IEEE 802.16标准方案

IEEE 802.16标准方案

摘要：文章介绍了支持宽带无线接入系统的空中接口标准IEEE 802.16的制订进程、发展现状和趋势，并重点对标准媒体访问控制(MAC)层和物理层的技术特点进行了分析。文章指出IEEE 802.16标准为宽带无线接入网的开发和应用提供了很好的平台，随着宽带业务的快速增长，将成为未来无线接入技术的发展方向之一。

关键词：IEEE 802.16；宽带无线接入；无线城域网；正交频分复用

Abstract:In this paper, the developing process, the state of arts and trend of IEEE standard 802.16 are introduced and emphasis goes to the main technical characteristics of Media Access Control (MAC) layer and physical layer. It is pointed out that IEEE standard 802.16 has provided a fine development and application platform for broadband wireless access networks. With the rapid growth of broadband services, this standard will become one of the evolution directions of the wireless access technology in the future.

Key words:IEEE 802.16; broadband wireless access; WMAN; OFDM

20世纪90年代，宽带无线接入技术得到了快速发展，主要产品有本地多点分配系统(LMDS)和多信道多点分配技术(MMDS)，其市场定位于小型家庭办公(SOHO)、中小企业、城市商业中心等用户，尤其是中小企业和城市人口密集的高楼商业区应用的成本效益明显。但是这一产业没有更进一步繁荣壮大，一个很重要的原因就是没有统一的全球性宽带无线接入标准。

1999年，IEEE成立了IEEE 802.16工作组来专门研究宽带固定无线接入技术规范，目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。IEEE 802.16工作组的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展。

1 标准制订进程

IEEE 802.16工作组于2002年4月8日正式发布了IEEE 802.16-2001标准[1]，为宽带无线接入(BWA)定义了无线城域网(WMAN)的空中接口规范，它标志着宽带无线接入将作为一个新的主要途径，把各商业机构和家庭接入全球电信核心网。

IEEE 802.16标准被设计为能逐渐发展，具有公共媒体访问控制(MAC)层的一组空中接口，但物理层规范取决于使用频谱和相应的法规。IEEE 802.16-2001工作在10～66 GHz频段，由于这个频段对于像建筑物和树这样的障碍物无穿透能力，故要求基站和用户站是视距(LOS)链路，从而限制了基站的覆盖范围。同时由于用户站天线的安装要求很高，并且系统受雨衰影响较大，一定程度上阻碍了市场的发展。

一个BWA系统能否在市场上取得成功，主要取决于系统的服务质量和价格。运营商应该保证在设定的服务区域内，绝大多数用户都能够得到服务，应该避免相邻的两户人家其中一户可以得到服务而另一户得不到服务的现象，还应避免由于传输条件和干扰的变化而造成服务时好时坏的现象。另外就价格方面来说，一方面用户的终端应该比较便宜；另一方面，用户终端的安装要求简单，用户可以自己安装，甚至可以安装在室内。这就要求基站和用户站之间为非视距传输(NLOS)，需要采用新的物理传输技术。

IEEE 802.16工作组于2003年4月颁布了IEEE 802.16a[2]，该标准支持的工作频段为2～11 GHz，包括了需要发放牌照频段和免牌照的频段。与高频段相比，该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖，系统受雨衰影响不大，系统可以在非视距传输环境下运行，大大降低了用户站安装的要求。另外，IEEE 802.16a的MAC层提供服务质量(QoS)保证机制，可支持语音和视频等实时性业务，增加了对网格拓扑结构网络的支持，能适应各种物理层环境。这些特点使得IEEE 802.16a与IEEE 802.16相比更具有市场应用价值，真正成为可用于城域网的无线接入手段。

IEEE 802.16a标准仅仅是IEEE 802.16-2001标准的修改和扩展，不是一个独立的标准，所以2004年7月IEEE 802.16组织又通过了IEEE 802.16d。IEEE 802.16d对2～66 GHz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IEEE 802.16-2001和IEEE 802.16a进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范，是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。

IEEE 802.16e[3]是工作在2～6 GHz频段支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。制订IEEE 802.16e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。IEEE 802.16e被业界视为目前唯一能与3G竞争的下一代宽带无线技术。IEEE 802.16e的目标是能够向下兼容IEEE 802.16d，因此IEEE 802.16e的标准化工作基本上是在IEEE 802.16d的基础上进行的。在IEEE 802.16d固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性，IEEE 802.16e提出了具有移动特性的系统框架结构，并于2004年9月通过了草案，估计2005年年内可以推出正式标准。

