探索WiMAX MAC技術 採需求/答允機制實現服務分級

隨著網路服務的發達與無線通訊技術漸趨成熟，無線語音、數據通訊與各種行動服務需求日益增加，現階段的無線與行動通訊系統卻已面臨費率昂貴、使用便利性不足、或傳輸速率不足的瓶頸，人們對於新技術的期待也愈來愈強烈。從無線通訊的布建現況來看，小區域通訊(如無線區域網路WLAN)的服務範圍太小、且無法支援移動性的服務；大區域通訊(如2G、3G行動通訊)能支援的傳輸速率太低、且無法提供多媒體傳輸所需的傳輸品質保證。相較之下，以WiMAX為基礎的都會寬頻無線技術，恰好可以滿足這方面的需求(圖1)。  

都會寬頻無線服務需求急切  

另一方面，人們對於無線資料傳輸服務的需求也愈來愈高，利用無線方式進行各種資料傳輸或多媒體服務的情況也愈來愈普遍。圖2的市場分析資料顯示，近年來各地區純語音服務營收成長已停滯，而無線資料傳輸服務營收卻成長迅速，足見無線資料傳輸需求明顯，以WiMAX為基礎的都會寬頻無線技術，亦可滿足此一需求。  

WiMAX(IEEE802.16)是一種在微波和毫米波頻段的無線都會型網路技術，因其利用高效率無線訊號傳輸與處理技術，而具備了傳輸距離長(最遠可達50公里)、傳輸速率高(最快可達70Mbps)、快速布建、低成本等特性，適於提供中距離無線傳輸服務，可做為無線高速接取網路的媒介。由於WiMAX是開發中國家快速布建接取網路的良好選擇，也可擔任將802.11(WiFi)無線接取熱點(Hot Spot)連接到網路的媒介、或是企業與住家等環境實現最後一哩(Last Mile)的方案，目前已成為全球無線通訊產業的關注焦點。  

WiMAX依據的技術標準，是IEEE802.16系列規範，目前以IEEE 802.16-2004及802.16e為主要內涵，能支援移動性的無線寬頻傳輸功能；未來包括802.16h、802.16i、802.16j等標準的陸續底定，WiMAX將可提供更完備的無線接取服務，發展潛力不可小覷。  

定義WiMAX系統架構  

圖3為WiMAX論壇定義的WiMAX服務系統架構。基本上，WiMAX是透過正交分頻調變(OFDM)與正交分頻多工(OFDMA)等無線接取方式，提供用戶台無線傳輸服務，並依據服務特性的不同，提供下列等級的傳輸品質：  

1.盡力傳送(Best Effort, BE)：適用於互動式服務，如網頁瀏覽、互動遊戲等。  

2.即時輪詢服務(Real-time Polling Service, rtPS)：適用於串流式服務，如視訊傳輸等。  

3.非即時輪詢服務(Non Real-time Polling Service, nrtPS)：適用於背景傳輸服務，如檔案下載、訊息傳輸等。  

4.非請求的頻寬分配(Unsolicited Grant Service, UGS)：適用於即時服務，如VoIP通話等。  

WiMAX能服務的範圍最遠可達數十公里，適用於不同的地理環境、使用情境、與用戶密度，並能支援移動性的用戶台。WiMAX系統由管控台(ASN Gateway)來控制眾多基地台(BS)，提供移動管理、無線資源管理、用戶身份認證管理、系統負載管理等功能，並以IP介接方式，連接後端的核心服務網路或網際網路。WiMAX系統的技術議題包括：  

1.OFDM/OFDMA無線接取處理：透過OFDM/OFDAM實體層的訊號處理、以及IEEE802.16-2004/802.16e MAC通訊協定，能確保基地台與用戶台之間的無線接取服務品質。  

2.無線網路安全存取(Security)：為防止通訊服務被第三者竊取、偽造或盜用，完整的安全存取機制有其必要，除了應用層的身份控管外，WiMAX要求在底層協定須支援加密傳輸服務，以確保傳輸安全。  

