IEEE802.16e 介绍

IEEE802.16e介绍

Outline • 概述 • 技术特点 • 与蜂窝通信系统的关系

IEEE802.16在802无线标准中的位置

802.16的主要标准 • 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：固定宽带无线接入系统空中接口规范增补文件：详细系统框架(10~66GHz) • 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

802.16e的标准结构 • 物理层 • MAC层

协议模型 • 802.16e移动宽带无线接入的协议模型是基于802.16d模型的，针对移动性操作还定义了一些附加的功能。重要特性包括切换支持、可节电的睡眠模式、寻呼（paging）以及增强的安全能力，如EAP支持和增强的密钥管理。该系统支持TDD、FDD和HFDD操作方式。

网络参考模型 • U:PHY、MAC（包括CS）操作，包括提供移动性支持的消息交换 • IB:基站到基站消息传输协议（未定义） • A:鉴权与服务授权功能的消息（未定义）

在移动性上的增强 • 与802.16d 相比，在基站基本功能相当的情况下，802.16e提供了用户终端的移动性增强支持。

物理层 • IEEE 802.16标准根据不同的应用情况划分了不同的物理层。 • 单载波（SC）、OFDM 和OFDMA • 在三种物理层制式中，OFDMA更适合移动信道，因为它能够向多个用户灵活分配子载波。OFDMA在部署时，通过采取特定的方式，有可能实现频率复用系数为1，将大大简化组网时对频率规划的要求。 • 802.16e采用OFDMA时，具有如下优点： • 通过采用可扩展的OFDMA，可以支持多种信道带宽； • 当采用OFDMA时，有可能实现频率复用系数为1； • 较高的频谱效率，如DL及UL上所用的子信道化模式，在各子载波级分配中具有最大灵活性； • OFDMA中子载波在子信道中的分配无需邻接，有利于实现频率分集； • 支持对每帧子载波级的传输进行优化的功率控制。子载波具有正交性，无需像在CDMA系统中那样严格控制功率。

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/AMC OFDMA物理层的特性 • 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。

OFDMA物理层的特性（续） • 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。 • 自适应天线系统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。 • 分集信令方法（Diversity Signaling method ） • 直接信令方法 (Direct Signaling method) • 规范还支持MIMO和空时编码。

MAC层 • CS(汇聚子层) • CPS(公共部分子层) • 安全子层。

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。 • 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

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。

网络接入（Network Entry） • 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加密主密钥并传递给SS. • 基于EAP的用户认证(EAP Based User authentication):利用EAP作为认证框架SS 和BS/Network彼此认证对方。 • 密钥交换(Key Exchange): 使用对称加密算法把用户连接的业务密钥从基站传递到SS。

连接的建立和维护 • MAC通过CREATE_CONNECTION原语建立连接，空中协议利用DSA*消息来请求、建立、改变和取消连接。当连接建立后，SS可以维护当前的连接，这些操作包括： • 周期测距（periodic ranging）:SS周期性地更新他的功率和时间偏置。 • 密钥更新（ReKeying）：SS周期性地获取新的密钥来保证连接的安全

移动性支持 • 邻域广播列表（Neighbor advertisement lists）:保证高效率的基站扫描； • 切换信令（Handover signaling）:在基站间切换SS的连接； • 周期性扫描（Periodic Scanning）:SS周期性地寻找它可能切换的基站； • 休眠模式（Sleep mode）:SS周期性地进入低供电模式已延长电池的供电时间； • 空闲模式（Idle mode）: SS断开与网络的连接，但是能够周期性地侦听网络消息并根据所处位置更新网络，这样当有呼叫进来时，网络能够呼叫到用户。

连接支持 • 针对一个连接，MAC应用了多种协议或方法来提高传输的可靠性和链路的利用率，这些方法包括： • 分割（Fragmentation）一个MSDU被分片成多个小的MPDUs • 打包（Packing）多个MSDU被打包成一个大的MPDU • 自动重传请求（ARQ）丢包发生时，要求重传数据包

调度和服务质量保证 • 802.16基站中包含一个调度器( scheduler.), 这个调度器决定哪个终端什么时候发送数据。调度器响应用户站的带宽请求消息，通过调度或轮询上下行数据传输来决定如何满足每个连接的QoS要求。802.16没有定义具体的调度算法实现。 • 上行连接通过轮询（polling）来获得信道的接入，每个上行连接可应用4种预定业务类型，每种类型决定了调度器不同的轮询（polling）方式。 • 非请求的带宽分配业务（UGS .Unsolicited Grant Service） • 实时轮询业务（rtPS. Real Time Polling Service.） • 非实时轮询业务（nrtPS. Non Real Time Polling Service） • 尽力而为业务（BE. Best effort.）

