IEEE 802.16e移动宽带无线接入方案
1 引言
宽带无线接入（BWA）在初期投资、业务承载与提供服务速度方面具有的独特优势及广泛的市场应用前景，使其成为近几年通信市场发展的一个热点。2002年4月，IEEE发布的IEEE 802.16标准，支持10～66GHz频段范围内的视距传输，为宽带无线接入的实现提供了基础。运行于2～11GHz频谱之上的802.16a规范是IEEE 802.16规范的扩展，它支持低频段的非视距传输，使得无线城域网作为有线网络“最后一公里”连接公网的替代手段得以实现。 然而，IEEE 802.16及802.16a仅能支持固定及便携式移动终端的通信，无法发挥无线接入的内在优势、满足用户对业务移动性的需求。为此，IEEE 802工作组在IEEE 802.16/802.16a的基础上提出了802.16e协议。IEEE 802.16e是802.16/802.16a的增补方案，它在2～6GHz的特许频段内支持低速的移动终端，填补了高速率的无线局域网和高移动性的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。
在802.16e协议制定的同时，IEEE另外一个工作小组也提出了IEEE 802.20—MBWA （Mobile Broadband Wireless Access）方案，这一方案将为运动速度高达每小时250公里的移动用户提供基于IP的高速、高可靠的无线数据传输。
本文首先描述了IEEE 802.16e的系统要求，然后从物理层、MAC层、切换方式等方面介绍了IEEE 802.16e的移动宽带接入方案，并将其与IEEE 802.20及3G等移动通信系统进行了比较。
2 802.16e的系统要求
* 工作频段：2～6GHz的特许频段；
* 信道间隔：1.25MHz的整数倍，最高为10MHz；
* 上行用户速率：32kb/s~1.5Mb/s
下行用户速率：512kb/s~6Mb/s
* 支持室内微微蜂窝（半径：100米），
微蜂窝（半径：100~1000米），宏蜂窝（半径：>1000米）及微蜂窝和宏蜂窝的混和； * 为微微蜂窝提供低成本的中继器和基站；
* 支持快速切换、快速ARQ、快速带宽请求；
* 支持FDD/TDD双工模式；
* 提供移动IP QoS保证。
3 802.16e移动宽带接入方案
3.1 物理层
在移动环境下，影响物理层设计的主要因素有：
1）较高的时延扩展和多普勒扩展，时延扩展的均方根时延可达几微秒，而多普勒频移也可能达到几百赫兹。
2）高度不对称的链路：由于移动单元的发射功率受到诸如尺寸、功率消耗和成本等因素影响，与基站的发射功率相比有很大差距，至少在15dB以上。
3）高度不对称的应用：对于很多应用来说，上行链路的带宽需求都低于下行。 4）由于使用了全向天线，因而易受到来自邻近小区的强干扰。 为了在恶劣的移动环境下，提供强健和有效的操作，并与固定的802.16a相兼容，802.16e中仍采用了802.16a中所采用的OFDM和OFDMA方式。OFDM在抗多径衰落方面具有独特优势，而OFDMA与MC-CDMA等方式相比具有更高的系统容量，可以补偿传输功率的非对称性。同时，OFDM/OFDMA也可以方便地与其它如发射/接收空间分集等技术结合，进一步提高系统性能。在802.16e上行链路中，OFDMA成为必选模式。而下行链路传输以OFDM作为必选模式，OFDMA作为可选模式。
3.1.1 对OFDMA方式的改进
1）前导码（Preamble）的加入
下行链路第一帧的帧头前加入了一个Preamble，如图1所示。此preamble主要用于多小区实施方案中的各种估计，基站间相对位置的计算，及获得邻近基站接收信号的功率和质量等信息。
2) 小型子信道的划分
