WiMAX协议的体系结构研究

0 　引　言

        WiMAX是IEEE 802. 16 的通俗称呼,它的全称为全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 。为了更好地推动IEEE 802. 16 的市场化进程并对各厂家的产品进行一致性和互操作性认证,2001 年4 月,由Intel 牵头成立了WiMAX 论坛,截至2006 年8 月23 日,论坛共有378 个成员,包括了许多著名的运营商、芯片商、系统制造商,我国的中兴、华为也位列其中,其中中兴为核心会员。 

        由于在OFDM 接入技术、开放网络模式、基于IP的无线宽带技术、电信运营商基础设施、支持不确定的应用等方面独一无二的优势,WiMAX 成为第一个真正面向电信级运营的、具有QoS 保证的、全球标准化的无线宽带接入技术。这是当前其他无线宽带接入技术难以企及的。 

        1999 年IEEE 802 委员会成立了802. 16 工作组,来从事802. 16 标准的制定工作。在2004 年10 月获得批准的802. 16d在以前版本的基础上又进行了整合和提高,统一了固定无线接口的空中接口,并提出了802. 16a 设备的测试标准。其支持移动环境的802.16e 版本也于2006 年2 月获得IEEE 批准,目前已进入商业部署阶段。在2005 年12 月批准的802. 16f中对802. 16d 的MAC 层和物理层的管理信息库(MIB ,Management Information Base) 要求以及相关的管理流程进行了增强。

1 　物理层 

        IEEE802. 16 工作组的主要工作都围绕空中接口展开,空中接口主要由物理层和MAC 层组成。物理层由传输汇聚( TC ,Transmission Convergence) 子层和物理媒介依赖( PMD , Physical Medium Dependence) 子层组成,通常说的物理层主要是指PMD。物理层定义了TDD 和FDD 两种双工方式。MAC 层又分为三个子层:特定服务汇聚子层( CS , service specific Conver gence Sublayer ) 、公共部分子层( CPS , Common Part Sublayer ) 、安全子层( SS , Security Sublayer )  。

      WiMAX协议栈模型如图1 所示。

        802. 16 定义了5 种不同的物理层规范:无线城域网- 单载波(WMAN - SC) 、无线城域网- 增强单载波(WMAN - SCa) 、无线城域网- 正交频分复用(WMAN- OFDM) 、无线城域网- 正交频分(WM AN - OFDMA ) 、WirelessHUMAN ( high - speed unlicensed MAN)  。前四种模式均支持时分双工( TDD) 、频分双工( FDD) 以及半频分复用( Half - FDD) 三种模式。 

        其中半频分复用允许用户站工作在不同频率但不同时收发信息,因此减少了复杂性并降低了成本。Wire2 lessHUMAN 仅支持时分双工,覆盖三种低频率并支持动态频率选择。 

        由于对多载波均衡处理的简明性,基于OFDM 的后三种物理层规范更适合非视距传输,其中256 载波的WMAN - OFDM 相对2048 载波的WMAN - OFDMA 在峰值、快速傅里叶变换( FFT) 计算、频率同步等 方面的优势,更获工业界的青睐。就应用重点而言,SC 物理层重点实现TDM 业务、256 OFDM 物理层重点实现支持NLOS 的固定IP 业务、2048 OFDM 重点实现高速切换移动业务。 

        WiMAX采用了OFDM、子信道化、方向天线、MIMO、自适应调制、自纠错和功率控制等技术来实现在非视距条件下的传输 。 

        由于OFDM 波形是有多个正交子载波组成,OFDM 通过OFDM 码时和循环前缀,能有效抵消符号间干扰和自适应平衡带来的复杂性,也使局部载波上的选择衰落容易得到平衡。从而获得了更高的吞吐量,有效克服了非视距传播带来的挑战。 

        自适应调制允许WiMAX根据无线链路信道和接口情况调整调制方式来平衡传输速率和鲁棒性,提高了信干比。目前WiMAX 可用的调制方式有BPSK,QPSK,16 - QAM ,64 - QAM。 

        纠错技术也被整合到WiMAX 中,利用级联码方案,外码采用RS 码循环码前向纠错、内码采用卷积编码,并采用交织算法来减小突发错误,有利于从频率选择衰落和突发错误中恢复出出错帧,并提高了吞吐量。 

        对于前向纠错技术无法纠正的出错帧,采用自动请求重传出错帧,在同样的环境下,显著降低了误码率。上行链路子信道化作为可选方式允许用户站将传输功率集中在整个OFDM 子载波的一个子集上,可以平衡上行链路的预算、克服建筑物障碍带来的损失和减少用户站( SS ,Subscriber Station) 的功率损耗。在不同的子信道上多用户站可以并行进行传输。 

