802.16

IEEE 802.16 協議標準是按照兩層結構體系組織的,它定義了一個物理層和一個MAC 層。圖1給出了802.16的協議堆棧結構。

最底層是物理層，該標準定義的物理層是1 0 ～ 66GHz，這一頻譜被默認為本地多點分佈服務(LMDS) 的頻譜，該層的協議主要是關於頻率帶寬、調製模式、糾錯技術以及發射機同接收機之間的同步、數據傳輸率和時分複用結構等方面的。同時，工作組已修改基本IEEE 802.16 標準來適應低頻。修改的IEEE 802.16a用於2～11GHz 的公開波段，目前已經正式公佈；修訂的802.16b 是要滿足5～6GHz（有時它稱為U-NII 波段）免授權應用的需要。

在物理層之上是介質訪問控制MAC 層，在該層上IEEE 802.16規定的主要是為用户提供服務所需的各種功能。它主要負責將數據組成幀格式來傳輸和對用户如何接入到共享的無線介質中進行控制 ^[1]  。

IEEE 802.16物理層定義了兩種雙工方式: TDD和FDD，這兩種方式都使用突發數據傳輸格式，這種傳輸機制支持自適應的突發業務數據，傳輸參數（調製方式、編碼方式、發射功率等）可以動態調整，但是需要MAC層協助完成。FDD 既支持全雙工的SS，也支持半雙工的SS，但是支持半雙工FDD SS 會增加系統調度的複雜性。

物理層的上行鏈路採用TDMA 和DAMA 混合接入方式，上行信道分為許多個微時隙（mini-slot），由MAC 層控制這些微時隙的分配，根據用户的不同需求分配時隙，更好地利用上行信道資源。

下行鏈路一般採用TDM 方式，發送給各個SS 的數據採用時分複用的方式進行傳輸， 數據按照穩健性降序排列，各個SS 根據MAC 報頭中的目的地地址接收發送給自己的數據。而對於發送給半雙工FDD方式的SS，下行數據的傳輸採用TDMA 方式，每個TDMA 數據部分前面都有前綴，主要是為了防止SS 失去同步。

物理層的數據分幀進行傳輸，802.16 標準中規定幀長可以為0.5ms、1ms 或2ms。其上行（下行）數據的傳輸流程圖如圖2 所示。

IEEE 802.16 MAC 吸收了DOCSIS 標準，這一標準已被成功的配置在混合光纖同軸電纜系統裏， 這一系統有一個相似的點對多點結構。然而，802.16 的MAC協議工程是一個新的設計。 它是一個能通過空中接口穿透任何協議並帶有完整服務支持的連接導向的MAC。

子層

如圖1 所示，IEEE 802.16 的MAC 層包括3個子層:

會聚子層（CS）：該層根據提供服務的不同，提供不同的功能。對於IEEE 802.16來説，能提供的服務包括數字音頻/ 視頻廣播、數字電話、異步傳輸模式ATM、因特網接入、電話網絡中無線中繼和幀中繼等; 802.16 標準中定義了兩種類型的會聚子層：ATM 會聚子層和數據包會聚子層，它的主要作用就是對上層的SDU 進行分類，把它們和適當的MAC 連接對應起來，確保不同業務的QoS；

共用部分子層（CPS）：它提供了MAC 層的核心功能，例如系統接入、帶寬分配、連接建立和連接維護等。

加密子層（PS）：提供BS 和SS 之間的保密性，它包括兩個部分: 一是加密封裝協議，負責空中傳輸的分組數據的加密，二是密鑰管理協議（PKM），負責BS到SS 之間密鑰的安全發放。

主要功能

媒體接入控制是M A C 層的主要功能，M A C 層的中心論題是相互競爭的用户之間如何分配信道資源，IEEE 802.16標準使用的是按需分配多路尋址－時分多址（D A M A - T D M A ）。D A M A 技術是一種根據多個站點之間的容量需要的不同而動態地分配信道容量的技術。TDMA 是一種時分技術，它將一個信道分成一系列的幀，每個幀都包含很多的小時間單位，稱為時隙。時分多路技術可以根據每個站點的需要為其在每個幀中分配一定數量的時隙來組成每個站點的邏輯信道。通過DAMA-TDMA 技術， 每個信道的時隙分配可以動態地改變。BS 控制每個時隙的使用情況，一些時隙分配給特定的SS 傳輸數據，還有一些競爭時隙用於所有的SS申請帶寬，其它的時隙用於新的SS 接入網絡。

