第9章無線城域網(wǎng)接入技術

第9章無線城域網(wǎng)接入技術9.1無線城域網(wǎng)概述城域網(wǎng)（MetropolitanAreaNetwork,MAN）泛指運營商在城市及郊區(qū)范圍內(nèi)提供多種業(yè)務的所有網(wǎng)絡，它的傳輸媒介主要采用光纜，通過各類網(wǎng)關實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)圖像、多媒體、IP接入和各種增值業(yè)務及智能業(yè)務，并與各運營商長途網(wǎng)和PSTN互通的本地綜合業(yè)務網(wǎng)絡。無線城域網(wǎng)（WirelessMetropolitanAreaNetwork,WMAN）是指以無線方式構成的城域網(wǎng)，提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。WMAN既可以使用無線電波也可以使用紅外光波來傳送數(shù)據(jù)，提供給用戶以高速訪問Internet的無線訪問網(wǎng)絡帶寬。

9.1.1無線城域網(wǎng)的形成9.1.2WiMAX論壇

IEEE802.16工作組主要針對無線城域網(wǎng)的物理層和MAC層指定規(guī)范和標準。為了形成一個可運營的網(wǎng)絡，IEEE802.16技術必然需要其他部分的支撐，所以類似于WiFi聯(lián)盟的WiMAX（WorldInteroperabilityforMicrowaveAcess）論壇應運而生，從此WiMAX成為了IEEE802.16的代名詞。無線城域網(wǎng)的推出是為了滿足日益增長的寬帶無線接入(BroadbandWirelessAccess,BWA)市場需求。WiMAX論壇的目標：1.促進和推動全球WiMAX部署。2.使WiMAX服務成為寬帶無線的選擇平臺，主導世界市場份額。3.發(fā)布一個高性能終端對終端的IP網(wǎng)絡構架，支持固定、便攜和移動用戶。4.確保WiMAX論壇認證產(chǎn)品能夠贏得全球服務提供商的信賴。5.發(fā)展基于IEEE802.16和ETSI互通的WiMAX模式，服務于全球市場。6.通過提供新穎的有競爭力的應用和服務模式來擴大用戶需求。7.促進良性的知識產(chǎn)權政策。

WiMAX論壇現(xiàn)有7個工作組，涉及將WiMAX論壇所認證的產(chǎn)品推廣到市場需要重點關注的多個領域。1.認證工作組(CWG)2.技術工作組（TWG）3.頻譜工作組（RWG）4.市場工作組（MWG）5.需求工作組（SPWG）6.應用工作組（AWG）7.網(wǎng)絡工作組（NWG）WiMAX論壇的工作組：9.2802.16標準

9.2.1802.16標準及其演進表9-1IEEE802.16相關標準體系標準描述狀態(tài)802.16-2001固定寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口過期802.16.2-2001固定寬帶無線接入系統(tǒng)共存標準過期802.16c-2002系統(tǒng)概況(10-66GHz)過期802.16a-2003物理層和MAC層定義(2–11GHz)過期P802.16b免許可頻率(項目已退出)撤銷P802.16d為2-11GHz的維護和系統(tǒng)配置文件(項目合并到802.16-2004)已被合并802.16-2004空中接口固定寬帶無線接入系統(tǒng)(匯總802.16-2001,802.16a,802.16c和P802.16d)過期P802.16.2a2–11GHz和23.5–43.5GHz共存(項目合并到802.16.2-2004)過期802.16.2-2004固定寬帶無線接入系統(tǒng)共存標準(合并802.16.2-2001和P802.16.2a)當前在用802.16f-2005802.16-2004的管理信息庫(MIB)過期802.16-2004/Cor1-2005更正固定業(yè)務(與802.16e-2005共同出版)過期802.16e-2005綜合固定與移動業(yè)務在許可頻段的物理與MAC層過期802.16k-2007MAC橋接，用來彌合802.16(IEEE802.1D項目的修訂)當前在用802.16g-2007管理平面的程序和服務已被合并P802.16i移動管理信息庫(項目合并到802.16-2009)已被合并802.16-2009固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口(合并802.16-2004,802.16-2004/Cor1,802.16e,802.16f,802.16g和P802.16i)當前在用802.16j-2009多跳中繼當前在用802.16h-2010為免授權經(jīng)營共存機制的改進當前在用P802.16m-2011數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbit/s(移動)及1Gbit/s(固定)的先進空中接口。也被稱為移動WiMAX版本2或者高級無線城域網(wǎng)(WirelessMAN-Advanced).針對4G系統(tǒng)上實現(xiàn)的ITU-RIMT-Advanced的要求。當前在用P802.16n-2010更高的可用性網(wǎng)絡在修訂中P802.16p-2010為進一步支持機對機應用在修訂中P802.16Rev3-2011修改IEEE802.16標準，包括P802.16h，P802.16j和P802.16m在修訂中9.2.2WiMAX/802.16系統(tǒng)結構

