本文分成上、下兩期，此期將介紹IEEE 802.16正交分頻多工(OFDM) 、802.16正交分頻多路存取(OFDMA)，及媒體存取控制(MAC)通訊協定，這些都是WiMAX論壇(Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum，WIMAX Forum)建置的重要元件...
本文分成上、下兩期，此期將介紹IEEE 802.16正交分頻多工(OFDM)、802.16正交分頻多路存取(OFDMA)，及媒體存取控制(MAC)通訊協定，這些都是WiMAX論壇(Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum，WIMAX Forum)建置的重要元件。
在下期則將討論各種供應及服務品質(QoS)的型態，這些機制可運用MAC通訊協定的各種功能來支援WiMAX建置，最後並分析MAC協定在架構中衍生的挑戰。
蜂巢網路(Cellular Networks)在過去十年的成功發展，加上將各種窄頻資料解決方案整合至這些網路，顯示無線解決方案有能力解決最後一哩的問題，也就是消費者寬頻方案的問題。各種新興的WiFi網路證明高頻寬無線電網路，不論是固定或行動客戶端系統而言，都是可行且採納度極高的方案。最後，射頻(RF)技術、編碼演算法、媒體存取控制(MAC)協定，以及封包處理效能等方面的進步，讓高頻寬的Wi-Fi網路涵蓋範圍能超越現有行動電話網路。
這種組合已在IEEE 802.16架構中實現，不僅克服傳統最後一哩的問題，亦支援漫遊以及行動客戶端的應用。這種架構支援「熱區(Hot Zone)」的建置模式，能在大部份的都會地區以及高速公路沿線提供高速上網服務。在這種模式中，筆記型電腦與PDA可作為用戶台(Subscriber Stations，SS)，讓使用者在公園、建築物，或任何有需要上網的場所連上網際網路。
IEEE 802.16工作小組及WiMAX論壇正著手進行寬頻無線架構的標準化工作，802.16工作小組正規劃實體層(PHY)與MAC媒體存取控制層的標準，以及安全性和高層網路模型方面的規範。本文分成(上)(下)兩期，將集中探討IEEE 802.16標準所規範的MAC媒體存取控制層以及服務品質(QoS)。在本文中，將802.16與WiMAX視為可互通的代名詞。
IEEE 802.16媒體存取控制層(MAC)執行標準的媒體存取控制功能，為802.16實體層(PHY)提供不受媒體種類限制的介面。由於802.16 PHY是一種無線實體層，因此MAC層的主要目的就是有效率地管理無線通訊鏈路的資源。802.16 MAC協定專為支援單點對多點(PMP)與網狀網路環境所設計，本文將集中探討PMP網路模型。802.16 MAC屬於連結導向協定。每個SS在進入網路後就會建立一或多個通道，以便與基地台(Base Station，BS)互傳資料。MAC負責排定無線鏈路資源的使用順序，並提供服務品質(QoS)的區別機制。它能執行鏈路調整與自動重複要求(ARQ)功能，藉此維持位元錯誤率(BER)與提高資料傳輸流量。最後，媒體存取控制層提供一個匯整的子層，能支援非同步傳輸模式(ATM)的cell資料單元，以及封包型網路的元件層。
本文其餘部份將概述媒體存取控制層的各項功能，首先我們將簡單介紹正交分頻多工(OFDM)與正交分頻多路存取(OFDMA)的實體層，以及它們如何針對這些特定的實體層執行媒體存取控制層所需的功能。
WirelessMAN-OFDM實體層採用OFDM調變技術。OFDM主要應用在固定式存取的環境，用戶台大多為住家與企業中的家用閘道器，就像建置DSL與纜線數據機透過有線網路提供寬頻上網服務。OFDM實體層能在上傳鏈路(UL)上支援次通道化(Subchannelization)機制，在上傳鏈路有16個次通道。OFDM實體層支援分時多工(TDD)與分頻多工(FDD)作業，並支援FDD與半雙工FDD(H-FDD)的用戶台。技術規格強制規範出一個運作架構，結合變動位元率理德-所羅門編碼(RS)/回旋編碼(CC)機制，支援1/2、2/3、3/4，以及5/6的編碼率。變動位元率區塊渦輪碼(BTC)與回旋渦輪碼(CTC)亦列入選擇性支援的範圍內。標準規格支援多種調變模式，其中包括二元相位位移鍵控(BPSK)、正交相位位移鍵控(QPSK)、16階正交調幅(QAM)，以及64階QAM。最後，實體層運用空時編碼(STC)、適應性天線陣列(AAS)，以及分域多重存取(SDMA)機制，在下傳鏈路(DL)中提供(選項之一)傳輸服務。
