發布日期：2022-05-20 點擊率：48
IEEE 802.16工作組近期發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，工業化組織WiMAX論壇進一步提供了基于IEEE 802.16技術的互聯互操作的能力，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的一種健全的通信技術。該技術利用多個并行的、傳輸低速率數據的子載波(子載頻)來實現高數據速率的通信。OFDM技術的優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據量的需求，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系統采用分集化和鄰近化方式實現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個用于數據和導頻的連續子載波。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個數據和24個導頻子載波。其中，數據子載波用于數據傳輸，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更適合，而連續置換模式對于固定、游牧和低速移動環境適合。
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、切換和節電模式等。
1.2.1 802.16e的移動性支持
為支持切換和其他移動性服務，IEEE 802.16在MAC層提供了諸如網絡拓撲的獲得、對目標基站的掃描、關聯化，測距(ranging)、小區重選等功能。其中移動站掃描鄰居基站以確定新的分集集合。掃描步驟包括；識別合適的基站；與其下行傳輸同步，并且估計其信道質量；測距使移動站完成和某個基站的同步過程。測距可以是基于沖突和非沖突的。基于非沖突的測距提供更快和可信的同步方法，但是以耗費資源為代價；關聯化使移動站得以記錄對分集集合的基站成功掃描和測距的次數，加速轉移該移動站的業務到目標基站；而鄰居列表廣播使得基站借助于網絡站點回程(back-haul)產生鄰居列表，支持移動站的切換服務。其中列表信息在 MOB_NBR_ADV的消息元素“handoffNeighbor preference”中。基站周期發送鄰居列表，每個基站維持鄰居基站的MAC地址映射表和其索引。
1.2.2 MAC層切換能力
硬切換是IEEE 802.16e中必須支持的模式。在硬切換下，高層連接和MAC層的匯聚子層數據可以緩沖并隨后無縫地轉移到目標基站。宏分集切換(MDHO)和快速基站切換(FBSS)是增強的可選的切換模式。MDHO對于上行和下行傳輸都是可支持的，它允許移動站同時和在分集集合內的多個基站進行收發傳輸。FBSS與 MDHO的區別在于，在FBSS中移動站雖然和所有的候選基站進行同步，但它只和一個中心基站進行通信。硬切換、MDHO和FBSS技術提供了不同應用層面的移動支持，其中MDHO和FBSS可減少切換時延，并支持有效的資源和網絡管理。
2 WiMAX悶絡參考模型
基于IEEE 802.16技術，WiMAX論壇提供了支持移動性的網絡體系架構，以支持對MAC層之上的移動服務，并支持在不同網絡節點的漫游和切換服務。
圖 2中所示的網絡參考模型(NRM)包括了接入服務網絡(ASN)和連接服務網絡(CSN)的各邏輯功能實體。ASN由一個或多個基站，一個或多個ASN- GW(ASN網關)組成，它是一個完整的網絡功能集合，提供諸如無線資源管理(RRM)、數據轉發、數據完整性、密鑰分配等關鍵功能，向WiMAX用戶提供無線接入服務。其中，RRM功能可以在基站或ASN-GW完成。完成該功能的某節點可以請求其他基站以得到所需的信息，利用此信息幫助確定候選的基站以滿足切換和負載平衡等處理的需要。在密匙分配中，一個成對的主密鑰(pairwise master key，PMK)在移動站側計算得到并轉發至在ASN-GW中的中心授權機構。PMK和基站標識符一起用于產生認證密碼(authenTIcation key，AK)。當切換到目標基站需要新的AK。采用分布計算支持在ASN-GW中產生新的用于對應目標基站的AK，并作為切換信息發送給目標基站。這種處理方法可以避免在每次切換時執行用戶認證過程，從而減少處理延遲。CSN需向WiMAX用戶提供如AAA和DHCP服務器、數據庫等的核心業務能力。不同的邏輯實體間通過各參考點(R1，R4和R5等)完成互操作。
3 基于IP的移動WiMAX網絡
由以上分析可以看出，IEEE 802.16e提供了在物理層和MAC層中支持移動性的能力，WiMAX論壇則提供了MAC層之上的網絡接口和互聯模型，更包括了提供移動性管理、資源管理和AAA服務能力。以下研究基于移動IP和WiMAX技術的移動網絡服務。
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