宽带无线接入网IEEE 802.16标准

• IEEE 802.16标准是一种“最后一英里”的无线宽带接入解决方案
• IEEE 802.16标准对工作在10～66 GHz的LMDS系统的低层作了规范，包括加密子层
• IEEE 802.16标准将加快世界范围的无线宽带城域网的发展进程

　　1 引言

　　针对固定无线宽带接入网的迅速发展，IEEE 802 LAN/MAN(城域网/局域网)标准委员会于1999年专门设立了802.16工作组。该工作组的主要任务是制订LMDS(Local Multipoint Distribution Service)网络空中传输的标准，解决“第一英里”或“最后一英里”的无线宽带城域网的接入问题。它的任务目前主要包括下面3个部分：

　　(1)IEEE 802.16 的发展规划；

　　(2)IEEE 802.16 空中接口标准(包括物理子层——PHY层及共同的媒体接入控制子层——MAC层)，具体包括：

• IEEE 802.16: 空中接口(MAC及10～66 GHz PHY)；
• P802.16a: 增补方案,需申请许用执照的频段，2～11 GHz；
• P802.16b: 增补方案，WirelessHUMAN,无需申请许用执照的频段， 5～6 GHz；
• P802.16c: 增加了系统的互操作性；
• P802.16d: 2～11 GHz互操作性规范；
• P802.16e: 移动无线城域网的方案。

　　(3)解决共存性问题的建议方案：

• IEEE 802.16.2: 10～66 GHz；
• IEEE 802.16.2a: 增补方案，2～11 GHz。

　　其中，IEEE 802.16.2标准[1] 已于2001年9月公布。IEEE 802.16.2标准对工作在10～66 GHz频率范围的、固定的、点到多点(PMP)的、宽带无线接入(BWA)系统减小系统间的相互干扰提供了指导方针，并且主要针对工作在23.5～43.5 GHz频段的系统。该标准仔细地分析了共存性的背景，为系统的设计、配置、协调和频率使用提出了解决方案。

　　IEEE 802.16标准[2]于2002年4月8日颁布，它详细定义了系统的空中接口规范，包括MAC层和PHY层，并特别在MAC层中定义了一个加密子层。802.16a工作组于2002年7月在加拿大温哥华市召开的Session 20会议上提交了第5版草案供大会讨论，按计划在2002年12月份出台正式标准；802.16c工作组于2002年9月份完成了第3版草案，11月颁布正式标准；802.16d和802.16e则是新成立的工作小组。2002年3月，802.16工作组专门成立了针对移动无线宽带接入(MBWA)空中接口技术的工作小组，该小组后即被命名为802.16e。该小组面临的技术要求是：工作在需要许用执照的450 MHz～3 GHz之间频段，支持车辆速度的移动性(最高速度为250 km/h)，采用快速跳频的OFDM(正交频分复用)技术，目的是为世界范围的宽带移动无线IP数据接入网络的配置提供技术解决方案。

　　LMDS作为一种新兴的无线宽带接入技术，相对于光纤、同轴电缆和数字用户线，已受到世界范围内的广泛关注，从第1代模拟系统发展到现在第2代数字系统，然而目前各厂商制造的LMDS设备彼此之间不能兼容。IEEE 802.16标准的颁布，既考虑了与现有LMDS系统的兼容，又考虑了LMDS技术的发展，将成为各厂商研发新一代LMDS系统的统一标准。欧洲电信标准化协会(ETSI)也正在制订LMDS标准，称之为HiperMAN标准，中国2001年也为LMDS的频率规划作出了规定。

　　2 IEEE 802.16标准总体框架

　　IEEE 802.16标准定义了宽带无线接入系统的空中接口部分，包括： MAC层和物理层(包括加密子层)、毫米波频率范围、点到多点(PMP)拓扑结构、用户站(SS)和基站(BS)。其中，MAC层可支持多种物理层，这些物理层作了优化以支持多个应用频带。该标准还包含了一个特殊的可广泛应用于10～66 GHz频段之间各种系统的物理层实现方案。图1表示了该标准的分层参照模型[2]。

　　3 MAC层

　　3.1 MAC层主要特征

　　MAC层最显著的特征是：它是基于“连接”的，即所有SS的数据业务以及与此相联系的QoS要求，都是在“连接”的范畴中来实现的。每一个“连接”均由一个连接标识符(16 bit)来唯一地标识(CID)。一个SS注册后，“连接”以及伴随着的服务流就被提供给这个SS，而且，当用户的业务需要改变时，也可以新建一个“连接”。“连接”一旦建立起来之后，需要维护时，维护要求则随着连接的业务类型不同而改变。当然，当用户的业务合约改变时，“连接”也可以被终止。与“连接”紧密相连的服务流概念则定义了在“连接”上传输的PDU(协议数据单元)的QoS参数，一个“连接” 分配一个服务流，服务流也可以与带宽分配过程联系在一起。

