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1、802.16E协议的MAC层 标准协议MAC层小组n、MAC分层结构l服务汇聚子层（CS）lMAC公共子层(CPS)l加密子层(PS)n、MAC工作原理l业务会聚l寻址lMAC PDU 格式lMAC PDUs传输802.16E的MAC层、MAC分层结构802.16 主要定义了物理层及MAC 层MAC 层包括三个子层：1.1 服务汇聚子层：(CS) 1.2 MAC公共子层：(CPS) 1.3 加密子层：(PS） 该层将所有从汇聚层服务接入点(CS SAP)接收到的外部网络数据的转化/映射成MAC SDU，然后分类外部网络服务数据（SDU），将这些数据关联到正确的MAC服务流（SFID）及连接（C

2、ID）最后通过MAC SAP发送给MAC CPS。还可能包含负荷头压缩功能（PHS）。1.1 服务汇聚子层：（ CS） 服务汇聚子层驻留在 MAC CPS 层之上，完成以下功能：n从更高层接收高层协议数据（PDU）。n完成更高层 PDU 的分类。n如果需要，根据分类，处理高层 PDU。n将数据 CS PDU 分发到合适的 MAC SAPn从协议对等实体接收 CS PDU。该层还被细分为两种子层：ATM汇聚子层及包汇聚子层。1.1. 包会聚子层（）包会聚子层（） 包会聚子层用于传输所有基于包的协议数据，如 IP、802.3。该层包含以下功能：n从对等 MAC SAP接收数据（ CS PDU）n将

3、高层协议数据（ PDU）分类到合适的连接n压缩负荷信息头（ PHS）（可选）n将处理后的数据 CS PDU 分发到关联了服务 流的MAC SAP ，用于传送到对等 MAC SAP。n重建压缩负荷头（可选）n由高层协议传来的数据应该被封装成 MAC SDU 格式，如下图 ：1.1.2 MAC SDU 格式n高层协议传来的数据应该被封装成 MAC SDU 格式后。由一些协议相关的数据包匹配标准（如目标 IP 地址）、分类器优先级、CID 等组成的分类器，对各个数据进行分类 。再将 MAC SDU 映射到合适的连接以及传送到对等 MAC 实体。映射过程要将一个MAC SDU 与一个连接关联，同时创建

4、一个与该连接的服务流特性相同的关联 。n下面是分类及 CID 映射图示以（ BS到SS）为例：1.1. 分类 n基站及终端分类都由多个分类器组成，多个分类器可能作用于同一个服务流，每一个分类器包含一个优先级域，分类器的优先级用于将分类器对数据包的作用顺序排序，最高优先级的分类器要先被应用，如果一个分类器所有参数与数据包都匹配，分类器将该数据包发送到相应的连接。n明确分类器的排序是必需的，因为分类器的分类方法可能有重叠部分。优先级并不一定要求唯一，但是需要避免冲突。n分类器可以通过网管来增加或动态生成。简单网络管理协议 (SNMP )协议可以查看动态生成的分类器，但不能修改或删除。当多个分类器与

5、数据包匹配时，选择高优先级的分类器首先被利用。 1.1.负荷头压缩 (PHS )n动态生成分类器是通过在DSC-REQ/DSA-REQ消息中Classifier DSC action字段的指示来实现的。其中0-增加，1-替代，2-删除。n数据包通过分类器后，将确定服务流、CID 及负荷头压缩 (PHS )规则。负荷头压缩 (PHS )是负荷头的重复部分，对等实体再将其恢复。nPHS 规则包括：（ PHSF） 负荷头压缩索引PHSI、负荷头压缩掩码(PHSM) 、负荷头压缩尺寸(PHSS) 及 负荷头压缩校验(PHSV)等内容。n负荷头的重复部分被压缩，在对等实体中再将其恢复。每一个MAC SD

