IEEE 802.16-2005 移动宽带无线接入空中接口技术

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　　近年来，宽带无线接入（BWA）凭借其在初期投资、业务承载与提供服务的速度方面具有的独特优势及广泛的市场应用前景，成为近几年通信市场发展的一个热点。IEEE于2004年发布了IEEE 802.16-2004（即802.16d），该标准只支持固定终端的通信。为了满足用户对移动性的需求，IEEE 802工作组在802.16d的基础上，又提出了增补方案802.16e。IEEE 802.16e支持移动终端，填补了高速率无线局域网和高移动性蜂窝通信系统之间的空白。为企业和用户提供了对固定和移动业务的双重支持。2005年12 月，IEEE 802.16e正式发布为IEEE 802.16-2005标准。

1、802.16-2005的协议模型

　　802.16-2005规范的协议栈模型和802.16-2004相同。如图1所示。其空中接口由物理层和MAC层组成，MAC层又分成了3个子层：特定服务汇聚子层（service specific convergence sublayer，CS子层）、公共部分子层（common part sublayer，CPS子层）、安全子层（privacy sublayer，PS子层）。图1中SAP为业务接入点。

图1　802.16-2005的空中接口协议栈模型

　　1.1　物理层

　　802.16-2005协议定义了单载波SC（工作在10-66 GHz）、单载波SCa（工作在11 GHz以下频段）、OFDM、0FDMA等4种物理层标准，协议重点关注OFDMA物理层标准，下面谈到的都是基于OFDMA物理层标准。OFDMA系统的子信道化可以使系统扩大覆盖、提高容量。协议中针对不同的信道带宽定义了不同的子载波数目，从而可以使系统在抵抗频率选择性衰落和支持移动性方面取得一个很好的折衷。

　　1.1.1　频谱特性、双工方式

　　802.16-2005技术主要应用于＜11 GHz的PMP（点对多点）系统，具有非视距传播的特点。802.16.2005的物理层支持可扩展的0FDMA，可以支持2 048、1 024、512、128点FFT，从而支持从1.25 MHz到20 MHz的不同信道带宽的要求。

　　802.16-2005系统在许可频段，双工方式可以采用TDD或FDD；在非许可频段，只能采用TDD双工方式。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的动态调整。在802.16-2005系统中，还规定了终端可以采用H-FDD（半双工FDD）方式，降低了对终端收发器的要求，从而降低了终端成本。

　　1.1.2　物理层的关键技术

　　（1）信道编码

　　802.16-2005系统支持多种信道编码，因此可以根据不同业务的QoS和传输速率灵活地选择合适的信道编码方式，不同的参数组合可以得到不同的数据速率，从而提高频谱利用率。它支持的信道编码类型如下：

　　●咬尾卷积编码（tail-biting CC）：系统强制支持该编码类型，该信道码的编码和译码复杂度低，且处理时延小，适合小编码块、控制消息和对时延敏感的数据传输。协议中的帧控制消息（FCH、DL_MAP/UL_MAP）都采用该编码，便于终端（SS）快速解调帧控制信息。

　　●归零的卷积编码（zero-padding CC）：系统可选支持该编码类型，该编码同样具有编码和译码复杂度低、处理时延小的优势。相比咬尾卷积编码，它传输编码块时，每个编码块要牺牲一个字节为代价，这对小编码块的传输不是很有利；但它的译码相对简单一些，且理论上译码性能更好一些。

　　●LDPC：更适合大编码块的数据传输。通常LDPC的编码复杂度较高，但802.16-2005系统采用了具有结构化的LDPC构造方法，有效降低了其编码复杂度。

　　（2）链路自适应技术

　　802.16-2005采用的链路自适应技术有：

　　●子信道化技术：在上下行可以使用多种子信道模式，包括PUSC（部分应用）、FUSC（全部利用）和AMC（自适应调制编码）。这些子信道化模式在各子载波级分配中具有更大的灵活性，可以得到较高的频谱效率，并且子载波在子信道中的分配无需邻接，有利于实现频率分集。

　　●自适应调制编码技术：基站可以根据用户的信道状况等条件自动地调整针对该用户的调制和编码方式。在信道条件好的时候使用高阶调制／高编码速率，从而可以获得较高的传输速率；而在信道条件较差的时候使用低阶调制／低编码速率，从而可以保证信号的传输质量。采用自适应编码技术可以有效提高系统的平均传输速率。

