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摘要 介绍了无线城域网空中接口规范IEEE802.16标准，重点分析了媒体访问控制（MAC）层和物理层中的关键技术，以及标准中的QoS保证机制。
长期以来，解决“最后一公里”问题主要依赖于有线接入技术，如电缆、数字用户线（xDSL）、光纤等。随着无线通信产业的快速发展，宽带无线接入技术也加入到这一竞争行列来。以IEEE 802.16系列标准为基础的WiMAX技术，支持固定（802.16d）和移动（802.16e）宽带无线接入，基站覆盖范围数km量级，为宽带数据接入提供了新的解决方案。
一、IEEE 802.16标准的进展
IEEE 802.16是为制定无线城域网（Wireless MAN）标准成立的工作组，自1999年成立后，主要负责开发2-66 GHz频带的无线接入系统空中接口物理层和媒体接入控制层规范。2001年，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商成立了非盈利工业贸易联盟组织——WiMAX（Worldwide In teroperability for Microwave Access）。该联盟对基于IEEE 802.16标准和ETSI HiperMAN标准的宽带无线接入产品进行兼容性和互操作性的测试和认证，发放WiMAX认证标志，借此推动无线宽带接入技术的发展。IEEE 802.16工作组于2001年12月通过最早的IEEE 802.16标准，2003年4月，发布了修正和扩展后的IEEE 802.16a。该标准工作频段为2～11 GHz，在MAC层提供了QoS保证机制，支持语音和视频等实时性业务。2004年7月，通过了IEEE 802.16d，对2-66 GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细的规定。该协议是相对成熟的版本，业界各大厂商基于该标准开发产品。2005年10月，IEEE正式批准IEEE 802.16e标准，该标准在2～6 GHz频段上支持移动宽带接入，实现了移动中提供高速数据业务的宽带无线接入解决方案。
二、IEEE 802.16协议体系结构
IEEE 802.16协议规定了MAC层和PHY层的规范。MAC层独立于PHY层，并且支持多种不同的PHY层。IEEE 802.16协议结构如图1所示。
图1 IEEE 802.16协议结构
IEEE 802.16的MAC层采用分层结构，分为三个子层：特定业务汇聚子层（CS）负责将业务接入点（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层业务接入点；公共部分子层（CPS）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，将CS层的数据分类到特定的MAC连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施QoS控制；加密子层主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。
IEEE 802.16的MAC层支持两种网络拓扑方式，802.16主要针对点对多点（PMP）结构的宽带无线接入应用而设计。为了适应2-11 GHz频段的物理环境和不同业务需求，802.16a增强了MAC层的功能，提出了网状（Mesh）结构，用户站（SS）之间可以构成小规模多跳无线连接。IEEE 802.16 MAC层是基于连接的，用户站进入网络后会与基站（BS）建立传输连接。SS在上行信道上进行资源请求，由BS根据链路质量和服务协定进行上行链路资源分配管理。
三、物理层
IEEE 802.16支持时分双工（TDD）和频分双工（FDD）[4]。两种模式下都采用突发（Burst）格式发送。上行信道基于时分多用户接入（TDMA）和按需分配多用户接入（DMDA）相结合的方式。上行信道被划分为多个时隙，初始化、竞争、维护、业务传输等都通过占用一定数量的时隙来完成，由BS的MAC层统一控制，并根据系统情况动态改变。下行信道采用时分复用（TDM）方式，BS将资源分配信息写入上行链路映射（UL-MAP）广播给SS。
IEEE 802.16没有具体规定载波带宽，系统可采用1.25～20 MHz之间的带宽。IEEE 802.16建议了几个系列：1.25 MHz系列包括1.25，2.5，5，1O，20 MHz等，1.75系列包括1.75，3.5，7，14 MHz等。对于1O～66 GHz，还可以采用28 MHz载波带宽，提供更高接入速率。
IEEE 802.16中规定了两种调制方式：单载波和正交频分复用OFDM。10～66 GHz频段，工作波长较短，要求视距传输，多径衰落可以忽略，IEEE802.16规定该频段采用单载波调制方式。2-11 GHz频段，存在多径衰落，采用OFDM技术。OFDM的物理层采用256个子载波，每个子载波采用BPSK、QPSK、16QAM或64QAM调制。
四、MAC层的QoS机制