WiMAX/802.16網(wǎng)絡體系如圖9-1所示，包括：核心網(wǎng)、用戶基站（SS）、基站（BS）、中繼站（RS）、用戶終端設備（TE）和網(wǎng)管。圖9-1WiMAX網(wǎng)絡體系結構

（1）核心網(wǎng)：WiMAX連接的核心網(wǎng)通常為傳統(tǒng)交換網(wǎng)或Internet。WiMAX提供核心網(wǎng)與基站間的連接接口，但WiMAX系統(tǒng)并不包括核心網(wǎng)。（2）基站：基站提供用戶基站與核心網(wǎng)間的連接，通常采用扇形/定向天線或全向天線，可提供靈活的子信道部署與配置功能，并根據(jù)用戶群體狀況不斷升級擴展網(wǎng)絡。（3）用戶基站：屬于基站的一種，提供基站與用戶終端設備間的中繼連接，通常采用固定天線，并被安裝在屋頂上。基站與用戶基站間采用動態(tài)自適應信號調(diào)制模式。（4）中繼站：在點對點體系結構中，接力站通常用于提高基站的覆蓋能力，也就是說充當一個基站和若干個用戶基站（或用戶終端設備）間信息的中繼站。中繼站面向用戶側的下行頻率可以與面向基站的上行頻率相同，當然也可以采用不同的頻率。（5）用戶終端設備：WiMAX系統(tǒng)定義用戶終端設備與基站間的連接接口，提供用戶終端設備的接入。但用戶終端設備本身并不屬于WiMAX系統(tǒng)。（6）網(wǎng)管：用于監(jiān)視和控制網(wǎng)絡內(nèi)所有的基站和用戶基站，提供查詢、狀態(tài)監(jiān)控、軟件下載、系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。WiMAX/802.16端對端的參考模型圖9-2非漫游模式端對端參考模型功能邏輯組，包括:移動用戶臺(MSS)、接入網(wǎng)（ASN）、連接服務網(wǎng)絡（CSN）應用服務提供商（ASP）網(wǎng)絡。圖9-3漫游模式端對端參考模型

圖9-3主要增加了CSN之間的R5參考點。WiMAX/802.16網(wǎng)絡實體1.接入網(wǎng)BS用于處理IEEE802.16空中接口，包括BS和SS兩種；ASNGW主要處理到CSN的接口功能和ASN的管理。圖9-4ASN參考模型2.連接服務網(wǎng)絡連接服務器網(wǎng)絡（CSN）可以由路由器、AAA代理或服務器、用戶數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)網(wǎng)關設備等組成。CSN主要功能：因特網(wǎng)接入，為用戶會話連接，給終端分配IP地址；AAA代理或者服務器，用戶計費以及結算；基于用戶系統(tǒng)參數(shù)的QoS及許可控制；ASN之間的移動性管理，ASN和CSN之間的隧道建立和管理；WiMAX服務，如基于位置的服務、組播服務等。WiMAX/802.16網(wǎng)絡接口圖9-5WiMAX網(wǎng)絡開放接口接口R1至R5為網(wǎng)絡工作組初步確定了在Release1規(guī)范中定義的開放接口，接口R6至R8為后續(xù)版本中考慮開放的接口。（1）R1：MSS與ASN之間的接口，可能包含管理平面的功能。（2）R2：MSS與CSN之間的邏輯接口，提供鑒權、業(yè)務授權和IP主機配置等服務。此外，可能還包含管理和承載平面的移動性管理。（3）R3：ASN和CSN之間互操作的接口，包括一系列控制和承載平面的協(xié)議。（4）R4：用于處理ASNGW間移動性相關的一系列控制和承載平面協(xié)議。（5）R5：拜訪CSN與歸屬CSN之間互操作的一系列控制和承載平面協(xié)議。（6）R6：BS和ASNGW間的互操作接口，屬于ASN內(nèi)的接口，由一系列控制和承載平面協(xié)議構成。（7）R7：該接口屬于ASNGW內(nèi)部接口，圖9-5中沒有標注，具體定義還在討論之中。（8）R8：BS之間的接口，用于快速無縫切換功能，由一系列控制和承載平面協(xié)議組成。9.2.3業(yè)務及QoS定義了四種業(yè)務類型，并對每種業(yè)務類型的帶寬請求方式進行了規(guī)定（優(yōu)先級從高到底）：

