健全後端骨幹基礎建設　打造完整WiMAX網路架構

WiMAX雖然是IEEE 802.16的代名詞，但為達成WiMAX的目標，其使用了IEEE 802.16標準為基礎(圖1)，除了IEEE 802.16標準外，其餘問題則須WiMAX論壇來解決，WiMAX論壇主要有四大目的：專注在如何推廣或推銷WiMAX技術到全世界，健全端對端(End-to-End)的全IP網路架構，處理認證程序，及應用和市場的分析。

資料來源：資策會 圖1　WiMAX功能分類

本文將討論WiMAX論壇所規範的WiMAX網路架構，及端對端的全IP網路架構。  

在IEEE 802.16和802.16e中說明了控制方面(Control Plane)和資料方面(Data Plane)，但僅止於物理層(PHY)和媒介存取控制(MAC)，而標準中所提的後端骨架(Backbone)網路，已經超出該標準文件範圍。為了建立完整相關技術，在WiMAX論壇中，各大廠如Airspan、Alvarion、思科(Cisco)、三星(Samsung)、西門子(Siemens)、英特爾(Intel)和Proxim等，在2005年1月時發起建立了網路工作群組(NWG)來設計規範以適合不同移動程度的WiMAX網路，如固定式(Fixed)、游牧式(Nomadic)、攜帶式(Portable)和移動式(Mobile)，並特別針對802.16標準中，設計尚未被定義的功能。在這兩年間，數百種的方案被提出和辯論，經過2006年的努力，NWG在2007年3月底時，NWG發表了WiMAX論壇Network Architecture Release 1.0的正式文件。  

WiMAX網路架構功能  

目前NWG已出版WiMAX端對端網路系統架構草案(End-to-end Network Systems Architecture Draft)，其文件的目標為建立WiMAX網路系統架構，主要功能包含了以下幾個面向。  

首先在架構方面，希望建立模組化(Modular)和具有彈性(Flexible)的架構，並包含不同程度的布建(Deployment)，如市區、郊區和鄉村。其設計的參考點(Reference Point)必須公開，以提高各廠商之間的相容性。  

在服務和應用方面，須要支援語音、多媒體服務、緊急求助電話和監聽服務。此架構須獨立於服務提供者，以應付多變的應用，並能在服務等級協議(SLA)基準下，提供資源管理和不同業者之間的溝通標準。為了現有的多媒體服務能繼續服務，須將現有的多媒體閘道器轉換成IP網路上的資訊，以順利地在WiMAX網路傳送，並提供IP網路的廣播(Broadcast)和群播(Multicast)服務。  

在安全方面，以802.16安全為基礎，在移動台(MS)和WiMAX網路之間必須要有強壯和永久的認證機制，以合理長度的金鑰機制，保証資料的完整性、機密性和不可否認性(Non-repudiation)。此架構並能支援虛擬私人網路(VPN)或現有的IP網路的安全機制。  

在移動方面，不能妨礙不同技術間的換手(Handover)，如WiFi、3GPP、3GPP2和DSL等，此架構須要支援IPv4和IPv6網路，而MS可以擁有多個IP並同時使用IPv4和IPv6的服務。需在以車速行進間，達成無間隙(Seamless)的換手，為了達成路由最佳化和負載平衡，此架構須提供動態HA(Home Agent)功能。  

在服務品質(QoS)方面，須要支援不同等級的QoS，如不同使用者的QoS或不同服務流(Service Flow)的QoS，還有許可控制(Admission Control)和頻寬管理。  

在擴展性和延伸性方面，WiMAX架構須讓使用者可自動或手動決定網路服務的提供者，並包含多樣的連線方式，如無線或有線。可支援不同規模的基地台(Base Station, BS)，如Pico、Micro和Macro BS，提供彈性的布建方法，可有效分配頻寬和負載平衡。  

至於在管理方面，依據公開工業標準和IP標準，作為客戶端管理。  

最後是效能方面，須提供檔頭壓縮，或承載資料(Payload)壓縮。  

從上面所列的功能來觀察可知，為了支援可移動的IEEE 802.16e，WiMAX後端的骨幹網路結合了許多現階段IETF參考標準或現有的網路協定，並加上無間隙的換手功能，實現可移動的IP無線網路，並做到不中斷的資料流，才能呈現WiMAX完整的網路架構。  

WiMAX網路由多個功能性實體組成  

WiMAX架構是由許多個不同功能性實體所組成的，這些功能性實體各負責不同通訊協定和流程的運作。在解釋WiMAX架構前，讀者須對各實體所扮演的角色和功能須有基本的認知與觀念，以下為各實體的基本介紹。

‧	AAA
	AAA認證、授權與計費(Authentication, Autho-rization, Accounting)是基於IETF通訊協定下的一個架構，這些協定的目的是制定如何對使用者進行認證、授權及計費的流程，而這些流程可以在不同的存取技術架構下正常運作。

