基于IEEE802[1].16的宽带无线接入技术（研.doc

基于IEEE 802.16的宽带无线接入技术（研究报告）目 次一、IEEE 802.16的标准化现状11.IEEE 802.16标准组织的情况12.IEEE 802.16系列标准介绍13.与Wi-MAX组织的关系4二、802.16的技术特点51.802.16技术的主要特点52.802.16技术的主要应用73.802.16的网络发展特征94.802.16技术与现有固定无线接入技术和蜂窝移动通信的关系10三、固定无线接入技术的空中接口规范121.协议模型122.物理层123.MAC层15四、802.16支持移动特性的空中接口规范171.协议模型172.物理层192.1概述192.2OFDMA物理层系统参数202.3OFDMA物理层的特性203.MAC层213.2MAC公共部分子层223.3安全子层24五、对我国标准化工作的考虑24前 言本研究报告对IEEE 802.16的标准化现状和技术特征进行了研究，主要包括：标准化现状、技术特点、应用、802.16d技术特征、802.16e技术特征。本研究报告在以上分析的基础上，提出了对我国标准化工作的考虑。本研究报告由中国通讯标准化协会提出并归口。本研究报告编写单位：信息产业部电信研究院中兴通讯股份有限公司英特尔（中国）有限公司上海贝尔阿尔卡特股份有限公司华为技术有限公司2CCSA无线通信技术委员会TC5/WG3研究报告基于IEEE 802.16的宽带无线接入技术一、 IEEE 802.16的标准化现状1. IEEE 802.16标准组织的情况IEEE针对特定市场需求和应用模式提出了一系列不同层次的互补性无线标准，其中已经得到广泛应用的标准系列包括应用于无线个域网的IEEE 802.15标准和应用于无线局域网的IEEE 802.11标准。而IEEE 802.16标准的提出，弥补了IEEE在无线城域网标准上的空白。IEEE 802.16标准又称为IEEE Wireless MAN空中接口标准，对工作于不同频带的无线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围在公里（km）量级，因此802.16系统主要应用于城域网。根据使用频带高低的不同，802.16系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使用211GHz频带的系统可以应用于非视距（NLOS）范围，而使用1066GHz频带的系统应用于视距（LOS）范围。根据是否支持移动特性，802.16标准又可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。2. IEEE 802.16系列标准介绍IEEE 802.16标准系列到目前为止包括802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e、802.16f和802.16g 共七个标准， 如表 1所示。其中：802.16、16a、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。表 1 802.16系列标准标准号负责的技术领域802.161066GHz固定宽带无线接入系统空中接口标准802.16a211GHz固定宽带无线接入系统空中接口标准802.16c1066GHz固定宽带无线接入系统关于兼容性的增补文件802.16d固定宽带无线接入系统空中接口标准（1066GHz、11GHz）802.16e固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准（6GHz）802.16f固定宽带无线接入系统空中接口MIB要求802.16g固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求2001年12月颁布的802.16标准，对工作在1066GHz频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和MAC层进行了规范，由于其使用的频段较高，因此仅能应用于视距（LOS）传输。2003年1月颁布的802.16a标准对之前颁布的802.16标准进行了扩展，对使用211GHz许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和MAC层进行了规范，该频段具有非视距（NLOS）传输的特点，覆盖范围最远可达50公里，通常小区半径为10公里以内。另外，802.16a的MAC层提供了QoS保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。