基于IP的WiMAX移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的研究

IEEE 802.16工作組近期發(fā)布了支持固定和移動(dòng)寬帶無線接入的無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e。IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e均為物理層和媒質(zhì)接入層的規(guī)范，其中無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16-2004是IEEE 802制定的固定寬帶無線接入規(guī)范，IEEE 802.16e是對IEEE 802.16-2004的補(bǔ)充和修正版本，以期望在IEEE 802.16-2004基礎(chǔ)上提供用戶站可達(dá)到車速移動(dòng)的功能和服務(wù)。為了加速基于IEEE 802.16技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈的形成，通過對IEEE 802.16技術(shù)應(yīng)用的頻段、應(yīng)用場景和互操作進(jìn)行定義，工業(yè)化組織WiMAx論壇進(jìn)一步提供了基于IEEE 802.16技術(shù)的互聯(lián)互操作的能力，以及網(wǎng)絡(luò)資源管理和控制的功能和測試等規(guī)范。

由于IEEE 802.16e潛在地支持無線寬帶的移動(dòng)能力，以及WiMAX論壇的積極推動(dòng)，基于IEEE 802.16的WiMAX移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正成為業(yè)界討論的熱點(diǎn)。IEEE 802.16m被選為下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)(IMT-ad-vanced)的候選方案之一，對比IEEE 802.16e，為適合IMT-2000和IMT-advanced的性能需求，IEEE 802.16m更強(qiáng)調(diào)了加入了增強(qiáng)型的一些物理層功能，如Relay、多播、功率控制和多天線技術(shù)等，但從支持移動(dòng)性以及和IP技術(shù)的互聯(lián)互通方面，基于IEEE 802.16m和IEEE 802.16e的WiMAX網(wǎng)絡(luò)并無明顯的差別。本文將首先研究IEEE 802.16e的移動(dòng)服務(wù)能力，然后著重研究基于IP的移動(dòng)WiMAX的網(wǎng)絡(luò)方案，這種網(wǎng)絡(luò)方案也可作為基于IEEE 802.16m技術(shù)的未來的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。

1 IEEE 802.16e支持移動(dòng)性服務(wù)能力

在1EEE 802.16-2004基礎(chǔ)上，IEEE 802.16e主要在物理層和媒質(zhì)接入層擴(kuò)展以支持多用戶通信和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性服務(wù)能力。下面分別對其基于物理層、MAC層的增強(qiáng)功能進(jìn)行分析。

1.1 IEEE 802.16e的物理層增強(qiáng)功能和特點(diǎn)

正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術(shù)是在信道中進(jìn)行有效信息傳輸?shù)囊环N健全的通信技術(shù)。該技術(shù)利用多個(gè)并行的、傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)的子載波(子載頻)來實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的通信。OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還在于其便于簡化信道均衡過程，并且支持在時(shí)域和頻域進(jìn)行多用戶信道分配和鏈路自適應(yīng)，從而更進(jìn)一步提高OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率。相對OFDM，OFDMA的使用可以帶來更多的靈活性，也即按照不同信道特點(diǎn)和數(shù)據(jù)量的需求，通過子信道分集化分配信道和功率資源，從而更有效地提高資源分配效力。

IEEE 802.16e更進(jìn)一步采用可擴(kuò)展OFDMA(sealable orthogonal freqtaency division multiplexingaccess，SOFDMA)，在恒定子載波頻率下，通過延展FFT尺寸，使系統(tǒng)可以方便地適應(yīng)不同的信道帶寬。如設(shè)定子載波頻率為10.94 kHz，通過調(diào)整FFT大小，可以靈活支持1.25～20 MHz帶寬。

可擴(kuò)展OFDMA系統(tǒng)采用分集化和鄰近化方式實(shí)現(xiàn)子信道中的子載波置換或散布。其中，分集化的目的是將子載波隨機(jī)組合成子信道，以提供頻率分集并平均化小區(qū)間干擾。典型的分集化置換方式有下行FUSC(fully used subcarrier)，下行PUSC(partially usedsubcarrier)和上行PUSC。圖1(a)和圖1(b)分別列舉了下行PUSC和上行PUSC的子載波分布方式。下行PUSC采用串(cluster)結(jié)構(gòu)，即由下行PUSC每對OFDM碼元中合適的子載波組成串，各OFDM碼元中包括14個(gè)用于數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻的連續(xù)子載波。而上行PUSC采用片(tile)結(jié)構(gòu)，12個(gè)子載波組成片，6片被重組和置換以形成一個(gè)時(shí)隙。也即一個(gè)時(shí)隙包括分布在3個(gè)OFDM碼元中的48個(gè)數(shù)據(jù)和24個(gè)導(dǎo)頻子載波。其中，數(shù)據(jù)子載波用于數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)頻(pilot)子載波用于估計(jì)和同步。



鄰近化置換包括下行AMC和上行AMC，可以在OFDM(A)系統(tǒng)中支持多用戶分集，更便于鏈路自適應(yīng)處理。其中來自同一OFDM碼元的連續(xù)的子載波組成箱(bin)，AMC的一個(gè)時(shí)隙被定義為多個(gè)bin的組合，組合方式有：[6個(gè)bin，1個(gè)碼元]，[3個(gè)bin，2個(gè)碼元]，[2個(gè)bin，3個(gè)碼元]，[1個(gè)bin，6個(gè)碼元]。AMC置換模式子載波分集置換對于移動(dòng)系統(tǒng)更適合，而連續(xù)置換模式對于固定、游牧和低速移動(dòng)環(huán)境適合。

1.2 IEEE 802.16e的MAC層增強(qiáng)功能和特點(diǎn)

IEEE 802.16e的移動(dòng)性服務(wù)能力更多地體現(xiàn)在對MAC層的改進(jìn)上。提供的關(guān)鍵MAC層技術(shù)包括移動(dòng)性服務(wù)的支持、切換和節(jié)電模式等。