基于IP的WiMAX移动网络的研究

IEEE 802.16工作组近期发布了支持固定和移动宽带无线接入的无线城域网标准IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e。IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e均为物理层和媒质接入层的规范，其中无线城域网标准IEEE 802.16-2004是IEEE 802制定的固定宽带无线接入规范，IEEE 802.16e是对IEEE 802.16-2004的补充和修正版本，以期望在IEEE 802.16-2004基础上提供用户站可达到车速移动的功能和服务。为了加速基于IEEE 802.16技术的应用和产业链的形成，通过对IEEE 802.16技术应用的频段、应用场景和互操作进行定义，工业化组织WiMAx论坛进一步提供了基于IEEE 802.16技术的互联互操作的能力，以及网络资源管理和控制的功能和测试等规范。

由于IEEE 802.16e潜在地支持无线宽带的移动能力，以及WiMAX论坛的积极推动，基于IEEE 802.16的WiMAX移动网络的应用正成为业界讨论的热点。IEEE 802.16m被选为下一代无线通信标准(IMT-ad-vanced)的候选方案之一，对比IEEE 802.16e，为适合IMT-2000和IMT-advanced的性能需求，IEEE 802.16m更强调了加入了增强型的一些物理层功能，如Relay、多播、功率控制和多天线技术等，但从支持移动性以及和IP技术的互联互通方面，基于IEEE 802.16m和IEEE 802.16e的WiMAX网络并无明显的差别。本文将首先研究IEEE 802.16e的移动服务能力，然后着重研究基于IP的移动WiMAX的网络方案，这种网络方案也可作为基于IEEE 802.16m技术的未来的网络应用方案。

1 IEEE 802.16e支持移动性服务能力

在1EEE 802.16-2004基础上，IEEE 802.16e主要在物理层和媒质接入层扩展以支持多用户通信和网络移动性服务能力。下面分别对其基于物理层、MAC层的增强功能进行分析。

1.1 IEEE 802.16e的物理层增强功能和特点

正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术是在信道中进行有效信息传输的一种健全的通信技术。该技术利用多个并行的、传输低速率数据的子载波(子载频)来实现高数据速率的通信。OFDM技术的优点还在于其便于简化信道均衡过程，并且支持在时域和频域进行多用户信道分配和链路自适应，从而更进一步提高OFDM系统的频谱利用率。相对OFDM，OFDMA的使用可以带来更多的灵活性，也即按照不同信道特点和数据量的需求，通过子信道分集化分配信道和功率资源，从而更有效地提高资源分配效力。

IEEE 802.16e更进一步采用可扩展OFDMA(sealable orthogonal freqtaency division multiplexingaccess，SOFDMA)，在恒定子载波频率下，通过延展FFT尺寸，使系统可以方便地适应不同的信道带宽。如设定子载波频率为10.94 kHz，通过调整FFT大小，可以灵活支持1.25～20 MHz带宽。

可扩展OFDMA系统采用分集化和邻近化方式实现子信道中的子载波置换或散布。其中，分集化的目的是将子载波随机组合成子信道，以提供频率分集并平均化小区间干扰。典型的分集化置换方式有下行FUSC(fully used subcarrier)，下行PUSC(partially usedsubcarrier)和上行PUSC。图1(a)和图1(b)分别列举了下行PUSC和上行PUSC的子载波分布方式。下行PUSC采用串(cluster)结构，即由下行PUSC每对OFDM码元中合适的子载波组成串，各OFDM码元中包括14个用于数据和导频的连续子载波。而上行PUSC采用片(tile)结构，12个子载波组成片，6片被重组和置换以形成一个时隙。也即一个时隙包括分布在3个OFDM码元中的48个数据和24个导频子载波。其中，数据子载波用于数据传输，导频(pilot)子载波用于估计和同步。



邻近化置换包括下行AMC和上行AMC，可以在OFDM(A)系统中支持多用户分集，更便于链路自适应处理。其中来自同一OFDM码元的连续的子载波组成箱(bin)，AMC的一个时隙被定义为多个bin的组合，组合方式有：[6个bin，1个码元]，[3个bin，2个码元]，[2个bin，3个码元]，[1个bin，6个码元]。AMC置换模式子载波分集置换对于移动系统更适合，而连续置换模式对于固定、游牧和低速移动环境适合。

1.2 IEEE 802.16e的MAC层增强功能和特点

IEEE 802.16e的移动性服务能力更多地体现在对MAC层的改进上。提供的关键MAC层技术包括移动性服务的支持、切换和节电模式等。