详解IEEE 802.16与WiMax组网技术(1)(3)

2、IEEE802.16组网技术

IEEE802.16d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IEEE802.16的主要的组网方式，IEEE802.16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，IEEE802.16TDD模式下的PMP工作模式与IEEE802.11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。

IEEE802.16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?”。IEEE802.16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。IEEE802.16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 IEEE802.16的帧结构设计

为了灵活应用时间资源，IEEE802.16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，IEEE802.16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

IEEE802.16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IEEE802.16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IEEE802.16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IEEE802.16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(ServiceFlow)是IEEE802.16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。IEEE802.16一共提供了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。

IEEE802.16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。