ＷｉＭＡＸ寬帶無線接入技術及其應用（２）

[編者按] 作為一種新興的寬帶無線接入技術，WiMAX近年來受到了業界的普遍關注。它的主要技術特點是傳輸速率高、覆蓋范圍大、支持移動性、提供QoS保證并采用基于全IP的網絡架構，實現了數據分組化、接入寬帶化和終端移動化三者合一，因而具有廣泛的應用前景。本講座分3期對該技術進行介紹：第1期介紹了WiMAX及IEEE802.16系列協議的基本特點、協議結構和物理層基本特性及關鍵技術；本期講述WiMAX技術的MAC層特性及其QoS機制；第3期將介紹WiMAX技術的網絡架構、組網模式及其應用，并分析其未來發展趨勢。

5 MAC層性能

IEEE802.16 媒體訪問控制(MAC)層的核心是公共部分子層(CPS)，其最大特點是面向連接。該子層實現的操作包括系統接入控制、調度服務、帶寬的請求與分配、連接的建立與維護、網絡接入與初始化、初始測距與周期性測距等。為了支持移動性，802.16e在MAC層還引入了一些新的特性，例如切換支持、可節電的休眠模式和空閑模式等[1]。

5.1 網絡拓撲

WiMAX定義了點對多點(PMP)和可選的網狀網(Mesh)兩種拓撲結構，分別如圖5和圖6所示[2]。兩者的主要區別在于PMP模式下通信只能在用戶站(SS)和基站(BS)之間進行，Mesh模式下通信可以直接在SS之間進行。目前IEEE802.16 MAC層規范主要針對PMP方式定義，WiMAX系統部署實施中也大多采用該方式。

5.2 媒體訪問機制

與IEEE802.11的載波監聽/沖突避免(CSMA/CA)策略不同，IEEE802.16采取的方式是在物理層將時間資源進行分片，通過時間區分上行和下行。每個物理幀的幀長度固定，由上行和下行兩部分組成，上行和下行的切換點可以通過MAC層的控制自適應調整。在TDD模式下，每一幀由n 個時隙組成。下行是廣播的，上行是SS發向BS的。下行在先，上行在后。以正交頻分復用(OFDM)物理層的幀結構為例，每個下行子幀以用于物理層同步的前導開始，其后是幀控制頭(FCH)。FCH之后的第一個下行突發中包含下行鏈路映射(DL-MAP)、上行鏈路映射(UL-MAP)以及下行鏈路信道描述符(DCD)和上行鏈路信道描述符(UCD)等MAC層管理消息，用于說明其后的下行數據都屬于哪個SS，調制編碼方式如何；本幀的上行時間怎么分配，采用何種調制編碼方式。通過這樣的設計，不但杜絕了上行方向的競爭，還可以在BS上對所有系統資源的調度和分配進行集中控制。

對于寬帶無線接入系統而言，這種媒體訪問機制兼顧了靈活性和公平性，每個SS都有機會發送數據，避免了長期競爭不到信道的現象出現；其次，每個SS都只在屬于自己的發送時段內才發送數據，可以保證任何時刻，媒體上只有一個數據流傳輸；再次，這種機制便于進行QoS、業務優先級以及帶寬等方面的控制[3]。

5.3 QoS保證機制

WiMAX是第一個提出在MAC層提供QoS保證的無線接入標準。眾所周知，無線信道上多徑、衰落等因素的影響會導致較高的誤碼率和丟包率，數據傳輸的可靠性和有效性難以得到保障。為滿足高速多媒體業務對時延、帶寬、丟失率等指標的更高要求，WiMAX的MAC層定義了一系列嚴格的QoS控制機制，可以在無線接入網部分為不同業務提供不同質量的服務。同時，這種服務是面向連接的。