6、U 都包含一个 PHSI前缀，用于表示相应的 PHSF。n发送实体用分类器来将数据包映射到相应的服务流，它同时将数据包映射到了相应的PHS规则。接收实体用 CID及PHSI 来恢复 PHSF，一旦一个 PHSF 与PHSI 关联后，就不能被改变。要改变一个服务流的PHSF，先定义一个新的 PHS规则，老的规则被从服务流删除，再增加新规则。当一个分类器被删除，所有关联的 PHS规则将被删除。n它是MAC的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MAC SAP接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接，同时对在物理层上传输和调度的数据实施QoS控制。通常说的MA

7、C层就是主要指MAC公共子层。n802.16支持两种网络拓朴结构：双向点对多点（PMP）、多点对多点（MESH）。对于不同的网络拓扑结构，其寻址方式、QoS 保证机制等都有所不同。下面主要介绍一下双向点对多点（PMP）的这种网络拓扑。1.2 MAC公共子层:(CPS) n该网络拓扑中，下行方向只有基站发送。终端必须在下行链路上监听，并检查接收到 PDU 的 CID，只保留发送给本终端的 PDU。 n在上行方向，所有的SS在请求带宽的基础上来共享与BS之间的链路。根据其服务类型，SS可能被BS授权持续进行发送，或者在BS收到其带宽请求并允许后才能发送。n消息发送的机制可以是单播、组播或广播。nB

8、S可以通过几种不同的上行链路调度机制，即主动带宽保证（unsolicited bandwidthgrants），轮询（polling），竞争（contentionprocedures）机制来实现各个用户的不同业务的调度，这样一来就可以保证每个用户服务对带宽及时延的不同需求。通过协议对这些机制规定，开发商们就可以在保持互操作性的同时，利用不同调度机制组合来优化系统性能。nMAC层是面向连接的，每个连接对应一个服务流。在一个终端接入到系统中时，服务流就可以被指派。当到终端完成注册，连接就与服务流关联来提供请求的带宽保证。另外，当用户服务需求改变时，可能会建立新的连接。一个连接不仅定义了与汇聚层的映

9、射，还定义了服务流，而服务流定义了在这个连接上传输的PDU的QoS参数。服务流提供了一种上下行链路的QoS管理机制。nMAC协议设计的中心思想就是服务流架构在连接上的概念。服务流提供了上下行QoS管理的机制。SS以连接为基础来请求带宽，这实际上就与服务流关联起来了。n连接可以根据基站及终端的要求动态建立、修改及终止。也可以静态配置。1.3加密子层：n它是可选部分主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。n80216e的安全子层主要可以分为数据包加密封装协议和密钥管理(PKM)协议两部分，加密封装协议由安全组件组成。n安全子层的协议栈如下图所示。n、加密封装协议：该协议对固定 BWA 网络中的数

10、据包进行加密处理。该协议定义了：a) 一组双方都支持的加密算法组件，也就是双方的数据加密算法和鉴权算法。b)将加密算法运用到 MAC PDU 负荷规则中。n、密钥管理协议（PKM），该协议提供了从基站到终端的密钥数据的安全分发机制。通过密钥管理协议，基站和终端可以同步密钥参数，此外在基站侧还可以利用该协议来加强对网络服务的访问条件控制。nSA指的是基站与其一个或多个客户终端共享的支持在802.16网络中进行加密通讯的安全信息。每个 SA 共享的信息应该包括SA 内加密算法组件。它的实质内容是由 SA 的加密算法组件决定的。每个可管理的终端将与其接入的基站建立唯一的第一 SA。通过使用PKM 协

11、议，终端可以向基站请求SA 的密钥信息。基站将确保每个客户终端只能访问其被授权访问的 SA。 、MAC基本工作原理n2.1 业务会聚n2.2 寻址n2.3 MAC PDU格式n2.4 MAC PDUs传输2.1 业务会聚n前面在讲MAC层的的分层结构中包汇聚子层时已经讲述了有关知识。下面简单提一下。n首先由高层协议传来的数据应该被封装成 MAC SDU格式。然后由由一些协议相关的数据包匹配标准（如目标IP地址）、分类器优先级、CID 组成的分类器，对各个数据进行分类。再将 MAC SDU 映射到合适的连接以及传送到对等 MAC 实体，映射过程将一个MAC SDU与一个连接关联，同时创建一个与该