3.無線電資源管理(Radio Resource Management)：WiMAX系統將支援各種不同的傳輸服務，其傳輸速率、占用頻寬、服務品質要求各不相同，為求系統資源的最有效利用、以便服務最多用戶並提供最佳服務品質，嚴謹的無線資源管理是非常重要的課題。  

4.用戶移動管理(Mobility Management)：WiMAX 系統支援用戶移動時的傳輸服務，基於用戶移動的程度又可分為在同一接取服務網內的移動(Inter-ASN Mobility)，以及在不同接取服務網之間的移動(Intra-ASN Mobility)；用戶的移動牽涉到服務基地台的改變與系統支援的重新分配，若未妥善處理將造成用戶服務的中斷或系統資源的浪費。  

5.系統網路管理(Network Management)：WiMAX系統將有眾多不同等級的基地台(Pico/Micro/Macro Station)服務成千上萬用戶，其網路系統管理非常繁雜，這方面訂定有IEEE802.16g、802.16f、802.16i規範以供遵循，以確保不同廠商網路設備的網路管理互通。  

6.一致性功能測試(Conformance Test)與互通性驗證(Inter-operability Test)：為加速WiMAX服務的普及與WiMAX產業的發展，加快各家廠商不同產品的功能測試與互通性測試確有必要；在這方面，WiMAX論壇訂有一系列WiMAX產品測試應遵循的準則與程序，其測試案例的發展是基於最先進的樹狀及列表組合記法(TTCN)測試技術。  

接下來則由底層協定開始，介紹WiMAX的媒體存取控制(MAC)技術。  

固定式IEEE802.16-2004為主要標準  

因應市場對於都會區域內無線寬頻接取的需求，IEEE802標準制訂委員會組成了IEEE802.16標準制訂小組，負責制訂適於都會環境的無線寬頻接取標準。起初IEEE802.16著眼於微波與毫米波(10～66GHz)頻段的可目視(Line of Sight, LOS)特性，制訂適於點對點無線寬頻傳輸的接取介面，以配合有線骨幹線路、組成無線都會網路系統。其後，為滿足一般使用者對於無線寬頻網路接取的需求，便修訂IEEE802.16標準，相容於2～11GHz的無線電波範圍，並納入包括OFDM與OFDMA等實體層傳輸技術，使成為適於提供最後一哩固定式無線接取服務的標準，即為IEEE802.16-2004，也是目前WiMAX的主要遵循標準。  

接著，進一步考慮用戶移動時的服務需求，IEEE802.16成立TGe工作小組，負責制訂支援移動式無線寬頻接取的標準介面，即IEEE802.16e，已於2005年底獲得通過；此外IEEE802.16並另設立其他多個工作小組，負責制訂如網路管理、測試認證等相關標準規範。本文則以針對固定式無線接取的IEEE802.16-2004技術為主軸，詳盡介紹其MAC。  

可依據服務型態決定優先順序  

WiMAX MAC基本上具有以下特徵：(1)採用的是需求/答允(Request/Grant)的機制，而不是以往的乙太網路或802.11使用的訊號偵測多工存取碰撞避免(CSMA-CA)機制，因此可依據傳輸的服務型態(Service Type)，對於傳輸的優先順序進行分級，進而提供不同等級的服務模式；(2)連接導向(Connection-Oriented)；(3)支援可適性調變；(4)可調性之上行與下行脈衝特性(Burst Profiles)；(5)支援可變位元速率資料流的QoS，共有UGS、rtPS、nrtPS、BE等四種服務形態；(6)安全性支援；(7)自動功率控制。  

如圖4所示，WiMAX MAC可再細分成收斂子層(Service Specific Convergence Sublayer, CS)，定義與上層不同協定傳送訊息的設定、通用子層(Common Part Sublayer, CPS)，定義頻寬取得、連線建立、服務流管理的設定，以及安全子層( Privacy Sublayer)，定義身份認證、金鑰交換、加密解密的設定。  

從MAC上層(例如傳輸層)進入的資料，首先會進入收斂子層進行資料類型及服務種類尋找對應的動作，接著會進入主要網路協定的通用子層，進行傳送前各項溝通協調及資料分割組合，最後會在安全子層對資料做加密後，交由實體層傳送。接收的過程則是從反方向，由底層一路向上層還原。以下介紹每一個子層。  

