IEEE 802.16技术简介

2004-08-15      作者：党梅梅
IEEE 802在无线领域针对不同的市场需求和应用模式制订了不同的标准，如应用于PAN的IEEE 802.15标准、应用于无线局域网的IEEE 802.11标准。IEEE 802.16则是为制订无线城域网（Wireless MAN）标准成立的工作组，该工作组自1999年成立后，主要负责固定无线接入的空中接口标准，涉及MMDS、LMDS等技术，并没有引起很大的关注。但是自从支持移动特性的802.16e任务组成立以及很多主流设备制造商加盟WiMAX后，IEEE 802.16e吸引了越来越多的目光。
本文主要介绍IEEE 802.16的标准化进展，WiMAX与802.16的关系，并对802.16的技术特性进行了分析。
1 IEEE 802.16工作进展
IEEE 802.16的主要任务是，开发工作于2～66GHz频带的无线接入系统空中接口物理层（PHY）和媒质接入控制层（MAC）规范，同时还有与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范。
IEEE 802.16规定的无线系统主要应用于城域网。
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，其中802.16、802.16a、802.16d属于固定无线接入空中接口标准，而802.16e属于移动宽带无线接入空中标准，相应的研究状态如表1。
表 1 IEEE 802.16空中接口相关标准
空中接口标准 频段 状态
IEEE 802.16 固定宽带无线接入系统空中接口标准（10～66GHz） 2002.04发布
IEEE 802.16a 固定宽带无线接入系统空中接口标准（2～11GHz） 2003.04发布
IEEE 802.16c 固定宽带无线接入系统的兼容性（10～66GHz） 2002发布
IEEE 802.16d 固定宽带无线接入空中接口标准（2～66GHz）（对802.16/802.16a/802.16c的修订） 2004年6月在IEEE 802委员会获得通过，将以IEEE 802.16-2004名称发布。
IEEE 802.16e 支持固定和移动性的宽带无线接入空中接口标准（2～6GHz） 草案，预计2005年上半年完成。
由于802.16d基本上是对802.16、802.16a和802.16c的修订，因此可以认为目前802.16包括两个主流空中接口标准：802.16d和802.16e，分别为固定和移动设计。
2 WiMAX联盟的推进
2001年4月，由业界领先的通信设备公司及器件公司共同成立了一个非盈利组织－微波接入全球互操作性认证联盟WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）。该联盟旨在对基于IEEE 802.16标准和ETSI HiperMAN标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。通过WiMAX认证的产品会拥有“WiMAX® CERTIFIED”标识。
WiMAX的目标是致力于帮助并解决那些阻碍标准被使用的问题，比如不同厂商的产品之间的互操作性和产品成本问题。WiMAX将制定一套互操作性的测试规范，用这套规范对相关厂家的产品进行测试和认证，并对那些通过认证的产品发放WiMAX认证标志，从而鼓励所有的无线宽带接入相关产业的厂商遵循一个统一的规范，使各个产品之间具有良好的互操作性，并希望借此推动无线宽带接入产业的发展。
WiMAX将使用与Wi-Fi联盟推动无线局域网行业发展的相同方法，定义和进行互操作性测试。Wi-Fi模式已经影响了整个通信产业。IEEE 802.11无线局域网的规模应用与Wi-Fi联盟的作用是分不开的。因此，WiMAX希望通过它的努力，加快符合IEEE 802.16技术标准的宽带无线接入设备的上市速度，从而加速全球最后一英里宽带的部署。
3 空中接口特性
在IEEE 802.16活动中，主要的工作都围绕空中接口展开。
802.16d是固定无线接入的标准，可以应用于2~11GHz 非视距（NLOS）传输和10～66GHz视距（LOS）传输。802.16d标准已经通过并将正式颁布。
802.16e的目标是能够向下兼容802.16d，因此802.16e的标准化工作基本上是在802.16d的基础上进行的。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目前正在加入新的特性。
在802.16e的标准中，定义的参考模型如图 1所示：