（1）主動授權業(yè)務（UGS）

（2）實時輪詢業(yè)務（rtPS）

（3）非實時輪詢業(yè)務（nrtPS）

（4）盡力而為（BE）業(yè)務9.2.4協(xié)議模型圖9-6IEEE802.16空中接口協(xié)議棧模型9.3802.16的物理層9.3.1802.16物理層的分類WMAN-SC物理層2．WMAN-SCa物理層3．WMAN-OFDM物理層4.WMAN-OFDMA物理層5.WirelessHUMAN物理層9.3.2802.16物理層的關鍵技術1.雙工復用方式

WiMAX系統(tǒng)物理層支持時分雙工（TimeDivisionDuplex，TDD）方式、頻分雙工（FrequencyDivisionDuplex，F(xiàn)DD）方式。TDD上行和下行的傳輸使用同一頻帶的雙工方式，需要根據(jù)時間進行切換，物理層的時隙被分為發(fā)送和接收兩部分。其技術特點有：不需要成對的頻率，能使用各種頻率資源。上下行鏈路業(yè)務可以不平均分配。上下行工作于同一頻率，電波傳播的對稱特性使之便于使用智能天線等新技術，達到提高性能，降低成本的目的。傳輸不連續(xù)，切換傳輸方向需要時間和控制，為避免傳輸發(fā)生沖突，上下行鏈路需要一個協(xié)商傳輸與時序的過程，為避免發(fā)生傳輸錯誤，需要設置一個保護時間來保護傳輸信號符合傳輸時延的要求。FDD上行和下行的傳輸使用分離的兩個對稱的頻帶的雙工方式，系統(tǒng)需根據(jù)對稱性頻帶進行劃分。其技術特點有：需要成對的頻率，在分離的兩個對稱的頻帶上進行發(fā)送和接收，上下行頻帶之間需要有190MHz的頻率間隔。支持對稱業(yè)務時，能充分利用上下行的頻譜，但在非對稱的分組交換（互聯(lián)網(wǎng)）工作時，頻譜利用率則大大降低（由于低上行負載，造成頻譜利用率降低約40%）。2.載波帶寬IEEE802.16并未規(guī)定具體的載波帶寬，系統(tǒng)可以采用從1.25MHz一20MHz之間的帶寬。3.OFDM和OFDMA（1）正交頻分復用OFDMOFDM是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術。它的基本思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各個子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM技術相對于一般的多載波傳輸技術不同之處在于它允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交，則可以從混疊的子載波中分離出數(shù)據(jù)信號。OFDM的優(yōu)點：①頻譜利用率很高。②抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強。③采用動態(tài)子載波分配技術能使系統(tǒng)達到最大比特率。④通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強的抗衰落能力。⑤基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里葉變換(FFT)和逆快速傅里葉變換(IFFT)來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)。OFDM的缺點：①對頻偏和相位噪聲敏感。②峰均功率比(PAPR)大，導致發(fā)送端放大器功率效率較低。③自適應的調(diào)制技術使系統(tǒng)復雜度有所增加。（2）正交頻分復用多址OFDMAOFDMA和OFDM的本質(zhì)原理是一致的，與之不同的是，它可以指定每個用戶使用OFDM所有子載波中的一個(或一組)。OFDMA將整個頻帶劃分成更小的單位，多個用戶可以同時使用整個頻帶，并且它的分配機制非常靈活，可以根據(jù)用戶業(yè)務量的大小動態(tài)分配子載波的數(shù)量，不同的子載波上使用的調(diào)制方式和發(fā)射功率也可以不同。在OFDMA系統(tǒng)中，用戶僅僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個幀內(nèi)的用戶的定時偏差和頻率偏差足夠小，則系統(tǒng)內(nèi)就不會存在小區(qū)內(nèi)的干擾，比碼分系統(tǒng)更有優(yōu)勢。4.自適應調(diào)制802.16可以根據(jù)不同的調(diào)制方式和糾錯編碼方法組合成多種發(fā)送方案，系統(tǒng)可以根據(jù)信道狀況的好壞以及傳輸?shù)男枨?，選擇一個合適的傳輸方案。5.多天線技術MIMO技術在基站和移動臺兩端都使用多元天線陣列，抑制信道衰落，大幅度提高信道容量和覆蓋范圍。MIMO技術的核心思想是空時信號處理，處理的方式大致分為發(fā)射分集和空間復用兩類。其中發(fā)射分集指的是在不同的天線上發(fā)射承載相同信息的信號，當然，信號的形式可以不同，這樣做的目的是充分利用空間資源，提高信道的可靠性。使用多天線技術具有以下優(yōu)勢:（1）陣列增益（2）分集增益（3）共信道干擾消除9.4802.16的MAC層MAC層分成三個子層:匯聚子層(ConvergenceSublayer，CS)、公共部分子層(CommonPartSublayer，CPS)、安全子層(PrivacySubayer，PS)。物理層PSCPSCSMAC層圖9-7MAC層結構CS：該層根據(jù)提供服務的不同，提供不同的功能。對于IEEE802.16來說，能提供的服務包括數(shù)字音頻/視頻廣播、數(shù)字電話、異步傳輸模式ATM、因特網(wǎng)接入、電話網(wǎng)絡中無線中繼和幀中繼等。CPS：CPS是MAC的核心部分，主要功能包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接建立和連接維護等。PS：提供基站和用戶站之間的保密性，它包括兩個部分:一是加密封裝協(xié)議，負責空中傳輸?shù)姆纸M數(shù)據(jù)的加密，二是密鑰管理協(xié)議，負責基站到用戶站之間密鑰的安全發(fā)放。9.4.1MAC層的技術特點1.連接

