IEEE 802.16与WiMax组网技术

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摘要：如何提高网络资源利用率和网络传输效率是无线通信领域面临的难题。作为宽带无线接入系统的标准，IEEE802.16在物理层采用正交频分复用技术和灵活的编码调制方式来提高传输速度和性能;在MAC层采用预约与竞争相结合的调度机制，以连接、服务流等与服务质量(QoS)相关的概念为基础，在入网与初始化、帧结构设计上优化设计，提高网络吞吐量，降低网络时延，使网络配置更加灵活。WiMAX基于IEEE802.16技术标准，采用点对多点(PMP)方式实现灵活组网，是宽带无线接入系统的典型应用技术。
IEEE802.16是为制订无线城域网标准而专门成立的工作组，该工作组自1999年成立以来，主要负责固定无线接入的空中接口标准制订。为了推广基于IEEE802.16和欧洲电信标准组织(ETSI)高性能无线城域网(HiperMAN)协议的无线宽带接入设备，并且确保他们之间的兼容性和互操作性，2001年4月，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商共同成立了一个非营利工业贸易联盟——全球微波接入互操作性(WiMAX)组织。
WiMAX技术可以覆盖几十公里，提供近70Mb/s的单载波速率，并且具备支持漫游、移动的潜力，具有广泛的应用前景。目前，IEEE802.16标准及相应的WiMAX测试规范主要还是针对无线空中接口技术，所明确内容也只是涉及开放系统互连(OSI)模型中的物理层、媒体访问控制(MAC)层，并没有明确WiMAX网络的组网技术和方案。
IEEE802.16在标准中提供了对两种组网模式的支持：点对多点(PMP)组网和网格网(Mesh)组网。由于IEEE802.16是针对宽带无线接入和分组交换的城域网提出的标准，在实现组网时必须体现宽带、无线接入、分组交换、城域网应用等方面的特点。IEEE802.16的标准从MAC机制、帧结构、服务等方面进行了特别的设计，以提高系统效率。
1、IEEE802.16的结构
1.1 IEEE802.16的技术特点
IEEE802.16技术是宽带无线接入技术，通过接入核心网向用户提供业务，核心网通常采用基于IP协议的网络。IEEE802.16技术可以应用的频段非常宽，包括10GHz～66 GHz频段、11 GHz以下许可频段和11 GHz以下免许可频段。
IEEE802.16d/e的物理层可选用单载波、正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA)共3种技术。单载波选项主要是为了兼容10～66GHz频段的视距传输(OFDM和OFDMA只用于大于11GHz的频段)。IEEE 802.16d OFDM物理层采用256个子载波，OFDMA物理层采用2 048个子载波，信号带宽从1.25～20 MHz可变。IEEE 802.16e对OFDMA物理层进行了修改，使其可支持128、512、1 024和2 048共4种不同的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比。这种技术称为可扩展的OFDMA(Scalable OFDMA)。采用这种技术，系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。IEEE 802.16技术在不同的无线参数组合下可以获得不同的接入速率。以10 MHz载波带宽为例，若采用OFDM-64QAM调制方式，除去开销，则单载波带宽可以提供约30 Mb/s的有效接入速率。IEEE 802.16标准适用的载波带宽范围从1.75 MHz到20 MHz不等，在20 MHz信道带宽、64QAM调制的情况下，传输速率可达74.81 Mb/s。
IEEE802.16d/e标准支持全IP网络层协议，IEEE802.16d/e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络。同时，IEEE802.16协议也可以通过一个ATM汇聚子层将ATM信元映射到MAC层，这意味着WiMAX支持与3G系统的互通和融合。IEEE 802.16标准在MAC层定义了较为完整的服务质量(QoS)机制，可以根据业务的需要提供实时、非实时的不同速率要求的数据传输服务。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了主动授权业务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrtPS)和尽力传输业务(BE)4种不同的上行带宽调度模式。同时，IEEE 802.16系统采用了根据连接的QoS特性和业务实际需要来动态分配带宽的机制，不同于传统的移动通信系统所采用的分配固定信道的方式，因而具有更大的灵活性，可以在满足QoS要求的前提下尽可能地提高资源的利用率，能够更好地适应TCP/IP协议族所采用的包交换方式。