12、连接的服务流特性的关联。若需要再对负荷头压缩。2.2 寻址这里主要讲述PMP网络拓扑结构的寻址n每个终端有一个48位唯一的 MAC地址，在初始阶段测距过程用于与基站建立一个合适的连接，也被用于基站和终端相互认证。其实与 802.3的MAC 地址意义和作用都是相同的。n每个连接有一个16位的CID标识，在终端的初始过程中，基站与终端将建立三对管理连接（双向），基本连接和主管理连接是必须的，第二管理连接（可选的）。这三对连接也表示了基站与终端的管理信息具有三种不同的QoS。n基本连接用于基站与终端的MAC层交互短的、实时的MAC层管理信息。主管理连接用于基站与终端交互长的、可以容忍更多时延的 MA

13、C 层管理信息。协议、标准中的管理信息表中明确指出了每一个消息在那一个管理连接上传输。最后一种第二类管理连接被用于在基站与终端之间传输基于标准的管理消息（DHCP、TFTP、SNMP 等）。第二类管理连接上传输的消息都是IP包数据报格式进行传输的，可能被组包或分段。n基本连接与主管理连接都是基站接收到终端的初始测距请求时为终端分配的，是终端完成接入过程的必备条件。这两个CID是用于接入控制的，所以不可缺少。而第二管理连接的作用只是为了传输基于其他标准协议管理消息，因为其他协议都是处于MAC 之上，对于 802.16 来说是透明的，所以没有第二管理连接，终端仍旧可以正常实现功能，只是没有办法对终

14、端实现接入控制之外的其他管理。 n这些连接的CID是在RNG-RSP和REG-RSP消息中分配的。在管理连接中，同对连接的CID数值是一样的。由于CID是16bit的，所以在每个上行或下行链路上，最大可以支持64K个CID。 n传输请求是基于这些CID的，因为不同的连接允许的带宽不一样（即使是同一个服务类型），如一个终端为一栋大楼中的多个不同用户服务，终端将根据所有用户的要求来请求带宽，尽管用户有不同的租赁合约，不同的连接参数。这段的意思其实就是强调不同CID，也就是不同连接可以使用的带宽是不相同的。n对于承载业务，由基站根据指派信息发起连接的建立。终端的注册或者终端订约服务的修改等都将触发基

15、站上的高层协议来发起的连接。n对于管理消息，应该进行 CRC 校验。n多个更高层的连接可能通过同一个CID操作，如一个公司内的多个用户通过TCP/IP访问不同的IP地址，但由于他们都使用相同的服务参数，他们所有的业务是轮询的。n服务的类型以及服务的其他参数都是隐含在CID中的，因为通过CID可以查找到这些信息。其实服务类型或者其他参数是与服务流相关的，如果分配有CID就肯定存在SFID，所以就能减缩到所有信息。n其实以上就是强调了对终端是通过MAC地址识别、通过CID实现管理的。 2.3 MAC PDU格式n每个都包含一个固定长度的头，后面紧跟的是负荷，负荷中可能包含或多个子头和或多个数据和或

16、分段。n负荷长度可变结构如图所示： 2.3.1 MAC PDU.1 MAC PDU 头格式头格式 有两种 MAC PDU 头格式 : (1)通用MAC头格式，包含MAC管理消息或CS层数据 (2) 带宽请求头格式，用于请求额外的带宽。n这两种头格式的区分，可以根据 Header Type (HT)位来实现。0 是通用头，1 是带宽请求头。其中，在使用带宽请求头时不能包含负荷。因为当通用头时 HT 为 0，则EC 伪，所以 MAC消息头的第一个字节不能为 0XFX，这样有利于防止在检测会聚子层增加的填充字节时是否出现错误。nHT：Header Type。=0，表示是通用头。 nEC：Encryp

