1、IEEE802.16的结构

1.1 IEEE802.16的技术特点

IEEE802.16技术是宽带无线接入技术，通过接入核心网向用户提供业务，核心网通常采用基于IP协议的网络。IEEE802.16技术可以应用的频段非常宽，包括10GHz～66 GHz频段、11 GHz以下许可频段和11 GHz以下免许可频段。

IEEE802.16d/e的物理层可选用单载波、正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA)共3种技术。单载波选项主要是为了兼容10～66GHz频段的视距传输(OFDM和OFDMA只用于大于11GHz的频段)。IEEE 802.16d OFDM物理层采用256个子载波，OFDMA物理层采用2 048个子载波，信号带宽从1.25～20 MHz可变。IEEE 802.16e对OFDMA物理层进行了修改，使其可支持128、512、1 024和2 048共4种不同的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比。这种技术称为可扩展的OFDMA(Scalable OFDMA)。采用这种技术，系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。IEEE 802.16技术在不同的无线参数组合下可以获得不同的接入速率。以10 MHz载波带宽为例，若采用OFDM-64QAM调制方式，除去开销，则单载波带宽可以提供约30 Mb/s的有效接入速率。IEEE 802.16标准适用的载波带宽范围从1.75 MHz到20 MHz不等，在20 MHz信道带宽、64QAM调制的情况下，传输速率可达74.81 Mb/s。

IEEE802.16d/e标准支持全IP网络层协议，IEEE802.16d/e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络。同时，IEEE802.16协议也可以通过一个ATM汇聚子层将ATM信元映射到MAC层，这意味着WiMAX支持与3G系统的互通和融合。IEEE 802.16标准在MAC层定义了较为完整的服务质量(QoS)机制，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。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，标准还定义了主动授权业务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrtPS)和尽力传输业务(BE)4种不同的上行带宽调度模式。同时，IEEE 802.16系统采用了根据连接的QoS特性和业务实际需要来动态分配带宽的机制，不同于传统的移动通信系统所采用的分配固定信道的方式，因而具有更大的灵活性，可以在满足QoS要求的前提下尽可能地提高资源的利用率，能够更好地适应TCP/IP协议族所采用的包交换方式。

在多址方式方面，IEEE802.16d/e在上行采用时分多址(TDMA)，下行采用时分复用(TDM)支持多用户传输;另一种多址方式是采用OFDMA，以2048个子载波的情况为例，系统将所有可用的子载波分为32个子信道，每个子信道包含若干子载波。多用户多址采用与跳频类似的方式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时域单位为2或3个符号周期。

在调制技术方面，IEEE802.16d/e支持的最高阶调制方式为64QAM，相对于蜂窝移动通信系统(3GPPHSDPA最高支持16QAM)，IEEE802.16d/e更强调在信道条件较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求，IEEE 802.16d/e选用了块Turbo码、卷积Turbo码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码，同时也考虑使用低复杂度、低延时的低密度稀疏检验矩阵码(LDPC)。

在双工方式方面，IEEE802.16d/e支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种模式，其物理层技术基本相同。相对而言，与3G技术中FDD和TDD两种模式采用的物理层有较大不同。IEEE802.16d/e在5MHz频带上可以实现约15 Mb/s的速率，频谱效率为3 b/s/Hz，与高速数据分组接入(HSDPA)相似。但IEEE 802.16d/e在固定或低速的环境下可以使用更大带宽(20 MHz)，实现高达75 Mb/s的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。

1.2 IEEE802.16物理层

物理层(PHY)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。

物理层支持和信道信息管理部分负责MAC与PHY之间的协调交互。在采用PMP方式的IEEE802.16网络中，基站(BS)生成下行链路分配映射表(DLMAP)和上行链路分配映射表(ULMAP)。DLMAP或ULMAP中的下行区间使用码(DIUC)和上行区间使用码(UIUC)字段指明每个下行或上行突发块(Burst)采用的调制编码方式。MAC层负责将协议数据单元(PDU)串联成突发，递交到物理层进行发送。用户站(SS)，可以通过BS周期性发送的下行信道描述(DCD)、上行信道描述(UCD)管理信令获得DIUC和UIUC所对应的具体调制编码方式。SS通过测距(Ranging)过程进行功率、时延和频偏的调整。

1.3 IEEE802.16MAC层

IEEE802.16MAC层规范和大多数协议一样采用分层结构，共分为3个子层，包括汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层。CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务;CPS子层实现主要MAC功能，CPS子层可分为数据平面和控制平面;安全子层负责MAC层认证和加密功能。IEEE802.16协议结构如图1所示[1]。

(1)汇聚子层

汇聚子层的任务是将上层业务映射成连接。IEEE802.16MAC是面向连接的，协议定义了两种CS子层：ATMCS和包(Packet)CS。ATM CS子层提供对ATM的业务支持，包CS提供对IEEE 802.3(Ethernet)、IEEE 802.1Q(VLAN)、IP(IPv4、IPv6)等基于包的业务的映射。由于目前通信网络中最大的数据业务是基于IP的分组业务，而且WiMAX组织仅认证与IP相关的IEEE 802.16设备[2]，因此本文将主要研究包CS的特点和应用场景。包CS子层的核心内容是业务分类，其定义了分类器(Classifier)的概念。分类器是一系列映射标准的集合，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连接。分类器可以通过配置得到或动态建立，SS进入网络时也可以通过空中接口从基站(BS)侧获得。MAC层的每个连接由长度为16比特的连接标识(CID)唯一标识，这种基于连接的机制是提供QoS保障的基础。同时CS子层对于特定业务还可以进行进一步处理，譬如对于IP语音(VoIP)业务，CS子层支持净载荷头压缩(PHS)对IP头进行压缩，提高了传输效率。

CS从某种意义上说实现的是链路层的功能。MAC层服务数据单元(MSDU)在该层中并不被加工，最多可选地进行净载荷头压缩。

(2)公共部分子层

CPS是CommonPartSublayer的缩写，是MAC层中的公共部分子层，是MAC层的主体。在CPS中实现了IEEE802.16与组网相关的绝大部分功能，包括：寻址与连接、帧格式定义、MPDU的构造与发送、自动重发请求(ARQ)机制、调度服务、带宽分配与请求机制、物理层支持、竞争解决方案、入网与初始化、校准(测距)、信道描述符的更新、多播连接的建立、QoS等。IEEE 802.16中与组网相关的核心概念和操作都在此层定义。


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