为了提高功率的集中度，OFDMA的子信道被进一步划分为小型的子信道。在下行链路中，每个子信道被进一步划分为6个小型子信道。802.16a中每个子信道中包含48个数据子载波，一个突发在时间上包含3个码元。为了保持与802.16a的兼容，802.16e中每个小型子信道中包含了8个载波，一个小型突发在时间上含3个码元，这样每个突发包含24个数据载波。在上行链路中，每个子信道被进一步划分为5个小型子信道。原来的53个子载波被划分为3个含11个载波，2个含10个载波的小型子信道，起到了最大频率分集的效果。
3.1.2 对OFDM方式的改进
1) 上行链路
上行链路被划分为24个子信道，每个子信道8个载波，每个分组包含8个OFDM码元，其中有7个数据码元，1个训练码元。同时这24个子信道每6个被划分为一组，每组对应802.16a中OFDM的一个子信道，这样就可以同时交叉使用802.16a和802.16e中的OFDM子信道划分机制。
子载波通常有两种分配方式，一种是集中方式，即子载波被安排在连续的频段上称为“一簇”，另一种是分散方式，即子载波在频段上不连续。由于分散方式不需要额外的缓存就能起到频率分集的效果，因而成为首选。图2就是一个采用分散式子载波分配方式的例子。56个子载波中包含48个数据子载波和8个导频子载波。每个子信道由8个子载波组成，它们被分成4组，起到了频率分集的效果，并且可以利用每一对子载波上信道系数的相关性来节省训练序列的开销。
2）下行链路
为了满足移动性需求，使得接收机在时变信道中仍能正常工作，802.16e中提出了两种信道估计方法：跳频导频插入机制和中间导码（midamble）插入机制。
为了与802.16a兼容，802.16e中保持了每个OFDM码元8个导频的结构。在跳频导频插入机制中，导频的位置是逐码元变化的，以8个码元为一个变化周期。在从固定业务到移动业务的转换过程中，移动台的信道估计会遭受严重的干扰。为了恢复信道估计，在转换过程中可以传输一个OFDM码元长的中间导码，此导码应不同于一般的导码以避免在帧搜索时的错误检测。
中间导码插入机制通过在下行链路帧中定期的插入中间导码进行信道估计。这种机制适合于某些低速的应用，对于车载速度的应用，由于信道变化较快，不能达到满意的效果。
3.1.3 帧结构的改进
为了使移动用户与固定用户共同工作和共享媒质，802.16e中采用了“固定”帧与“移动”帧交织的方式。TDD模式下的帧结构如图3所示。
时间轴被分为许多固定长度的超帧，每个超帧包括固定子帧和移动子帧。每个超帧以固定子帧的前导码起始，紧跟着下行链路（DL）前缀及携带着DL-MAP和UL-MAP消息的突发。固定子帧之间插入了移动子帧。每个移动子帧包含其自己的DL-MAP和UL-MAP，以便上下行链路的带宽划分。超帧中固定子帧和移动子帧的划分十分灵活，在不同的超帧中会有所不同，因而移动子帧的长度是可变的。为了进行初同步，固定下行帧前缀或固定的DL-MAP都将包含最近的移动帧的起始位置信息。
3.2 MAC层
802.16e对MAC层也进行了改进，主要是对于物理层和其它功能的修改增加了相应的消息和消息传输机制，并实现了快速自动请求重传（ARQ）和预留，以实现低时延。这里暂不详述。
3.3 切换方式
802．16e中采用了终端辅助的切换方式，移动用户站（MS）收集相应的切换信息并将其传输给网络，网络收集相应的信息，进行判决并执行切换。有三种类型的切换：
1）信道间切换：同一基站（BS）的不同信道之间的切换，在这种情况下，BS做出切换的判决并执行切换；
2）小区间的软切换：发生在两个同频的BS间，这时原BS进行切换判决并执行切换；
3）小区间的硬切换：在与原BS的链路完全断开的情况下，MS与新BS建立连接。在切换过程中新BS会通知原来的BS。
简单的切换过程如下：
1）每个MS都维护着一张邻近BS的列表，并通过以下过程与其中的一些BS建立相关：
* 扫描下行链路信道，建立与BS间的同步；
* 获得传输参数，初始测距；
* 协商基本性能；
* 对MS进行鉴权，进行密钥交换；
* 执行预登记并传输工作参数。
2）BS收集相应的测量信息和MS报告的相关信息，对切换进行判决；
3）MS执行如下的网络登记过程：
* 通知原BS，并离开；
* 调整到新BS的频率和定时，建立下行链路的同步； * 在到达后通知新BS；