802.16e网络由移动用户台（MSS）、基站（BS）、认证和业务授权服务器（ASA）组成，其中ASA服务器实际上就是人们常说的AAA服务器，提供认证、授权和计费等功能。虽然在802.16e草案中定义了U、IB和A接口，但是目前仍然只对U接口进行规范。802.16认为IB和A接口属于其它标准组织的工作范畴，因此并不计划开发IB和A接口的规范。
协议栈模型
802.16d和802.16e规范的协议栈模型如图2所示。空中接口由物理层和MAC层组成，MAC层又分成了三个子层：特定服务汇聚子层（Service Specific Convergence Sublayer）、公共部分子层（Common Part Sublayer）、安全子层（Privacy Sublayer）。

802.16d物理层
802.16可支持TDD（时分双工）和FDD（频分双工）两种无线双工方式，根据使用频段的不同，分别有不同的物理层技术与之相对应：单载波（SC）、OFDM（256点）、OFDMA（2048点）。其中，10~66GHz固定无线接入系统主要采用单载波调制技术，而对于2~11GHz频段的系统，将主要采用OFDM和OFDMA技术。由于OFDM、OFDMA具有较高的频谱利用率，且在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上具有明显的优势，因此OFDM和OFDMA将成为802.16中两种典型的物理层应用方式。
802.16未规定具体的载波带宽，系统可以采用从1.25MHz~20MHz之间的带宽。对于10~66GHz的固定无线接入系统，还可以采用28MHz载波带宽，提供更高的接入速率。
随着802.16d标准化工作的完成，WiMAX已经决定，首先对采用256点OFDM物理层方式、工作在2.5 GHz和3.5 GHz许可频段、5.8 GHz免许可频段的设备进行一致性和互操作性测试。
802.16e物理层
802.16e的物理层实现方式与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。
随着技术、标准、市场的发展，WiMAX将会按照802.16e定制Profile，对802.16e产品进行一致性测试。
MAC层特性
802.16 MAC层是基于“连接”的，即所有终端的数据业务以及与此相关的QoS要求，都是基于“连接”进行的。每一个“连接”均由一个标识符(CID) 来唯一进行标识。在802.16标准中，MAC层定义了较为完整的QOS机制。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的Qos参数，包括速率、延时等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了四种不同的上行带宽调度模式，分别为：
●　非请求的带宽分配业务（UGS）：用于恒定比特率连接。
●　实时轮询业务（rtPS）：周期性地为终端分配可变长度的上行带宽。
●　非实时轮询业务（nrtPS）：不定期地为终端分配可变长度的上行带宽。
●　尽力而为业务（BE）：尽可能地利用空中资源传送数据，但是不会对高优先级的连接造成影响。
802.16可以根据业务的需要提供实时、非实时的不同速率要求的数据传输服务。802.16目前主要面向提供宽带数据业务，也可以提供VoIP业务。802.16系统的Qos机制可以根据业务的实际需要来动态分配带宽，具有较大的灵活性。因此从以上的分析可以看出，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。
4 结束语
802.16e正处于标准研究和发展期，标准化工作正在进行。为了支持车速移动，该标准还有很多内容待补充。802.16e预计将在2005年上半年完成。目前的802.16e标准仅涉及空中接口标准，确定的网络模型也仅达到3G系统中定义的无线接入网（RAN）层面。从电信网的角度出发，仅仅有空中接口规范对于一个网络是不够的。统一的空中接口标准仅仅能保证基站和用户站的互通，但是无法保证基站到网络侧的互通。因此，从标准化的角度看，802.16e空中接口和网络标准还有待完善。
目前在CCSA无线技术工作委员会的WG3工作组内已经展开了对802.16的标准化研究工作。
近年来，我国宽带用户增长迅猛，主要以有线接入如ADSL用户为主，这反映出用户对宽带数据需求迫切。802.16e可以提供移动宽带数据业务，初期面向的用户将主要是对移动宽带数据需求较大的高端用户。虽然目前一直在质疑用户是否真正需要在移动中上网，但是可以肯定的是，无线宽带和移动宽带的发展将呈逐步增长的趋势。移动和宽带的融合将是电信业的必经之路，相信802.16e将会在这种融合的过程中发挥较大作用。