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长期以来，解决“最后一公里”问题主要依赖于有线接入技术，如电缆（Cable）、数字用户线（xDSL）、光纤等。随着无线通信产业的快速发展，宽带无线接入技术也加入到这一竞争行列来。以IEEE 802.16系列标准为基础的无线城域网技术，覆盖范围广，传输速率高，提供灵活、经济、高效的组网方式，支持固定（802.16d）和移动（802.16e）宽带无线接入，帮助解决有线宽带无法覆盖地区的接入问题，802.16有较为完备的QoS机制，可以根据业务需要提供实时、非实时不同速率要求的数据传输服务，为宽带数据接入提供了新的途径。
IEEE 802.16标准的进展
IEEE 802.16是为制定无线城域网（Wireless MAN）标准成立的工作组，主要负责开发2～66GHz频带的无线接入系统空中接口物理层和媒体接入控制层规范。IEEE 802.16工作组于2001年12月通过最早的IEEE 802.16标准，2003年4月，发布了修正和扩展后的IEEE 802.16a。该标准工作频段为2～11GHz，在MAC层提供了QoS保证机制，支持语音和视频等实时性业务。2004年7月，通过了IEEE 802.16d，对2～66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细的规定。该协议是相对成熟的版本，业界各大厂商基于该标准开发产品。2005年12月，IEEE正式批准IEEE 802.16e标准，该标准在2～6GHz频段上支持移动宽带接入，实现了移动中提供高速数据业务的宽带无线接入解决方案。
2001年，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商成立了非盈利工业贸易联盟组织WiMAX。该联盟对基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入产品进行兼容性和互操作性的测试和认证，致力于在标准基础上的需求分析、应用推广、网络架构完善等后续研究工作，推动无线宽带接入技术的发展。
IEEE 802.16协议体系结构
IEEE 802.16协议规定了MAC层和PHY层的规范。MAC层独立于PHY层，并且支持多种不同的PHY层。IEEE 802.16协议结构如图1所示。
MAC层采用分层结构，分为三个子层。特定业务汇聚子层（CS）负责将业务接入点（SAP）收到的外部网络数据转换和映射到MAC业务数据单元（SDU），并传递到MAC层业务接入点。公共部分子层（CPS）是MAC的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。加密子层主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。同时支持两种网络拓扑方式，点对多点（PMP）结构和支持多跳无线连接的网状（Mesh）结构。
物理层
IEEE 802.16支持时分双工（TDD）和频分双工（FDD），两种模式下都采用突发（Burst）格式发送。上行信道基于时分多用户接入（TDMA）和按需分配多用户接入（DMDA）相结合的方式。上行信道被划分为多个时隙，初始化、竞争、维护、业务传输等都通过占用一定数量的时隙来完成，由BS的MAC层统一控制，并根据系统情况动态改变。下行信道采用时分复用（TDM）方式，BS将资源分配信息写入上行链路映射（UL-MAP）广播给SS。
标准没有具体规定载波带宽，系统可采用1.25～20MHz之间的带宽。对于10～66GHz频段，还可以采用28MHz载波带宽，提供更高接入速率。规定了两种调制方式：单载波和正交频分复用OFDM，分别工作在10~66GHz频段和2~11GHz频段。
MAC层的QoS机制
IEEE 802.16 MAC层实现QoS的核心原理是将MAC层传输的数据包与业务流对应起来以使该连接获得QoS支持。业务流由连接标识符（CID）标识，CID中包含了业务类型和其它QoS参数。如图2所示。
1、业务流管理
业务流提供了上下行QoS管理的机制，系统上下行带宽在不同业务流之间分配。业务流标识（SFID）用来标识网络中每个已经创建（DSA）的业务流。业务流有三个QoS参数集：指派QoS参数集、已接纳QoS参数集和激活QoS参数集。指派QoS参数集是对业务流静态或动态配置时指派的。已接纳QoS参数集是BS认为能够满足该业务流资源要求的参数集。激活QoS参数集是通过注册或动态业务流管理过程被激活的参数集。BS为激活的业务流提供其实际需要同时又不大于已接纳QoS参数集的资源。业务流被激活或接纳时获得一个CID，可以通过MAC管理消息动态创建、改变或删除。
2、分类器
分类器是对进入系统的数据单元进行分类的匹配标准。ATM信元匹配标准为虚通路识别器（VPI）和虚通道识别器（VCI），分组匹配标准为IP地址。分类器与CID相关联。当上层数据单元通过MAC接口到来时，通过分类器映射到各个激活的业务流上。