當高層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進入WiMAX系統(tǒng)后，經(jīng)過匯聚子層分類操作將包映射到不同的連接上。每個連接代表著不同的服務類型、帶寬等參數(shù)，連接的建立是業(yè)務通信實現(xiàn)QoS的前提。2.QoS

WiMAX系統(tǒng)的MAC層最大的特色是定義了比較完整的，基于連接的服務質(zhì)量機制，這種機制將高層數(shù)據(jù)映射為單個連接，并用一個16bit的CID唯一標識，除此之外，這種機制針對每個連接分別設置不同的服務質(zhì)量參數(shù)，包括速率、時延和延遲抖動等等。表9-2WiMAX5種等級服務QoS等級服務縮略語定義典型應用非請求的帶寬分配業(yè)務UnsolicitedGrantServiceUGS周期性產(chǎn)生固定包長的實時業(yè)務T1/E1傳輸實時輪詢業(yè)務Real-timePollingServicertPS周期性產(chǎn)生可變包長的實時業(yè)務MPEGVideo擴展的實時輪詢業(yè)務ExtendedReal-timePollingServiceertPS周期性產(chǎn)生可變包長的實時業(yè)務，rtPS業(yè)務的一種擴展，對實時性要求很高VoIP非實時輪詢業(yè)務Non-real-timePollingServicenrtPS延遲容忍的數(shù)據(jù)流，包括可變大小的數(shù)據(jù)包，有最低數(shù)據(jù)速率要求FTP盡力而為BestEffortBE沒有最低服務水平需求的非實時數(shù)據(jù)流，在資源允許的前提下處理HTTP3.安全性

為了保證信息傳輸?shù)陌踩裕?02.16在MAC層中定義了一個安全子層來實現(xiàn)對密鑰的分配管理和數(shù)據(jù)的加密。安全子層位于物理層之上，屬于MAC層的最低一個子層。它的加密協(xié)議主要是以電纜調(diào)制傳輸技術DOCSISBPI+中的密鑰管理協(xié)議為基礎，加密子層主要可以分為數(shù)據(jù)包加密封裝協(xié)議和密鑰管理(PKM)協(xié)議兩部分。9.4.2匯聚子層（CS）匯聚子層CS層是MAC的最高層，主要功能是從上層接收數(shù)據(jù)包并封裝成為特定MAC數(shù)據(jù)包傳送到公共部分子層相應的接口點。CS層主要完成以下功能:（1）接收來自上層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU。（2）對所接收的上層PDU進行分類。（3）根據(jù)分類對接收的PDU進行處理。（4）將處理后生成的CSPDU送往合適的MACSAP。（5）接收來自對等實體中特定業(yè)務匯聚子層的CSPDU。CS分類功能

圖9-8分類匹配與映射示意圖分類就是在MAC對等實體間將一個MACSDU映射到一個特定傳輸連接上的過程。在將一個MACSDU映射到一個傳輸連接時，同時創(chuàng)建了與該連接的服務流特性的關聯(lián)。

CS報頭壓縮功能

為了節(jié)省無線鏈路資源，提高帶寬利用率，IEEE802.16協(xié)議定義了PHS(PayloadHeaderSuppression)機制，對凈荷報頭的重復部分進行壓縮，對等實體再將其恢復。圖9-9MACSDU格式