在多址方式方面，IEEE802.16d/e在上行采用时分多址(TDMA)，下行采用时分复用(TDM)支持多用户传输;另一种多址方式是采用OFDMA，以2048个子载波的情况为例，系统将所有可用的子载波分为32个子信道，每个子信道包含若干子载波。多用户多址采用与跳频类似的方式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时域单位为2或3个符号周期。
在调制技术方面，IEEE802.16d/e支持的最高阶调制方式为64QAM，相对于蜂窝移动通信系统(3GPPHSDPA最高支持16QAM)，IEEE802.16d/e更强调在信道条件较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求，IEEE 802.16d/e选用了块Turbo码、卷积Turbo码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码，同时也考虑使用低复杂度、低延时的低密度稀疏检验矩阵码(LDPC)。
在双工方式方面，IEEE802.16d/e支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种模式，其物理层技术基本相同。相对而言，与3G技术中FDD和TDD两种模式采用的物理层有较大不同。IEEE802.16d/e在5MHz频带上可以实现约15 Mb/s的速率，频谱效率为3 b/s/Hz，与高速数据分组接入(HSDPA)相似。但IEEE 802.16d/e在固定或低速的环境下可以使用更大带宽(20 MHz)，实现高达75 Mb/s的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。
1.2 IEEE802.16物理层
物理层(PHY)由传输汇聚子层(TCL)和物理媒质依赖子层(PMD)组成，通常说的物理层主要是指PMD。物理层定义了两种双工方式：TDD和FDD，这两种方式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数(调制方式、编码方式、发射功率等)可以动态调整，但是需要MAC层协助完成。
物理层支持和信道信息管理部分负责MAC与PHY之间的协调交互。在采用PMP方式的IEEE802.16网络中，基站(BS)生成下行链路分配映射表(DLMAP)和上行链路分配映射表(ULMAP)。DLMAP或ULMAP中的下行区间使用码(DIUC)和上行区间使用码(UIUC)字段指明每个下行或上行突发块(Burst)采用的调制编码方式。MAC层负责将协议数据单元(PDU)串联成突发，递交到物理层进行发送。用户站(SS)，可以通过BS周期性发送的下行信道描述(DCD)、上行信道描述(UCD)管理信令获得DIUC和UIUC所对应的具体调制编码方式。SS通过测距(Ranging)过程进行功率、时延和频偏的调整。
1.3 IEEE802.16MAC层
IEEE802.16MAC层规范和大多数协议一样采用分层结构，共分为3个子层，包括汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层。CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务;CPS子层实现主要MAC功能，CPS子层可分为数据平面和控制平面;安全子层负责MAC层认证和加密功能。IEEE802.16协议结构如图1所示[1]。

(1)汇聚子层
汇聚子层的任务是将上层业务映射成连接。IEEE802.16MAC是面向连接的，协议定义了两种CS子层：ATMCS和包(Packet)CS。ATM CS子层提供对ATM的业务支持，包CS提供对IEEE 802.3(Ethernet)、IEEE 802.1Q(VLAN)、IP(IPv4、IPv6)等基于包的业务的映射。由于目前通信网络中最大的数据业务是基于IP的分组业务，而且WiMAX组织仅认证与IP相关的IEEE 802.16设备[2]，因此本文将主要研究包CS的特点和应用场景。包CS子层的核心内容是业务分类，其定义了分类器(Classifier)的概念。分类器是一系列映射标准的集合，每个进入IEEE 802.16网络的数据包根据分类器定义的规则映射成为连接。分类器可以通过配置得到或动态建立，SS进入网络时也可以通过空中接口从基站(BS)侧获得。MAC层的每个连接由长度为16比特的连接标识(CID)唯一标识，这种基于连接的机制是提供QoS保障的基础。同时CS子层对于特定业务还可以进行进一步处理，譬如对于IP语音(VoIP)业务，CS子层支持净载荷头压缩(PHS)对IP头进行压缩，提高了传输效率。
