ＩＥＥＥ８０２．１６ｊ标准最新进展

赵兴华　彭　端　鲍晶晶

【摘要】IEEE802.16j标准以IEEE802.16e标准为基础，文章对其进行了简单介绍，从拓扑结构、调度方式、覆盖范围和成本等方面将IEEE802.16j系统和IEEE802.16e系统进行了比较，综述了有关IEEE802.16j标准研究的最新进展。

【关键词】IEEE802.16j IEEE802.16e WiMAX 移动多跳中继

1 引言

IEEE802.16是新一代宽带无线接入标准，WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）技术以之为基础。WiMAX技术最初只是为固定用户提供宽带无线接入服务，随着IEEE802.16系列标准的发展，它将逐步实现宽带业务的移动化。目前正在制定中的IEEE802.16j是固定和移动宽带无线接入系统的空中接口标准，对早前制定的IEEE802.16标准具有后向兼容性。IEEE802.16j系统以多跳中继技术为核心，采用了基于中继的网络架构，能够在低成本下实现高覆盖。

2 IEEE802.16j标准研究背景

基于传统蜂窝架构的WiMAX网络存在着一定的覆盖问题，有效数据传输速率会随着用户与基站（BS，Base Station）之间距离的增加而递减，因此那些位于BS覆盖边缘的用户的服务质量很难被保障。目前无线网络中主要是采用增加基站部署密度或者是在小区内部署直放站的方法来解决此类问题，然而前种方法成本较高，后种方法中存在着有用信号和干扰信号被同时放大的问题[1]。

为了根本解决这些问题，在系统性能和成本之间找到更好的平衡点，IEEE802.16标准化组织于2005年7月成立了移动多跳中继（MMR，Mobile Multi-hop Relay）研究小组，以研究在IEEE802.16系统中采用中继技术的可行性，该小组为IEEE802.16j标准的制定做了大量的前期工作。2006年3月，经IEEE802.16执行委员会核准，成立了IEEE802.16j Relay工作小组，目标是建立一个基于MMR框架的新一代无线城域网标准。IEEE802.16j标准的最新草案9，在2009年2月已经发布，目前该标准的制定已经进入收尾阶段，有望在近期得到批准。

IEEE802.16j是基于MMR框架的宽带无线接入空中接口标准，其核心技术是多跳中继技术，该技术通过利用结构相对简单、成本相对较低的一个或多个中继站（RS，Relay Station），在BS到用户之间建立一条或多条辅助链路的方法，来对抗衰落，改善服务质量，提高小区吞吐量。

MMR中的移动性是指IEEE802.16j系统对中继站移动性的支持。IEEE802.16j标准中根据中继站的移动性定义了三种类型的中继站：固定中继站、游牧中继站和移动中继站。在实际组网中可以根据具体应用场景的需要，确定部署中继站的类型。

3 IEEE802.16j和IEEE802.16e比较

IEEE802.16e是移动宽带无线接入空中接口标准，IEEE802.16j标准是IEEE802.16e标准的修订和补充版本，IEEE802.16j系统向后兼容IEEE802.16e系统。由于MMR技术的引入，IEEE802.16j系统相对于IEEE802.16e系统在性能方面有了显著的改善。

3.1 拓扑结构

IEEE802.16e系统是一个单跳的网络，网络中移动台（MS，Mobile Station）直接同BS之间进行通信，拓扑结构比较简单。IEEE802.16j标准没有采用之前同样是支持多跳的IEEE802.16d标准中的mesh模式，而是采用树形拓扑，这种拓扑可以支持IEEE802.16e的PMP（Point-to-Multipoint）模式。IEEE802.16j系统中，MS和BS之间不仅可以直接单跳进行通信，也可以通过RS中继多跳来完成数据的传送，网络拓扑结构相对复杂[2]。

3.2 调度方式

作为一个PMP网络，IEEE802.16e系统中所有用户的资源分配和管理都是由BS来完成的。在调度方面，IEEE802.16j系统采用了集中式和分布式两种调度方式。在集中式调度下，系统中所有用户的资源分配和管理同IEEE802.16e系统一样，也是由基站完成的，RS在基站和用户之间只是起一个传递数据和消息的作用。在分布式调度下，RS具有一定的自主权，能够调度与其相关联的MS。WiMAX是一个面向连接式的网络，在分布式调度下，RS就像是普通的BS那样对与其相关的MS进行管理，但是MS的接入鉴权和许可仍然需要BS协助[3]。

在IEEE802.16j的实际组网中[4]，拓扑为单跳或两跳的情况下，一般会选择集中式调度；当用户接入BS大于两跳时，采用分布式调度具有较大的优越性。在一些高负载的小区内，采用分布式调度，通过RS对BS的辅助作用可以缓解BS的压力，同时也能够帮助BS对其覆盖范围内的用户进行更加合理公平的调度，进而提高系统容量，减轻拥塞。

3.3 覆盖范围和覆盖质量

IEEE802.16e系统中小区的覆盖范围主要是由小区基站的发射功率决定的。随着传播距离的增加，信号的信噪比将大幅度下降，因此，位于基站覆盖边缘用户的服务质量很难得到保证。在IEEE802.16j系统中，BS利用小区内的RS的中继功能与位于基站覆盖边缘的用户建立多跳连接，为其提供具有一定QoS保障的服务。对于一些初期没有部署BS或由于某种原因无法部署BS的区域，在IEEE802.16j系统中如果该区域位于BS覆盖范围之外，而在RS多跳中继覆盖范围之内，则通过RS在用户和基站间中继转发消息和数据，该区域的用户也能够享受到宽带接入服务。通过部署RS，可以有效地消除基站覆盖范围内由于建筑阴影等原因而导致的盲点区域。