安全子层 • 安全子层提供了链路加密，身份验证和数据完整性保护。它也可以进行用户授权来控制网络的接入以防止服务的冒用。链路加密使用与IEEE 802.11i相同的128bits AES-CCM算法来提供数据加密，身份认证和完整性保护。

标准中需要进一步完善的内容 • 802.16e目前还在制订过程中，即将完成在802.16工作组的D5版本。 • 目前规范中还有需要进一步完善的内容。 • 多小区和切换问题

802.16e系统的多小区多址和切换问题 • IEEE 802.16e作为一种支持移动性的无线城域网技术，在建网时，不可避免地会形成类似于传统移动通信系统的蜂窝结构，而在这种结构下相邻小区之间的干扰及避免这些干扰的多址技术就成为无法回避的问题。OFDMA物理层具有有效的多小区多址方法，但在蜂窝结构下如何分配OFDMA频道资源，现有标准并未明确说明。 • 802.16e的移动性还会带来切换问题。现有标准在MAC层对切换机制进行了描述，但由于在物理层没有明确的多小区多址的方案，此切换机制缺乏实现的基础。 • 下面将对现有802.16d/e协议中通过OFDMA方式解决在多小区多址和切换的方法进行分析。

OFDMA物理层实现的多小区多址方法 • OFDMA是唯一从本质上支持多小区多址的物理层，他将所有的子载波分成若干组，每组称为一个子频道（subchannel），每一路信号又可以在所有子频道之间跳转。类似于调频扩频系统，OFDMA系统可以实现多用户多址和多小区多址。

OFDMA物理层实现的多小区多址方法（续） • 现有标准介绍了OFDMA系统实现频率复用率为1的方法（如右图），对小区间多址的方法略有描述，但没有说明实现的细节。图中所示的子信道固定分配方案固然可以实现多用户和多小区多址，但频谱效率较低，也不够灵活，而且很难支持软切换（这一点在后面讨论）。标准中提到可以使用可协调的同步设置（Coordinated Synchronous configuration），灵活分配带宽，但没有介绍分配的方法，尤其是在相邻小区间分配的方法。

802.16e系统的切换问题 • 与802.16d不同，802.16e系统考虑用户的移动性，所以在其协议中在MAC层增加了大量关于切换（HO）的内容，比如休眠期、小区搜索与同步、小区选择及切换过程等，也支持软切换（SHO）和硬切换（FBSS）两种模式。但实际上，由于802.16d协议中并没有明确多小区多址的方法，这些MAC层的切换方案在物理层是难以实现的。

OFDMA物理层可能实现的切换方法（1/3） • OFDMA物理层即可支持硬切换，也可支持软切换。 • 当进行硬切换时，接近小区边缘、准备切换的用户所使用的跳频序列不应在目标小区继续使用。如果目标小区的另一个用户正在使用此跳频序列，应安排此用户改用另一跳频序列。切换用户测量两个基站信号的接收能量，当目标基站的接收能量超过服务基站时，切断与服务基站的联系，由目标基站分配一个跳频序列，开始和该用户通信，同时原服务基站应避免使用这一跳频序列，直至该用户离开切换区。一个简单的子信道分配方案可以从标准介绍的频率复用率=1的方案直接得到（如后图所示），由于相邻的扇区总是使用不同的子频道组，用户在切换过程中可以不受相邻扇区的干扰。

OFDMA物理层可能实现的切换方法（2/3）

OFDMA物理层可能实现的切换方法（3/3） • 然而前图所示的分配方案不足以支持软切换，若想进行软切换，应该使相邻的两个扇区拥有某些相同的子频道（或跳频序列），以便分给进行软切换的用户使用。当开始软切换时，激活集中的两个的OFDMA基站应将同一个跳频序列分配给接近小区边缘、准备切换的用户，两小区的其他用户不能使用这一跳频序列。如果目标小区有另一个用户正在使用此跳频序列，应安排其转向其他的跳频序列。当服务基站退出激活集时，用户将切断与其的联系，目标基站转为服务基站，同时原服务基站可将此跳频序列重新分配给另一用户。

小结 • 现有802.16d/e协议几乎没有在物理层给出明确的多小区多址和切换的方案，仅用很短篇幅对OFDMA物理层的多址方法作了简略的描述。作为一种覆盖整个城市，提供城域宽带接入的技术，WPAN系统应明确多小区多址和切换的实现方法。 • 在协议现有的物理层技术中，OFDMA具有较强的多址和切换能力，比较适合多小区大范围使用，而单载波和OFDM技术多址和切换能力较差，可考虑在OFDMA系统基础上提供热点覆盖，为高密度地区的固定或低速用户提供宽带接入，OFDM系统的用户在离开热点地区时可切换至OFDMA网络。单载波和OFDM系统也适合在单小区可覆盖的小城镇和居民点使用。 • 另外，若向使用OFDM技术提供多小区多址与切换，基站之间应取得同步。对异步的多小区网络，只可能通过OFDMA技术提供小区建多址和切换。

