1、WiMAX 技術講座第 3 講WiMAX MAC 層簡介 *郎為民 1,2（1. 解放軍通信指揮學院 武漢 430010） （2. 華中科技大學電子與信息工程系 武漢 430074）1. 連接連 接 是 WiMAX （Worldwide Interoperability for Microwave Access）中一個最基本的概念，它定義的是 一組正在傳輸的單向分組數據。特定業務匯聚子層 對來自高層的數據包進行分類，依據一定的規則將 其映射到某個連接上。數據的操作和調度都是以連 接為載體和基礎的。連接本身也體現著 QoS 的思想， MAC 層針對每個連接可以分別設置不同的 QoS 參 數，包括

2、帶寬、時延和時延抖動等，從而為該連接建 立專門的 QoS 保證機制。不同優先級或 QoS 要求的 業務 MSDU 在進入 CS 的分類器后，被分配到不同的 連接上，等待基站的調度發送。每個連接通過一個 16bit 的標識符（CID）來唯一 標識。基站管理著整個小區內的所有連接，連接的最 大限制是 65536 個。針對不同用戶站的連接可以由 基站發起建立，也可以由用戶站發起建立。連接的建 立是業務通信的前提，每個連接代表著不同的服務 類型、帶寬等參數。在用戶站入網初始化時，基站會 給用戶站分配管理連接。根據 MAC 管理幀應用時間 的緊迫程度，管理連接可分為基本管理連接和主管13WiMAX 是一

3、種可以提供電信級 QoS 保證的寬帶無線接入技術，而其 QoS 保證主要依賴于 MAC 層技術的支撐。MAC 層支持 QoS 管理，可以滿足不 同業務質量的需求，其最大特點是面向連接。該子層實現的操作包括系統接入控制、調度服務、帶寬的請求與分配、連接的建立與維護、網絡接入與初始化、初始測距與周期性測距等。 為支持移動性，IEEE802.16e 還在 MAC 層引入了一些新特性，如切換支 持、可節電的休眠模式和空閑模式等。MAC 層 s 分為 三個子層：特定業務匯聚子層（SSCS）、公共部分子層（CPS）和安全子層（SS）。特定業務匯聚子層特定業務匯聚子層（SSCS）子層主要負責將業務 接入點（

4、SAP）接收到的外部網絡數據轉換、映射到 MAC 業務數據單元（SDU），并傳遞到 MAC 層業務接 入點（SAP）。包括對外部網絡數據 SDU 執行分類，并 映射到適當的 MAC 業務流和連接標識符（CID）上， 以及執行凈荷頭壓縮（PHS）等功能。1.1連接及業務流1* 基金項目：國家自然科學基金資助項目（60602029）。78摘 要 本文分析了 WiMAX MAC 層的構成，介紹了特定業務匯聚子層（SSCS）的主要功能，描述了公共部分子層（CPS）的工作原理，最后給出了安全子層的協議棧和安全策略。關鍵詞 全球微波接入互操作性（WiMAX） 特定業務匯聚子層（SSCS） 公共部分子層（C

5、PS） 安全子層（SS）理連接、次管理連接。每個管理連接的作用和使用范圍各不相同。獨立的管理連接可以保證 MAC 管理功 能的迅速和有效實施，提高網絡的穩定性，不會造成 因為業務量的增加而影響無線網絡的維護和管理。 連接除了可以區分不同優先級的業務之外，它還是 WiMAX 網絡中尋址的重要信息。每個基站或用 戶站實際上都有一個 48bit 的 MAC 地址，但是該地 址僅僅在用戶站初始測距的過程中使用一次，且使 用目的是為了建立管理連接。在 WiMAX 網絡中，通 過統一尋址方式可以減輕很多 MAC 層的管理負擔， 甚至根據連接標識（CID）可以進行有效的凈荷頭壓 縮功能（PHS），減少 Vo

