【宽带无线接入系统和IEEE 802.16.1标准】分享给互联网从爱好者学习参考。
摘要：
文章简介了宽带无线接入系统，着重对美国IEEE标准802.16.1系统进行了介绍，给出其系统模型及其空中接口MAC、PHY层协议内容。
要害词：
宽带无线接入标准 系统模型 介质访问控制层 物理层
Abstract:
This article briefs the broadband wireless Access system, and systematically details the IEEE standard 802.16.1 by giving its system model, air interface protocols of MAC and PHY layer.
Key Words:
BWA standard System model MAC layer PHY layer1 、宽带无线接入(BWA)系统
在未来的信息社会中，信息极大丰富，信息的获取应极其便利。实现这个美好目标的物质技术基础是宽带通信网络。目前，光纤通信科技的发展，已可实现在一条光纤上传输1 000Gbit/s的信息流，并且不断向更高速率发展。
基于光纤通信的骨干网技术已可满足社会发展对极大容量信息传输的要求。但是瓶颈存在于接入网，因此各种宽带接入网技术的发展成为当前通信界关注的重点。在各种宽带接入技术中，宽带无线接入(BWA)系统具有灵活、方便、可移动性和投资少的明显优势，越来越受到IT业界的广泛重视。
本地多点分配业务(LMDS)是近年来逐渐发展起来的一种双向固定宽带无线接入技术，可以提供大量的新兴宽带业务，如高速Internet接入、实时多媒体文件传输、交互式视频、即时点播、电视会议及远程医疗、教学、工作等，自美国CellularVision公司开发以来，受到了世界各地的普遍关注。之所以如此，是因为LMDS具有以下优点：
(1) 经济性好：随着电信市场的逐步开放，宽带业务具有十分庞大的市场潜力。面对拥有大量基础设施的老运营商，必须采用新技术。而作为宽带无线接入技术之一，LMDS业务开展快、灵活性大、启动成本低，非凡是基础结构的成本低，适于随着用户的增加而渐进扩张，因此经济性好。
(2) 真正的宽带系统：目前，各国分配的LMDS带宽至少有1GHz，能够满足不断增长的带宽需求，使得宽带业务能够克服铜缆本地环路的瓶颈，因而颇受业界人士的关注。
(3) 业务范围广：LMDS可同时向用户提供话音、数据及视频综合业务，符合网络融合的趋势，与传统的接入方式相比，更具灵活性，业务更加多样化。
由于LMDS技术的以上优点，在世界各地陆续建设了一些试验系统，提供多种多媒体业务，证实了LMDS系统的生存能力和适用性。许多国家已经相继分配了本地区LMDS的工作频段，非凡是发展中国家，把LMDS看作是光缆和铜缆的过渡或替代技术，以加快信息化建设。在中国，P－COM公司前不久与中国联通签署了一项协议，共同进行LMDS系统的试验工作，已取得满足的效果。作为一项很有前途的技术，LMDS的市场前景十分广阔。中国有关部门和企业对发展LMDS系统予以高度重视，相关的工作也正在进行之中。
目前国际上有很多公司推出了LMDS系统的产品，并已陆续投入商用。但尚无统一的标准，这阻碍了BWA接入系统的进一步发展。因此BWA系统的标准化工作已成为当务之急。2000年8月，美国IEEE标准802系列802.16工作组提出了一个固定宽带无线接入系统空中接口的IEEE 802.16.1标准讨论稿，这对中国BWA系统的研发工作有重要的指导意义。
2 、802.16.1系统概述
2.1 系统模型
图1 IEEE802.16.1系统参考点模型
图1所示为系统参考点模型。系统的组成包括：实现802.16.1空中接口介质访问控制(MAC)和物理(PHY)层协议的基站收发站(BTS)和用户收发站(STS)，与外部网络(骨干网和用户网)的接口BNI和SNI，和由MAC和PHY传输的服务。更大的系统包括用户终端、BTS连接网络和网管设备等。802.16.1标准规定了工作在30GHz邻近频段，提供多种服务的固定点对多点(PMP)，即基站收发站到一个或多个用户收发站，宽带无线接入系统空中接口PHY和MAC层的技术规范。它实际上独立于使用频率，可广泛适用于工作在10～60GHz信道化频段的无线系统，以适应各国分配的频段差异。
