IEEE802.16协议研究

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0 引言

         当前，随着通信技术的迅猛发展，数据业务在电信总业务中的比例正在不断扩大，特别是互联网的迅猛发展，信息网络正在快速向以IP为基础的下一代网络(NGN) 演进。宽带无线接入技术作为下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，其中基于IEEE802.16系列标准的宽带无线城域网技术又以其经济便捷、运行简单、容量高、覆盖面广、能提供高速宽带业务等突出优点正受到业界越来越多的关注。结合未来全球个人多媒体通信的全面覆盖要求以及下一代宽带无线(NGBW) 的概念与发展趋势看，宽带无线接入技术已日益呈现出其重要性。

1 IEEE 802.16标准

         IEEE802.16标准于2002年4月3日正式颁布。该标准包括一个灵活的MAC层。而物理层(PHY) 则定义在10～66 GHz工作，这一频谱被默认为本地多点分布服务(LMDS) 的频谱。根据是否支持移动特性，IEEE 802.16标准可以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。修改后的IEEE 802.16a标准主要用于2～11 GHz的公开波段，其中802.16a、802.16d属于固定无线接入空中接口标准，而802.16e则属于移动宽带无线接入空中接口标准。802.16d是2～66GHz的固定宽带无线接入系统标准，已于2004年6月在IEEE802委员会获得通过。802.16e是2～6 GHz、支持移动性宽带无线接入空中接口标准，该标准已于2005 年12 月正式在IEEE 上通过。

         802.16e是为支持移动性而设计的，目前定位的目标速率为车速，可以支持120km/h的移动速率。802.16e系统可用于便携、低速移动，此外，支持固定场景的应用。同时一些与管理平面相关的标准也即将完成制定工作。

2 空中接口特性

         802.16技术网络由用户站(SS)、基站(BS)、认证和业务授权服务器(ASA) 组成，图1所示的参考模型中定义了网络实体间的各个接口和参考点。其中ASA服务器实际上就是人们常说的AAA 服务器，该服务器具备提供认证、授权和计费等功能。IB接口用于传送基站之间的信令。A接口用于传送用户站的鉴权和授权信令。IEEE 802.16 的主要工作都围绕空中接口展开。

         目前已经对基站和用户站之间的U 接口进行了规范。U参考点实际上就是空中接口，主要用于传送用户终端和基站之间的交互信令和上下行数据。在802.16d固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性，802.16e的U接口增加了移动性的消息交换机制。

3 协议栈模型

         IEEE802.16标准定义了宽带无线接入系统的空中无线接口部分，该空中接口由物理层和MAC层组成。其中，MAC层又分成了三个子层：特定业务汇聚子层(Service Specific Convergence Sublayer) 、公共部分子层(Common Part Sublayer) 和安全子层(Privacy Sublayer)。图2中的SAP是指服务接入点(Service Access Point)，也是上层和下层交互的接口。层与层之间的信息流由其对应的原语完成。MAC 层的结构设计可支持多种物理层规范。

4 物理层

         在采用PMP方式的网络中，主要是由基站生成下行链路分配映射表(DLMAP) 和上行链路分配映射表(ULMAP)。用户站通过从上一个下行帧收到的上行链路与配映射表提供的消息来确定接入时间和带宽，DLMAP或ULMAP中的下行区间使用码(DIUC) 和上行区间使用码(UIUC) 字段可用于表明每个下行或上行突发块(Burst) 所采用的调制编码方式。上层负责将协议数据单元(PDU) 串联成突发，并递交到物理层进行发送。

         用户站则可以通过基站周期性发送的下行信道描述(DCD)、上行信道描述(UCD) 来管理信令以获得DIUC和UIUC所对应的具体调制编码方式。

4.1 频段

         IEEE802.16d标准可以工作在2～l1 GHz频段，而802.16e为了确保其移动性，一般选择在2～6GHz频段工作。根据各个国家频率规划的不同，目前Wimax已经首先选定对工作于2.5 GHz许可频段、3.5 GHz许可频段、5.8 GHz免许可频段等三个频段的802.16d设备进行一致性和互操作性测试。

4.2 双工方式

         IEEE 802.16标准既能容纳TDD (时分复用) 系统也能容纳FDD (频分复用) 系统，同时还在FDD模式下考虑了全双工和半双工终端。FDD需要成对的频率，TDD则不需要，而且可以灵活地实现上下行带宽动态调整。此外，在802.16中还规定：终端可以采用半双工频分双工(H–FDD)方式，以降低对终端收发器的要求，从而降低了终端成本。

