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)

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�；�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.