17、tion Control。=1，负荷加密。 =0，负荷不加密。 nMAC PDU 头的前四位不允许出现全1，即不能为 0XnCI：CRC Indicator，=1，有 CRC 校验。 =0，无 CRC校验。 nEKS：Encryption Key Sequence。TEK 索引，当 EC=1 时有意义。 nHCS：Header Check Sequence。头的前五个字节校验。 nLEN：MAC PDU 数据字节长度，包括头及负荷。 nType：负荷的类型，有以下几种： =X00000B，=1，存在MESH 子头存在。 =0X0000B，=1，存在 ARQ应答负荷。 =00X000B，扩展类型

18、，表示是否存在级联或分段子头。 =1，扩展，适用于 ARQ允许的连接 =0，不扩展，适用于 ARQ禁止。 =000X00B，=1，分段子头存在。 =0000X0B，=1，PACK 子头存在。 =00000XB，=1，下行表示FAST-FEEDBACK分配子头存在，上行表示授权管理子头存在。 n其中：HT=1，EC=0 。n头的长度是 6BYTES。nBR 表示要求的带宽字节。nType：表示类型，n=000，表示要求的额外的带宽。n=001，表示要求的总的带宽。nSS 不接收下行的带宽请求。 2.3.2 MAC.2 MAC 子头子头 n子头有五种：MESH 子头、授权管理子头、分段子头、组包子

19、头、FAST-FEEDBACK，如果这些子头在同一个 MAC PDU 中出现，那么其顺序如下。其中，分段子头/组包子头在同一MAC PDU 中是互斥的：（）MESH 子头/授权管理子头/分段（组包）子头/FAST-FEEDBACK 分配子头。 子头紧跟MAC PDU 头的后面。必须在 MAC 头中标明子头的存在。 （）各个子头的定义这里就不再描述具体具体用到后再参照相关标准。2.4 MAC PDUs传输数据发送要遵守以下规则：n MAC 消息的各个字段要按标准中所列顺序发送n MAC 消息MSB（最高有效位）先发送n SDU 或SDU分段按从上层接收到相同的字节顺序发送。n字符串按字符先后发送

20、。 数据发送前后要完成以下工作：数据包的构建、包的级联 、分段、组包、CRC等。n级联：级联：多个 MAC PDU 可能被组合在一起一次发送 n分段：分段：是指一个 MAC SDU 被分成多个 MAC PDU。当 MAC SAP 建立连接时就定义了是否允许分段。通过增加标签来定位相应的分段 n组包：组包：如果允许组包，则 MAC 层会将多个 MAC SDU 组包到一个 MAC PDU。由发送侧决定是否将 SDU 进行组包。nCRC ：应包含 MAC PDU 的所有数据，加密后做 CRC。CRC 覆盖通用 MAC 头和负荷。n一些全局（globally）定义的业务流可能会携带需要发给多个SS或M

21、S，基站在发送这种业务过程中就需采用多播或广播的方式。通常、这种业务流具有特殊的Qos参数，还可能要求用全局定义的TEK序列来进行加密。由于一个多播或广播传送连接与一个业务流相关联，所以该连接也与该业务流的QoS和业务参数相关联。有两种接入多播和广播业务（MBS）方式：单BS接入和多BS接入。单BS接入是在一个BS上传送多播和广播传输连接；而多BS接入是指通过多个BS的（多个）业务流传送数据。MS可能既支持单BS接入也支持多BS接入。2.5 多播和广播nBS可以对MS提供单BS接入，BS建立一个广播连接，或者每个多播业务要关联的MS建立一个多播流量（traffic）连接。单基站业务中可以使用任

