新型宽带城域网技术IEEE802.16x

　　摘要

　　本文回顾了宽带无线城域网技术IEEE802.16x系列标准的进展情况，并介绍了其协议栈模型，重点讨论了媒体接入控制层和物理层的特点及其关键技术。

　　1、引言

　　1999年7月，电气和电子工程师协会（IEEE）成立了IEEE802.16工作组来专门研究固定宽带无线接入技术规范，目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。它的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展，工作组在归纳总结了前面提出的多个标准的基础上，于2004年6月24日又正式通过了IEEE802.16d，这标志着其对固定终端宽带无线城域网的空中接口规范已经全面完成。有鉴于WiFi组织对于无线局域网推广的作用，为了推进WMAN设备的业务应用，提高设备互操作性，由富士通、Intel、诺基亚等世界著名通信设备、芯片制造公司和网络运营公司等共同组建了WiMAX组织，旨在帮助推动与保证基于IEEE802.16宽带无线设备的兼容性和互操作性。

　　多年来，应用于无线局域网（WLAN）的802.11x标准一直与许多其他专有技术一起被用于宽带无线接入（BWA），并获得了一定的成功，但是由于无线局域网的总体设计及其提供的特点并不能很好地适用于室外的宽带无线接入应用，尤其是用在室外环境下，它在带宽和用户数方面都将受到限制，同时还存在着通信距离等其他一些问题。而802.16标准在这些方面作了很好的改进，它的设备应用模式包括住宅宽带接入、用于SOHO和小企业的DSL级业务、用于企业的T1/E1级业务（所有这些不仅支持数据，而且还支持话音和视像），还包括用于热点的无线回传和蜂窝小区基站回传业务等。

　　2、IEEE802.16标准及其关键技术

　　目前，IEEE802.16标准已经发展成为一个系列标准，其中WiMAX所涉及的，到目前为止包括802.16，802.16a，802.16c，802.16d，802.16e，802.16f和802.16g七个标准。另外，还有802.16b，是针对5～6GHz全球通用的免授权频段设计的，它可以理解为用于取代原有同为5.8GHz的IEEE802.11a的升级和强化。

　　2.1802.16家族系列标准

　　（1）802.16（10～66GHz固定宽带无线接入系统空中接口）

　　2001年12月批准颁布。为固定宽带无线接入定义了无线城域网的空中接口规范，这个标准主要是针对10～66GHz频段物理层（PHY）和媒体接入控制（MAC）层进行了定义，由于其使用的频段较高，因此仅能应用于视距传播，每区段最大数据速率为54Mbit/s。这个标准的完成标志着宽带无线接入将可以作为一个新的主要途径，可以把各商业机构和家庭接入互联网。

　　（2）802.16a（2～11GHz固定宽带无线接入系统空中接口）

　　2003年1月批准颁布。它对802.16进行了扩展，对使用2～11GHz许可和免许可频段（5.8GHz为免许可证波段，2.5和3.5GHz为许可证波段）的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和MAC层进行了规范，着重对802.16中MAC层进行修改扩展和对物理层补充规范，并结合了ARQ等增强性规范，并具有非视距传输的特点（该频段对应的波长相对较长，其反射衍射特性明显，所以对障碍物具有穿越能力），覆盖范围最远可达50km，通常小区半径为6～10km，每区段扇区支持最大数据速率高达70Mbit/s。另外，802.16a的MAC层提供QoS保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。

　　（3）802.16c（10～66GHz固定宽带无线接入系统的兼容性）

　　其规范书以及测试文件在2002年4月公布，正式文件在2003年1月通过。802.16c是对802.16的增补文件，它对802.16中的错误和矛盾进行了改正，更新扩展了802.16的部分内容，列出了用于典型情况下的特征功能集合，是使用10～66GHz频段802.16系统的兼容性标准，它详细规定了10～66GHz频段802.16标准系列在实现上的系列特性和功能。它是为频带范围在10GHz到66GHz之间的无线网络开发的，与系统细节、性能评估和检测有关。