6、IP 等業務的傳輸開銷。2. 業務流業務流是 WiMAX 的另一個概念，這個概念的引 入是為了實現不同業務的不同 QoS。一個業務流以 一組 QoS 參數集為基本特征。每個連接上承載的就 是業務流。連接只是 MAC 內部工作使用的概念，與 上層業務相關的時候，就要應用到業務和業務流，業 務流與連接相互映射。MAC 本身提供了與業務流相 關的管理信令，用于創建、更改、添加、刪除業務。WiMAX 網絡可以提供 4 種不同等級的業務，分 別為：主動授權業務（UGS）、實時輪詢業務（rtPS）、非 實時輪詢業務（nrtPS）、盡力服務（BE）。WiMAX 網絡 的許多管理都是基于這 4 種服務展開的，

7、如帶寬分 配和請求就依據不同的服務提供靈活的 MAC 管理 幀。與連接類似，基站管理著所有的服務流 ， 不 同 的 業務流以業務流標識符 （SFID） 標識，業務流的取 值 范 圍 是32bit。業務流和連接把 MAC 從邏輯上分 成兩層，上層為向網絡層提供服務的業 務流，用于區分不同業務的 QoS；下層為 MAC 管理和調度的單位連接。通過 業務流和連接的映射，將需求和實現聯 系起來。1.2分類及映射分類是在 MAC 層兩端之間進行傳 輸時，將一個 MAC SDU 映射到一個特 定連接上的過程。映射過程將一個 MAC SDU 與一個連接聯系在一起，同時創建 一個與該連接的服務流特性相關聯的實

8、體。分類器是一系列的匹配標準，適用于所有進入WiMAX 網絡的分組數據。它由一些協議相關的分組 數據匹配標準、分類器優先級和 CID 組成。如果一個 分組數據與一個標準相匹配，則將被分發到由 CID 定義的連接用于發送。該連接的服務流特性提供這 個分組的 QoS。下行鏈路的分類器被基站應用到正在發送的分 組數據中，映射過程如圖 1 所示；上行鏈路分類器被 應用在用戶站上，映射過程如圖 2 所示。如果一個分 組數據可能與一系列的分類器匹配失敗，那么匯聚 子層必須丟棄這個分組。公共部分子層公共部分子層（CPS）是 MAC 的核心部分，主要 功能包括系統接入、帶寬分配、連接建立和連接維護 等。CPS

9、 子層通過 MAC SAP 接收來自各種 CS 層的 數據并分類到特定的 MAC 連接，同時對物理層上傳 輸和調度的數據實施服務質量（QoS）控制。2.1QoS 機制WiMAX 系統 QoS 機制包含兩部分內容：一部分 是關于業務流的管理，它提供了一種實現上、下行 QoS 管理的機制，它是 MAC 層的核心功能，包括 QoS 參數集、業務流定義、分類符和動態業務管理等；另 一部分是相應的 QoS 保證機制，包括調度算法、緩沖21. WiMAX 系統業務流管理在 WiMAX 中，QoS 的工作原理是通過 把 MAC 層傳輸的數據包與一個由連接標 識符（CID）標識的業務流關聯起來，數據包 的業務

10、類型和相應參數都包含在 CID 中， 使得每個數據包在進行調度前具有相應的 QoS 要求。IEEE 802.16 MAC 協議對 QoS 的 支持分為三部分：首先創建初始業務流，并 對業務流的 QoS 參數進行配置；然后對業 務流進行動態管理，包括動態業務增加（DSA）、動態業務改變（DSC）和動態業務刪 除（DSD）；最后在通信過程中對 MAC 的分 組數據單元（PDU）進行分類并依據業務流 的類別區分優先級進行調度。一種 WiMAX 系統業務流管理模型如圖 3 所示。多媒體 業務 QoS 的區分機制詳細闡述了上下行鏈路 SS 和 BS 的處理流程，包括不同業務的 CID 分配、調度和接入等