‧	ASN
	存取網路服務(Access Service Network, ASN)為多個網路功能的集合，目的在於提供WiMAX用戶端(Subscriber)無線訊號存取功能。包含WiMAX Layer 2連接、傳送WiMAX AAA訊息、WiMAX 網路服務供應商(NSP)選擇、轉送建立Layer3連線、無線訊號管理、及建立與連結服務網路(CSN)間的通道。

‧	ASN-GW
	ASN-GW(Gateway)為多個控制功能所組成，負責控制ASN裡的封包轉送，包括與CSN和其它ASN之間的連結溝通；ASN-GW的建置通常都包含了備援與負載平衡的能力。

‧	ASP
	應用服務供應商(Application Service Provider, ASP)通常為一個營利組織，專門提供網路上的應用服務。

‧	CSN
	連結服務網路(Connectivity Service Network, CSN)為多個網路功能的集合，提供使用者IP網路連結的服務。包括MS IP位址、Internet的存取、AAA代理伺服器、決策(Policy)及權限控管、支援ASN和CSN的通道建立、付費制度、CSN之間的漫遊通道建立、ASN之間的移動管理及WiMAX相關的服務。

‧	Firewall
	防火牆(Firewall)為保護企業內部網路和外部網路之間的第一道防線，並監視網路之間的封包流動，過濾非法或不允許流入的封包。Firewall可視為一連串的規則和決策制定，用來允許或阻斷封包的流入和流出。

‧	MS
	移動台(Mobility Station, MS)一般指的是可移動的通訊設備，提供在用戶端設備和基地台之間的連結能力。MS可以是一個主機，或具備支援多主機的能力。

‧	NAP
	網路存取供應商(Network Access Provider, NAP)提供WiMAX無線訊號架構給一個或多個 WiMAX網路服務提供者使用，一個NAP可包含多個ASN網路。

‧	NMS
	網路管理系統(Network Management System, NMS)為利用通訊協定，管理網路上的元件。網管人員須利用NMS管理網路元件的設定，包括效能設定、容錯設定、決策設定、及稽核管理設定等。

‧	NSP
	網路服務供應商(Network Service Provider, NSP)通常為營利組織，依照和使用者所簽署的服務契約，提供IP連結和WiMAX相關服務。NSP通常必須和多個NAP簽署契約，以提供WiMAX無線服務。與其他NSP業者簽訂契約，提供漫遊服務，以及和外部服務提供者簽訂契約，提供WiMAX用戶端的應用服務。

‧	LR
	位置記錄器(Location Register, LR)為一個負責儲存Idle Mode MS資訊的資料庫。包含了MS呼叫(Paging)的資訊，以及MS服務流資訊。

‧	BS
	基地台(Base Station, BS)含有WiMAX MAC及PHY的完整功能，提供無線訊號資訊給MS，並管理後端網路與無線網路間的傳輸控制；在WiMAX架構中，BS可控制上傳和下載資料的封包排程。

‧	RP
	參考點(Reference Point, RP)在WiMAX架構裡，通常使用RP代表一個或兩個功能實體間的連結，這些功能性實體有可能是在CSN中、ASN中、或是MS本身。這些參考點不一定有真實兩個實體介面，除非這些功能性實體是在不同的硬體設備上。在WiMAX裡去分類RP，以表達不同功能性實體間的功能介面，以及所產生的封包轉送路徑。

如圖2所示，RP R1指的是在MS和ASN之間，實體空氣介面上的通訊協定和程序；RP R2指的是在MS和CSN之間的通訊協定和程序，用以認證、授權服務和IP設定管理。這個路徑指的是邏輯上的路徑，並不是實體路徑；RP R3指的是在ASN和CSN之間的控制和流程協定，支援AAA決策實行和移動管理能力。並且包括承載資料平台間的通道建立，用以傳輸在CSN和ASN之間的資料封包；R4包含控制和承載資料協定的流程，負責協調在不同的ASN之間的移動管理；R6包含控制和承載資料協定的流程，負責溝通BS和ASN–GW的路徑。藉由相關的通訊協定，根據MS移動觸發的事件，建立、修改和刪除資料路徑；R8指的是在BS之間中，一連串控制訊息的通訊協定和流程，以確保快速並穩定的MS換手程序。並在換手程序中，利用彼此之間的控制協定，可允許BS間資料流暫時的流通。

資料來源：資策會 圖2　WiMAX網路架構實體

‧	HA
	本地代理器(Home Agent, HA)是Mobile IP裡其中一個角色，負責維護行動節點(Mobile Node, MN)的位置資訊，以及轉送要通往給MN的封包至MN所在的網路區域。在WiMAX架構裡HA的位置是在CSN裡。