　　目前，专门解决10～66GHz频带上互通性问题的802.16任务组C，仍不断研究一些可供高频网络服务的方法，比如在50-60GHz的频带间进行点对点的无线电通信。

　　（4）802.16d（2～66GHz固定宽带无线接入系统空中接口）

　　2004年6月获得通过，并以IEEE802.16-2004名称发布。它是802.16的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本，802.16d对2～66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。该标准对前几个标准进行了整合和修订，重点是增强设备的互操作性，可以支持室内客户端设备（CPE：ClientPortEquipment），但仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了802.16，802.16a等标准中的所有模式和主要特性，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、补充不明确或不完整的描述，包括对部分系统信息的增补和修订，同时能够后向平滑过渡。

　　（5）802.16e（2～6GHz固定和移动宽带无线接入系统空中接口）

　　2004年9月提交审查修改，在2006年1月刚刚获得批准。802.16的审批程序在复杂性和时间上远远超出了人们的事先预测，其设备认证测试工作有望在半年之后启动。制订IEEE802.16e的目的是为了实现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，规定了在基站之间或扇区之间支持高层切换的功能，同时能够向下兼容IEEE802.16d。

　　802.16e向后兼容802.16d。它的物理层实现方式802.16d是基本一致的，主要差别是对OFDMA进行了扩展。在802.16d中，仅规定了2048点OFDMA，而在802.16e中，可以支持2048点、1024点、512点和128点，以适应不同地理区域从20MHz到1.25MHz的信道带宽差异。当802.16e物理层采用256点OFDM或2048点OFDMA时，802.16e后向兼容802.16d（物理层），但是当物理层采用1024、512或128点OFDMA方式时，802.16e无法后向，兼容802.16d。

　　（6）802.16f（固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库要求）

　　计划在2006年年内发布。它定义了802.16标准的MAC层和物理层的管理信息库（MIB）以及相关的管理流程。

　　（7）802.16g（固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求）

　　制定802.16g的目的是为了规定标准的802.16标准的管理流程和接口，从而能够实现802.16设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。该标准的制定工作也处于起步阶段，计划在2007年发布。

　　2.2协议栈模型

　　IEEE802.16协议规定了媒体接入控制层（MAC）和物理层（PHY）的规范。

　　（1）媒体接入控制层

　　IEEE802.16媒体接入控制层（MAC）规范和大多数协议一样采用分层结构，包括业务汇聚子层（CS：ServiceSpecificConvergenceSublayer）、公共部分子层（CPS：Common Part Sublayer）和安全子层（SS：Privacy Sublayer）。CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务；CPS子层实现主要MAC功能，CPS子层可分为数据平面和控制平面；安全子层负责媒体接入控制层认证和加密功能。

　　（2）物理层

　　在IEEE802.16中，物理层由传输汇聚子层（TC）和物理媒质依赖子层（PMD）组成。TC层负责把收到的MAC-PDU封装成TC-PDU，并执行接入竞争方案和控制同步逻辑；PMD主要执行信道编码、调制等处理。

　　IEEE802.16标准的一些物理层特点。

　　2.3关键技术

　　（1）MAC层关键技术

　　●网格模式

　　媒体接入控制层的网格模式是网络共用一个媒体，就必须提供一个有效的共享机制。IEEE802.16标准中只定义了点对多点模式，而在IEEE802.16a标准中则增加了可选的网格拓扑模式。点对多点模式和可选的网格拓扑模式之间的主要区别在于，在点对多点模式中业务流只发生在基站（BS）和用户站（SS）之间；而在网格拓扑模式中业务流还可以发生在各个SS之间，网格拓扑中的每个站点都可以和网络中的其它站点直接形成通信链路。通过使用网格拓扑模式，IEEE802.16a标准大大提高了网络的互操作性，并提供了较高的灵活性。特别是在带宽的分配问题上，使网络可根据实际情况灵活机动地选择分布式调度方式、集中式调度方式或者两者结合的方式来分配带宽，使系统的资源可得到更为合理的分配。