CS从某种意义上说实现的是链路层的功能。MAC层服务数据单元(MSDU)在该层中并不被加工，最多可选地进行净载荷头压缩。
(2)公共部分子层
CPS是CommonPartSublayer的缩写，是MAC层中的公共部分子层，是MAC层的主体。在CPS中实现了IEEE802.16与组网相关的绝大部分功能，包括：寻址与连接、帧格式定义、MPDU的构造与发送、自动重发请求(ARQ)机制、调度服务、带宽分配与请求机制、物理层支持、竞争解决方案、入网与初始化、校准(测距)、信道描述符的更新、多播连接的建立、QoS等。IEEE 802.16中与组网相关的核心概念和操作都在此层定义。
2、IEEE802.16组网技术
IEEE802.16d标准的MAC层提供了两种与组网相关的工作模式。一种是PMP，即通信系统中常见的点到多点模式，或者说基础模式。整个小区由一个BS角色管理，所有的SS的通信都需要BS的调度。另一种是Mesh，即新兴的网格网。关于网格组网方式，协议中并没有给出完整和详细的定义，只是在相关的某些方面加以限制。网格组网方式要比PMP方式复杂，所带来的网络管理和媒体访问调度方面的问题更多，目前依然是学术界研究的热点，不够成熟。
作为IEEE802.16的主要的组网方式，IEEE802.16协议对TDD模式下的PMP进行了多方面的优化设计，包括媒体访问机制、帧结构的设计，连接、服务流等MAC核心概念的设计，入网初始化，ARQ与QoS的设计，资源分配策略的设计等方面。
2.1 媒体访问机制
在TDD模式下，频率资源已经不能再加以利用，IEEE802.16TDD模式下的PMP工作模式与IEEE802.11的基本服务集(BSS)非常类似。WiMAX和WiFi有着完全不同的媒体访问机制。IEEE 802.11采用的是基于冲突避免的载波侦听(CSMA/CA)机制，所有的终端(STA)基于时间预约来实现突发业务的调度传输，通过时间预约和退避机制实现在任意时刻空中媒体中只有一个传输存在，以此来解决无线网络中的隐藏终端和暴露终端问题。为了实现媒体的共享访问，通过每次传输后的时间间隔和竞争周期，保证每个终端都能够获得访问媒体的机会。IEEE 802.11虽然也是基于时分的系统，但是并没有把时间进行统一分配，其基本运作模式和以太网的模式类似。
IEEE802.16采取的方式就是将时间资源进行单位分割，通过时间区分上行和下行。同时，每个物理帧的帧长度固定，由上行和下行两部分组成，上行和下行的切换点可以自适应调整。在TDD模式下，每个物理帧的长度是由n个物理时隙组成。下行是广播的，上行是SS发向BS的。下行在先，上行在后。通过这样统一的设计，杜绝了上行方向上的竞争，资源的调度和分配可以在BS上集中控制。同样，为了实现媒体的共享访问，必须让SS知道“什么时刻可以发送数据?”。IEEE802.16通过在每个帧的下行子帧之前添加用于管理的下行链路帧前缀(DLFP)，在该部分中指示了每个SS的下行数据位置和上行发送时刻。DLFP相当于专用一个信道，用于传输管理信息和指示信息。IEEE802.16特别设计了DLMAP和ULMAP，DLMAP和ULMAP都可以跨帧，使得信道可以灵活地应用于全部上行或下行链路。从某种意义上说，这带有典型的局域网突发的特点。
对于宽带无线接入系统而言，这样的设计可以兼顾灵活性和公平性，每个SS都有机会传输，避免了因竞争造成的长期竞争不到信道的问题;其次，这样的设计可以避免碰撞的发生，每个SS都只在属于自己的发送时段内才发送数据，可以保证“任何时刻，媒体上只有一个数据传输”;再次，这样的设计便于进行QoS、业务优先级等方面的控制，在带宽分配方面也有先天的优势。
2.2 IEEE802.16的帧结构设计
为了灵活应用时间资源，IEEE802.16对帧结构进行了特殊的设计。如图2所示。

在每一帧的头部，一个OFDM符号长度的FCH以固定的调制编码方式，向所有的SS广播紧跟在其后的第一个下行突发中包括DLMAP、ULMAP、DCD、UCD的信息。DCD和UCD的作用就是告诉SS，当前上下行信道的特性参数，更重要的是DLMAP和ULMAP用于告诉SS其后的下行中的数据都是哪个SS的，其调制编码方式是怎样的，本帧的上行时间是怎么分配的，用什么样的调制编码方式发送。上行以物理层协议数据单元(PPDU)为单位来划分，保证每个SS的数据不会交错。通过该映射关系，让SS在监听到每一帧的广播信息之后，就知道该在什么时刻接收数据，以什么样的速率和调制编码方式处理接收到的数据;同样SS也知道该在什么时刻发送数据，以什么样的参数发送。而在该SS不接收或不发送的时间段内，SS就可以进行功率节省。
