2024年6月2日发(作者:)

DOI:10.13992/.2005.01.011

标 准 与 规 范

2005.1电信工程技术与标准化

IEEE 802.11与802.16系列标准的分析与比较

陈  卓  余重秀  于志辉  徐大雄  李海军

(北京邮电大学电子工程学院  北京 100876)

摘  要   介绍和分析了用于构建宽带WLAN的IEEE 802.11系列标准与构建宽带WMAN的IEEE 802.16系列标准,

         对二者所涉及的技术特点和主要参数分别作了详细的比较,并阐述了它们的关系及其应用。

关键词   IEEE 802.11  IEEE 802.16  WLAN  WMAN  Wi-Fi  WiMax  宽带无线接入

近年来, 随着社会信息化的不断推进与通信技术的

迅猛发展,以IP应用为代表的宽带多媒体数据业务正成

为网络业务发展的主流。相对于广域网、城域网面向宽

带化、全业务、智能化的大规模建设和完善,现有的铜

线、 电缆接入技术面对用户对信息业务日益丰富的需求

时越来越显得力不从心, 而最为理想的光纤接入因敷设

复杂、成本高昂等因素尚难普及。由此,作为更灵活选

择的宽带无线接入以其经济便捷、运维简单、容量高覆

盖面广、可快速提供宽带业务等突出优点得到广泛青

睐,其中尤以基于IEEE 802.11系列标准的WLAN与

基于IEEE 802.16系列标准的WMAN引人瞩目。本文

将分别介绍和分析这两大标准体系, 并对其所采用的技

术体系、 主要参数及适用范围等做出较详细的阐述和比

较。

同组成宽带无线接入的网络链架构, 也有着支撑各自运

行的IEEE 802系列主要标准。如图1所示。

图1  宽带无线接入的网络链及其主要标准

在网络构成上,以IEEE 802.15系列标准为代表的

WPAN位于整个网络链的末端,工作在个人操作环境,

用于解决点到点的短距离连接; 以IEEE 802.11系列

标准为代表的WLAN被称为“WMAN的毛细血管”,用

1  IEEE 802系列主要标准简介

就主要覆盖区域而言, 宽带无线接入一般包含四种

范围的网络: 无线个域网(WPAN,Wireless Personal

Area Networks),无线局域网(WLAN,Wireless

Local Area Networks),无线城域网(WMAN,

Wireless Metropolitan Area Networks), 无线广域网

(WWAN, Wireless Wide Area Networks),它们共

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于点对多点的无线连接, 解决用户群内部的信息交流和

网际接入; 以IEEE 802.16系列标准为代表的WMAN

主要用于本地多点连接,既可将802.11系列无线接入

热点等连接到互联网,也可连结公司与家庭等环境至

有线骨干线路; 以IEEE 802.16系列标准为代表的

WWAN满足超出一个城市范围的信息交流和网际接入

需求, 让用户可以和远方的公众或私人网络建立无线连

接。而IEEE 802.21标准主要用以满足在不同网络范围

电信工程技术与标准化2005.1

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中的漫游切换和互操作要求。(OFDM)。IEEE 802.11b是目前应用的主流。