        智能天线作为可选方式,利用波束形成能使信号的发射和接收都限制在特定的方向上,可以有效抑制多径信号,减少基站(BS ,Basic Station) 和SS 间的延迟和其他方向上的信道干扰,提高了WiMAX 系统的容量和频谱效率。 

        多输入多输出(MIMO ,Multiple - input multiple - output) 作为可选方式利用非视距环境下产生的多径信号,采用时空编码使传送源独立,减少了边沿衰落和信道干扰。
 
        此外WiMAX还利用功率控制来提高系统的整体性能。 

        为了确保在全球的顺利部署,标准规定了几种不同的信道带宽:1. 25MHz ,1. 5MHz ,1. 75MHz ,最大为28MHz。工作的主要频段为450MHz , 700MHz , 1.9GHz ,2. 3GHz ,4. 9GHz ,5. 8GHz。这种带宽与频段的广泛性与其他无线标准有很大的不同。这就要求WiMAX要具有更严格的无线接入控制机制,从而也导致了物理层和MAC 层的复杂性。

2 　MAC层 

        MAC 层又分为三个子层:特定服务汇聚子层、公共部分子层、安全子层。

(1) 特定服务汇聚子层。
 
        CS 子层提供与更高层的接口,按照不同的汇聚方式来适配各种上层协议。将所有从汇聚子层服务接入(SAP ,Service Access Point) 接收到的外部网络数据与MAC 业务流标识( SFID , Service Flow IDentifier) 和连接标识( CID , Connection IDentifier) 关联。并映射成MAC SDU ,然后通过MAC SAP 发送给MAC CPS。CS又可以分为ATM 汇聚子层和包汇聚子层两种,包汇聚子层支持所有的基于分组的协议。

(2) 公共部分子层。
 
        CPS 子层负责执行MAC 的核心功能,包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等。该子层从MAC SAP 接收来自CS 子层的数据,然后根据SFID和CID 分类到不同的MAC 连接上。QoS 将被应用到传输中并由物理层来保证。通常说的MAC 层主要指MAC CPS。

(3) 安全子层。 

        MAC 层包含独立的安全子层,能够提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。

2. 1 　拓扑结构 

        IEEE802. 16 的MAC 层支持点对多点( PMP , Point to Mult - Point) 和多点对多点(mesh) 两种拓扑结构,其中多点对多点模式最初由诺基亚提出 ,通过时分复用支持OFDM 模式物理层,但要使用全向天线。依靠配置PMP 模式定向多点对多点模式也可以被用来提供点对点连接。

(1) 点对多点模式。
 
        在一个频点及扇区内,下行方向只有基站发送,因此没有必要与其它基站同步,除了TDD 系统。终端必须在下行链路上监听,并检查接收到PDU 的连接标识符(CID ,Connection IDentifier) ,只接收发送给本终端的PDU。 

        在上行方向,所有的SS 在请求带宽的基础上来共享与基站之间的链路。根据其服务类型, SS 可能被BS 授权持续进行发送,或者在BS 收到其带宽请求并允许后才能发送。消息发送的机制可以是单播、组播或广播。

(2) 多点对多点模式。 

        IEEE 802. 16 在帧长度固定的情况下,提供了一个灵活的字段类型帧结构,每发送一个下行链路子帧,都要首先广播一个同步前导码和一个包含控制信息的帧控制头部( FCH ,Frame Control Header) ,在上行链路情况下,在每个上行子帧前,都提供了一个用于发起加入和带宽请求的争用时隙,这就为新用户加入网络和SS 发起带宽请求提供了一个快速响应机制。 

        IEEE802. 16 标准定义了一个MAC 管理消息集,并根据在帧中的传输位置对帧定义了子划分,在FCH 后传输DL - MAP、UL - MAP、下行编码标识符、上行编码标识符等消息。

2. 2 　QoS 机制 

        WiMAX系统的QoS 机制包含两部分的内容: 一部分是关于业务流的管理,它提供了一种实现上、下行QoS 管理的机制,它是MAC 层的核心功能,包括QoS参数集、业务流定义、分类符和动态业务管理等,在协议标准中进行了详细规定;另一部分是相应的QoS 保证机制,包括调度算法、缓冲池管理和流量控制等,在协议中对这些算法并没有进行定义和阐述。

(1) 业务流管理。 

        通过将MAC 层传输过来的数据包与一个CID 标识的业务流关联,在CID 中包含数据包的业务类型和相应参数,使每个数据包在进行调度前具有相应的QoS 要求。 

        WiMAX根据业务的不同将上行业务分为四种: 主动授权业务(UGS ,Unsolicited Grant Service) 、实时轮询业务( rt PS ,Real -time Polling Service) 、非实时轮询业务(nrt PS ,Non - real - time Polling Service) 、尽力而为(BE ,Best Effort) 业务,对下行业务没有区分,为不同的业务进行区分服务。这对于多媒体和Vo IP 业务尤其重要。 