802.16.1系统一般是一个频率重用的多小区系统，类似于蜂窝网系统，但不支持移动性。无线覆盖范围受发射功率和30GHz频段视线(LOS)传输的限制，一般在5km以下。BTS是分扇区独立工作的，采用宽方位角波束的扇区成形天线，覆盖多个用户站，要求宽频带的用户使用窄的扇区，而窄带用户则使用宽的扇区。STS采用指向BTS的窄波束定向天线。所有数据流通过BTS，STS间不能直接通信。
STS根据QOS要求申请使用频带，由BTS控制频道的分配。在下行信道中采用无竞争的广播总线方式，上行方向协议提供对多个STS信息流的竞争分解和复用。
2.2 协议
图2 IEEE802.16.1标准的分层协议
图2示出802.16.1分层协议。801.16.1协议除802系列的LLC、MAC和PHY各层外，还传输对应于承载服务要求的各种上层协议，每个特定上层协议设定一会聚子层(CL)。会聚子层的功能包括：将上层的PDU帧封装在本地的802.16.1 MAC/PHY PDU中；上层地址与802.16.1地址间的映射；将上层服务等级(COS)/服务质量(QOS)参量转换为802.16.1 MAC格式；将上层信息流的时间关联性转变到等效的MAC服务中。
MAC协议的主要目的是共享无线信道资源。它定义了如何和何时一个BTS或STS开始在信道中发送信息，定义了向上层提供有保证服务的接口和手续，对上行方向的传输还提供竞争解决和频带分配。
传输会聚子层(TC)将MAC层的要求转变为物理层的服务。
保密子层采用国际采用的强保密算法，保证系统的安全性。
在分层协议系统中，在各层之间传递的信息流由原语来定义。基本的通信过程为：首先由会聚子层(CL)向MAC层发起请求，发起端的MAC层通过空中连接将请求送到目的端MAC层，目的端MAC层向它的CL层发出指示，该CL层做出应答，这个应答信号再传送到起始MAC，起始端的MAC向最初的请求实体发出确认信息。
2.3 性能和容量
802.16.1协议适用于不同性能和容量的系统，从要求大通信量和高COS/QOS要求的商业用户到小规模的用户；可向一个STS提供2～155Mbit/s的峰值速率，今后还将提供高于155Mbit/s的速率；上/下行方向可提供对称和不对称的带宽和COS/QOS要求的应用。
802.16.1系统能在99.99％时间内以低于10－8误码率传输所有业务，这相当于失效率为53秒/年。引起802.16.1系统失效的最主要原因是下雨引起的衰减。协议采用快速灵活的增加无线带宽、缩小传播距离和提高发射功率来满足下雨和气候变化情况下的通信要求。
系统容量定义为用户数、要求的峰值带宽和QOS保证的乘积，容量会随系统工作条件而变，因此必须仔细规划以满足QOS保证和误码性能的要求。
协议还要对3类延迟进行规定：介质访问延迟、信息在BNI和SNI之间的传输延迟、端到端延迟。其中后者包括前者。
2.4 支持的应用和服务
802.16.1标准的目的是提供一个第3方或公共实体运营的城域无线网，向用户提供签约的服务。作为公众网，它必须有机制验证通信流是否源于合法用户，并能防止用户越限使用资源。任何违约企图都不应损害其他用户的正常服务，必须可以测量用户使用资源的情况作为服务资费的依据，必须通过加密保证用户的通信秘密。
作为有线网络的替代或补充，BWA网必须能传输各种有线和光接入网的高质量的通信业务，包括数据、话音、音频和视频通信流。
802.16.1 BWA系统最适用于商业和多住户住宅楼，将来的802.16系列将包含单个家庭住宅。BWA的要害是“接入”到其他网络，如互联网、专用网、电话网等，而不是直接构成一个通信系统。BWA系统一个接入点的STS可支持多个用户，也就是说用户接入点对多个“零售”用户提供“批发”连接。
802.16.1 BWA系统提供的承载服务包括：
数字音频/视频多播(Multicast)数字电话(支持所有国内或国际的数字电话服务系列等级，SDH和PDH)
ATM信元中继服务
IP服务(Ipv4和Ipv6，实时和非实时服务)
桥接LAN服务
无线中继线(蜂窝网，数字无线电话网C的回传服务)
虚拟点对点(PPP)连接
帧中继服务等
上述承载服务的各COS/QOS参量可转换成802.16.1定义的一组公共参量，并由相应的会聚子层设定在协议信令中。
