基于IP的WiMAX移动网络的研究
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2020-10-26
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基于基于IP的的WiMAX移动网络的研究移动网络的研究
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IEEE802.16的WiMAX
移动网络的应用正成为业界讨论的热点。IEEE802.16m被选为下一代无线通信标准(IMT-ad-vanced)的候选方案
之一，对比IEEE802.16e，为适合IMT-2000和IMT-advanced的性能需求,IEEE802.16m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IEEE802.16m和IEEE 802.16e的WiMAX网络并无明显的差别。本文将首先研究IEEE802.16e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IEEE802.16m技术的未来
的网络应用方案。
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IEEE802.16e。
IEEE 802.16-2004和IEEE802.16e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IEEE802制定
的固定宽带无线接入规范，IEEE 802.16e是对IEEE802.16-2004的补充和修正版本，以期望在IEEE802.16-2004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IEEE802.16技术的应用和产业链的形成，通过对IEEE802.16技术应用的频
段、应用场景和互操作进行定义，工业化组织
由于IEEE 802.16e潜在地支持无线宽带的移动能力，以及
1 IEEE 802.16e支持移动支持移动*能力能力
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*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10.94kHz，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的的MAC层增强功能和特点层增强功能和特点
IEEE802.16e的移动*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*的支持、切换和节电模式
等。
1.2.1 802.16e的移动性支持的移动性支持
为支持切换和其他移动*，IEEE802.16在MAC层提供了诸如网络拓扑的获得、对目标基站的扫描、关联化，测距
(ranging)、小区重选等功能。其中移动站扫描邻居基站以确定新的分集集合。扫描步骤包括；识别合适的基站；与其下行传输
同步，并且估计其信道质量；测距使移动站完成和某个基站的同步过程。测距可以是基于冲突和非冲突的。基于非冲突的测距
提供更快和可信的同步方法，但是以耗费资源为代价；关联化使移动站得以记录对分集集合的基站成功扫描和测距的次数，加
速转移该移动站的业务到目标基站；而邻居列表广播使得基站借助于网络站点回程(back-haul)产生邻居列表，支持移动站的切
换服务。其中列表信息在MOB_NBR_ADV的消息元素“handoffNeighborpreference”中。基站周期发送邻居列表，每个基站维
持邻居基站的MAC地址映射表和其索引。
1.2.2 MAC层切换能力层切换能力
硬切换是IEEE802.16e中必须支持的模式。在硬切换下，高层连接和MAC层的汇聚子层数据可以缓冲并随后无缝地转移
到目标基站。宏分集切换(MDHO)和快速基站切换(FBSS)是增强的可选的切换模式。MDHO对于上行和下行传输都是可支持
的，它允许移动站同时和在分集集合内的多个基站进行收发传输。FBSS与MDHO的区别在于，在FBSS中移动站虽然和所有
的候选基站进行同步，但它只和一个中心基站进行通信。硬切换、MDHO和FBSS技术提供了不同应用层面的移动支持，其中
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