11、功能，調度在 QoS 保證中占有核心地域管理和流量控制等，在協議中對這些算法并沒有進行定義和闡述。80戶站的要求。帶寬請求的類型字段表示一次帶寬請求是增量請求還是總量請 求，對于附帶帶寬請求由于沒有類型字 段，因此都表示增加。請求 / 授權協議的 自我糾正特性要求用戶站周期性地使用 總帶寬請求來進行帶寬調整。這種周期 性的調整是 QoS 服務為了保證鏈路質 量的一個功能。為了防止沖突導致消息 丟失，廣播或多播帶寬請求應該使用總 帶寬方式表示。其他帶寬請求機制還包 括集中式的帶寬請求和 CDMA 帶寬請 求。2. 授權 對于用戶站，帶寬請求是按單個連接進行的，而每一個帶寬分配使用的是 用戶站的基

12、本 CID，而不是各個連接的 CID。由于哪一個請求被授權是不確定的，因此，當用戶站獲得的帶寬比期望的少時，不會 給出明確的原因。在各種情況下，用戶站根據最后從 基站收到的最新信息及請求的狀態，決定如何進行 處理，是再請求或是丟棄 SDU。用戶站要利用其基本 CID 所分配的時隙來發送位。2. WiMAX 系統 QoS 保證機制目前，WiMAX 網絡中有多種應用，包括話音、視 頻以及數據，實時性和互操作性要求各不相同。不同 業務采用不同的請求輪詢機制，為它們提供區分服 務對于保證不同業務的 QoS 來說是非常關鍵的。圖4 中給出了不同業務流相對應的業務分類、排隊和調 度機制，根據對實時性和傳輸

13、業務速率的要求不同 把所有業務分成三種業務類型進行排隊，然后不同 的對列采用不同的調度算法，從而滿足不同業務的 QoS 要求。2.2 帶寬分配及請求機制根據 IEEE 802.16 協議，用戶站可以通過請求、 授權、輪詢、基于競爭的集中式帶寬請求、基于競爭 的 CDMA 帶寬請求等多種方式向 BS 申請帶寬。1. 請求 當用戶站需要分配上行鏈路帶寬時，可以單獨發送一個帶寬請求幀頭或使用附帶請求。由于上行 的突發配置文件可以動態改變，因而所有的帶寬請 求應該明確表示需要多大的帶寬來傳送 MAC 幀頭 和凈荷，而不是物理凈荷。帶寬請求可以在除初始測 距外的所有上行間隔來發送。帶寬請求可以要求帶寬增

14、量或帶寬總量。當基 站接到帶寬請求時，應該增加或減少帶寬來滿足用數據，因此單播輪詢一般使用基本 CID 的數據授權機制，用戶站利用這個時機來為用戶站所有的連接 請求帶寬。用戶站采用的請求 / 授權流程如圖 5 所 示。3. 輪詢輪詢是基站為用戶站分配帶寬的一種處理流 程，這種分配可以是針對單個用戶站或是一組用戶 站。為一組用戶站和連接分配帶寬實際上是定義帶 寬請求競爭機制，這種分配不是使用一個單獨的消 息，而是上行鏈路映射消息中包含的一系列分配機 制。輪詢是基于用戶站的，帶寬的請求總是基于 CID，而分配則是基于用戶站。4. 基于競爭的集中式帶寬請求此種機制用于 OFDM 物理層。用戶站可以在

15、數 據幀的注冊項（REG）域內發送集中式的競爭請求消 息，其實現方式是在 4 個子載波組成的競爭信道上 等概率選取 8 個競爭碼中的一個發送。基站檢測到 該消息之后，將為該 SS 分配一定的帶寬用于發送帶 寬請求。5. 基于競爭的 CDMA 帶寬請求此種機制用于 OFDMA 物理層。OFDMA 定義了 一個測距子信道和 3 個偽隨機測距碼子集，分別用 于帶寬請求、初始測距和周期性測距。用戶站需要申 請帶寬時，可以從用于帶寬請求的測距碼子集中隨 機選擇一個 CDMA 測距碼通過測距子信道發送。基 站檢測到該消息之后，將為該用戶站分配一定的帶 寬用于發送帶寬請求。2.3 網絡接入與初始化根據 IE

