寬帶無線接入網(wǎng)ＩＥＥＥ ８０２．１６標準

IEEE 802.16標準是一種“最后一英里”的無線寬帶接入解決方案

IEEE 802.16標準對工作在10～66 GHz的LMDS系統(tǒng)的低層作了規(guī)范，包括加密子層

IEEE 802.16標準將加快世界范圍的無線寬帶城域網(wǎng)的發(fā)展進程

1 引言

針對固定無線寬帶接入網(wǎng)的迅速發(fā)展，IEEE 802 LAN/MAN(城域網(wǎng)/局域網(wǎng))標準委員會于1999年專門設(shè)立了802.16工作組。該工作組的主要任務(wù)是制訂LMDS(Local Multipoint Distribution Service)網(wǎng)絡(luò)空中傳輸?shù)臉藴剩鉀Q“第一英里”或“最后一英里”的無線寬帶城域網(wǎng)的接入問題。它的任務(wù)目前主要包括下面3個部分：

(1)IEEE 802.16 的發(fā)展規(guī)劃；

(2)IEEE 802.16 空中接口標準(包括物理子層——PHY層及共同的媒體接入控制子層——MAC層)，具體包括：

*IEEE 802.16: 空中接口(MAC及10～66 GHz PHY)；

*P802.16a: 增補方案，需申請許用執(zhí)照的頻段，2～11 GHz；

*P802.16b: 增補方案，WirelessHUMAN，無需申請許用執(zhí)照的頻段， 5～6 GHz；

*P802.16c: 增加了系統(tǒng)的互操作性；

*P802.16d: 2～11 GHz互操作性規(guī)范；

*P802.16e: 移動無線城域網(wǎng)的方案。

(3)解決共存性問題的建議方案：

*IEEE 802.16.2: 10～66 GHz；

*IEEE 802.16.2a: 增補方案，2～11 GHz。

其中，IEEE 802.16.2標準^[1 已于2001年9月公布。IEEE 802.16.2標準對工作在10～66 GHz頻率范圍的、固定的、點到多點(PMP)的、寬帶無線接入(BWA)系統(tǒng)減小系統(tǒng)間的相互干擾提供了指導(dǎo)方針，并且主要針對工作在23.5～43.5 GHz頻段的系統(tǒng)。該標準仔細地分析了共存性的背景，為系統(tǒng)的設(shè)計、配置、協(xié)調(diào)和頻率使用提出了解決方案。

IEEE 802.16標準^[2于2002年4月8日頒布，它詳細定義了系統(tǒng)的空中接口規(guī)范，包括MAC層和PHY層，并特別在MAC層中定義了一個加密子層。802.16a工作組于2002年7月在加拿大溫哥華市召開的Session 20會議上提交了第5版草案供大會討論，按計劃在2002年12月份出臺正式標準；802.16c工作組于2002年9月份完成了第3版草案，11月頒布正式標準；802.16d和802.16e則是新成立的工作小組。2002年3月，802.16工作組專門成立了針對移動無線寬帶接入(MBWA)空中接口技術(shù)的工作小組，該小組后即被命名為802.16e。該小組面臨的技術(shù)要求是：工作在需要許用執(zhí)照的450 MHz～3 GHz之間頻段，支持車輛速度的移動性(最高速度為250 km/h)，采用快速跳頻的OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)，目的是為世界范圍的寬帶移動無線IP數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)的配置提供技術(shù)解決方案。

LMDS作為一種新興的無線寬帶接入技術(shù)，相對于光纖、同軸電纜和數(shù)字用戶線，已受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，從第1代模擬系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在第2代數(shù)字系統(tǒng)，然而目前各廠商制造的LMDS設(shè)備彼此之間不能兼容。IEEE 802.16標準的頒布，既考慮了與現(xiàn)有LMDS系統(tǒng)的兼容，又考慮了LMDS技術(shù)的發(fā)展，將成為各廠商研發(fā)新一代LMDS系統(tǒng)的統(tǒng)一標準。歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)也正在制訂LMDS標準，稱之為HiperMAN標準，中國2001年也為LMDS的頻率規(guī)劃作出了規(guī)定。

2 IEEE 802.16標準總體框架

IEEE 802.16標準定義了寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口部分，包括： MAC層和物理層(包括加密子層)、毫米波頻率范圍、點到多點(PMP)拓撲結(jié)構(gòu)、用戶站(SS)和基站(BS)。其中，MAC層可支持多種物理層，這些物理層作了優(yōu)化以支持多個應(yīng)用頻帶。該標準還包含了一個特殊的可廣泛應(yīng)用于10～66 GHz頻段之間各種系統(tǒng)的物理層實現(xiàn)方案。圖1表示了該標準的分層參照模型^[2。

