基于IP的WiMAX移動網絡的研究

IEEE 802.16工作組近期發(fā)布了支持固定和移動寬帶無線接入的無線城域網標準IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e。IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e均為物理層和媒質接入層的規(guī)范，其中無線城域網標準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的補充和修正版本，以期望在IEEE 802.16-2004基礎上提供用戶站可達到車速移動的功能和服務。為了加速基于IEEE 802.16技術的應用和產業(yè)鏈的形成，通過對IEEE 802.16技術應用的頻段、應用場景和互操作進行定義，工業(yè)化組織WiMAx論壇進一步提供了基于IEEE 802.16技術的互聯(lián)互操作的能力，以及網絡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能力，以及WiMAX論壇的積極推動，基于IEEE 802.16的WiMAX移動網絡的應用正成為業(yè)界討論的熱點。IEEE 802.16m被選為下一代無線通信標準(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更強調了加入了增強型的一些物理層功能，如Relay、多播、功率控制和多天線技術等，但從支持移動性以及和IP技術的互聯(lián)互通方面，基于IEEE 802.16m和IEEE 802.16e的WiMAX網絡并無明顯的差別。本文將首先研究IEEE 802.16e的移動服務能力，然后著重研究基于IP的移動WiMAX的網絡方案，這種網絡方案也可作為基于IEEE 802.16m技術的未來的網絡應用方案。

1 IEEE 802.16e支持移動性服務能力

在1EEE 802.16-2004基礎上，IEEE 802.16e主要在物理層和媒質接入層擴展以支持多用戶通信和網絡移動性服務能力。下面分別對其基于物理層、MAC層的增強功能進行分析。

1.1 IEEE 802.16e的物理層增強功能和特點

正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術是在信道中進行有效信息傳輸?shù)囊环N健全的通信技術。該技術利用多個并行的、傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)的子載波(子載頻)來實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的通信。OFDM技術的優(yōu)點還在于其便于簡化信道均衡過程，并且支持在時域和頻域進行多用戶信道分配和鏈路自適應，從而更進一步提高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更進一步采用可擴展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)可以方便地適應不同的信道帶寬。如設定子載波頻率為10.94 kHz，通過調整FFT大小，可以靈活支持1.25～20 MHz帶寬。

可擴展OFDMA系統(tǒng)采用分集化和鄰近化方式實現(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)結構，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個用于數(shù)據(jù)和導頻的連續(xù)子載波。而上行PUSC采用片(tile)結構，12個子載波組成片，6片被重組和置換以形成一個時隙。也即一個時隙包括分布在3個OFDM碼元中的48個數(shù)據(jù)和24個導頻子載波。其中，數(shù)據(jù)子載波用于數(shù)據(jù)傳輸，導頻(pilot)子載波用于估計和同步。



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的一個時隙被定義為多個bin的組合，組合方式有：[6個bin，1個碼元]，[3個bin，2個碼元]，[2個bin，3個碼元]，[1個bin，6個碼元]。AMC置換模式子載波分集置換對于移動系統(tǒng)更適合，而連續(xù)置換模式對于固定、游牧和低速移動環(huán)境適合。

1.2 IEEE 802.16e的MAC層增強功能和特點

IEEE 802.16e的移動性服務能力更多地體現(xiàn)在對MAC層的改進上。提供的關鍵MAC層技術包括移動性服務的支持、切換和節(jié)電模式等。