802.16e与蜂窝系统的技术比较 • 涵盖范围 • 无线传输技术 • 业务的支持 • 移动性的支持

涵盖范围 • 802.16针对的是RAN • 3G包括RAN＋CN（CSN和PSN）

无线传输技术 • 物理层可以支持单载波、OFDM、Scalable OFDMA（可扩展OFDMA）三种方式。在802.16e的物理层方式中，以OFDM和OFDMA为主，它具有较高的频谱效率。802.16e可以使用不同的载波带宽，从1.75MHz到20MHz不等，当采用较大的载波带宽时，802.16e系统就具有比3G系统更高的传输速率。 • 3G系统目前也在进行增强型技术的研究和标准制定，并且已经基本趋于稳定。3G增强型技术（包括HSDPA、1x EV-DV等）可以支持高速数据业务，目前的标准版本中支持的数据速率和频谱利用率略低于802.16e；同时，3GPP、3GPP2等标准化组织也在研究如何引入MIMO、高阶调制、OFDM等新技术，以期进一步提高3G系统及3G增强型的数据速率。

业务的支持 • 对于802.16e，话音和数据都作为上层的应用，独立于空中接口的物理层和MAC层进行传输。MAC层提供了系统接入、连接建立/维护、带宽资源分配、安全等功能，并定义了完善的QoS体制，针对每个连接可以设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。802.16e标准中根据不同的业务特点定义了4种业务类型，分别对应不同的QoS级别，并针对每种业务类型按照不同的带宽调度方式进行资源分配，根据业务的实际需要动态地调整带宽。 • 3G系统中，在核心网络话音和分组数据是分开的，对于话音仍采用2G系统的基于电路交换的方式，QoS有较高的保障，同时比2G系统的话音容量高。对于分组数据业务，3GPP和3GPP2也定义了比较完善的QoS机制，为满足诸如下载或流媒体类业务更高的传输速率和更少的延迟的要求。3G作为一个完整的网络系统，目前正在对端到端的QoS保障机制进行标准化工作。

移动性的支持 • 切换 • 移动速率

802.16e 3G WCDMA TD-SCDMA CDMA2000 业务定位宽带低速移动数据业务为主语音和各种速率数据业务语音和各种速率数据业务 1x/DV: 语音和各种速率数据业务； DO：数据业务核心技术 OFDM、OFDMA、AAS/MIMO 码分多址、扩频等智能天线、接力切换、软件无线电等码分多址; DO: 前/反向HARQ、增强的MAC层 DV: 高阶调制、天线分集、快速呼叫建立、控制机制 QoS支持接入网QoS比较完备 4类QoS级别 4类QoS级别 1x：无业务分类的QoS； DO：增强的QoS：通过物理层能力的增强以及控制机制和控制信令； DV(Rel D: 4类QoS级别工作频率 2～6GHz许可频段核心频段：1920-1980MHz/2110-2170MHz 1880-1920MHz、2010-2025MHz 1920-1940/2110-2130 信道带宽支持1.25M(或1.75M、1.5M)*2^n 其中n为0～4正整数；一般采用大于5M 5MHz 1.6MHz 1.25MHZ 802.16e Vs. 3G (1/2)

802.16e 3G WCDMA TD-SCDMA CDMA2000 用户下行速率 30Mbps（10M带宽时）目前支持64kbps、128kbps、384kbps等速率 HSDPA：最高达10Mbps 目前支持64kbps、128kbps、384kbps等速率 1x 153/307kbps; DO（Rel A）:3.1Mbps DV (Rel D): 3.1 Mbps 用户上行速率 30Mbps（10M带宽时）最大2Mbps等速率 64kbps等速率 1x：最大153kbps，平均70 kbps DO（Rel A）:1.8M DV (Rel D):1.8M(或1.2M) 频谱利用率标准支持5bps， OFDM-64QAM时，约3bps/Hz/sector WCDMA R99：约0.5bps/ cell/Hz HSDPA：2.0bps/ cell/Hz 约0.4bps/ cell/Hz 1x:0.3 bps/ cell/Hz DO（Rel A）:2.48 DV (Rel D): 2.48 覆盖范围几km（与频段有关）城区约2km~3km（2G频段）城区约2km~3km（2G频段）城区约2km~3km（2G频段）移动性 120km/h 高速移动高速移动高速移动切换的支持支持支持小区间的软切换、硬切换支持小区间的硬切换、接力切换支持基站间、BSC间等的各类切换终端类型未定手持和便携等类型手持和便携等类型手持和便携等 802.16e Vs. 3G (2/2)

各种接入系统互连的无缝网络

谢谢！

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