摘要：光纖技術的普遍應用使骨干網(wǎng)的承載能力大大提高，造成接入網(wǎng)成為業(yè)務的“瓶頸”。寬帶無線接入系統(tǒng)WiMax具有帶寬利用率高、覆蓋范圍大以及支持移動性等優(yōu)點，是采用無線方式打破接入網(wǎng)“瓶頸”的重要一步。WiMax系統(tǒng)雖然給接入網(wǎng)增加了許多新的特性，但也帶來了許多新問題，比如無線環(huán)境中的安全保證、動態(tài)資源管理、移動性管理等，特別是QoS機制，是復雜通信環(huán)境中提供可靠的端到端業(yè)務的重要保證。這些問題需要在實踐中不斷完善加以解決。

關鍵詞:WiMax系統(tǒng)；服務質(zhì)量；IP網(wǎng)絡

Abstract:The wide application of optical fiber has greatly improved the bearing capability of the bone network. However， communication services have a bottleneck at the access network. WiMax system， a kind of broadband wireless access system， enables efficient utilization of bandwidth， has a broad coverage， and supports mobility. It plays an important role in wireless solution to the bottleneck at the access network. Though WiMax system brings a lot of new characteristics for the access network， it also brings new problems as of security in wireless environment， dynamic resource management， mobility management， and especially QoS that is an important guarantee for reliable end-to-end services in complex communication environments. Therefore， it is necessary to improve WiMax system in practice and work the problems out.

Key words:WiMax system; QoS; IP network

2004年10月支持固定接入的IEEE 802.16-2004^[1]規(guī)范正式發(fā)布，2005年4月Intel公司發(fā)布了第一款支持IEEE 802.16-2004的芯片——Pro/Wireless 5116，同月Alavrion公司宣布推出基于這一芯片的客戶端實驗室樣機。到2005年底WiMax論壇成員達到350個，WiMax系統(tǒng)成為通信界的一個熱點話題。

2005年底發(fā)布的802.16e-2005^[2]增加了對移動性的支持，將WiMax技術又推進了一大步。一系列相關信息預示著WiMax正逐步從技術研究走向?qū)嶋H應用。

1 WiMax系統(tǒng)的主要特性

目前，經(jīng)歷了通信技術和通信網(wǎng)絡的高速發(fā)展，人們對未來通信網(wǎng)絡有了基本共識，即圍繞著業(yè)務的開發(fā)、引入和使用，希望未來的通信網(wǎng)絡具有良好的帶寬特性、良好的互操作性、端到端的服務質(zhì)量(QoS)保障機制和強大的業(yè)務支持能力。光纖技術的普遍應用使骨干網(wǎng)的承載能力大大提高，接入網(wǎng)成為業(yè)務“瓶頸”，對于無線系統(tǒng)更是如此。第3代移動通信合作計劃(3GPP)的寬帶碼分多址(WCDMA)標準在R99版本中，在5 MHz帶寬上，下行峰值速率達到384 kb/s；在R5版本中，下行峰值速率提高到14 Mb/s。在3GPP2的CDMA2000 1x EV-DO的RevA版本中，在1.25 MHz帶寬上，反向峰值速率可達到3.1 Mb/s。但是對于快速增長的數(shù)據(jù)業(yè)務，特別是多媒體業(yè)務，3G系統(tǒng)仍存在一定局限性。

作為通信新技術，WiMax系統(tǒng)的出現(xiàn)和進展源于這一系統(tǒng)從開始就考慮到未來通信網(wǎng)絡的需求，并融入了先進的無線技術，使之具備并逐步增加應對未來通信需求的能力。IEEE 802.16空中接口和WiMax系統(tǒng)具有以下特性：

(1)采用正交頻分復用(OFDM)、正交頻分多址(OFDMA)等先進傳輸技術，具有大帶寬特性。理想傳輸環(huán)境下，在20 MHz帶寬上，可實現(xiàn)75 Mb/s的傳輸速率，帶寬利用率可以達到

3 bps/Hz。

(2)采用自適應調(diào)制、智能天線等無線技術，增加電路預算，覆蓋范圍大。視距傳輸條件下最遠覆蓋半徑可達50 km，非視距城區(qū)傳輸環(huán)境下一般能達到1～5 km。