* 新BS通知原BS，并建立与MS间的连接，切换完成。
这之后，BS和MS间将进行正常的通信。
为了支持移动性，802.16e BS的协议堆栈进行了相应的修改，在原协议栈的基础上增加了移动代理（MA）层，如图4所示。
移动代理的功能类似于移动IP网络中外部代理转发地址模式中的外部代理，主要功能如下：
1） 终止通过隧道由MS归属网络传递过来的数据，包括对接收的数据单元的解封；
2） 与汇聚子层间的通信：
* 在新的MS到达后，创建新的连接，这包括为转发数据到新的连接而建立新的分类器（classifier）和为连接指定适当的QoS；
* 在MS离开后，删除连接和分类器。
3.4 休眠模式
为了减少MS的功率消耗，802.16e中采用了休眠模式。支持休眠模式的MS具有两种状态：清醒状态和休眠状态。
在清醒状态下，MS能够正常的接收和发送数据分组，而在休眠状态，它不能发送和接收分组，甚至可以关机。从MS进入睡眠状态到其转到清醒状态的持续时间被称为休眠间隔，此间隔在规定的最小和最大值之间根据指数时间算法进行实时更新。从MS进入清醒状态，到与下行链路建立同步，解调下行链路数据，并做出继续保持清醒状态或进入睡眠状态的判断所持续的时间称为监听间隔，此间隔由BS和MS协商决定。
在进入休眠状态前，MS将通知BS并获得它的支持。在MS处于休眠状态期间，BS将存储或丢弃所有发给此MS的数据分组，并在其处于清醒状态时以广播消息通知它。
MS在一定的休眠间隔后醒来，并检查其间是否有数据分组到达，如果有，它将继续保持清醒状态。MS可以随时终止休眠状态返回到清醒状态，而不必等到休眠间隔结束。若BS接收到被认为是处于休眠状态下的MS所发送来的数据，则认为此MS不再处于休眠状态。
4 与其它移动通信系统的比较
802.16e，802.20及3G系统均提供了对移动性业务的支持。表1对这三者进行了比较。
由以上比较可见，从目前已经广泛使用且技术上已比较成熟的GSM和IS-95进化而来的3G系统，在移动性支持方面具有优势，然而在提供高速和实时性数据业务方面仍有不足。IEEE 802.20在主要致力于在典型的无线蜂窝网络配置的基础上提供高速的移动IP分组数据业务传输。而802.16e的主要目的则是为802.16a提供一定的移动性支持，更好的挖掘其市场潜力，而无意与3G或802.20间的竞争。尽管三者在应用领域有一定的重叠，但都将在其所致力的领域发挥最大作用。
5 结束语
随着各种便携式消费电子产品如手机、个人数字助理（PDA）、笔记本电脑的普及，用户越发迫切地要求通过无线接入提供高速的多媒体业务。这一要求推动了高带宽接入技术的发展，也使得在固定宽带接入的基础上提供移动性支持成为必然。IEEE 802.16e通过对802.16a的物理层、MAC层等方面的修改，加入切换和休眠等机制，使得无线宽带接入系统在保证了固定用户的服务质量的同时，提供了对终端低速移动性的支持，从而扩大了宽带无线接入的市场。
参考文献
[1] Marianna Goldhammer，"System & proposal evaluation requirements"，IEEE C802.16e-03/10
[2] John Liebetreu, "Modifications to OFDM FFT-256 mode for supporting mobile operation", C802.16e-03/12
[3 Yossi Segal, " Mobility Enhancements for the OFDMA mode", C802.16e-03/16r4;
[4] Itzik Kitroser,"IEEE 802.16e Handoff Draft', IEEE C802.16e-03/20r1;
[5] Itzik Kitroser, "IEEE802.16e Sleep Mode", IEEE C802.16e-03/15
[6] " Two Markets-Two Projects", IEEE C802.16sgm-02/16;