　　●数据格式的优化

　　IEEE802.16标准的MAC协议数据单元（PDU）结构一般分为MAC头、负荷和循环冗余校验（CRC），其中负荷部分可包括一个或多个不同类型的MAC子头。通过MACPDU数据格式，既可传输普通数据，也可传输BS到SS之间的管理信息。在循环冗余校验（CRC）中，增加了自动重复请求（ARQ）机制来增强数据传输的可靠性。该机制是MAC层的一个可选部分。在IEEE802.16a标准的MACPDU构造和传输问题上，要对带ARQ的连接进行特殊的打包。每个被打包的MAC服务数据单元（SDU）、MACSDU片断或ARQ反馈负荷都需要各自的打包子头，一部分子头在其它子头重传的时候传输。可见ARQ机制使得重发过程具有机动性，和IEEE802.16标准相比较，IEEE802.16a更能保证数据的精确性。

　　●自适应传输技术

　　自适应传输技术是根据通信信道的衰落时变特性，自适应地选择传输参数，在信道情况好的情况下，提供高的传输速率，而在信道情况差时，降低传输速率，提高抗干扰的鲁棒性（鲁棒性Robust：定义为一个系统中的参数发生摄动时系统能否保持正常工作的一种特性，这里是指通信系统的健壮性）。自适应传输技术具体包括：

　　——自适应编码调制技术

　　自适应编码调制技术使用户的数据速率根据信道状况及时调整，是无线数据通信系统中的一项关键技术。自适应编码调制必须能够灵活地实现以下两种情况：信道较差时，对链路信号损害较大，可采用鲁棒性较强的低阶调制（如BPSK、QPSK四相绝对移相调制）和低速率编码，以保证一定的误码率要求；信道较好时，对链路信号损害较小，可采用适应高数据速率要求的高阶调制（如64-QAM，256-QAM）和高速率编码，来提高频谱效率。

　　——自适应功率分配技术

　　不同子载波的衰落情况是不同的。可以根据不同子载波的衰落情况，在维持一定QoS要求的前提下使发射功率最小。同时，可以联合功率控制和自适应编码调制技术，取得功率控制与自适应调制的平衡。

　　●网络安全

　　对于宽带无线接入系统，由于数据的传输是基于无线电波，比传统的有线传输更具开放性，因此无线城域网系统会更容易受到来自非法接入网络、伪基站与伪网络、网络窃听、非法篡改通信数据、重放报文攻击、拒绝服务（DoS）攻击等许多的威胁。

　　为了消除这些威胁，IEEE802.16标准主要是通过在MAC层中定义了一个安全子层来提供安全保障。它主要包括两个协议：数据加密封装协议和密钥管理协议（PKM）。早先的802.16D3版本中的认证与密钥管理协议为保密密钥管理（PKM），数据保密机制包含基于DES-CBC和AES-CCM的两个解决方案。其PKM协议存在单向认证、PKI部署困难、无法实现基于用户的认证、缺乏组播密钥协商等缺陷。DES-CBC加密方案也有算法脆弱性、缺乏完整性保护、无抗重放保护等不足。支持移动终端的规范IEEE802.16e中引入了灵活的EAP认证框架，消除旧的PMK协议的缺陷，并可满足移动性带来的新安全需求。