4.3 载波带宽

         IEEE802.16并未规定具体的载波带宽，系统可以采用从1.25~20 MHz之间的带宽。考虑到各个国家己有固定无线接入系统的载波带宽划分，IEEE 802.16规定了几个系列:1.25 MHz的倍数、1.75 MHz的倍数。1.25 MHz系列包括:1.25/2.5/5/10/20 MHz等。1.75 MHz系列包括:1.75/3.5/7/14MHz等。对于10~66 GHz的固定无线接入系统，还可以采用28 MHz载波带宽，提供更高的接入速率。

4.4 调制方式

         802.16协议可支持多种物理层模式，其中主要方式有三种：单载波SC、OFDM和OFDMA。对于l0～66 GHz频段的无线接入系统，由于其工作波长较短，可忽略多径效应，能够允许使用较大的带宽，因此，该频段固定无线接入系统主要采用单载波调制技术，而对于2～l1 GHz频段，则要考虑多径衰落，因此该频段主要采用OFDM和OFDMA技术。

4.5 编码方式

IEEE802.16采用了截短的RS编码和卷积码级连的纠错编码，并且还支持分组Turbo码、卷积Turbo码。IEEE 802.16可以根据不同的调制方式和纠错编码方法组合成多种发送方案，系统可以根据信道状况的好坏以及传输的需求来选择一个合适的传输方案。

5 媒体接入控制层

         IEEE802.16标准的MAC层协议在上行通道分配带宽时，采用的是一种基于预留的集中控制方式。上行通道可以看作是一个由竞争和预留的发送机会(Transmit Opportunity) 动态组成的微时隙(minislot) 流。SS以简单的重传机制并使用竞争微时隙向BS发送上行通道的带宽申请。BS收到申请后，即按照一定的策略统筹安排，并分配一段连续的微时隙给SS用于发送。BS在下行通道上通过发送MAP消息来通知SS给它分配了哪些微时隙。

         MAC层寻址方式具有其独特性，在下行链路中，BS按TDM方式向扇区内所有的SS发射数据，各SS则根据接收消息中的CID地址来判断BS发射的数据是否是属于自己的消息。上行数据发射时，SS顺便携带CID的带宽请求消息，BS按需分配并预定SS下一帧接入时间。SS则通过从上一下行帧收到的上行链路分配映射表提供的消息来确定接入时间和带宽，从而按TDMA- DAMA方式接入BS。

         802.16的MAC层是靠同意/请求协议来接入媒体的，它可以消除确认消息的开销和延时来支持不同的服务水平。此协议在下行链路采用TDM数据流，而在上行链路则采用TDMA，通过集中调度来支持对时延敏感的业务。由于可以确保无碰撞数据的接入，802.16的MAC层可明显改善带宽效率和接入时延。

         802.16 中提供QoS支持的基本机制是把在MAC层接口传送的数据包与用CID标识的连接相联系，每个服务流就是一定QoS要求的单向数据包流。由于所有业务都是基于连接的，因此，无论是面向连接的语音业务，还是无连接的数据传输业务，都必须与某一个连接相联系。连接可为系统的带宽请求、QoS支持提供最基本的保证机制，并且根据连接能将数据传输和路由到正确的汇聚子层。MAC层通过针对不同连接可以设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。通过指定一种调度服务和它相关的QOS参数，BS能预测上行链路业务的吞吐量和时延需求，并在适当的时候提供轮询/授予。协议支持主动授予、实时轮询、非实时轮询、尽力传送4种基本调度服务，每种服务特性以及获取带宽的方式如表1所列。
         此外，IEEE802.16标准的系统可以根据连接的QoS特性和实际业务需要来动态分配带宽，这一点不同于传统的移动通信系统所采用的分配固定信道的方式，因而该系统具有更大的灵活性，可以在满足QoS要求的前提下尽可能地提高资源利用率。
6 结束语

         全球通信发展的宽带化、无线化、个人化、分组化是大势所趋。Wimax技术集成了无线宽带接入的方便性、灵活性以及有线宽带接入的高带宽性和服务质量，因而在覆盖范围、传输速度和综合成本等方面具有更优良的特性，结合未来宽带无线的发展趋势来看，完全可能成为一个很理想的宽带无线接入解决方案。

参考文献

[1] IEEE Std 80 2.16 - 2001. Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S].2001.
[2] IEEE Std 802.16a Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems -Medium Access Control Modifications and Additional,Physical Layer Specifications for 2- 11GHz.
[3] Institute of Electrical and Electronics Engineers, P802.16 - REVd, Draft IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16:Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access systems,2004.