22、意可用的流量（traffic）CID。对于所有同一信道上参与连接的MS，该服务的CID是同一个。对于所有在该CID的连接上传输的数据，每个相关的MS都需要接收并在MAC处理。也就是说，每个多播MAC SDU在每个BS信道中只传输一次。n如果下行多播连接需要加密的话，则每个参与连接的MS应拥有一个额外的安全关联（SA），可以使用与MS和BS间其他加密传输无关的特定密钥。 2.5.1 单BS接入 n多基站多播、广播业务的定义是所有成功注册到特定的Multi-BS-MBS连接上（各个MS需要在网络层同时注册到MBS业务上）的MS都可以在自己的小区中接收到多个BS在一特定时间段内同时传送的含有多播和广

23、播内容的加密的MAC PDU。这要求这些同一Multi-BS-MBS业务下的BS在传送共同的多播/广播数据时需要同步。为了确保多BS的多播操作的正确，对于所有的在同一信道上参与连接的BS和MS来说，其multi-BS-MBS连接的CID都是相同的。2.5.2 多BS接入n多BS同步的多播服务使得MS可以从多个BS处接收到多播或广播，由此可以改善接收的可靠性。与单BS接入情况不同，多BS接入不需要MS再注册到现在的服务BS上(BS from which it receives thetransmission)或者其他BS上。这种情况下，所有传的MAC PDU应使用相同的CID，并在整个BS组中同

24、步传送相同的数据。多播和广播域标识（MBS_ZONE）用以标志该BS组，其广播和多播业务流使用一个CID和SA是有效的。n在动态业务增加的过程中，对多MBS内容的一个MBS连接可以通过BS发出包含MBS内容标识TLV编码（MBS Contents Identifier TLV encoding）的DSA-REQ或DSA-RSP而建立，如16e的11.13.36所示。当MS发出带有MBS业务请求的DSA-REQ消息，BS会回应DSA-RSP消息，包括了MBS内容标识TLV编码，来建立MBS连接。在多播业务数据IE中与多播CID成对出现的逻辑信道ID，按照在TLV值中其顺序，分配给每个MBS内容I

25、D（MBS Contents IDs）。所以从同一个MBS连接，由多播CID的不同逻辑信道ID来区分，MS可以收到多个MBS消息，其MBS消息的内容各不相同。BS可以按照在Extended_MBS_DATA_IE中多播CID和逻辑信道ID的顺序来分配MBS PDU。 n针对特定业务流建立MBS经常是在MS向特定BS注册后执行的。建立的过程在 带宽请求接入部分有定义。n多播和广播业务是与多播和广播业务流相关联的。多播和广播业务流不是专门针对某一MS的，甚至不论MS在awake/sleep状态还是在idle状态，对多播和广播业务流的维护都可以进行。如果一个MS注册到BS上要接收多播和广播业务，则多

26、播和广播业务流初始了多个连接。多播和广播业务流的数据由BS发送，由MS接收，无论MS现在处于什么状态。当业务开始时，BS可以建立一个下行的多播广播业务流。 2.5.3 多播和广播业务的建立和维护多播和广播业务的建立和维护 n同一多播和广播业务域（Zone）的所有BS都应知道多播和广播业务流ID和CID之间的映射。n当MS在BS上注册接收多播和广播业务时，MS应针对多部和广播连接开始DSA过程，告知BS它也是该广播/多播业务的用户。该通知可能被用于开始MS和网络的双向上层通信，来配置多播和广播服务。成功配置之后，MS如果要移动到另一BS下，就可以重用相同的配置而无需再配。 n在和BS的通信中，MS可以了解到MBS_ZONE标识。如果MS获得了MBS_ZONE然后转入空闲模式，则MS仍可以从广播同一MBS_ZONE的其它BS处接收到MBS内容。在这种情况下，MS仍使用注册状态时相同的CID和SA。对于仍处于空闲模式的MS而言，转移到广播另一个MBS_ZONE的BS下的话，就需要在该BS注册并获取新的CID和SA用于将来的MBS内容的接收。n多播和广播业务流在应用层或MAC层加密，或者两层都加密。多播和广播业务通过上层加密可以防止对多播和广播内容的非授权的访问。而基于MAC加强的数据加密，可以提供接入控制，防止服务被窃用。MBS相关的安全在加密子层中定义。