WiMAX對QoS的要求包括以下幾個方面[1]：

配置和注冊功能，用于預先配置基于SS的QoS服務流和業務參數；

信令交換功能，用于動態建立支持QoS的服務流和業務參數；

對上行服務流，使用MAC調度和QoS業務參數；

對下行服務流，使用QoS業務參數；

按服務流屬性分類，以便上層實體和外部應用按照統一的方式請求具有某種QoS參數集的服務流。

5.3.1 連接和服務流

連接是WiMAX中一個最基本的概念，它定義的是一組正在傳輸的單向分組數據。特定服務匯聚子層(CS)對來自高層的數據包首先進行的操作就是分類，依據一定的規則將其映射到某個連接上。之后，數據的操作和調度都是以連接為單位來進行的。連接本身就體現著QoS的思想，MAC層針對每個連接可以分別設置不同的QoS參數，包括帶寬、時延和時延抖動等，從而為該連接建立專門的QoS保證機制。不同優先級或QoS要求的數據在進入CS的分類器后，將被分配到不同的連接上。

每個連接通過一個16位的標識符(CID)來唯一標識。BS管理著整個小區內的所有連接，16位CID決定了連接的最大個數是65 536。針對不同SS的連接可以由BS發起建立，也可以由SS發起建立。當需要改變或刪除一個用戶的業務時，連接可以被BS或SS刪除。在SS入網初始化時，BS與SS之間可能建立兩對或三對管理連接，分別是基本管理連接、主管理連接和次管理連接。三對連接分別用于傳送具有不同QoS級別的管理業務。其中，基本管理連接傳送短的有實時性要求的控制消息；主管理連接傳送長的能容忍一定時延的控制消息；次管理連接傳送對時延不敏感的控制消息。

連接除了區分不同優先級的業務之外，還是IEEE802.16網絡中尋址的重要信息。每個BS或SS都有一個48位的MAC地址，但是僅用于在SS初始測距的過程中建立管理連接，以及在認證過程中進行基站和終端間的互認證。之后，數據的傳輸都是通過MAC報頭中的CID來標識。這種統一的尋址方式可以減輕很多MAC層的管理負擔，甚至還能利用CID進行有效的凈載荷頭壓縮，以減少VoIP等業務的傳輸開銷[3]。

服務流是MAC層提供的一種單向分組傳輸服務，可以是上行的，也可以是下行的。一個服務流以一組QoS參數集為基本特征，例如時延、時延抖動、吞吐量等。與連接一樣，BS負責管理所有服務流。IEEE 802.16中的服務流分為3類：預置服務流、已接納服務流和激活的服務流。

所有的服務流都包括一個32位的服務流標識符(SFID)。被接納或激活的服務流還有一個16位的CID，此時該服務流將與由CID唯一標識的連接建立映射關系。WiMAX提供QoS的基本原則就是將經過MAC接口傳遞的分組數據與具有某一特定CID的服務流相關聯。連接上承載的是服務流，SS和BS就是根據服務流所定義的QoS參數集來提供相應的QoS。

由此可以看出，服務流和連接是兩個緊密相聯的概念。服務流代表了MAC層面向上層業務數據所提供的服務類型，用于區分不同業務的QoS要求；連接則是MAC層內部工作時對數據進行管理和調度的單位，從而實現某種特定的QoS要求。通過服務流和連接的映射，需求和實現被聯系在一起。

5.3.2 調度服務

所謂的發送調度是指選擇數據在特定的幀/分配的帶寬中發送。它在下行由BS實現，在上行由SS實現，調度時考慮的因素包括服務流指定的調度服務類型、服務流的QoS參數值、可以發送的數據、授權帶寬大小等等。其中調度服務代表MAC調度器所支持的數據處理機制。每種調度服務都取決于一組QoS參數，這些參數決定了數據傳輸在各個方面的質量。每條連接與一種特定的調度服務相關聯，使得數據包在調度之前就具有了相應的QoS要求。

針對上行的服務流，IEEE802.16d定義了4種類型的調度服務，分別為主動授權服務(UGS)、實時輪詢服務(rtPS)、非實時輪詢服務(nrtPS)和盡力而為服務(BE)。

(1) 主動授權服務

UGS用于支持傳輸周期性定長數據分組的實時服務流，例如T1/E1和無靜默壓縮的VoIP業務。在這種服務中，BS周期性地為SS授予固定大小的帶寬，該帶寬應足夠容納與服務流關聯的固定長度數據。這種主動授予方式避免了SS發送請求所產生的開銷和時延，并且能確保滿足服務流的實時性要求。UGS必選的QoS參數包括最大持續業務速率、最大時延、可容忍時延抖動、上行授權調度類型以及請求/傳輸策略。