　　●混合自动重传（HARQ）技术：HARQ技术充分利用前向纠错和自动重传请求的优点，提高数据传输的可靠性和系统吞吐量。HARQ基于信道条件提供精确的编码速率调节，自动适应瞬时信道变化，且对时延和误差不敏感。采用HARQ技术既可以减少自动重传的平均次数、降低包数据的传输时延，同时也能够减少每次传输过程中信道编码的冗余信息量，提高编码速率。802.16-2005中的HARQ采用最为简单的停-等（SAW）机制，在这种最简单的重传机制下，HARQ的控制开销最小并且对发射和接收的缓存要求最小。同时，802.16-2005系统中的OFDMA物理层帧结构巧妙地克服了SAW重传机制下信道利用率低的缺陷。

　　●“测探”（sounding）技术：在信道质量测量上报方面，协议还引入了sounding机制。sounding机制可以很好地解决TDD 系统中反馈式闭环发射分集中反馈信道占用较多空口资源的缺点。它让MS（移动台）在上行信道中发射特定的sounding信号序列，使BS能够有效地估计上行信道系数。由于TDD系统上下行信道具有互易特性，于是BS可以将估计的上行信道系数转换为相应的下行信道系数，然后再据此来调整各天线的发射权重，达到发射分集的目的。

　　（3）多天线技术

　　802.16-2005协议中支持MIMO（多入多出）和AAS（自适应天线阵）两种不同的多天线实现方式。

　　MIMO模式既包括收发两端均采用多天线的实现方式，也包括传统的发射分集方式。在802.16-2005协议中，所支持的MIMO模式分为3 种：空时发射分集（STTD）模式、复用（SM）模式和分集与复用相结合的混合（STTD & SM）模式。采用MIMO技术可以提高通信系统容量、频谱利用率和数据传输速率。

　　AAS是一种可选技术，在上下行链路中都可以选择支持该技术。采用AAS技术可以提高系统容量、扩大覆盖范围、提高通信的可靠性、降低运营成本等。AAS技术在实现时既可以采用多波束选择的方式，也可以采用自适应的方式。

　　1.2　MAC层

　　1.2.1　MAC层各子层功能

　　802.16-2005的MAC层各个子层的功能概括如下：

　　●CS子层：其主要功能是负责将其SAP收到的外部网络数据转换和映射到MAC业务数据单元（SDU），并传递到MAC层的SAP。即把面向连接的公共部分服务（MAC服务）映射成标准类型的服务。协议定义了两种CS类型：ATM CS和分组CS。ATM CS子层提供对ATM业务的支持；分组CS提供对IEEE 802.3（Ethernet）、802.1Q（VLAN）、IP（IPv4、IPv6）等分组业务的映射。在分组CS子层中，定义了分类器（classifier）的概念。分类器是一列映射规则的集合，每个进入IEEE 802.16网络的数据包根据分类器定义的规则映射成为相应的连接。SS进入网络时可以通过空中接口从基站（BS）侧获得分类器。MAC层的每个连接由长度为16 bit的连接标识（CID）惟一标识，这种基于连接的机制是提供QoS保障的基础。

　　●CPS子层：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，同时对物理层上传输和调度的数据实施QoS控制。通常说的MAC层主要指MAC CPS。

　　●PS子层：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。802.16e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。安全子层的协议栈如图2所示。

图2　安全子层的协议栈

　　1.2.2　MAC层的关键技术

　　（1）接入控制

　　OFDMA物理层在接入网络采用二进制相移键控（BPSK）调制发送144 bit的CDMA码进行初始测距。BS返回测距响应信令，从中MS可以获得正确的时间偏置、频率偏置和功率调整，从而使MS的发射与BS接收帧一致。并且在适当的接收门限中被接收。另外，测距过程还用于空闲模式下的寻呼和位置更新。

　　802.16-2005中有3种不同的测距过程：初始测距、周期测距、切换测距。初始测距用于系统初始网络接入阶段：在MS已经与系统建立同步之后，周期测距使得MS可以调整发射参数。保持与BS的上行通信；切换测距主要用于切换网络接入和关联过程，其过程与初始测距相似。

　　（2）移动性支持

　　802.16e标准规定了一种必选的切换模式。在协议中简称为HO，就是通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选的切换模式：MDHO（宏分集切换）和FBSS（快速BS切换）。

　　HO的流程如图3所示。

图3　HO的过程

　　在切换决定和初始化过程中，MS和服务BS都可以发起切换决定。

　　MDHO定义为在下行中两个或多个BS在相同的时间传递相同的MAC/PHY PDU给MS，MS可以进行分集合并；在上行中两个或多个BS在同一时间从MS接收数据，BS之间进行分集合并，进行切换以实现不中断通信。FBSS利用选择性分集和快速切换机制提高链路质量。