收斂子層負責分類進入資料  

由於IEEE802.16的主要目的是取代有線骨幹網路，其上層進入的資料可能是乙太網路變動長度的封包，或是非同步傳送模式(ATM)網路固定長度的封包。由於兩者特性不同，因此收斂子層最初的動作，便是將進入的資料做分類。分類完畢的資料，會根據其網路位址或網路卡卡號索引，搜尋相對應的16位元連線代碼(Connection ID, CID)(圖5)。用戶端最初與基地台要求網路連線動作時，會先執行通用層裡面管理訊息的交換動作，以完成連線手續。連線過程中，雙方會使用一個共通的連線代碼，代表連線雙方在此種服務上的共同代號。使用CID，可減少傳輸時所需的參數設定之交換，因此任何一筆資料皆必須在連線確立的情況下才能進行傳輸。  

CID搜尋成功後，便會將其對應的各項參數內容取出，這些參數包含服務資料流代號(Service Flow ID, SFID)、資料檔頭壓縮索引(Payload Header Suppression Index, PHSI)與其他重要資訊。擁有32位元的SFID代表資料服務的種類，一條資料服務流(Service Flow)有機會擁有超過一種上層應用服務類型，因此多種上層應用服務類型可以查表對應一個SFID。一個用戶端或基地台可同時擁有多個須建立連線與傳輸的服務流，可是真正連線成功並進行傳輸的服務流才會被分配CID。因此在連線建立完成後，CID是用作查詢SFID與PHSI的主要依據代號。  

前述的PHSI，則是用來搜尋資料檔頭壓縮規則參數的一個8位元參數。由於檔頭中部分資料在大量且連續的資料傳輸過程中，是重複多餘的，因此對這些重複性高的檔頭內容，可以做一個刪除動作，以壓縮無效資料(Suppression)，進而增加網路傳輸效能。然而，每一次傳送時，必須告知保留哪些檔頭或是刪除哪些檔頭，以避免混淆，因此雙方會在傳送的資料中加上此次資料檔頭壓縮的規則。  

壓縮的方式基本上是根據一個遮罩(Payload Header Suppression Mask, PHSM)搭配壓縮目標檔頭的長度(Payload Header Suppression Size, PHSS)以及不傳送而儲存的檔頭欄位(Payload Header Suppression Field, PHSF )所完成，如圖6所示。發送端會先行比對之前儲存的PHSF，如果新資料檔頭遮罩位置的內容與PHSF對應的欄位內容相同時，則發送端只傳送未遮罩部分的欄位。接收端在獲得新資料檔頭時，會與先前儲存的PHSF做合併重組資料檔頭的動作(Rebuilding)。以圖6為例，原先欲傳送五個位元組的資料檔頭，經過壓縮後只須傳送二個位元組即可。  

通用子層負責建立傳輸規則  

凡訊號傳輸過程中規則的建立、管理訊息的交換、全雙工(Full-duplex)與半雙工(Half-duplex)運作方式的選擇、封包的切割與組合、各式封包格式等步驟，皆屬於此層級的範疇。以下說明一個用戶端連線初始化的各項步驟，如圖7所示。  

步驟一：最初用戶端會監聽空氣中各頻帶的廣播訊號，找尋基地台發送的網路使用規則，用戶端可以監聽一段時間之後，再選擇其發現的最大電磁波功率的基地台作為連線對象。再次等待所選的基地台廣播網路使用規則與相關使用參數，並於此時完成實體層同步動作。  

步驟二：接著用戶端會執行與基地之間的距離量測(Ranging)的動作，進而修正調整各項參數(Automatic Adjustment)。這些參數包含傳送訊號的時間延遲修正、頻率漂移修正、傳送功率調整，甚至指向性天線方向的調整。而距離量測的過程，是用戶端在開放競爭的週期內，以指數倒退方式競爭傳送距離量測請求訊息(Ranging Request, RNG-REQ)，然後由基地台回傳距離量測回覆訊息(Ranging Response, RNG-RSP)。在RNG-REQ與RNG-RSP中，皆包含傳輸功率資訊，透過此資訊便可得知功率及頻率漂移的修正量。  

