移动宽带无线接入技术IEEE 802.16e 综述

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摘要：
        介绍了实现移动宽带无线接入的关键技术、IEEE 802.16e移动无线宽带接入标准及其物理层与MAC 层技术，并与IEEE 802.20移动无线宽带接入标准进行了简单比较。

关键词：
        移动无线宽带接入 媒质接入控制层 物理层

1 移动宽带无线接入技术简介

1.1 什么是宽带无线接入

        宽带无线接入是一种能够在无线空间环境中提供高速连接的技术，它使得用户终端通过无线的方式以与有线接入技术相近的数据传输速率和通信质量接入核心网络。宽带无线接入是由基站和多用户终端组成的一种点到多点的通信网络，基站与各用户终端之间并不需要物理连线，而是通过户外天线与各用户终端进行高速的语音和数据通信。

        现在发展的宽带无线接入技术可以支持的用户终端构成小规模的具有无中心、自组织、动态拓扑、多跳路由特性的Ad Hoc 网络，因此，宽带无线接入技术在高速Internet接入、信息家电联网、移动办公、军事、救灾、空间探险等领域具有非常广阔的应用空间。

1.2 移动宽带无线接入

        根据ITU-R 的M.1034-1 建议，无线接入可以分为：静止、步行、典型车速和高速车速四类，移动宽带无线接入(MBWA）就是能够为在典型车速和高速车速状态下提供无线宽带接入的系统，即上述分类中的后两类的系统。与此相反，固定和游牧无线接入要求用户终端使用的时候保持静止，也称为便携性系统。

        除了移动性分类的区别，移动无线和固定无线还有其他很多的区别，例如，使用的载波、技术支持、频谱分配、数据传输速率、应用业务、用户服务类别和设备等。移动无线应用的典型频谱是为移动性分配的3.5GHz 以下专用许可频段，而固定无线系统典型应用的是非许可频段或分配给固定无线服务的许可频段。

1.3 移动无线宽带接入的关键技术

        空中接口部分需要解决的关键技术有：在高速数据传输方面主要有多天线、分集和波束成形技术、多用户检测和干扰抵消技术、自适应调制等；在高频传输的可靠性方面主要有纠错编码(Turbo 编码或LDPC 编码等)、自适应编码、重传机制；在非对称的多址接入和双工方面，由于其存在非对称性问题，可以考虑的双工方式主要有频分双工和时分双工两种模式；业务量和QoS 的MAC 层设计方面主要有业务量设计与QoS 保障的结合。

        网络协议方面需要考虑和解决的问题有：水平/ 垂直切换和快速IP 切换、广义移动性、服务质量、安全性等。由于移动无线宽带接入的技术特点，它需要在以下方面做出技术上的折衷考虑：移动性对宽带、调制方式对多址接入方式、业务量对复杂性、公平性对服务质量、L3 路由对L2 路由等。

2 IEEE 802.16e移动无线宽带接入技术

2.1 IEEE 802.16标准简介

        IEEE 802.16 标准的正式名称为IEEE Wireless MANT 空中接口标准，是适用于2 ～66GHz 的空中接口规范。由于它所规定的无线接入系统覆盖范围可达50km, 因此，IEEE 802.16 系统主要应用于城域网，被视为可与DSL 竞争的“最后一公里”宽带接入解决方案。

        IEEE 802.16标准系列到目前为止包括IEEE 802.16、IEEE 802.16a、IEEE 802.16c、IEEE 802.16d、IEEE 802.16e、IEEE 802.16f 和IEEE 802.16g 七个标准，各标准相对应的技术领域如表1 所示。

        根据是否支持移动特性，IEEE 802.16 标准系列可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准，其中的IEEE 802.16、IEEE 802.16a 和IEEE 802.16d 属于固定无线接入空中接口标准，而IEEE802.16e 属于移动宽带无线接入空中接口标准。

2.2 IEEE 802.16e的移动无线宽带接入技术

        IEEE 802.16e 是IEEE 802工作组在IEEE 802.16d 的基础上提出来的协议标准，是IEEE 802.16d 的增补方案，它在2～6GHz 的特许频段内支持低速的移动终端，提供了一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。IEEE 802.16e 向后兼容IEEE 802.16d，是IEEE 802.16d 的移动性增强改进。

2.2.1 物理层

（1 ）对O F D M 方式的改进

a．上行链路

        上行链路被划分为24个子信道，每个子信道8个载波，每个分组包含8 个OFDM 码元，其中有7 个数据码元，1个训练码元。同时这24 个子信道每6 个被划分为一组，每组对应IEEE 802.16a 中OFDM 的一个子信道，这样就可以同时交叉使用IEEE 802.16a 和IEEE 802.16e 中的O F D M 子信道划分机制。

        子载波通常有两种分配方式，一种是集中方式，即子载波被安排在连续的频段上称为“一簇”；另一种是分散方式，即子载波在频段上不连续。由于分散方式不需要额外的缓存就能起到频率分集的效果，因而成为首选。

b. 下行链路

        为了满足移动性需求，使得接收机在时变信道中仍能正常工作，IEEE 802.16e中提出了两种信道估计方法：跳频导频插入机制和中间导码(Midamble)插入机制。

        为了与IEEE 802.16d 兼容，IEEE 802.16e 中保持了每个OFDM 码元8 个导频的结构。在跳频导频插入机制中，导频的位置是逐码元变化的，以8 个码元为一个变化周期。在从固定业务到移动业务的转换过程中，移动台的信道估计会遭受严重的干扰。为了恢复信道估计，在转换过程中可以传输一个OFDM 码元长的中间导码，此导码应不同于一般的导码以避免在帧搜索时的错误检测。