　　（2）物理层关键技术

　　●时分双工模式TDD与频分双工模式FDD模式

　　TDD上行和下行的传输使用同一频带的双工方式，需要根据时间进行切换，物理层的时隙被分为发送和接收两部分。其技术特点有：不需要成对的频率，能使用各种频率资源。上下行链路业务可以不平均分配。上下行工作于同一频率，电波传播的对称特性使之便于使用智能天线等新技术，达到提高性能，降低成本的目的。传输不连续，切换传输方向需要时间和控制，为避免传输发生冲突，上下行链路需要一个协商传输与时序的过程，为避免发生传输错误，需要设置一个保护时间来保护传输信号符合传输时延的要求。

　　FDD上行和下行的传输使用分离的两个对称的频带的双工方式，系统需根据对称性频带进行划分。其技术特点有：需要成对的频率，在分离的两个对称的频带上进行发送和接收，上下行频带之间需要有190MHz的频率间隔。支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在非对称的分组交换（互联网）工作时，频谱利用率则大大降低（由于低上行负载，造成频谱利用率降低约40%）。

　　●MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put）天线系统

　　MIMO天线系统的发射机和接收机都有多个天线。利用MIMO提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

　　通常，MIMO技术可以分成三大类。第一类是仅在接收端进行MIMO处理的技术（以V-BLAST为代表）；第二类是同时在发送和接收端进行MIMO处理的技术（基于SVD技术）；第三类技术只在发送端进行MIMO处理，以减少接收机的复杂度。

　　●OFDM和OFDMA

　　OFDM是一种可以有效对抗符号间干扰（ISI：Inter-symbolInterference）的高速传输技术，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM-FDMA在许多文献中又被称为OFDMA。它通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入。OFDMA接入方案的优势之一是可以很容易地引入跳频技术，即在每个时隙中，可以根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波频率。

　　OFDM是IEEE802.16系列标准中的核心物理层技术。IEEE802.16采用单载波（SingleCarrier，SC）调制模式，因此又将其称为“WirelessMAN.SC”。而IEEE802.16a标准定义了三种调制模式：单载波方式：这是为特殊需求的网络所保留的部分，被称为“WirelessMANSCa”；256载波OFDM（正交频分多路复用）方式：这种方式采用频率上等间隔的256个子载波分别进行调制，具有抗多径衰落、抗时延扩展的能力，提供给大部分的应用使用，被称为“WirelessMAN OFDM”；2048载波OFDMA正交频分多址方式：这种方式将频带划分为很多子信道，子信道之间依次正交排列且频谱可重叠，实现多用户信号的复接和分接，可支持某些特定的多对象通信的应用，被称为“WirelessMAN OFDMA”。另外。还有针对2～11GHz非授权频率的OFDM调制方式，被称为高速非授权城域网“WirelessHUMAN”调制技术为支持多种调制技术。

　　另外，为了支持多种调制技术，IEEE802.16a标准在物理层和MAC层增加了多种附加功能。11GHz以下许可频段，由于波长较长，能够实现非视距传播，但会出现较强的多径效应，需要采用一些增强的物理层技术，如功率控制、智能天线（AAS）、自动重复请求（ARQ）、空时编码（STC）技术等。11GHz以下免许可频段，与11GHz以下许可频段一样，不一样的是存在较大的干扰，需要采用动态频率选择DES等技术来解决干扰问题。

　　3、结束语

　　IEEE802.16系列标准通过标准化正在使宽带无线领域发生显著的变革，使人们不再因为WiFi的有限覆盖而头痛，也不会止步于3G的低速率数据传输。尤其是当WiMAX的MBWA标准IEEE802.16e出现的时候，会让更多的消费者迈入无线信息时代。

　　宽带无线接入系统是未来宽带通信网络的一个重要组成部分，其无线接入带来的可移动性、灵活性和经济性，使其具有其他宽带系统无法替代和比拟的优势。目前，我国有关部门与企业对WiMAX系统的研制开发工作也很重视，无疑对我们的研发工作有重要意义，可以使我们少走弯路，降低开发成本。同时，我们也应积极参与到该标准的制定工作中去，并制定出具有自主知识产权的标准和形成自己独立的宽带无线接入产业。