BS给SS分配时间或带宽的前提是SS已经成功注册进入网络，而SS在进入网络之前，网络是不会给SS分配时隙的，这仿佛是一个自相矛盾的闭环。为了提供一个SS进入网络的入口，在上行子帧周期的起始时刻，IEEE802.16提供了两个竞争周期：初始校准竞争周期和带宽请求竞争周期。在这两个周期内，除了没有加入网络的SS，其他SS不会在这两个周期内发送数据。SS只要解开ULMAP，就知道竞争周期的时刻，而后就可以在竞争周期内发起入网过程。
时隙的分配带来的一个问题就是灵活性的下降，不可能所有的MPDU的大小正好是时隙的整数倍。为了提高时隙的利用率，MAC帧头中引入了MAC子帧头。MAC定义了5种子头，网格子帧头、分片子帧头、授权管理子帧头、打包子帧头、快速反馈分配子帧头。其中最重要的是打包和分片两个子帧头，这两个子帧头与ARQ过程紧密相关，是提高链路可靠性的重要手段。
2.3 MAC的核心概念
IEEE802.16从设计之初就考虑了QoS，所以在协议中，引入了很多与QoS相关的概念，这些核心概念以及与这些概念相关的操作也体现了PMP模式应用下的特点。
2.3.1 连接
连接(Connection)是IEEE802.16的核心概念，是MAC层管理和调度的基本单位。MSDU在CS内，首先进行的操作就是进行分类，映射到不同的连接上。而后，数据的操作和调度都是以连接为载体和基础的。连接本身就体现着QoS的思想。BS管理着整个小区内的所有连接，连接的最大限制是64K个。针对不同的SS的连接可以由BS发起建立，也可以由SS发起建立。连接的建立是业务通信的前提。每个连接代表着不同的服务类型、带宽等参数。另外，在SS入网初始化时，BS会给SS分配管理连接。而管理连接也分为应用时间紧迫的MAC管理帧的基本管理连接和第一管理连接、第二管理连接。每个管理连接的作用和使用范围不同。独立的管理连接可以保证MAC管理功能的迅速和有效实施，提高网络的稳定性，不会造成因为业务量的增加而影响无线网络的维护和管理。
不同优先级或QoS要求的业务的MSDU在进入CS的分类器后，被分配到不同的连接上，等待BS的调度发送。
业务连接在网络中都是单向的，所以其上承载的业务也是单向的。而管理连接是双向的，MAC管理业务在相同的连接内传送。
连接除了区分不同优先级的业务之外，实际上还是IEEE802.16网络中寻址的重要信息。每个BS或SS实际上都有一个48位的MAC地址，但是该地址仅仅在SS初始校准的过程中使用一次，且使用的目的是为了建立管理连接。一旦管理连接建立，MAC地址就没有用了。在IEEE802.16网络中通过统一寻址方式，可以减轻很多MAC层的管理负担，甚至根据连接标识(CID)可以进行有效的净载荷头压缩功能(PHS)，减少VoIP等业务的传输开销。
2.3.2 服务与服务流
服务流(ServiceFlow)是IEEE802.16的另一个概念，这个概念的引入是为了实现不同业务的不同的QoS。一个服务流以一组QoS参数集为基本特征。连接上承载的就是服务流。连接只是MAC内部工作使用的概念，与上层业务相关的时候，就要用到服务和服务流。服务流是和连接相映射的。MAC本身提供了与服务和服务流相关的管理信令，用于创建、更改、添加、删除服务。IEEE802.16一共提供了4类服务：UGS、rtPs、nrtPs、BE。
UGS用于实时数据流业务，数据包长度固定，数据定期产生，如T1/E1、无静音压缩的VoIP等;rtPS用于实时数据流，数据包长度不固定，数据定期产生，如MPEG视频流;nrtPs用于有最小数据率要求的业务，数据包长度不固定，可以容忍较长时延，如FTP;BE用于无最小数据率要求的业务，可以作为背景业务。
IEEE802.16的许多管理都是基于这4种服务展开的，如带宽分配和请求就依据不同的服务提供灵活的MAC管理帧。
与连接类似，BS管理着所有的服务流，不同的服务流以服务流标识符(SFID)标识，服务流的取值范围是32比特。
服务流和连接把MAC从逻辑上分成两层，上层为向网络层提供服务的服务流，用于区分不同业务的QoS;下层为MAC管理和调度的单位——连接。通过服务流和连接的映射，将需求和实现联系起来。
2.4 入网与初始化
IEEE802.16的设备入网和初始化也是非常有特点的。为了提高无线网络的容忍度，在入网的控制和网络的管理上设计了很多有效的方法。
在TDD模式下为了有效利用时间资源，BS必须对SS的媒介访问时机进行统一的调度。为了允许SS随机加入，BS在上行开始之初提供了一个竞争周期，在该周期内，所有没有入网的SS可以发起入网过程。SS入网过程可以分为以下步骤：
