ＩＥＥＥ ８０２．１６和ＷｉＭａｘ的組網(wǎng)技術(shù)

摘要：如何提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率是無線通信領(lǐng)域面臨的難題。作為寬帶無線接入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.16在物理層采用正交頻分復(fù)用技術(shù)和靈活的編碼調(diào)制方式來提高傳輸速度和性能；在MAC層采用預(yù)約與競(jìng)爭(zhēng)相結(jié)合的調(diào)度機(jī)制，以連接、服務(wù)流等與服務(wù)質(zhì)量(QoS)相關(guān)的概念為基礎(chǔ)，在入網(wǎng)與初始化、幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，使網(wǎng)絡(luò)配置更加靈活。WiMAX基于IEEE 802.16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(PMP)方式實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，是寬帶無線接入系統(tǒng)的典型應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：接入控制；組網(wǎng)技術(shù)；點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)

Abstract: It is a difficult problem to improve the network performance and resource utilization efficiency in wireless communications. As a standard of broadband wireless access systems， IEEE 802.16 adopts Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and multi-modulation/coding techniques in the physical layer， combines contend and pre-contract mechanisms in the Medium Access Control (MAC) layer. Based on the QoS-related concepts such as connection and service flow， IEEE 802.16 optimizes network entry and initialization， and frame format in order to improve network throughput， reduce network delay， and increase the flexibility of network configuration. Based on IEEE 802.16， WiMAX adopts Point-to-Multipoint (PMP) network topology to realize flexible networking. It is a typical application technology for broadband wireless access systems.

Key words: access control; networking technology; point-to-multipoint (PMP)

IEEE 802.16是為制訂無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)而專門成立的工作組，該工作組自1999年成立以來，主要負(fù)責(zé)固定無線接入的空中接口標(biāo)準(zhǔn)制訂。為了推廣基于IEEE 802.16和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織(ETSI)高性能無線城域網(wǎng)(HiperMAN)協(xié)議的無線寬帶接入設(shè)備，并且確保他們之間的兼容性和互操作性，2001年4月，由業(yè)界主要的無線寬帶接入廠商和芯片制造商共同成立了一個(gè)非營(yíng)利工業(yè)貿(mào)易聯(lián)盟——全球微波接入互操作性(WiMAX)組織。

WiMAX技術(shù)可以覆蓋幾十公里，提供近70 Mb/s的單載波速率，并且具備支持漫游、移動(dòng)的潛力，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的WiMAX測(cè)試規(guī)范主要還是針對(duì)無線空中接口技術(shù)，所明確內(nèi)容也只是涉及開放系統(tǒng)互連(OSI)模型中的物理層、媒體訪問控制(MAC)層，并沒有明確WiMAX網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)和方案。

IEEE 802.16在標(biāo)準(zhǔn)中提供了對(duì)兩種組網(wǎng)模式的支持：點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(PMP)組網(wǎng)和網(wǎng)格網(wǎng)(Mesh)組網(wǎng)。由于IEEE 802.16是針對(duì)寬帶無線接入和分組交換的城域網(wǎng)提出的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)時(shí)必須體現(xiàn)寬帶、無線接入、分組交換、城域網(wǎng)應(yīng)用等方面的特點(diǎn)。IEEE 802.16的標(biāo)準(zhǔn)從MAC機(jī)制、幀結(jié)構(gòu)、服務(wù)等方面進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)效率。

1 IEEE 802.16的結(jié)構(gòu)

1.1 IEEE 802.16的技術(shù)特點(diǎn)

IEEE 802.16技術(shù)是寬帶無線接入技術(shù)，通過接入核心網(wǎng)向用戶提供業(yè)務(wù)，核心網(wǎng)通常采用基于IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。IEEE 802.16技術(shù)可以應(yīng)用的頻段非常寬，包括10 GHz～66 GHz頻段、11 GHz以下許可頻段和11 GHz以下免許可頻段。

IEEE 802.16d/e的物理層可選用單載波、正交頻分復(fù)用(OFDM)和正交頻分多址(OFDMA)共3種技術(shù)。單載波選項(xiàng)主要是為了兼容10～66 GHz頻段的視距傳輸(OFDM和OFDMA只用于大于11 GHz的頻段)。IEEE 802.16d OFDM物理層采用256個(gè)子載波，OFDMA物理層采用2 048個(gè)子載波，信號(hào)帶寬從1.25～20 MHz可變。IEEE 802.16e對(duì)OFDMA物理層進(jìn)行了修改，使其可支持128、512、1 024和