2002年正式发布的802.16c标准是对802.16标准的增补文件，是对工作在1066GHz频段802.16系统的兼容性规范，它详细规定了1066GHz频段802.16系统在实现上的一系列特性和功能。802.16d标准是802.16标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟并且最具有实用性的一个标准版本。802.16d对1066GHz频段和11GHz频段的固定宽带无线接入空中接口物理层和MAC层进行了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。该标准对前几个802.16标准进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了802.16、16a等标准中的所有模式和主要特性同时未增加新的模式，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、不明确或不完整的描述，其中包括对部分系统信息的增补和修订。2004年6月23日，IEEE正式批准了802.16d标准。802.16e标准区别于前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工作在6GHz适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动，同时802.16d规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。802.16e标准规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。制定802.16e标准的目的，是希望能够提出一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。802.16e标准目前正在研究过程中，最新发布的草案为Draft4.0。从目前的工作进展来看，802.16e空中接口标准化工作主要集中在切换，安全等方面，整个标准预计于2005年3月批准。802.16f是2004年7月份正式成立的任务组，该任务组将负责制定802.16f标准，定义802.16固定无线接入系统MAC层和物理层的管理信息库（MIB）以及相关的管理流程。标准的制定工作目前正处于征求文稿阶段，计划将在2006年发布。802.16g也是2004年7月份正式成立的任务组，标准制定的目的是为了规定802.16管理流程和接口，从而能够实现802.16设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。802.16g标准的主要工作是围绕管理平面进行的。该标准的制定工作目前正处于征求文稿阶段，计划将在2007年发布。表 2对802.16系列标准中的各标准特征进行了比较。表 2 802.16系列各空中接口标准特征的比较802.16802.16a802.16d802.16e标准情况2001年12月正式发布2003年1月正式发布2004年6月23日获批预计于2005年中发布使用频段1066GHz11GHz1066GHz11GHz6GHz信道条件视距非视距视距非视距非视距固定/移动性固定固定固定移动漫游调制方式QPSK 、16QAM 和64QAM256OFDM（BPSK/QPSK /16QAM/64QAM）256 OFDM（BPSK/QPSK/ 16QAM/64QAM）2048 OFDMA256 OFDM（BPSK/QPSK/ 16QAM/64QAM）128/512/1024/2048 OFDMA信道带宽25/28MHz1.2520MHz1.2520MHz1.2520MHz传输速率32134 Mbps （以28MHz 为载波带宽）在20 MHz信道上提供约75 Mbps的速率在20 MHz信道上提供约75 Mbps的速率在5 MHz 的信道上提供约15 Mbps 的速率额定小区半径5km510km515km几km3. 与Wi-MAX组织的关系WiMAX成立于 2001年4月9日，是一个由业界领先的通信产品及设备公司共同建立的非盈利组织。该组织旨在对基于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。 IEEE提出了802.16的宽带无线接入的标准，而WIMAX的目的就是致力于制定一套基于802.16的测试规范和认证体系，使不同厂商之间的产品在经过认证以后可以具有良好的互操作性，以积极推广和验证宽带无线接入设备的兼容性与互操作性。从而可以在很大程度上推进基于802.16的产品的广泛应用，并且为制造相应的芯片提供有利环境，大大降低产品的研发和生产成本。