要害詞：寬帶無線接入標準 系統模型 介質訪問控制層 物理層
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 layer
1 、寬帶無線接入(BWA)系統
在未來的信息社會中，信息極大豐富，信息的獲取應極其便利。實現這個美好目標的物質技術基礎是寬帶通信網絡。目前，光纖通信科技的發展，已可實現在一條光纖上傳輸1 000Gbit/s的信息流，并且不斷向更高速率發展。
基于光纖通信的骨干網技術已可滿足社會發展對極大容量信息傳輸的要求。但是瓶頸存在于接入網，因此各種寬帶接入網技術的發展成為當前通信界關注的重點。在各種寬帶接入技術中，寬帶無線接入(BWA)系統具有靈活、方便、可移動性和投資少的明顯優勢，越來越受到IT業界的廣泛重視。
本地多點分配業務(LMDS)是近年來逐漸發展起來的一種雙向固定寬帶無線接入技術，可以提供大量的新興寬帶業務，如高速Internet接入、實時多媒體文件傳輸、交互式視頻、即時點播、電視會議及遠程醫療、教學、工作等，自美國CellularVision公司開發以來，受到了世界各地的普遍關注。之所以如此，是因為LMDS具有以下優點：
(1) 經濟性好：隨著電信市場的逐步開放，寬帶業務具有十分龐大的市場潛力。面對擁有大量基礎設施的老運營商，必須采用新技術。而作為寬帶無線接入技術之一，LMDS業務開展快、靈活性大、啟動成本低，非凡是基礎結構的成本低，適于隨著用戶的增加而漸進擴張，因此經濟性好。
(2) 真正的寬帶系統：目前，各國分配的LMDS帶寬至少有1GHz，能夠滿足不斷增長的帶寬需求，使得寬帶業務能夠克服銅纜本地環路的瓶頸，因而頗受業界人士的關注。
(3) 業務范圍廣：LMDS可同時向用戶提供話音、數據及視頻綜合業務，符合網絡融合的趨勢，與傳統的接入方式相比，更具靈活性，業務更加多樣化。
由于LMDS技術的以上優點，在世界各地陸續建設了一些試驗系統，提供多種多媒體業務，證實了LMDS系統的生存能力和適用性。許多國家已經相繼分配了本地區LMDS的工作頻段，非凡是發展中國家，把LMDS看作是光纜和銅纜的過渡或替代技術，以加快信息化建設。在中國，P－COM公司前不久與中國聯通簽署了一項協議，共同進行LMDS系統的試驗工作，已取得滿足的效果。作為一項很有前途的技術，LMDS的市場前景十分廣闊。中國有關部門和企業對發展LMDS系統予以高度重視，相關的工作也正在進行之中。
目前國際上有很多公司推出了LMDS系統的產品，并已陸續投入商用。但尚無統一的標準，這阻礙了BWA接入系統的進一步發展。因此BWA系統的標準化工作已成為當務之急。2000年8月，美國IEEE標準802系列802.16工作組提出了一個固定寬帶無線接入系統空中接口的IEEE 802.16.1標準討論稿，這對中國BWA系統的研發工作有重要的指導意義。
2 、802.16.1系統概述
2.1 系統模型
圖1 IEEE802.16.1系統參考點模型
圖1所示為系統參考點模型。系統的組成包括：實現802.16.1空中接口介質訪問控制(MAC)和物理(PHY)層協議的基站收發站(BTS)和用戶收發站(STS)，與外部網絡(骨干網和用戶網)的接口BNI和SNI，和由MAC和PHY傳輸的服務。更大的系統包括用戶終端、BTS連接網絡和網管設備等。802.16.1標準規定了工作在30GHz鄰近頻段，提供多種服務的固定點對多點(PMP)，即基站收發站到一個或多個用戶收發站，寬帶無線接入系統空中接口PHY和MAC層的技術規范。它實際上獨立于使用頻率，可廣泛適用于工作在10～60GHz信道化頻段的無線系統，以適應各國分配的頻段差異。
802.16.1系統一般是一個頻率重用的多小區系統，類似于蜂窩網系統，但不支持移動性。無線覆蓋范圍受發射功率和30GHz頻段視線(LOS)傳輸的限制，一般在5km以下。BTS是分扇區獨立工作的，采用寬方位角波束的扇區成形天線，覆蓋多個用戶站，要求寬頻帶的用戶使用窄的扇區，而窄帶用戶則使用寬的扇區。STS采用指向BTS的窄波束定向天線。所有數據流通過BTS，STS間不能直接通信。