(3)具有QoS保證機制，使業(yè)務能夠延伸到接入網(wǎng)。IEEE 802.16e-2005空中接口定義了5種QoS業(yè)務調(diào)度類型、3種業(yè)務流狀態(tài)，業(yè)務建立采用申請/允許方式，使基站(BS)能夠針對無線資源進行接入控制和帶寬管理，保證接入網(wǎng)內(nèi)部的業(yè)務質(zhì)量。

(4)在IEEE 802.16e-2005空中接口和網(wǎng)絡側增加對切換和移動性管理相關的信令，應對移動通信的需求。

(5)在空中接口協(xié)議棧中特別增加匯聚子層，支持不同承載技術。

(6)采用基于保密密鑰管理v1(PKMv1)、PKMv2的安全密鑰管理協(xié)議，抗攻擊性強。

(7)基于IP的網(wǎng)絡架構，順應統(tǒng)一IP核心網(wǎng)+接入網(wǎng)的網(wǎng)絡模式。

在諸多特性中，與以往的無線接入技術相比，QoS機制是WiMax的一個重要方面。這一特性是真正實現(xiàn)端到端的業(yè)務的保證。

2 IEEE 802.16的協(xié)議棧

作為空中接口規(guī)范，IEEE 802.16規(guī)范的工作頻段為2 GHz～60 GHz；支持頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)兩種復用方式；物理層技術包括單載波、OFDM及基于OFDM的幾種演進技術，比如OFDMA和可配置OFDM；不同的物理層傳輸技術可選用不同的可用帶寬，在OFDM下分別可以利用1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、3 MHz、5.5 MHz和10 MHz的可用帶寬，OFDMA下則分別可以有1.25 MHz、3.5 MHz、7 MHz、8.75 MHz、14 MHz、17.5 MHz和28 MHz的可用帶寬；在匯聚子層，提供對應ATM、IP、Ethernet外部承載的選項，并可以進一步擴展；在安全方面，提供基于PKMv1或PKMv2的認證和密鑰管理，提供多種管理信息和業(yè)務的加密密鑰和算法，并提供用戶認證和設備認證兩種認證方式。因此定義WiMax系統(tǒng)的空中接口時需要用一組參數(shù)集來指定，參數(shù)集包括：

(1)媒體訪問控制層參數(shù)集

媒體訪問控制層參數(shù)集包括匯聚子層特性、對應的分類器、是否支持包頭壓縮、是否支持自動重發(fā)請求(ARQ)、媒體訪問控制(MAC)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)與外部業(yè)務流的對應關系、業(yè)務調(diào)度類型等。

(2)物理層參數(shù)集

物理層參數(shù)集包括復用模式、調(diào)制方式、可用帶寬、速率、幀長、滾降因子、頻差容限等。

(3)功率等級參數(shù)集

功率等級參數(shù)集包括所用的最大發(fā)射功率等參數(shù)。

IEEE 802.16協(xié)議棧及各子層所支持功能、技術、算法如圖1所示。

3 WiMax系統(tǒng)模型

未來通信網(wǎng)絡具有開放性，這不僅體現(xiàn)在追求規(guī)范和標準的一致，也意味著網(wǎng)絡的部署在功能和區(qū)域上可能重疊，網(wǎng)絡的所有者將不再是單一的基礎網(wǎng)絡運營商。WiMax系統(tǒng)面對或即將面對的就是這樣一個事實。圖2所示是一個WiMax系統(tǒng)環(huán)境示例，它體現(xiàn)了不同網(wǎng)絡、不同運營商之間的關系。業(yè)務提供商(ASP)可以通過多個網(wǎng)絡業(yè)務提供商(NSP)提供業(yè)務，而接入網(wǎng)提供商(NAP)也可以通過多個NSP獲得業(yè)務，形成多個交叉。各運營商之間采用開放的接口進行業(yè)務傳遞和參數(shù)協(xié)商，并在一定程度上達到網(wǎng)絡資源的合理使用，用戶對業(yè)務有了更大的選擇權，因此對業(yè)務質(zhì)量也提出了更高要求。

在開放的電信環(huán)境中，一條成熟的產(chǎn)業(yè)鏈包含很多環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)有很多參與者，因此開放的接口非常重要。在WiMax系統(tǒng)中，根據(jù)運營商的性質(zhì)，目前至少應該有5個開放的接口，即運營商之間的開放接口和空中接口(如圖3所示)，它們分別是：

