IEEE802.16 WirelessMAN是一种能够在城域范围内提供高速无线接 入的宽带网络[1]Carl Eklund，Roger B.Marks，“IEEE Standard802.16：A Technical Overview of the WirelessMANTM Air Interface for Broadband Wireless Access”，IEEE C802.16-02/05，2002。IEEE802.16工作组已于2004 年10月1日发布了IEEE Std802.16-2004，该标准定义了工作于2-66GHz 频带的固定宽带无线接入系统空中接口物理层(PHY)和媒体接入控制层 (MAC)规范。IEEE Std802.16e将于2005年3月发布，该标准定义了移动 宽带无线接入系统的空中接口规范。IEEE802.16工作组只制定了宽带无 线接入系统的空中接口规范，而没有制定利用IEEE802.16无线接入技术 构建宽带无线城域网的规范。

本发明的目的在于提供一种利用IEEE802.16无线接入技术构建提供 分级服务的宽带无线城域网的方法。
宽带无线城域网系统可以分为三个分系统：基站系统、交换分系统、 管理分系统。
基站系统实现IEEE802.16终端与基站之间的无线信道互连，基站与 基站之间的无线互连。交换分系统具有管理信令规程的全部功能，用于对 呼叫的建立、保持和清除进行控制和管理。交换分系统包括的主要功能有： 与用户移动特性有关的特殊功能；对无线资源的管理；对信令规程的管理； 移动终端注册；用户身份认证；路由选择；标签交换路径建立。管理分系 统对整个无线城域网进行远程控制与维护，其主要功能有：网络运营管理， 包括用户管理、网络设备管理、计费、统计等；安全管理；操作与性能管 理；系统变化控制；系统维护与故障恢复。
宽带无线城域网络系统结构如图1所示，整个通信网络由无线网络、 有线网络和其它网络构成；宽带无线城域网络包括无线网络和有线网络 两个部分，其它网络包括PSTN、ISDN、GSM和3G等现有语音通信网 络；宽带无线城域网络通过交换中心的转换网关与其它网络互连。构成宽 带城域网络的功能实体有：无线台、交换中心、基站、接入中心、设备 标志器、注册中心、鉴权中心、管理中心、计费中心。前三个实体属于无 线网络部分，后六个实体属于有线网络部分，接入中心完成无线网络和有 线网络的互连。无线网络中的功能实体通过无线链路连接；有线网络采用 传统IP网络，其中的功能实体之间通过光纤互连。每个实体完成特定的 功能。
无线台：无线台由用户设备构成，支持IEEE802.16-2004和IEEE 802.16e协议。用户使用这些设备可以固定或移动地接入IEEE802.16城域 网，得到所需要的通信服务。每个无线台都包括一个无线终端，根据通信 业务的需要，无线台还可包括各种终端设备以及终端适配器。无线台有若 干识别号码，用以在一定范围内唯一地标识该无线台。
基站系统：基站系统由可在一定区域内建立无线电覆盖并与无线台通 信的设备组成。基站系统由基站控制器和基站收发设备两类功能实体构 成。基站控制器对基站收发设备进行控制和管理；基站收发设备是覆盖一 定区域的无线电收发信设备。基站系统支持IPv6路由和MPLS (Multi-Protocol Label Switching)交换。基站系统为接入的无线台分配家 乡IP地址或转交IP地址。
交换中心：交换中心对位于其服务区内的无线台进行交换和控制，同 时提供与其它基站的接口。交换中心能够完成呼叫接续、数据转发、无线 资源管理和移动特性管理等功能。
接入中心：完成无线网络与有线核心网络的接入功能，包括数据转发、 路由选择、交换路径建立等；还提供与其它网络的接口，完成与其它网络 的交换和控制。
注册中心：注册中心是用于无线接入用户管理的数据库，每个用户必 须在注册中心中登记。注册中心为无线台用户记录IP地址与无线台识别 码的映射。
