ＷｉＭａｘ系統及其ＱｏＳ機制研究

摘要：光纖技術的普遍應用使骨干網的承載能力大大提高，造成接入網成為業務的“瓶頸”。寬帶無線接入系統WiMax具有帶寬利用率高、覆蓋范圍大以及支持移動性等優點，是采用無線方式打破接入網“瓶頸”的重要一步。WiMax系統雖然給接入網增加了許多新的特性，但也帶來了許多新問題，比如無線環境中的安全保證、動態資源管理、移動性管理等，特別是QoS機制，是復雜通信環境中提供可靠的端到端業務的重要保證。這些問題需要在實踐中不斷完善加以解決。

關鍵詞:WiMax系統；服務質量；IP網絡

Abstract:The wide application of optical fiber has greatly improved the bearing capability of the bone network. However， communication services have a bottleneck at the access network. WiMax system， a kind of broadband wireless access system， enables efficient utilization of bandwidth， has a broad coverage， and supports mobility. It plays an important role in wireless solution to the bottleneck at the access network. Though WiMax system brings a lot of new characteristics for the access network， it also brings new problems as of security in wireless environment， dynamic resource management， mobility management， and especially QoS that is an important guarantee for reliable end-to-end services in complex communication environments. Therefore， it is necessary to improve WiMax system in practice and work the problems out.

Key words:WiMax system; QoS; IP network

2004年10月支持固定接入的IEEE 802.16-2004^[1]規范正式發布，2005年4月Intel公司發布了第一款支持IEEE 802.16-2004的芯片——Pro/Wireless 5116，同月Alavrion公司宣布推出基于這一芯片的客戶端實驗室樣機。到2005年底WiMax論壇成員達到350個，WiMax系統成為通信界的一個熱點話題。

2005年底發布的802.16e-2005^[2]增加了對移動性的支持，將WiMax技術又推進了一大步。一系列相關信息預示著WiMax正逐步從技術研究走向實際應用。

1 WiMax系統的主要特性

目前，經歷了通信技術和通信網絡的高速發展，人們對未來通信網絡有了基本共識，即圍繞著業務的開發、引入和使用，希望未來的通信網絡具有良好的帶寬特性、良好的互操作性、端到端的服務質量(QoS)保障機制和強大的業務支持能力。光纖技術的普遍應用使骨干網的承載能力大大提高，接入網成為業務“瓶頸”，對于無線系統更是如此。第3代移動通信合作計劃(3GPP)的寬帶碼分多址(WCDMA)標準在R99版本中，在5 MHz帶寬上，下行峰值速率達到384 kb/s；在R5版本中，下行峰值速率提高到14 Mb/s。在3GPP2的CDMA2000 1x EV-DO的RevA版本中，在1.25 MHz帶寬上，反向峰值速率可達到3.1 Mb/s。但是對于快速增長的數據業務，特別是多媒體業務，3G系統仍存在一定局限性。

作為通信新技術，WiMax系統的出現和進展源于這一系統從開始就考慮到未來通信網絡的需求，并融入了先進的無線技術，使之具備并逐步增加應對未來通信需求的能力。IEEE 802.16空中接口和WiMax系統具有以下特性：

(1)采用正交頻分復用(OFDM)、正交頻分多址(OFDMA)等先進傳輸技術，具有大帶寬特性。理想傳輸環境下，在20 MHz帶寬上，可實現75 Mb/s的傳輸速率，帶寬利用率可以達到

3 bps/Hz。

(2)采用自適應調制、智能天線等無線技術，增加電路預算，覆蓋范圍大。視距傳輸條件下最遠覆蓋半徑可達50 km，非視距城區傳輸環境下一般能達到1～5 km。

(3)具有QoS保證機制，使業務能夠延伸到接入網。IEEE 802.16e-2005空中接口定義了5種QoS業務調度類型、3種業務流狀態，業務建立采用申請/允許方式，使基站(BS)能夠針對無線資源進行接入控制和帶寬管理，保證接入網內部的業務質量。