(1)R₁

空中接口R₁是注冊終端/移動終端(SS/MS)與BS之間的空中接口。

(2)R₂

SS/MS與連接服務網(wǎng)絡(CSN)之間的接口R₂是一個邏輯接口，實現(xiàn)用戶認證和業(yè)務授權、IP地址管理等管理平面功能。

(3)R₃

R₃是接入服務網(wǎng)絡(ASN)和CSN之間的接口，實現(xiàn)ASN和CSN之間用戶數(shù)據(jù)的傳輸和認證、移動性管理等控制信令的交互。

(4)R₄

R₄是ASN之間的接口，在支持移動應用場景時，MS越區(qū)時的數(shù)據(jù)和信令通過R4實現(xiàn)。

(5)R₅

R₅是歸屬地CSN與訪問地CSN之間的接口，作為支持游牧接入和移動接入的系統(tǒng)，歸屬地CSN和漫游地CSN之間的用戶數(shù)據(jù)和信令通過接口R5完成。

目前這些接口協(xié)議尚未最終完全確定，但其開放性是確定的，隨著網(wǎng)絡功能的進一步細化和網(wǎng)絡實體的確定，網(wǎng)絡內(nèi)部不同實體間、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)與網(wǎng)絡實體間的接口也有逐步開放的趨勢。

4 QoS保障機制

QoS保障機制是WiMax系統(tǒng)重要的特性之一，作為支持移動的無線接入網(wǎng)，WiMax的QoS面臨如下問題：

·無線信道的不確定性

·移動用戶的動態(tài)分布

·業(yè)務種類的多樣性

這些特性使WiMax的QoS在接入控制、帶寬管理等方面具有自己的特性，體現(xiàn)在空中接口規(guī)范IEEE 802.16上，具有如下特性：

(1)基站集中控制

基站集中控制包括接入控制和帶寬管理。MAC層接入采用申請/允許機制，與IEEE 802.11a/b的競爭接入載波偵聽多點接入/沖突避免(CSMA/CA)相比，BS能夠有效進行接入管理和帶寬管理。

(2)業(yè)務調(diào)度類型

IEEE 802.16定義了5種業(yè)務調(diào)度類型，并明確了每種業(yè)務類型所對應的QoS參數(shù)，使BS可以采用不同的調(diào)度算法，保證不同業(yè)務的需求。

(3)業(yè)務流管理

在空口中沒有定義基站采用的調(diào)度算法，但對應業(yè)務流的不同狀態(tài)定義了不同業(yè)務流標志符及對應QoS參數(shù)集。不同業(yè)務狀態(tài)之間的轉換可以由SS/MS觸發(fā)，但轉換則由BS決定，這為BS的接入控制和調(diào)度算法提供了靈活性。

5 基于WiMax接入的IP網(wǎng)QoS端到端架構

WiMax系統(tǒng)的QoS管理僅局限于接入網(wǎng)內(nèi)，而端到端的業(yè)務需要跨越一個或多個骨干網(wǎng)的QoS管理區(qū)域。事實上，業(yè)務的QoS保證與業(yè)務連接路線的每一部分都緊密相關。

對業(yè)務的QoS保證一直貫穿于通信網(wǎng)絡發(fā)展的始終。在窄帶時代，業(yè)務單一，業(yè)務量小，大多數(shù)為有線傳輸，QoS的實現(xiàn)相對簡單。但當數(shù)據(jù)業(yè)務特別是多媒體業(yè)務迅速膨脹、Internet廣泛普及、無線和移動成為通信領域重要的組成之后，QoS保證機制面臨許多問題，并成為通信技術研究重點之一。

端到端的連接能否建立更多取決于傳輸層和網(wǎng)絡層技術，而端到端業(yè)務質(zhì)量的保證則涉及到多個方面。在ITU-T的Y.qosar草案中，提出了分組網(wǎng)絡的QoS體系，將QoS機制的功能劃分為3個平面，即數(shù)據(jù)平面、控制平面和管理平面，分別處理業(yè)務流管理、信令、用戶信息。從縱向看，貫穿于從應用層到物理層的每個層次，特別是應用層、網(wǎng)絡層和傳輸層，是業(yè)務QoS需求和參數(shù)的傳遞；從橫向看，則從用戶駐地網(wǎng)、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)到對端的用戶駐地網(wǎng)，在整個業(yè)務連接路徑上都有相應的QoS機制，才能實現(xiàn)端到端的QoS。