鉴于IEEE 802.11a与802.11b的产品因为频段与

2  用于构建宽带WLAN的IEEE 802.11

   系列标准

WLAN是计算机网络与无线通信技术相结合的产

物,它以无线多址信道作为传输媒介,使用电磁频谱来

传递信息。WLAN开始是作为有线局域网的延伸而存

在的,但随着应用的发展和技术的进步,WLAN正逐

渐发展成为“公共无线局域网”,为校园、家庭、酒店

及各大企事业单位提供高速的无线接入能力, 以满足各

类用户对语音、图像乃至于多媒体通信的需求,真正实

现宽带网络无线接入。

IEEE的802.11工作组是无线局域网标准的两大主

要开发组织之一,开发的主要是IEEE 802.11标准,另

一个是欧洲ETSI的RES10工作组,开发的主要是

HiperLan/2标准。经过多年努力,IEEE 802.11已经

发展成为了一个系列标准,其中于1997年6月公布的

IEEE 802.11标准被认为是第一代无线局域网标准,定

义了工作在2.4GHz开放频段的物理层(PHY)和媒体

访问控制(MAC)层规范,支持1Mbit/s和2Mbit/s

的数据传输速率。 802.11标准主要用于解决办公室局域

网和校园网中用户与用户终端的无线接入, 其业务范围

主要限于数据存取,速率最高只能达2Mbit/s。由于它

在速率、传输距离、安全性、电磁兼容能力及服务质量

方面均不尽人意,从而产生了其系列标准。

1999年9月通过的IEEE 802.11b工作在2.4~

2.483GHz频段,使用带有防数据丢失特性的载波检测

多址连接(CSMA/CA)作为路径共享协议,物理层调

制方式为补码键控(CCK)的直接序列扩频(DSSS)。

802.11b可根据系统信噪比状况或运用DSSS技术自动

调整以支持11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s

或更低的数据速率。2000年颁布的IEEE 802.11a工作

在5GHz频段,在整个覆盖范围内提供了更高的速度(其

速率可高达54Mbit/s)。它与802.11b一样采用了

CSMA/CA协议,但物理层采用正交频分复用技术

物理层调制方式不同而无法互通, IEEE又在2001年11月

批准了新的802.11g标准。802.11g既可工作于2.4GHz

频率下提供11Mbit/s的传输速率,也可在5GHz频率

下提供最高54Mbit/s的传输速率。802.11g中规定的调

制方式包括802.11a中采用的OFDM与802.11b中采用

的CCK。802.11g通过规定两种调制方式,不仅达到了

用2.4GHz频段实现802.11a 54Mbit/s的数据传送速

度,也确保了与802.11b产品的兼容。因此它既适应传

统的802.11b标准,也符合802.11a标准。表1列出了

802.11a、802.11b和802.11g三大标准的主要技术参

数。

表1  IEEE 802.11a、802.11b和802.11g的

主要技术参数

标准调制方式工作频率数据速率传输范围

802.11aOFDM5GHz6~54Mbit/s60英尺

802.11bDSSS (CCK)2.4GHz1~11Mbit/s300英尺

802.11gCCK/OFDM2.4GHz1~54Mbit/s300英尺

综合考虑传输速率、工作频段与成本等因素,上述

三大标准各有优劣。802.11a的优势在于传输速率快(最

高可达54Mbit/s)且受干扰少,但价格较高,且工作频

段为5GHz,而不同国家开放的频段却不尽相同。802.11b

的优势在于价格低廉,但速率较低(最高仅为11Mbit/s),

但其是目前宽带无线接入产品的主流标准。802.11g速

率较高,价格也介于802.11a和802.11b之间并可向下

兼容802.11b,故有取代802.11a的趋势,但其技术相

对稍显复杂些。 目前国内外不少厂商都在积极研发其产

品。

IEEE的802.11工作组除了制订了上述的三个主要

WLAN协议之外,还在不断完善这些协议,推出或即

将推出一些新协议。

802.11c为MAC/LLC性能增强。802.11d是使

802.11b可用于其它频率的版本,以适应一些不能使用

2.4GHz频段的国家。802.11e的特点是在802.11中增

加了QoS能力, 其分布式控制模式可提供稳定合理的服

务质量,而集中控制模式可灵活支持多种服务质量策

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略。它用TDMA方式取代类似Ethernet的MAC层,为