(2) 實時輪詢服務

rtPS用于支持傳輸周期性變長數據分組的實時服務流，例如MPEG視頻流。該服務可以提供實時的周期性單播請求機會來滿足服務流的實時要求，同時允許用戶指定所需帶寬的大小。與UGS相比，rtPS需要更大的請求開銷，但是支持可變授權帶寬，從而優化數據傳輸效率。

rtPS必選的QoS參數包括最小預留業務速率、最大持續業務速率、最大時延、上行授權調度類型以及請求/傳輸策略。

(3) 非實時輪詢服務

nrtPs用于支持有最小數據速率要求、數據分組長度可變且對時延不敏感的服務流，例如FTP業務。該服務也提供固定時間間隔的單播輪詢，以保證即使在網絡擁塞時服務流也可以獲得帶寬請求機會。通常BS會在數秒或更短的時間內輪詢一遍所有的nrtPs連接。nrtPS必選的QoS參數包括最小預留業務速率、最大持續業務速率、業務優先級、上行授權調度類型以及請求/傳輸策略。

(4) 盡力而為服務

BE用于支持無最小數據速率要求的服務流，例如Internet等業務。該類服務僅在空閑時才進行處理。

BE必選的QoS參數包括最大持續業務速率、業務優先級、上行授權調度類型以及請求/傳輸策略。

為了提高帶寬使用效率，802.16e增加定義了擴展的實時輪詢業務(ErtPS)類型，支持諸如帶靜默壓縮的VoIP業務等。與UGS類似，此時BS將主動為SS分配帶寬。不過UGS分配的帶寬為固定長度，而ErtPS分配的帶寬是動態和可變長度的。

5.3.3 帶寬分配與請求機制

除UGS連接的帶寬需求是固定的之外，其他所有服務在連接持續期間都可能會有增加或減少帶寬的要求。因此，不同于傳統移動通信系統的固定信道分配，IEEE 802.16采用了按需分配多址接入(DAMA) 方式。在連接有需求時，系統根據請求動態分配帶寬，以便在滿足QoS要求的前提下盡可能地提高資源的利用率。

按照協議規定，SS可以有多種方式向BS申請帶寬。

(1) 請求

請求指的是SS直接向BS申請分配上行帶寬的機制。請求信息可以通過一個獨立的帶寬請求(BR)消息發送，也可以在數據傳輸過程中捎帶。請求的帶寬可以是增量帶寬或總量帶寬，但是捎帶請求只能是增量BR。

SS在入網、由空閑模式重新接入網絡以及切換之后，使用增量BR之前必須先進行一次總量帶寬請求。同時，帶寬請求/授權協議的自校正特性要求SS周期性地根據服務的QoS特性和鏈路質量發出總量BR。

(2) 授權

雖然SS發出的BR總是基于單個連接，但是BS進行帶寬授權時指向的將是SS的基本CID，而不是各個連接的CID。由于無法判斷哪個請求被授權，因此當授權帶寬比期望值小時，SS將根據從BS收到的最新信息和請求的狀態，決定是進行退避后重發還是丟棄協議數據單元(SDU)。

(3) 輪詢

輪詢指的是BS專門為SS分配一定的帶寬，用于SS發送BR。如果資源充足，這種分配可以針對當前未活動的每個SS單獨進行，即單播輪詢。當前具有活動UGS連接的SS也可以通過設置UGS連接MAC包頭中的PM位來申請加入單播輪詢。如果沒有足夠的帶寬進行單播輪詢，可使用多播或廣播的方式，為一組SS分配一個公共的帶寬資源，用于發送BR。為了減少沖突，只有需要請求帶寬的SS才會作出響應，并根據協議中規定的競爭處理算法決定在哪一個時隙發出初始BR。

(4) 基于競爭的集中式帶寬請求

此種機制用于OFDM物理層。SS可以在數據幀的注冊項(REG)域內發送集中式的競爭請求消息，其實現方式是在由4個子載波組成的競爭信道上等概率選取8個競爭碼中的一個發送。BS檢測到該消息之后，將為該SS分配一定的帶寬用于發送BR。

