WiMAX宽带无线接入技术及其应用(2)

作为一种新兴的宽带无线接入技术，WiMAX近年来受到了业界的普遍关注。它的主要技术特点是传输速率高、覆盖范围大、支持移动性、提供QoS保证并采用基于全IP的网络架构，实现了数据分组化、接入宽带化和终端移动化三者合一，因而具有广泛的应用前景。本讲座分3期对该技术进行介绍：第1期介绍了WiMAX及IEEE802.16系列协议的基本特点、协议结构和物理层基本特性及关键技术；本期讲述WiMAX技术的MAC层特性及其QoS机制；第3期将介绍WiMAX技术的网络架构、组网模式及其应用，并分析其未来发展趋势。

5 MAC层性能

IEEE802.16 媒体访问控制(MAC)层的核心是公共部分子层(CPS)，其最大特点是面向连接。该子层实现的操作包括系统接入控制、调度服务、带宽的请求与分配、连接的建立与维护、网络接入与初始化、初始测距与周期性测距等。为了支持移动性，802.16e在MAC层还引入了一些新的特性，例如切换支持、可节电的休眠模式和空闲模式等[1]。

5.1 网络拓扑

WiMAX定义了点对多点(PMP)和可选的网状网(Mesh)两种拓扑结构，分别如图5和图6所示[2]。两者的主要区别在于PMP模式下通信只能在用户站(SS)和基站(BS)之间进行，Mesh模式下通信可以直接在SS之间进行。目前IEEE802.16 MAC层规范主要针对PMP方式定义，WiMAX系统部署实施中也大多采用该方式。

5.2 媒体访问机制

与IEEE802.11的载波监听/冲突避免(CSMA/CA)策略不同，IEEE802.16采取的方式是在物理层将时间资源进行分片，通过时间区分上行和下行。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通过MAC层的控制自适应调整。在TDD模式下，每一帧由n 个时隙组成。下行是广播的，上行是SS发向BS的。下行在先，上行在后。以正交频分复用(OFDM)物理层的帧结构为例，每个下行子帧以用于物理层同步的前导开始，其后是帧控制头(FCH)。FCH之后的第一个下行突发中包含下行链路映射(DL-MAP)、上行链路映射(UL-MAP)以及下行链路信道描述符(DCD)和上行链路信道描述符(UCD)等MAC层管理消息，用于说明其后的下行数据都属于哪个SS，调制编码方式如何；本帧的上行时间怎么分配，采用何种调制编码方式。通过这样的设计，不但杜绝了上行方向的竞争，还可以在BS上对所有系统资源的调度和分配进行集中控制。

对于宽带无线接入系统而言，这种媒体访问机制兼顾了灵活性和公平性，每个SS都有机会发送数据，避免了长期竞争不到信道的现象出现；其次，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流传输；再次，这种机制便于进行QoS、业务优先级以及带宽等方面的控制[3]。

5.3 QoS保证机制

WiMAX是第一个提出在MAC层提供QoS保证的无线接入标准。众所周知，无线信道上多径、衰落等因素的影响会导致较高的误码率和丢包率，数据传输的可靠性和有效性难以得到保障。为满足高速多媒体业务对时延、带宽、丢失率等指标的更高要求，WiMAX的MAC层定义了一系列严格的QoS控制机制，可以在无线接入网部分为不同业务提供不同质量的服务。同时，这种服务是面向连接的。

WiMAX对QoS的要求包括以下几个方面[1]：

配置和注册功能，用于预先配置基于SS的QoS服务流和业务参数；

信令交换功能，用于动态建立支持QoS的服务流和业务参数；

对上行服务流，使用MAC调度和QoS业务参数；

对下行服务流，使用QoS业务参数；

按服务流属性分类，以便上层实体和外部应用按照统一的方式请求具有某种QoS参数集的服务流。

5.3.1 连接和服务流

连接是WiMAX中一个最基本的概念，它定义的是一组正在传输的单向分组数据。特定服务汇聚子层(CS)对来自高层的数据包首先进行的操作就是分类，依据一定的规则将其映射到某个连接上。之后，数据的操作和调度都是以连接为单位来进行的。连接本身就体现着QoS的思想，MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括带宽、时延和时延抖动等，从而为该连接建立专门的QoS保证机制。不同优先级或QoS要求的数据在进入CS的分类器后，将被分配到不同的连接上。