设备标志器：设备标志器是存储有关无线台设备参数的数据库，实现 对无线台设备进行识别、监视、闭锁等功能。
鉴权中心：鉴权中心是认证无线接入用户的身份以及产生相应认证参 数的功能实体。这些参数包括随机号码、密钥等。鉴权中心对任何试图入 网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。
管理中心：管理中心是网络操作者对全网进行监控和操作的功能实 体。
计费中心：计费中心对不同等级、不同服务质量要求的语音和数据通 信业务进行计费。
宽带无线城域网络协议栈模型如图2所示。无线台与基站之间通过 IEEE802.16定义的物理层(正交频分复用多址接入OFDMA模式，2- 11GHz)和MAC层协议进行通信。基站与基站之间利用定向天线通过 IEEE802.16定义的IEEE802.16物理层(单载波SC模式，10-66GHz) 和IETF(Internet Engineer Task Force)定义的PPP(Point to Point Protocol) 协议进行通信。基站与有线网络之间通过IEEE802.3定义的物理层和 MAC层协议进行通信。有线网络中的各功能实体通过核心IPv6网络进行 通信。在图2的协议栈模型中，第三层分为两个子层。无线资源管理子层 对IEEE802.16接入部分的无线资源进行管理，包括功率控制、信道分配、 用户认证等。IP子层对因特网协议进行处理，包括IP(v6)路由建立、 MPLS标签交换路径建立、路由查找与数据转发等。三层以上分为移动管 理子层、呼叫管理子层和网络维护子层。移动管理子层对无线台的移动特 性进行支持与管理，包括内部切换、越区切换等。呼叫管理子层对语音用 户的通信进行支持与管理，包括呼叫接续、QOS(Quality of Service，服务 质量)请求、资源申请与释放等。网络维护子层对远程控制与维护整个无 线城域网提供支持。
在本发明所提出的宽带无线城域网系统中，IEEE802.16基站是网络 无线接入的核心设备。本发明要求基站能够支持有质量保障的语音通信和 可靠的多媒体数据通信，并具有良好的接入控制、功率控制、移动切换控 制和容量扩展能力，支持IEEE802.16x系列终端的无线接入，支持基站间 的路由和标签路径交换，支持与核心IPv6网络的连接，支持IPv6和MPLS 协议。基站协议栈结构如图3所示。基站物理层支持IEEE802.16 PHY(正 交频分多址OFDMA和单载波SC模式)与IEEE802.3 PHY。基站数据链路 层支持IEEE802.16 MAC、IEEE802.3 MAC和IETF PPP协议。基站网络层 支持MPLS协议、IP、IPv6协议和无线资源管理协议，无线资源管理协议 管理和控制基站的各种无线资源，保证资源的有效分配和可靠回收。在网 络层之上，基站支持TCP/UDP传输协议和OSPF(Open Shortest Path First) 路由协议，支持标签分发LDP(Label Distribution Protocol)协议、资源预 留RSVP-TE(Resouce Reserve Protocol extended for Traffic Engineering)协 议、移动管理信令系统、呼叫管理信令系统、网络维护信令系统和各应用 层网络协议。移动管理信令系统管理与终端移动相关的工作，包括处理来 自移动终端家乡代理的数据，当新的用户移动并加入到本基站时，移动管 理系统命令IEEE802.16的MAC层的特定业务汇聚子层(Service-specific Convergence Sub-layer，CS)建立新的连接，并提供相应的QOS参数，参 与调度；当用户离开时，移动管理系统通知无线资源管理系统收回属于该 移动终端的连接和系统资源。呼叫管理信令系统收发和处理各种语音通信 的信令消息，实现语音通信的正常接续和移动切换，并通过无线资源管理 系统实现合理的资源预留，以保证通话的服务质量。网络管理信令系统提 供网络运营管理、安全管理、操作与性能管理、系统变化控制、系统维护 与故障恢复所需要的通信功能。
