ＩＥＥＥ８０２．１６ｊ標(biāo)準(zhǔn)最新進(jìn)展

趙興華　彭　端　鮑晶晶

【摘要】IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)以IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，文章對其進(jìn)行了簡單介紹，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)度方式、覆蓋范圍和成本等方面將IEEE802.16j系統(tǒng)和IEEE802.16e系統(tǒng)進(jìn)行了比較，綜述了有關(guān)IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)研究的最新進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】IEEE802.16j IEEE802.16e WiMAX 移動多跳中繼

1 引言

IEEE802.16是新一代寬帶無線接入標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）技術(shù)以之為基礎(chǔ)。WiMAX技術(shù)最初只是為固定用戶提供寬帶無線接入服務(wù)，隨著IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，它將逐步實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的移動化。目前正在制定中的IEEE802.16j是固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，對早前制定的IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)具有后向兼容性。IEEE802.16j系統(tǒng)以多跳中繼技術(shù)為核心，采用了基于中繼的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠在低成本下實(shí)現(xiàn)高覆蓋。

2 IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)研究背景

基于傳統(tǒng)蜂窩架構(gòu)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)存在著一定的覆蓋問題，有效數(shù)據(jù)傳輸速率會隨著用戶與基站（BS，Base Station）之間距離的增加而遞減，因此那些位于BS覆蓋邊緣的用戶的服務(wù)質(zhì)量很難被保障。目前無線網(wǎng)絡(luò)中主要是采用增加基站部署密度或者是在小區(qū)內(nèi)部署直放站的方法來解決此類問題，然而前種方法成本較高，后種方法中存在著有用信號和干擾信號被同時放大的問題[1]。

為了根本解決這些問題，在系統(tǒng)性能和成本之間找到更好的平衡點(diǎn)，IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)化組織于2005年7月成立了移動多跳中繼（MMR，Mobile Multi-hop Relay）研究小組，以研究在IEEE802.16系統(tǒng)中采用中繼技術(shù)的可行性，該小組為IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)的制定做了大量的前期工作。2006年3月，經(jīng)IEEE802.16執(zhí)行委員會核準(zhǔn)，成立了IEEE802.16j Relay工作小組，目標(biāo)是建立一個基于MMR框架的新一代無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)的最新草案9，在2009年2月已經(jīng)發(fā)布，目前該標(biāo)準(zhǔn)的制定已經(jīng)進(jìn)入收尾階段，有望在近期得到批準(zhǔn)。

IEEE802.16j是基于MMR框架的寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)，其核心技術(shù)是多跳中繼技術(shù)，該技術(shù)通過利用結(jié)構(gòu)相對簡單、成本相對較低的一個或多個中繼站（RS，Relay Station），在BS到用戶之間建立一條或多條輔助鏈路的方法，來對抗衰落，改善服務(wù)質(zhì)量，提高小區(qū)吞吐量。

MMR中的移動性是指IEEE802.16j系統(tǒng)對中繼站移動性的支持。IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)中繼站的移動性定義了三種類型的中繼站：固定中繼站、游牧中繼站和移動中繼站。在實(shí)際組網(wǎng)中可以根據(jù)具體應(yīng)用場景的需要，確定部署中繼站的類型。

3 IEEE802.16j和IEEE802.16e比較

IEEE802.16e是移動寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)的修訂和補(bǔ)充版本，IEEE802.16j系統(tǒng)向后兼容IEEE802.16e系統(tǒng)。由于MMR技術(shù)的引入，IEEE802.16j系統(tǒng)相對于IEEE802.16e系統(tǒng)在性能方面有了顯著的改善。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

IEEE802.16e系統(tǒng)是一個單跳的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中移動臺（MS，Mobile Station）直接同BS之間進(jìn)行通信，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單。IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)沒有采用之前同樣是支持多跳的IEEE802.16d標(biāo)準(zhǔn)中的mesh模式，而是采用樹形拓?fù)?，這種拓?fù)淇梢灾С諭EEE802.16e的PMP（Point-to-Multipoint）模式。IEEE802.16j系統(tǒng)中，MS和BS之間不僅可以直接單跳進(jìn)行通信，也可以通過RS中繼多跳來完成數(shù)據(jù)的傳送，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜[2]。