重要的数据增加额外的纠错功能。802.11f的目的是改

善802.11协议的切换机制,使用户能够在不同的无线信

道或者在接入设备间漫游。802.11h能比802.11a更好

地控制发送功率和选择无线信道,与802.11e一起可以

适应欧洲更严格的标准。802.11i及802.1x主要着重于

安全性,802.11i能支持鉴权和加密算法的多种框架协

议,支持企业、公众及家庭应用,802.1x的核心为具有

可扩展认证协议EAP,可对以太网端口鉴权,扩展至无

线应用。802.11j的作用是使802.11a和HiperLAN2网

络能够互通。802.11/WNG解决IEEE 802.11与欧洲

ETSI的BRAN-HiperLAN及日本ARAB-HiSWAN

统一建成全球一致的WLAN公共接口。802.11n将速

率增强至108/320Mbit/s,并进一步改进了其管理开销

及效率。802.11/RRM是与无线电资源管理有关的标

准,以增强802.11的性能。802.11/HT用以进一步增

强802.11的传输能力,取得更高的吞吐量。而802.11

Plus拟制订802.11WLAN与GPRS/UMTS之类多频、

多模运行的标准。

3  用于构建宽带WMAN的IEEE 802.16

   系列标准

IEEE 802.16和HiperAccess构成了MAN的宽带

表2  IEEE 802.16标准体系

类别标准序号技术说明标准名称

IEEE局域网和城域网标准第16部分IEEE 802.16规定了多业务点对多点宽带无线接

包括MAC层和物理层,点到——固定宽带无线接入系统的空中入系统的空中接口,

多点拓扑结构,还包括一个特殊的物理层实现方

案,该方案可以广泛应用于10~66GHz之间的各

种系统

IEEE 局域网和城域网标准第16部在2~11GHz(包括许可带宽和免许可带宽)的频

对MAC 层进行修改扩展和对物理层的补分——固定宽带无线接入系统的空段上,

并结合了ARQ等增强性能的技术中接口——MAC修改和2~11GHz充规范,

附加物理层规范

接口

IEEE局域网和城域网标准第16部分802.16c对802.16-2001中的错误和矛盾进行了改

更新扩展了802.16的部分内容,列出了用于——固定宽带无线接入系统的空中正,

接口——10~66GHz详细系统介绍典型情况下的特征功能集合。频率适用范围为

10~66GHz

IEEE局域网和城域网标准第16部分802.16d的目的同802.16c一样,只不过频率适用

——固定宽带无线接入系统的空中范围为2~11GHz

接口—— 2~11GHz详细系统介绍

IEEE局域网和城域网标准第16部分802.16e是对802.16与802.16a的增强,支持用户

站以车载速度移动,规定了一个系统来结合固定

和移动宽带无线接入。规定了在基站之间或扇区

之间支持高层切换的功能。适用于2~6GHz之间

许可带宽的移动业务

10~66GHz固定宽带无线接入系统的共存

802.16.2a:2~11GHz 之间许可带宽的系统共存

10~66GHz无线MAN-SC空中接口的协议实现

发布时间

802.16-20012002-04

802.16a

802.16c

2003-01

2002-12

802.16d

预计2004年

第3季度

——固定宽带无线接入系统的空中

接口的修正——低于6GHz许可带802.16e

宽的移动业务的物理层和MAC层

修改

共存802.16.2-2001IEEE局域网和城域网操作规程建议

问题固定宽带无线接入系统的共存

标准对802.16.2的修正802.16.2a

一802.16一致性标准第1部分:10~

1802.16.1

预计2005年

2001-09

2003-04

2003-06

1802.16.2

66GHz无线MAN-SC空中接口的一致性说明(PICS)形式

协议实现一致性说明(PICS)形式

802.16一致性标准第2部分:10~10~66GHz无线MAN-SC空中接口的测试集结

66GHz无线MAN-SC空中接口的构和测试目的(TSS&TP)

测试集结构和测试目的(TSS&TP)

