在現今強調使用者服務的時代中，服務品質(QoS)一直為一項受到關注的網路技術，所以在IEEE802.16e的制定上，特別針對QoS部分進行技術開發制定的工作。
而IEEE802.16e無線QoS架構包含了以下幾個部分：
根據IEEE 802.16e的QoS機制，網路工作群組(NWG)特別制定了一套網路架構及流程，將原有的QoS機制延伸到後端整體網路。整個架構涵蓋了兩種模式，一種是固定模式、另一種則是動態模式。在固定模式下，使用者僅能按照政策伺服器所預先提供的QoS參數來建立服務流，而無法動態地建立或修改。而在動態模式底下，基地台(BS)和移動台(MS)都可以動態的建立、修改以及刪除服務流。
在NWG所制定的規範中，並不包含如何將QoS參數應用到核心網路中，因為目前有太多的有線網路QoS管理機制，系統商可以任意選用喜歡的機制達成管理及實作的目的。另一方面，在NWG 1.0的文件中，並不會對動態模式進行規範，也不會針對SFA-PF的介面進行定義。
NWG定義的QoS網路架構的功能元件，從使用者註冊、認證、設定檔的取得，到換手程序、使用者離開，所有參與在其中的功能元件都表示在其中(圖1)，以下將針對各部分原件進行介紹。
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資料來源：資策會
圖1 QoS功能元件架構 |
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服務流授權(Service Flow Authorization, SFA)是一個位於ASN-GW上的元件，主要的任務為根據使用者的身分向AAA伺服器要求相關的QoS設定檔，配合自身的本機政策資料庫(Local Policy Database)，根據這些設定檔來進行服務流的管理。SFA有兩種，一種是Anchor SFA，另一種是Serving SFA。在一個存取網路服務(ASN)中，對任一MS都只存在一個Anchor SFA，而Anchor SFA主要是在負責進行上述所說的服務流管理任務。至於Serving SFA則是直接跟MS進行溝通的媒介，它會將Anchor SFA所決定的服務流訊息傳到MS的SFM上。當然，Anchor SFA和Serving SFA可位於同一台ASN-GW上。 |
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服務流管理(Service Flow Management, SFM)是一個位於BS上的原件，負責建立、修改、刪除IEEE802.16e的服務流，它還包含了Admission Control的功能，負責檢查底層的無線資源，檢查服務流是否能按所需的QoS參數建立。 |
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政策功能(Policy Function, PF)主要包含一個政策資料庫，負責和AAA伺服器以及AF溝通，提供相關的政策。 |
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應用功能(Application Function, AF)主要是應用層的介面，根據應用層的特性來觸發PF，進而建立符合需求的服務流。 |
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AAA認證、授權與計費(Authentication Authorization Accounting, AAA)伺服器負責存放每個使用者的QoS設定檔，及所關連的Policy規範，所儲存的資訊通常由SFA透過認證授權程序加以存取，或直接提供給PF。 |
從條列的說明中，可以的看出整個網路的架構導入政策概念。整個政策系統涵蓋了三個部分，分別是：使用者的QoS設定檔，SFA所記錄的本機政策規範，與SFM所負責的無線資源管控。
在這裡要特別注意的是，目前在NWG Release 1.0所制定的文件中，服務流的管理流程並沒有涵蓋所有的功能原件，有一些功能原件的介面也沒有加以限定，所以很多介面及流程部分還須要被擴充。
DP Fn通道負責資料傳輸
資料通道(Data Path)的目的在於描述NWG所定義ASN下的資料通道功能(Data Path Function)，簡稱DP Fn，其作用與角色為負責兩個通訊端點之間的資料傳輸通道，資料傳輸及通道的建置管理工作。以NWG ASN的規畫而言，DP Fn除了必須相容於NWG QoS架構，其實作之基礎必須與換手(Handover)控制機制間保持獨立關係，亦即換手雖然須DP Fn的協同合作始能完成，但DP Fn與換手控制機制彼此卻不能相互干涉。
此外，DP Fn須肩負提供群播(Multi-cast)與廣播(Broadcast)的功能，支援封包順序性，盡可能降低換手過程中所造成的延遲等功能。以NWG ASN的定義而言，DP建置的位置包括：(1)基地台間，(2)閘道器間，(3)ASN閘道器與基地台間。
