第5章無(wú)線城域網(wǎng)

第5章無(wú)線城域網(wǎng)內(nèi)容提要5.1無(wú)線城域網(wǎng)概況5.2802.16協(xié)議體系5.3802.16的物理層5.4802.16的MAC層5.5MAC層的鏈路自適應(yīng)機(jī)制5.6802.16系統(tǒng)的QoS架構(gòu)5.7802.16系統(tǒng)的移動(dòng)性5.8WiMAX與其他技術(shù)的比較5.1無(wú)線城域網(wǎng)概況無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)的形成WMAN技術(shù)是因?qū)拵o(wú)線接入(BWA)的需求而來(lái)WMAN是以無(wú)線方式構(gòu)建的城域網(wǎng)并提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，它是在無(wú)線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，由多個(gè)WLAN連接而成。1999年，IEEE802局域網(wǎng)(LAN)/城域網(wǎng)(MAN)成立了802.16工作組來(lái)專門研究寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)，解決最后一公里的接入問(wèn)題WMAN是為了滿足日益增長(zhǎng)的寬帶無(wú)線接入的市場(chǎng)需求，用于解決最后一公里接入問(wèn)題，代替電纜(Cable)、數(shù)字用戶線(xDSL)、光纖等WMAN能有效解決有線方式無(wú)法覆蓋地區(qū)的寬帶接入問(wèn)題，有較完備的QoS機(jī)制，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要提供實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)不同速率要求的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)無(wú)線城域網(wǎng)的寬帶接入WMAN標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)主要有兩大組織機(jī)構(gòu)IEEE的802.16工作組，主要負(fù)責(zé)802.16系列標(biāo)準(zhǔn)歐洲的ETSI，主要負(fù)責(zé)HiperAccess5.1.1無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)的形成IEEE802.16主要由三個(gè)小組組成IEEE802.16.1負(fù)責(zé)制定頻率范圍在10~66GHz的無(wú)線接口IEEE802.16.2負(fù)責(zé)制定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)共存方面問(wèn)題IEEE802.16.3負(fù)責(zé)制定頻率范圍在2~11GHz之間無(wú)線接口WiMAX論壇成立,在全球范圍內(nèi)推廣802.16協(xié)議。5.1.2WiMAX論壇在借鑒和學(xué)習(xí)WLAN的Wi-Fi聯(lián)盟成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2001年4月由業(yè)界領(lǐng)先的通信設(shè)備公司及器件公司共同成立世界微波接入互操作性論壇該論壇旨在對(duì)基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)和ETSIHiperMAN標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入產(chǎn)品進(jìn)行一致性和互操作性認(rèn)證。WiMAX使用與Wi-Fi聯(lián)盟推動(dòng)無(wú)線局域網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的相同方法進(jìn)行定義和互操作性測(cè)試，加快符合IEEE802.16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入設(shè)備的上市速度。WiMAX全稱為WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccessWiMAX的作用主要職責(zé)提供一套一致性作和互操作性的全球標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)用這套規(guī)范的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試和認(rèn)證用系統(tǒng)輪廓靈活地使用頻譜wimax論壇的好處有一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)，創(chuàng)新更快運(yùn)營(yíng)商可以用更低的成本買到設(shè)備，提供更好的服務(wù)不再局限于一個(gè)運(yùn)營(yíng)商，促進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)，花銷更少對(duì)于不易接入的地區(qū)提供良好的服務(wù)WiMAX系統(tǒng)組成WiMax發(fā)射塔WiMax接收機(jī)WiMAX可提供的無(wú)線服務(wù)非視距服務(wù)視距型服務(wù)WiMAX應(yīng)用場(chǎng)景WiMax論壇定義的應(yīng)用場(chǎng)景固定、游牧、便攜、移動(dòng)和全移動(dòng)WiMax的應(yīng)用實(shí)例WiMax無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括三部分視頻采集前端系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)視頻流信息處理系統(tǒng)基于WiMax的視頻監(jiān)控系統(tǒng)5.1.3ETSIHYPERMAN歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)(ETSI)提出了一種高性能的無(wú)線MAN(HighPerformanceRadioMetropolitanAreaNetworks,HYPERMAN)旨在提供中小型企業(yè)和住宅市場(chǎng)的“最后一英里”固定無(wú)線接入，其主要目的是加快歐洲寬帶因特網(wǎng)接入的更新。