步驟三：距離量測與調變方式調整完畢之後，用戶端會在下次開放競爭週期內，傳送用戶端基本能力請求訊息(SS Basic Capability Request, SBC-REQ)。SBC-REQ包含了實體層能提供的各種能力，以及能操作的頻帶範圍等。收到SBC-REQ的基地台，會自行修改下次的下傳規則，而在保留的時間區間內，回傳用戶端基本能力回覆訊息(SS Basic Capability Response, SBC-RSP)。當用戶端成功收到SBC-RSP時，則代表已完成能力協商的步驟。  

步驟四：接下來用戶端便可在下次競爭週期傳送私鑰管理請求訊息(Privacy Key Management Request, PKM-REQ)，收到請求訊息後，基地台亦會自行修改下次的下傳規則，而在保留的時間區間內，傳送私鑰管理回覆訊息給等待中的用戶端。其判斷私鑰認證的過程，是使用PKM協定中採用的X.509認證機制，接著基地台會將X.509數位認證結果放入私鑰管理回覆訊息(Privacy Key Management Response, PKM-RSP)傳送回用戶端，通過認證的用戶端會與基地台之間進行私鑰交換，而此私鑰將用於之後的資料交換。  

步驟五：接著用戶端會執行向基地台註冊的動作，如同前面各種訊息的傳送，用戶端使用競爭的方式傳送註冊請求訊息(Registration Request, REG-REQ)，然後等待基地台回傳註冊回覆訊息(Registration Response, REG-RSP)後便完成註冊手續。  

步驟六：用戶端接著執行的步驟是索取IP，此步驟的對象並非基地台，而是動態主機設定協定(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)伺服器，當然絕大多數的DHCP伺服器會與基地台結合，或透過基地台連結。  

步驟七：取得IP之後，用戶端會與時間伺服器進行時間校準，而基地台本身當初執行初始化步驟時，亦須與時間伺服器進行校準。  

步驟八：時間校準完畢後，用戶端會透過普通檔案傳輸協定(Trivial File Transfer Protocol, TFTP)向架構檔案伺服器(此伺服器亦有可能由基地台扮演)下載用戶端架構檔案(SS Configuration File)。此用戶端架構檔案包含了標準必要參數設定、標準非必要參數設定，以及業者自訂的參數設定等三種參數資料。用戶端基本必須具備處理標準必要參數設定的能力，如欲使用電信業者提供的服務，則須搭配業者自訂的參數設定。  

步驟九：用戶端初始化的最後一個步驟，是根據所須使用的服務種類提出頻寬申請。用戶端會競爭傳送一個動態增加服務請求訊息(Dynamic Service Addition Request, DSA-REQ)給基地台，而基地台會依照請求來決定允許使用的頻寬與服務品質。值得注意的是，每一個DSA-REQ只能表示一種服務申請，因此當同時需求多樣服務時，必須傳送多次DSA-REQ訊息。收到DSA-REQ之後，基地台會回傳動態增加服務回傳訊息(Dynamic Service Addition Response, DSA-RSP)告知用戶端此服務請求的結果，最後收到DSA-RSP的用戶端會再次傳送確認訊息(Dynamic Service Addition Acknowledge, DSA-ACK)給基地台。以上這些流程執行完畢後，用戶端初始化的動作才算完成。  

連線初始化完畢，基地台經過頻寬分配及排程之後，會配置一段上鏈(Uplink, UL)或下鏈(Downlink, DL)時間給用戶端。排程會根據此基地台服務的各個用戶端要求的服務品質及種類特性，分配頻寬及使用時間。規劃好的排程，會在每次基地台廣播的時間告知所屬的所有用戶端。通知的排程也就是網路使用規則，分為上鏈排程與下鏈排程，根據IEEE802.16，上鏈排程稱為Uplink MAP(UL-MAP)，而下鏈排程稱為Downlink MAP(DL-MAP)，其詳細訊框(Frame)架構如圖8所示。每次廣播開始，用戶端便可了解接下來的傳輸規則，並於指定時間傳送或接收訊息和資料。  

(本文作者任職於資訊工業策進會)  

(詳細圖表請見新通訊63期5月號)