图4是利用本发明所提方法构建的提供分级服务的宽带无线城域网 络拓扑结构。城域核心网、基站和IP手机都支持IPv6协议；基站和核心 网路由器(包括接入路由器)还支持OSPF路由协议、MPLS标签交换协 议和RSVP-TE资源预留协议；基站与基站之间的数据链路层运行PPP协 议，基站间的带宽被分为控制带宽和业务带宽，控制带宽用于传输网络管 理和业务控制信令，业务带宽用于传输业务数据。IP手机和基站还支持 IEEE802.16-2004和IEEE802.16e协议。接入路由器(采用MPLS路由器) 和IEEE802.16基站完成交换中心的功能，为IP数据包选择路由，为语音 流建立交换路径，并将从IP手机传来的语音或数据高速转发给下一跳路 由器(包括基站)。认证服务器、注册服务器、管理服务器、接入路由器 和基站共同完成无线资源管理，如功率控制、准入控制、信道分配、移动 切换。管理服务器还负责对整个网络的设备进行远程管理，包括系统维护、 故障恢复、用户管理等。AAA(Authentication，Authorization and Accounting)服务器对网络上的语音或数据通信进行认证、授权和计费。 进入接入基站和路由器的普通数据报文走3层路由，具有QOS要求的数 据报文和语音流走2层交换。认证服务器、注册服务器、管理服务器和 AAA服务器按照某种策略分布在核心IPv6网上，通过相应的信令系统(包 括语音通信信令系统、移动管理信令系统和网络维护信令系统等)通信， 完成协调控制功能。交换网关提供与其它网络(如PSTN、ISDN、GSM、 3G)的接口，完成宽带无线城域网与其它网络间的呼叫接续与交换。
IP手机的用户识别码(如电话号码)是预先固定分配的，例如可以固 化在用户识别模块里。当IP手机开机时，首先进行设备身份认证和用户身 份认证(认证服务器和注册服务器参与完成)，认证通过后，IP手机从接 入基站(例如，IP手机1的接入基站为IEEE802.16基站1)处获得一个IPv6 地址，然后将该地址和自己的电话号码向注册服务器注册，在注册服务器 中建立电话号码到当前IP地址的映射。无线台进入网络的初始化流程如图 5所示。
IEEE802.16提供了四种不同类型的服务：非请求授予服务 (Unsolicited Grant Service，UGS)、实时轮询服务(Real-time Polling Service，rtPS)、非实时轮询服务(Non-real-time Polling Service，nrtPS) 和尽力而为服务(Best Effort，BE)。UGS服务用于固定比特率的实时数 据流，如IP电话。RtPS服务用于非恒定比特率的实时数据流，如MPEG视 频。NrtPS用于非恒定比特率的非实时数据流，如FTP文件传输。BE服务 用于没有特别QOS需求、仅需尽力而为的业务。不同服务等级和服务质量 需求的业务通过这四种不同类型的服务来请求系统资源，基站根据无线台 请求的QOS参数对系统资源进行调度，从而实现分级服务。
当IP手机1对IP手机2的电话号码进行呼叫时，首先进行呼叫等级认 证，通过AAA服务器认证并获得授权后，向注册服务器查询IP手机2当前 的IP地址。获得IP手机2的IP地址后，IEEE802.16基站1立即启动寻路机制 和资源预留机制，建立一条从IP手机1到IP手机2的满足特定QOS要求的路 由，同时通过MPLS协议建立一条二层交换路径。交换路径建好后，手机1 和手机2开始通话，AAA服务器启动计费。通话结束后，本次通话所预留 的无线和有线资源被释放。宽带无线城域网内的语音通信流程如图6所 示。