2 048共4種不同的子載波數(shù)量，但子載波間隔不變，信號(hào)帶寬與子載波數(shù)量成正比。這種技術(shù)稱為可擴(kuò)展的OFDMA(Scalable OFDMA)。采用這種技術(shù)，系統(tǒng)可以在移動(dòng)環(huán)境中靈活適應(yīng)信道帶寬的變化。IEEE 802.16技術(shù)在不同的無線參數(shù)組合下可以獲得不同的接入速率。以10 MHz載波帶寬為例，若采用OFDM-64QAM調(diào)制方式，除去開銷，則單載波帶寬可以提供約30 Mb/s的有效接入速率。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)適用的載波帶寬范圍從1.75 MHz到20 MHz不等，在20 MHz信道帶寬、64QAM調(diào)制的情況下，傳輸速率可達(dá)74.81 Mb/s。

IEEE 802.16d/e標(biāo)準(zhǔn)支持全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，IEEE 802.16d/e設(shè)備可以作為一個(gè)路由器接入現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，IEEE 802.16協(xié)議也可以通過一個(gè)ATM匯聚子層將ATM信元映射到MAC層，這意味著WiMAX支持與3G系統(tǒng)的互通和融合。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)在MAC層定義了較為完整的服務(wù)質(zhì)量(QoS)機(jī)制，可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需要提供實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)的不同速率要求的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。MAC層針對(duì)每個(gè)連接可以分別設(shè)置不同的QoS參數(shù)，包括速率、延時(shí)等指標(biāo)。為了更好地控制上行數(shù)據(jù)的帶寬分配，標(biāo)準(zhǔn)還定義了主動(dòng)授權(quán)業(yè)務(wù)(UGS)、實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)、非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(nrtPS)和盡力傳輸業(yè)務(wù)(BE)4種不同的上行帶寬調(diào)度模式。同時(shí)，IEEE 802.16系統(tǒng)采用了根據(jù)連接的QoS特性和業(yè)務(wù)實(shí)際需要來動(dòng)態(tài)分配帶寬的機(jī)制，不同于傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)所采用的分配固定信道的方式，因而具有更大的靈活性，可以在滿足QoS要求的前提下盡可能地提高資源的利用率，能夠更好地適應(yīng)TCP/IP協(xié)議族所采用的包交換方式。

在多址方式方面，IEEE 802.16d/e在上行采用時(shí)分多址(TDMA)，下行采用時(shí)分復(fù)用(TDM)支持多用戶傳輸；另一種多址方式是采用OFDMA，以2 048個(gè)子載波的情況為例，系統(tǒng)將所有可用的子載波分為32個(gè)子信道，每個(gè)子信道包含若干子載波。多用戶多址采用與跳頻類似的方式實(shí)現(xiàn)，只是跳頻的頻域單位為一個(gè)子信道，時(shí)域單位為2或3個(gè)符號(hào)周期。

在調(diào)制技術(shù)方面，IEEE 802.16d/e支持的最高階調(diào)制方式為64QAM，相對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(3GPP HSDPA最高支持16QAM)，IEEE 802.16d/e更強(qiáng)調(diào)在信道條件較好時(shí)實(shí)現(xiàn)極高的峰值速率。為適應(yīng)高質(zhì)量數(shù)據(jù)通信的要求，IEEE 802.16d/e選用了塊Turbo碼、卷積Turbo碼等糾錯(cuò)能力很強(qiáng)但解碼延時(shí)較大的信道碼，同時(shí)也考慮使用低復(fù)雜度、低延時(shí)的低密度稀疏檢驗(yàn)矩陣碼(LDPC)。

在雙工方式方面，IEEE 802.16d/e支持頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)兩種模式，其物理層技術(shù)基本相同。相對(duì)而言，與3G技術(shù)中FDD和TDD兩種模式采用的物理層有較大不同。IEEE 802.16d/e在5 MHz頻帶上可以實(shí)現(xiàn)約15 Mb/s的速率，頻譜效率為3 b/s/Hz，與高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)相似。但I(xiàn)EEE 802.16d/e在固定或低速的環(huán)境下可以使用更大帶寬