(5) 基于競爭的CDMA帶寬請求

此種機制用于OFDMA物理層。OFDMA定義了一個測距子信道和3個偽隨機測距碼子集，分別用于帶寬請求、初始測距和周期性測距。SS需要申請帶寬時，可以從用于帶寬請求的測距碼子集中隨機選擇一個CDMA測距碼通過測距子信道發送。BS檢測到該消息之后，將為該SS分配一定的帶寬用于發送BR。

5.3.4 自動重傳請求

自動重傳請求(ARQ)是與QoS相關的功能，在IEEE802.16中作為可選項出現，但是不適用于采用單載波技術的物理層。與物理層的混合自動重傳請求(H-ARQ)機制不同，ARQ是MAC層的一部分。H-ARQ只能基于每個終端來進行控制，ARQ則以連接為基礎。在一個連接建立的過程中，可以指定或協商是否對該連接使用ARQ機制。一個連接不能同時包含ARQ和非ARQ的流量。

系統定義了一個ARQ塊的尺寸。如果采用ARQ機制的連接支持對MAC SDU的分片，那么每個分片的大小應該是ARQ塊的整數倍。在分片的子幀頭中記錄著該分片第一個ARQ塊的編號。接收機通過CRC-32來檢測接收數據中可能存在的錯誤。如果出現錯誤，根據ARQ塊的序列號可以定位到分片，之后ARQ機制將啟動以分片為單位進行的重傳。

ARQ反饋信息可以作為單獨的MAC管理信息在SS的基本管理連接上發送，也可以在當前連接傳輸數據時捎帶。

5.4 測距

測距指的是BS和SS之間為了保持射頻通信鏈路質量進行的一系列處理過程，其中針對下行鏈路和上行鏈路的處理有所不同。

5.4.1 下行鏈路突發配置管理

突發配置是描述下行或上行鏈路傳輸屬性的一個參數集，其中包括調制方式、糾錯編碼類型、前導長度、保護時間等參數。基站根據每個SS接收的信號質量決定所用的突發配置。為了減少上行鏈路傳輸開銷，將由SS檢測載干比(CINR)并與預定門限比較。如果接收的CINR超出了當前所用突發配置允許的范圍，SS會使用基本CID發送測距請求消息RNG-REQ，要求轉換到一個新的突發配置上去。BS響應確認之后，SS將根據新的突發配置繼續監聽接收信號質量。

5.4.2 上行鏈路周期性測距

上行鏈路測距包括兩種處理過程，一種為SS接入網絡時進行的初始測距，將在下節介紹；另一種為初始化之后的周期性測距。SS借助周期性測距能及時根據傳輸環境的變化自適應地調整傳輸參數，以維持與BS的上行鏈路通信。

周期性測距的基本原理如下：

BS為每個SS保持一個T27定時器。定時器每次超時，BS將對SS進行上行帶寬授權，以便SS發送數據或進行測距。BS每次對SS進行單播授權時，定時器被復位。因此，只要SS保持激活狀態，BS就不需要專門為SS分配用于測距的帶寬。

針對每次上行帶寬授權后SS發送的信號，BS對接收信號的質量進行判定。如果信號質量低于BS可接受的門限，BS發送RNG-RSP(Continue)消息，其中可能包含校正信息；如果信號質量高于門限，BS發送RNG-RSP(Success)消息，其中也可能包含校正信息；如果發送多次校正信息之后SS的信號質量仍然無法接受，BS發送RNG-RSP(Abort)消息并終止對相關SS的鏈路管理。

SS對收到的每條RNG-RSP消息進行處理：當消息狀態為Continue時根據校正信息對物理層進行調整；當消息狀態為Abort時仲新初始化MAC層。如果無法進行校正，SS會在下一次數據授權或測距機會中發送RNG-REQ消息，報告異常狀態。

基于OFDMA物理層的上行鏈路測距與上述處理過程有所不同。需要測距的SS從周期性測距碼子集中隨機選擇一個測距碼在測距子信道的一個時隙上發送測距請求。此時，控制測距周期的將是SS而不是BS。SS周期性地發送測距請求，并根據BS的響應進行相應的調整。

