研究报告基于80216的宽带无线接入技术29页.docx
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研究报告基于80216的宽带无线接入技术29页
基于IEEE802.16的宽带无线接入技术
（研究报告）
CCSA无线通信技术委员会WG3工作组
2004年8月
目次
一、IEEE802.16的标准化现状1
1.IEEE802.16标准组织的情况1
2.IEEE802.16系列标准介绍1
3.与Wi-MAX组织的关系4
二、802.16的技术特点5
1.802.16技术的主要特点5
2.802.16技术的主要应用7
3.802.16的网络发展特征9
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10
三、固定无线接入技术的空中接口规范11
1.协议模型11
2.物理层12
3.MAC层14
四、802.16支持移动特性的空中接口规范17
1.协议模型17
2.物理层19
2.1概述19
2.2OFDMA物理层系统参数20
2.3OFDMA物理层的特性20
3.MAC层21
3.2MAC公共部分子层21
3.3安全子层23
五、对我国标准化工作的考虑24
附录缩略语……………………………………………………………………………..25
前言
本研究报告对IEEE802.16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
基于IEEE802.16的宽带无线接入技术
一、IEEE802.16的标准化现状
1.IEEE802.16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（WPAN）的IEEE802.15标准和应用于无线局域网（WLAN）的IEEE802.11标准。
而IEEE802.16标准的提出，弥补了IEEE在无线城域网标准上的空白。
IEEE802.16标准又称为IEEEWirelessMAN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2～11GHz频带的系统可以应用于非视距（NLOS）范围，而使用10～66GHz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.IEEE802.16系列标准介绍
IEEE802.16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1802.16系列标准
标准号
负责的技术领域
802.16
10～66GHz固定宽带无线接入系统空中接口标准
802.16a
2～11GHz固定宽带无线接入系统空中接口标准
802.16c
10～66GHz固定宽带无线接入系统空中接口标准增补文件：
详细系统框架
802.16d
固定宽带无线接入系统空中接口标准（10~66GHz、<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10～66GHz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2～11GHz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，定义了工作在10～66GHz频段的802.16系统的详细系统框架，它详细规定了10～66GHz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10～66GHz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2802.16系列各空中接口标准特征的比较
802.16
802.16a
802.16d
802.16e
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
10～66GHz
<11GHz
10～66GHz
<11GHz
<6GHz
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64QAM
256OFDM（BPSK/QPSK/16QAM/64QAM）
256OFDM（BPSK/QPSK/16QAM/64QAM）
2048OFDMA
256OFDM
（BPSK/QPSK/16QAM/64QAM）
128/512/1024/2048OFDMA
信道带宽
25/28MHz
1.25～20MHz
1.25～20MHz
1.25～20MHz
传输速率
32～134Mbps（以28MHz为载波带宽）
在20MHz信道上提供约75Mbps的速率
在20MHz信道上提供约75Mbps的速率
在5MHz的信道上提供约15Mbps的速率
额定小区半径
<5km
5～10km
5～15km
几km
3.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IEEE802.16标准和ETSIHiperMAN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IEEE802.16和ETSIHiperMAN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IEEE802.16a和ETSIHiperMAN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IEEE802.16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1
WIMAX与IEEE802.16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256OFDMPHY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2.5GHz和3.5GHz许可频段、5.8GHz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，IEEE802.16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IEEE802.16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10～66GHz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：
Ø10-66GHz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。
Ø11GHz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。
Ø11GHz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Beyond3G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。
IEEE802.16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：
1.非请求的带宽分配业务（UGS.UnsolicitedGrantService）：
用于恒定比特率连接。
基站实时地周期性地提供固定大小的数据分配突发类型（DataGrantBursttypes）。
2.实时轮询业务（rtPS.RealTimePollingService）：
用于周期性地、数据包大小不固定，比特率可变的传输。
SS利用上行非竞争带宽请求机制接入。
3.非实时轮询业务（nrtPS.NonRealTimePollingService）：
基站每隔一定间隔提供下行轮询使得SS可以进行上行带宽请求，通常发生的速率要慢于rtPS.对于额外的上行请求，容许SS利用竞争请求机制。
4.尽力而为业务（BE.Besteffort）：
SS必需用上行竞争请求机制传输数据，这种方法尽可能地利用空中资源传送数据，并不会对实时和UGS连接造成影响。
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：
Ø802.16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。
Ø802.16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。
Ø802.16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：
Ø实时固定速率业务，如T1/E1、VoIP等，可采用UGS的带宽调度方式。
Ø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。
Ø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。
Ø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10~66GHz的视距传播频段，以及11GHz以下的非视距传播频段。
对于10~66GHz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802.16e系统和小于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IEEE802.16宽带无线接入网络的典型应用场景举例如图2所示。
图2IEEE802.16应用场景（举例）
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。
通过802.16d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。
用户可以直接通过802.16d固定终端接入Internet网络。
同时，用户也可以通过802.16e移动终端实现无线接入。
802.16d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。
802.16d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。
对于802.16e，典型应用将集中在面向个人用户的Internet接入上。
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：
Ø普通终端用户，为他们提供网页浏览、视频电话等业务。
Ø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。
Ø大型企业用户，为他们提供会议电视等业务。
Ø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。
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。
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、频谱资源等方面有所不同。
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，支持用户车速移动。
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
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