(4)在IEEE 802.16e-2005空中接口和網絡側增加對切換和移動性管理相關的信令，應對移動通信的需求。

(5)在空中接口協議棧中特別增加匯聚子層，支持不同承載技術。

(6)采用基于保密密鑰管理v1(PKMv1)、PKMv2的安全密鑰管理協議，抗攻擊性強。

(7)基于IP的網絡架構，順應統一IP核心網+接入網的網絡模式。

在諸多特性中，與以往的無線接入技術相比，QoS機制是WiMax的一個重要方面。這一特性是真正實現端到端的業務的保證。

2 IEEE 802.16的協議棧

作為空中接口規范，IEEE 802.16規范的工作頻段為2 GHz～60 GHz；支持頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)兩種復用方式；物理層技術包括單載波、OFDM及基于OFDM的幾種演進技術，比如OFDMA和可配置OFDM；不同的物理層傳輸技術可選用不同的可用帶寬，在OFDM下分別可以利用1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、3 MHz、5.5 MHz和10 MHz的可用帶寬，OFDMA下則分別可以有1.25 MHz、3.5 MHz、7 MHz、8.75 MHz、14 MHz、17.5 MHz和28 MHz的可用帶寬；在匯聚子層，提供對應ATM、IP、Ethernet外部承載的選項，并可以進一步擴展；在安全方面，提供基于PKMv1或PKMv2的認證和密鑰管理，提供多種管理信息和業務的加密密鑰和算法，并提供用戶認證和設備認證兩種認證方式。因此定義WiMax系統的空中接口時需要用一組參數集來指定，參數集包括：

(1)媒體訪問控制層參數集

媒體訪問控制層參數集包括匯聚子層特性、對應的分類器、是否支持包頭壓縮、是否支持自動重發請求(ARQ)、媒體訪問控制(MAC)協議數據單元(PDU)與外部業務流的對應關系、業務調度類型等。

(2)物理層參數集

物理層參數集包括復用模式、調制方式、可用帶寬、速率、幀長、滾降因子、頻差容限等。

(3)功率等級參數集

功率等級參數集包括所用的最大發射功率等參數。

IEEE 802.16協議棧及各子層所支持功能、技術、算法如圖1所示。

3 WiMax系統模型

未來通信網絡具有開放性，這不僅體現在追求規范和標準的一致，也意味著網絡的部署在功能和區域上可能重疊，網絡的所有者將不再是單一的基礎網絡運營商。WiMax系統面對或即將面對的就是這樣一個事實。圖2所示是一個WiMax系統環境示例，它體現了不同網絡、不同運營商之間的關系。業務提供商(ASP)可以通過多個網絡業務提供商(NSP)提供業務，而接入網提供商(NAP)也可以通過多個NSP獲得業務，形成多個交叉。各運營商之間采用開放的接口進行業務傳遞和參數協商，并在一定程度上達到網絡資源的合理使用，用戶對業務有了更大的選擇權，因此對業務質量也提出了更高要求。

在開放的電信環境中，一條成熟的產業鏈包含很多環節，每個環節有很多參與者，因此開放的接口非常重要。在WiMax系統中，根據運營商的性質，目前至少應該有5個開放的接口，即運營商之間的開放接口和空中接口(如圖3所示)，它們分別是：

(1)R₁

空中接口R₁是注冊終端/移動終端(SS/MS)與BS之間的空中接口。

(2)R₂

SS/MS與連接服務網絡(CSN)之間的接口R₂是一個邏輯接口，實現用戶認證和業務授權、IP地址管理等管理平面功能。

(3)R₃

R₃是接入服務網絡(ASN)和CSN之間的接口，實現ASN和CSN之間用戶數據的傳輸和認證、移動性管理等控制信令的交互。

(4)R₄

R₄是ASN之間的接口，在支持移動應用場景時，MS越區時的數據和信令通過R4實現。

(5)R₅

R₅是歸屬地CSN與訪問地CSN之間的接口，作為支持游牧接入和移動接入的系統，歸屬地CSN和漫游地CSN之間的用戶數據和信令通過接口R5完成。

目前這些接口協議尚未最終完全確定，但其開放性是確定的，隨著網絡功能的進一步細化和網絡實體的確定，網絡內部不同實體間、網絡管理系統與網絡實體間的接口也有逐步開放的趨勢。