3 MAC層

3.1 MAC層主要特征

MAC層最顯著的特征是：它是基于“連接”的，即所有SS的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及與此相聯(lián)系的QoS要求，都是在“連接”的范疇中來實現(xiàn)的。每一個“連接”均由一個連接標識符(16 bit)來唯一地標識(CID)。一個SS注冊后，“連接”以及伴隨著的服務(wù)流就被提供給這個SS，而且，當(dāng)用戶的業(yè)務(wù)需要改變時，也可以新建一個“連接”?！斑B接”一旦建立起來之后，需要維護時，維護要求則隨著連接的業(yè)務(wù)類型不同而改變。當(dāng)然，當(dāng)用戶的業(yè)務(wù)合約改變時，“連接”也可以被終止。與“連接”緊密相連的服務(wù)流概念則定義了在“連接”上傳輸?shù)腜DU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)的QoS參數(shù)，一個“連接”分配一個服務(wù)流，服務(wù)流也可以與帶寬分配過程聯(lián)系在一起。

一般說來，從基站到用戶站以及從用戶站到桌面將使用完全不同的物理層，標準中MAC層的設(shè)計能夠很好地協(xié)調(diào)不同物理層間的銜接，提供滿意的QoS。如果將MAC功能稍加擴充，它可以支持緩慢的移動。

3.2 MAC 層數(shù)據(jù)格式

MAC層的核心部分是共同部分子層(CPS)，它通過MAC SAP(Medium Access Control Layer Service Access Point)接收來自會聚層(CS)的數(shù)據(jù)，形成MAC CPS層的SDU(服務(wù)數(shù)據(jù)單元)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的長度視上層數(shù)據(jù)來源而定，可為固定長度的，也可為變長度的。SDU數(shù)據(jù)包可以被拆分，也可以與其他一個或數(shù)個SDU數(shù)據(jù)包合并為一個新的MAC CPS層的PDU數(shù)據(jù)包，并把這些數(shù)據(jù)分類到特定的“連接”上，以保證相應(yīng)的QoS。圖2表示了MAC PDU 的數(shù)據(jù)格式，每個PDU以一個固定長度的MAC頭(長為6 byte)開始，負荷部分可以包括一個或多個子頭，負荷部分可以是變長度的，取決于高層數(shù)據(jù)類型。

通過MAC PDU 的數(shù)據(jù)格式，既可以傳輸普通數(shù)據(jù)，也可以傳輸BS與SS之間的管理信息。在IEEE 802.16標準中定義了兩種類型的MAC頭：一種是一般的MAC頭，另一種則是帶寬請求MAC頭，長度均為6 byte。帶寬請求MAC頭單獨發(fā)送，后面不攜帶數(shù)據(jù)負荷。負荷中的MAC子頭可分為下面3種類型：拆分子頭、打包子頭和帶寬分配管理子頭，以區(qū)別負荷數(shù)據(jù)的格式。

3.3 MAC層管理信息

CPS中共定義了29種管理信息，用于上下行信道描述、系統(tǒng)接入、注冊、連接建立、資源申請、動態(tài)服務(wù)管理、接入認證等功能。其中，上下行信道描述信息UCD(Uplink Channel Descriptor)、DCD(Downlink Channel Descriptor)、DL－ MAP(Downlink－Map)和UL－MAP(Unlink－Map)以廣播形式發(fā)送，每個SS站均進行接收。上下行管理信息傳送CID共有5種類型：廣播、初始、基本、基本管理和第二類管理連接。連接類型不同，相應(yīng)的管理信息傳送的QoS也不同。BS站與SS站之間通過互相發(fā)送管理信息，取得充分的協(xié)商，以獲得最優(yōu)化“連接”的性能。

MAC層的管理信息種類決定了其性能，在已出臺的IEEE 802.16標準中還預(yù)留了部分管理信息域空間，可增補新的管理信息，以增強未來MAC層的功能。

3.4 帶寬分配和服務(wù)質(zhì)量

為了簡化帶寬分配機制，MAC層預(yù)先規(guī)定了4種上行基本業(yè)務(wù)。通過這4種上行預(yù)定業(yè)務(wù)及相伴隨的QoS，BS可以預(yù)期上行數(shù)據(jù)的吞吐量及處理時間，并在適當(dāng)?shù)臅r間提供查詢或分配帶寬。在建立某個特定“連接”時，要通過協(xié)商確定該“連接”的上行預(yù)定業(yè)務(wù)的類型。

