WiMAX技术标准及组网技术

1、引言

随着通信技术和新业务的部署。市场与技术的相互作用，未来通信领域一些新的特点逐渐显现出来。一方面，传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务，希望使用宽带接入移动服务；另一方面，传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋势，并互为补充、互相促进。在移动宽带化方面，3gpp/3gpp2已经制定了1xev-do、hsdpa/hsupa等技术标准，在移动环境下实现宽带数据传输。在宽带移动化方面，IEEE802工作组先后制定了WLAN和WiMAX等技术规范，意图能沿着固定、游牧／便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化，其中IEEE802.16WiMAX是宽带移动的重要里程碑。促进了移动宽带的演进和发展[1，2]。

WiMAX是IEEE802.16技术在市场推广方面采用的名称，其物理层和MAC层技术基于在IEEE802.16工作组中开发的无线城域网（WMAN）技术，WiMAX也是IEEE802.16d/e技术的别称。本文首先将系统全面介绍IEEE802.16系列标准，对比Wi-Fi，WiMAX和3G各标准的特征和优缺点，基于现有的各种网络配置，详细阐述了WiMAX的组网三步曲，介绍了不同阶段下的详细组网策略，用于支持高速移动、无缝通信的高速多媒体业务传输。

2、WiMAX无线接入技术

IEEE802.16是为制定无线城域网标准而专门成立的工作组，该工作组自1999年成立以来，主要负责固定无线接入的空中接口标准制定，为了推广基于IEEE802.16和ETSIHiperMAN协议的无线宽带接入设备，并且确保他们之间的兼容性和互操作性，2001年4月，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商共同成立了一个非营利工业贸易联盟组织--WiMAX。

2.1WiMAX系列标准

最初的IEEE802.16协议是2001年12月IEEE通过的无线城域网标准，该标准支持的工作频段为10～66GHz，只能承载在视距的环境中，这些限制并不利于固定宽带接入技术的推广，所以在2003年1月，IEEE又发布了扩展协议IEEE802.16a，目的在于使固定宽带接入技术也能支持非视距传输，工作频率范围为2～11GHz需要许可证和免许可证频段。目前，为了能够使IEEE802.16系列标准能够传输从几兆比特每秒到几百兆比特每秒的数据，提供高速多媒体业务传输的能力，成为解决接入网"最后一公里"瓶颈的有效手段，对IEEE 802.16a协议进行了改进，提出了融合后的IEEE802.16 REVd协议，也称为IEEE 802.16-2004协议，目前该协议已经成为业界标准，各大厂商都基于该标准设计和推出各种固定无线接入产品。目前正在标准化的IEEE 802.16e协议作为固定接入技术的扩展，增加了终端用户的移动性功能，从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。

2.2协议栈模型

IEEE802.16系列标准专门定义了WiMAX的无线空中接口。其参考模型如图1所示。IEEE802.16目前只对固定用户终端（SS）和基站（BS）之间的U接口进行了规范，而BS之间的IB接口、BS与RNC（与WCDMA系统的无线网络控制器RNC功能类似）之间的A接口不属于IEEE802.16标准组织工作范畴。IEEE802.16系列标准定义的空中接口由物理层和MAC层组成，如图2所示。MAC层支持点对多点（PMP）结构，也适用于网格拓扑结构。MAC层的结构设计为可支持多种物理层规范，不同的物理层技术适合不同的无线传播环境。

图1 IEEE802.16协议模型

图2 协议体系结构

IEEE802.16 MAC层由高到低划分为3个子层。

（1）特定服务汇聚子层（Service-SpecificConvergenceSublayer）：提供与更高层的接口，通过不同的会聚方式更好地适配各种上层协议；

（2）公共部分子层（CommonPartSublayer）：负责执行MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等；

（3）安全子层（PrivacySublayer）：提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。

2.3物理层规范

目前最通用的IEEE802.16-2004空中接口物理层规范根据系统工作的频段做了相应的规定，具体可分为两类。

（1）10～66GHz：这个频段内的电磁波波长在毫米波段，波能量易被地面和建筑物吸收，因此要求发射天线和接收天线之间不能有障碍物，即视距传输。此外传输信号还易受雨衰等影响，使得对系统的部署要求非常高，覆盖面积较小。但该频段频率资源丰富，分配的频段较宽，系统容量大。IEEE802.16对这个频段的物理层规范是WMAN_SC，采用单载波调制技术；

（2）2～11GHz：该频段包含需要许可证和免许可证两种频谱资源，主要为支持非视距传输而提出。频段内的电磁波较长，发射天线和接收天线不必有视距传输，因此多径干扰问题突出。此外，许多别的无线设备也工作在此频段内，如蓝牙系统、无线局域网等，如何与这些设备共存而不增加彼此干扰，也是一个需要解决的问题。考虑到系统工作的物理环境，该频段支持3种物理层规范：

*WMAN_SCa：采用单载波自适应调制策略，下行链路使用点对多点的广播方式进行信号传输，基站通过给BS内所有的SS发射TDM信号，目标SS检测到是分配给自己的时隙则启动信号的接收。而在上行链路采用TDMA方式；

*WMAN_OFDM：采用256点变换的正交频分复用（OFDM）调制技术，下行采用TDM方式，上行接入采用TDMA+OFDMA作为多址方式，该空中接口对于免许可证的频段是必选的；

*WMAN_OFDMA：采用2048点变换的OFDM调制技术。通过为每个接收机分配一组子载波来实现多址传输，上下行都采用TDMA+0FDMA作为多址方式。考虑到NLOS特性，采用了先进的自适应天线系统（AAS），ARQ以及动态频率选择（DFS）等先进技术。

IEEE802.16系统可以工作在频分双工（FDD）或时分双工（TDD）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动态调整。

在IEEE802.16中，还规定了终端可以采用半双工频分双工（H-FDD）方式，降低了对终端收发器的要求。从而降低了终端成本。