WiMAX 的认证基于 IEEE 802.16 和 ETSI HiperMAN 标准，ETSI 和IEEE是WiMAX的加盟标准化组织。WiMAX论坛的目的之一就是为IEEE 802.16a和ETSI HiperMAN标准建立一个简单的互操作性规范。WiMAX 与IEEE的合作开始于同IEEE 802.16工作组的合作，并且WiMAX为IEEE一致性标准做出了重要的贡献。WiMAX的与IEEE和ETSI的关系可以用下图表示。图 1WIMAX与IEEE 802.16之间有着非常紧密的联系与合作，同时又有着分工的不同，后者是标准的制定者，而前者是标准的推动者。WiMAX首先着眼于采用802.16标准中的256 OFDM PHY模式的系统规范定义。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。随着技术、标准、市场的发展，WiMAX将选择更多的特性进行互操作性测试，例如随着802.16e的标准化工作逐步推进，WiMAX将按照802.16e定制Profile，对802.16e产品进行一致性测试。二、 802.16的技术特点1. 802.16技术的主要特点与IEEE组织发布的其它802协议类似，IEEE 802.16标准所关心的是用户终端同基站系统之间的空中接口，并且主要定义空中接口的物理层和MAC层。虽然IEEE 802.16标准系列包含多个标准，但是由于802.16d是对802.16、802.16a、802.16c的修订，目前主要提及两个标准：802.16d固定宽带无线接入标准、802.16e支持移动特性的宽带无线接入标准。802.16技术是无线接入技术，通过接入核心网向用户提供业务，核心网通常采用为基于IP协议的网络。802.16技术可以应用的频段非常宽，包括1066GHz频段、11GHz许可频段和11GHz免许可频段。不同频段下的物理特性各不相同，如下所示： 10-66GHz许可频段：在该频段，由于波长较短，只能实现视距传播。典型的信道带宽为25或者28MHz，当采用高阶调制方式时，数据速率能够超过120Mb/s。 11GHz以下许可频段：在该频段，由于波长较长，因此能够支持非视距传播。此时系统会存在较强的多径效应，需要采用一些增强的物理层技术，如功率控制、智能天线、ARQ、空时编码技术等。 11GHz以下免许可频段：该频段的传播特性与11G以下的许可频段一样，不同点在于非许可频段可能存在较大的干扰，需要采用动态频率选择DFS等技术来解决干扰问题。在802.16标准中，定义了三种物理层实现方式：单载波、OFDM、OFDMA。其中，单载波（SC）调制主要应用在10-66GHz频段，OFDM和OFDMA是802.16中最典型的物理层方式。OFDM、OFDMA方式具有较高的频谱利用率，它可以使得802.16系统在同样的载波带宽下可以提供更高的传输速率。同时，OFDM/OFDMA方式在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上也具有明显的优势，已经成为Beyond 3G的主要研究技术之一。802.16标准未规定载波带宽和调制方式，在不同的参数组合下可以获得不同的接入速率。以10MHz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30Mbit/s的有效接入速率，由蜂窝或扇区内的所有用户共享。IEEE 802.16标准适用的载波带宽范围从1.75MHz到20MHz不等，在20MHz信道带宽，64QAM调制的情况下传输速率可达74.81Mbit/s。在802.16标准中，在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： UGS（unsolicited grant service）：在此模式下，基站为终端周期性地分配固定长度的上行带宽。 rtPS（real-time polling service）：周期性地为终端分配可变长度的上行带宽。 nrtPS（non-real-time polling service）：不定期地为终端分配可变长度的上行带宽。 BE（best effort）：为终端提供尽力而为的上行带宽分配。从上述特点可以看出，802.16具有较为完备的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。同时，802.16系统采用的是根据通信连接的QoS特性和业务的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升资源的利用率，能够更好地适应TCP/IP协议族所采用的包交换的方式。采用802.16技术，在提供数据业务方面具有明显的优势，主要表现在： 802.16支持FDD和TDD方式。