一條PHS規(guī)則包括以下5個參數(shù)：（1）頭壓縮區(qū)域（PayloadHeaderSuppressionField，PHSF），解壓縮時根據(jù)該字段將數(shù)據(jù)包首部還原；（2）頭壓縮索引（PayloadHeaderSuppressionIndex，PHSI），用以對應唯一的頭壓縮規(guī)則；（3）頭壓縮掩碼（PayloadHeaderSuppressionMask，PHSM），用以決定壓縮報頭中那些字節(jié)；（4）頭壓縮區(qū)域長度（PayloadHeaderSuppressionSize，PHSS），指明報頭中壓縮字節(jié)的長度；（5）頭壓縮檢驗標識（PayloadHeaderSuppressionValid，PHSV），用以確定對數(shù)據(jù)頭進行壓縮還是不壓縮。1.PHS操作圖9-10PHS操作圖9-11使用過濾功能的PHS操作2.PHS信令PHS需要建立以下3個對象：（1）服務流；（2）分類器；（3）PHS規(guī)則；

9.4.3公共部分子層（MACCPS）

MACCPS支持的網(wǎng)絡結構

1．PMP模式PMP模式是一種集中式的網(wǎng)絡結構,一個BS對應于多個SS。BS負責上行和下行帶寬資源分配，每幀的分配結果體現(xiàn)在下行映射(DL-MAP)和上行映射(UL-MAP)結構中。SS根據(jù)DL-MAP和UL-MAP的規(guī)定接收和發(fā)送數(shù)據(jù)/管理信令。（1）PMP模式下的幀結構圖9-12TDD模式下OFDM幀結構圖9-13FDD模式下OFDM幀結構（2）PMP模式下的調(diào)度機制SSSSSSSSSSSSSSBS圖9-14PMP模式下的調(diào)度示意圖

2．Mesh模式Mesh模式與PMP最大的不同在于除了BS與SS之間能夠直接通信外，SS之間也可以通過多跳的方式實現(xiàn)多點到多點之間的無線連接。（1）Mesh模式下的幀結構圖9-15Mesh模式下幀結構（2）Mesh模式下的調(diào)度機制

IEEE802.16-2004標準中定義了Mesh模式下的兩種調(diào)度方式：集中式調(diào)度和分布式調(diào)度。BS

SS

SS

SS

SS

SS

SS

SS圖9-16集中式調(diào)度示意圖BSSSSSSSSSSSSSSS圖9-17分布式調(diào)度示意圖請求節(jié)點目標節(jié)點請求確認回復圖9-18三次握手示意圖IEEE802.16-2004Mesh模式中的分布式調(diào)度采用請求、答復、確認三次握手的方式來建立發(fā)送數(shù)據(jù)前的連接。

MACCPS的功能

1.尋址與連接

MAC層是基于連接的，每個連接都由一個16位的連接標識符CID來區(qū)分。每個CID標識一個具有某種QoS的業(yè)務六流。CID是WiMAX面向連接的核心，其主要功能：（1）標識不同的連接；（2）連接請求，如帶寬請求；（3）關聯(lián)相應的業(yè)務流。在SS初始化過程中，上行和下行方向都會建立三個不同的管理連接，用于發(fā)送和接收控制管理消息。這三種連接反映了BS和SS之間不同的管理業(yè)務的服務質(zhì)量，他們分別為基本連接(Basicconnection)、主要管理連接(Primarymanagementconnection)和次要管理連接(Secondarymanagementconnection)。（1）基本連接:用于在BS和SS之間交換短的、時延敏感的MAC管理消息。（2）主要管理連接:用于在BS和SS之間傳遞較長的、可以容忍一定時延的MAC管理消息。（3）次要管理連接:只用于可以被管理的SS與BS傳遞基于標準(如DHCP、TFTP、SNMP)的管理消息，通常這些消息也是對時延不敏感的。2．PDU成幀與傳輸圖9-19PDU報文格式