3、 MAC层协议
在任何共享资源的网络中，各用户必须遵循一定的资源分配方案，从而实现资源的有效利用。802.16.1无线链路基于一个中心基站和分扇区的天线同步处理多个独立扇区。在给定的频率和天线扇区中，所有的用户收到相同的传输信息，因此下行链路(基站到用户)是一个点对多点操作，基站是该方向上的唯一消息发送者，它将消息广播至各用户端，用户端通过检验地址接收发给自己的信息；用户端共享上行链路(用户到基站)发送或接收消息。在每一个扇区中，所有用户必须遵守一定的传输协议。协议采用非申请授予(Unsolicited Grant Service)、轮询(Polling)、竞争(Contention)等频带分配技术的不同组合，定义了5种上行链路过程机制，以减少竞争并最佳满足各用户对带宽和时延的要求。
(1)连接和服务流
MAC是面向连接的。为了进行对用户端设备(CPE)的各项服务并保证各种不同的QOS，所有的数据通信是通过连接进行的。当CPE进行系统注册以后，连接建立起来，该连接定义了利用MAC操作的同等会聚过程之间的映射关系和一个服务流，服务流定义了协议数据单元(PDU)的QOS参数。
服务流是一个提供单一方向的数据包传输的MAC层传输服务，一个连接的服务流概念是MAC协议工作的核心概念，它由一组QOS参数，如延迟、抖动和流量保证等来表征，提供了上行和下行链路的QOS治理机制，它和频带分配过程相结合。上/下行方向都有服务流，所有服务流有基站 (BS) 分配的32bit服务流标识符(SFID)。工作的服务流还有一16bit连接标识符(CID)。
每一个CPE都有一个64bit EUI，用于区别所有制造商及设备类型，该地址在CPE注册过程中用于建立正确的连接，并使BS和CPE相互确认。
每一个连接都有一个16bit的连接标识符(CID)，所有的传输请求都是基于该CID的，服务类型也隐含在CID中。
用户数据通过会聚子层被提交到MAC层上传输，这些消息中包含连接标识符，通过这个CID映射到该连接的服务流上。根据服务流的特征可以把服务流分为不同的类别，从而上层实体和外部请求可以根据所需的QOS选择服务流。一旦连接建立起来，它将被保持，直到收到要求终止的消息。
(2)配置和MAC层消息的编码
这些编码用于配置文件、CPE注册请求和动态服务消息中，具有Type/Length/Value格式，包括：配置文件和注册设置、配置文件专用设置、注册请求/应答专用编码、动态服务消息专用编码、服务质量相关编码、保密配置设置选项、认证码、会聚子层参数编码。
(3)配置文件
配置文件中包含有CPE IP地址及CPE专用配置设置，该二进制文件与DHCP制造商扩展数据RFC－2132格式相同。
配置的编码格式为：Type/Length/Value，所有的配置设置在文件中直接相接。
(4)消息格式
MAC协议数据单元PDU由一个固定长度的总MAC消息头开始，可能包含来自于一个会聚子层的负载消息为任选项，其长度可变。该负载消息又分为会聚子层消息头(Convergence Sub－layer Header)和数据部分(Convergence Sub-layer Data)，这一部分的定义不在该MAC协议所述范围之内，MAC能够在无需了解上层数据格式的情况下通过各种类型的高层信息流。
MAC消息头有3种不同的格式，其中两种为一般消息头，出现于所有MAC消息中，包括治理消息和会聚子层数据；另外一种格式用于请求附加带宽。
(5)帧和时间段安排
MAC支持分帧和不分帧的物理层。对分帧的物理层，MAC将其时间段安排与物理层帧相一致；对非帧物理层，MAC时间段的安排要使系统性能最佳。TDD、突发FDD和FSDD模式工作采用分帧的物理层，连续FDD模式工作无明显的物理层成帧，通过上/下行MAP消息中时间戳来运行。
(6)竞争解决
MAC在上行链路映射消息中定义了一系列的消息元素IE，从而实现上行链路各时隙的分配并确定哪些时隙发生了碰撞，BS可答应碰撞发生在REQ或数据PDU中。主要的竞争解决方法是基于一个截短的二进制指数回退，其起始回退窗和最大回退窗由BS控制，其值在上行链路映射消息中规定。