每个连接通过一个16位的标识符(CID)来唯一标识。BS管理着整个小区内的所有连接，16位CID决定了连接的最大个数是65 536。针对不同SS的连接可以由BS发起建立，也可以由SS发起建立。当需要改变或删除一个用户的业务时，连接可以被BS或SS删除。在SS入网初始化时，BS与SS之间可能建立两对或三对管理连接，分别是基本管理连接、主管理连接和次管理连接。三对连接分别用于传送具有不同QoS级别的管理业务。其中，基本管理连接传送短的有实时性要求的控制消息；主管理连接传送长的能容忍一定时延的控制消息；次管理连接传送对时延不敏感的控制消息。

连接除了区分不同优先级的业务之外，还是IEEE802.16网络中寻址的重要信息。每个BS或SS都有一个48位的MAC地址，但是仅用于在SS初始测距的过程中建立管理连接，以及在认证过程中进行基站和终端间的互认证。之后，数据的传输都是通过MAC报头中的CID来标识。这种统一的寻址方式可以减轻很多MAC层的管理负担，甚至还能利用CID进行有效的净载荷头压缩，以减少VoIP等业务的传输开销[3]。

服务流是MAC层提供的一种单向分组传输服务，可以是上行的，也可以是下行的。一个服务流以一组QoS参数集为基本特征，例如时延、时延抖动、吞吐量等。与连接一样，BS负责管理所有服务流。IEEE 802.16中的服务流分为3类：预置服务流、已接纳服务流和激活的服务流。

所有的服务流都包括一个32位的服务流标识符(SFID)。被接纳或激活的服务流还有一个16位的CID，此时该服务流将与由CID唯一标识的连接建立映射关系。WiMAX提供QoS的基本原则就是将经过MAC接口传递的分组数据与具有某一特定CID的服务流相关联。连接上承载的是服务流，SS和BS就是根据服务流所定义的QoS参数集来提供相应的QoS。

由此可以看出，服务流和连接是两个紧密相联的概念。服务流代表了MAC层面向上层业务数据所提供的服务类型，用于区分不同业务的QoS要求；连接则是MAC层内部工作时对数据进行管理和调度的单位，从而实现某种特定的QoS要求。通过服务流和连接的映射，需求和实现被联系在一起。

5.3.2 调度服务

所谓的发送调度是指选择数据在特定的帧/分配的带宽中发送。它在下行由BS实现，在上行由SS实现，调度时考虑的因素包括服务流指定的调度服务类型、服务流的QoS参数值、可以发送的数据、授权带宽大小等等。其中调度服务代表MAC调度器所支持的数据处理机制。每种调度服务都取决于一组QoS参数，这些参数决定了数据传输在各个方面的质量。每条连接与一种特定的调度服务相关联，使得数据包在调度之前就具有了相应的QoS要求。

针对上行的服务流，IEEE802.16d定义了4种类型的调度服务，分别为主动授权服务(UGS)、实时轮询服务(rtPS)、非实时轮询服务(nrtPS)和尽力而为服务(BE)。

(1) 主动授权服务

UGS用于支持传输周期性定长数据分组的实时服务流，例如T1/E1和无静默压缩的VoIP业务。在这种服务中，BS周期性地为SS授予固定大小的带宽，该带宽应足够容纳与服务流关联的固定长度数据。这种主动授予方式避免了SS发送请求所产生的开销和时延，并且能确保满足服务流的实时性要求。UGS必选的QoS参数包括最大持续业务速率、最大时延、可容忍时延抖动、上行授权调度类型以及请求/传输策略。

