1、第5章 無線城域網內容提要5.1 無線城域網概況5.2 802.16協議體系5.3 802.16的物理層5.4 802.16的MAC層5.5 MAC層的鏈路自適應機制5.6 802.16系統的QoS架構5.7 802.16系統的移動性5.8 WiMAX與其他技術的比較5.1 無線城域網概況v無線城域網技術的形成WMAN技術是因寬帶無線接入(BWA)的需求而來WMAN是以無線方式構建的城域網并提供面向互聯網的高速連接，它是在無線局域網的基礎上產生的，由多個WLAN連接而成。1999年，IEEE 802局域網(LAN)/城域網(MAN)成立了802.16工作組來專門研究寬帶無線接入標準，解決最后一

2、公里的接入問題WMAN是為了滿足日益增長的寬帶無線接入的市場需求，用于解決最后一公里接入問題，代替電纜(Cable)、數字用戶線(xDSL)、光纖等WMAN能有效解決有線方式無法覆蓋地區的寬帶接入問題，有較完備的QoS機制，可根據業務需要提供實時、非實時不同速率要求的數據傳輸服務無線城域網的寬帶接入vWMAN標準的開發主要有兩大組織機構 IEEE的802.16工作組，主要負責802.16系列標準 歐洲的ETSI，主要負責HiperAccess5.1.1 無線城域網技術的形成vIEEE802.16主要由三個小組組成IEEE 802.16.1負責制定頻率范圍在1066GHz的無線接口IEEE 80

3、2.16.2負責制定寬帶無線接入系統共存方面問題IEEE 802.16.3負責制定頻率范圍在211GHz之間無線接口vWiMAX論壇成立,在全球范圍內推廣802.16協議。5.1.2 WiMAX論壇v在借鑒和學習WLAN的Wi-Fi聯盟成功經驗的基礎上，2001年4月由業界領先的通信設備公司及器件公司共同成立世界微波接入互操作性論壇v該論壇旨在對基于IEEE802.16標準和ETSI HiperMAN標準的寬帶無線接入產品進行一致性和互操作性認證。vWiMAX使用與Wi-Fi聯盟推動無線局域網行業發展的相同方法進行定義和互操作性測試，加快符合IEEE 802.16技術標準的寬帶無線接入設備的上

4、市速度。vWiMAX全稱為Worldwide Interoperability for Microwave AccessWiMAX的作用v主要職責提供一套一致性作和互操作性的全球標準規范對用這套規范的產品進行測試和認證用系統輪廓靈活地使用頻譜vwimax論壇的好處有一個基于標準的平臺，創新更快運營商可以用更低的成本買到設備，提供更好的服務不再局限于一個運營商，促進競爭，花銷更少對于不易接入的地區提供良好的服務WiMAX系統組成WiMax發射塔WiMax接收機vWiMAX可提供的無線服務非視距服務視距型服務vWiMAX應用場景WiMax論壇定義的應用場景固定、游牧、便攜、移動和全移動WiMax的

5、應用實例vWiMax無線視頻監控系統包括三部分視頻采集前端系統無線網絡傳輸系統視頻流信息處理系統基于WiMax的視頻監控系統5.1.3 ETSI HYPERMANv歐洲電信標準機構(ETSI)提出了一種高性能的無線MAN(High Performance Radio Metropolitan Area Networks, HYPERMAN)旨在提供中小型企業和住宅市場的“最后一英里”固定無線接入，其主要目的是加快歐洲寬帶因特網接入的更新。該標準是在與IEEE 802.16工作組密切合作的基礎上提出的，目的與802.16a標準的子集實現互操作。vETSI的目的是開發一套使用未授權頻譜的標準，但該

6、標準能支持基于點對多點(Point-to-multipoint, PMP)或網狀網絡結構的固定無線接入的商業提供方式。 vHYPERMAN只定義了物理層和數據鏈路層，正如802.16d和WiMAX論壇指出的，網絡層和更高層規范期望由其他組織開發。 參數HYPERMAN標準射頻帶寬5.7255.875 GHz（歐洲帶寬C）EIRP2 Mbps調制方式OFDM(BPSK, QPSK, QAM)信道化5 MHz, 10 MHz或20 MHz信道帶寬雙工方式支持TDD和FDDHYPERMAN關鍵參數5.2 802.16協議體系vIEEE802.16稱為WMAN空中接口標準，是2-66GHz的空中接口標

7、準，覆蓋范圍為50km，每基站提供總數據速率高達280Mb/sv最終制定的802.16系列標準協議棧按照兩層體系結構組織，主要對網絡的低層，即MAC層和物理層進行了規范v802.16系列協議中各協議的MAC層功能基本相同，差別主要體現在物理層上。物理層協議主要解決與工作頻率、帶寬、數據傳輸率、調制方式、糾錯技術以及收發信機同步有關的問題。 5.2.1 標準化進程 標準號相對應的技術領域和頻段狀態空中接口標準802.161066GGHz固定寬帶無線接入系統空中接口2002.04發布802.16a211GHz固定寬帶接入系統空中接口2003.04發布802.16c1066GHz固定寬帶接入系統的兼