当工作在TDD方式时，能够根据上下行数据量灵活分配带宽，对于上下行不对称业务具有较高的资源利用率。 802.16采用的OFDM/OFDMA方式，具有较高的频谱利用率，可以提供更高的数据带宽。 802.16采用的按需分配带宽等资源的方式，更加适合于数据业务所采用的包交换方式。802.16系统能够支持不同QoS等级的业务，如： 实时固定速率业务，如T1/E1、VoIP等，可采用UGS的带宽调度方式。 实时可变速率业务，如MPEG视频业务等，可采用rtPS的带宽调度方式。 非实时可变速率业务，如数据下载等，可采用nrtPS的带宽调度方式。 尽力而为的业务，如网页浏览等，可采用BE的带宽调度方式。2. 802.16技术的主要应用802.16支持的主要频段，包括1066GHz的视距传播频段，以及11GHz以下的非视距传播频段。对于1066GHz的频段，由于视距传播的约束，终端需要有室外天线，其应用范围有限。基本上主要面向Backhaul应用，提供无线传输的手段。面向的用户主要是中小企业用户，而不是个人终端用户。对于11GHz以下的非视距传播频段，由于能够实现非视距传播和室内覆盖，因而无需在终端侧安装有室外天线，降低了终端的复杂度，从而增强了终端的可携带性，可以实现移动数据业务。对于11GHz的802.16d系统，主要应用将集中在面向个人用户提供宽带数据业务。与其它有线接入手段（如xDSL、Cable、光纤接入等）相比，802.16宽带无线接入具有部署速度更快，扩展能力更强，灵活性更高的优点。对于尚未铺设xDSL的地区，可以用802.16提供“无线DSL”服务，面向家庭和小企业范围应用。在中等规模企业楼宇内，802.16可以支持高速率连接，代替光纤接入。基于IEEE 802.16宽带无线接入网络的典型应用场景如图 2所示。图 2IEEE 802.16应用场景通过802.16宽带无线接入终端和基站，室内、室外的固定Wi-Fi用户可以接入到Internet/Intranet。同时，802.16宽带无线基站可以提供移动终端、移动Laptop的无线接入，802.16宽带无线基站还可以实现企业Wi-Fi热点区域的后端传输功能。基于IEEE802.16宽带无线网络的良好覆盖特性，可以通过IEEE802.16宽带无线网络的宽带接入能力和后端传输能力，快速构建城市通讯网络，满足宽带接入、紧急通讯、偏远地区覆盖等应用的需要。802.16宽带无线网络应用的一些典型应用包括：Internet接入、LAN局域网互连、数据专线、窄带业务或基站互连等。n Internet接入针对有综合布线的小区和大楼，在楼顶安装802.16宽带固定无线接入系统的远端用户侧室外无线单元，并在建筑物内或小区内安装用户侧室内单元和以太网交换机，利用现有综合布线接入用户，通过无线空中接口提供宽带上网业务。n LAN局域网互连对于大型企业，如果在地域内有多个企业分部，利用802.16宽带固定无线接入系统，可以方便实现总部和各个分部之间的局域网连接。n 数据专线以802.16宽带综合无线接入系统提供TDM传输（E1 or fractional E1），在终端站上提供E1接口或X.21接口。为进一步提供64k和Nx64kbps的业务，可在用户端安装小型复用器，提供传统的数据传送业务。n 窄带业务和基站互连802.16提供E1接口，可以满足GSM移动基站的接入，并在将来支持3G网络基站互连。通过802.16远端设备+窄带ONU，可以提供话音业务。相比其它移动通信系统，802.16系统的主要优势体现在具有较高的频谱利用率和传输速率上，因而它的主要应用应当是宽带上网和移动视频业务。为了支持移动性以及视频等实时业务的需要，802.16系统需要实现切换，并支持终端的统一鉴权和计费。从这方面看，802.16应当是一个较大范围覆盖的网络，需要实现统一网管，同时要保证切换和蜂窝组网的性能。对于这样的802.16网络系统，由于其投入较大，需要一支相当规模的网络维护队伍，比较适合于大的运营商使用。从802.16业务的特点来看，802.16系统建网最好能够与3G网络协同进行。在人口密集度较高的热点区域，用802.16系统提供高速上网业务，用3G系统提供语音和低速上网的业务；在人口密集度较低的区域，用3G系统提供基本话音业务，保证用户能够随时随地通信的要求。当然，802.16系统本身也能够提供语音等3G系统的主要业务，在不存在3G网络的区域，运营商可以直接构建802.16系统网络，而不必依赖于3G系统。运营商利用802.16系统开展业务，其目标用户可以是： 普通终端用户，为他们提供网页浏览、视频电话等业务。 商务人士等高端用户，为他们提供具有较高Qos保障的个性化业务。 大型企业用户，为他们提供会议电视等业务。 集团用户，为他们提供类似专线的业务。