本发明利用IEEE802.16无线传输技术构建具有分级服务能力的宽带 无线城域网络；使用基于IEEE802.16协议的宽带无线城域网络系统结构、 宽带无线城域网络协议栈模型、宽带无线城域网络基站协议栈结构和城域 网络拓扑结构，在IEEE802.16基站上增加了基站间接口，允许基站间多 跳无线连接，扩展城域网络的无线覆盖区域，在城域网络上采用资源预留 协议保证业务所请求的服务质量，采用MPLS协议建立二层交换路径，为 高等级高QOS要求的业务提供支持，利用IEEE802.16提供的四种不同 类型服务实现分级服务请求，利用二层交换保证良好的语音通话质量。
本发明利用IEEE802.16提供的四种不同服务类型支持分级服务，使 不同业务在网络中利用不同的优先级进行传输；利用IEEE802.16提供的 QOS调度机制和城域网络上的资源预留机制保证等级业务的服务质量要 求；利用支持MPLS的基站和路由器提供良好的QOS支持，使高优先级 高服务质量要求的业务通过二层标签交换进行传输，而低优先级低服务质 量要求的业务通过三层路由转发进行传输。
附图说明
图1是宽带无线城域网络系统结构图。
图2是宽带无线城域网络协议栈模型图。
图3是基站协议栈结构图。
图4是宽带无线城域网络拓扑结构图。
图5是无线台初始化流程图。
图6是语音通信流程图。

提供分级服务的宽带无线城域网络构建方法，其中的IEEE802.16无 线台进入网络的初始化流程如下：
步骤S1：无线台与基站之间建立无线链路连接；
步骤S2：无线台向宽带无线城域网络注册，获得IP地址；
步骤S3：无线台进行网络运营商要求的配置，并建立相关预连接。
图5中各事件的处理步骤如下：(无线台初始化流程)
S5.1：当无线台进入网络时，通过检测基站广播的DCD和DL_MAP 消息，取得与下行链路(基站到无线台的无线链路)的同步；
S5.2：判断是否成功同步到下行链路，即是否连续收到有效的DCD和 DL_MAP消息，若是，进入S5.3；否则，转到S5.1，尝试同步到下一个 下行链路；
S5.3：通过检测基站广播的UCD和UL_MAP消息，获取上行链路参 数；
S5.4：判断是否成功获取了上行链路参数，即是否连续收到有效的UCD 和UL_MAP消息，且消息中的参数适合无线台，若是，进入S5.5；否则， 转到S5.1，尝试同步到下一个下行链路；
S5.5：启动测距过程，通过RNG-REQ和RNG-RSP消息与基站交互， 对相关传输参数(如发送功率)进行调整，并建立无线台与基站间的基本 (Basic)连接和首要(Primary)连接，这两个连接用于传输无线台与基 站间的(管理)控制信令；
S5.6：判断是否成功完成参数调整，即是否收到标识为SUCCESS的 RNG-RSP消息，若是，进入S5.7；否则，转到S5.1，尝试同步到下一个 下行链路；
S5.7：测距完成后，启动基本能力协商过程，通过SBC-REQ和SBC-RSP 消息与基站交互，协调双方所支持的能力参数集；
S5.8：判断是否成功完成基本能力协商，基站是否启用对无线台所请 求的基本能力参数集的支持，即是否收到状态标识为OK的SBC-RSP消 息，若是，进入S5.9；否则，转到S5.1，尝试同步到下一个下行链路；
S5.9：启动认证和密钥交换过程，认证服务器参与完成该过程；
S5.10：判断是否通过认证，若通过认证，转到S5.12；否则，进入S5.11；
S5.11：无线台没有通过认证，禁止进入网络；
S5.12：无线台向网络注册，通过REG-REQ和REG-RSP消息交互完 成注册过程，协商IP版本号，建立次要(Secondary)连接，该连接用于网 络与可管理的无线台间传递管理控制信令；
S5.13：判断是否注册成功，即判断是否收到状态标识为OK的 REG-RSP消息，若是，进入S5.14；否则，转到S5.1，尝试同步到下一个 下行链路；
S5.14：启动IP连接建立过程，获取IP地址，注册服务器参与完成该 过程；