与IEEE802.16e系统PMP模式下基站到用户站的距离相比，IEEE802.16j系统中每跳距离相对较短，发射功率较小。同时由于传输距离短，多跳链路的每一跳具有比直接通信更高的传输速率，所以在长距离通信的情况下，利用中继多跳可以保证高数据传输速率[2]。当BS和用户之间的直接通信环境恶劣时，利用RS的转发功能，建立BS到用户的多跳辅助链路，可以有效地改善通信服务质量。RS之间相互协作，通过多跳中继和频率复用，获得较高的协作分集增益和频谱利用率，这将直接有益于网络吞吐量的提高，乃至系统性能的提升。

3.4 成本

成本是决定一项技术能否被推广应用的关键因素之一。与过去在覆盖不佳的区域增设基站相比较，部署中继站的成本要低廉很多。首先，中继站省去了部分功能，结构相对简单，造价与基站相比要低；其次，中继站不需要后端有线回程网络的支撑，部署更具弹性化，缩短了部署周期；再次，中继装置不需要专门的发射塔，维护和部署的费用也相对要低。低成本和部署的灵活性是IEEE802.16j系统的主要优势，无疑对运营商具有一定的吸引力。

4 IEEE802.16j标准相关技术的研究进展

IEEE802.16j是WiMAX技术发展的新方向，IEEE802.16j标准相关技术的研究，拓展了WiWAX技术的研究领域。

相比于单跳系统，IEEE802.16j系统的切换问题变得更加复杂。有研究人员提出通过增加蜂窝内切换、减少蜂窝间切换的切换算法，以减少切换信令开支、延迟及乒乓效应。Hyeonchae Yang等人提出了一种新的切换协议[5]，定义了多跳情况下MAC层的切换过程和管理信息，并通过仿真证明了该协议较之前IEEE802.16e的切换协议更快更安全。Sultan等人[6]以移动台的移动速度为因变量、下行链路的CINR为目标函数，在基于TDD和OFDMA两跳蜂窝网络中，通过仿真比较了HHO、MDHO和FBSS三种切换技术，得出了MDHO优于其余两者的结论。

有关IEEE802.16j组网中BS和RS的部署问题，Yu Yang等人提出了一种BS和RS的部署模型[7]，该模型充分考虑了站点候选集、用户需求及信令开支等因素。部分文献研究了在曼哈顿模型下，IEEE802.16j网络的RS部署及空间复用的方法。

频谱是一种稀缺资源，如何更好地利用中继，对小区的资源进行更公平更合理的分配，使频谱的利用率提高，小区吞吐量提升，也是研究人员关注的问题之一。Nie Chun等人提出了一种在IEEE802.16j多跳环境中，非透明模式集中调度下的多跳轮询服务机制（mPS）[8]，并通过仿真证明了其在频谱效率上优于现行的带宽请求机制。Chan Iam Kin等人研究了IEEE802.16j网络中尽力而为业务的带宽分配算法，在保证TCP流分配公平性的前提下，给出了一个自适应方案，对网络的吞吐量进行聚合[9]。

此外，IEEE802.16j系统还有很多地方值得深入研究，如：IEEE802.16j标准中详述了大量的系统配置可选项，在不同的应用案例中，选择可选项的哪些子集最为合适，以及实际系统的具体性能如何；引入中继后，系统的安全性将如何保障；系统内潜在的信息冲突如何处理；多跳网络中采取何种路由算法才能够兼顾延迟最小化和吞吐量最大化等。

5 结束语

IEEE802.16j是一个整合了固定和移动宽带无线接入系统的空中接口标准，该标准为WiMAX提供了一个基于MMR网络框架的无线解决方案。基于IEEE802.16j标准的移动多跳中继系统，在系统覆盖范围、系统性能，以及组网成本上，都优于IEEE802.16e系统。中继多跳技术的引入，使得系统可以在低成本的前提下，有效地解决无线信道的衰落问题，实现无线宽带通信系统高速率、无处不在的覆盖目标。

参考文献

[1]曾志民, 张天魁. IEEE 802.16j中的协作中继机制[J]. 现代电信科技, 2008, 38(1):54-56.

[2]李丹丹, 靳浩. 多跳网络技术在WiMAX网络中的应用[J]. 数据通信, 2008(3):18-23.

[3]由磊, 宋俊德, 彭海兰. 多跳中继增强的WiMAX网络架构与组网成本分析[J]. 移动通信, 2008, 32(8):28-32.

[4]Genc V, Murphy S, Yang Yu, et al. IEEE 802.16j relay-based wireless access networks: an overview[J]. Wireless Communications, IEEE, 2008,15(5)：56-63.

[5]Yang H, Lee H, Lee M. A mobility management protocol for multi-hop relay networks[C]. ICACT 10th International Conference. Gangwon-Do: ICACT, 2008:37-42.

[6]Sultan J, Ismail M, Misran N. Downlink performance of handover techniques for IEEE 802.16j multi-hop relay networks[C]. 4th IEEE/IFIP International Conference. Tashkent: IEEE/IFIP, 2008:1-4.

[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.