(1)扫描下行信道，获取DCD、DLMAP、ULMAP，并与BS建立同步。这里的同步是指MAC同步，一旦SS收到DLMAP，就意味着两个MAC实体之间建立了同步关系，接下来的任务就是SS的随机接入。
(2)获取上行链路参数就是SS可以正确解出UCD，以获取发送参数。这一步骤完成之后，SS就知道应该在什么时刻发起上行接入过程，以及用什么样的参数进行上行接入。
(3)初始校准(测距)。初始校准的表层目的是进行时偏校正和功率调整，但是其核心目的实际上是进行初始管理连接建立。当BS收到一个初始校准请求后，就会给该SS分配初始管理连接和第一管理连接。BS和SS开始建立基于连接的传输，而后经过多次校准反复，以使SS的发射参数达到相关指标。
(4)在完成了初始校准后，BS和SS相继进行基本能力协商、认证与密钥交换、注册、建立IP连接、向SS传送配置参数等过程。
值得注意的是，在SS入网后，还要进行周期性的校准操作，以消除无线环境对网络的影响，使SS工作在预期的条件下。
从SS的初始化和入网过程可见，PMP模式下BS管理着所有SS的入网和资源分配，这是和TDD模式的特点紧密相关的。
2.5 资源分配策略
与资源分配策略相关的处理过程包括ARQ和QoS。IEEE802.16的资源分配策略是和连接相关联的。而连接的定义体现了不同的QoS参数，在MSDU进入CS后，首先进行的操作就是对MSDU进行分类，而分类的原则就是服务流的QoS参数。在服务流上定义了3个QoS参数集，分别是ProvisionedQoSParamSet、AdmittedQoSParamSet、ActiveQoSParamSet。这3个参数集描述了不同状态下服务流的QoS参数。同时，服务流有3种状态，分别是：提供(Provisioned)、许可(Admitted)、激活(Active)。不同状态下的服务流有不同的服务流类型，也就有不同的QoS参数。
ARQ是与QoS相关的功能，虽然在IEEE802.16中是作为可选项出现的，但是IEEE802.16的ARQ设计得非常巧妙，同样以连接为基础进行，同时可以和分片子帧、打包子帧相结合，提高效率。在ARQ中引入了一个虚拟概念：ARQ块，而实际上对MPDU并没有按照ARQ块的大小进行分块，而是以分片的大小进行分片，但是分片的大小是ARQ块的整数倍。在分片的子帧头中记录着本分片第一个ARQ块的编号，而不是分片的编号。通过这样的设计，在接收方出现接收错误的时刻，就可以根据ARQ编号定位到分片，进行重传。这样的设计，不仅减少了ARQ管理帧头的开销，更重要的是，充分利用了小区中的传输基础——连接。这也体现了IEEE802.16协议的一致性。
3、WiMAX组网实例
WiMAX基于IEEE802.16技术标准，推荐PMP方式组网。WiMAX论坛给出WiMAX技术的5种应用场景定义为：固定、游牧、便携、简单移动和全移动。这些应用场景的区别在于SS的移动性特征和与移动相关的切换、无线资源管理、QoS、功率控制等方面。
以应用到固定应用场景的IEEE802.16d为例。基于WiMAX的无线城域网(WMAN)接口标准与传统的基站式小区网络非常类似，这种网络使用的就是点到多点的结构。在这种方式下的典型应用有3类：
(1)面向居住区和小型家庭办公室(SOHO)的高速互联网接入。在某些区域，目前的数字用户线(DSL)或有线连接方式已经不能满足顾客对于性能、灵活性和成本的期望。WiMAX是最佳的替代技术。
(2)中小型企业。对于集团应用，WiMAX是最佳的方案，可以低成本提供灵活的接入方式。
(3)WiFi热点回程。随着WiFi热点大范围地布置，高容量、低成本的回程解决方案成为WiFi热点不断增长的一个障碍。这一问题可以通过WiMAX有效地加以解决。由于具备游牧容量，WiMAX可以有效地填充WiFi热点之间的空白区域。
参考通用的无线通信体系结构，WiMAX网络参考架构可以分成终端、接入网和核心网3个部分，如图3所示。WiMAX终端包括固定、漫游和移动3种类型终端;WiMAX接入网主要为无线基站，支持无线资源管理等功能;WiMAX核心网主要是解决用户认证、漫游等功能及WiMAX网络与其他网络之间的接口关系。这是典型的PMP组网方式。

4、结束语
IEEE802.16的媒体访问机制与以太网和无线局域网IEEE802.11不同，为了更好地支持PMP模式的组网，IEEE802.16专门进行了大量的设计和优化，在媒体访问策略、帧结构、核心概念等方面所做的定义和优化可以更好地实现TDD方式下的PMP传输，提高系统的资源利用率和效率。

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