STS根據QOS要求申請使用頻帶，由BTS控制頻道的分配。在下行信道中采用無競爭的廣播總線方式，上行方向協議提供對多個STS信息流的競爭分解和復用。
2.2 協議
圖2 IEEE802.16.1標準的分層協議
圖2示出802.16.1分層協議。801.16.1協議除802系列的LLC、MAC和PHY各層外，還傳輸對應于承載服務要求的各種上層協議，每個特定上層協議設定一會聚子層(CL)。會聚子層的功能包括：將上層的PDU幀封裝在本地的802.16.1 MAC/PHY PDU中；上層地址與802.16.1地址間的映射；將上層服務等級(COS)/服務質量(QOS)參量轉換為802.16.1 MAC格式；將上層信息流的時間關聯性轉變到等效的MAC服務中。
MAC協議的主要目的是共享無線信道資源。它定義了如何和何時一個BTS或STS開始在信道中發送信息，定義了向上層提供有保證服務的接口和手續，對上行方向的傳輸還提供競爭解決和頻帶分配。
傳輸會聚子層(TC)將MAC層的要求轉變為物理層的服務。
保密子層采用國際采用的強保密算法，保證系統的安全性。
在分層協議系統中，在各層之間傳遞的信息流由原語來定義?；镜耐ㄐ胚^程為：首先由會聚子層(CL)向MAC層發起請求，發起端的MAC層通過空中連接將請求送到目的端MAC層，目的端MAC層向它的CL層發出指示，該CL層做出應答，這個應答信號再傳送到起始MAC，起始端的MAC向最初的請求實體發出確認信息。
2.3 性能和容量
802.16.1協議適用于不同性能和容量的系統，從要求大通信量和高COS/QOS要求的商業用戶到小規模的用戶；可向一個STS提供2～155Mbit/s的峰值速率，今后還將提供高于155Mbit/s的速率；上/下行方向可提供對稱和不對稱的帶寬和COS/QOS要求的應用。
802.16.1系統能在99.99％時間內以低于10－8誤碼率傳輸所有業務，這相當于失效率為53秒/年。引起802.16.1系統失效的最主要原因是下雨引起的衰減。協議采用快速靈活的增加無線帶寬、縮小傳播距離和提高發射功率來滿足下雨和氣候變化情況下的通信要求。
系統容量定義為用戶數、要求的峰值帶寬和QOS保證的乘積，容量會隨系統工作條件而變，因此必須仔細規劃以滿足QOS保證和誤碼性能的要求。
協議還要對3類延遲進行規定：介質訪問延遲、信息在BNI和SNI之間的傳輸延遲、端到端延遲。其中后者包括前者。
2.4 支持的應用和服務
802.16.1標準的目的是提供一個第3方或公共實體運營的城域無線網，向用戶提供簽約的服務。作為公眾網，它必須有機制驗證通信流是否源于合法用戶，并能防止用戶越限使用資源。任何違約企圖都不應損害其他用戶的正常服務，必須可以測量用戶使用資源的情況作為服務資費的依據，必須通過加密保證用戶的通信秘密。
作為有線網絡的替代或補充，BWA網必須能傳輸各種有線和光接入網的高質量的通信業務，包括數據、話音、音頻和視頻通信流。
802.16.1 BWA系統最適用于商業和多住戶住宅樓，將來的802.16系列將包含單個家庭住宅。BWA的要害是“接入”到其他網絡，如互聯網、專用網、電話網等，而不是直接構成一個通信系統。BWA系統一個接入點的STS可支持多個用戶，也就是說用戶接入點對多個“零售”用戶提供“批發”連接。
802.16.1 BWA系統提供的承載服務包括：
上述承載服務的各COS/QOS參量可轉換成802.16.1定義的一組公共參量，并由相應的會聚子層設定在協議信令中。
3、 MAC層協議
在任何共享資源的網絡中，各用戶必須遵循一定的資源分配方案，從而實現資源的有效利用。802.16.1無線鏈路基于一個中心基站和分扇區的天線同步處理多個獨立扇區。在給定的頻率和天線扇區中，所有的用戶收到相同的傳輸信息，因此下行鏈路(基站到用戶)是一個點對多點操作，基站是該方向上的唯一消息發送者，它將消息廣播至各用戶端，用戶端通過檢驗地址接收發給自己的信息；用戶端共享上行鏈路(用戶到基站)發送或接收消息。在每一個扇區中，所有用戶必須遵守一定的傳輸協議。協議采用非申請授予(Unsolicited Grant Service)、輪詢(Polling)、競爭(Contention)等頻帶分配技術的不同組合，定義了5種上行鏈路過程機制，以減少競爭并最佳滿足各用戶對帶寬和時延的要求。
