宽带无线接入标准IEEE 802.16a

• IEEE 802.16a标准运行于2 ～11 GHz频段，是宽带无线接入网IEEE 802.16标准的增补方案。
• IEEE 802.16a标准将大大提升网络的互操作性，不仅适用于点到多点的宽带无线接入系统，也适用于网格拓扑结构的无线网络。
• IEEE 802.16a标准的颁布将加快宽带无线接入技术的市场化。

    近年来，作为一种接入技术，无线接入技术已成为传统的铜线本地环路技术的替代技术，越来越受到人们的重视。针对这种情况，IEEE 802委员会于1999年成立了802.16工作组来专门开发宽带无线标准，并于2002年4月颁布了IEEE 802.16标准，但由于IEEE 802.16的工作频段较高(10～66 GHz)，要求视距发射塔连接，不利于固定带宽接入技术的推广。为此，IEEE在802.16的基础上开发了工作于2～11 GHz频段新的全球微波接入互操作性标准——IEEE 802.16a，它可支持非视距连接，是无线宽带技术的重大突破。

1 IEEE 802.16a标准概述
    IEEE 802.16a标准是一种无线城域网络(WMAN)技术标准，是IEEE 802.16标准的扩展。在点到多点(PMP)和可选的网格拓扑两种网络结构下，该标准规定了无线宽带接入系统空中接口的媒体接入控制(MAC)层和物理(PHY)层，通过对MAC层规范的修改和物理层规范的增补来实现对IEEE 802.16的改进。该标准定义的空中接口技术可用于将采用IEEE 802.11标准的局域网连接到互联网，也可作为线缆和数字用户线(DSL)的无线扩展技术，从而实现最后一公里的无线宽带接入。预计基于IEEE 802.16a标准的网络可以覆盖48 km的距离，并能以最高达70 Mb/s的速率传输数据、语音和视频图像。此外，IEEE 802.16a出色的非线性站点性能可显著提高运营商目标服务区域的覆盖范围。
    IEEE 802.16a作为一种理想的广域网固定和移动无线接入方案，性能优于Wi-Fi(无线保真)技术。因此，它的一些优点，包括增强的安全性、高速率和更高的频谱利用率，正被引入IEEE 802.11标准。
    20世纪90年代末兴起的无线局域网(WLAN)技术因为IEEE 802.11标准而具有出色的性价比，最终使WLAN市场快速增长。现在的IEEE 802.16a标准的状况有点类似当年的IEEE 802.11标准，可以预见在今后的几年中，IEEE 802.16a标准像当年的IEEE 802.11标准一样，将会得到广泛应用。
    考虑到IEEE 802.16a标准的不可限量的发展前途，英特尔公司于2003年7月宣布将开发基于IEEE 802.16a标准的芯片，提供宽带无线接入解决方案，而且该公司和众多顶级通信部件、设备公司组成了非营利性机构——WiMAX，致力于推动基于IEEE 802.16a标准的无线宽带设备进入市场，加速最后一公里的宽带部署。WiMAX的官员透露，基于IEEE 802.16a标准的第1代设备有望于2004年下半年推出，预计到2008年设备总产值将达到10亿美元。

2 IEEE 802.16a标准的关键技术

2.1 媒体接入控制层的网格模式
    一个网络共用一个媒体，就必须提供一个有效的共享机制。点对多点和可选的网格拓扑这两种无线网络都是共享无线媒体。IEEE 802.16标准中只定义了点对多点模式，在IEEE 802.16a标准中则增加了可选的网格拓扑模式。
点到多点模式与可选的网格拓扑模式的主要区别在于，在点到多点模式中业务流只发生在基站(BS)和用户站(SS)之间，而在网格拓扑模式中业务流还可以发生在各个SS之间，网格拓扑中的每个站点都可以和网络中其他的一些站点形成直接的通信链路。
    通过使用网格拓扑模式，IEEE 802.16a标准大大提升了网络的互操作性，并提供了较高的灵活性。特别是在带宽分配的问题上，使网络可根据实际情况，灵活机动地选择分布式调度方式、集中式调度方式或两者结合的方式来分配带宽，使系统的资源能得到最合理的分配。