3. 802.16的网络发展特征早期的802.16协议，如802.16a等，主要考虑支持的是固定业务，在移动性方面考虑较少。后期的802.16系列协议，如802.16d，已经开始考虑实现蜂窝组网的可能。在802.16e协议中，为了支持移动性，增加了切换、终端休眠、寻呼区划分等内容，已经基本能够支持移动业务。从技术发展和标准化角度看，随着技术的逐步成熟，802.16的网络发展可能会经历不同的发展阶段：1） 802.16d网络部署，802.16d终端从室外逐步发展到室内。 随着802.16d标准的正式批准，预计今年年底会出现802.16d的产品。很多公司已经推出了符合802.16a标准的固定无线接入产品， 因此有可能从16a过渡到16d，或者直接部署16d的网络。802.16d终端初期主要为室外型，随着技术的发展，802.16d终端会逐步解决供电问题和体积问题，出现802.16d便携终端，802.16d从室外发展到室内。2） 802.16e便携终端出现，802.16e网络步署，网络规模逐步扩大。随着802.16e标准的完善和成熟，出现802.16e便携终端。运营商会首先将网络中的基站升级到802.16e，802.16e的基站可以通过空中接口与802.16e的终端进行通信，也可以通过空中接口与802.16d的终端进行通信。网络同时支持固定无线接入用户和802.16e移动无线接入用户。802.16e网络逐步实现规模覆盖。用户无论在室内还是在室外都可以利用802.16e上网，并且可以切换和漫游。运营商可以根据自身的需求进行802.16的部署。一种是采用802.16d与802.16e共存的方式，先部署802.16d提供固定无线接入，然后再逐步部署或升级至802.16e网络提供用户的移动接入；另一种方法是，随着802.16e的技术和终端成熟，运营商可能直接跨过802.16d固定无线接入网（步骤一），直接部署802.16e网络，不需要依赖固定无线接入网。802.16可以有效地减少服务供应商提供宽带接入服务的部署与维护成本。对于部分服务提供商而言，可以通过使用WiMAX技术，在一个崭新的市场，迅速部署宽带接入网络，争取宽带接入用户。4. 802.16技术与现有固定无线接入技术和蜂窝移动通信的关系目前固定无线接入技术已在很多国家获得了商用，但由于各种原因，其应用仍受到一些限制。802.16d系统与现有的固定无线接入技术相比，主要具有如下优势： 现有主要的固定无线接入技术要么覆盖半径太小，要么只能支持视距传播。而802.16系统基站的覆盖半径较大，并且支持非视距传播和室内覆盖，这方面的特点大大降低了终端的复杂性，把终端从室外天线的束缚中解放出来，从而使得802.16系统具备了提供移动无线接入功能的基础。 802.16技术频谱利用率和容量较高，可以满足终端用户各种不同的无线通信要求，从而使得802.16系统能够成为多样化的用户服务的承载平台。 802.16系统在大规模组网方面的技术特点，决定了它比较容易实现统一鉴权和计费，可以方便用户的使用。 802.16是标准化的技术，适合于规模经济下的设备成本的降低，同时可以为运营商，设备商，用户提供灵活多样的选择，减少了投资风险。802.16e系统与现有固定无线接入相比，主要优势在于用户在移动过程中可以得到不间断的服务，这方面的优势是现有固定无线接入技术不可比拟的。为什么能支持同频组网？因此从上述特点看，802.16系统相比现有固定无线接入技术存在显著的优点，基本上可以完全替代现有固定无线接入技术。802.16系统与蜂窝移动通信网络特别是3G相比，在带宽、移动性、覆盖、成熟度等方面有所不同。在带宽能力上，802.16系统比3G具有优势，可以提供高速数据接入。但是从移动性和覆盖上而言，3G提供的是无所不在的连续覆盖的网络，支持用户高速移动；而802.16具有全覆盖的能力，但主要在有带宽需求的区域实现覆盖，同时支持用户车速移动的能力。从成熟度上看，3G的标准已经正式发布了多个版本。以WCDMA为例，R99版本标准已经基本稳定；遵循R99版本标准的核心芯片、产品、系统级设备等方面已经基本成熟，在全球部分地区已有商用网络运行；对802.16而言，802.16d标准已经完成，目前市场上大多是802.16a系统，大规模802.16d商用系统会在今年底或明年初出现在市场，802.16e的标准目前还在制定当中，预计将在2005年年初完成，802.16e除空中接口标准之外，与组网有关的内容也在进行当中。从以上的分析可以看出，802.16系统提供的主要是中低移动性下高速率传输数据业务，而3G系统将主要提供大范围连续覆盖下的话音业务和数据业务，这两种不同的技术各有侧重，在业务上存在一定的互补性。三、 固定无线接入技术的空中接口规范1. 