除了以上几个标准外，另外还有3个重要标准：第一个是2002年正式发布的IEEE 802.16c，它是对IEEE 802.16-2001的增补，是使用10～66 GHz频段IEEE 802.16系统的兼容性标准，它详细规定了工作于10～66 GHz频段的IEEE 802.16系统在实现上的一系列特性和功能；第二个是IEEE 802.16f，它定义了IEEE 802.16系统MAC层和物理层的管理信息库(MIB)以及相关的管理流程；第三个是IEEE 802.16g，制订它的目的是为了规定标准的IEEE 802.16系统管理流程和接口，从而实现IEEE 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。IEEE 802.16f和IEEE 802.16g这两个标准是2004年5月17日在深圳召开的由中兴通讯公司承办的IEEE 802.16工作组第31次会议上提出的，目的是在网络管理层面形成新标准。目前标准的制订工作处于起步阶段，计划在2006年或2007年发布。

2 协议栈参考模型

IEEE 802.16标准描述了一个点到多点的固定宽带无线接入系统的空中接口，包括MAC层和物理层两大部分。IEEE 802.16 MAC层能支持多种物理层规范，以适合各种应用环境。IEEE 802.16协议栈模型如图1所示。

MAC层由特定业务汇聚子层(CS)、MAC公共部分子层(CPS)和加密协议子层3部分组成，其中加密协议子层是可选的。

CS子层主要功能是负责将其业务接入点(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层业务接入点(SAP)。具体包括对外部网络数据SDU执行分类，并映射到适当的MAC业务流和连接标识符(CID)上，甚至可能包括净荷头抑制(PHS)等功能。协议提供多个CS规范作为与外部各种协议的接口。

MAC CPS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服务质量(QoS)控制。通常说的MAC层主要指MAC CPS。

加密协议子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。

物理层由传输汇聚子层(TCL)和物理媒质依赖子层(PMD)组成，通常说的物理层主要是指PMD。物理层定义了两种双工方式：TDD和FDD，这两种方式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数(调制方式、编码方式、发射功率等)可以动态调整，但是需要MAC层协助完成。

3 技术特点

3.1 MAC层

IEEE 802.16 的MAC层支持点对多点的宽带无线接入应用，主要是在上行和下行链路上进行高速传输。为了让多个用户共享一个物理信道，MAC层必须要有有效的接入和带宽分配算法以支持各种业务的QoS保证。标准定义了4种不同的业务类型，它们分别为：主动授予服务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrtPS)、尽力传输业务(BE)。IEEE 802.16可以根据不同的QoS动态分配带宽，具有较大的灵活性。IEEE 802.16 MAC层是基于连接的，为了映射各个用户站(SS)的服务，提供不同级别的QoS，所有的数据通信都是建立在连接的基础之上的。当网络系统中出现SS时，业务流就被提供了，SS注册后，连接就与业务流一一对应，从而可让各端分清是谁申请了带宽。此外，当一个用户的服务需要改变时，新的连接也将建立。一个连接标识了BS和SS的MAC层中对等实体间的连接信息，同时映射到一个业务流，业务流则为该连接上传输的协议数据单元(PDU)定义了QoS参数。因此，业务流实际上提供了上下行QoS管理的机制，并且和带宽分配的进程紧密联系。一个SS以基于每个连接(也即基于不同业务流)的方式请求上行带宽。BS在某个时间调度间隔内，或者对一个SS的所有请求总地授予一个带宽，或者按每个连接来授予带宽。因此从以上的分析可以看出，IEEE 802.16可以在无线接入网部分为不同业务提供不同质量的服务。

3.2 物理层

为了更好地使用带宽，IEEE 802.16支持时分双工(TDD)和频分双工(FDD)模式。两种模式下都采用突发(Burst)格式发送。在每一帧中，BS和各个SS可以根据需要灵活地改变突发的类型，从而选取适当的发射参数，如调制方式、编码类型等。在FDD模式下，系统支持全双工SS，也支持半双工SS。

上行时，物理层基于时分多用户接入(TDMA)和按需分配多用户接入(DAMA)相结合的方式。上行信道被划分为许多个时隙，初始化、竞争、维护、业务传输等应用都是通过占用一定数量的时隙来完成的，其占用的数量由BS的MAC层统一控制，并根据系统性能优化要求而动态改变。下行信道采用时分复用(TDM)方式，BS侧产生的信息被复用成单个的数据流，广播发送给扇区内的所有SS。每个SS接收到广播消息后，在MAC层中提取检查消息连接的CID信息，从而判断出发给自己的信息，丢弃其他信息。BS还可以以单播、多播的方式向一个或一组SS发送消息。为了支持半双工FDD方式下的SS，协议为下行链路提供一部分TDMA访问方式。

IEEE 802.16的载波带宽可以采用从1.25 MHz～20 MHz之间的带宽，考虑各个国家已有固定无线接入系统的载波带宽划分，IEEE 802.16规定了载波带宽可以是1.25 MHz的倍数或1.75 MHz的倍数。1.25 MHz系列固定无线接入系统带宽包括：1.25/2.5/5/10/20 MHz等。1.75 MHz系列包括：1.75/3.5/7/14 MHz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。