(2) 实时轮询服务

rtPS用于支持传输周期性变长数据分组的实时服务流，例如MPEG视频流。该服务可以提供实时的周期性单播请求机会来满足服务流的实时要求，同时允许用户指定所需带宽的大小。与UGS相比，rtPS需要更大的请求开销，但是支持可变授权带宽，从而优化数据传输效率。

rtPS必选的QoS参数包括最小预留业务速率、最大持续业务速率、最大时延、上行授权调度类型以及请求/传输策略。

(3) 非实时轮询服务

nrtPs用于支持有最小数据速率要求、数据分组长度可变且对时延不敏感的服务流，例如FTP业务。该服务也提供固定时间间隔的单播轮询，以保证即使在网络拥塞时服务流也可以获得带宽请求机会。通常BS会在数秒或更短的时间内轮询一遍所有的nrtPs连接。nrtPS必选的QoS参数包括最小预留业务速率、最大持续业务速率、业务优先级、上行授权调度类型以及请求/传输策略。

(4) 尽力而为服务

BE用于支持无最小数据速率要求的服务流，例如Internet等业务。该类服务仅在空闲时才进行处理。

BE必选的QoS参数包括最大持续业务速率、业务优先级、上行授权调度类型以及请求/传输策略。

为了提高带宽使用效率，802.16e增加定义了扩展的实时轮询业务(ErtPS)类型，支持诸如带静默压缩的VoIP业务等。与UGS类似，此时BS将主动为SS分配带宽。不过UGS分配的带宽为固定长度，而ErtPS分配的带宽是动态和可变长度的。###NextPage###

5.3.3 带宽分配与请求机制

除UGS连接的带宽需求是固定的之外，其他所有服务在连接持续期间都可能会有增加或减少带宽的要求。因此，不同于传统移动通信系统的固定信道分配，IEEE 802.16采用了按需分配多址接入(DAMA) 方式。在连接有需求时，系统根据请求动态分配带宽，以便在满足QoS要求的前提下尽可能地提高资源的利用率。

按照协议规定，SS可以有多种方式向BS申请带宽。

(1) 请求

请求指的是SS直接向BS申请分配上行带宽的机制。请求信息可以通过一个独立的带宽请求(BR)消息发送，也可以在数据传输过程中捎带。请求的带宽可以是增量带宽或总量带宽，但是捎带请求只能是增量BR。

SS在入网、由空闲模式重新接入网络以及切换之后，使用增量BR之前必须先进行一次总量带宽请求。同时，带宽请求/授权协议的自校正特性要求SS周期性地根据服务的QoS特性和链路质量发出总量BR。

(2) 授权

虽然SS发出的BR总是基于单个连接，但是BS进行带宽授权时指向的将是SS的基本CID，而不是各个连接的CID。由于无法判断哪个请求被授权，因此当授权带宽比期望值小时，SS将根据从BS收到的最新信息和请求的状态，决定是进行退避后重发还是丢弃协议数据单元(SDU)。

(3) 轮询

轮询指的是BS专门为SS分配一定的带宽，用于SS发送BR。如果资源充足，这种分配可以针对当前未活动的每个SS单独进行，即单播轮询。当前具有活动UGS连接的SS也可以通过设置UGS连接MAC包头中的PM位来申请加入单播轮询。如果没有足够的带宽进行单播轮询，可使用多播或广播的方式，为一组SS分配一个公共的带宽资源，用于发送BR。为了减少冲突，只有需要请求带宽的SS才会作出响应，并根据协议中规定的竞争处理算法决定在哪一个时隙发出初始BR。

(4) 基于竞争的集中式带宽请求

此种机制用于OFDM物理层。SS可以在数据帧的注册项(REG)域内发送集中式的竞争请求消息，其实现方式是在由4个子载波组成的竞争信道上等概率选取8个竞争码中的一个发送。BS检测到该消息之后，将为该SS分配一定的带宽用于发送BR。