(1)連接和服務流
MAC是面向連接的。為了進行對用戶端設備(CPE)的各項服務并保證各種不同的QOS，所有的數據通信是通過連接進行的。當CPE進行系統注冊以后，連接建立起來，該連接定義了利用MAC操作的同等會聚過程之間的映射關系和一個服務流，服務流定義了協議數據單元(PDU)的QOS參數。
服務流是一個提供單一方向的數據包傳輸的MAC層傳輸服務，一個連接的服務流概念是MAC協議工作的核心概念，它由一組QOS參數，如延遲、抖動和流量保證等來表征，提供了上行和下行鏈路的QOS治理機制，它和頻帶分配過程相結合。上/下行方向都有服務流，所有服務流有基站 (BS) 分配的32bit服務流標識符(SFID)。工作的服務流還有一16bit連接標識符(CID)。
每一個CPE都有一個64bit EUI，用于區別所有制造商及設備類型，該地址在CPE注冊過程中用于建立正確的連接，并使BS和CPE相互確認。
每一個連接都有一個16bit的連接標識符(CID)，所有的傳輸請求都是基于該CID的，服務類型也隱含在CID中。
用戶數據通過會聚子層被提交到MAC層上傳輸，這些消息中包含連接標識符，通過這個CID映射到該連接的服務流上。根據服務流的特征可以把服務流分為不同的類別，從而上層實體和外部請求可以根據所需的QOS選擇服務流。一旦連接建立起來，它將被保持，直到收到要求終止的消息。
(2)配置和MAC層消息的編碼
這些編碼用于配置文件、CPE注冊請求和動態服務消息中，具有Type/Length/Value格式，包括：配置文件和注冊設置、配置文件專用設置、注冊請求/應答專用編碼、動態服務消息專用編碼、服務質量相關編碼、保密配置設置選項、認證碼、會聚子層參數編碼。
(3)配置文件
配置文件中包含有CPE IP地址及CPE專用配置設置，該二進制文件與DHCP制造商擴展數據RFC－2132格式相同。
配置的編碼格式為：Type/Length/Value，所有的配置設置在文件中直接相接。
(4)消息格式
MAC協議數據單元PDU由一個固定長度的總MAC消息頭開始，可能包含來自于一個會聚子層的負載消息為任選項，其長度可變。該負載消息又分為會聚子層消息頭(Convergence Sub－layer Header)和數據部分(Convergence Sub-layer Data)，這一部分的定義不在該MAC協議所述范圍之內，MAC能夠在無需了解上層數據格式的情況下通過各種類型的高層信息流。
MAC消息頭有3種不同的格式，其中兩種為一般消息頭，出現于所有MAC消息中，包括治理消息和會聚子層數據；另外一種格式用于請求附加帶寬。
(5)幀和時間段安排
MAC支持分幀和不分幀的物理層。對分幀的物理層，MAC將其時間段安排與物理層幀相一致；對非幀物理層，MAC時間段的安排要使系統性能最佳。TDD、突發FDD和FSDD模式工作采用分幀的物理層，連續FDD模式工作無明顯的物理層成幀，通過上/下行MAP消息中時間戳來運行。
(6)競爭解決
MAC在上行鏈路映射消息中定義了一系列的消息元素IE，從而實現上行鏈路各時隙的分配并確定哪些時隙發生了碰撞，BS可答應碰撞發生在REQ或數據PDU中。主要的競爭解決方法是基于一個截短的二進制指數回退，其起始回退窗和最大回退窗由BS控制，其值在上行鏈路映射消息中規定。
當CPE要傳送消息而要求進入競爭解決過程時，它將起始回退窗設為與當前有效的上行鏈路映射消息中規定的起始值相等，然后隨機選擇一個在回退窗范圍內的數字。該隨機數指出了該CPE在傳送消息之前所要等待的競爭傳送機會個數。在競爭發送后，CPE要等待一個來自于下一個上行映射的數據認可消息，收到后該競爭解決過程就完成了。若沒有收到認可消息，則表明傳送消息丟失，CPE將回退窗加倍(仍需保證小于最大回退窗)，選擇新的隨機數，重復上述過程。
(7)分段
分段過程是將會聚子層的負載消息分為兩個或多個MAC PDU的過程，從而在滿足連接服務流的一定QOS要求基礎上實現對信道帶寬的充分利用。
(8)帶寬分配和請求機制
