宽带无线接入标准——IEEE 802.16

1 引言

         在过去的几年里，宽带无线接入（BWA）系统已经引起了人们的广泛关注，它具有投资少、建设快、传输速率高等一系列优点。BWA 系统采用了点对多点的网络结构形式，支持话音、数据以及视频业务。典型的就是LMDS 系统，它是一种固定宽带无线接入系统，IEEE 802委员会于1999年成立了802.16工作组来专门开发宽带无线接入标准。IEEE 802.16负责为宽带无线接入的无线接口及其相关功能制定标准，它由三个小工作组组成，每个小工作组分别负责不同的方面：IEEE802.16.1负责制定频率为10～60GHz的无线接口标准; IEEE 802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；IEEE 802.16.3 负责制定频率范围在2～10GHz 间获得频率使用许可的应用的无线接口标准。I E E E802.16标准所关心的是用户的收发机同基站收发机之间的无线接口，包括PHY 和MAC 的规范。 

         本文介绍了802.16 的协议结构以及各层的功能，重点介绍了802.16 MAC层,下面分三个部分进行介绍。

2 IEEE 802.16 的协议结构 

         IEEE 802.16 协议标准是按照两层结构体系组织的,它定义了一个物理层和一个MAC 层。图1 给出了802.16的协议堆栈结构。

       最底层是物理层，该标准定义的物理层是1 0 ～ 66GHz，这一频谱被默认为本地多点分布服务(LMDS) 的频谱，该层的协议主要是关于频率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输率和时分复用结构等方面的。同时，工作组已修改基本IEEE 802.16 标准来适应低频。修改的IEEE 802.16a用于2～11GHz 的公开波段，目前已经正式公布；修订的802.16b 是要满足5～6GHz（有时它称为U-NII 波段）免授权应用的需要。 

         在物理层之上是介质访问控制MAC 层，在该层上IEEE 802.16规定的主要是为用户提供服务所需的各种功能。 它主要负责将数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制。

3 物理层 

         IEEE 802.16 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。FDD 既支持全双工的SS，也支持半双工的SS，但是支持半双工FDD SS 会增加系统调度的复杂性。 

         物理层的上行链路采用TDMA 和DAMA 混合接入方式，上行信道分为许多个微时隙（mini-slot），由MAC 层控制这些微时隙的分配，根据用户的不同需求分配时隙，更好地利用上行信道资源。 

         下行链路一般采用TDM 方式，发送给各个SS 的数据采用时分复用的方式进行传输， 数据按照稳健性降序排列，各个SS 根据MAC 报头中的目的地地址接收发送给自己的数据。而对于发送给半双工FDD方式的SS，下行数据的传输采用TDMA 方式，每个TDMA 数据部分前面都有前缀，主要是为了防止SS 失去同步。 

         物理层的数据分帧进行传输，802.16 标准中规定帧长可以为0.5ms、1ms 或2ms。其上行（下行）数据的传输流程图如图2 所示。

4 MAC 层 

         IEEE 802.16 MAC 吸收了DOCSIS 标准，这一标准已被成功的配置在混合光纤同轴电缆系统里， 这一系统有一个相似的点对多点结构。然而，802.16 的MAC协议工程是一个新的设计。 它是一个能通过空中接口穿透任何协议并带有完整服务支持的连接导向的MAC。

4.1 MAC 层的三个子层 

         如图1 所示，IEEE 802.16 的MAC 层包括3个子层:

会聚子层（CS）：该层根据提供服务的不同，提供不同的功能。对于IEEE 802.16来说，能提供的服务包括数字音频/ 视频广播、数字电话、异步传输模式ATM、因特网接入、电话网络中无线中继和帧中继等; 802.16 标准中定义了两种类型的会聚子层：ATM 会聚子层和数据包会聚子层，它的主要作用就是对上层的SDU 进行分类，把它们和适当的MAC 连接对应起来，确保不同业务的QoS； 共用部分子层（CPS）：它提供了MAC 层的核心功能，例如系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。 加密子层（PS）：提供BS 和SS 之间的保密性，它包括两个部分: 一是加密封装协议，负责空中传输的分组数据的加密，二是密钥管理协议（PKM），负责BS到SS 之间密钥的安全发放。

4.2 MAC 层主要功能 

         媒体接入控制是M A C 层的主要功能，M A C 层的中心论题是相互竞争的用户之间如何分配信道资源，IEEE 802.16标准使用的是按需分配多路寻址－时分多址（D A M A - T D M A ）。D A M A 技术是一种根据多个站点之间的容量需要的不同而动态地分配信道容量的技术。TDMA 是一种时分技术，它将一个信道分成一系列的帧，每个帧都包含很多的小时间单位，称为时隙。时分多路技术可以根据每个站点的需要为其在每个帧中分配一定数量的时隙来组成每个站点的逻辑信道。通过DAMA-TDMA 技术， 每个信道的时隙分配可以动态地改变。BS 控制每个时隙的使用情况，一些时隙分配给特定的SS 传输数据，还有一些竞争时隙用于所有的SS申请带宽，其它的时隙用于新的SS 接入网络。 

         M A C 层除了要实现媒体接入控制这个主要功能，还具有加密功能，MAC 层要进行数据加密，SS 进入系统时要进行SS 的鉴权及密钥的交换。另外还可以在初始化时建立安全连接， 这些措施都是为了确保数据传输的保密性。 