(5) 基于竞争的CDMA带宽请求

此种机制用于OFDMA物理层。OFDMA定义了一个测距子信道和3个伪随机测距码子集，分别用于带宽请求、初始测距和周期性测距。SS需要申请带宽时，可以从用于带宽请求的测距码子集中随机选择一个CDMA测距码通过测距子信道发送。BS检测到该消息之后，将为该SS分配一定的带宽用于发送BR。

5.3.4 自动重传请求

自动重传请求(ARQ)是与QoS相关的功能，在IEEE802.16中作为可选项出现，但是不适用于采用单载波技术的物理层。与物理层的混合自动重传请求(H-ARQ)机制不同，ARQ是MAC层的一部分。H-ARQ只能基于每个终端来进行控制，ARQ则以连接为基础。在一个连接建立的过程中，可以指定或协商是否对该连接使用ARQ机制。一个连接不能同时包含ARQ和非ARQ的流量。

系统定义了一个ARQ块的尺寸。如果采用ARQ机制的连接支持对MAC SDU的分片，那么每个分片的大小应该是ARQ块的整数倍。在分片的子帧头中记录着该分片第一个ARQ块的编号。接收机通过CRC-32来检测接收数据中可能存在的错误。如果出现错误，根据ARQ块的序列号可以定位到分片，之后ARQ机制将启动以分片为单位进行的重传。

ARQ反馈信息可以作为单独的MAC管理信息在SS的基本管理连接上发送，也可以在当前连接传输数据时捎带。

5.4 测距

测距指的是BS和SS之间为了保持射频通信链路质量进行的一系列处理过程，其中针对下行链路和上行链路的处理有所不同。

5.4.1 下行链路突发配置管理

突发配置是描述下行或上行链路传输属性的一个参数集，其中包括调制方式、纠错编码类型、前导长度、保护时间等参数。基站根据每个SS接收的信号质量决定所用的突发配置。为了减少上行链路传输开销，将由SS检测载干比(CINR)并与预定门限比较。如果接收的CINR超出了当前所用突发配置允许的范围，SS会使用基本CID发送测距请求消息RNG-REQ，要求转换到一个新的突发配置上去。BS响应确认之后，SS将根据新的突发配置继续监听接收信号质量。

5.4.2 上行链路周期性测距

上行链路测距包括两种处理过程，一种为SS接入网络时进行的初始测距，将在下节介绍；另一种为初始化之后的周期性测距。SS借助周期性测距能及时根据传输环境的变化自适应地调整传输参数，以维持与BS的上行链路通信。

周期性测距的基本原理如下：

BS为每个SS保持一个T27定时器。定时器每次超时，BS将对SS进行上行带宽授权，以便SS发送数据或进行测距。BS每次对SS进行单播授权时，定时器被复位。因此，只要SS保持激活状态，BS就不需要专门为SS分配用于测距的带宽。

针对每次上行带宽授权后SS发送的信号，BS对接收信号的质量进行判定。如果信号质量低于BS可接受的门限，BS发送RNG-RSP(Continue)消息，其中可能包含校正信息；如果信号质量高于门限，BS发送RNG-RSP(Success)消息，其中也可能包含校正信息；如果发送多次校正信息之后SS的信号质量仍然无法接受，BS发送RNG-RSP(Abort)消息并终止对相关SS的链路管理。

SS对收到的每条RNG-RSP消息进行处理：当消息状态为Continue时根据校正信息对物理层进行调整；当消息状态为Abort时仲新初始化MAC层。如果无法进行校正，SS会在下一次数据授权或测距机会中发送RNG-REQ消息，报告异常状态。

基于OFDMA物理层的上行链路测距与上述处理过程有所不同。需要测距的SS从周期性测距码子集中随机选择一个测距码在测距子信道的一个时隙上发送测距请求。此时，控制测距周期的将是SS而不是BS。SS周期性地发送测距请求，并根据BS的响应进行相应的调整。