圖9-20通用MAC頭部格式字段比特數(shù)描述HT1頭部類型，必須設置為0。EC1加密控制，EC=1，加密；，EC=0，不加密。type6子頭部和載荷類型，可包含mesh子頭部，分片子頭部，封包子頭部等。EKS2密鑰序列。CI1CRC指示。LEN11包括頭部在內(nèi)的整個MACPDU的長度。CID16傳送該MACPDU對應的連接標識符。HCS8頭部校驗序列。表9-3通用MAC頭部各字段含義圖9-21帶寬請求頭部格式表9-4帶寬請求頭部各字段含義字段比特數(shù)描述HT1頭部類型，必須設置為1。EC1EC必須設置為0，不加密。type3指示帶寬請求類型：“000”請求增加帶寬，“001”請求總帶寬。BR19指示SS向BS申請的字節(jié)數(shù)，該數(shù)字中不含任何物理層附加頭部。CID16表示一個SS向BS的帶寬請求連接。HCS8頭部校驗序列。通用MAC頭部Type字段的位描述5指示mesh子頭部的有無；1表示有，0表示無。4指示ARQ響應載荷的有無；1表示有，0表示無。3指示可擴展類型；即有否拼裝或分片子頭部的擴展。1表示有，0表示無。用于無ARQ的連接。2指示分片子頭部的有無；1表示有，0表示無。1指示拼裝子頭部的有無；1表示有，0表示無。0下行鏈路，快速反饋分配子報頭；上行鏈路，授權管理子報頭。1表示有，0表示無。表9-5MAC子頭部類型描述

系統(tǒng)在形成MACPDU之后的操作是將一個或多個PDU通過級聯(lián)、分片、打包等方式組成一個完整的MAC幀，并通過服務訪問點傳遞給下層進行傳輸。

級聯(lián)：在WiMAX系統(tǒng)中，多個MACPDU可以連在一起，一并發(fā)往接收端，由于每個PDU都是通過其所包含的CID來唯一標識的，因此接收端的對應MAC實體可以將接收到的多個MACPDU解封并重新組裝，得到的MACSDU送到相對應的MACSAP。MAC管理消息、用戶數(shù)據(jù)以及帶寬請求的MACPDU都可以被級聯(lián)在一起進行發(fā)送。

分片：分片是將多個MACSDU分成一個或多個MACPDU的過程，這一操作使得WiMAX系統(tǒng)可以高效地使用有限的帶寬。一個PDU在傳輸過程中是否分片是在連接被創(chuàng)建的時候決定的，每個分片在整個SDU中的位置可以通過分片子報頭中的分片控制域(FC)知道。

打包：與分片相反，打包是將多個SDU并入一個PDU中進行傳輸。打包通過連接的屬性來指出當前連接所承載的是定長分組還是變長分組。另外，是否進行打包操作完全由發(fā)送端決定。3.對PHY的支持

（1）雙工方式

MAC層協(xié)議可以支持物理層采用不同的雙工模式:時分雙工(TDD)方式或頻分雙工(FDD)方式。（2）鏈路映射管理消息下行鏈路映射消息(DL-MAP)定義了突發(fā)模式的物理層下行鏈路間隔的使用情況，SS根據(jù)該消息來接收下行鏈路上的信息。在PMP系統(tǒng)中，DL-MAP消息只能由BS以廣播方式發(fā)送給各SS。上行鏈路映射消息(UL-MAP)消息根據(jù)突發(fā)相對于分配開始時間(AllocationStartTime)的偏移定義了上行傳輸間隔的使用，通過一系列的信息元素(IE)來表示。IE有以下幾種:①RequestIE:通過RequestIE，BS指定了一個上行間隔用來為上行數(shù)據(jù)的傳輸申請帶寬，與該IE指定的CID類型相一致的SS可以在這個間隔內(nèi)發(fā)送帶寬請求。對于任何一個分配的上行鏈路發(fā)送間隔，SS可以決定是用于發(fā)送數(shù)據(jù)或請求，也可以在數(shù)據(jù)中捎帶請求。此時，PDU的傳輸應采用帶寬請求頭的格式。②InitialRangingIE:在UL-MAP消息中要提供一個發(fā)送間隔來允許新SS進行初始測距，BS通過InitialRangingIE來指定一個間隔用于SS進入網(wǎng)絡。在這個間隔發(fā)送的數(shù)據(jù)包應使用初始測距請求管理消息(RNG-REQ)的格式，間隔的大小應為最大傳輸時延加上RNG-REQ消息的傳輸時間。③DataGrantBurstTypeIE:該IE為SS提供發(fā)送一個或多個上行PDU的時間間隔。提供這些IE可以是響應SS的帶寬請求，或者是基于一種管理的策略為一個特定的SS提供一定的帶寬，比如單播輪詢機制。④EndofmapIE:位于IE列表的最后，是所有IE結束的標志，用于決定最后一個間隔的長度。⑤GapIE:表示上行鏈路傳輸結束，SS不應該在該IE期間發(fā)送數(shù)據(jù)。（3）映射相關和同步不論是FDD還是TDD方式，DL-MAP總是用來指示本幀下行的開始，UL-MAP最小用于指示本幀上行的開始，最大用于指示下一幀上行的開始。