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无线接入标准。IEEE 802.16标准的研发初衷是在

MAN领域提供高性能的、工作于10~66GHz频段的最

后一公里宽带无线接入技术,其正式名称是“固定宽带

无线接入系统空中接口(Air Interface for Fixed

Broadband Wireless Access Systems)”,又称为IEEE

Wireless MAN空中接口,是一点对多点技术。如同

IEEE 802.11标准一样,802.16也是由一系列的标准组

成,主要包括空中接口标准:802.16-2001(即通常所

说的802.16标准)、802.16a、802.16c、802.16d与

802.16e,共存问题标准:802.16.2-2001、802.16.2a,

一致性标准:1802.16.1、1802.16.2。这些标准有的已

正式发布,有的正在开发制定当中, 如表2所示。

802.16主要设计用于大业务量的业务接入,但由

于设备成本高,该标准的市场推广工作较迟缓。为了在

业已广泛使用的11GHz以下频段开发市场,而且由于

11GHz以下无线频段范围的非视距特性较理想, 树木与

建筑物等对信号传输的影响较小, 基站可直接安装于建

筑物顶部而不需要架设高大的信号传输塔,且工作于

2~11GHz的系统基本上可以满足大多数宽带无线接入

需求,因而更适于最后一公里接入领域。IEEE随之于

2003年1月29日推出了运行于2~11GHz的扩展版本

标准——IEEE 802.16a,新标准可适用于特许频段和

2.4GHz、5.8GHz等无须许可的频段。

为确保不同供应商产品与解决方案的兼容性,

802.16技术的部分领先供应商于2003年4月发起并成

立了旨在推进无线宽带接入的全球微波接入互操作系统

(WiMAX,World Interoperability for Microwave

Access)论坛。WiMAX的技术标准即为IEEE 802.16

系列尤其是802.16a。作为物理层及MAC层技术,

WiMax除最高可达每秒百兆比特的速率外,还可具备

在2~66GHz频带范围内可利用所有需要或不需要许可

的频带,以及确保服务质量(QoS)等功能。如同Wi-

Fi联盟的强大促进了WLAN的快速发展一样,WiMax

联盟的目标也是促进IEEE 802.16的应用。该联盟由

Intel牵头,包括西门子、富士通、AT&T、英国电信

(BT)、法国电信、Qwest通信公司等巨头,约有100个

成员,运营商占25%,我国中兴通讯也名列其中。自今

年初Intel宣布下半年开始将会在其生产的芯片中部分

采用WiMax标准以来,西门子、阿尔卡特等部分移动

设备制造商也相继宣布将推出支持WiMax标准的设备。

在国际上,IEEE 802委员会目前正在制定名为

“IEEE 802.16e”的新标准。IEEE 802.15原来已经制

定了固定无线接入标准(FWA),不过为了实现用户终

端的移动性,IEEE 802.16e还将制定MAC层中的基站

切换等功能。使用频带为6GHz以下,而传输速度方面,

使用20MHz带宽时最大可达100Mbit/s。调制方式则

采用与原来的IEEE 802.16相同的QPSK、16QAM、

64QAM。另据报道,韩国已经建立了名为“HPi”的

802.16e标准,并得到了SK电信、KTF和Hanaro电信

等运营商以及三星等设备商的支持。根据WiMax论坛

副主席Aditya Agrawal在2004年3月8日于美国举行

的无线系统设计会议第12届年会暨技术博览会(WSD)

上公布的标准化日程,IEEE 802.16e规格差不多在

2004年第3季度即可确定下来,计划2005年最终完成,

配备该功能的产品预计2006年前后即可亮相。WiMax

论坛今后将制定在IEEE 802.16系列标准上运行的上层

协议。此外,802.16内部新近成立了Mesh Ad hoc

委员会开始研究点到点数据传输的支持以及信号障碍

穿越等问题,如果这些支持可以得到批准,可能会诞生

更为强大的802.16f标准,这将促进WiMax的更大发

展。

4  IEEE 802.11与IEEE 802.16的比较

综合分析IEEE 802.11与802.16系列标准,表3

列出了二者最主要的技术参数。

从表3的比较可以看出,就传输距离而言,802.11

适合于把互联网的连接信号传送到从几十米到几公里远

的地方,802.16则能把信号传送至几十公里之远;就传

输速率而言,802.11连接速度最高为54Mbit/s,而

802.16为70Mbit/s。有专家就此认为基于IEEE 802.16

系列标准的WiMax的覆盖范围和传输速度将对基于

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IEEE 802.11系列标准的WLAN技术Wi-Fi构成威胁,