基地台中的傳輸供應機制使用兩組天線來傳送STC編碼訊號，藉以為第二次傳送提供增益效果。兩個天線的組合可在第一個符元時間送出一個差動符元(兩個差動符元)。之後兩個天線會在第二個符元時間內送出同一組符元的變動值。最後的資料傳輸率與沒有採用傳輸多元化機制之前相同。802.16規格中運用AAS來描述無線電波形成的技術，基地台運用天線陣列來提高對目標用戶台的增益，並消除來自其他用戶台與干擾源的干擾。AAS技術可用來支援SDMA，讓分佈在多個地區的多個用戶台能同時在相同的次通道上接收與傳送資料。藉由運用無線電波形成機制，基地台能將目標信號直接傳送至不同的用戶台，即使不同用戶台使用相同的次通道，亦能區分這些信號。
圖1顯示TDD系統的訊框結構，訊框被分隔成下傳鏈路與上傳鏈路次訊框，下傳鏈路次訊框構成一個置於資料元前面的訊框控制表頭(FCH)，以及許多資料快衝(Data Burst)。FCH規範了快衝模式(Burst Profile)，以及一或多個下傳鏈路快衝的長度，之後緊跟著FCH。DLMAP、UL-MAP、下載通道描述單元(DCD)、上傳通道描述單元(UCD)，以及其他用來描述訊框內容的廣播訊息都會在第一個快衝出現時開始傳送。下傳鏈路次訊框的其餘部份構成了傳送至用戶台的資料快衝。每個資料快衝含有整數個OFDM符元，這些符元指定一個快衝模式(Profile)，其中定義了編碼演算法、編碼率，以及調變位階等參數，這些參數會在快衝時用來傳送資料。上傳鏈路次訊框含有一個競爭資源的間隔時間，用來啟動在上傳鏈路實體層PDU與不同用戶台之間測距(Ranging)與寬頻配置的作業。DL-MAP與UL-MAP完整描述下傳鏈路與上傳鏈路次訊框的內容。它們指明在每次快衝中接收/傳送信號的用戶台，(上傳鏈路中)每個傳送信號用戶台中的次通道，以及每次快衝與每個次通道中所使用的編碼與調變機制。
若採用傳輸多元化模式，下傳鏈路訊框的一部份(稱為zone區域)可被指定用來傳送多元化區域。在傳輸多元化區域中的所有資料快衝(burst)會經過STC編碼後傳送出去。最後，若採用AAS則下傳鏈路次訊框中的一部份可被指定為AAS區域，在次訊框的這一部份中，AAS被用來與支援AAS的用戶台進行通訊，上傳鏈路中亦支援AAS。
在FDD系統中，下傳鏈路與上傳鏈路的訊框結構相當類似，不同之處在於上傳鏈路與下傳鏈路是在不同的通道上收發信號。當系統中有H-FDD的用戶台時，基地台須確保不能排定H-FDD用戶台同時傳送與接收信號。
WirelessMAN-OFDMA實體層採用OFDM調變機制，它在上傳鏈路與下傳鏈路支援次通道化機制，標準規格支援五種不同的次通道化機制。OFDMA實體層支援TDD與FDD運作模式，OFDM實體層運用回旋編碼機制並支援相同的位元率。BTC與CTC編碼機制則列入選擇性的支援模式，其他支援的技術包括STC與結合SDMA的AAS，以及多重輸入多重輸出(MIMO)。MIMO結合許多技術，在基地台與用戶台中運用多套天線，藉此擴增通訊頻道的容量與通訊距離。
OFDMA實體層的訊框結構類似OFDM實體層的訊框，比較明顯的例外就是針對下傳鏈路與上傳鏈路所定義的次通道化規格，因此廣播訊息有時會和資料(在不同次通道)同時被傳送。此外，由於定義了許多不同的次通道化機制，因此訊框被分割成許多區域，每個區域使用不同的次通道化機制(大多數次通道化機制都屬於可選擇的，因此不太可能出現所有區域用掉所有機制的狀況)。媒體存取控制層負責將訊框分割成數個區域，並將這個結構告知下傳鏈路中的用戶台以及UL對映表。在OFDM實體層方面，則包括選擇性的傳輸供應與AAS區域，以及MIMO區域。