4 QoS保障機制

QoS保障機制是WiMax系統重要的特性之一，作為支持移動的無線接入網，WiMax的QoS面臨如下問題：

·無線信道的不確定性

·移動用戶的動態分布

·業務種類的多樣性

這些特性使WiMax的QoS在接入控制、帶寬管理等方面具有自己的特性，體現在空中接口規范IEEE 802.16上，具有如下特性：

(1)基站集中控制

基站集中控制包括接入控制和帶寬管理。MAC層接入采用申請/允許機制，與IEEE 802.11a/b的競爭接入載波偵聽多點接入/沖突避免(CSMA/CA)相比，BS能夠有效進行接入管理和帶寬管理。

(2)業務調度類型

IEEE 802.16定義了5種業務調度類型，并明確了每種業務類型所對應的QoS參數，使BS可以采用不同的調度算法，保證不同業務的需求。

(3)業務流管理

在空口中沒有定義基站采用的調度算法，但對應業務流的不同狀態定義了不同業務流標志符及對應QoS參數集。不同業務狀態之間的轉換可以由SS/MS觸發，但轉換則由BS決定，這為BS的接入控制和調度算法提供了靈活性。

5 基于WiMax接入的IP網QoS端到端架構

WiMax系統的QoS管理僅局限于接入網內，而端到端的業務需要跨越一個或多個骨干網的QoS管理區域。事實上，業務的QoS保證與業務連接路線的每一部分都緊密相關。

對業務的QoS保證一直貫穿于通信網絡發展的始終。在窄帶時代，業務單一，業務量小，大多數為有線傳輸，QoS的實現相對簡單。但當數據業務特別是多媒體業務迅速膨脹、Internet廣泛普及、無線和移動成為通信領域重要的組成之后，QoS保證機制面臨許多問題，并成為通信技術研究重點之一。

端到端的連接能否建立更多取決于傳輸層和網絡層技術，而端到端業務質量的保證則涉及到多個方面。在ITU-T的Y.qosar草案中，提出了分組網絡的QoS體系，將QoS機制的功能劃分為3個平面，即數據平面、控制平面和管理平面，分別處理業務流管理、信令、用戶信息。從縱向看，貫穿于從應用層到物理層的每個層次，特別是應用層、網絡層和傳輸層，是業務QoS需求和參數的傳遞；從橫向看，則從用戶駐地網、接入網、核心網到對端的用戶駐地網，在整個業務連接路徑上都有相應的QoS機制，才能實現端到端的QoS。

由于不同網絡的QoS機制不同，因此實現真正的QoS管理非常困難。一般情況下只能實現在不同QoS管理區域內的分別管理，不同層、不同QoS機制間采用參數映射的方式將業務需求提交到下一個QoS區域內。

IP網絡是目前真正意義上的全球性的網絡，也是下一代通信網絡(NGN)的基礎。

目前IP網內有3種QoS機制^[3-8]：

(1)綜合業務模型/資源預留協議

綜合業務模型(IntServ)根據業務需求利用資源預留協議(RSVP)在整個業務連接路徑上進行資源預留，實現真正的端到端保證。但這種方法占用網絡資源過多，不適合大型網絡。

(2)區分服務

網絡設備根據每跳行為(PHB)策略按照業務流分類標志進行業務流轉發，每個網絡設備只保證按照業務優先級順序向下轉發。區分服務是目前廣泛采用的技術。

(3)多協議標記交換

在業務流傳遞之前先建立傳輸路徑，利用簡單的標簽標記業務路徑。在業務傳遞時只需查詢標簽，避免查詢復雜的路由表。多協議標記交換可以看為介于二、三層之間的技術，不適合大型網絡。

3種技術可以配合使用。除了IntServ/RSVP，另外兩種技術的QoS并不能實現真正的端到端QoS，但配合并通過網絡輕載、接入控制、流量規劃等措施，能夠一定程度地實現整個IP網絡的QoS。

WiMax接入網內和空中接口的QoS管理機制在前面已經介紹。如果IP網絡采用區分服務(DiffServ)機制，在這個端到端模型中，為了實現端到端QoS，要實現兩個映射：

(1)應用層服務等級協議(SLA)至接入網的調度業務類型映射

在用戶與業務提供商之間簽訂的SLA中除了將對業務的主體、有效期、保證體系進行定義外，還將顯式或隱式定義業務的QoS參數服務水平規定(SLS)。這些參數可以是應用層的，并在QoS實現中提交給下面的網絡層；也可以是直接針對網絡層和傳輸層。業務是豐富多彩的，而且不斷推陳出新，因此直接定義業務沒有太大的意義，但是通過定義業務的QoS參數并將其作為不同QoS區域的共同約定，則可以在一定程度上對業務的需求達成共識。事實上，在網絡層和傳輸層并不關心業務種類，僅按照這些參數進行QoS控制和管理。