CPE從BS獲得帶寬要求消息可以有多種方法：CPE申請(Request)，包括每連接授予(Grants per Connection?GPC)方式和每終端授予(Grants per Terminal?GPT)方式；輪詢(Polling)，包括單播(Unicast)、多播(Multicast)和廣播(Broadcast)。
注冊時每個CPE被分配了分別用于發送和接收控制消息的兩個CID，除了不可壓縮的恒比特率非申請授予服務(UGS)消息，其他服務都可以有增加或減少帶寬的要求。
(9)網絡進入和初始化
CPE進入網絡的初始化過程可分為如下階段：監視下行信道并與BS同步；從PCD消息獲取傳輸參數；測距；建立IP連接；建立日期；傳送操作參數；注冊；保密初始化。
(10)服務質量
提供QOS的主要機制是將通過MAC層的數據分組附帶一個由CID標識的服務流以給出消息的傳輸次序和時間表。
(11)認證和保密
保密是通過對CPE和BS之間的連接進行加密而提供的保密服務，同時具有防止服務被竊取的功能，它由兩個子協議組成：
4 、物理層
物理層技術規范的設計滿足BWA系統的各項功能要求，它綜合各種現有標準的特點，提升現有技術以降低設備成本和增加魯棒性，保證在10～60GHz頻段的可靠運行。另外，該系統具有高度的靈活性，使設備供給商能根據小區規劃、成本、無線設備性能、提供的服務和容量要求來最佳地部署系統。
(1)多址、復用及雙工技術
物理層上行鏈路采用TDMA與按需分配多址(DAMA)相結合的多址接入方式。上行信道劃分為多個時隙，分配給不同用途(注冊、競爭、防護或用戶數據)的時隙數由BS MAC層控制，可隨時改變以獲取最佳性能。下行鏈路可采用時分復用(TDM)方式，或在突發模式中采用類似于上行TDMA突發的方式。
BWA系統的下行鏈路有兩種模式，支持連續傳輸的A模式和支持突發包(Burst)傳輸的B模式。對于A模式采用的雙工技術僅為FDD方式；對于B模式采用的雙工技術除FDD外，還采用了TDD和 FDD方式的變型??頻率變換雙工(FSDD)。它采用和FDD類似的上行和下行信道頻率配置，區別在于不僅支持全雙工信道，還支持相當數量的半雙工信道。
(2)下行鏈路連續模式(Mode A)
該模式支持Reed－Solomn碼、交織編碼和卷積編碼級聯形式的連續信息傳輸,采用FDD方式。單個載波具有固定的糾錯編碼和調制格式,不同載波可以設置不同的糾錯編碼和調制格式。由于沒有固定的幀結構，業務分配相當靈活。
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圖3 下行鏈路連續模式結構
該模式支持突發包傳輸，同時該模式還支持在同一載波上自適應地實行不同的糾錯編碼和調制模式，以最大程度利用無線鏈路。為了簡化相位恢復和信道跟蹤，采用固定的幀結構，并在每幀加入練習序列。
(4)上行鏈路
上行鏈路采用TDMA方式， 用戶首先通過注冊和分配帶寬，由基站指定使用一定的物理時隙進行通信。每個用戶在所傳數據前加入長度為0～1 024bit練習序列，且其長度和內容均可編程。
上行鏈路在系統結構和各部分功能要求上和下行鏈路突發包模式(Mode B)基本相同，這里不再重復。
5、 結束語
以上對BWA系統及IEEE802.16.1標準草案做了非常簡單的介紹?？梢钥闯?，IEEE802.16.1標準定義的BWA系統是無線接入的空中接口，利用了很多現有的成熟和先進技術，可以與各種標準的外部網絡(骨干網和用戶網)靈活方便的連接，有利于系統的研制開發，縮短開發周期，也有利于降低成本，提高系統的可靠性。
寬帶無線接入系統是未來寬帶通信網絡的一個重要組成部分，其無線接入帶來的可移動性、靈活性和經濟性，使其具有其他寬帶系統無法替代和比擬的優勢。 因此，目前中國有關部門與企業對LMDS系統的研制開發工作很重視。IEEE802.16.1標準草案的出臺，無疑對我們的研發工作有重要意義，可以使我們少走彎路，降低開發成本。同時中國也應積極參與到該標準的制定工作中去，并制定出具有自主知識產權的標準和形成自己獨立的寬帶無線接入產業。我們已在這方面做了一些工作，正在繼續努力，并希望與有關部門與企業合作，以期做出更大的成績。
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