MAC表頭類型(Header Types)可分為兩種：原生型表頭與頻寬要求(BR)MAC表頭。原生型表頭用來傳送資料或MAC訊息。BR表頭則被用戶台用來在上傳鏈路上要求更多的頻寬。MAC PDU最大長度為2,048位元組，其中包括表頭、資料內容，以及循環冗餘檢查(CRC)碼。在單點對多點(PMP)方面，MAC規範了ARQ快速回饋、分割、封裝，以及准許管理次表頭，ARQ快速回饋與准許管理次表頭用來在基地台與用戶台之間交換ARQ，以及寬頻配置狀態，分割與封裝次表頭則用來迅速地配置傳輸頻寬。這方面的標準規範了許多MAC管理訊息，用來在用戶台與基地台之間傳遞控制訊息，這些訊息分成廣播訊息、初始測距訊息、基本訊息，以及主要管理訊息。
為了在網路中通訊，用戶台需要與目標基地台完成進入網路的程序。進入網路程序分成下傳鏈路同步化、初始測距、功能協調、交換認證訊息、登錄，以及IP連線等。若程序無法進入一個狀態，進入網路狀態機器就會停止運作，在完成進入網路程序後，用戶台就會建立一或多個服務流程，向基地台傳送資料，圖2顯示進入網路的流程。以下將詳細介紹每個步驟。
當用戶台希望進入網路時，會掃描目標頻率清單中的頻道，當運作的頻道屬於有執照的頻帶時，用戶台通常會使用一組運作參數來使用特定的基地台。若用戶台找到一個下傳頻道，並能在實體層上完成同步化(若偵測到定期訊框表頭)，則媒體存取控制層就會尋找DCD與UCD以取得調變資訊，以及其他下傳鏈路與上傳鏈路參數。
當用戶台與下傳鏈路通道完成同步化，並從訊框中接收到下傳鏈路與上傳鏈路MAP後，就會開始運用最小的傳送功率在初始的測距間隔中傳送測距要求MAC訊息。若用戶台沒有收到回應，就會使用更高的傳送功率再次在次要求訊框中傳送測距要求。
最後用戶台會收到一個測距回應。回應訊息會指明用戶台HP進行的功率與時序修正，或是指示成功完成測距。若回應訊息中指示須進行校正，用戶台就須進行這些校正，然後再傳送另一次測距要求。若回應訊息指示已成功，則用戶台就可以開始在上傳鏈路中傳送資料。
在成功完成初始測距後，用戶台會向基地台傳送一個功能要求訊息，來描述本身所支援的調變位階、編碼機制與速度、解多工模式等功能。基地台會根據本身的功能決定是要接受或拒絕用戶台的要求。
在經過能力協調後，基地台會向用戶台進行認證，並提供各項重要參數，以便對資料進行加密。用戶台會向基地台傳送SS製造商的X.509憑證，以及本身支援的加密演算法。基地台會驗證用戶台身份，決定要使用哪些加密演算法與通訊協定，然後向用戶台傳送一個認證回應。這個回應訊息中含有用戶台會用到的重要資料。用戶台會被要求定期執行認證程序以及交換程序，以便更新重要資料。
在成功完成認證程序後，用戶台就能登錄至網路。用戶台會向基地台傳送一個登錄要求，之後基地台會向用戶台傳送一個登錄回應。登錄程序交換的內容包括支援的IP版本、用戶台管理或非管理支援能力、支援的ARQ參數、支援的分類選項、支援的CRC，以及流量控制等。
IP連線
用戶台之後會啟動DHCP(IETF RFC 2131)取得IP位址以及其他參數，以建立IP連線。基地台與用戶台會運用日期時間協定(IETF RFC868)來維持當前的日期與時間資料。用戶台之後會利用TFTP(IETF RFC 1350)來下載各項運作參數。
在完成登錄與傳送運作參數後，就建立傳輸連線。在準備服務的程序中，基地台會完成建立連線的程序。基地台會傳送一個動態服務流程擴增要求的訊息到用戶台，之後用戶台會傳送一個回應訊息，以確定連線的確建立完成。用戶台會向基地台傳送一個動態服務流程擴增要求訊息，藉以啟動非預先供應的服務，基地台則會回送一個確認訊息。
802.16媒體存取控制層提供一個匯整子層，用來傳送ATM單元與IP封包。媒體存取控制層會對封包進行分類，並導向802.16連線以及進行封包表頭抑制，以避免在無線通訊鏈路中傳送重複的資訊。