　　（3）节电功能

　　为了支持移动终端，802.16-2005还定义了2种节电机制：空闲模式和休眠模式。

　　空闲模式在系统中是可选的一项功能。在空闲模式下，MS可以在很大的一个区域内移动，允许其不与特定的BS进行注册，周期性地接收下行广播业务消息；并且当MS漫游到不同小区时，不必进行切换等正常操作流程，节省了MS的功率和空口资源。处于空闲模式的移动设备在寻呼区域发生改变或定时器超时时，向BS发送信号进行位置更新。空闲模式为BS提供了一种简单、及时的方法以通知MS是否有下行业务发送，同时也减少了来自无业务MS的小区切换。

　　由于各种业务类型的传输都不是一个持续无间隔的过程，因此协议定义了休眠模式使各种业务连接在没有数据传输的时间间隔内可以休眠以节省功率。休眠模式使MS在预协商周期内暂时停止与服务BS的空中接口，从而节约MS的功耗和服务BS的空中资源。

　　（4）对QoS的支持

　　802.16-2005的MAC层是基于“连接”的，每个连接由一个CID惟一标识，MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、时延等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准中定义了5种不同的业务类型：

　　●非请求的带宽分配业务（UGS）：用于恒定的比特率连接，如T1／E1和没有静音压缩的VoIP。

　　●实时轮询业务（rtPS）：用于连接要求周期性的、可变比特率的连接，如MPEG。

　　●扩展的实时轮询业务（ertPS）：在rtPS基础上，802.16-2005协议针对实时轮询业务扩展了一种新的业务类型——ertPS。它融合了UGS和rtPS两者的高效性。

　　●非实时轮询业务（nrtPS）：BS不定期地为终端分配可变长度的上行带宽。支持对时延不敏感的非恒定速率的非周期性数据流业务，如FTP业务。

　　●尽力而为业务（BE）：尽可能利用空中资源传输数据，但不对高优先级的连接造成影响。支持没有最小速率限制的业务类型。

2、802.16-2005与802.16-2004的比较

　　IEEE 802.16标准的空中接口包括IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16-2005两个空中接口规范，前者是固定宽带无线接入系统空中接口规范，不支持移动环境；后者是固定和移动宽带无线接入系统空中接口规范，支持便携和移动环境，最终支持的移动速度可以达到120 km/h。IEEE 802.16-2005的物理层核心技术主要是OFDMA，其频谱利用率最高可达到3 bit/（s.Hz.sector）。二者的主要技术特征比较如表1所示。

表1　IEEE 802.16-2005与802.16-2004的主要技术特征比较

3、设备与产业的发展

　　WiMAX论坛是推动WiMAX产业发展的组织，目前其成员包括运营商、设备制造商以及各种研究机构。从成员的分布来看，包括了产业链的各个环节。运营商包括固定网络运营商和移动网络运营商，设备制造商既包括传统的固定无线接入的设备制造商，也包括传统的电信设备制造商。

　　2005年4月18日。Intel基于IEEE 802.16d标准的WiMAX芯片——PRO／Wireless 5116正式上市。此外，富士通等其他芯片厂家也推出了基于802.16d的芯片。WiMAX芯片的商用加速了IEEE 802.16d设备市场化的步伐，目前全球有多家公司，包括中兴与华为公司已能够提供IEEE 802.16d户外型设备。

　　支持IEEE 802.16e的芯片将在2006年下半年推出，初期阶段的设备将支持固定和游牧方式，支持全移动方式的设备预计将在一两年后推出。从终端的形式和面向的用户而言，面向家庭接入和商务用户的笔记本便携式应用的商用时间要到2007年以后；面向个人用户市场的手持式PDA终端全移动业务应用的商用时间估计会更晚。

　　目前WiMAX论坛的TWG和CWG正在开展802.16e认证标准的工作，在TWG下成立了MTG（mobile task group）以专门研究802.16e。2005年年底确定了802.16e wavel认证测试的system profile项，2006年3月底确定了PICS（protocol implementation conformance specification。协议一致性陈述文件）。计划2006年6月底确定RCT（radio conformance test specification，射频一致性测试规范），并于，6月进行第一次802.16e的Plugfest试验，10月开始认证测试。

4、结束语

　　随着各种便携式消费电子产品如手机、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。这一要求推动了宽带接入技术的发展，也使得在固定宽带接入的基础上提供移动性支持成为必然。IEEE 802.16-2005通过对802.16-2004的物理层、MAC层等方面的修改，使无线宽带接入系统在保证固定用户的服务质量的同时，提供了对终端移动性的支持，从而扩大了宽带无线接入的市场。