(20 MHz)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)75 Mb/s的峰值速率，這是現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)難以達(dá)到的。

1.2 IEEE 802.16物理層

物理層(PHY)由傳輸匯聚子層(TCL)和物理媒質(zhì)依賴子層(PMD)組成，通常說的物理層主要是指PMD。物理層定義了兩種雙工方式：TDD和FDD，這兩種方式都使用突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式，這種傳輸機(jī)制支持自適應(yīng)的突發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，傳輸參數(shù)(調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)射功率等)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，但是需要MAC層協(xié)助完成。

物理層支持和信道信息管理部分負(fù)責(zé)MAC與PHY之間的協(xié)調(diào)交互。在采用PMP方式的IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)中，基站(BS)生成下行鏈路分配映射表(DLMAP)和上行鏈路分配映射表(ULMAP)。DLMAP或ULMAP中的下行區(qū)間使用碼(DIUC)和上行區(qū)間使用碼(UIUC)字段指明每個(gè)下行或上行突發(fā)塊(Burst)采用的調(diào)制編碼方式。MAC層負(fù)責(zé)將協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)串聯(lián)成突發(fā)，遞交到物理層進(jìn)行發(fā)送。用戶站(SS)，可以通過BS周期性發(fā)送的下行信道描述(DCD)、上行信道描述(UCD)管理信令獲得DIUC和UIUC所對(duì)應(yīng)的具體調(diào)制編碼方式。SS通過測(cè)距(Ranging)過程進(jìn)行功率、時(shí)延和頻偏的調(diào)整。

1.3 IEEE 802.16 MAC層

IEEE 802.16 MAC層規(guī)范和大多數(shù)協(xié)議一樣采用分層結(jié)構(gòu)，共分為3個(gè)子層，包括匯聚子層(CS)、公共部分子層(CPS)和安全子層。CS子層負(fù)責(zé)和高層接口，匯聚上層不同業(yè)務(wù)；CPS子層實(shí)現(xiàn)主要MAC功能，CPS子層可分為數(shù)據(jù)平面和控制平面；安全子層負(fù)責(zé)MAC層認(rèn)證和加密功能。IEEE 802.16協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示^[1]。

(1)匯聚子層

匯聚子層的任務(wù)是將上層業(yè)務(wù)映射成連接。IEEE 802.16 MAC是面向連接的，協(xié)議定義了兩種CS子層：ATM CS和包(Packet)CS。ATM CS子層提供對(duì)ATM的業(yè)務(wù)支持，包CS提供對(duì)IEEE 802.3(Ethernet)、IEEE 802.1Q(VLAN)、IP(IPv4、IPv6)等基于包的業(yè)務(wù)的映射。由于目前通信網(wǎng)絡(luò)中最大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是基于IP的分組業(yè)務(wù)，而且WiMAX組織僅認(rèn)證與IP相關(guān)的IEEE 802.16設(shè)備^[2]，因此本文將主要研究包CS的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。包CS子層的核心內(nèi)容是業(yè)務(wù)分類，其定義了分類器(Classifier)的概念。分類器是一系列映射標(biāo)準(zhǔn)的集合，每個(gè)進(jìn)入IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包根據(jù)分類器定義的規(guī)則映射成為連接。分類器可以通過配置得到或動(dòng)態(tài)建立，SS進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)也可以通過空中接口從基站(BS)側(cè)獲得。MAC層的每個(gè)連接由長(zhǎng)度為16比特的連接標(biāo)識(shí)(CID)唯一標(biāo)識(shí)，這種基于連接的機(jī)制是提供QoS保障的基礎(chǔ)。同時(shí)CS子層對(duì)于特定業(yè)務(wù)還可以進(jìn)行進(jìn)一步處理，譬如對(duì)于IP語音(VoIP)業(yè)務(wù)，CS子層支持凈載荷頭壓縮(PHS)對(duì)IP頭進(jìn)行壓縮，提高了傳輸效率。

CS從某種意義上說實(shí)現(xiàn)的是鏈路層的功能。MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)在該層中并不被加工，最多可選地進(jìn)行凈載荷頭壓縮。