         M A C 层还包含一个会聚子层，它可以把I P 、Ethernet 和ATM 业务映射到MAC 层，根据提供服务的不同提供不同的功能。

4.3 MAC 层连接 

         802.16 具有一个灵活的MAC 层，而且它是连接导向（connection-oriented）的，所有业务包括一些无连接业务也要映射到一个连接上进行传输。 每个连接具有一个16bit 的连接标识符（CID），SS在进入网络以后，每个方向上都会分配三个管理连接，它们分别是： 

 基本连接：用来传输较短的对时间要求严格的M A C 控制消息和R L C 消息等；   主要管理连接: 用来传输鉴权和连接建立等消息;   辅助管理连接：用来传输DHCP 或SNMP 管理消息等。

       除了这些管理连接以外，BS 还会为SS分配传输连接，用于数据的传输,传输连接通常是成对进行分配的。MAC 层还要保留一些连接用于其它目的，用于系统的初始接入，下行链路广播消息的发送，或是用于下行链路多播消息的发送等。

4.4 MAC 层管理消息 

         在802.16 标准中定义了一系列MAC 管理消息，这些消息是携带在MAC PDU 的有效载荷部分中。BS 对SS的一些控制功能就是通过发送这些管理消息实现的，目前在802.16 标准中已经定义了33 个MAC 管理消息，下面介绍几个比较重要的管理消息： 

 UL-MAP 消息：它是一个长度可变的MAC 管理消息，定义了上行链路的发送机会，它包括一个固定长度的消息头和一些信息实体（IE），其中每个IE定义了一定时间范围内微时隙的使用情况。UL-MAP 消息大小的选择对系统的性能有很大影响，UL-MAP 尺寸过大会带来较大的接入时延， 但它的尺寸最小应该大于BS 和SS 之间的往返时延，往返时延包括以下所有时延之和：下行编码、下行交织、下行传输时延、SS 解码、SS 处理UL-MAP 消息时延、上行编码时延、上行传输时延、BS 解码时延。因此可以根据系统的上述参数确定UL-MAP 消息的大小，在IEEE 802.16 标准中并没有明确规定U L - M A P 消息的大小；  UCD 消息：BS 周期性发送的一个消息，定义了上行物理信道的特性。其中包括下列参数: 配置改变计数器、微时隙大小、上行信道ID、请求退避开始、请求退避结束、上行突发序列属性等；  DL-MAP 消息：定义了下行链路的信息，包含一些消息实体；  DCD 消息：BS 周期性发送的一个消息，定义了下行物理信道的特性；  DSC-REQ 消息：当BS 或SS 需要改变现有业务流的物理参数时发送此消息，接收方收到此消息后，会发送DSC-RSP 消息做出应答；  DSA-REQ 消息：BS 或SS 可以发送此消息来建立一个新的业务流；   DSD-REQ 消息：BS 或SS 可以发送此消息来删除一个现有的业务流。

4.5 带宽请求和分配 

         带宽请求和分配是MAC 层的一个重要功能，在固定宽带无线接入系统中，各SS 采用TDMA 方式共享上行信道，SS首先提出带宽请求，向BS上报业务量信息，BS 根据整个系统的业务量来分配空中带宽资源。IEEE 802.16中并没有明确的具体规定带宽的分配算法， 各个设备供应商可以自行开发。 

         SS 向BS 提出带宽请求有两种方式，一种是单独请求（stand-alone request）, 一种是捎带请求（piggyback request），当BS为SS分配了业务信道时，SS 可在此业务信道中捎带其带宽请求消息。 

         为了支持不同类型的业务，IEEE 802.16结合使用单播、多播、广播三种查询方式来支持不同的QoS，在这个标准中定义了四种类型的业务， 并对每种业务的带宽请求方式做了相关的规定：

主动授权业务(UGS): 用于支持固定速率的实时业务，不能使用任何类型的竞争请求机会，并禁止捎带请求； 实时查询业务（rtPS）:用于支持可变速率实时业务，BS 为其提供周期性的单播查询机会，并禁止使用其它竞争请求机会，但是可以捎带请求； 非实时查询业务（nrtPS）：BS 为其提供经常性的单播查询机会（可以是周期或非周期性的），并允许使用竞争和捎带请求；   尽力而为业务（BE）：允许使用任何类型的请求机会和捎带请求。当SS提出带宽请求以后，BS会有两种分配带宽的方式，应答消息包含在U L - M A P 消息中：   GPC: BS 单独为某个连接分配带宽，适合于每个SS 具有很少用户的情况，但是这样做需要较大的额外比特开销； GPSS：BS 为整个SS 分配带宽，SS 再进行带宽的具体分配， 这就允许一个智能用户站在用户中再分配带宽， 这有利于在商业和居民建筑物中更有效的分配带宽资源。适合于每个SS 具有较多连接的情况。

       IEEE 802.16 标准中要求采用10～66GHz 物理层规范的系统必须使用GPSS 方式。

5 小结 

         IEEE 802.16标准适用于点对多点宽带无线接入系统，是一种"最后一英里"的无线宽带接入解决方案，它将加快世界范围的无线宽带城域网的发展进程。总之，宽带无线接入技术正在迅速发展，IEEE 802.16标准的制定为这种技术的发展制定了一个统一的规范， 有利于不同厂家开发的产品具有兼容性， 从而加快宽带无线接入技术的市场化。