這4種上行預(yù)定基本業(yè)務(wù)是：非請求的帶寬分配業(yè)務(wù)(UGS)、實時查詢業(yè)務(wù)(rtPS)、非實時查詢業(yè)務(wù)(nrtPS)和BE（盡力而為）業(yè)務(wù)，每一個基本業(yè)務(wù)都被剪輯以適應(yīng)特定的數(shù)據(jù)流類型。UGS是指具有固定數(shù)據(jù)包的一類業(yè)務(wù)，如ATM的CBR業(yè)務(wù)、T1/E1及Voice over IP等業(yè)務(wù)；rtPS業(yè)務(wù)如MPEG視頻信號的傳送；nrtPS業(yè)務(wù)如高帶寬的FTP；BE業(yè)務(wù)則意味著盡可能地傳送數(shù)據(jù)，允許SS使用競爭請求機制。

除了不可壓縮的恒定比特率的UGS業(yè)務(wù)之外，可在數(shù)據(jù)傳輸過程中增加或減少帶寬分配，按需分配多址接入(DAMA)則定義了按需要分配帶寬資源的機制。當(dāng)一個SS需要為BE業(yè)務(wù)請求增加帶寬時，它將向BS發(fā)送一個信息，BS則按DAMA方式分配相應(yīng)的帶寬資源。

IEEE 802.16的QoS機制定義了數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)南群蟠涡蚣皞鬏敺桨?，對?shù)據(jù)提供QoS意味著將傳輸該數(shù)據(jù)的“連接”與一特定的服務(wù)流(SF)聯(lián)系在一起。QoS參數(shù)集可包括延遲時間、抖動、吞吐量保證等參數(shù)。SF是一個無方向的數(shù)據(jù)流，是MAC層的一個傳輸服務(wù)，BS和SS按照SF提供相應(yīng)的QoS。

4 加密子層

IEEE 802.16標準在MAC 層中定義了一個加密子層，提供SS與BS之間的私密性。它包括兩部分：一是加密封裝協(xié)議，負責(zé)空中傳輸?shù)姆纸M數(shù)據(jù)的加密，包括加密算法以及算法在MAC PDU分組數(shù)據(jù)中的應(yīng)用規(guī)則。加密只針對MAC PDU中的負荷部分，MAC頭不被加密， MAC層中的所有管理信息在傳輸過程中也不被加密。二是密鑰管理協(xié)議(PKM)，負責(zé)BS到SS之間密鑰的安全分發(fā)、密鑰數(shù)據(jù)的同步以及業(yè)務(wù)接入的鑒權(quán)。通過使用基于數(shù)字證書的認證方式，進一步加強了PKM的安全性能。

PKM采用服務(wù)器/客戶機模型，一個SS(即PKM的客戶)從BS(即PKM的服務(wù)器)那里獲得授權(quán)以及密鑰材料，PKM支持周期性地重新授權(quán)及密鑰更新機制。PKM使用X.509數(shù)字證書、RSA(Rivest-Shamir-Adleman public-key system)公鑰加密算法和強對稱算法進行BS與SS之間的密鑰交換。

在初始鑒權(quán)階段，BS對SS客戶進行認證。只有通過認證的SS，才被允許接入網(wǎng)絡(luò)。SS攜帶一個由SS制造商所簽發(fā)的獨一無二的X.509證書。該數(shù)字證書中包括SS的公鑰、SS的MAC地址等其他信息，BS驗證SS的數(shù)字證書之后，使用獲得的SS公鑰加密AK(Authorization Key)信息，并回傳給SS。事實上，此時BS與SS之間建立了一個共享的安全(秘密)通道，這通道隨后用作數(shù)據(jù)加密密鑰(TEK)的分發(fā)。安全聯(lián)盟(SA)則定義了一個BS與多個SS之間共享的安全通道的屬性。SA有3種類型：Primary、Static和Dynamic。

所有的SS都有一個制造商安裝的公/私密鑰對，或者制造商提供一個內(nèi)部算法以動態(tài)地產(chǎn)生這樣的密鑰對，在后一情況下，在SS發(fā)送AK請求信息前，必須先產(chǎn)生RSA密鑰對。所有密鑰請求、響應(yīng)信息的交換，均使用MAC層中的PKM－REQ、PKM－RSP管理信令對來實現(xiàn)。

通過該加密子層的定義，可以防止克隆的SS偽裝成合法的用戶接入網(wǎng)絡(luò)，X.509證書的使用則可防止克隆的SS提交偽造的證書給BS。SS的X.509證書通常由SS的制造商來簽發(fā)，制造商的CA(Certificate Authority)通常又由更高層的CA來簽發(fā)，以在網(wǎng)絡(luò)運營商與制造商之間建立一個CA信任鏈。