(2)公共部分子層

CPS是Common Part Sublayer的縮寫，是MAC層中的公共部分子層，是MAC層的主體。在CPS中實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.16與組網(wǎng)相關(guān)的絕大部分功能，包括：尋址與連接、幀格式定義、MPDU的構(gòu)造與發(fā)送、自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)機(jī)制、調(diào)度服務(wù)、帶寬分配與請(qǐng)求機(jī)制、物理層支持、競(jìng)爭(zhēng)解決方案、入網(wǎng)與初始化、校準(zhǔn)(測(cè)距)、信道描述符的更新、多播連接的建立、QoS等。IEEE 802.16中與組網(wǎng)相關(guān)的核心概念和操作都在此層定義。

2 IEEE 802.16組網(wǎng)技術(shù)

IEEE 802.16d標(biāo)準(zhǔn)的MAC層提供了兩種與組網(wǎng)相關(guān)的工作模式。一種是PMP，即通信系統(tǒng)中常見的點(diǎn)到多點(diǎn)模式，或者說基礎(chǔ)模式。整個(gè)小區(qū)由一個(gè)BS角色管理，所有的SS的通信都需要BS的調(diào)度。另一種是Mesh，即新興的網(wǎng)格網(wǎng)。關(guān)于網(wǎng)格組網(wǎng)方式，協(xié)議中并沒有給出完整和詳細(xì)的定義，只是在相關(guān)的某些方面加以限制。網(wǎng)格組網(wǎng)方式要比PMP方式復(fù)雜，所帶來的網(wǎng)絡(luò)管理和媒體訪問調(diào)度方面的問題更多，目前依然是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，不夠成熟。

作為IEEE 802.16的主要的組網(wǎng)方式，IEEE 802.16協(xié)議對(duì)TDD模式下的PMP進(jìn)行了多方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括媒體訪問機(jī)制、幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，連接、服務(wù)流等MAC核心概念的設(shè)計(jì)，入網(wǎng)初始化，ARQ與QoS的設(shè)計(jì)，資源分配策略的設(shè)計(jì)等方面。

2.1 媒體訪問機(jī)制

在TDD模式下，頻率資源已經(jīng)不能再加以利用，IEEE 802.16 TDD模式下的PMP工作模式與IEEE 802.11的基本服務(wù)集(BSS)非常類似。WiMAX和WiFi有著完全不同的媒體訪問機(jī)制。IEEE 802.11采用的是基于沖突避免的載波偵聽(CSMA/CA)機(jī)制，所有的終端(STA)基于時(shí)間預(yù)約來實(shí)現(xiàn)突發(fā)業(yè)務(wù)的調(diào)度傳輸，通過時(shí)間預(yù)約和退避機(jī)制實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)刻空中媒體中只有一個(gè)傳輸存在，以此來解決無線網(wǎng)絡(luò)中的隱藏終端和暴露終端問題。為了實(shí)現(xiàn)媒體的共享訪問，通過每次傳輸后的時(shí)間間隔和競(jìng)爭(zhēng)周期，保證每個(gè)終端都能夠獲得訪問媒體的機(jī)會(huì)。IEEE 802.11雖然也是基于時(shí)分的系統(tǒng)，但是并沒有把時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一分配，其基本運(yùn)作模式和以太網(wǎng)的模式類似。

IEEE 802.16采取的方式就是將時(shí)間資源進(jìn)行單位分割，通過時(shí)間區(qū)分上行和下行。同時(shí)，每個(gè)物理幀的幀長(zhǎng)度固定，由上行和下行兩部分組成，上行和下行的切換點(diǎn)可以自適應(yīng)調(diào)整。在TDD模式下，每個(gè)物理幀的長(zhǎng)度是由n個(gè)物理時(shí)隙組成。下行是廣播的，上行是SS發(fā)向BS的。下行在先，上行在后。通過這樣統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，杜絕了上行方向上的競(jìng)爭(zhēng)，資源的調(diào)度和分配可以在BS上集中控制。同樣，為了實(shí)現(xiàn)媒體的共享訪問，必須讓SS知道“什么時(shí)刻可以發(fā)送數(shù)據(jù)？”。IEEE 802.16通過在每個(gè)幀的下行子幀之前添加用于管理的下行鏈路幀前綴(DLFP)，在該部分中指示了每個(gè)SS的下行數(shù)據(jù)位置和上行發(fā)送時(shí)刻。DLFP相當(dāng)于專用一個(gè)信道，用于傳輸管理信息和指示信息。