該標(biāo)準(zhǔn)是在與IEEE802.16工作組密切合作的基礎(chǔ)上提出的，目的與802.16a標(biāo)準(zhǔn)的子集實(shí)現(xiàn)互操作。ETSI的目的是開(kāi)發(fā)一套使用未授權(quán)頻譜的標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)能支持基于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(Point-to-multipoint,PMP)或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固定無(wú)線接入的商業(yè)提供方式。HYPERMAN只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，正如802.16d和WiMAX論壇指出的，網(wǎng)絡(luò)層和更高層規(guī)范期望由其他組織開(kāi)發(fā)。參數(shù)HYPERMAN標(biāo)準(zhǔn)射頻帶寬5.725～5.875GHz（歐洲帶寬C）EIRP<30dBm(1W)數(shù)據(jù)速率峰值數(shù)據(jù)速率>2Mbps調(diào)制方式OFDM(BPSK,QPSK,QAM)信道化5MHz,10MHz或20MHz信道帶寬雙工方式支持TDD和FDDHYPERMAN關(guān)鍵參數(shù)5.2802.16協(xié)議體系IEEE802.16稱為WMAN空中接口標(biāo)準(zhǔn)，是2-66GHz的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋范圍為50km，每基站提供總數(shù)據(jù)速率高達(dá)280Mb/s最終制定的802.16系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧按照兩層體系結(jié)構(gòu)組織，主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的低層，即MAC層和物理層進(jìn)行了規(guī)范802.16系列協(xié)議中各協(xié)議的MAC層功能基本相同，差別主要體現(xiàn)在物理層上。物理層協(xié)議主要解決與工作頻率、帶寬、數(shù)據(jù)傳輸率、調(diào)制方式、糾錯(cuò)技術(shù)以及收發(fā)信機(jī)同步有關(guān)的問(wèn)題。

5.2.1標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程標(biāo)準(zhǔn)號(hào)相對(duì)應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域和頻段狀態(tài)空中接口標(biāo)準(zhǔn)802.1610~66GGHz固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)空中接口2002.04發(fā)布802.16a2~11GHz固定寬帶接入系統(tǒng)空中接口2003.04發(fā)布802.16c10~66GHz固定寬帶接入系統(tǒng)的兼容性2002發(fā)布802.16d2~66GHz固定寬帶接入系統(tǒng)空中接口(對(duì)802.16，802.16a，802.16c的修訂)2004年6月在IEEE802委員會(huì)獲得通過(guò)802.16e2~6GHz固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)空中接口管理信息庫(kù)草案，正在完善中802.16f固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)空中接口管理信息庫(kù)(MIB)要求802.16g固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)空中接口管理平面流程和服務(wù)要求共存問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)802.16.21EEE局域網(wǎng)和城域網(wǎng)操作規(guī)程建議固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的共存802.16.2a對(duì)802.16.2的修正一致性標(biāo)準(zhǔn)1802.16.1802.16一致性標(biāo)準(zhǔn)-第一部分：10~66GHz無(wú)線MAN-SC空中接口的協(xié)議實(shí)現(xiàn)一致性說(shuō)明(PICS)形式1802.16.2802.16一致性標(biāo)準(zhǔn)-第二部分：10~66GHz無(wú)線MAN-SC空中接口的測(cè)試集結(jié)構(gòu)和測(cè)試目的(TSS&TP)IEEE802.16的工作特性及關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)802.16a802.16d802.16e802.16n覆蓋范圍幾公里幾公里幾公里幾公里工作頻率2~11GHz2~11/11~66GHz<6GHz<3.5GHz信道帶寬25/28MHz1.25～20MHz1.25～20MHz1.25～20MHz移動(dòng)性無(wú)無(wú)中低車速高速業(yè)務(wù)定位個(gè)人用戶中小企業(yè)用戶的數(shù)據(jù)接入個(gè)人用戶的寬帶移動(dòng)數(shù)據(jù)接入個(gè)人用戶的高速移動(dòng)數(shù)據(jù)接入QoS支持支持支持支持5.2.3IEEE802.16d協(xié)議IEEE802.16d是目前所有標(biāo)準(zhǔn)中相對(duì)比較成熟并且最具實(shí)用性的一個(gè)版本IEEE802.16協(xié)議中定義了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：點(diǎn)到多點(diǎn)(PMP)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格(Mesh)結(jié)構(gòu)WiMAX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PMP網(wǎng)絡(luò)PMP結(jié)構(gòu)是一個(gè)基站為多個(gè)用戶站提供服務(wù)下行鏈路：基站到用戶站的鏈路上行鏈路：用戶站到基站的鏈路業(yè)務(wù)僅在基站和用戶站之間傳送Mesh網(wǎng)絡(luò)Mesh，無(wú)線自組多跳網(wǎng)絡(luò)，屬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范疇業(yè)務(wù)可通過(guò)其他站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，即業(yè)務(wù)可不通過(guò)基站直接在用戶站之間傳送802.16系統(tǒng)框架圖一個(gè)完整的802.16系統(tǒng)應(yīng)包含的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體有802.16d的協(xié)議棧模型5.3802.16的物理層IEEE802.16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(shù)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

IEEE802.16的物理層規(guī)范規(guī)范名稱應(yīng)用頻段可選技術(shù)雙工方式WirelessMAN-SC10~66GHzTDD,FDDWirelessMAN-SCa2~11GH2AAS，ARQ，STCTDD,PDDWirelessMAN-OFDM2~11GH2AAS，ARQ，Mesh，STCTDD,FDDWirelessMAN-OFDMA2~1lGH2AAS，ARQ，STCTDD,FDD單載波技術(shù)基于單載波的物理層規(guī)范又分為WirelessMAN-SC和WirelessMAN-SCaWirelessMAN-SC的操作頻段為10~66GHz，且為視距(LOS)操作而WirelessMAN-SCa的操作頻段低于11GHz，為非視距(NLOS)操作多載波技術(shù)基于多載波的物理層規(guī)范為WirelessMAN-OFDMWirelessMAN-OFDMA，兩種規(guī)范均基于OFDM多載波技術(shù)，操作頻段均低于11GHzWirelessMAN-OFDM操作頻率低于11GHz，為非視距（NLOS）設(shè)計(jì)的WirelessMAN-OFDMA為視距（LOS）設(shè)計(jì)的，頻率高于11GHz，同時(shí)支持時(shí)空編碼，自適應(yīng)天線，多入多出技術(shù)5.4802.16的MAC層802.16的MAC層包含如下子層與高層實(shí)體接口的特定服務(wù)會(huì)聚子層(ConvergenceSublayer，CS)完成MAC層核心功能的公共部分子層(CommonPartSublayer，CPS)以及安全子層(SecuritySublayer)。特定服務(wù)會(huì)聚子層特定服務(wù)匯聚子層完成的功能接收高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）對(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)單元分類（核心功能）基于分類對(duì)高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理將CSPDU傳遞給正確的MAC服務(wù)接入點(diǎn)SAP從對(duì)等層接收CSPDU定義了兩種會(huì)聚子層：ATM會(huì)聚子層：支持基于ATM連接的各類DU分組會(huì)聚子層：映射類似IPv4、以太網(wǎng)的分組業(yè)務(wù)DU公共部分子層實(shí)現(xiàn)MAC層的所有核心功能，包括MACPDU構(gòu)建與傳送、網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)入與初始化、帶寬分配、連接建立和連接維護(hù)、競(jìng)爭(zhēng)解決算法的實(shí)現(xiàn)、服務(wù)流管理、各種鏈路自適應(yīng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。安全子層提供鑒權(quán)、安全密鑰交換和加密功能。對(duì)SS和BS之間的連接進(jìn)行加密。對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)流加密。保密機(jī)制的兩個(gè)基本協(xié)議：用于加密數(shù)據(jù)包的封裝協(xié)議密鑰管理協(xié)議參數(shù)IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)射頻帶寬2～11GHz調(diào)制方式單載波調(diào)制，OFDM數(shù)據(jù)速率峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)70Mbps多址接入OFDM,TDMA信道化靈活的信道帶寬，1.75～20MHz雙工方式TDD和FDD，以及采用TDMA的半雙工網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潼c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和網(wǎng)狀拓?fù)鋷挿峙涿總€(gè)用戶站授予或每連接授予802.16a關(guān)鍵參數(shù)面向連接與非連接802.16MAC層有效性的關(guān)鍵之一在于它是面向連接的。每一個(gè)服務(wù)映射到一個(gè)連接上，并使用16比特的連接標(biāo)識(shí)(ConnectionID,CID)。