在WiMax之前，能夠提供真正QoS的無線接入網幾乎沒有，因此對WiMax接入網業務SLA/SLS的研究還幾乎沒有看到，考慮到WiMax對QoS的支持有其特殊性，同時業務種類越來越豐富，對QoS的需求也各不相同，建議WiMax接入網的主要SLS參數至少應該包括調度類型、最小預留速率、最小速率、抖動、延遲、可靠性。

(2)接入網調度業務類型至DiffServ的DS映射

IEEE 802.16空中接口的每個連接標識符(CID)都對應一種業務調度類型及對應參數，WiMax接入網內的數據包經過聚合和封裝后轉交給IP網絡。對采用DiffServ機制的IP網絡而言，其業務保證機制PHB根據DS域的6位定義值決定，因此有必要對兩種網絡之間的參數進行約定。在RFc2597中，定義了12種AF(Assured Forwarding)類業務，另外缺省的全“0”的DS對應EF類業務；RFc3246中定義了EF(Expedited Forwarding)類業務，規范中沒有對這些業務的具體參數進行定義，僅僅給出了幾類業務的相對優先級關系，實際業務與這些分類業務的對應關系取決于運營商如何規定。在WiMax接入網與DiffServ IP網的邊界，需要將WiMax接入網內的調度業務類型映射到DiffServ的區分服務編碼點(DSCP)。

QoS機制在不同網絡中有所不同，在網絡邊界都面臨參數的映射和交互，大多數QoS機制都只能支持業務優先級方式，如DiffServ、802.1Q等。在不同運營商的網絡之間，業務的相對關系根據兩網絡運營商間的SLA來約定，其中業務等級對應關系是必不可少的。

6 結束語

WiMax系統給接入網增加了許多新的特性，也帶來了許多新問題，比如無線環境中的安全保證、動態資源管理、移動性管理等等。目前整個IEEE 802.16系列規范還沒有完全成熟，WiMax論壇對網絡的研究還處于起步階段，整個產業鏈雖然已經有一定規模但還有待成熟，產品的類型和功能還需要豐富，預計真正的支持固定和游牧接入的WiMax系統在2007年會形成規模應用，支持移動接入的WiMax系統則會更晚一些。雖然WiMax存在許多不成熟的地方，但并不影響人們對WiMax系統的期待和對這一技術的研究，因為它是打破無線接入網“瓶頸”的重要一步。

新業務、新技術的不斷涌現使QoS成為通信網絡永恒的研究課題，QoS也是WiMax備受追捧的原因之一。提供端到端的QoS遠比建立端到端的業務要復雜得多，業務等級映射僅僅是目前QoS的一個措施，需要解決的問題還很多，比如：在應用層對業務及參數和各種QoS機制中對業務等級的定義還不一致，還沒有真正意義上的端到端QoS管理和策略，無法實現各種不同機制網絡間、相鄰層間的資源信息交互，無法實現網絡資源參數的測量和QoS參數在不同網間的分解，對于WiMax系統這種支持移動性的網絡更需要考慮動態資源預留和管理等。相信這些問題隨著研究的深入會逐一得到解決。

7 參考文獻

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[8] ITU-T draft Recommendation Y.qosar Rev.2-2003 An architecture framework for support of quality of service(QoS) in packet networks[S]. 2000.

收稿日期：2006-04-17

作 者 簡 介

王兵，中國聯合通信有限公司博士后，研究方向為無線寬帶接入系統網絡架構及關鍵技術。

張智江，中國聯合通信有限公司技術部總經理，教授級高工、博士后，中國“863”計劃信息安全專家組成員。主要研究方向為計算機與通信網絡、網絡安全。

李正茂，現為中國聯通公司副總裁、董事。1988年東南大學無線電專業博士畢業，曾任國家“863”計劃通信技術專家組成員和國家第三代移動通信研究發展領導小組成員。規劃和組織了中國首次大規模數字移動通信技術的商用化，組織實施了中國規模最大的商用IP電話試驗工程，曾以中方首席談判代表身份與美國高通公司進行CDMA知識產權談判。