8、容性2002發布802.16d266GHz固定寬帶接入系統空中接口(對802.16，802.16a，802.16c的修訂)2004年6月在IEEE802委員會獲得通過802.16e26GHz固定和移動寬帶無線接入系統空中接口管理信息庫草案，正在完善中802.16f固定寬帶無線接入系統空中接口管理信息庫(MIB)要求802.16g固定和移動寬帶無線接入系統空中接口管理平面流程和服務要求共存問題標準802.16.21EEE局域網和城域網操作規程建議固定寬帶無線接入系統的共存802.16.2a對802.16.2的修正一致性標準1802.16.1802.16一致性標準-第一部分：1066GHz無線MA

9、N-SC空中接口的協議實現一致性說明(PICS)形式1802.16.2802.16一致性標準-第二部分：1066GHz無線MAN-SC空中接口的測試集結構和測試目的(TSS&TP)IEEE 802.16的工作特性及關鍵技術標準標準802.16802.16a a802.16d802.16d802.16e802.16e802.16802.16n n覆蓋范圍覆蓋范圍幾公里幾公里幾公里幾公里幾公里幾公里幾公里幾公里工作頻率工作頻率211GHz211GHz211/1166GH211/1166GHz z6GHz6GHz3.5GHz3.5GHz信道帶寬信道帶寬25/28MHz25/28MHz1.25

10、1.2520MHz20MHz1.251.2520MHz20MHz1.251.2520MHz20MHz移動性移動性無無無無中低車速中低車速高速高速業務定位業務定位個人用戶個人用戶中小企業用戶中小企業用戶的數據接入的數據接入個人用戶的寬帶個人用戶的寬帶移動數據接入移動數據接入個人用戶的個人用戶的高速移動數高速移動數據接入據接入QoSQoS支持支持支持支持支持支持支持支持5.2.3 IEEE 802.16d協議vIEEE 802.16d是目前所有標準中相對比較成熟并且最具實用性的一個版本vIEEE 802.16協議中定義了兩種網絡結構：點到多點(PMP)結構和網格(Mesh)結構 WiMAX網絡拓撲

11、結構 PMP網絡vPMP結構是一個基站為多個用戶站提供服務v下行鏈路：基站到用戶站的鏈路v上行鏈路：用戶站到基站的鏈路v業務僅在基站和用戶站之間傳送Mesh網絡vMesh，無線自組多跳網絡，屬無線網絡的應用范疇v業務可通過其他站進行轉發，即業務可不通過基站直接在用戶站之間傳送802.16系統框架圖 一個完整的802.16系統應包含的網絡實體有802.16d的協議棧模型 5.3 802.16的物理層vIEEE 802.16的物理層既可以支持單載波又可以支持多載波，即支持OFDM技術v高頻的信道已收到天氣影響，比如雨衰,多普勒頻移。低頻的易于受到多徑影響 IEEE 802.16的物理層規范 規范名

12、稱規范名稱應用頻段應用頻段可選技術可選技術雙工方式雙工方式WirelessMAN-SC1066GHzTDD,FDDWirelessMAN-SCa211GH2AAS，ARQ，STCTDD,PDDWirelessMAN-OFDM211GH2AAS，ARQ，Mesh，STCTDD,FDDWirelessMAN-OFDMA21lGH2AAS，ARQ，STCTDD,FDD單載波技術v基于單載波的物理層規范又分為WirelessMAN-SC和WirelessMAN-SCavWirelessMAN-SC的操作頻段為1066 GHz，且為視距(LOS)操作v而WirelessMAN-SCa的操作頻段低于11G

13、Hz，為非視距(NLOS)操作多載波技術v基于多載波的物理層規范為WirelessMAN-OFDMWirelessMAN-OFDMA，v兩種規范均基于OFDM多載波技術，操作頻段均低于11GHzvWirelessMAN-OFDM操作頻率低于11GHz，為非視距（NLOS）設計的vWirelessMAN-OFDMA為視距（LOS）設計的，頻率高于11GHz，同時支持時空編碼，自適應天線，多入多出技術5.4 802.16的MAC層v802.16的MAC層包含如下子層與高層實體接口的特定服務會聚子層(Convergence Sublayer，CS)完成MAC層核心功能的公共部分子層(Common P

14、art Sublayer，CPS)以及安全子層(Security Sublayer)。特定服務會聚子層v特定服務匯聚子層完成的功能v接收高層協議數據單元（PDU）v對協議數據單元分類（核心功能）v基于分類對高層協議數據單元進行處理v將CS PDU傳遞給正確的MAC服務接入點 SAPv從對等層接收 CS PDUv定義了兩種會聚子層：vATM會聚子層：支持基于ATM連接的各類DUv分組會聚子層：映射類似IPv4、以太網的分組業務DU公共部分子層v實現MAC層的所有核心功能，包括MAC PDU構建與傳送、網絡的進入與初始化、帶寬分配、連接建立和連接維護、競爭解決算法的實現、服務流管理、各種鏈路自適應

