大的改进，但仍无法称之为实时操作系统。

有不少变种Linux在实时性方面做了优化，比如RTLinux做到了硬实时，TimeSysLinux一定程度上提高了实时性，但由于仍是在Linux基础上进行改动，实际使用时还是有诸多问题，因此并没有得到广泛应用[16]。

1.4无线mesh网络终端硬件平台应用现状

国际标准化组织ISO于1981年正式推荐了一个标准网络系统结构----七层参考模型，称其为开放系统互连模型（OpenSystemInterconnection，OSI）[17]。

OSI参考模型将整个网络通信的功能划分为七个层次，由低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会议层、表示层、应用层。

第四层到第七层主要负责互操作性，而第一层到第三层则用于创建网络设备间的数据链路连接。

对于无线终端硬件平台来说，首要考虑无线数据传输网络的建立，所以在此仅讨论物理层、数据链路层、网络层三层功能实现的平台。

目前成熟的无线终端硬件平台架构主要分为两大类：

一类是以高通、MTK等公司开发产品为代表的通用网无线终端硬件架构；另一类则是专用网无线终端硬件架构。

后文将对两种架构进行详细介绍。

无论通用网无线终端，或是专用网无线终端，现有成熟方案都以ARM-DSP-FPGA架构为基础。

即网络层在ARM处理器上实现，数据链路层在DSP处理器上实现，物理层在FPAG芯片上实现。

在通用网无线终端中，DSP作为一个模块被集成到ARM处理器中，所以表面上是ARM-FPGA架构，事实上还是基于ARM-DSP-FPGA架构的。

1.5本文的主要工作及组织结构

本课题源于笔者所在实验组的一个项目。

原有无线mesh终端硬件终端为ARM-DSP-FPGA架构，适用于地面站点或车载站点，客户要求开发个人便携式平台，并指出DSP功耗过大，无线终端续航能力不能保证。

如果将MAC层移植到ARM处理器上实现，DSP处理器便可以被裁剪去，功耗问题就可以得到解决。

但原方案中ARM处理器上运行的操作系统为非实时操作系统Linux，而MAC层功能对实时性有一定要求，因此笔者被指定对MAC层功能在ARM-Linux平台上的实现做探索性的实验。

本课题的研究基于四方面的知识基础：

（1）IEEE802.16无线mesh网络MAC层协议；

（2）MAC层功能机制实现的程序代码；（3）ARM处理器的特性；（4）Linux操作系统的特性。

本课题面临的最大挑战是资料的匮乏。

要将MAC层程序移植到ARM处理器上，并且在非实时操作系统平台上实现，此方面的资料少之又少，更找不到相关方案的研究。

笔者能参考的，只有书籍上和网络上的一些关于提高Linux实时性的阐述和探讨。

本文的工作主要体现在以下两个方面：

1）MAC层程序架构的设计和整体硬件平台架构的设计

由于没有现成方案可供参考，也没有相关研究资料，笔者只能通过对Linux内部机制和MAC层程序功能进行充分地了解，并在一步步尝试和探索中总结出可行思路，设计出适合平台的MAC层程序架构。

由于MAC层架构的改变，势必也会影响到整体硬件平台架构，因此本文也对此部分进行了一些探讨。

2）MAC层测试程序的编写和运行测试

现有MAC层程序庞大而繁杂，各功能块之间界限模糊不清。

但探索过程中发现MAC层程序必须进行清晰的模块化处理，才有可能移植成功。

于是，笔者通过对IEEE802.16无线mesh网络MAC层协议进行学习，参考现有程序，独立编写共计约700行源代码。

整个工程包含62.6KB源文件、31.9KB头文件，并且成功在ARM-Linux平台上编译加载成功，进行了MAC消息自发自收的功能模拟，完成了测试。

本文的组织结构如下：

第一章简要对本文涉及的各知识点：

802.16标准、无线Mesh网络、ARM处理器、Linux操作系统的基础知识进行了简要介绍，对无线Mesh网络终端研究现状进行了概述，阐述了论文的主要研究内容及论文的组织结构。

第二章对本课题开发软硬件平台——ARM6410-Linux2.6平台作了较详细的介绍，并根据学习和测试过程中的所得，对其中一些关键性问题进行了深入探讨和研究。

第三章对现有成熟Mesh终端硬件平台方案进行了详细说明和总结，并对802.16MAC层标准和原MAC层程序构架进行了描述，阐释了平台移植工作的中心思路。

第四章是本文的核心部分，介绍了笔者设计的平台移植方案，描述了MAC层功能实现流程，并依次对方案中每个模块的细节问题进行了深入探究和讨论。

第五章为实现上述平台方案的MAC层工程在ARM开发板上模拟运行的情况。

根据测试结果，虽然不能推断出平台的具体性能指标，但可以对平台的可行性作初步估计。

第六章对文章的内容进行了总结，强调了课题研究的重要意义，并对此方案发展前景进行了展望。

2软硬件平台简介及相关探究

2.1软硬件平台简介

本文中，采用S3C6410ARM处理器与Linux2.6.28嵌入式开发平台为基础，下面对其特性，尤其是项目相关部分做简要介绍。

2.1.1UT6410BV04开发板

本方案使用的硬件平台为UT6410BV04开发板，由深圳市友坚恒天科技有限公司提供。

UT6410BV04是一款功能全面、性价比高的ARM11处理器开发板；开发版采用核心板加底板的设计方式，支持多种不同尺寸的液晶显示屏，支持多个主流嵌入式操作系统。

此开发板主要面向消费类电子、工控、车载导航、人机界面等电子产品的开发，主要供广大企业用户进行产品前期软硬件性能评估验证、设计参考使用。

开发板使用S3C6410XH-66为CPU，此芯片以ARM1176JZF-S为内核，是32位RISC架构微处理器，专为手机等消费电子提供低成本、低功耗、高性能的解决方案。

芯片内部包含AXI、AHB与APB构成的64/32位内部总线架构，可提供高性能的2.5G或3G通信服务。

其还集成多个专用硬件加速器，用以完成视频处理、音频处理、图像处理和显示输出等功能。

为减少系统总体成本，S3C6410XH-66还集成了多种多样的硬件外设，包括：

摄像头接口、TFT24位真彩色LCD接口、电源管理器、4路UART接口、32路DMA接口、5路32位定时器、2路PWM输出、I2S总线接口、I2C总线接口和USB接口等等。

S3C6410XH-66对外存接口进行了优化，双外存接口可支持DDR、DDR、SDRAM、NORFLASH、NANDFLASH、OneNAND、CF和ROM存储格式的设备。

核心处理器总体框图如图（图2-1）。

图2-1S3C6410X模块框图

Fig.2-1S3C6410XBlockDiagram

整套开发板基本功能特性如下：

●支持667MHz主频上稳定工作，DDR数据传输速率266Mbs；

●配套WinCE6.0R2/R3和Linux2.6.28、Ubuntu9.04、Android0.9、Android1.5操作系统；

●内部128MBRAM；

●外部4GBNANDFLASH，1MBNORFLASH；

●支持SD/MMC/SDIO接口存储卡；

●支持NANDFLASH、SD卡、NORFLASH启动

●共20路外部中断输入。

2.1.2Linux操作系统

Linux是一个性能稳定、功能强