　　一般说来，从基站到用户站以及从用户站到桌面将使用完全不同的物理层，标准中MAC层的设计能够很好地协调不同物理层间的衔接，提供满意的QoS。如果将MAC功能稍加扩充，它可以支持缓慢的移动。

　　3.2 MAC 层数据格式

　　MAC层的核心部分是共同部分子层(CPS)，它通过MAC SAP(Medium Access Control Layer Service Access Point)接收来自会聚层(CS)的数据，形成MAC CPS层的SDU(服务数据单元)数据包。数据包的长度视上层数据来源而定，可为固定长度的，也可为变长度的。SDU数据包可以被拆分，也可以与其他一个或数个SDU数据包合并为一个新的MAC CPS层的PDU数据包，并把这些数据分类到特定的“连接”上，以保证相应的QoS。图2表示了MAC PDU 的数据格式，每个PDU以一个固定长度的MAC头(长为6 byte)开始，负荷部分可以包括一个或多个子头，负荷部分可以是变长度的，取决于高层数据类型。

　　通过MAC PDU 的数据格式，既可以传输普通数据，也可以传输BS与SS之间的管理信息。在IEEE 802.16标准中定义了两种类型的MAC头：一种是一般的MAC头，另一种则是带宽请求MAC头，长度均为6 byte。带宽请求MAC头单独发送，后面不携带数据负荷。负荷中的MAC子头可分为下面3种类型：拆分子头、打包子头和带宽分配管理子头，以区别负荷数据的格式。

　　3.3 MAC层管理信息

　　CPS中共定义了29种管理信息，用于上下行信道描述、系统接入、注册、连接建立、资源申请、动态服务管理、接入认证等功能。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)以广播形式发送，每个SS站均进行接收。上下行管理信息传送CID共有5种类型：广播、初始、基本、基本管理和第二类管理连接。连接类型不同，相应的管理信息传送的QoS也不同。BS站与SS站之间通过互相发送管理信息，取得充分的协商，以获得最优化“连接”的性能。

　　MAC层的管理信息种类决定了其性能，在已出台的IEEE 802.16标准中还预留了部分管理信息域空间，可增补新的管理信息，以增强未来MAC层的功能。

　　3.4 带宽分配和服务质量

　　为了简化带宽分配机制，MAC层预先规定了4种上行基本业务。通过这4种上行预定业务及相伴随的QoS，BS可以预期上行数据的吞吐量及处理时间，并在适当的时间提供查询或分配带宽。在建立某个特定“连接”时，要通过协商确定该“连接”的上行预定业务的类型。

　　这4种上行预定基本业务是：非请求的带宽分配业务(UGS)、实时查询业务(rtPS)、非实时查询业务(nrtPS)和BE（尽力而为）业务，每一个基本业务都被剪辑以适应特定的数据流类型。UGS是指具有固定数据包的一类业务，如ATM的CBR业务、T1/E1及Voice over IP等业务；rtPS业务如MPEG视频信号的传送；nrtPS业务如高带宽的FTP；BE业务则意味着尽可能地传送数据，允许SS使用竞争请求机制。

　　除了不可压缩的恒定比特率的UGS业务之外，可在数据传输过程中增加或减少带宽分配，按需分配多址接入(DAMA)则定义了按需要分配带宽资源的机制。当一个SS需要为BE业务请求增加带宽时，它将向BS发送一个信息，BS则按DAMA方式分配相应的带宽资源。

　　IEEE 802.16的QoS机制定义了数据在空中传输的先后次序及传输方案，对数据提供QoS意味着将传输该数据的“连接”与一特定的服务流(SF)联系在一起。QoS参数集可包括延迟时间、抖动、吞吐量保证等参数。SF是一个无方向的数据流，是MAC层的一个传输服务，BS和SS按照SF提供相应的QoS。

　　4 加密子层

　　IEEE 802.16标准在MAC 层中定义了一个加密子层，提供SS与BS之间的私密性。它包括两部分：一是加密封装协议，负责空中传输的分组数据的加密，包括加密算法以及算法在MAC PDU分组数据中的应用规则。加密只针对MAC PDU中的负荷部分，MAC头不被加密， MAC层中的所有管理信息在传输过程中也不被加密。二是密钥管理协议(PKM)，负责BS到SS之间密钥的安全分发、密钥数据的同步以及业务接入的鉴权。通过使用基于数字证书的认证方式，进一步加强了PKM的安全性能。

　　PKM采用服务器/客户机模型，一个SS(即PKM的客户)从BS(即PKM的服务器)那里获得授权以及密钥材料，PKM支持周期性地重新授权及密钥更新机制。PKM使用X.509数字证书、RSA(Rivest-Shamir-Adleman public-key system)公钥加密算法和强对称算法进行BS与SS之间的密钥交换。

