IEEE 802.16-2005 移动宽带无线接入空中接口技术

　　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。