802.16 MAC會執行標準的PDU建立程序。它會套用MAC表頭，也能計算循環冗餘檢查碼。由於無線通訊鏈路資源非常寶貴，因此媒體存取控制層會同時執行MAC SDU的分割以及MAC SDU的包裝作業。小容量的SDU包裝至封包後，就可填滿無線通訊鏈路，容量較大的SDU若無法塞入無線通訊鏈路，就會先經過分割程序。MAC PDU經過匯整後再置入快衝單元，並採用相同的調變與編碼機制(圖3)。
ARQ程序會重新傳送遺失或傳輸不完整的MAC SDU區塊(ARQ區塊)，802.16 MAC運用一套簡單的滑動窗口方法，讓傳輸端不必收到收悉通知就能送出數量經過協調的資料區塊。接收端會發出收悉或未收悉的通知訊息，藉此告知已成功收到哪些區塊，以及有哪些區塊在傳輸過程中遺失。當SDU被告知已收到資料區塊後，傳送端就會重新發送已經遺失的區塊，並將滑動窗口向前推進。
802.16 MAC針對各種可能在802.16網路上運作的應用提供不同的QoS。802.16標準規範了以下類型的服務：
‧免經要求的授予服務(UGS)：UGS專門支援各種固定位元率(CBR)服務，例如像T1/E1模擬，以及沒有抑制靜音訊號的網路電話(VoIP)。
‧即時輪詢服務(rtPS)：rtPS支援會定期傳送變動容量資料封包的即時性服務，例如像MPEG影片或有抑制靜音訊號的VoIP。
‧非即時性輪詢服務(nrtPS)：nrtPS專門支援各種需要變動資料率的非即時性服務，這類服務會定期發送快衝訊號。
‧保證頻寬(BE)服務：BE保證頻寬服務常見於瀏覽Web網站的連線。
在建立通訊鏈路過程中，每個用戶台與基地台都會被指定一個服務類型。當匯整子層進行封包分類時，會根據應用所要求的QoS類型，配置適合的通訊模式。圖4顯示在各種支援的多媒體服務中所運用的QoS機制，其中包括TDM語音、VoIP、影音串流、TFTP、HTTP，及電子郵件等。
輪詢機制有兩種類型：
‧單點傳送(Unicast)：當用戶台被逐一輪詢時，它會配置適當的頻寬來傳送頻寬要求訊息。
‧競爭型：在沒有足夠的頻寬來逐一輪詢每個運作中用戶台時，就會採用競爭型頻寬要求模式。配置機制會對一群競爭傳出頻寬要求的用戶台進行群播或廣播。
排程與鏈路調整的目標是針對在無線通訊鏈路中傳送的資料流提供所需的QoS，同時讓無線通訊鏈路的資源發揮出最高的效益。
802.16 MAC的排程分為兩種彼此相關的排程作業：在用戶台之間排定無線通訊鏈路的使用時程，以及排定基地台與用戶台中每個封包的傳輸時程。
基地台所執行的無線通訊鏈路排程機制通常被視為基地台媒體存取控制層的一部份，這個排程器決定每個訊框中下傳鏈路與上傳鏈路部份的資料內容。當出現像是傳輸多路化(Diversity)、AAS，以及MIMO等模式時，媒體存取控制層就須將上傳鏈路與下傳鏈路的次訊框分割成多個正規化、多路化傳輸、AAS，以及MIMO的區域，才能容納透過這些模式使用各種服務的用戶台。透過將次訊框分割成多個區域的作法，排程器能將傳輸機會分配給在區域中每個用戶台。在OFDM中，下傳鏈路的傳輸機會分佈在時槽中，而OFDM上傳鏈路、OFDMA上傳鏈路，以及下傳鏈路中，傳輸機會則是分佈在每個次通道的時槽中。當基地台採用AAS與SDMA時，特定次通道上的特定時槽可分配給多個用戶台。這意謂著二維的排程問題(時槽在一個軸向，另一個軸向則是次通道)變成一個三維的問題，此時第三個軸向是空間軸。MAC必須研判哪個用戶台有正交空間特徵，這類特徵讓用戶台適合分享相同的次通道/時槽。
無線通訊鏈路排程器亦會決定與每個用戶台之間通訊的快衝模式，基地台會監視訊噪比(SNR)，並根據用戶台的流量來決定增加或降低編碼速度與調變模式，這種作法能達到最高的傳輸流量，同時維持一定的BER。
無線通訊鏈路排程器會根據基地台與用戶台的通訊狀況，以及資料流佇列的傳輸狀態，藉此決定每個用戶台的頻寬需求。基地台會監視本身的佇列，藉此研判下傳鏈路的頻寬需求，並利用許多不同的通訊機制(例如像輪詢與主動供應寬頻要求)，持續掌握用戶台在上傳鏈路的頻寬需求。
最後，在基地台與用戶台中有封包排程器，這個排程器負責為用戶台裡的每個訊框，安排傳輸佇列中封包的傳輸機會。