4.進入網(wǎng)絡和初始化SS的初始化整個過程可分為以下階段:

（1）SS首先要搜索可用信道，以獲取物理層的同步。一旦物理層達到同步，SS將搜索廣播消息以獲得上行信道和下行信道控制參數(shù)。（2）MAC層搜索DL一MAP消息以實現(xiàn)MAC層的同步。（3）初始測距。（4）完成測距后，SS發(fā)送SBC-REQ(SS基本功能請求)消息告知BS其支持的調(diào)制級別、編碼方案和速率等基本能力，BS根據(jù)自身能力選擇支持的部分并返回SBC-RSP(SS基本功能響應)消息響應。（5）BS和SS之間進行鑒權和密鑰交換。（6）成功鑒權后，將進行注冊過程。（7）建立IP連接。（8）完成上述操作后，BS發(fā)送DSA-REQ(動態(tài)服務添加請求)消息為SS的預留服務流建立連接，SS則以DSA-RSP(動態(tài)服務添加響應)消息進行響應。

9.4.4MAC安全子層安全子層主要提供鑒權，密鑰交換以及加密功能。安全子層主要包括了兩個協(xié)議：數(shù)據(jù)加密封裝協(xié)議(EncapsulationProtocol)

和密鑰管理協(xié)議PKM(PrivacyKeyManagement)。數(shù)據(jù)加密封裝協(xié)議負責加密接入固定BWA網(wǎng)絡的分組數(shù)據(jù)，定義了加密和鑒權算法，以及這些算法在MACPDU分組數(shù)據(jù)中的應用規(guī)則。加密只針對MACPDU中的負荷部分，MAC頭不被加密，MAC層中的所有管理信息在傳輸過程中也不被加密。PKM負責從BS到SS之間密鑰的安全分發(fā)、SS和BS之間密鑰數(shù)據(jù)的同步以及業(yè)務接入的鑒權。通過使用基于數(shù)字證書的認證方式，進一步加強了PKM的安全性能。PKM采用服務器/客戶機模型，SS作為客戶端來請求密鑰，BS作為服務器端響應SS的請求并授權給SS唯一的密鑰。PKM支持周期性地重新授權及密鑰更新機制，PKM使用X.509數(shù)字證書（IETFRFC3280）、RSA（Rivest-Shamir-Adlemanpublic-keysystem）公鑰加密算法和強對稱算法進行BS與SS之間的密鑰交換。通過使用基于數(shù)字證書的認證方式，進一步加強了PKM的安全性能。

9.5WiMAX技術與其他技術比較

9.5.1寬帶無線接入背景通信市場正在呈現(xiàn)出話音業(yè)務移動化，數(shù)據(jù)業(yè)務寬帶化的發(fā)展趨勢；無線化和寬帶化是電信網(wǎng)絡接入層發(fā)展的總趨勢；在以ITU和3GPP/3GPP2引領的蜂窩移動通信從3G到E3G，再走向B3G/4G的演進道路上，3G、WiMAX、WIFI、LTE等各種無線技術競爭中互相借鑒和學習，技術不斷完善，網(wǎng)絡安全性實用性不斷增強。豐富的市場終端支持：支持WIFI、WIMAX的無線網(wǎng)絡的筆記本電腦，手機終端，移動MP3，移動電視等，整個產(chǎn)業(yè)鏈已逐漸成熟。

9.5.2無線寬帶接入技術WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMi-crowaveAccess）即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一個名字是802.16。WIFI(WirelessFidelity)即無線保真，目前可使用的標準有兩個，分別是IEEE802.11a和IEEE802.11b。3G（3rdGeneration）第三代移動通信，目前分為TD-SCDMA，WCDMA,CDMA2000三種。LTE（LongTermEvolution）長期演進。LTE也被通俗的稱為3.9G，被視作從3G向4G演進的主流技術。9.5.33G技術概述3G是英文3rdGeneration的縮寫，指第三代移動通信技術。國際電信聯(lián)盟(ITU)在2000年5月確定W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流無線接口標準，寫入3G技術指導性文件《2000年國際移動通訊計劃》(簡稱IMT-2000)。CDMA2000CDMA2000是由IS-95A/B標準演進而來的第三代移動通信標準，由3GPP2負責具體標準化工作。目前CDMA2000有由3GPP2制定的Release0、A、B、C和D五個支持CDMA20001X及其增強型技術的版本，以及由EIA/TIA發(fā)布的支持CDMA20001XEV-DO的IS-856和IS-856A標準。