协议模型802.16d规范的协议栈模型如图 3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)。图 3802.16d协议栈模型2. 物理层802.16系统可支持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，802.16d分别规范了多种物理层与之相对应，如表 3所示。表 3 802.16d空中接口物理层分类物理层类型使用频段基本特点WirelessMAN-SC1066GHz许可频段采用单载波调制方式，视距传输，可选信道带宽20MHz、25MHz或28MHz，上行采用TDMA方式，双工方式可采用FDD和TDD。WirelessMAN-SCa11GHz许可频段采用单载波调制方式，非视距传输，允许信道带宽不小于1.25MHz，上行采用TDMA方式，可选支持自适应天线系统（AAS）、ARQ和空时编码（STC）等，双工方式可采用FDD和TDD。WirelessMAN-OFDM11GHz许可频段采用256个子载波的OFDM（正交频分复用）调制方式，非视距传输，可选支持AAS、ARQ、网格模式（Mesh）和STC等，双工方式可采用FDD和TDD。WirelessMAN-OFDMA11GHz许可频段采用2048个子载波的OFDM调制方式，非视距传输，允许信道带宽不小于1.0MHz，可选支持AAS、ARQ和STC等，双工方式可采用FDD和TDDWirelessHUMAN11GHz免许可频段可采用SCa或OFDM或OFDMA调制方式，双工方式为TDD，必须支持动态频率选择（DFS），可选支持AAS、ARQ、Mesh和STC等。n WirelessMAN-SC物理层WirelessMAN-SC主要应用于1066GHz频段的PtMP（点到多点）结构系统，具有LOS（视距）传输的特点，可采用FDD或TDD双工方式。下行方向采用TDM方式，且调制方式必须支持QPSK和16-QAM，可选支持64-QAM。上行方向采用TDMA和DAMA方式，且调制方式采用QPSK。BS的EIRP谱密度不应超过+28.5 dBmi/MHz或地方规定，SS的EIRP谱密度不应超过+39.5 dBmi/MHz或地方规定。可能的信道带宽和不同调制方式下的传输速率如表 4所示。表 4 滚降因子为0.25时的传输速率和信道带宽（上行）n WirelessMAN-Sca物理层WirelessMAN-Sca采用单载波调制技术，主要应用于211GHz频段，具有NLOS（非视距）传输的特点，可采用FDD或TDD双工方式。下行方向采用TDM或TDMA方式，上行方向采用TDMA方式。此外，上下行均可采用FEC编码技术，当选择不支持FEC编码时，差错控制采用ARQ技术。可选支持AAS和STC。调制方式必须支持Spread BPSK、BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM，可选支持256-QAM。当滚降因子为0.25、调制方式为256-QAM时，20MHz信道带宽可提供高达100Mbps的传输速率。n WirelessMAN-OFDM物理层WirelessMAN-OFDM采用256个子载波的OFDM调制技术，主要应用于211GHz频段的PMP结构系统，具有NLOS（非视距）传输的特点。在许可频段，双工方式可采用FDD或TDD，且BPSK、QPSK、16-QAM和64-QAM是必须支持的调制方式；在免许可频段，只能采用TDD双工方式，且除了BPSK、QPSK和16-QAM外，可选支持64-QAM调制方式。在许可频段，信道带宽应是规划频带宽度除以2的幂后四舍五入到250KHz的倍数，但不小于1.25MHz，表 5给出了当规划频带宽度为14MHz时34003414MHz频带的允许信道带宽。在64-QAM调制方式下，20MHz信道可提供高达73Mbps的传输速率。可选支持Mesh网络结构、AAS和ARQ。表 5 规划频带宽度为14MHz时34003414MHz频带的允许信道带宽n WirelessMAN-OFDMA物理层WirelessMAN-OFDMA采用2048个子载波的OFDMA技术，主要应用于211GHz频段的PtMP结构，具有NLOS（非视距）传输的特点。在许可频段，双工方式可采用FDD或TDD，在免许可频段，只能采用TDD双工方式。可选支持AAS、ARQ和STC。调制方式采用QPSK和16-QAM，可选支持64-QAM。信道带宽应是规划频带宽度除以2的幂，但不小于1.0MHz。在64-QAM调制方式下，20MHz信道可提供高达75Mbps的传输速率。n WirelessHUMAN物理层WirelessHUMAN主要应用于56GHz免许可频段，典型信道宽带为10MHz和20MHz。