5.5 網絡接入與初始化

按照協議規定，SS接入網絡及初始化的過程分以下步驟進行：

(1) 掃描頻率列表，搜索有效的下行信號，建立與BS的物理層同步。

(2) 獲取下行鏈路參數DL-MAP和DCD，實現MAC層的同步。然后等待BS周期性廣播的UCD消息，獲取可用上行鏈路的傳輸參數集，并確定一個合適的上行信道。

(3) 進行初始測距和自動調整。BS在每個上行子幀的開頭提供了一個競爭周期，其中包含初始測距時間。SS通過掃描UL-MAP消息確定初始測距周期之后，以競爭的方式發送RNG-REQ請求。BS通過返回RNG-RSP消息為SS分配基本管理連接和主管理連接CID，同時提供定時偏移校正、頻率偏移校正和功率調整信息。之后，SS通過基本連接繼續與BS進行測距請求/響應的交互，并相應地調整物理層參數，直至RNG-RSP返回Success狀態。另外，如5.3.2節所述，基于OFDMA物理層的初始測距將不是在競爭周期內發送測距請求，而是通過專門的測距子信道進行。

(4) BS和SS相繼進行基本能力協商、認證與密鑰交換、SS向BS注冊、建立IP連接、確立時間和日期、向SS傳送運行參數、建立業務連接等處理。

5.6 切換

當移動用戶站(MS)在運動中離開原BS的覆蓋范圍或者其他BS可以提供質量更好的服務時，需要執行切換(HO)流程。通過BS廣播的網絡拓撲消息，MS可以獲得相鄰小區的DCD/UCD信息。BS還能為MS分配掃描周期以對鄰近的基站進行掃描和測距，評估其物理層信道質量，為可能進行的切換確定尋找潛在的目標BS。實際的切換流程可以由MS發起也可以由BS發起，該切換屬于硬切換。此外，IEEE 802.16e定義了兩種可選的切換模式：宏分集切換(MDHO)和快速BS切換(FBSS)。MDHO允許MS同時與多個BS通信，以獲得分集增益，提高鏈路質量。在FBSS中，MS無需執行常規切換過程，就可以實現在一個BS集合中任意兩個BS間的快速切換。

5.7 休眠模式和空閑模式

在移動環境下，為降低MS功率消耗和減少對BS空中接口資源的使用，IEEE802.16e協議增加了兩種終端管理模式：即休眠模式和空閑模式。

休眠模式是MS在預先協商的指定時間內暫時中止當前BS服務的一種狀態。支持休眠模式的MS狀態分為可用周期和不可用周期?？捎弥芷趦龋琈S在下行鏈路上正常進行接收。不可用周期是MS所有業務連接休眠時間的交集，此時BS不向MS發送數據。MS可以關閉某些物理組件或執行其他無需與當前BS通信的操作，例如掃描相鄰BS。對處于休眠模式的SS，BS可以緩存或丟棄發往該SS的數據包。

空閑模式允許無業務的MS只在離散的間隔內周期性地接收下行廣播消息。此時，MS在穿越多個BS的移動過程中，不需要進行切換和其它常規操作，因此可以比休眠模式更為省電。在該模式中，多個BS構成一個尋呼組，劃分的原則是大多數時候能保持MS在一個尋呼組內移動。如果某個MS處于空閑模式時有新的業務到達，尋呼組內的所有BS都會發送尋呼廣播消息，提示MS退出空閑模式，重新進入網絡并接收數據。另外，BS也可以通過廣播消息輪詢或要求某個空閑模式下的MS更新位置信息。

(待續)

劉丹譜，北京郵電大學教授。博士畢業于北京郵電大學。主要研究方向包括寬帶無線通信技術、MIMO/OFDM、超寬帶無線通信系統物理層與MAC技術。發表論文三十余篇。

郝建軍，北京郵電大學副教授。北京郵電大學在讀博士。主要研究方向包括協同通信、認知無線電技術等。發表論文十余篇。

樂光新，北京郵電大學教授、博士生導師。主要研究方向包括寬帶無線通信與無線IP網等。已發表論文百余篇。