S5.15：判断是否成功获得IP地址，若是，将电话号码到当前IP地址 的映射登记到注册服务器，然后进入S5.16；否则，转到S5.1，尝试同步 到下一个下行链路；
S5.16：启动时间同步过程和配置文件获取过程，管理服务器参与完成 该过程；
S5.17：判断同步与配置是否成功，即是否收到状态标识为OK的应答 消息，若是，进入S5.18；否则，转到S5.1，尝试同步到下一个下行链 路；
S5.18：启动预连接建立过程，通过DSA-REQ和DSA-REP消息交换 完成预连接建立，预连接用于传送网络运营商预先提供的服务流；
S5.19：判断预连接是否建立成功，若是，无线台进入待机状态，等待 用户事件；否则，转到S5.1，尝试同步到下一个下行链路；
提供分级服务的宽带无线城域网络构建方法，其中的IEEE802.16无 线台之间的语音通信流程如下：
步骤S1：呼叫发起方申请控制带宽，用于传输语音通信信令；
步骤S2：通过认证的无线台申请业务带宽，用于传输语音流；
步骤S3：查询被呼方的IP地址，启动路由和资源预留过程，建立标 签交换路径；
步骤S4：被呼方通过认证，建立与接入基站的无线连接；
步骤S5：启动通话过程；
步骤S6：通话结束，释放本次通话所占用的系统资源。
图6中各事件的处理步骤如下：(语音通信流程)
S6.1：无线台收到拨号事件，将被呼号码进行归类(紧急呼叫类、普 通呼叫类、特殊呼叫类)，根据所属类别确定服务等级和QOS参数；
S6.2：向基站申请控制带宽，控制带宽的服务等级和QOS参数根据语 音通信信令系统的要求而定；
S6.3：基站收到带宽请求，通过调度模块，为无线台分配所要求的系 统资源；
S6.4：无线台判断是否获得所请求的带宽，即是否建立了一条与特定 服务质量绑定的控制连接(由连接标识符CID标识)，若是，进入S6.5； 否则，转到S6.21；
S6.5：无线台向AAA服务器发送认证请求；
S6.6：AAA服务器收到认证请求后，查询主呼方和被呼方的服务使用 权限，然后向主呼无线台返回认证应答；
S6.7：无线台判断此次呼叫是否通过认证，若是，进入S6.8；否则， 转到S6.21；
S6.8：无线台向基站申请业务带宽，业务带宽的服务等级和QOS参数 为归类后所确定的相应参数；
S6.9：基站收到业务带宽请求后，通过调度模块，为无线台分配满足 要求的系统资源；
S6.10：无线台判断业务带宽分配是否成功，即是否建立了一条与特定 服务质量绑定的业务连接，若是，进入S6.11；否则，转到S6.21；
S6.11：无线台向被呼方发起呼叫请求信令；
S6.12：基站收到呼叫请求信令后，向注册服务器查询被呼号码的当前 IP地址；
S6.13：注册服务器查找被呼号码所对应的IP地址，然后将目的IP地 址返回给主呼方的接入基站；
S6.14：基站收到包含目的IP地址的应答消息后，启动路由查找和资 源预留过程，建立入口基站(主呼方的接入基站)与出口基站(被呼方的 接入基站)之间的标签交换路径，并建立业务连接CID与标签交换路径 的映射；
S6.15：网络方面判断资源预留和标签交换路径建立是否成功，若是， 进入S6.16；否则，转到S6.21；
S6.16：入口基站将呼叫请求信令向出口基站转发，出口基站通知被呼 方有呼叫请求到来并要求被呼方通过认证，以完成后续呼叫过程；
S6.17：被呼方通过认证并获得所要求的带宽后，建立业务CID与标签 交换路径的映射；这样，主呼方和被呼方之间就建立起了一条二层交换路 径，语音流将在这条路径上传输；
S6.18：出口基站向主呼方发送回铃音，被呼方发起应答；
S6.19：主呼方听到被呼方摘机后，通话开始，AAA服务器启动对本 次通话的计费；
S6.20：通话结束后，网络释放为此次呼叫所分配的系统资源(包括无 线资源和有线资源)，然后进入待机状态，等待用户下一事件的到来；
S6.21：由于没有完成正常的呼叫接续和资源分配过程，此次呼叫宣告 失败。