15、技術的實現。安全子層v提供鑒權、安全密鑰交換和加密功能。v對SS和BS之間的連接進行加密。v對網絡中的服務流加密。v保密機制的兩個基本協議：v用于加密數據包的封裝協議v密鑰管理協議參數IEEE 802.16a標準射頻帶寬211 GHz調制方式單載波調制，OFDM數據速率峰值數據速率可達70 Mbps多址接入OFDM, TDMA信道化靈活的信道帶寬，1.7520 MHz雙工方式TDD和FDD，以及采用TDMA的半雙工網絡拓撲點對多點和網狀拓撲帶寬分配每個用戶站授予或每連接授予802.16a 關鍵參數面向連接與非連接802.16 MAC層有效性的關鍵之一在于它是面向連接的。每一個服務映射到一個連接

16、上，并使用16比特的連接標識(Connection ID, CID)。每一個連接都與具體的參數相聯系，比如：帶寬授權機制（連續的或按需的）相關的QoS參數路由和傳輸數據。v當一個新的用戶站(SS)加入802.16網絡時，最初打開三條連接以承載管理層面的消息，如表所示。連接用途基本管理連接短的、對時間敏感的MAC和射頻鏈路控制(Radio Link Control, RLC)消息主要管理連接能容忍時延的消息，比如認證、連接建立次要管理連接基于標準的管理消息，比如DHCP, SNMP, RIP無線鏈路控制v射頻鏈路控制是IEEE 802.16 MAC層的另一個關鍵要素，能夠提供自適應的突發控制和傳

17、統的功率調節功能v當用戶加入網絡時，SS和BS通過基本的管理連接交換信息以建立發送功率和時鐘的初始設置。SS也需要具體的初始突發協議來定義基于設備能力和下行鏈路信號質量的信號調制參數。v上行鏈路的突發協議受BS的直接控制，這種控制在每次BS分配帶寬給SS時實現的，與此同時，也指定了SS所使用的突發協議。雖然下行鏈路的協議根據SS的要求而改變，每個SS能夠單獨監視接收信號的強度，但它也受BS的控制帶寬分配v當連接建立后，不同用戶的帶寬需求就確定了。標準中的許多消息選項使得SS可以申請額外的上行鏈路帶寬，并通知BS總共的帶寬要求，允許BS輪詢不同的SS，或通過組播來確定這些要求。這些機制保證了可用

18、帶寬的有效利用以及靈活地適應多種服務或應對不同服務變化的需求。vMAC層定義了SS的兩個分類：每連接授予(GPC)和每用戶站授予(GPSS)，其區別在于SS使用分配帶寬的靈活性。5.5 MAC層的鏈路自適應機制v鏈路自適應技術的基本思想是，在當前的信道條件下，通過對某些傳輸參數的適配，讓鏈路盡可能高效地運行。v為了維持通信連接，甚至需要對鏈路質量做出“讓步”，通過犧牲帶寬來獲得傳輸質量的提高v在大多數使用鏈路自適應技術的系統中，這種“讓步”就是在鏈路的“魯棒性”和帶寬的高效性間尋找平衡。v鏈路自適應技術能夠增加鏈路信息容量，使得系統能夠充分利用信道的時變性。常見的鏈路自適應機制 v自適應調制編

19、碼(AMC):根據信道情況的變化來動態地調整調制方式和編碼方式 v自動請求重傳(ARQ):接收端在正確接收發送端發來的數據包之后，向發送端發送一個確認信息(ACK)，否則發送一個否認信息(NACK) v混合自動請求重傳(H-ARQ):將前向糾錯編碼(FEC)和自動重傳請求(ARQ)相結合的技術 5.6 802.16系統的QoS架構v服務類別代表了MAC調度器所支持的數據處理機制。每條連接都與一個數據服務相聯系。每個數據服務都有一組與之相關聯的QoS參數，這些參數對該服務的行為進行了量化規定。分以下四種主動授予服務實時查詢服務非實時查詢服務盡力而為主動授予服務v主動授予服務(UGS)是周期性、定長分組的固定比特率（CBR）服務流UGS是BS實時地、周期地向攜帶該業務的連接提供固定帶寬分配，以減少SS請求開銷，保證滿足業務流的實時需求實時查詢服務v實時查詢服務(RTPS)RTPS是周期性、變長分組的實時變化比特率服務流BS向攜帶該業務的RTPS連接提供實時的、周期的單播輪詢，使BS按需動態分配帶寬非實時查詢服務 NRTPS v非實時查詢服務(NRTPS)NRTPS是非周期性、變長分組的非實時變比特率服務流該連接也可以使用競爭模式來發送帶寬請求。盡力而為(BE) v盡力而為(BE) 特點是不提供完整的可靠性，通常執行一些錯誤控制和有限重傳機制，其穩定性由高層協議來保證典