        中间导码插入机制通过在下行链路帧中定期的插入中间导码进行信道估计。这种机制适合于某些低速的应用，对于车载速度的应用，由于信道变化较快，不能达到满意的效果。

（2 ）对O F D M A 方式的改进

a.前导码(Preamble)的加入

        下行链路第一帧的帧头前加入了一个Preamble，如图1 所示。此Preamble 主要用于多小区实施方案中的各种估计，基站间相对位置的计算及获得邻近基站接收信号的功率和质量等信息。
b. 小型子信道的划分

        为了提高功率的集中度，OFDMA的子信道被进一步划分为小型的子信道。在下行链路中，每个子信道被进一步划分为6 个小型子信道。IEEE 802.16a 中每个子信道中包含48个数据子载波，一个突发在时间上包含3个码元。

        为了保持与IEEE 802.16a 的兼容，IEEE 802.16e 中每个小型子信道中包含了8 个载波，一个小型突发在时间上含3 个码元，这样每个突发包含24 个数据载波。在上行链路中，每个子信道被进一步划分为5 个小型子信道。原来的53 个子载波被划分为3 个含11 个载波、2 个含10 个载波的小型子信道，起到了最大频率分集的效果。

2.2.2 MAC 层

        IEEE 802.16e 对MAC 层也进行了改进，主要是对于物理层和其他功能的修改增加了相应的消息和消息传输机制，并实现了快速自动请求重传(ARQ)和预留，以实现低时延。另外增加了针对上行链路的功率、频率和时隙快速调整功能，以适应移动性的要求。

2.2.3 切换方式

        IEEE 802．16e 中采用了终端辅助的切换方式，移动台收集相应的切换信息并将其传输给网络，网络收集相应的信息，进行判决并执行切换。有三种类型的切换：

   

• 信道间切换：同一基站的不同信道之间的切换，在这种情况下，基站做出切换的判决并执行切换；   
  
• 小区间的软切换：发生在两个同频的基站之间，这时原基站进行切换判决并执行切换；   
  
• 小区间的硬切换：在与原基站的链路完全断开的情况下，移动台与新基站建立连接。在切换过程中新基站会通知原来的基站。
  

2.2.4 休眠模式

        IEEE 802.16e 还做了一些降低功耗方面的改进，移动宽带无线接入的终端设备使用电池作为能源，这就要求移动台的能量消耗应该最小化，且在空闲时刻不消耗功率，IEEE 802.16e 为降低功耗，引入了两种工作模式：工作模式与休眠模式。

        所谓工作模式就是移动台处在正常接收和发送PDU 的状态，与之相对应，休眠模式就是移动台处在不发送和接收PDU 的状态，在休眠模式时，移动台可能会关掉电源。

        休眠模式有两个参数：休眠间隔和监听间隔。移动台向基站请求认证后，移动台就可以进入休眠模式，进入休眠状态的移动台重新回到工作模式是由休眠间隔来决定，在工作模式和监听间隔内，移动台会向基站发出请求指令，检查基站是否有PDU 等待发送，如果有等待发送的PDU，移动台就回到工作状态，否则，移动台继续休眠。

3 IEEE 802.16e与IEEE 802.20的技术

        比较目前，在移动无线宽带接入上，引起人们广泛关注和争论的还有IEEE 802.20 移动无线接入标准。现将IEEE802.16e 与IEEE 802.20 在用户、服务提供商和技术3 个方面进行比较，详见表2。


        从表2 可知，IEEE 802.16e 技术为对移动性要求不高的用户提供高速、有效的对称数据传输；而I E E E 802.20在保持相对于前者较高数据传输速率的同时，能够满足用户更高的移动性要求。从技术上讲，这两种移动无线宽带接入都是先进的，代表了以后无线宽带通信的发展方向。但在实际应用上，其技术实现大多还处于探索之中，要实现商用，还有很长的路要走。

4 结束语

        随着各种便携式消费电子产品如手机、个人数字助理（PDA）、笔记本电脑的普及，用户越发迫切地要求通过无线接入提供高速的多媒体业务，因此，移动无线宽带接入技术已成为技术发展的必然趋势，也越来越受到人们的广泛关注。IEEE 802.16e 与IEEE 802.20 正是目前人们讨论最多的两个移动无线宽带接入热点技术。本文重点对IEEE 802.16e 的物理层和MAC 层技术进行了较为详细的介绍，最后将IEEE 802.16e 与IEEE 802.20 在用户、服务提供商和技术3 个方面进行比较。
参考文献

   

• IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group http://ieee802.org/16　Article: standards from IEEE 802 Unleash the Wireless Internet   
  
• IEEE Standard 802.16: A Technical Overview of the WirelessMAN Air Interface for Broadband Wireless Access; Cal Eklund, Nokai Research Center     
  
• IEEE P 802.20: Traffic Models for IEEE 802.2 MBWA System simulations     
  
• John Liebetreu.Modifications to OFDM FFT-256 mode for supporting mobile operation. C802.16e-03/12   
  
• Itzik Kitroser.IEEE 802.16e Handoff Draft. IEEE C802.16e-03/20 r1     
  
• Itzik Kitroser.IEEE802.16e Sleep Mode. IEEE C802.16e-03/15