WiMAX媒体接入控制协议研究与系统设计

摘要　文章首先对IEEE 802.16 MAC协议控制平面关键技术进行分析，然后介绍灵活可移植的WiMAX |0">WiMAX MAC软件系统FPWiMAC的设计，最后给出了FPWiMAC的测试情况。测试结果表明，FPWiMAC功能齐全，性能优良，并且符合IEEE 802.16标准组和WiMAX论坛制定的一系列标准和规范。

1、引言

随着通信技术的发展和新业务的出现，通信领域呈现出宽带移动化和移动宽带化的趋势，宽带性和移动性成为下一代通信网络的两个重要特征。在这样的背景下，IEEE 802.16标准组和WiMAX论坛共同推出了宽带无线城域网（BWMAN，Broadband Wireless Metropolitan Area Networks）。

IEEE 802.16d和802.16e是BWMAN无线接入部分（BWA，Broadband Wireless Access System）的空中接口协议，定义了固定和移动BWA系统的媒体接入控制层（MAC，Media Access Control）和物理层（PHY，Physical Layer）规范。本文对IEEE 802.16d/e协议的MAC层技术进行分析研究。

2、802.16 MAC协议研究

IEEE 802.16无线接入网络包括802.16d基站（BS，Base Station）、802.16d用户站（SS，Subscriber Station）、802.16e基站和802.16e移动台（MS，Mobile Station）4个网络实体。下文中，802.16d和802.16e基站被统称为基站，用户站和移动台被统称为终端。

由于篇幅限制，本文只涉及PHY层采用正交频分多址接入（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）模式和MAC层采用点对多点（PMP，Point-to-Multipoint）模式的规范，对MAC层控制平面中的入网控制、连接管理和带宽分配等关键技术进行分析。

2.1　入网控制

终端竞争接入成功后，进入入网过程，以注册到网络，使用网络服务。入网过程包括初始测距、基本能力协商、密钥交换和注册4个步骤。

（1）初始测距

基站收到测距请求CDMA（Code Division Multiple Access）码后，向终端广播测距应答（RNG-RSP，Ranging Response）消息和包含CDMA Allocation IE（用于描述分配给终端的专用于发送测距请求的上行控制信道）的UL-MAP消息。终端根据RNG-RSP中的指示调整频率偏移、时间偏移和功率偏移，在上行控制信道上发送测距请求消息（RNG-REQ，Ranging Request）。基站收到RNG-REQ消息后为终端分配两个专用控制信道（用于后续信令的发送），将信道分配信息通过RNG-RSP单播告知终端。

（2）基本能力协商

终端收到单播给自己的RNG-RSP，从中获知可以使用的专用控制信道后，将支持的基本能力参数包含在基本能力请求消息（SBC-REQ，SS Basic Capability Request）中发送给基站。基站收到SBC-REQ后，进行能力参数对比，将双方都支持的能力参数包含在基本能力应答消息（SBC-RSP，SS Basic Capability Response）中单播告知终端。终端解析SBC-RSP，从而确定在以后的通信过程中应该使用的能力参数。

（3）密钥交换

完成基本能力协商过程后，终端将安全参数包含在密钥管理请求消息（PKM-REQ，PKM Request）中发送给基站。基站收到PKM-REQ后，对终端进行认证，并确定在以后通信过程中使用的密钥等安全参数。协商完毕的安全参数被包含在密钥管理应答消息（PKM-RSP，PKM Response）中单播告知终端。只有通过认证的终端才被授权进行注册过程。

（4）注册

通过认证并完成密钥交换后，终端将支持的高级能力参数包含在注册请求消息（REG-REQ，Registration Request）中发送给基站。基站收到REG-REQ后，对比能力参数，将双方都支持的高级能力参数包含在注册应答消息（REG-RSP，Registration Response）中单播告知终端。若该终端为可管理终端，基站为其分配一个专用控制信道，用于传输IP地址、时间同步信息和配置文件等上层数据。只有注册成功的终端才能使用网络服务。

2.2　连接管理

802.16接入网是面向连接的，终端和基站之间使用连接来传输各种控制信令和用户数据。传输控制信令的连接被称为信令连接，传输用户数据的连接被称为数据连接。每个连接由一个16位的连接标识符CID（Connection Identifier）进行标识。

信令连接在MAC层又被称为管理连接。管理连接可以分为三类：基本管理连接、主管理连接和次管理连接。数据连接在MAC层又被称为传输连接。传输连接对应的连接标识符被称为传输CID（Transport CID）。上层业务数据在汇聚子层被映射到传输CID上进行传输。

服务流是802.16系统中实现服务质量（QoS，Quality of Service）保证的重要机制。一条提供特定QoS的单向数据包流被定义为一条服务流。每条服务流由一个32位的服务流标识符SFID（Service Flow Identifier）进行标识。

服务流可以分为三类：指派（Prov