由于不同網(wǎng)絡的QoS機制不同，因此實現(xiàn)真正的QoS管理非常困難。一般情況下只能實現(xiàn)在不同QoS管理區(qū)域內(nèi)的分別管理，不同層、不同QoS機制間采用參數(shù)映射的方式將業(yè)務需求提交到下一個QoS區(qū)域內(nèi)。

IP網(wǎng)絡是目前真正意義上的全球性的網(wǎng)絡，也是下一代通信網(wǎng)絡(NGN)的基礎。

目前IP網(wǎng)內(nèi)有3種QoS機制^[3-8]：

(1)綜合業(yè)務模型/資源預留協(xié)議

綜合業(yè)務模型(IntServ)根據(jù)業(yè)務需求利用資源預留協(xié)議(RSVP)在整個業(yè)務連接路徑上進行資源預留，實現(xiàn)真正的端到端保證。但這種方法占用網(wǎng)絡資源過多，不適合大型網(wǎng)絡。

(2)區(qū)分服務

網(wǎng)絡設備根據(jù)每跳行為(PHB)策略按照業(yè)務流分類標志進行業(yè)務流轉發(fā)，每個網(wǎng)絡設備只保證按照業(yè)務優(yōu)先級順序向下轉發(fā)。區(qū)分服務是目前廣泛采用的技術。

(3)多協(xié)議標記交換

在業(yè)務流傳遞之前先建立傳輸路徑，利用簡單的標簽標記業(yè)務路徑。在業(yè)務傳遞時只需查詢標簽，避免查詢復雜的路由表。多協(xié)議標記交換可以看為介于二、三層之間的技術，不適合大型網(wǎng)絡。

3種技術可以配合使用。除了IntServ/RSVP，另外兩種技術的QoS并不能實現(xiàn)真正的端到端QoS，但配合并通過網(wǎng)絡輕載、接入控制、流量規(guī)劃等措施，能夠一定程度地實現(xiàn)整個IP網(wǎng)絡的QoS。

WiMax接入網(wǎng)內(nèi)和空中接口的QoS管理機制在前面已經(jīng)介紹。如果IP網(wǎng)絡采用區(qū)分服務(DiffServ)機制，在這個端到端模型中，為了實現(xiàn)端到端QoS，要實現(xiàn)兩個映射：

(1)應用層服務等級協(xié)議(SLA)至接入網(wǎng)的調(diào)度業(yè)務類型映射

在用戶與業(yè)務提供商之間簽訂的SLA中除了將對業(yè)務的主體、有效期、保證體系進行定義外，還將顯式或隱式定義業(yè)務的QoS參數(shù)服務水平規(guī)定(SLS)。這些參數(shù)可以是應用層的，并在QoS實現(xiàn)中提交給下面的網(wǎng)絡層；也可以是直接針對網(wǎng)絡層和傳輸層。業(yè)務是豐富多彩的，而且不斷推陳出新，因此直接定義業(yè)務沒有太大的意義，但是通過定義業(yè)務的QoS參數(shù)并將其作為不同QoS區(qū)域的共同約定，則可以在一定程度上對業(yè)務的需求達成共識。事實上，在網(wǎng)絡層和傳輸層并不關心業(yè)務種類，僅按照這些參數(shù)進行QoS控制和管理。

在WiMax之前，能夠提供真正QoS的無線接入網(wǎng)幾乎沒有，因此對WiMax接入網(wǎng)業(yè)務SLA/SLS的研究還幾乎沒有看到，考慮到WiMax對QoS的支持有其特殊性，同時業(yè)務種類越來越豐富，對QoS的需求也各不相同，建議WiMax接入網(wǎng)的主要SLS參數(shù)至少應該包括調(diào)度類型、最小預留速率、最小速率、抖動、延遲、可靠性。