3、调度业务类型
定义了4种调度业务类型，并对每种业务类型的带宽请求方式进行了规定（优先级从高到低）：
（1）主动授权业务（UGS），传输固定速率实时数据业务，如T1/ E1和VoIP等。
（2）实时轮询业务（rtPS），支持可变速率实时业务，如MPEG。
（3）非实时轮询业务（nrtPS），支持周期变长分组的非实时数据流，有最小带宽要求的业务如ATM，Internet接入。
（4）尽力而为（BE）业务，支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务，如短信、E-mail。
4、带宽分配与调度策略
协议中对带宽分配与调度策略并未规定，把接入控制、资源预留、流量控制、分组调度算法等一系列的问题留待开发者来解决。SS接入系统时，BS必须监测出该业务是否会对已有的传输业务产生影响，以及进行资源分配，BS需要为高优先权业务预留足够的资源。MAC层将业务按不同类型分类后进行排队，对不同的队列调用不同的分组调度算法，同时还涉及到缓冲管理，流量控制等算法，满足不同业务的QoS需求。这些算法在有线网络中已经有比较成熟的研究，如何将它们与无线信道的多变、时延、干扰、多径衰落等特性以及IEEE 802.16的MAC层特点结合起来，提出新的算法，是未来研究的重点。
移动宽带无线接入的标准802.11e
最近通过的802.16e支持移动宽带无线接入，该标准后向兼容802.16d，工作在低于6GHz的许可频段上，支持用户终端以车载速度移动。802.16e的物理层实现方式与802.16d是基本一致的，主要差别是对OFDMA进行了扩展，可以支持2048-Point、1024-Point、512-Point和128-Point OFDMA，以适应不同载波带宽的需要。对MAC层作了相应的改进，增加了相应的消息和消息传输机制，并实现了快速自动请求重传（ARQ）和预留以支持移动性。
从业务定位上看，802.16e和3G在一定范围内重叠，比如CDMA2000 1xEV_DO和WCDMA网络中的HSDPA，都能提供一定移动条件下的高速数据服务，形成一定范围内竞争和互补的局面。而且3G已经有了成熟的标准，芯片和终端等解决方案的研发进展也领先于802.16。但是这两种技术在覆盖范围、业务类别上有特点和优势，适用于不同环境下针对不同客户群需求的无线数据传输。因此，802.16网络架构的完善、如何与现有技术融合、业务的定位以及未来的发展方向都是值得进一步研究的问题，WiMAX组织任重而道远。按照WiMAX目前的商用计划，第一阶段以实现替代ADSL接入方式为主，为用户提供固定宽带接入；第二阶段实现广域范围内的移动WiMAX接入；第三阶段则是实现全网移动，无缝漫游。
IEEE 802.16标准的进展
IEEE 802.16是为制定无线城域网（Wireless MAN）标准成立的工作组，主要负责开发2～66GHz频带的无线接入系统空中接口物理层和媒体接入控制层规范。IEEE 802.16工作组于2001年12月通过最早的IEEE 802.16标准，2003年4月，发布了修正和扩展后的IEEE 802.16a。该标准工作频段为2～11GHz，在MAC层提供了QoS保证机制，支持语音和视频等实时性业务。2004年7月，通过了IEEE 802.16d，对2～66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细的规定。该协议是相对成熟的版本，业界各大厂商基于该标准开发产品。2005年12月，IEEE正式批准IEEE 802.16e标准，该标准在2～6GHz频段上支持移动宽带接入，实现了移动中提供高速数据业务的宽带无线接入解决方案。
2001年，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商成立了非盈利工业贸易联盟组织WiMAX。该联盟对基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入产品进行兼容性和互操作性的测试和认证，致力于在标准基础上的需求分析、应用推广、网络架构完善等后续研究工作，推动无线宽带接入技术的发展。
IEEE 802.16协议体系结构
IEEE 802.16协议规定了MAC层和PHY层的规范。MAC层独立于PHY层，并且支持多种不同的PHY层。IEEE 802.16协议结构如图1所示。
MAC层采用分层结构，分为三个子层。特定业务汇聚子层（CS）负责将业务接入点（SAP）收到的外部网络数据转换和映射到MAC业务数据单元（SDU），并传递到MAC层业务接入点。公共部分子层（CPS）是MAC的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。加密子层主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。同时支持两种网络拓扑方式，点对多点（PMP）结构和支持多跳无线连接的网状（Mesh）结构。