IEEE 802.16特別設(shè)計(jì)了DLMAP和ULMAP，DLMAP和ULMAP都可以跨幀，使得信道可以靈活地應(yīng)用于全部上行或下行鏈路。從某種意義上說，這帶有典型的局域網(wǎng)突發(fā)的特點(diǎn)。

對(duì)于寬帶無線接入系統(tǒng)而言，這樣的設(shè)計(jì)可以兼顧靈活性和公平性，每個(gè)SS都有機(jī)會(huì)傳輸，避免了因競(jìng)爭(zhēng)造成的長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)不到信道的問題；其次，這樣的設(shè)計(jì)可以避免碰撞的發(fā)生，每個(gè)SS都只在屬于自己的發(fā)送時(shí)段內(nèi)才發(fā)送數(shù)據(jù)，可以保證“任何時(shí)刻，媒體上只有一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸”；再次，這樣的設(shè)計(jì)便于進(jìn)行QoS、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)等方面的控制，在帶寬分配方面也有先天的優(yōu)勢(shì)。

2.2 IEEE 802.16的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了靈活應(yīng)用時(shí)間資源，IEEE 802.16對(duì)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)。如圖2所示。

在每一幀的頭部，一個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度的FCH以固定的調(diào)制編碼方式，向所有的SS廣播緊跟在其后的第一個(gè)下行突發(fā)中包括DLMAP、ULMAP、DCD、UCD的信息。DCD和UCD的作用就是告訴SS，當(dāng)前上下行信道的特性參數(shù)，更重要的是DLMAP和ULMAP用于告訴SS其后的下行中的數(shù)據(jù)都是哪個(gè)SS的，其調(diào)制編碼方式是怎樣的，本幀的上行時(shí)間是怎么分配的，用什么樣的調(diào)制編碼方式發(fā)送。上行以物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)為單位來劃分，保證每個(gè)SS的數(shù)據(jù)不會(huì)交錯(cuò)。通過該映射關(guān)系，讓SS在監(jiān)聽到每一幀的廣播信息之后，就知道該在什么時(shí)刻接收數(shù)據(jù)，以什么樣的速率和調(diào)制編碼方式處理接收到的數(shù)據(jù)；同樣SS也知道該在什么時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，以什么樣的參數(shù)發(fā)送。而在該SS不接收或不發(fā)送的時(shí)間段內(nèi)，SS就可以進(jìn)行功率節(jié)省。

BS給SS分配時(shí)間或帶寬的前提是SS已經(jīng)成功注冊(cè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，而SS在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)之前，網(wǎng)絡(luò)是不會(huì)給SS分配時(shí)隙的，這仿佛是一個(gè)自相矛盾的閉環(huán)。為了提供一個(gè)SS進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的入口，在上行子幀周期的起始時(shí)刻，IEEE 802.16提供了兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期：初始校準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)周期和帶寬請(qǐng)求競(jìng)爭(zhēng)周期。在這兩個(gè)周期內(nèi)，除了沒有加入網(wǎng)絡(luò)的SS，其他SS不會(huì)在這兩個(gè)周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。SS只要解開ULMAP，就知道競(jìng)爭(zhēng)周期的時(shí)刻，而后就可以在競(jìng)爭(zhēng)周期內(nèi)發(fā)起入網(wǎng)過程。

時(shí)隙的分配帶來的一個(gè)問題就是靈活性的下降，不可能所有的MPDU的大小正好是時(shí)隙的整數(shù)倍。為了提高時(shí)隙的利用率，MAC幀頭中引入了MAC子幀頭。MAC定義了5種子頭，網(wǎng)格子幀頭、分片子幀頭、授權(quán)管理子幀頭、打包子幀頭、快速反饋分配子幀頭。其中最重要的是打包和分片兩個(gè)子幀頭，這兩個(gè)子幀頭與ARQ過程緊密相關(guān)，是提高鏈路可靠性的重要手段。

2.3 MAC的核心概念

IEEE 802.16從設(shè)計(jì)之初就考慮了QoS，所以在協(xié)議中，引入了很多與QoS相關(guān)的概念，這些核心概念以及與這些概念相關(guān)的操作也體現(xiàn)了PMP模式應(yīng)用下的特點(diǎn)。