        主动授权业务用于传输固定速率实时数据业务,如没有静默压缩的Vo IP。基站周期地以强制方式进行调度,不接受来自用户站的请求,同时禁止使用捎带请求。 

        实时轮询业务用于支持可变速率实时业务, 如MPEG视频业务,是为满足动态变化的业务需求而设计。 

        非实时轮询业务支持非周期变长分组的非实时数据流。如有保证最小速率要求的因特网接入。非实时轮询业务提供比实时查询业务更长的周期或不定期的单播请求机会。可以使用竞争请求(多播或广播) 机会,甚至被主动授权。非实时轮询业务可以被设置成不同优先级。尽力而为业务支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务,如电子邮件、短信等。 

        不提供吞吐量和时延保证。尽力而为业务允许使用任何类型的请求机会和捎带请求。

(2) 相应QoS 保障机制。 

        WiMAX同时采用区分服务和集成服务,对不同的业务进行区分、通过设置优先级并采用不同的排队和调度机制,同时对业务进行接入控制和资源预留,从而可以很好地满足不同业务的QoS 要求。

2. 3 　安全机制 

        由于无线网络使用无线介质进行数据传输,任何具有接收能力的设备都可以随时进行网络窃听,采取有效的安全机制就显得更为重要,WiMAX 在MAC 层的安全子层采用个人知识管理( PKM ,Personal Knowledge Management) 协议,包括保密密钥管理授权子协议和PKM 子协议两部分[7 ] ,分别解决对网络的非法访问和窃听两大安全威胁。 

        WiMAX 安全机制采用C/ S 模式架构,完成基站对用户站的身份鉴别和实现基站和用户站之间的安全通信。

        但由于WiMAX的安全子层设在MAC 层,故其安全协议仅能对MAC 层进行保护,而对物理层所面对的一些威胁和攻击,如"洪水"攻击、拒绝服务(DoS) 攻击等将无能为力,所以依然存在着较大的安全漏洞。

3 　管理信息库 

        在802. 16f 中基于简单网络管理( SNMP , Simple Network Management Protocol) [8 ] 协议增强了MAC 层和物理层的管理信息库(MIB) 要求以及相关的管理流程。其中对SS 而言不强制要求支持SNMP 协议, WiMAX管理参考模型如图2 所示。

      802. 16f 为BS 和SS 定义了两个ANS. 1 MIB 组件:wmanIfMib 和wmanDevMib。其中wmanIfMib 定义了802. 16 宽带无线接口的相关管理对象,而wman-DevMib 则定义了802. 16 接口实现设备的相关管理对象。

4 　结束语 

        由于WiMAX具有部署灵活、扩展性强、覆盖范围广、传输速率高等优点,越来越受到业界的关注,但同时也受到一些问题的困扰,如频段选择、市场前景、相对成本过高、其移动版和固定版不兼容等。 

        按照WiMAX 论坛的规划,目前仍处于固定应用模式的部署阶段,但移动版本已经开始商用,802. 16e的韩国版Wibro 已经于2006 年6 月正式投入运营。2007 年1 月初, Inte 推出了符合IEEE 802. 16e 的芯片Intel WiMAX Connection2300 ,将于2007 年年底供货,向802. 16e 商用迈出了重要的一步。虽然WiMAX 目前仍然存在着这样那样的不足,但作为一项新兴的宽带无线接入技术,随着市场的推进相信问题会逐步得到解决。

参考文献:

[1 ] 　IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16 :Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access
Systems[ S] . 2004.
[2 ] 　Part 16 :Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems Amendment1 : Management Information Base [ S ] . 2005.
[ 3 ] 　中华人民共和国信息产业部. 移动宽带无线接入系统接口技术要求:基于802. 16 的空中接口(初稿) [ S] . 2005.
[ 4 ] 　Ghosh A ,Wolter D R ,Andrews J G,et al . Broadband wireless access with WiMax 802. 16 current performance benchmarks and future potential [ J ] . IEEE Communications Magazine , 2005 ,43 (2) :129 - 136.
[5 ] 　Bains R. The Roadmap to Mobile Wimax[J ] . IEEE Commu2 nications Engineer ,2005 ,3 (4) :30 - 34.
[6 ] 　彭木根,李　茗,王文博. WiMAX 系统中的QoS 机制研究 [J ] . 中兴通信技术,2005 ,11 (2) :30 - 35.
[ 7 ] 　庞辽军,王育民. WiMAX 安全机制研究[ J ] . 中兴通信技术,2005 ,11 (2) :27 - 29.
[ 8 ] 　IETF RFC3413. Simple Network Management Protocol (SNMP) Applications[ S] . 2002.