(2)接入網(wǎng)調(diào)度業(yè)務類型至DiffServ的DS映射

IEEE 802.16空中接口的每個連接標識符(CID)都對應一種業(yè)務調(diào)度類型及對應參數(shù)，WiMax接入網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)包經(jīng)過聚合和封裝后轉交給IP網(wǎng)絡。對采用DiffServ機制的IP網(wǎng)絡而言，其業(yè)務保證機制PHB根據(jù)DS域的6位定義值決定，因此有必要對兩種網(wǎng)絡之間的參數(shù)進行約定。在RFc2597中，定義了12種AF(Assured Forwarding)類業(yè)務，另外缺省的全“0”的DS對應EF類業(yè)務；RFc3246中定義了EF(Expedited Forwarding)類業(yè)務，規(guī)范中沒有對這些業(yè)務的具體參數(shù)進行定義，僅僅給出了幾類業(yè)務的相對優(yōu)先級關系，實際業(yè)務與這些分類業(yè)務的對應關系取決于運營商如何規(guī)定。在WiMax接入網(wǎng)與DiffServ IP網(wǎng)的邊界，需要將WiMax接入網(wǎng)內(nèi)的調(diào)度業(yè)務類型映射到DiffServ的區(qū)分服務編碼點(DSCP)。

QoS機制在不同網(wǎng)絡中有所不同，在網(wǎng)絡邊界都面臨參數(shù)的映射和交互，大多數(shù)QoS機制都只能支持業(yè)務優(yōu)先級方式，如DiffServ、802.1Q等。在不同運營商的網(wǎng)絡之間，業(yè)務的相對關系根據(jù)兩網(wǎng)絡運營商間的SLA來約定，其中業(yè)務等級對應關系是必不可少的。

6 結束語

WiMax系統(tǒng)給接入網(wǎng)增加了許多新的特性，也帶來了許多新問題，比如無線環(huán)境中的安全保證、動態(tài)資源管理、移動性管理等等。目前整個IEEE 802.16系列規(guī)范還沒有完全成熟，WiMax論壇對網(wǎng)絡的研究還處于起步階段，整個產(chǎn)業(yè)鏈雖然已經(jīng)有一定規(guī)模但還有待成熟，產(chǎn)品的類型和功能還需要豐富，預計真正的支持固定和游牧接入的WiMax系統(tǒng)在2007年會形成規(guī)模應用，支持移動接入的WiMax系統(tǒng)則會更晚一些。雖然WiMax存在許多不成熟的地方，但并不影響人們對WiMax系統(tǒng)的期待和對這一技術的研究，因為它是打破無線接入網(wǎng)“瓶頸”的重要一步。

新業(yè)務、新技術的不斷涌現(xiàn)使QoS成為通信網(wǎng)絡永恒的研究課題，QoS也是WiMax備受追捧的原因之一。提供端到端的QoS遠比建立端到端的業(yè)務要復雜得多，業(yè)務等級映射僅僅是目前QoS的一個措施，需要解決的問題還很多，比如：在應用層對業(yè)務及參數(shù)和各種QoS機制中對業(yè)務等級的定義還不一致，還沒有真正意義上的端到端QoS管理和策略，無法實現(xiàn)各種不同機制網(wǎng)絡間、相鄰層間的資源信息交互，無法實現(xiàn)網(wǎng)絡資源參數(shù)的測量和QoS參數(shù)在不同網(wǎng)間的分解，對于WiMax系統(tǒng)這種支持移動性的網(wǎng)絡更需要考慮動態(tài)資源預留和管理等。相信這些問題隨著研究的深入會逐一得到解決。

7 參考文獻

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收稿日期：2006-04-17

作 者 簡 介

王兵，中國聯(lián)合通信有限公司博士后，研究方向為無線寬帶接入系統(tǒng)網(wǎng)絡架構及關鍵技術。

張智江，中國聯(lián)合通信有限公司技術部總經(jīng)理，教授級高工、博士后，中國“863”計劃信息安全專家組成員。主要研究方向為計算機與通信網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全。

李正茂，現(xiàn)為中國聯(lián)通公司副總裁、董事。1988年東南大學無線電專業(yè)博士畢業(yè)，曾任國家“863”計劃通信技術專家組成員和國家第三代移動通信研究發(fā)展領導小組成員。規(guī)劃和組織了中國首次大規(guī)模數(shù)字移動通信技術的商用化，組織實施了中國規(guī)模最大的商用IP電話試驗工程，曾以中方首席談判代表身份與美國高通公司進行CDMA知識產(chǎn)權談判。