宽带无线接入（BWA）在初期投资、业务承载与提供服务速度方面具有的独特优势及广泛的市场应用前景，使其成为近几年通信市场发展的一个热点。2002年4月，IEEE发布的IEEE 802.16标准，支持10～66GHz频段范围内的视距传输，为宽带无线接入的实现提供了基础。运行于2～11GHz频谱之上的802.16a规范是IEEE 802.16规范的扩展，它支持低频段的非视距传输，使得无线城域网作为有线网络“最后一公里”连接公网的替代手段得以实现。 然而，IEEE 802.16及802.16a仅能支持固定及便携式移动终端的通信，无法发挥无线接入的内在优势、满足用户对业务移动性的需求。为此，IEEE 802工作组在IEEE 802.16/802.16a的基础上提出了802.16e协议。IEEE 802.16e是802.16/802.16a的增补方案，它在2～6GHz的特许频段内支持低速的移动终端，填补了高速率的无线局域网和高移动性的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。
在802.16e协议制定的同时，IEEE另外一个工作小组也提出了IEEE 802.20—MBWA （Mobile Broadband Wireless Access）方案，这一方案将为运动速度高达每小时250公里的移动用户提供基于IP的高速、高可靠的无线数据传输。
本文首先描述了IEEE 802.16e的系统要求，然后从物理层、MAC层、切换方式等方面介绍了IEEE 802.16e的移动宽带接入方案，并将其与IEEE 802.20及3G等移动通信系统进行了比较。
2 802.16e的系统要求
* 工作频段：2～6GHz的特许频段；
* 信道间隔：1.25MHz的整数倍，最高为10MHz；
* 上行用户速率：32kb/s~1.5Mb/s
下行用户速率：512kb/s~6Mb/s
* 支持室内微微蜂窝（半径：100米），
微蜂窝（半径：100~1000米），宏蜂窝（半径：>1000米）及微蜂窝和宏蜂窝的混和； * 为微微蜂窝提供低成本的中继器和基站；
* 支持快速切换、快速ARQ、快速带宽请求；
* 支持FDD/TDD双工模式；
* 提供移动IP QoS保证。
3 802.16e移动宽带接入方案
3.1 物理层
在移动环境下，影响物理层设计的主要因素有：
1）较高的时延扩展和多普勒扩展，时延扩展的均方根时延可达几微秒，而多普勒频移也可能达到几百赫兹。
2）高度不对称的链路：由于移动单元的发射功率受到诸如尺寸、功率消耗和成本等因素影响，与基站的发射功率相比有很大差距，至少在15dB以上。
3）高度不对称的应用：对于很多应用来说，上行链路的带宽需求都低于下行。 4）由于使用了全向天线，因而易受到来自邻近小区的强干扰。 为了在恶劣的移动环境下，提供强健和有效的操作，并与固定的802.16a相兼容，802.16e中仍采用了802.16a中所采用的OFDM和OFDMA方式。OFDM在抗多径衰落方面具有独特优势，而OFDMA与MC-CDMA等方式相比具有更高的系统容量，可以补偿传输功率的非对称性。同时，OFDM/OFDMA也可以方便地与其它如发射/接收空间分集等技术结合，进一步提高系统性能。在802.16e上行链路中，OFDMA成为必选模式。而下行链路传输以OFDM作为必选模式，OFDMA作为可选模式。
3.1.1 对OFDMA方式的改进
1）前导码（Preamble）的加入
下行链路第一帧的帧头前加入了一个Preamble，如图1所示。此preamble主要用于多小区实施方案中的各种估计，基站间相对位置的计算，及获得邻近基站接收信号的功率和质量等信息。
2) 小型子信道的划分
为了提高功率的集中度，OFDMA的子信道被进一步划分为小型的子信道。在下行链路中，每个子信道被进一步划分为6个小型子信道。802.16a中每个子信道中包含48个数据子载波，一个突发在时间上包含3个码元。为了保持与802.16a的兼容，802.16e中每个小型子信道中包含了8个载波，一个小型突发在时间上含3个码元，这样每个突发包含24个数据载波。在上行链路中，每个子信道被进一步划分为5个小型子信道。原来的53个子载波被划分为3个含11个载波，2个含10个载波的小型子信道，起到了最大频率分集的效果。