M A C 層除了要實現媒體接入控制這個主要功能，還具有加密功能，MAC 層要進行數據加密，SS 進入系統時要進行SS 的鑑權及密鑰的交換。另外還可以在初始化時建立安全連接， 這些措施都是為了確保數據傳輸的保密性。

M A C 層還包含一個會聚子層，它可以把I P 、Ethernet 和ATM 業務映射到MAC 層，根據提供服務的不同提供不同的功能。

802.16 具有一個靈活的MAC 層，而且它是連接導向（connection-oriented）的，所有業務包括一些無連接業務也要映射到一個連接上進行傳輸。每個連接具有一個16bit 的連接標識符（CID），SS在進入網絡以後，每個方向上都會分配三個管理連接，它們分別是：

基本連接：用來傳輸較短的對時間要求嚴格的M A C 控制消息和R L C 消息等；

主要管理連接: 用來傳輸鑑權和連接建立等消息;

輔助管理連接：用來傳輸DHCP或SNMP管理消息等。

除了這些管理連接以外，BS 還會為SS分配傳輸連接，用於數據的傳輸,傳輸連接通常是成對進行分配的。MAC 層還要保留一些連接用於其它目的，用於系統的初始接入，下行鏈路廣播消息的發送，或是用於下行鏈路多播消息的發送等。

在802.16 標準中定義了一系列MAC 管理消息，這些消息是攜帶在MAC PDU 的有效載荷部分中。BS 對SS的一些控制功能就是通過發送這些管理消息實現的，目前在802.16 標準中已經定義了33 個MAC 管理消息，下面介紹幾個比較重要的管理消息：

UL-MAP 消息：它是一個長度可變的MAC 管理消息，定義了上行鏈路的發送機會，它包括一個固定長度的消息頭和一些信息實體（IE），其中每個IE定義了一定時間範圍內微時隙的使用情況。UL-MAP 消息大小的選擇對系統的性能有很大影響，UL-MAP 尺寸過大會帶來較大的接入時延， 但它的尺寸最小應該大於BS 和SS 之間的往返時延，往返時延包括以下所有時延之和：下行編碼、下行交織、下行傳輸時延、SS 解碼、SS 處理UL-MAP 消息時延、上行編碼時延、上行傳輸時延、BS 解碼時延。因此可以根據系統的上述參數確定UL-MAP 消息的大小，在IEEE 802.16 標準中並沒有明確規定U L - M A P 消息的大小；

UCD 消息：BS 週期性發送的一個消息，定義了上行物理信道的特性。其中包括下列參數: 配置改變計數器、微時隙大小、上行信道ID、請求退避開始、請求退避結束、上行突發序列屬性等；

DL-MAP 消息：定義了下行鏈路的信息，包含一些消息實體；

DCD 消息：BS 週期性發送的一個消息，定義了下行物理信道的特性；

DSC-REQ 消息：當BS 或SS 需要改變現有業務流的物理參數時發送此消息，接收方收到此消息後，會發送DSC-RSP 消息做出應答；

DSA-REQ 消息：BS 或SS 可以發送此消息來建立一個新的業務流；

DSD-REQ 消息：BS 或SS 可以發送此消息來刪除一個現有的業務流。

IEEE802.16並未規定具體的載波帶寬，系統可以採用從1.25～20MHz之間的帶寬。考慮各個國家已有固定無線接入系統的載波帶寬劃分，IEEE802.16規定了幾個系列，1.25MHz的倍數、1.75MHz的倍數。1.25MHz系列包括1.25/2.5/5/10/20MHz等。1.75MHz系列包括1.75/3.5/7/14MHz等。對於10～66GHz的固定無線接入系統，還可以採用28MHz載波帶寬，提供更高的接入速率。

帶寬請求和分配是MAC 層的一個重要功能，在固定寬帶無線接入系統中，各SS 採用TDMA 方式共享上行信道，SS首先提出帶寬請求，向BS上報業務量信息，BS 根據整個系統的業務量來分配空中帶寬資源。IEEE 802.16中並沒有明確的具體規定帶寬的分配算法，各個設備供應商可以自行開發。