每一個(gè)連接都與具體的參數(shù)相聯(lián)系，比如：帶寬授權(quán)機(jī)制（連續(xù)的或按需的）相關(guān)的QoS參數(shù)路由和傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)新的用戶站(SS)加入802.16網(wǎng)絡(luò)時(shí)，最初打開(kāi)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(duì)時(shí)間敏感的MAC和射頻鏈路控制(RadioLinkControl,RLC)消息主要管理連接能容忍時(shí)延的消息，比如認(rèn)證、連接建立次要管理連接基于標(biāo)準(zhǔn)的管理消息，比如DHCP,SNMP,RIP無(wú)線鏈路控制射頻鏈路控制是IEEE802.16MAC層的另一個(gè)關(guān)鍵要素，能夠提供自適應(yīng)的突發(fā)控制和傳統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)功能當(dāng)用戶加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，SS和BS通過(guò)基本的管理連接交換信息以建立發(fā)送功率和時(shí)鐘的初始設(shè)置。SS也需要具體的初始突發(fā)協(xié)議來(lái)定義基于設(shè)備能力和下行鏈路信號(hào)質(zhì)量的信號(hào)調(diào)制參數(shù)。上行鏈路的突發(fā)協(xié)議受BS的直接控制，這種控制在每次BS分配帶寬給SS時(shí)實(shí)現(xiàn)的，與此同時(shí)，也指定了SS所使用的突發(fā)協(xié)議。雖然下行鏈路的協(xié)議根據(jù)SS的要求而改變，每個(gè)SS能夠單獨(dú)監(jiān)視接收信號(hào)的強(qiáng)度，但它也受BS的控制帶寬分配當(dāng)連接建立后，不同用戶的帶寬需求就確定了。標(biāo)準(zhǔn)中的許多消息選項(xiàng)使得SS可以申請(qǐng)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(guò)組播來(lái)確定這些要求。這些機(jī)制保證了可用帶寬的有效利用以及靈活地適應(yīng)多種服務(wù)或應(yīng)對(duì)不同服務(wù)變化的需求。MAC層定義了SS的兩個(gè)分類：每連接授予(GPC)和每用戶站授予(GPSS)，其區(qū)別在于SS使用分配帶寬的靈活性。5.5MAC層的鏈路自適應(yīng)機(jī)制鏈路自適應(yīng)技術(shù)的基本思想是，在當(dāng)前的信道條件下，通過(guò)對(duì)某些傳輸參數(shù)的適配，讓鏈路盡可能高效地運(yùn)行。為了維持通信連接，甚至需要對(duì)鏈路質(zhì)量做出“讓步”，通過(guò)犧牲帶寬來(lái)獲得傳輸質(zhì)量的提高在大多數(shù)使用鏈路自適應(yīng)技術(shù)的系統(tǒng)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。鏈路自適應(yīng)技術(shù)能夠增加鏈路信息容量，使得系統(tǒng)能夠充分利用信道的時(shí)變性。常見(jiàn)的鏈路自適應(yīng)機(jī)制自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC):根據(jù)信道情況的變化來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整調(diào)制方式和編碼方式自動(dòng)請(qǐng)求重傳(ARQ):接收端在正確接收發(fā)送端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包之后，向發(fā)送端發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息(ACK)，否則發(fā)送一個(gè)否認(rèn)信息(NACK)混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳(H-ARQ):將前向糾錯(cuò)編碼(FEC)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)相結(jié)合的技術(shù)

5.6802.16系統(tǒng)的QoS架構(gòu)服務(wù)類別代表了MAC調(diào)度器所支持的數(shù)據(jù)處理機(jī)制。每條連接都與一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)相聯(lián)系。每個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)都有一組與之相關(guān)聯(lián)的QoS參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)該服務(wù)的行為進(jìn)行了量化規(guī)定。分以下四種主動(dòng)授予服務(wù)實(shí)時(shí)查詢服務(wù)非實(shí)時(shí)查詢服務(wù)盡力而為主動(dòng)授予服務(wù)主動(dòng)授予服務(wù)(UGS)是周期性、定長(zhǎng)分組的固定比特率（CBR）服務(wù)流UGS是BS實(shí)時(shí)地、周期地向攜帶該業(yè)務(wù)的連接提供固定帶寬分配，以減少SS請(qǐng)求開(kāi)銷，保證滿足業(yè)務(wù)流的實(shí)時(shí)需求實(shí)時(shí)查詢服務(wù)實(shí)時(shí)查詢服務(wù)(RTPS)RTPS是周期性、變長(zhǎng)分組的實(shí)時(shí)變化比特率服務(wù)流BS向攜帶該業(yè)務(wù)的RTPS連接提供實(shí)時(shí)的、周期的單播輪詢，使BS按需動(dòng)態(tài)分配帶寬非實(shí)時(shí)查詢服務(wù)NRTPS非實(shí)時(shí)查詢服務(wù)(NRTPS)NRTPS是非周期性、變長(zhǎng)分組的非實(shí)時(shí)變比特率服務(wù)流該連接也可以使用競(jìng)爭(zhēng)模式來(lái)發(fā)送帶寬請(qǐng)求。盡力而為(BE)

盡力而為(BE)特點(diǎn)是不提供完整的可靠性，通常執(zhí)行一些錯(cuò)誤控制和有限重傳機(jī)制，其穩(wěn)定性由高層協(xié)議來(lái)保證典型的BE服務(wù)是Internet網(wǎng)頁(yè)瀏覽服務(wù)5.6.2QoS框架和交互機(jī)制5.