ＩＥＥＥ８０２．１６ｊ標準最新進展

趙興華　彭　端　鮑晶晶

【摘要】IEEE802.16j標準以IEEE802.16e標準為基礎，文章對其進行了簡單介紹，從拓撲結構、調度方式、覆蓋范圍和成本等方面將IEEE802.16j系統和IEEE802.16e系統進行了比較，綜述了有關IEEE802.16j標準研究的最新進展。

【關鍵詞】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準，WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）技術以之為基礎。WiMAX技術最初只是為固定用戶提供寬帶無線接入服務，隨著IEEE802.16系列標準的發展，它將逐步實現寬帶業務的移動化。目前正在制定中的IEEE802.16j是固定和移動寬帶無線接入系統的空中接口標準，對早前制定的IEEE802.16標準具有后向兼容性。IEEE802.16j系統以多跳中繼技術為核心，采用了基于中繼的網絡架構，能夠在低成本下實現高覆蓋。

2 IEEE802.16j標準研究背景

基于傳統蜂窩架構的WiMAX網絡存在著一定的覆蓋問題，有效數據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質量很難被保障。目前無線網絡中主要是采用增加基站部署密度或者是在小區內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，在系統性能和成本之間找到更好的平衡點，IEEE802.16標準化組織于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系統中采用中繼技術的可行性，該小組為IEEE802.16j標準的制定做了大量的前期工作。2006年3月，經IEEE802.16執行委員會核準，成立了IEEE802.16j Relay工作小組，目標是建立一個基于MMR框架的新一代無線城域網標準。IEEE802.16j標準的最新草案9，在2009年2月已經發布，目前該標準的制定已經進入收尾階段，有望在近期得到批準。

IEEE802.16j是基于MMR框架的寬帶無線接入空中接口標準，其核心技術是多跳中繼技術，該技術通過利用結構相對簡單、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，改善服務質量，提高小區吞吐量。

MMR中的移動性是指IEEE802.16j系統對中繼站移動性的支持。IEEE802.16j標準中根據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。在實際組網中可以根據具體應用場景的需要，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準，IEEE802.16j標準是IEEE802.16e標準的修訂和補充版本，IEEE802.16j系統向后兼容IEEE802.16e系統。由于MMR技術的引入，IEEE802.16j系統相對于IEEE802.16e系統在性能方面有了顯著的改善。

3.1 拓撲結構

IEEE802.16e系統是一個單跳的網絡，網絡中移動臺（MS，Mobile Station）直接同BS之間進行通信，拓撲結構比較簡單。IEEE802.16j標準沒有采用之前同樣是支持多跳的IEEE802.16d標準中的mesh模式，而是采用樹形拓撲，這種拓撲可以支持IEEE802.16e的PMP（Point-to-Multipoint）模式。IEEE802.16j系統中，MS和BS之間不僅可以直接單跳進行通信，也可以通過RS中繼多跳來完成數據的傳送，網絡拓撲結構相對復雜[2]。

3.2 調度方式

作為一個PMP網絡，IEEE802.16e系統中所有用戶的資源分配和管理都是由BS來完成的。在調度方面，IEEE802.16j系統采用了集中式和分布式兩種調度方式。在集中式調度下，系統中所有用戶的資源分配和管理同IEEE802.16e系統一樣，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據和消息的作用。在分布式調度下，RS具有一定的自主權，能夠調度與其相關聯的MS。WiMAX是一個面向連接式的網絡，在分布式調度下，RS就像是普通的BS那樣對與其相關的MS進行管理，但是MS的接入鑒權和許可仍然需要BS協助[3]。

在IEEE802.16j的實際組網中[4]，拓撲為單跳或兩跳的情況下，一般會選擇集中式調度；當用戶接入BS大于兩跳時，采用分布式調度具有較大的優越性。在一些高負載的小區內，采用分布式調度，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對其覆蓋范圍內的用戶進行更加合理公平的調度，進而提高系統容量，減輕擁塞。