SS 向BS 提出帶寬請求有兩種方式，一種是單獨請求（stand-alone request）, 一種是捎帶請求（piggyback request），當BS為SS分配了業務信道時，SS 可在此業務信道中捎帶其帶寬請求消息。

為了支持不同類型的業務，IEEE 802.16結合使用單播、多播、廣播三種查詢方式來支持不同的QoS，在這個標準中定義了四種類型的業務，並對每種業務的帶寬請求方式做了相關的規定：

主動授權業務(UGS): 用於支持固定速率的實時業務，不能使用任何類型的競爭請求機會，並禁止捎帶請求；實時查詢業務（rtPS）:用於支持可變速率實時業務，BS 為其提供週期性的單播查詢機會，並禁止使用其它競爭請求機會，但是可以捎帶請求；非實時查詢業務（nrtPS）：BS 為其提供經常性的單播查詢機會（可以是週期或非週期性的），並允許使用競爭和捎帶請求； 盡力而為業務（BE）：允許使用任何類型的請求機會和捎帶請求。當SS提出帶寬請求以後，BS會有兩種分配帶寬的方式，應答消息包含在U L - M A P 消息中： GPC: BS 單獨為某個連接分配帶寬，適合於每個SS 具有很少用户的情況，但是這樣做需要較大的額外比特開銷； GPSS：BS 為整個SS 分配帶寬，SS 再進行帶寬的具體分配， 這就允許一個智能用户站在用户中再分配帶寬，這有利於在商業和居民建築物中更有效的分配帶寬資源。適合於每個SS 具有較多連接的情況。 IEEE 802.16 標準中要求採用10～66GHz物理層規範的系統必須使用GPSS 方式。

IEEE 802.16-2005, 2005年12月訂定(之前的名稱為802.16e或稱為 Mobile WiMAX，但目前仍廣為使用)。 WiMAX 移動式標準，是一項對於固定式WiMax標準的改良，特別是在調製(modulation schemes)的部分。這項標準經由OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)允許固定式與移動式的Non Line of Sight (NLOS)應用。

IEEE 802.16 寬帶無線網絡802.16是一種無線寬帶標準由IEEE制定。目前的版本是IEEE的802.16j，2009年修訂802.16-2009。802.16是成立於1999年寫的由IEEE標準委員會制定的寬帶無線城域網全球部署標準的工作組。該工作組是一個在IEEE 802局域網/城域網標準委員會單位。雖然802.16系列標準在IEEE正式稱為WirelessMAN ，它已被商業化的名義下“的WiMAX”（選自“全球互通微波存取”）的產業聯盟稱為WiMAX論壇。論壇的使命是促進和認證的兼容性和互用性的寬帶無線產品在以IEEE 802.16標準為基礎。現已在過程定義被全世界140多個國家在全球部署了超過475個運營商。

北京時間4月1日上午消息，電氣與電子工程師協會(IEEE)今天批准IEEE 802.16m成為下一代WiMax標準，該標準可支持超過300Mbps的下行速率。

IEEE 802.16m標準也被稱作WirelessMAN-Advanced或者WiMax 2，是繼802.16e後的第二代移動WiMax國際標準。IEEE表示，新標準的制定花費了超過四年的時間，但是更多的運營商目前還是選擇使用其它標準。比如，大多數想要部署4G網絡的運營商選擇的是長期演進(LTE)技術，它與WiMax擁有着部分共同點，但是由不同標準機構制定。

在2010年東京舉行的CEATAC展會上，三星演示了一種下行速率在330Mbps的準標準802.16m網絡，該標準意在為終端用户提供大約100Mbps的下行速率。802.16m被國際電信聯盟(ITU)認定為真正的4G技術。

移動WiMax(802.16e)標準在五年前獲批，早於LTE應用被應用為下一代通信技術，但是目前大部分設備廠商都圍繞在LTE技術周圍，即便是全球最大的移動WiMax提供商Clearwire也已經開始測試LTE技術。

Sprint也表示對802.16m技術充滿興趣，並表示能夠提供128Mbps到360Mbps的下行速率。不過隨着Clearwire用於拓展未來網絡的資金吃緊，業界分析師對於Clearwire和Sprint的未來技術開發表示質疑。