当CPE要传送消息而要求进入竞争解决过程时，它将起始回退窗设为与当前有效的上行链路映射消息中规定的起始值相等，然后随机选择一个在回退窗范围内的数字。该随机数指出了该CPE在传送消息之前所要等待的竞争传送机会个数。在竞争发送后，CPE要等待一个来自于下一个上行映射的数据认可消息，收到后该竞争解决过程就完成了。若没有收到认可消息，则表明传送消息丢失，CPE将回退窗加倍(仍需保证小于最大回退窗)，选择新的随机数，重复上述过程。
(7)分段
分段过程是将会聚子层的负载消息分为两个或多个MAC PDU的过程，从而在满足连接服务流的一定QOS要求基础上实现对信道带宽的充分利用。
(8)带宽分配和请求机制
CPE从BS获得带宽要求消息可以有多种方法：CPE申请(Request)，包括每连接授予(Grants per Connection?GPC)方式和每终端授予(Grants per Terminal?GPT)方式；轮询(Polling)，包括单播(Unicast)、多播(Multicast)和广播(Broadcast)。
注册时每个CPE被分配了分别用于发送和接收控制消息的两个CID，除了不可压缩的恒比特率非申请授予服务(UGS)消息，其他服务都可以有增加或减少带宽的要求。
(9)网络进入和初始化
CPE进入网络的初始化过程可分为如下阶段：监视下行信道并与BS同步；从PCD消息获取传输参数；测距；建立IP连接；建立日期；传送操作参数；注册；保密初始化。
(10)服务质量
提供QOS的主要机制是将通过MAC层的数据分组附带一个由CID标识的服务流以给出消息的传输次序和时间表。
一般操作静态操作(Static Operation)：在CPE注册过程中，供给服务器(Provisioning Server)为CPE提供配置信息，CPE再把该信息通过注册请求传给BS，BS做出注册应答，最后由CPE发送注册响应消息结束注册。
动态服务流建立(Dynamic Service Flow Creation)，它可以由CPE和BS分别发起。
动态服务流还可以被修改和删除，分别由DSC(Dynamic Service Changing)和DSD(Dynamic Service Deletion)消息发起。
动态服务(Dynamic Service)
服务流的建立、修改和删除由一系列的MAC治理消息DSA、DSC、DSD完成。
(11)认证和保密
保密是通过对CPE和BS之间的连接进行加密而提供的保密服务，同时具有防止服务被窃取的功能，它由两个子协议组成：
对固定宽带无线接入网络传输的数据包加密的封装协议(Encapsulation Protocol)。保证从BS到CPE的密钥数据的安全分配的保密密钥治理(Privacy Key Management?PKM)协议，通过该协议，CPE和BS可以同步密钥数据，BS还可以用此协议实施条件接入网络服务。
4 、物理层
物理层技术规范的设计满足BWA系统的各项功能要求，它综合各种现有标准的特点，提升现有技术以降低设备成本和增加鲁棒性，保证在10～60GHz频段的可靠运行。另外，该系统具有高度的灵活性，使设备供给商能根据小区规划、成本、无线设备性能、提供的服务和容量要求来最佳地部署系统。
(1)多址、复用及双工技术
物理层上行链路采用TDMA与按需分配多址(DAMA)相结合的多址接入方式。上行信道划分为多个时隙，分配给不同用途(注册、竞争、防护或用户数据)的时隙数由BS MAC层控制，可随时改变以获取最佳性能。下行链路可采用时分复用(TDM)方式，或在突发模式中采用类似于上行TDMA突发的方式。
BWA系统的下行链路有两种模式，支持连续传输的A模式和支持突发包(Burst)传输的B模式。对于A模式采用的双工技术仅为FDD方式；对于B模式采用的双工技术除FDD外，还采用了TDD和 FDD方式的变型??频率变换双工(FSDD)。它采用和FDD类似的上行和下行信道频率配置，区别在于不仅支持全双工信道，还支持相当数量的半双工信道。
(2)下行链路连续模式(Mode A)
该模式支持Reed－Solomn码、交织编码和卷积编码级联形式的连续信息传输,采用FDD方式。单个载波具有固定的纠错编码和调制格式,不同载波可以设置不同的纠错编码和调制格式。由于没有固定的帧结构，业务分配相当灵活。