‧	FA
	外部代理器(Foreign Agent, FA)也是Mobile IP裡重要的角色，負責監視及轉送MN所發送出的Mobile IP註冊封包。HA會和FA建立一條通道路徑，並經由這條路徑封裝封包至FA，待FA收到封包之後，會作解封裝的動作，再將封包轉送至MN上。在WiMAX架構裡，FA通常是在ASN GW裡。

各功能實體主要作用

藉由上述介紹，在NWG Release 1.0第二階段中設計了多樣的功能實體，以完成所NWG須要達到的目標，接下來將分別介紹各功能實體作用。

‧	資料通道功能
	資料通道功能(Data Path Function)負責通訊端點間傳輸通道的建置、管理及資料傳輸等工作，當MS發生換手動作時，必須暫存將要傳給該MS的資料，待換手成功再將資料傳給MS。

‧	使用者資訊功能
	使用者資訊功能(Context Function)主要是協助各功能實體取得MS的使用資訊，如安全資訊等，通常使用在換手的過程中。

‧	無線資源管理
	無線資源管理(Radio Resource Management)主要分為無線資源控制者(Radio Resource Con-troller)和無線資源管理者(Radio Resource Mana-gement)，整理所收集的無線資源訊息，使其成為接取服務網內其他功能的有用資訊，尤其是在換手控制與QoS管理，可提升無線管理的效率和網路的傳輸能力。

‧	QoS功能
	QoS功能(QoS Function)主要分為服務流授權者(Service Flow Authorization)和服務流管理者(Service Flow Manage-ment)，負責評估、創建、啟動、修改和刪除服務流，包含QoS參數設定，封包分類表交換、服務流與資料流的轉換等。

‧	待機模式/呼叫功能
	待機模式/呼叫功能(Idle Mode/Paging Function)包含了呼叫控制者(Paging Controller)、呼叫代理者(Paging Agent)和位置紀錄者(Location Register)，主要支援IEEE 802.16e中的呼叫功能和管理呼叫群組(Paging Group)，並能處理MS位置更新(Location Update)的動作，在有資料給MS時，通知網路建立對應的服務流，喚醒MS接收資料。

‧	換手功能
	換手功能(Handoff Function)負責MS換手時所需要的流程，在MS換手過程中，換手功能需要QoS功能、資料通道功能和無線資源管理功能一起協助處理，以達到減少封包遺失、減少換手延遲。

‧	代理MIP功能
	代理MIP功能(Proxy MIP, PMIP)負責協助無Mobile IP的MS，使之有Mobile IP的能力，PMIP主要透過監測MS的DHCP封包，將之轉換成MIP的控制封包，以完成MIP的註冊動作。

‧	AAA功能
	包含授權和授權代轉(Relay)模組，負責後端的認證、授權、計費服務，使用者端與AAA伺服器交換後的金鑰。隨著使用者的位置改變，後端網路必須跟著配合將之後的金鑰傳輸到對應服務使用者的基地台上。

以上為NWG所設計出來的功能，為了能讓各廠商設計的ASN架構相同，所以從發散的功能設計中，將不同的功能放至適合的位置，最後收斂出三種類別(Profile)規格，分別為Profile A(圖3)、Pro-file B(圖4)和Profile C(圖5)的架構圖。

資料來源：資策會 圖3　Profile A架構

資料來源：資策會 圖4　Profile B架構

span class="ending">資料來源：資策會 圖5　Profile C架構

從架構圖可以發現Profile A和Profile C很類似，都將ASN的功能分成ASN-GW和BS，而Profile C沒有ASN-GW和BS的關念，所以在這三種Profile架構圖中可以看出，不同的Profile有不同的優缺點(表1)。

表1　Profile架構比較
ASN Profile	描述	優點	缺點
Profile A	1.集中化 2.分為ASNGW和BS 3.換手控制在ASNGW 4.RRM在ASNGW	1.易發展pico等級的BS 2.可支援Soft換手 3.較少的RRM控制訊息	1.ASNGW負擔較重 2.不同廠商ASNGW與BS互通較困難 3.製造者較少
Profile B	結合ASNGW和BS	1.架構簡單 2.適合少量布建	1.IP和無線資源分工不清楚 2.大量布建花費較貴 3.無R6介面
Profile C	1.分散式 2.分為ASNGW和BS 3.換手控制在BS 4.RRM在BS	1.易發展pico等級的BS 2.不同廠商ASNGW和BS互通較容易 3.明顯的IP核心網路與無線資源管理	1.多餘的RRM控制訊息 2.多餘的換手控制訊息

資料來源：資策會

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，目標則是將產品導入WiMAX產業鏈中。目前R2/R3/R4介面將實作於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的廠商所提供設備，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的市場。因此，在下期文章中將介紹R6介面中的模組，並揭露QoS、資料路徑(Data Path)、情境(Context)和行動力(Mobility)技術細節。  

(本文作者任職於資策會網多所)