可采用SCa或OFDM或OFDMA调制方式，双工方式为TDD，必须支持动态频率选择（DFS），可选支持AAS、ARQ、Mesh和STC等。3. MAC层MAC层最显著的特征是：它是基于“连接”的，即所有SS的数据业务以及与此相联系的QoS要求，都是在“连接”的范畴中来实现的。每一个“连接”均由一个连接标识符(16 bit)来唯一地标识(CID)。一个SS注册后，“连接”以及伴随着的服务流就被提供给这个SS，而且，当用户的业务需要改变时，也可以新建一个“连接”。“连接”一旦建立起来之后，需要维护时，维护要求则随着连接的业务类型不同而改变。当然，当用户的业务合约改变时，“连接”也可以被终止。与“连接”紧密相连的服务流概念则定义了在“连接”上传输的PDU(协议数据单元)的QoS参数，一个“连接” 分配一个服务流，服务流也可以与带宽分配过程联系在一起。MAC层包括三个子层：从上至下分别为：（1）特定服务汇聚子层（Service-Specific Convergence Sublayer)，简称CS子层。CS子层主要负责完成外部网络数据与CPS子层数据之间的映射。它将所有从汇聚层服务接入点(CS SAP)接收到的外部网络数据转化并且映射成MAC SDU，并通过MAC服务接入点（MAC SAP）发送给CPS子层。在这个过程中，CS子层对外部网络数据进行分类，并将其与合适的MAC 业务流标识SFID以及连接标识CID进行关联，同时还执行负荷头压缩功能PHS。标准中定义了两种CS子层规范，以便与不同的上层协议进行接口，包括ATM CS子层及Packet CS子层。（2）MAC公共子层（MAC Common Part Sublayer），简称CPS子层。CPS子层提供了MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和维护等。CPS子层通过MAC SAP从不同的CS子层接收数据，形成MAC SDU。MAC SDU可以被拆分，也可以与其他一个或数个MAC SDU合并为一个新的MAC PDU，并按MAC连接分类，以保证QoS。下图表示了MAC PDU 的数据格式，分为MAC header、payload和CRC三部分。图 4MAC PDU的数据格式 MAC header：每个PDU以一个固定长度的MAC header开始。802.16d标准中定义了两种类型的MAC header：一种是普通MAC header，另一种则是带宽请求MAC header。带宽请求MAC header单独发送，后面不携带payload。 Payload：负责传输CS数据和MAC管理消息。传输CS数据时，payload包括零个或多个subheader以及零个或多个MAC SDU，payload可以是变长度的，取决于高层数据类型。Payload中的MAC subheader可分为下面5种类型：Fragmentation subheader、Grant Managementsubheader、Mesh subheader、FAST FEEDBACK_Allocation subheader、Packing subheader，以区别负荷数据的格式。传输MAC管理消息时，payload包括Management Message Type以及Management Message Payload。802.16d标准中共定义了49种管理消息，用于上下行信道描述、系统接入、注册、连接建立、资源申请、动态服务管理、接入认证等功能。MAC层的管理信息种类决定了其性能，在标准中还预留了部分管理信息域空间，可增补新的管理信息，以增强未来MAC层的功能。 CRC：对于SCa、OFDM、OFDMA是必须的。802.16技术具有完善的QOS机制，可根据4种不同的业务类型进行调度和带宽分配，具体方式前面已经阐述。另外，标准中还定义了按需分配多址接入(DAMA)，可以在数据传输过程中根据需要动态地调整带宽分配。通过CPS子层中定义的这些机制，使得整个系统的资源分配非常的灵活，在保证QOS的同时大大提高了资源利用率。（3） 安全子层（Security Sublayer）。MAC层包含一个单独可选的安全子层来提供认证，密钥交换及加密。802.16通过加密SS和BS之间的连接给用户提供秘密接入固定宽带无线网络的能力，此外BS通过加密相关的业务流禁止未经授权的访问，还给运营商提供强大的防盗用功能。 802.16标准的安全子层定义了两部分内容：a) 加密封装协议：该协议负责加密接入固定BWA网络的分组数据，定义了加密和鉴权算法，以及这些算法在MAC PDU payload中的应用规则（加密只针对MAC PDU中的payload部分，MAC header不被加密）。b) 密钥管理协议（PKM）PKM负责从BS到SS之间密钥的安全分发，SS和BS之间密钥数据的同步，以及BS强迫接入网络业务。