物理层
IEEE 802.16支持时分双工（TDD）和频分双工（FDD），两种模式下都采用突发（Burst）格式发送。上行信道基于时分多用户接入（TDMA）和按需分配多用户接入（DMDA）相结合的方式。上行信道被划分为多个时隙，初始化、竞争、维护、业务传输等都通过占用一定数量的时隙来完成，由BS的MAC层统一控制，并根据系统情况动态改变。下行信道采用时分复用（TDM）方式，BS将资源分配信息写入上行链路映射（UL-MAP）广播给SS。
标准没有具体规定载波带宽，系统可采用1.25～20MHz之间的带宽。对于10～66GHz频段，还可以采用28MHz载波带宽，提供更高接入速率。规定了两种调制方式：单载波和正交频分复用OFDM，分别工作在10~66GHz频段和2~11GHz频段。
MAC层的QoS机制
IEEE 802.16 MAC层实现QoS的核心原理是将MAC层传输的数据包与业务流对应起来以使该连接获得QoS支持。业务流由连接标识符（CID）标识，CID中包含了业务类型和其它QoS参数。如图2所示。
1、业务流管理
业务流提供了上下行QoS管理的机制，系统上下行带宽在不同业务流之间分配。业务流标识（SFID）用来标识网络中每个已经创建（DSA）的业务流。业务流有三个QoS参数集：指派QoS参数集、已接纳QoS参数集和激活QoS参数集。指派QoS参数集是对业务流静态或动态配置时指派的。已接纳QoS参数集是BS认为能够满足该业务流资源要求的参数集。激活QoS参数集是通过注册或动态业务流管理过程被激活的参数集。BS为激活的业务流提供其实际需要同时又不大于已接纳QoS参数集的资源。业务流被激活或接纳时获得一个CID，可以通过MAC管理消息动态创建、改变或删除。
2、分类器
分类器是对进入系统的数据单元进行分类的匹配标准。ATM信元匹配标准为虚通路识别器（VPI）和虚通道识别器（VCI），分组匹配标准为IP地址。分类器与CID相关联。当上层数据单元通过MAC接口到来时，通过分类器映射到各个激活的业务流上。
3、调度业务类型
定义了4种调度业务类型，并对每种业务类型的带宽请求方式进行了规定（优先级从高到低）：
（1）主动授权业务（UGS），传输固定速率实时数据业务，如T1/ E1和VoIP等。
（2）实时轮询业务（rtPS），支持可变速率实时业务，如MPEG。
（3）非实时轮询业务（nrtPS），支持周期变长分组的非实时数据流，有最小带宽要求的业务如ATM，Internet接入。
（4）尽力而为（BE）业务，支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务，如短信、E-mail。
4、带宽分配与调度策略
协议中对带宽分配与调度策略并未规定，把接入控制、资源预留、流量控制、分组调度算法等一系列的问题留待开发者来解决。SS接入系统时，BS必须监测出该业务是否会对已有的传输业务产生影响，以及进行资源分配，BS需要为高优先权业务预留足够的资源。MAC层将业务按不同类型分类后进行排队，对不同的队列调用不同的分组调度算法，同时还涉及到缓冲管理，流量控制等算法，满足不同业务的QoS需求。这些算法在有线网络中已经有比较成熟的研究，如何将它们与无线信道的多变、时延、干扰、多径衰落等特性以及IEEE 802.16的MAC层特点结合起来，提出新的算法，是未来研究的重点。
移动宽带无线接入的标准802.11e
最近通过的802.16e支持移动宽带无线接入，该标准后向兼容802.16d，工作在低于6GHz的许可频段上，支持用户终端以车载速度移动。802.16e的物理层实现方式与802.16d是基本一致的，主要差别是对OFDMA进行了扩展，可以支持2048-Point、1024-Point、512-Point和128-Point OFDMA，以适应不同载波带宽的需要。对MAC层作了相应的改进，增加了相应的消息和消息传输机制，并实现了快速自动请求重传（ARQ）和预留以支持移动性。
从业务定位上看，802.16e和3G在一定范围内重叠，比如CDMA2000 1xEV_DO和WCDMA网络中的HSDPA，都能提供一定移动条件下的高速数据服务，形成一定范围内竞争和互补的局面。而且3G已经有了成熟的标准，芯片和终端等解决方案的研发进展也领先于802.16。但是这两种技术在覆盖范围、业务类别上有特点和优势，适用于不同环境下针对不同客户群需求的无线数据传输。因此，802.16网络架构的完善、如何与现有技术融合、业务的定位以及未来的发展方向都是值得进一步研究的问题，WiMAX组织任重而道远。按照WiMAX目前的商用计划，第一阶段以实现替代ADSL接入方式为主，为用户提供固定宽带接入；第二阶段实现广域范围内的移动WiMAX接入；第三阶段则是实现全网移动，无缝漫游。