若單純以ASN Anchored Mobility的角度設計，DP Fn的角色可視為ASN–GW與BS間負責資料傳輸通道的建置、管理及資料傳輸等工作。每一個DP Fn都須與另一個DP Fn協同配搭，負責資料傳輸通道的建置、管理及資料傳輸等工作。DP Fns可分成兩個種類：
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DP Fn是架構於乙太網路(Ethernet)或MPLS網路上一種典型通用的Layer 3穿隧(Tunnel)技術，如IP-in-IP、GRE均屬此類。其承載資料(Payload)是IP Datagram或Ethernet封包，種類一的DP Fn在傳輸資料的應用上亦可支援表頭壓縮(Header Compression)、順序性傳遞(Sequenced Delivery)等的情況。 |
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種類二的DP Fn使用的穿隧技術與種類一DP Fn相同，相異點在於種類二DP Fn的承載資料內容，包括802.16e MAC SDU(Service Data Unit)之類的L2封包或部分802.16e MAC SDU封包額外附加Target BS的CID資訊、ARQ(Automatic Retrans- mission Request)參數等。 |
Data Path扮演的三種角色
DP Fn在換手過程及初始實體被建置時，可進一步扮演成三種不同的角色(圖2)。
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當MS進行換手時，Anchor DP Fn主要負責匯集換手時所經的資料傳輸路徑。Anchor DP Fn被設計成使用Type1或Type2的DP Fn，將所接收的封包資料轉送至Serving DP Fn，此功能或許包含預備緩衝區來儲存一些在換手過程中，從網路上來的封包資料並維護與MS相關的狀態資訊。 |
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Serving BS，顧名思義為對MS提供直接服務的BS。Serving DP Fn架構於一個Serving BS下，直接與BS的PHY/MAC層的功能相結合，使用Type1或Type2的DP Fn與Anchor DP Fn作溝通，負責對MS提供所有信息接收或傳送的任務。 |
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當MS決定好換手後的目的地，此目的地即稱為Target BS。Target DP Fn 架構於一個Target BS下與Anchor DP Fn作溝通，預備好一個新的DP，等換手完成後取代現有的DP。當MS成功換手後，Target DP Fn即變成新的Serving DP Fn。 |
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此類DP Fn位於Serving、Target及Anchor DP Fn間，負責中繼傳遞資訊的功能。 |
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資料來源：資策會
圖2 ASN Mobility Functions概覽 |
根據上述DP Fn不同的角色，在不同的DP Fn間資料傳遞還有上行、下行之分，這些上、下行資料流量可分為三種不同聚集(Aggregation)種類，如圖3所表示。
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針對客戶端所使用不同服務分成不同的服務流(Service Flow)，將每個不同的服務流來給予特定的轉送，這是最小的資料流單位。 |
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依每一客戶端所使用所有服務資料流量，匯集成一叢集資料流。 |
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屬於同一個BS下所有客戶端的資料流匯集成的叢集資料流，屬此分類。這是最大型的資料流單位。 |
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資料來源：資策會
圖3 Data Path的叢集類型 |
每個DP Fn識別操作分類的方法可依一些分類的準則，如MS MAC位址來識別之。不同種類的DP Fn可能用不同的參數來識別各種資料流，如Type 2的DP Fn會使用L2封包中MAC位址或CID等資訊。
根據之前所提及的資料路徑的協定及相關管理機制，接著將實際來看資料傳輸時的封裝形式，包含資料在R1和R6上傳輸的真實封包及所發生問題。