PKM采用服务器/客户机模型，SS作为客户端来请求密钥，BS作为服务器端响应SS的请求并授权给SS唯一的密钥。PKM使用CPS子层中定义的MAC管理消息来完成上述功能。PKM支持周期性地重新授权及密钥更新机制。PKM使用X.509数字证书（IETF RFC 3280）、RSA（Rivest-Shamir-Adleman public-key system）公钥加密算法和强对称算法进行BS与SS之间的密钥交换。通过使用基于数字证书的认证方式，进一步加强了PKM的安全性能。四、 802.16支持移动特性的空中接口规范802.16e是对IEEE802.16d的增强，运行在10kHz双工模式支持TDD、H-FDD和FDD系统2.3 OFDMA物理层的特性a.帧结构与子信道化下图为802.16e定义的帧结构。同时还显示了不同的子信道化模式。前导信号用于DL信号获取，它们通常以低PAPR传输，可在恶劣SNR环境下实现快速的信道获取。FCH和DL及UL图描述了帧结构，使MSS能够对基站信号进行解码，并对其UL传输计时。测距过程（ranging procedure）紧跟MSS扫描过程，使其可以调整UL信号传输时间。在OFDMA中，使用CDMA方法实现测距（ranging），多个MSS共享测距子信道。下行链路子帧上行链路子帧前导信号FCH与DL和UL图PUSC区FUSC区可选FUSC区AMC区PUSC区可选FUSC/AMCb.调制与编码支持QPSK、16QAM和64 QAM调制，以及FEC，包括卷积编码（CC）、卷积Turbo码（CTC）和分组Turbo码（BTC）。LDPC编码方式也被提交用于OFDMA物理层。c.自适应天线系统支持支持以下类型的自适应天线系统，为实现灵活部署提供大容量和更好的链路预算。a) 分集信令方法（Diversity Signaling method ）b) 直接信令方法 (Direct Signaling method)此外，规范还支持MIMO和空时编码。3. MAC层MAC层同样包含三个子层：CS(汇聚子层)，CPS(公共部分子层)和安全子层。3.1 汇聚子层汇聚子层主要功能是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。这里有两种主要的CS类型：ATM CS和分组（Packet）CS。ATM CS 把上层的ATM信元映射成为固定大小数据包的802.16连接。数据包的大小是预先知道的，这使得MAC可以有效地把多个信元打包成一个MPDU而不需要多个数据包头的开销。分组CS有三种模式：802.1Q, 802.3以太网和IP。每种模式描述了这种类型的数据包到802.16连接的映射。IEEE Std 802.1Q-1998 VLAN specific part用于在802.16之上传输802.1Q VLAN Tagged Frame。IEEE Std 802.3/Ethernet Specific Part用于在802.16之上传输802.3以太网帧。IP CS无需PPP协议或802成帧就可以直接承载IPv4和IPv6。分组CS可选地支持负载数据包头压缩PHS（payload header suppression）。PHS通过一定规则在发送端消除包头中的重复信息，并在接收端重构这些信息。PHS使得包含多层报头的数据传输更加有效。这种特性提高了带宽的利用率，对于像VOIP这样的应用特别重要。3.2 MAC公共部分子层MAC公共部分子层在不可靠的物理层MPDU传输之上提供了可靠的、面向连接的、有服务质量保证的分组数据业务传输。MAC服务的基本原语有：CREATE_CONNECTION；CHANGE_CONNECTION；DESTROY_CONNECTION；MA_DATA。CREATE/CHANGE/DESTROY_CONNECTION 原语用来建立、取消和改变连接。每一个连接都有与之相对应的QoS特性，这些QoS特性是由基站的系统调度功能来决定的。MA_DATA 原语用于MAC MSDU的传送。3.2.1 网络接入（Network Entry）网络接入包含了一系列的过程，按照顺序依次是： 扫描( Scanning):SS侦听基站的下行传输信号来寻找需要接入的基站。 初始测距(Initial Ranging):通过这一过程SS联系一个基站，获得主管理连接，建立物理层信号的时间同步（timing）和功率调整。 能力协商(Capabilities negotiation):SS和BS协商双方可以执行的功能。 安全授权(Secure Authorization) :SS和BS交换X.509证书，该证书用来来执行双向的安全的身份验证。 RSA 密钥交换(RSA Key Exchange): BS用RSA加密主密钥