基带接口该模式结构框图参见图3。基带接口将来自MAC层的数据每186字节分为一段，加上同步字节和指针字节组成传输会聚(TC)子层数据包。指针字节指示MAC帧起始位置或终止位置。
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图3 下行链路连续模式结构
根据传输会聚子层功能和后续随机扰乱复位的需要，从BS加电开始，同步字节(Hex47)每8个包反转成HexB8。
随机扰乱用于频谱成形，消除未调载波，并保证有一定数目的比特交替来支持时钟恢复。
纠错编码与调制
纠错编码采用级联编码方式，外码为截断的Reed－Solomn系统码：RS(204,188,8)(字节)。所有字节(包括同步字节)都参加编码。 该编码方式具有8字节纠错能力。
基带脉冲成形
成形脉冲选用升余旋脉冲(α=0.15,0.25,0.35)通带和阻带响应相差50dB。
(3)下行链路突发包模式(Mode B)
该模式支持突发包传输，同时该模式还支持在同一载波上自适应地实行不同的纠错编码和调制模式，以最大程度利用无线链路。为了简化相位恢复和信道跟踪，采用固定的帧结构，并在每帧加入练习序列。
FDD和TDD系统采用TDM方式。 由于所有数据都被所有相关用户接收，只在每帧开始的Preamble加入24符号的练习序列, 用于同步和均衡。
FSDD系统采用TDMA方式。由于每个用户只接收相关的一部分数据，所以除了在帧开始加入训列序列外，在每个用户的数据前也需插入12符号的训列序列。
下行信道支持各帧中用户数据部分的灵活的调制/FEC编码类型组合。其共定义了16种调制/FEC编码组合，每组参数在下行帧的控制部分通过MAC层消息传给用户站。经过基站注册和认证，用户站将被分配一个特定的调制/FEC编码类型，用于其数据部分。
帧控制部分采用统一的QPSK调制和FEC编码方式，以保证较低的误码率，并保证用户站检测MAC层消息，完成注册过程。
传输会聚(TC)子层分块过程
首先根据逻辑信道的类型将来自MAC层的数据分块，组成第一类块，每块N字节。第二类块由第一类块N字节的首部加上指针字节，尾部加上周期冗余纠错码(CRC－16)构成，共N＋3字节。后续纠错编码以这N＋3字节第二类块为信息进行编码。
纠错编码
该模式主要采用外码和内码相级联的纠错编码方式。
外码采用截断的Reed－Solomon系统码，信息长度p=6～255字节，纠错能力为T=0～16字节。
对于传输大块数据包或要求高的编码效率时，不采用内码; 对于传输中小数据块或要求中高速编码的情形，内码采用奇偶校验码, 它是在每字节首加入1bit奇偶校验码构成；对于编码速率要求较低或中等的场合，内码采用R=2/3的卷积码可以获得较高的编码增益。另外，在B模式中，为了扩大基站覆盖或提高数据速率，可选用分组Turbo码来降低对载干比的要求。B模式支持QPSK和16QAM调制，可以采用格雷编码或差分编码。另外，64QAM也可供选用。
随机扰乱和成形脉冲
这两点和连续模式相似，不再螯述。
(4)上行链路
上行链路采用TDMA方式， 用户首先通过注册和分配带宽，由基站指定使用一定的物理时隙进行通信。每个用户在所传数据前加入长度为0～1 024bit练习序列，且其长度和内容均可编程。
上行链路在系统结构和各部分功能要求上和下行链路突发包模式(Mode B)基本相同，这里不再重复。
5、 结束语
以上对BWA系统及IEEE802.16.1标准草案做了非常简单的介绍。可以看出，IEEE802.16.1标准定义的BWA系统是无线接入的空中接口，利用了很多现有的成熟和先进技术，可以与各种标准的外部网络(骨干网和用户网)灵活方便的连接，有利于系统的研制开发，缩短开发周期，也有利于降低成本，提高系统的可靠性。
宽带无线接入系统是未来宽带通信网络的一个重要组成部分，其无线接入带来的可移动性、灵活性和经济性，使其具有其他宽带系统无法替代和比拟的优势。 因此，目前中国有关部门与企业对LMDS系统的研制开发工作很重视。IEEE802.16.1标准草案的出台，无疑对我们的研发工作有重要意义，可以使我们少走弯路，降低开发成本。同时中国也应积极参与到该标准的制定工作中去，并制定出具有自主知识产权的标准和形成自己独立的宽带无线接入产业。我们已在这方面做了一些工作，正在继续努力，并希望与有关部门与企业合作，以期做出更大的成绩。