3.2 調(diào)度方式

作為一個PMP網(wǎng)絡(luò)，IEEE802.16e系統(tǒng)中所有用戶的資源分配和管理都是由BS來完成的。在調(diào)度方面，IEEE802.16j系統(tǒng)采用了集中式和分布式兩種調(diào)度方式。在集中式調(diào)度下，系統(tǒng)中所有用戶的資源分配和管理同IEEE802.16e系統(tǒng)一樣，也是由基站完成的，RS在基站和用戶之間只是起一個傳遞數(shù)據(jù)和消息的作用。在分布式調(diào)度下，RS具有一定的自主權(quán)，能夠調(diào)度與其相關(guān)聯(lián)的MS。WiMAX是一個面向連接式的網(wǎng)絡(luò)，在分布式調(diào)度下，RS就像是普通的BS那樣對與其相關(guān)的MS進(jìn)行管理，但是MS的接入鑒權(quán)和許可仍然需要BS協(xié)助[3]。

在IEEE802.16j的實(shí)際組網(wǎng)中[4]，拓?fù)錇閱翁騼商那闆r下，一般會選擇集中式調(diào)度；當(dāng)用戶接入BS大于兩跳時，采用分布式調(diào)度具有較大的優(yōu)越性。在一些高負(fù)載的小區(qū)內(nèi)，采用分布式調(diào)度，通過RS對BS的輔助作用可以緩解BS的壓力，同時也能夠幫助BS對其覆蓋范圍內(nèi)的用戶進(jìn)行更加合理公平的調(diào)度，進(jìn)而提高系統(tǒng)容量，減輕擁塞。

3.3 覆蓋范圍和覆蓋質(zhì)量

IEEE802.16e系統(tǒng)中小區(qū)的覆蓋范圍主要是由小區(qū)基站的發(fā)射功率決定的。隨著傳播距離的增加，信號的信噪比將大幅度下降，因此，位于基站覆蓋邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量很難得到保證。在IEEE802.16j系統(tǒng)中，BS利用小區(qū)內(nèi)的RS的中繼功能與位于基站覆蓋邊緣的用戶建立多跳連接，為其提供具有一定QoS保障的服務(wù)。對于一些初期沒有部署B(yǎng)S或由于某種原因無法部署B(yǎng)S的區(qū)域，在IEEE802.16j系統(tǒng)中如果該區(qū)域位于BS覆蓋范圍之外，而在RS多跳中繼覆蓋范圍之內(nèi)，則通過RS在用戶和基站間中繼轉(zhuǎn)發(fā)消息和數(shù)據(jù)，該區(qū)域的用戶也能夠享受到寬帶接入服務(wù)。通過部署RS，可以有效地消除基站覆蓋范圍內(nèi)由于建筑陰影等原因而導(dǎo)致的盲點(diǎn)區(qū)域。

與IEEE802.16e系統(tǒng)PMP模式下基站到用戶站的距離相比，IEEE802.16j系統(tǒng)中每跳距離相對較短，發(fā)射功率較小。同時由于傳輸距離短，多跳鏈路的每一跳具有比直接通信更高的傳輸速率，所以在長距離通信的情況下，利用中繼多跳可以保證高數(shù)據(jù)傳輸速率[2]。當(dāng)BS和用戶之間的直接通信環(huán)境惡劣時，利用RS的轉(zhuǎn)發(fā)功能，建立BS到用戶的多跳輔助鏈路，可以有效地改善通信服務(wù)質(zhì)量。RS之間相互協(xié)作，通過多跳中繼和頻率復(fù)用，獲得較高的協(xié)作分集增益和頻譜利用率，這將直接有益于網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提高，乃至系統(tǒng)性能的提升。