關於R1連線的部分。IEEE 802.16e中定義了幾種不同的收斂子層(Convergence Sublayer, CS)，如IP-CS及IPoEth-CS等。這些CS的目的在於將MS的一些訊息帶到BS，不同的CS所帶的資訊也不一樣。當然由ASN進入CSN所須進行的處理也不相同，最常見的兩種CS類型包含了IP-CS(圖4)和IPoEth-CS(圖5)。
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資料來源：NWG Release 1.0
圖4 IP-CS架構 |
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資料來源：NWG Release 1.0
圖5 IPoEth-CS架構 |
在IP-CS的設定下，BS收到來自MS的封包後，會將IP檔頭及IP Payload的部分取出包裝成GRE的封包，再送往ASN-GW。至於下載的部分，ASN-GW也同樣會將IP檔頭及IP Payload的部分取出，包裝成GRE的封包送往BS，BS收到後，會再加上IEEE 802.16檔頭送往MS，MS解開後所看到的就是完整的IP封包。這種架構下，如何透過ISF得到IP網路位置，及得到網路位置後服務流所必須進行的改變，都是值得探討的問題。
與IP-CS比較起來，IPoEth-CS多帶了乙太網路的相關資訊，這樣的最大好處是可以套用現有的乙太網路架構，不過在ASN裡面必須要實作原本乙太網路所要負擔的功能，如Bridge等。對MS來說，在同一個ASN底下可以視作在同一個LAN底下，也可以應用VLAN的技術。ASN Bridge的連線模型如圖6所示。
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資料來源：NWG Release 1.0
圖6 ASN Bridge架構 |
在R6連線部分，為了解決路由的問題，採用了IP-in-IP的技術，而預設的方式是採用GRE的通道技術，而其他類型的IP封裝技術也可以使用。由於MS所送出的封包，在ASN的範圍內都會包著GRE，這樣MS的真正IP就可以被帶到CSN的網路。
GRE封包的詳細資訊，包含了IP檔頭以及GRE檔頭(圖7)，GRE Key的欄位將會用來填DP ID，而ASN-GW和BS就可利用此欄位得到DP ID，進一步得知資料路徑的相關資訊。
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資料來源：NWG Release 1.0
圖7 GRE檔頭 |
Context扮演中介溝通要角
在NWG系統架構所論述的Context Function機制分類成Context-Server、Context-Client與Relaying Context Function三個單元互相合作執行。
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此功能主要是儲存大部分MS的更新Session Context資訊。 |
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此功能主要是與擁有802.16實體鏈結(Physical Link)的功能實體(Functional Entity)做溝通連結。Context-Client收到在Handoff程序期間的Session Context資訊後儲存在Context-Server。 |
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此功能主要轉送Context-Server與Context-Client之間的資訊。特定的MS相關訊息傳送可以被下列情況所觸發：當Context移動至新的實體，通知網路上相關MS的Idle/Sleep模式行為，通知網路上一個特定MS的起始網路進入(Initial Network Entry)。
由於內部NAP的移動(Intra-NAP Mobility)，MS相關的網路資訊(Context)須要被傳送或是更新。在Context Function中MS特定Context資訊在進行換手動作時須要被更新。
Context Function角色屬於被動的功能，等著被其他需要Context的功能所驅動並發出Context需求給Context-Server，Context-Server發出Context-Report給Context-Client完成整個傳送流程。 |
MS換手促成ASN移動管理
ASN移動管理(ASN Anchored Mobility)指的是MS移動的範圍，不須經過MIP的Care of Address更新，便能完成移動的能力。透過換手支援能力，包含由MS發起的換手動作，由後端網路實體所發起的換手動作，以及FBSS和MDHO。
換手角色功能分類，可分為服務換手功能、轉送換手功能與目標換手功能。
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服務換手功能(Serving HO Function)負責控制全部換手的決策，及有關換手的通知動作。包含經轉送換手功能後，通知目標換手功能準備換手動作，及將預備換手的結果通知MS。 |