16、EE 802.16 協議，用戶站接入網絡與初始 化過程可分為四步。（1） 掃 描下行信道，獲取 DCD、DL- MAP、 UL- MAP，并與基站建立同步。這里的同步是指 MAC 同步，一旦用戶站收到 DL- MAP，就意味著兩個 MAC 實體之間建立了同步關系，接下來的任務就是 用戶站的隨機接入。（2）獲取上行鏈路參數就是用戶站可以正確解 出 UCD，以獲取發送參數。這一步驟完成之后，用戶 站就知道應該在什么時刻發起上行接入過程，以及 用何種參數進行上行接入。（3）初始校準（測距）。初始校準的表層目的是進 行時偏校正和功率調整，但是其核心目的實際上是進行初始管理連接建立。當基站收到一個初始校

17、準請求后，就會給該用戶站分配初始管理連接和第一 管理連接。基站和用戶站開始建立基于連接的傳輸， 而后經過多次校準反復，以使用戶站的發射參數達 到相關指標。（4）在完成了初始校準后，基站和用戶站相繼進 行基本能力協商、認證與密鑰交換、注冊、建立 IP 連 接、向用戶站傳送配置參數等過程。安全子層（S S）WiMAX 是一種全 IP 的開放平臺結構，這種結 構所固有的安全特性，使得它可以提供基于開放標 準的更快和更便宜的端到端安全服務。WiMAX 規范3中的安全子層又稱為加密子層，安全子層的主要功能包括提供認證、密鑰交換和加解密處理。3.1協議棧在 IEEE 802.16 標準中，安全機制是通過基

18、站與 用戶站之間的加密連接實現的。因此，WiMAX 的 MAC 安全子層又稱為加密子層。IEEE 802.16e- 2005 安全子層的協議棧如圖 6 所示。加密部分主要有兩個協議：加密封裝協議負責 對寬帶無線接入（BWA）網絡中的分組數據進行加密 處理；密鑰管理協議提供了從基站到終端的密鑰數 據的安全分發機制。3.2安全策略在 WiMAX 網絡中，當兩個節點建立一個鏈接 時，它們通過一系列的協議來確保兩者之間的安全 性和唯一連接。基站和用戶站之間的握手機制，是通 過 MAC 層中的安全子層來完成的，該子層包括安全 關聯、X.509 證書、PKM 認證、機密性和密鑰管理以82及加密五個實體。根

19、據 IEEE 802.16 協議，安全子層提供了足夠的 安全條件來提供加密性、校驗和加密。但是，為了達 到更好的安全保障，在無線協同骨干網中需要一種端到端的安全策略，它能進一步提升整個網絡的安全性，這是 WiMAX 技術中安全性下一步研究的方向 之一。如對本文內容有任何觀點或評論，請發 E- m ail 至 s jtx參考文獻1 郎為民. WiMAX 技術原理與應用. 北京: 機械工業出版社, 20082 劉丹譜, 郝建軍, 樂光新. WiMAX 寬帶無線接入技術講座. 中興通訊技術, 2008, 14(2): 54573 周志東, 杜文峰, 賈維嘉. WiMAX 網絡 MAC 層接入算法研究

20、. 計算機應用研究, 2007(1): 305308（收稿日期：2009 年 2 月 20 日）S e rie s of Le cture sWiMAX P a rt 3：Introduction to the MAC La ye r of WiMAXLang Weimin1,2（1. PLA Institute of Communication Command, Wuhan 430010，China）（2. Department of Electronic and Information Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074，China）Abs tra ctThis paper analyzes the makeup of WiMAX MAC layer, presents the main function of Service Specific ConvergenceSublayer (SSCS), describes the principium of Common Part Subla