3.4 成本

成本是決定一項(xiàng)技術(shù)能否被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。與過去在覆蓋不佳的區(qū)域增設(shè)基站相比較，部署中繼站的成本要低廉很多。首先，中繼站省去了部分功能，結(jié)構(gòu)相對簡單，造價與基站相比要低；其次，中繼站不需要后端有線回程網(wǎng)絡(luò)的支撐，部署更具彈性化，縮短了部署周期；再次，中繼裝置不需要專門的發(fā)射塔，維護(hù)和部署的費(fèi)用也相對要低。低成本和部署的靈活性是IEEE802.16j系統(tǒng)的主要優(yōu)勢，無疑對運(yùn)營商具有一定的吸引力。

4 IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展

IEEE802.16j是WiMAX技術(shù)發(fā)展的新方向，IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)的研究，拓展了WiWAX技術(shù)的研究領(lǐng)域。

相比于單跳系統(tǒng)，IEEE802.16j系統(tǒng)的切換問題變得更加復(fù)雜。有研究人員提出通過增加蜂窩內(nèi)切換、減少蜂窩間切換的切換算法，以減少切換信令開支、延遲及乒乓效應(yīng)。Hyeonchae Yang等人提出了一種新的切換協(xié)議[5]，定義了多跳情況下MAC層的切換過程和管理信息，并通過仿真證明了該協(xié)議較之前IEEE802.16e的切換協(xié)議更快更安全。Sultan等人[6]以移動臺的移動速度為因變量、下行鏈路的CINR為目標(biāo)函數(shù)，在基于TDD和OFDMA兩跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，通過仿真比較了HHO、MDHO和FBSS三種切換技術(shù)，得出了MDHO優(yōu)于其余兩者的結(jié)論。

有關(guān)IEEE802.16j組網(wǎng)中BS和RS的部署問題，Yu Yang等人提出了一種BS和RS的部署模型[7]，該模型充分考慮了站點(diǎn)候選集、用戶需求及信令開支等因素。部分文獻(xiàn)研究了在曼哈頓模型下，IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)的RS部署及空間復(fù)用的方法。

頻譜是一種稀缺資源，如何更好地利用中繼，對小區(qū)的資源進(jìn)行更公平更合理的分配，使頻譜的利用率提高，小區(qū)吞吐量提升，也是研究人員關(guān)注的問題之一。Nie Chun等人提出了一種在IEEE802.16j多跳環(huán)境中，非透明模式集中調(diào)度下的多跳輪詢服務(wù)機(jī)制（mPS）[8]，并通過仿真證明了其在頻譜效率上優(yōu)于現(xiàn)行的帶寬請求機(jī)制。Chan Iam Kin等人研究了IEEE802.16j網(wǎng)絡(luò)中盡力而為業(yè)務(wù)的帶寬分配算法，在保證TCP流分配公平性的前提下，給出了一個自適應(yīng)方案，對網(wǎng)絡(luò)的吞吐量進(jìn)行聚合[9]。

此外，IEEE802.16j系統(tǒng)還有很多地方值得深入研究，如：IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)中詳述了大量的系統(tǒng)配置可選項(xiàng)，在不同的應(yīng)用案例中，選擇可選項(xiàng)的哪些子集最為合適，以及實(shí)際系統(tǒng)的具體性能如何；引入中繼后，系統(tǒng)的安全性將如何保障；系統(tǒng)內(nèi)潛在的信息沖突如何處理；多跳網(wǎng)絡(luò)中采取何種路由算法才能夠兼顧延遲最小化和吞吐量最大化等。

5 結(jié)束語

IEEE802.16j是一個整合了固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為WiMAX提供了一個基于MMR網(wǎng)絡(luò)框架的無線解決方案?；贗EEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)的移動多跳中繼系統(tǒng)，在系統(tǒng)覆蓋范圍、系統(tǒng)性能，以及組網(wǎng)成本上，都優(yōu)于IEEE802.16e系統(tǒng)。中繼多跳技術(shù)的引入，使得系統(tǒng)可以在低成本的前提下，有效地解決無線信道的衰落問題，實(shí)現(xiàn)無線寬帶通信系統(tǒng)高速率、無處不在的覆蓋目標(biāo)。

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