2.3.1 連接

連接(Connection)是IEEE 802.16的核心概念，是MAC層管理和調(diào)度的基本單位。MSDU在CS內(nèi)，首先進(jìn)行的操作就是進(jìn)行分類，映射到不同的連接上。而后，數(shù)據(jù)的操作和調(diào)度都是以連接為載體和基礎(chǔ)的。連接本身就體現(xiàn)著QoS的思想。BS管理著整個(gè)小區(qū)內(nèi)的所有連接，連接的最大限制是64K個(gè)。針對(duì)不同的SS的連接可以由BS發(fā)起建立，也可以由SS發(fā)起建立。連接的建立是業(yè)務(wù)通信的前提。每個(gè)連接代表著不同的服務(wù)類型、帶寬等參數(shù)。另外，在SS入網(wǎng)初始化時(shí)，BS會(huì)給SS分配管理連接。而管理連接也分為應(yīng)用時(shí)間緊迫的MAC管理幀的基本管理連接和第一管理連接、第二管理連接。每個(gè)管理連接的作用和使用范圍不同。獨(dú)立的管理連接可以保證MAC管理功能的迅速和有效實(shí)施，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，不會(huì)造成因?yàn)闃I(yè)務(wù)量的增加而影響無線網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理。

不同優(yōu)先級(jí)或QoS要求的業(yè)務(wù)的MSDU在進(jìn)入CS的分類器后，被分配到不同的連接上，等待BS的調(diào)度發(fā)送。

業(yè)務(wù)連接在網(wǎng)絡(luò)中都是單向的，所以其上承載的業(yè)務(wù)也是單向的。而管理連接是雙向的，MAC管理業(yè)務(wù)在相同的連接內(nèi)傳送。

連接除了區(qū)分不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)之外，實(shí)際上還是IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)中尋址的重要信息。每個(gè)BS或SS實(shí)際上都有一個(gè)48位的MAC地址，但是該地址僅僅在SS初始校準(zhǔn)的過程中使用一次，且使用的目的是為了建立管理連接。一旦管理連接建立，MAC地址就沒有用了。在IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)中通過統(tǒng)一尋址方式，可以減輕很多MAC層的管理負(fù)擔(dān)，甚至根據(jù)連接標(biāo)識(shí)(CID)可以進(jìn)行有效的凈載荷頭壓縮功能(PHS)，減少VoIP等業(yè)務(wù)的傳輸開銷。

2.3.2 服務(wù)與服務(wù)流

服務(wù)流(Service Flow)是IEEE 802.16的另一個(gè)概念，這個(gè)概念的引入是為了實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的不同的QoS。一個(gè)服務(wù)流以一組QoS參數(shù)集為基本特征。連接上承載的就是服務(wù)流。連接只是MAC內(nèi)部工作使用的概念，與上層業(yè)務(wù)相關(guān)的時(shí)候，就要用到服務(wù)和服務(wù)流。服務(wù)流是和連接相映射的。MAC本身提供了與服務(wù)和服務(wù)流相關(guān)的管理信令，用于創(chuàng)建、更改、添加、刪除服務(wù)。IEEE 802.16一共提供了4類服務(wù)：UGS、rtPs、nrtPs、BE。

UGS用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度固定，數(shù)據(jù)定期產(chǎn)生，如T1/E1、無靜音壓縮的VoIP等；rtPS用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度不固定，數(shù)據(jù)定期產(chǎn)生，如MPEG視頻流；nrtPs用于有最小數(shù)據(jù)率要求的業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度不固定，可以容忍較長(zhǎng)時(shí)延，如FTP；BE用于無最小數(shù)據(jù)率要求的業(yè)務(wù)，可以作為背景業(yè)務(wù)。

IEEE 802.16的許多管理都是基于這4種服務(wù)展開的，如帶寬分配和請(qǐng)求就依據(jù)不同的服務(wù)提供靈活的MAC管理幀。

與連接類似，BS管理著所有的服務(wù)流，不同的服務(wù)流以服務(wù)流標(biāo)識(shí)符(SFID)標(biāo)識(shí)，服務(wù)流的取值范圍是32比特。

服務(wù)流和連接把MAC從邏輯上分成兩層，上層為向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)的服務(wù)流，用于區(qū)分不同業(yè)務(wù)的QoS；下層為MAC管理和調(diào)度的單位——連接。通過服務(wù)流和連接的映射，將需求和實(shí)現(xiàn)聯(lián)系起來。