5.5 网络接入与初始化

按照协议规定，SS接入网络及初始化的过程分以下步骤进行：

(1) 扫描频率列表，搜索有效的下行信号，建立与BS的物理层同步。

(2) 获取下行链路参数DL-MAP和DCD，实现MAC层的同步。然后等待BS周期性广播的UCD消息，获取可用上行链路的传输参数集，并确定一个合适的上行信道。

(3) 进行初始测距和自动调整。BS在每个上行子帧的开头提供了一个竞争周期，其中包含初始测距时间。SS通过扫描UL-MAP消息确定初始测距周期之后，以竞争的方式发送RNG-REQ请求。BS通过返回RNG-RSP消息为SS分配基本管理连接和主管理连接CID，同时提供定时偏移校正、频率偏移校正和功率调整信息。之后，SS通过基本连接继续与BS进行测距请求/响应的交互，并相应地调整物理层参数，直至RNG-RSP返回Success状态。另外，如5.3.2节所述，基于OFDMA物理层的初始测距将不是在竞争周期内发送测距请求，而是通过专门的测距子信道进行。

(4) BS和SS相继进行基本能力协商、认证与密钥交换、SS向BS注册、建立IP连接、确立时间和日期、向SS传送运行参数、建立业务连接等处理。

5.6 切换

当移动用户站(MS)在运动中离开原BS的覆盖范围或者其他BS可以提供质量更好的服务时，需要执行切换(HO)流程。通过BS广播的网络拓扑消息，MS可以获得相邻小区的DCD/UCD信息。BS还能为MS分配扫描周期以对邻近的基站进行扫描和测距，评估其物理层信道质量，为可能进行的切换确定寻找潜在的目标BS。实际的切换流程可以由MS发起也可以由BS发起，该切换属于硬切换。此外，IEEE 802.16e定义了两种可选的切换模式：宏分集切换(MDHO)和快速BS切换(FBSS)。MDHO允许MS同时与多个BS通信，以获得分集增益，提高链路质量。在FBSS中，MS无需执行常规切换过程，就可以实现在一个BS集合中任意两个BS间的快速切换。

5.7 休眠模式和空闲模式

在移动环境下，为降低MS功率消耗和减少对BS空中接口资源的使用，IEEE802.16e协议增加了两种终端管理模式：即休眠模式和空闲模式。

休眠模式是MS在预先协商的指定时间内暂时中止当前BS服务的一种状态。支持休眠模式的MS状态分为可用周期和不可用周期。可用周期内，MS在下行链路上正常进行接收。不可用周期是MS所有业务连接休眠时间的交集，此时BS不向MS发送数据。MS可以关闭某些物理组件或执行其他无需与当前BS通信的操作，例如扫描相邻BS。对处于休眠模式的SS，BS可以缓存或丢弃发往该SS的数据包。

空闲模式允许无业务的MS只在离散的间隔内周期性地接收下行广播消息。此时，MS在穿越多个BS的移动过程中，不需要进行切换和其它常规操作，因此可以比休眠模式更为省电。在该模式中，多个BS构成一个寻呼组，划分的原则是大多数时候能保持MS在一个寻呼组内移动。如果某个MS处于空闲模式时有新的业务到达，寻呼组内的所有BS都会发送寻呼广播消息，提示MS退出空闲模式，重新进入网络并接收数据。另外，BS也可以通过广播消息轮询或要求某个空闲模式下的MS更新位置信息。

(待续)

作者简介：

刘丹谱，北京邮电大学教授。博士毕业于北京邮电大学。主要研究方向包括宽带无线通信技术、MIMO/OFDM、超宽带无线通信系统物理层与MAC技术。发表论文三十余篇。 郝建军，北京邮电大学副教授。北京邮电大学在读博士。主要研究方向包括协同通信、认知无线电技术等。发表论文十余篇。 乐光新，北京邮电大学教授、博士生导师。主要研究方向包括宽带无线通信与无线IP网等。已发表论文百余篇。