IEEE 802.16和WiMax的组网技术

　　(1)汇聚子层

　　汇聚子层的任务是将上层业务映射成连接。IEEE 802.16 MAC是面向连接的，协议定义了两种CS子层：ATM CS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Common Part Sublayer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IEEE 802.16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 IEEE 802.16组网技术

　　IEEE 802.16d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IEEE 802.16的主要的组网方式，IEEE 802.16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，IEEE 802.16 TDD模式下的PMP工作模式与IEEE 802.11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。

　　IEEE 802.16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？"。IEEE 802.16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。IEEE 802.16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 IEEE 802.16的帧结构设计

　　为了灵活应用时间资源，IEEE 802.16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，IEEE 802.16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

　　IEEE 802.16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IEEE 802.16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IEEE 802.16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IEEE 802.16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(Service Flow)是IEEE 802.16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。IEEE 802.16一共提供了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。

　　IEEE 802.16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

　　IEEE 802.16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。IEEE 802.16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IEEE 802.16中是作为可选项出现的，但是IEEE 802.16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。