3.1.2 对OFDM方式的改进
1) 上行链路
上行链路被划分为24个子信道，每个子信道8个载波，每个分组包含8个OFDM码元，其中有7个数据码元，1个训练码元。同时这24个子信道每6个被划分为一组，每组对应802.16a中OFDM的一个子信道，这样就可以同时交叉使用802.16a和802.16e中的OFDM子信道划分机制。
子载波通常有两种分配方式，一种是集中方式，即子载波被安排在连续的频段上称为“一簇”，另一种是分散方式，即子载波在频段上不连续。由于分散方式不需要额外的缓存就能起到频率分集的效果，因而成为首选。图2就是一个采用分散式子载波分配方式的例子。56个子载波中包含48个数据子载波和8个导频子载波。每个子信道由8个子载波组成，它们被分成4组，起到了频率分集的效果，并且可以利用每一对子载波上信道系数的相关性来节省训练序列的开销。
2）下行链路
为了满足移动性需求，使得接收机在时变信道中仍能正常工作，802.16e中提出了两种信道估计方法：跳频导频插入机制和中间导码（midamble）插入机制。
为了与802.16a兼容，802.16e中保持了每个OFDM码元8个导频的结构。在跳频导频插入机制中，导频的位置是逐码元变化的，以8个码元为一个变化周期。在从固定业务到移动业务的转换过程中，移动台的信道估计会遭受严重的干扰。为了恢复信道估计，在转换过程中可以传输一个OFDM码元长的中间导码，此导码应不同于一般的导码以避免在帧搜索时的错误检测。
中间导码插入机制通过在下行链路帧中定期的插入中间导码进行信道估计。这种机制适合于某些低速的应用，对于车载速度的应用，由于信道变化较快，不能达到满意的效果。
3.1.3 帧结构的改进
为了使移动用户与固定用户共同工作和共享媒质，802.16e中采用了“固定”帧与“移动”帧交织的方式。TDD模式下的帧结构如图3所示。
时间轴被分为许多固定长度的超帧，每个超帧包括固定子帧和移动子帧。每个超帧以固定子帧的前导码起始，紧跟着下行链路（DL）前缀及携带着DL-MAP和UL-MAP消息的突发。固定子帧之间插入了移动子帧。每个移动子帧包含其自己的DL-MAP和UL-MAP，以便上下行链路的带宽划分。超帧中固定子帧和移动子帧的划分十分灵活，在不同的超帧中会有所不同，因而移动子帧的长度是可变的。为了进行初同步，固定下行帧前缀或固定的DL-MAP都将包含最近的移动帧的起始位置信息。
3.2 MAC层
802.16e对MAC层也进行了改进，主要是对于物理层和其它功能的修改增加了相应的消息和消息传输机制，并实现了快速自动请求重传（ARQ）和预留，以实现低时延。这里暂不详述。
3.3 切换方式
802．16e中采用了终端辅助的切换方式，移动用户站（MS）收集相应的切换信息并将其传输给网络，网络收集相应的信息，进行判决并执行切换。有三种类型的切换：
1）信道间切换：同一基站（BS）的不同信道之间的切换，在这种情况下，BS做出切换的判决并执行切换；
2）小区间的软切换：发生在两个同频的BS间，这时原BS进行切换判决并执行切换；
3）小区间的硬切换：在与原BS的链路完全断开的情况下，MS与新BS建立连接。在切换过程中新BS会通知原来的BS。
简单的切换过程如下：
1）每个MS都维护着一张邻近BS的列表，并通过以下过程与其中的一些BS建立相关：
* 扫描下行链路信道，建立与BS间的同步；
* 获得传输参数，初始测距；
* 协商基本性能；
* 对MS进行鉴权，进行密钥交换；
* 执行预登记并传输工作参数。
2）BS收集相应的测量信息和MS报告的相关信息，对切换进行判决；
3）MS执行如下的网络登记过程：
* 通知原BS，并离开；
* 调整到新BS的频率和定时，建立下行链路的同步； * 在到达后通知新BS；