IEEE 802.16加密協(xié)議的制訂主要根據(jù)DOCSIS BPI＋中的密鑰管理協(xié)議，但是功能被進一步增強，以與MAC層協(xié)議“無縫”連接。

5 物理層

物理層（PHY層）被設(shè)計成具有高度的柔性，以利于優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能配置。IEEE 802.16物理層定義了兩種雙工方式：TDD和FDD，這兩種方式均使用突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式。該傳輸機制支持自適應(yīng)的突發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，一些傳輸參數(shù)包括調(diào)制、編碼方案等，都可以針對每個SS按幀進行動態(tài)調(diào)整。FDD既支持全雙工的SS，也支持半雙工的SS。半雙工FDD SS不能同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，因而成本低些。但支持半雙工FDD SS會稍許增加系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜性。

PHY層的上行鏈路采用TDMA和DAMA混合的接入方式。上行信道被分成一個一個小的時隙，BS中的MAC層控制這些時隙的分配，以針對不同用戶的不同要求，優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。上行數(shù)據(jù)的傳送方式有下列3種：

(1)在初始維護階段，數(shù)據(jù)以競爭方式傳輸；

(2)在響應(yīng)多播和廣播查詢的請求間隔預(yù)留階段，數(shù)據(jù)也以競爭方式傳輸；

(3)一般情況下，數(shù)據(jù)按分配的時間間隙傳輸數(shù)據(jù)。

下行信道一般采用TDM方式，發(fā)往每個SS的下行數(shù)據(jù)被復(fù)用成一串?dāng)?shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)按穩(wěn)健性降序傳輸，在同一扇區(qū)的每個SS都能接收到該數(shù)據(jù)流。因為接收SS地址是隱含在MAC報頭而不是DL-MAP中，SS要偵聽它所接收的下行子幀的所有部分。對于半雙工SS，它接收突發(fā)數(shù)據(jù)包的穩(wěn)健性大于或等于事先與BS協(xié)商結(jié)果的部分。

對發(fā)往半雙工FDD方式的SS，數(shù)據(jù)則采用TDMA接入方式，以防這些SS失去同步，TDMA的前綴頭可以使SS恢復(fù)同步。

PHY層的數(shù)據(jù)分幀傳輸，幀長為0.5 ms、1 ms或2 ms。其上行(下行)數(shù)據(jù)的傳送流程如圖3所示。每個上(下)行突發(fā)數(shù)據(jù)包都被一個唯一的UIUC(DIUC)碼所標識，該UIUC碼表征了相應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)包的物理層傳輸參數(shù)。前向糾錯的選項和調(diào)制方式的選擇可組合生成很多種具有不同突發(fā)業(yè)務(wù)參數(shù)的數(shù)據(jù)包，不同的突發(fā)業(yè)務(wù)參數(shù)有著各自不同的穩(wěn)健性和高效性。

表1表示了IEEE 802.16標準定義的不同調(diào)制方式下、不同信道帶寬所帶來的不同傳輸速率。

6 結(jié)論

IEEE 802.16標準僅對網(wǎng)絡(luò)的低層進行了規(guī)范，即PHY層、MAC層以及相應(yīng)的加密子層。通過CS層，MAC層可以與ATM層、以太網(wǎng)層、IP層(包括IPv4和IPv6)連接，并在標準中保留了與其他協(xié)議接口的未來發(fā)展余地，以針對不同的業(yè)務(wù)需求，提供多種接口，適應(yīng)LMDS全業(yè)務(wù)系統(tǒng)的特點。標準要求BS與SS之間滿足視距傳輸條件，并且要求使用定向天線，以最大幅度地減小多徑效應(yīng)和別的頻率源干擾。

標準還對同步技術(shù)、頻率控制、功率控制、系統(tǒng)最小性能等方面進行了規(guī)范，然而，標準未對頻率規(guī)劃作出統(tǒng)一定義，因為單一的頻率規(guī)劃難以適應(yīng)世界各國、各地區(qū)不同的頻率資源情況。

總之，LMDS目前正在蓬勃發(fā)展，IEEE 802.16標準的頒布，為開發(fā)新一代能兼容多家廠商的寬帶無線接入設(shè)備提供了新的指南，也允許各生產(chǎn)廠商最大可能地生產(chǎn)各具特性的產(chǎn)品，將大大加快無線寬帶接入網(wǎng)在世界范圍內(nèi)的配置進程?！?/p>

（吳蒙，王燕，胡金波）