但笔者并不完全赞同这种看法。上文的分析已清晰表

明,WiMax相对于Wi-Fi的区别主要体现在Wi-Fi解

决的是无线局域网的接入问题,而WiMax解决的是无

线城域网的问题。二者的覆盖范围不同,有各自的应用

前景。在宽带无线接入市场上,WiMax定位的是一种

宽带无线城域网技术,Wi-Fi定位的是一种宽带无线局

域网技术,他们都具有容量大、频谱利用率高的优点,

技术上不存在严格的孰优孰劣, 更不存在互相替代的问

题。相反,随着IEEE 802.11无线热点数量的急剧增加,

用户通常期望能够在离开无线热点有效覆盖范围之后也

能继续保持无线连接,作为802.16a延伸标准的IEEE

802.16e就提供了一种可以很好满足用户这类需求的解

决方案,这一标准提供漫游支持,能够使用户离开家中

或办公场所的无线热点覆盖范围后同样可以保持与无线

ISP网络连接,甚至可以方便地接入另一城市的另一家

无线ISP网络。因此,IEEE 802.11与802.16系列标准

之间更多的应该是一种互相补充的关系, 二者之间的合

作大于竞争。

总之,实现接入网的数字化、宽带化和综合化,满

足用户对宽带多媒体通信接入的需求, 已成为各方共同

关注的热点课题。运用宽带无线接入技术,可以将数据、

Internet、语音、视频和多媒体应用传送到商业和家庭

用户。其中基于IEEE 802.11与802.16系列标准的宽

带无线接入技术又以其能够提供高速数据传输乃至于实

现多媒体宽带业务等优势,倍受瞩目,并获得极大发展。

表3  IEEE 802.11与 802.16主要技术参数对比

分类802.11

覆盖范围在半径为100m的范围内性

能最佳;增加接入点或高增

益天线可有效扩大范围

应用环境室内环境最优佳

可扩展性固定的20MHz信道带宽

802.16技术说明

7~10km的典型蜂窝覆盖范围内性能最佳; 最大可802.16物理层可承受10倍于802.11

达50km;无隐蔽节点问题的多径时延扩展

室外环境最佳(树林,建筑物,用户间隔较分散时802.11:64 OFDM;802.16:256

皆可用);对智能天线与Mesh网技术提供标准支持OFDM;802.16可采用自适应调制

在须授权和无须授权的频带可提供1.5MHz~802.11b拥有3个非重叠信道;802.

20MHz的信道带宽;支持频率复用;支持小区规划11a拥有5个非重叠信道;802.16拥

有的非重叠信道仅受限于可用频谱

传输速率2.7bit/s/Hz的峰值速率,3.8bit/s/Hz的峰值速率,在20MHz信道上最高802.11:64 OFDM;

在20MHz信道上最高达达75Mbit/s;5bit/s/Hz的峰值速率,在20MHz802.16:256 OFDM

54Mbit/s信道上最高达100Mbit/s

服务质量依靠802.11e标准设计时考虑了语音/视频QoS,可提供区分服务802.11:基于连接的MAC(CSMA);

802.16: 授予请求的MAC

安全性现采用的安全标准是WEP,3DES(128bit);RSA(1024bit)802.16的安全性大为改善

制订中的802.11i标准有望

提高安全性

Analyses and Comparisons of IEEE 802.11 & 802.16 Standards

Chen Zhuo Yu Chongxiu Yu Zhihui Xu Daxiong Li Haijun

(Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876)

Abstract IEEE 802.11 and 802.16 standards are respectively used to build broadband WLAN and WMAN. These

two kinds of standards are respectively introduced and analyzed. The mainly technical characteristics and

parameters are compared detailedly, besides their relations and applications are expatiate in the end.

Keywords IEEE 802.11, IEEE 802.16, WLAN, WMAN, Wi-Fi, WiMax, broadband wireless access

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