IEEE 802.16标准中主要规定了两种调制方式：单载波和正交频分复用(OFDM)[4]。对于10～66 GHz频段的无线接入系统，由于工作波长较短，必须要求视距传输，而多径衰落是可以忽略的。因此IEEE 802.16规定在该频段采用单载波调制方式，具体可以采用正交移相键控(QPSK)、16相正交幅度调制(16QAM)和64相正交幅度调制(64QAM)调制方式。而对于2～11 GHz频段，必须考虑多径衰落，而多径衰落会引起符号间干扰(ISI)。克服符号间干扰的措施一般采用自适应均衡器，但随着数据传输速率的提高，为了克服ISI，往往要求均衡器的抽头数很大，均衡器的复杂性大大增加。在多径信道中，色散符号数N 和数据速率成线性增长的关系，而均衡器的复杂性随N 线性增长，有时甚至呈平方增长。例如，一个200 kb/s的QPSK系统，符号周期为10 us。如果多径信道的时延拓展为20 us，则相应地N ＝20/10＝2个符号，这时的均衡器不太复杂，比较容易实现。但是如果数据传输速率增加40倍，即8 Mb/s，则N 等于80个符号，相应均衡器的复杂度要增加1 600倍(考虑N 2趋向无穷大)，这大大超出了当前器件的处理能力。因此在宽带无线系统中，应考虑采用其他的技术来克服ISI。近年来，由于数字信号处理器(DSP)技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。所以在2～11 GHz频段上主要采用OFDM和OFDMA技术。

基于OFDM的物理层采用256个子载波，每个子载波的调制方式可以选用BPSK、QPSK、16QAM或64QAM，其频域结构如图2所示。

其中192个子载波用于传输数据，8个为导频子载波，55个为保护子载波(高频段27个，低频段28个)，一个为直流子载波。

在时域中，使用逆快速傅里叶变换(IFFT)产生OFDM波形，其符号时间结构图如图3所示。

其中Tb为有用的符号时间，Tg为循环前缀(CP)，Tsym为符号时间，根据传输环境的不同，协议规定Tg可取Tb的1/4、1/8、1/16或1/32

IEEE 802.16e的物理层实现方式与IEEE 802.16d基本一致，主要差别是对OFDMA进行扩展：在IEEE 802.16d中，仅规定了2 048点OFDMA，而在IEEE 802.16e中，可以支持2 048点、1 024点、512点和128点OFDMA。OFDM是IEEE 802.16中的核心物理层技术，也是目前B3G的关键技术之一。标准采用自适应调制编码来提高系统容量，即根据链路条件，以帧为单位对每个用户站自适应分配调制和信道编码方式，实时地在系统容量和链路性能之间折衷。另外协议还支持2发1收的发送分集，采用Alamouti空时分组码(STBC)在接收端通过合并获得分集增益。为了解决覆盖问题，标准还支持格状网(Mesh)结构，每个用户单元都是网络设施的一部分，通过多跳路由来实现网络的全覆盖。IEEE 802.16系列标准技术参数如表1所示。

4 IEEE 802.16和WiMAX

为有助于将IEEE 802.16定义的广义标准变成更加具体的标准，以满足特定服务提供商的需求，Intel、奥维通、Airspan Networks、诺基亚、Proxim、Redline and Aperto Networks、AT&T等100家生产、运营商成立了一个非盈利工业贸易联盟组织——WiMAX论坛，全名是微波接入的全球互通，目标是对以IEEE 802.16系列宽带无线接入标准为基础的产品互通性进行测试和认证，以保证市场上设备的部件是标准化的。

基于IEEE 802.16系列标准的WiMAX的特点明显：实现的50 km无线信号的传输距离是无线局域网所不能比拟的；网络覆盖面积是3G发射塔的10倍，只要建设少数基站就能实现全城覆盖，使得无线网络应用范围大大扩展；提供的接入速度达70 Mb/s(14 MHz载波)，使无线网络的接入速度有了一个很大的进步。

5 总结

IEEE 802.16标准为宽带无线接入网的开发和应用提供了很好的平台，从而促进了BWA系统的市场发展。中国宽带无线接入技术的研究与开发始终紧随世界先进技术，目前中国通信标准化协会已经完成IEEE 802.16技术研究报告，并正在开展IEEE 802.16d标准及其一致性测试的研究和IEEE 802.16e标准的研究。2004年9月17日中国通信标准化协会又在北京举办IEEE 802.16技术报告会，势必会为IEEE 802.16技术及标准的研究和发展起到强劲的推动作用。随着标准的完善和市场需求的发展，相信IEEE 802.16在未来无线网络中必将发挥巨大的作用。

6 参考文献

[1] IEEE 802.16-2001 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems [S].

[2] IEEE 802.16a IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems- Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz [S].

[3] IEEE 802.16e D5 Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks—Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems—Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands [S].

[4] Richard N. OFDM wireless Multimedia Communications [M]. Artech House Boston, Lonton, 2000.

作者简介：

朱琦，毕业于南京邮电学院无线电工程系，硕士。现为南京邮电学院通信工程系副教授，主要研究方向是无线通信和信号处理。

酆广增，南京邮电学院通信工程系主任，教授，博士生导师，主要研究方向是无线通信和通信信号处理。