3.3 覆蓋范圍和覆蓋質量

IEEE802.16e系統中小區的覆蓋范圍主要是由小區基站的發射功率決定的。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質量很難得到保證。在IEEE802.16j系統中，BS利用小區內的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。對于一些初期沒有部署BS或由于某種原因無法部署BS的區域，在IEEE802.16j系統中如果該區域位于BS覆蓋范圍之外，而在RS多跳中繼覆蓋范圍之內，則通過RS在用戶和基站間中繼轉發消息和數據，該區域的用戶也能夠享受到寬帶接入服務。通過部署RS，可以有效地消除基站覆蓋范圍內由于建筑陰影等原因而導致的盲點區域。

與IEEE802.16e系統PMP模式下基站到用戶站的距離相比，IEEE802.16j系統中每跳距離相對較短，發射功率較小。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據傳輸速率[2]。當BS和用戶之間的直接通信環境惡劣時，利用RS的轉發功能，建立BS到用戶的多跳輔助鏈路，可以有效地改善通信服務質量。RS之間相互協作，通過多跳中繼和頻率復用，獲得較高的協作分集增益和頻譜利用率，這將直接有益于網絡吞吐量的提高，乃至系統性能的提升。

3.4 成本

成本是決定一項技術能否被推廣應用的關鍵因素之一。與過去在覆蓋不佳的區域增設基站相比較，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，結構相對簡單，造價與基站相比要低；其次，中繼站不需要后端有線回程網絡的支撐，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射塔，維護和部署的費用也相對要低。低成本和部署的靈活性是IEEE802.16j系統的主要優勢，無疑對運營商具有一定的吸引力。

4 IEEE802.16j標準相關技術的研究進展

IEEE802.16j是WiMAX技術發展的新方向，IEEE802.16j標準相關技術的研究，拓展了WiWAX技術的研究領域。

相比于單跳系統，IEEE802.16j系統的切換問題變得更加復雜。有研究人員提出通過增加蜂窩內切換、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。Hyeonchae Yang等人提出了一種新的切換協議[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議較之前IEEE802.16e的切換協議更快更安全。Sultan等人[6]以移動臺的移動速度為因變量、下行鏈路的CINR為目標函數，在基于TDD和OFDMA兩跳蜂窩網絡中，通過仿真比較了HHO、MDHO和FBSS三種切換技術，得出了MDHO優于其余兩者的結論。

有關IEEE802.16j組網中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候選集、用戶需求及信令開支等因素。部分文獻研究了在曼哈頓模型下，IEEE802.16j網絡的RS部署及空間復用的方法。

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

此外，IEEE802.16j系統還有很多地方值得深入研究，如：IEEE802.16j標準中詳述了大量的系統配置可選項，在不同的應用案例中，選擇可選項的哪些子集最為合適，以及實際系統的具體性能如何；引入中繼后，系統的安全性將如何保障；系統內潛在的信息沖突如何處理；多跳網絡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 結束語

IEEE802.16j是一個整合了固定和移動寬帶無線接入系統的空中接口標準，該標準為WiMAX提供了一個基于MMR網絡框架的無線解決方案。基于IEEE802.16j標準的移動多跳中繼系統，在系統覆蓋范圍、系統性能，以及組網成本上，都優于IEEE802.16e系統。中繼多跳技術的引入，使得系統可以在低成本的前提下，有效地解決無線信道的衰落問題，實現無線寬帶通信系統高速率、無處不在的覆蓋目標。

參考文獻

[1]曾志民, 張天魁. IEEE 802.16j中的協作中繼機制[J]. 現代電信科技, 2008, 38(1):54-56.

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[3]由磊, 宋俊德, 彭海蘭. 多跳中繼增強的WiMAX網絡架構與組網成本分析[J]. 移動通信, 2008, 32(8):28-32.

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[7]Yang Yu, Murphy S, Murphy L. Planning base station and relay station locations in IEEE 802.16j multi-hop relay networks[C]. CCNC 5th IEEE.Las Vegas: IEEE, 2008:922-926.

[8]Chun Nie, Korakis T, Panwar S.A multi-hop polling service with bandwidth request aggregation in IEEE 802.16j networks[C]. VTC Spring IEEE. Singapore: IEEE, 2008:2172-2176.

[9]Chan Iam Kin, Liao Wanjiun. Adaptive bandwidth allocation for TCP traffic in IEEE 802.16j wireless networks with transparent relay stations[C]. PIMRC IEEE 19th International Symposium. Cannes: IEEE, 2008:1-5.