2.4 入網(wǎng)與初始化

IEEE 802.16的設(shè)備入網(wǎng)和初始化也是非常有特點(diǎn)的。為了提高無線網(wǎng)絡(luò)的容忍度，在入網(wǎng)的控制和網(wǎng)絡(luò)的管理上設(shè)計(jì)了很多有效的方法。

在TDD模式下為了有效利用時(shí)間資源，BS必須對(duì)SS的媒介訪問時(shí)機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度。為了允許SS隨機(jī)加入，BS在上行開始之初提供了一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期，在該周期內(nèi)，所有沒有入網(wǎng)的SS可以發(fā)起入網(wǎng)過程。SS入網(wǎng)過程可以分為以下步驟：

(1)掃描下行信道，獲取DCD、DLMAP、ULMAP，并與BS建立同步。這里的同步是指MAC同步，一旦SS收到DLMAP，就意味著兩個(gè)MAC實(shí)體之間建立了同步關(guān)系，接下來的任務(wù)就是SS的隨機(jī)接入。

(2)獲取上行鏈路參數(shù)就是SS可以正確解出UCD，以獲取發(fā)送參數(shù)。這一步驟完成之后，SS就知道應(yīng)該在什么時(shí)刻發(fā)起上行接入過程，以及用什么樣的參數(shù)進(jìn)行上行接入。

(3)初始校準(zhǔn)(測(cè)距)。初始校準(zhǔn)的表層目的是進(jìn)行時(shí)偏校正和功率調(diào)整，但是其核心目的實(shí)際上是進(jìn)行初始管理連接建立。當(dāng)BS收到一個(gè)初始校準(zhǔn)請(qǐng)求后，就會(huì)給該SS分配初始管理連接和第一管理連接。BS和SS開始建立基于連接的傳輸，而后經(jīng)過多次校準(zhǔn)反復(fù)，以使SS的發(fā)射參數(shù)達(dá)到相關(guān)指標(biāo)。

(4)在完成了初始校準(zhǔn)后，BS和SS相繼進(jìn)行基本能力協(xié)商、認(rèn)證與密鑰交換、注冊(cè)、建立IP連接、向SS傳送配置參數(shù)等過程。

值得注意的是，在SS入網(wǎng)后，還要進(jìn)行周期性的校準(zhǔn)操作，以消除無線環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，使SS工作在預(yù)期的條件下。

從SS的初始化和入網(wǎng)過程可見，PMP模式下BS管理著所有SS的入網(wǎng)和資源分配，這是和TDD模式的特點(diǎn)緊密相關(guān)的。

2.5 資源分配策略

與資源分配策略相關(guān)的處理過程包括ARQ和QoS。IEEE 802.16的資源分配策略是和連接相關(guān)聯(lián)的。而連接的定義體現(xiàn)了不同的QoS參數(shù)，在MSDU進(jìn)入CS后，首先進(jìn)行的操作就是對(duì)MSDU進(jìn)行分類，而分類的原則就是服務(wù)流的QoS參數(shù)。在服務(wù)流上定義了3個(gè)QoS參數(shù)集，分別是ProvisionedQoSParamSet、AdmittedQoSParamSet、ActiveQoSParamSet。這3個(gè)參數(shù)集描述了不同狀態(tài)下服務(wù)流的QoS參數(shù)。同時(shí)，服務(wù)流有3種狀態(tài)，分別是：提供(Provisioned)、許可(Admitted)、激活(Active)。不同狀態(tài)下的服務(wù)流有不同的服務(wù)流類型，也就有不同的QoS參數(shù)。

ARQ是與QoS相關(guān)的功能，雖然在IEEE 802.16中是作為可選項(xiàng)出現(xiàn)的，但是IEEE 802.16的ARQ設(shè)計(jì)得非常巧妙，同樣以連接為基礎(chǔ)進(jìn)行，同時(shí)可以和分片子幀、打包子幀相結(jié)合，提高效率。在ARQ中引入了一個(gè)虛擬概念：ARQ塊，而實(shí)際上對(duì)MPDU并沒有按照ARQ塊的大小進(jìn)行分塊，而是以分片的大小進(jìn)行分片，但是分片的大小是ARQ塊的整數(shù)倍。在分片的子幀頭中記錄著本分片第一個(gè)ARQ塊的編號(hào)，而不是分片的編號(hào)。通過這樣的設(shè)計(jì)，在接收方出現(xiàn)接收錯(cuò)誤的時(shí)刻，就可以根據(jù)ARQ編號(hào)定位到分片，進(jìn)行重傳。這樣的設(shè)計(jì)，不僅減少了ARQ管理幀頭的開銷，更重要的是，充分利用了小區(qū)中的傳輸基礎(chǔ)——連接。這也體現(xiàn)了IEEE802.16協(xié)議的一致性。