* 新BS通知原BS，并建立与MS间的连接，切换完成。
这之后，BS和MS间将进行正常的通信。
为了支持移动性，802.16e BS的协议堆栈进行了相应的修改，在原协议栈的基础上增加了移动代理（MA）层，如图4所示。
移动代理的功能类似于移动IP网络中外部代理转发地址模式中的外部代理，主要功能如下：
1） 终止通过隧道由MS归属网络传递过来的数据，包括对接收的数据单元的解封；
2） 与汇聚子层间的通信：
* 在新的MS到达后，创建新的连接，这包括为转发数据到新的连接而建立新的分类器（classifier）和为连接指定适当的QoS；
* 在MS离开后，删除连接和分类器。
3.4 休眠模式
为了减少MS的功率消耗，802.16e中采用了休眠模式。支持休眠模式的MS具有两种状态：清醒状态和休眠状态。
在清醒状态下，MS能够正常的接收和发送数据分组，而在休眠状态，它不能发送和接收分组，甚至可以关机。从MS进入睡眠状态到其转到清醒状态的持续时间被称为休眠间隔，此间隔在规定的最小和最大值之间根据指数时间算法进行实时更新。从MS进入清醒状态，到与下行链路建立同步，解调下行链路数据，并做出继续保持清醒状态或进入睡眠状态的判断所持续的时间称为监听间隔，此间隔由BS和MS协商决定。
在进入休眠状态前，MS将通知BS并获得它的支持。在MS处于休眠状态期间，BS将存储或丢弃所有发给此MS的数据分组，并在其处于清醒状态时以广播消息通知它。
MS在一定的休眠间隔后醒来，并检查其间是否有数据分组到达，如果有，它将继续保持清醒状态。MS可以随时终止休眠状态返回到清醒状态，而不必等到休眠间隔结束。若BS接收到被认为是处于休眠状态下的MS所发送来的数据，则认为此MS不再处于休眠状态。
4 与其它移动通信系统的比较
802.16e，802.20及3G系统均提供了对移动性业务的支持。表1对这三者进行了比较。
由以上比较可见，从目前已经广泛使用且技术上已比较成熟的GSM和IS-95进化而来的3G系统，在移动性支持方面具有优势，然而在提供高速和实时性数据业务方面仍有不足。IEEE 802.20在主要致力于在典型的无线蜂窝网络配置的基础上提供高速的移动IP分组数据业务传输。而802.16e的主要目的则是为802.16a提供一定的移动性支持，更好的挖掘其市场潜力，而无意与3G或802.20间的竞争。尽管三者在应用领域有一定的重叠，但都将在其所致力的领域发挥最大作用。
5 结束语
随着各种便携式消费电子产品如手机、个人数字助理（PDA）、笔记本电脑的普及，用户越发迫切地要求通过无线接入提供高速的多媒体业务。这一要求推动了高带宽接入技术的发展，也使得在固定宽带接入的基础上提供移动性支持成为必然。IEEE 802.16e通过对802.16a的物理层、MAC层等方面的修改，加入切换和休眠等机制，使得无线宽带接入系统在保证了固定用户的服务质量的同时，提供了对终端低速移动性的支持，从而扩大了宽带无线接入的市场。
参考文献
[1] Marianna Goldhammer，"System & proposal evaluation requirements"，IEEE C802.16e-03/10
[2] John Liebetreu, "Modifications to OFDM FFT-256 mode for supporting mobile operation", C802.16e-03/12
[3 Yossi Segal, " Mobility Enhancements for the OFDMA mode", C802.16e-03/16r4;
[4] Itzik Kitroser,"IEEE 802.16e Handoff Draft', IEEE C802.16e-03/20r1;
[5] Itzik Kitroser, "IEEE802.16e Sleep Mode", IEEE C802.16e-03/15
[6] " Two Markets-Two Projects", IEEE C802.16sgm-02/16;