IEEE 802.16 MAC层实现QoS的核心原理是将MAC层传输的数据包与业务流对应起来以使该连接获得QoS支持[3]。业务流由连接标识符（CID）标识，CID中包含了业务类型和其他QoS参数。如图2所示[2]。
图2 QoS实现原理
1.业务流管理
业务流提供了上下行QoS管理的机制，系统上下行带宽在不同业务流之间分配。业务流标识（SFID）用来标识网络中每个已经创建（DSA）的务流。业务流有三个QoS参数集：指派QoS参数集（Provisioned QoS ParamSet）、已接纳QoS参数集（Admitted QoS ParamSet）和激活QoS参数集（Active QoS ParamSet）。指派QoS参数集是对业务流静态或动态配置时指派的。已接纳QoS参数集是BS认为能够满足该业务流资源要求的参数集，BS将按照已接纳QoS参数集为其预留资源。激活QoS参数集是通过注册或动态业务流管理过程被激活的参数集。BS为激活的业务流提供其实际需要同时又不大于已接纳QoS参数集的资源。同一条服务流的三个QoS参数集满足如下关系：激活QoS参数集为已接纳参数集的子集，已接纳QoS参数集为指派参数集的子集。业务流被激活或接纳时获得一个CID，可以通过MAC管理消息动态创建、改变或删除。
2.分类器
分类器是对进入系统的数据单元进行分类的匹配标准。ATM信元匹配标准为虚通路识别器（VPI）和虚通道识别器（VCI），分组匹配标准为IP地址。分类器与CID相关联。当上层数据单元通过MAC接口到来时，通过分类器映射到各个激活的业务流上。
3.调度业务类型
IEEE 802.16定义了4中调度业务类型，并对每种业务类型的带宽请求方式进行了规定（优先级从高到底）：
（1）主动授权业务（UGS） 传输固定速率实时数据业务，如T1/E1和VoIP等。BS将基于服务流的最大持续速率周期性的提供固定带宽授予，不允许使用任何单播轮询或竞争请求机会，同时禁止捎带请求。
（2）实时轮询业务（rtPS） 支持可变速率实时业务，如MPEG。BS提供周期性单播查询请求机会，禁止使用其他竞争请求机会和捎带请求。
（3）非实时轮询业务（nrtPS） 支持周期变长分组的非实时数据流，有最小带宽要求的业务如ATM，Internet接入。BS提供比rtPS更长周期或不定期的单播请求机会，可使用竞争请求，可以被设置优先级。
（4）尽力而为（BE）业务 支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务，如短信、E-mail。允许使用任何类型的请求机会和捎带请求。
4.带宽分配与调度策略
IEEE 802.16协议中对带宽分配与调度策略并未作出规定，而是把接入控制、资源预留、流量控制、分组调度算法等一系列的问题留待开发者来解决。SS接入系统时，BS必须监测出该业务是否会对已有的传输业务产生影响，以及进行资源分配，BS需要为高优先权业务预留足够的资源。MAC层将业务按不同类型分类后进行排队，对不同的队列调用不同的分组调度算法，同时还涉及到内存管理，流量监控等算法，满足不同业务的QoS需求。这些算法在有线网络中已经有比较成熟的研究。如何将它们与无线信道的多变、时延、干扰、多径衰落等特性以及IEEE 802.16的MAC层特点结合起来，提出新的算法，是未来研究的重点。
五、IEEE 802.11e
IEEE 802.16e是移动宽带无线接入的标准，该标准后向兼容IEEE 802.16d。IEEE 802.16e的物理层实现方式与IEEE 802.16d是基本一致的，主要差别是对OFDMA进行了扩展，可以支持2048-Point、1024-Point、512-Point和128-Point OFDMA，以适应不同载波带宽的需要。对MAC层作了改进以支持移动性。
六、结束语
从业务定位上看，IEEE 802.16e和3G在一定范围内重叠，都能提供一定移动性条件下的数据服务，形成一定范围内竞争和互补的局面。因此，IEEE 802.16如何与现有技术融合、业务的定位以及未来的发展都是值得进一步研究的问题。按照WiMAX的商用计划，第一阶段以实现替代ADSL接入方式为主，为用户提供固定宽带接入。第二阶段实现广域范围内的移动WiMAX接入。第三阶段则是实现全网移动，无缝漫游。
参考文献
[1] IEEE Std 802.16-2004 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16：Air Interface for Fixed Broad—band Wireless Access Systems.
[2] Govindan Nair，Joey Chou，IEEE 802.16 Medium Access Control and Service Provisioning，Intel Technology Journal，2004
[3] 彭木根，李茗，王文博，WiMAX系统中QoS机制研究.[J]中兴通讯技术，2005（2）
[4] 朱琦，酆广增，IEEE 802.16标准.[J]中兴通讯技术，2005（2）