3 WiMAX組網(wǎng)實(shí)例

WiMAX基于IEEE 802.16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推薦PMP方式組網(wǎng)。WiMAX論壇給出WiMAX技術(shù)的5種應(yīng)用場(chǎng)景定義為：固定、游牧、便攜、簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)。這些應(yīng)用場(chǎng)景的區(qū)別在于SS的移動(dòng)性特征和與移動(dòng)相關(guān)的切換、無線資源管理、QoS、功率控制等方面。

以應(yīng)用到固定應(yīng)用場(chǎng)景的IEEE 802.16d為例。基于WiMAX的無線城域網(wǎng)(WMAN)接口標(biāo)準(zhǔn)與傳統(tǒng)的基站式小區(qū)網(wǎng)絡(luò)非常類似，這種網(wǎng)絡(luò)使用的就是點(diǎn)到多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。在這種方式下的典型應(yīng)用有3類：

(1)面向居住區(qū)和小型家庭辦公室(SOHO)的高速互聯(lián)網(wǎng)接入。在某些區(qū)域，目前的數(shù)字用戶線(DSL)或有線連接方式已經(jīng)不能滿足顧客對(duì)于性能、靈活性和成本的期望。WiMAX是最佳的替代技術(shù)。

(2)中小型企業(yè)。對(duì)于集團(tuán)應(yīng)用，WiMAX是最佳的方案，可以低成本提供靈活的接入方式。

(3)WiFi熱點(diǎn)回程。隨著WiFi熱點(diǎn)大范圍地布置，高容量、低成本的回程解決方案成為WiFi熱點(diǎn)不斷增長(zhǎng)的一個(gè)障礙。這一問題可以通過WiMAX有效地加以解決。由于具備游牧容量，WiMAX可以有效地填充WiFi熱點(diǎn)之間的空白區(qū)域。

參考通用的無線通信體系結(jié)構(gòu)，WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考架構(gòu)可以分成終端、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)3個(gè)部分，如圖3所示。WiMAX終端包括固定、漫游和移動(dòng)3種類型終端；WiMAX接入網(wǎng)主要為無線基站，支持無線資源管理等功能；WiMAX核心網(wǎng)主要是解決用戶認(rèn)證、漫游等功能及WiMAX網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)之間的接口關(guān)系。這是典型的PMP組網(wǎng)方式。

4 結(jié)束語

IEEE 802.16的媒體訪問機(jī)制與以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)IEEE 802.11不同，為了更好地支持PMP模式的組網(wǎng)，IEEE 802.16專門進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在媒體訪問策略、幀結(jié)構(gòu)、核心概念等方面所做的定義和優(yōu)化可以更好地實(shí)現(xiàn)TDD方式下的PMP傳輸，提高系統(tǒng)的資源利用率和效率。

5 參考文獻(xiàn)

[1] IEEE 802.16-2004 Part16. Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access System [S].2004.

[2] WiMAX Forum. PICS for WirelessMAN-OFDM and WirelessHUMAN(-OFDM)[R].2004.

收稿日期：2006-01-16

作 者 簡(jiǎn) 介

王彬，西安電子科技大學(xué)畢業(yè)，碩士。中興通訊股份有限公司中心研究院西安研究所高級(jí)工程師，主要從事IEEE 802.11和IEEE 802.16相關(guān)技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)。

呂登芳，北京大學(xué)畢業(yè)，中興通訊股份有限公司中心研究院西安研究所高級(jí)工程師，主要從事IEEE 802.11和IEEE 802.16相關(guān)技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)。

馬鳳國(guó)，西安電子科技大學(xué)畢業(yè)，博士。中興通訊股份有限公司中心研究院西安研究所主任工程師，從事無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究。