2.2 媒体接入控制层数据格式的优化
    IEEE 802.16标准的MAC协议数据单元(PDU)结构分为一般MAC头、负荷和循环冗余校验(CRC)，其中负荷部分可以包括一个或多个不同类型的MAC子头。通过MAC PDU的数据格式，既可以传输普通数据，也可以传输BS与SS之间的管理信息。
    在循环冗余校验中，增加了自动重复请求(ARQ)机制来增强数据传输的可靠性。该机制是MAC层的一个可选部分，可以使用在每个连接上。在IEEE 802.16a标准的MAC PDU构造和传输问题上，要对带ARQ的连接进行特殊的打包。每个被打包的MAC服务数据单元(SDU)、MAC SDU片断或ARQ反馈负荷都需要各自的打包子头，一部分子头在其他子头重传的时候传输，可见ARQ机制使得重发过程具有机动性。跟IEEE 802.16标准相比，IEEE 802.16a标准更能保证数据传输的精确性。

2.3 物理层的OFDM技术
    IEEE 802.16a的MAC支持3种分别基于单载波(SC)、正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA)的物理层，其中城域网正交频分复用物理层是以OFDM调制为基础的，适用于2～11 GHz频段上非视距范围内的操作。
    无线OFDM技术是近年来得到推广的一种多载波调制技术，它在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，故虽然整个信道具有非平坦的频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间干扰。
    OFDM是适用于无线环境下的高速传输技术。目前除了无线局域网标准(如IEEE 802.11a、HiperLAN/2等)外，OFDM还在宽带无线接入(BWA)中也得到了应用。IEEE 802.16a的物理层采用OFDM技术就能高速传输数据、抵抗多径衰落并提高频谱利用率。人们普遍认为在宽带无线接入领域采用OFDM是未来发展的趋势，而且它将成为未来移动通信系统的关键技术。
    在IEEE 802.16a标准里，在OFDM的下行链路中，还可以使用时空码(STC)来提供发送分集。发送分集技术可以有效地抵抗无线信道中的多径衰弱，如在基站侧使用天线分集，能改善该基站覆盖范围内所有移动台的接收信号质量。

2.4 物理层的OFDMA技术
    OFDMA是一种基于OFDM原理的多址技术，可支持多用户的接入。IEEE 802.16a的城域网OFDMA物理层的频域表示与OFDM不同。在OFDMA方式里，快速傅里叶变换(FFT)个数是2 048，而OFDM的FFT个数是256。OFDMA的可用载波被分成若干组，每一组称为一个子信道。在下行链路，子信道可以指定给不同的接收机，在上行链路，发射机可以分配一个或多个子信道。
    OFDMA技术具有不少优势：
    (1)由于OFDMA技术是将宽的带宽资源分成若干个子载波，用户选择使用无线性能良好的子载波，当多用户接入时，不同终端所在位置无线传送特性差别很大，各个终端可以互补使用子载波，达到所有子载波都得到有效应用。
    (2)使用正交频分多址技术，用户端可以选择无线性能好的子信道集中发送信号，而不像其他接入方式那样在整个频带内发送信号，因此扩大了覆盖范围。
    (3)与CDMA技术相比，采用OFDMA技术，用户可以在通信质量好的子信道上发送信号，避免了信道均衡和RAKE接收机等复杂的信号处理，从而降低了成本。
    由于OFDMA技术具有很高的带宽利用率，同时汇集了OFDM、跳频及时分多址(TDMA)技术的诸多优点，在IEEE 802.16a的物理层中使用该技术就能在无需使用均衡器的情况下，有效地克服码间干扰，并且能提供较大的容量。

3 标准前景展望
    IEEE 802.16a标准是相当有前途的。对于服务提供商来说，仅用一个基站就可以为需要不同服务等级的数千名用户提供支持。同普通的宽带接入解决方案相比，采用IEEE 802.16a标准的系统大幅度地降低了客户购买基础设备的成本。对于普通用户来说，IEEE 802.16a拥有更广泛的覆盖范围，更多的用户可以享受到高速无线互联网服务。宽带数据高速传输也是IEEE 802.16a标准的重要特点之一，企业用户可以采用这种高速度低投入的接入满足企业特殊的需要。
    总之，就像Wi-Fi技术对无线局域网市场产生巨大影响一样，IEEE 802.16a标准将极大地推动宽带无线接入市场的增长。如果没有IEEE 802.16a标准，设备制造商将一切都得自己来做，包括基础芯片、客户端设备、基站和网络管理软件等；有了IEEE 802.16a标准，设备制造商可以在他们擅长的领域进行创新，实现产品性能价格比的大幅度提升，从而加快宽带无线接入技术的市场化。

(南京邮电学院   吕薇 吴蒙)