　　在初始鉴权阶段，BS对SS客户进行认证。只有通过认证的SS，才被允许接入网络。SS携带一个由SS制造商所签发的独一无二的X.509证书。该数字证书中包括SS的公钥、SS的MAC地址等其他信息，BS验证SS的数字证书之后，使用获得的SS公钥加密AK(Authorization Key)信息，并回传给SS。事实上，此时BS与SS之间建立了一个共享的安全(秘密)通道，这通道随后用作数据加密密钥(TEK)的分发。安全联盟(SA)则定义了一个BS与多个SS之间共享的安全通道的属性。SA有3种类型：Primary、Static和Dynamic。

　　所有的SS都有一个制造商安装的公/私密钥对，或者制造商提供一个内部算法以动态地产生这样的密钥对，在后一情况下，在SS发送AK请求信息前，必须先产生RSA密钥对。所有密钥请求、响应信息的交换，均使用MAC层中的PKM－REQ、PKM－RSP管理信令对来实现。

　　通过该加密子层的定义，可以防止克隆的SS伪装成合法的用户接入网络，X.509证书的使用则可防止克隆的SS提交伪造的证书给BS。SS的X.509证书通常由SS的制造商来签发，制造商的CA(Certificate Authority)通常又由更高层的CA来签发，以在网络运营商与制造商之间建立一个CA信任链。

　　IEEE 802.16加密协议的制订主要根据DOCSIS BPI＋中的密钥管理协议，但是功能被进一步增强，以与MAC层协议“无缝”连接。

　　5 物理层

　　物理层（PHY层）被设计成具有高度的柔性，以利于优化系统的整体性能配置。IEEE 802.16物理层定义了两种双工方式：TDD和FDD，这两种方式均使用突发数据传输格式。该传输机制支持自适应的突发业务数据，一些传输参数包括调制、编码方案等，都可以针对每个SS按帧进行动态调整。FDD既支持全双工的SS，也支持半双工的SS。半双工FDD SS不能同时接收和发送数据，因而成本低些。但支持半双工FDD SS会稍许增加系统调度的复杂性。

　　PHY层的上行链路采用TDMA和DAMA混合的接入方式。上行信道被分成一个一个小的时隙，BS中的MAC层控制这些时隙的分配，以针对不同用户的不同要求，优化系统的整体性能。上行数据的传送方式有下列3种：

　　(1)在初始维护阶段，数据以竞争方式传输；

　　(2)在响应多播和广播查询的请求间隔预留阶段，数据也以竞争方式传输；

　　(3)一般情况下，数据按分配的时间间隙传输数据。

　　下行信道一般采用TDM方式，发往每个SS的下行数据被复用成一串数据流，数据按稳健性降序传输，在同一扇区的每个SS都能接收到该数据流。因为接收SS地址是隐含在MAC报头而不是DL-MAP中，SS要侦听它所接收的下行子帧的所有部分。对于半双工SS，它接收突发数据包的稳健性大于或等于事先与BS协商结果的部分。

　　对发往半双工FDD方式的SS，数据则采用TDMA接入方式，以防这些SS失去同步，TDMA的前缀头可以使SS恢复同步。

　　PHY层的数据分帧传输，帧长为0.5 ms、1 ms或2 ms。其上行(下行)数据的传送流程如图3所示。每个上(下)行突发数据包都被一个唯一的UIUC(DIUC)码所标识，该UIUC码表征了相应的突发数据包的物理层传输参数。前向纠错的选项和调制方式的选择可组合生成很多种具有不同突发业务参数的数据包，不同的突发业务参数有着各自不同的稳健性和高效性。

　　表1表示了IEEE 802.16标准定义的不同调制方式下、不同信道带宽所带来的不同传输速率。

　　6 结论

　　IEEE 802.16标准仅对网络的低层进行了规范，即PHY层、MAC层以及相应的加密子层。通过CS层，MAC层可以与ATM层、以太网层、IP层(包括IPv4和IPv6)连接，并在标准中保留了与其他协议接口的未来发展余地，以针对不同的业务需求，提供多种接口，适应LMDS全业务系统的特点。标准要求BS与SS之间满足视距传输条件，并且要求使用定向天线，以最大幅度地减小多径效应和别的频率源干扰。

　　标准还对同步技术、频率控制、功率控制、系统最小性能等方面进行了规范，然而，标准未对频率规划作出统一定义，因为单一的频率规划难以适应世界各国、各地区不同的频率资源情况。

　　总之，LMDS目前正在蓬勃发展，IEEE 802.16标准的颁布，为开发新一代能兼容多家厂商的宽带无线接入设备提供了新的指南，也允许各生产厂商最大可能地生产各具特性的产品，将大大加快无线宽带接入网在世界范围内的配置进程。

（吴蒙，王燕，胡金波）