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轉送換手功能(Relaying HO Function)負責轉送服務換手功能和目標換手功能之間的訊息，也可修改換手的決策或換手訊息的內容。 |
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目標換手功能(Target HO Function)由服務換手功能所選擇的換手目標，在未來MS可能會移動進來。 |
從QoS的觀點來看，換手可分為兩類：控制型(Controlled)和非控制型(Uncontrolled)。若發生以下情況，可以稱為是控制型的換手。
如果上述有任一情況不符合，則稱為非控制型換手動作，則便無法保證其QoS。
Context與Handover的互動，將構成換手可觸發Context Client發出請求的事件，共分為以下幾點：
此換手訊息最主要是協助MS和Target BS能快速進行換手動作，避免因進行換手所產生的中斷時間過久，導致MS上的應用程行無法在Target BS上流暢的運作。而這裡的運作包含了預先將Target BS所需的MS資訊傳送至Target BS上，和預先建立後端的資料傳送路徑，這一切的流程動作，都是為了要避免資料封包的遺失及連線中斷(圖8)。
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資料來源：NWG Release 1.0
圖8 換手基本流程 |
首先Serving HO功能實體，會收到來至底層的訊息，要求進行換手的動作。Serving HO此時會發出HO Request的訊息，並送往Target HO功能實體。在收到Handover Indication時，Serving HO Function則會傳送HO Confirm的訊息至唯一的Target HO Function。
Target HO Function在收到HO Request後，會回覆HO Response給Serving HO Function。在此訊息流程中，可允許多個Target HO Function同時進行。Serving HO Function可以和Target HO Function直接作訊息溝通，或者是可藉由多個Relay HO Function來轉送訊息。
從Serving HO Function傳送過來的HO Request可包含多個Target HO Function此時Relay HO Function可個別的送個HO Request給每個Target HO Function，並收集所有的HO Response後，再將其結果送至原來的Serving HO Function。
在這些換手的流程中，又可以分成準備和執行這兩個階段。準備階段主要的目的是提前作好換手的準備工作，及協助換手流程選擇較好的Target BS。並且可預先建立資料Tunnel路徑，以便在換手後，資料能立即轉送至Target BS，減少不必要的延遲時間和資料流失。在準備之後，馬上進入執行階段，MS在確定好所要移動的Target BS之後，Serving BS便會通知Target BS建立好所需的連線。而在確認MS已成功進入Target BS之後，則會取消ASN-GW和舊Serving BS之間的路徑，及釋放在Serving BS上MS相關的連線資料。
WiMAX應用前景看好
WiMAX網路技術規範Release1.0版於2007年3月正式發布，重點放在R2、R3、R4和R6介面的說明，當介面開放時各家廠商將會投入研發能量，目標則是將產品接入WiMAX產業鏈中。因R2/R3/R4介面實將作於IP核心網路的設備，所以目前電信業者為了與已存在設備相容，架設WiMAX核心網路時會優先使用較大廠商所提供設備，如北電(Nortel)、諾基亞(Nokia)和摩托羅拉(Motorola)等廠商，而規模較小的廠商可能就以R6介面為切入點，製作BS與各大廠的ASN-GW相接，擴展WiMAX BS市場。
Release1.5版的網路架構需求由WiMAX論壇需求工作組(SPWG)負責，與Release1.0相較，新增對IMS、多媒體廣播服務(Multicasting Broadcasting Service, MCBCS)、虛擬區域網路(Virtual Local Area Network)、定位服務(Location Based Service)與網路語音服務(Voice over IP)的規範，其中MCBCS在未來的應用中是被看好的，可以應用在網路電視服務(IPTV)。藉著ASN中能夠有互通的介面，預期WiMAX設備將朝相互相容的趨勢邁進，介面開放使得更多的廠商投入開發，而電信商可以較低成本布建WiMAX網路，消費者則以便宜價格取得WiMAX服務，達成無所不在的網路世界。
(本文作者任職於資策會)