CDMA20001xEV-DO定位于Internet的無線延伸，能以較少的網(wǎng)絡和頻譜資源（在1.25MHz標準載波中）支持平均速率為：靜止或慢速移動：1.03Mbps（無分集）和1.4Mbps（分集接收）。中高速移動：700Kbps（無分集）和1.03Mbps（分集接收）。其峰值速率可達2.4Mbps，而且在IS-856版本A中可支持高達3.1M的峰值速率。WCDMAWCDMA是一種由3GPP具體制定的，基于GSMMAP核心網(wǎng)，UTRAN（UMTS陸地無線接入網(wǎng)）為無線接口的第三代移動通信系統(tǒng)。目前WCDMA有Release99、Release4、Release5、Release6等版本。

WCDMA采用直接序列擴頻碼分多址（DS-CDMA）、頻分雙工（FDD）方式，碼片速率為3.84Mcps，載波帶寬為5MHz?；赗elease99/Release4版本，可在5MHz的帶寬內(nèi)，提供最高384kbps的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。TD-SCDMATD-SCDMA(TimeDivision-SynchronizationCodeDivisionMultipleAccess)的中文含義為時分同步碼分多址接入。TD-SCDMA從2001年3月開始，正式寫入3GPP的Release4版本。目前TD-SCDMA已有Release4、Release5、Release6等版本。

TD-SCDMA采用不需成對頻率的TDD雙工模式以及FDMA/TDMA/CDMA相結合的多址接入方式，使用1.28Mcps的低碼片速率，擴頻帶寬為1.6MHz。

3G各主流技術的比較項目WCDMACDMA2000TD-SCDMA核心網(wǎng)基于GSM-MAP基于ANSI-41基于GSM-MAP雙工方式FDDFDDTDD雙向信道帶寬（MHz）102.51.6碼片速率（Mcps）3.841.22881.28幀長（ms）10ms可變10ms（分兩個5ms子幀）基站同步異步（同步可選）同步同步功率控制（Hz）開環(huán)＋快速閉環(huán)1500開環(huán)＋快速閉環(huán)800開環(huán)＋慢速閉環(huán)200表9-63G三大技術比較3G主流技術的優(yōu)勢漫游能力：良好的全球漫游能力。目前全球大部分國家已經(jīng)開通3G網(wǎng)絡，其中80%運營商選擇WCDMA和20%運營商選擇CDMA2000。良好的全球漫游能力有利于與其他運營商的合作和吸引高端用戶。安全性：3G采用了很多種加密技術，保證通話和數(shù)據(jù)的安全，不管是話音還是數(shù)據(jù)都具備很強的保密性，通過多層的協(xié)議控制，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中可以非常安全的傳輸。

技術成熟度：3G于1996年提出標準，2000年完成包括上層協(xié)議在內(nèi)的完整標準的制訂工作。3G網(wǎng)絡部署已具備相當?shù)膶嵺`經(jīng)驗，有一成套建網(wǎng)的理論，包括對網(wǎng)絡的鏈路預算，傳播模型預算，以及計算機仿真等。商業(yè)模式：商業(yè)運作模式成熟，3G網(wǎng)絡得到眾多設備商、終端制造商、內(nèi)容提供商支持，具備一個非常全的產(chǎn)業(yè)鏈。

3G網(wǎng)絡發(fā)展存在問題（1）資金投入大覆蓋范圍有限。大規(guī)模的3G網(wǎng)絡建設需要耗費巨資，而國外運營商由于種種原因沒有投入足夠的資金進行全覆蓋的網(wǎng)絡建設。（2）3G技術標準的版本仍不斷演進，由于害怕與以后新的標準在漫游和兼容性等方面出現(xiàn)問題，各大運營商仍在綜合評估以現(xiàn)有技術進行網(wǎng)絡建設的合理規(guī)模。缺乏重量級應用，市場需求并不明朗。（3）在3G業(yè)務對用戶沒有足夠吸引力的情況下，用戶更不愿意花高價購買3G終端，因此終端的補貼也成為各運營商的主要市場策略之一。除此之外，市場上可供用戶選擇的3G終端仍十分有限，而前景較好的3G類業(yè)務如視頻電話、網(wǎng)絡游戲等對終端的要求都很高，3G終端的完備性目前仍無法充分滿足這些要求。9.5.4WiMAX技術概述WiMAX全稱WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess(全球微波接入互操作性)是一項基于IEEE802.16標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術，是針對微波和毫米波頻段提出的一種空中接口標準。WiMAX系統(tǒng)主要有兩個技術標準，一個是指滿足固定寬帶無線接入的WiMAX802．16d標準，另一個是滿足固定和移動的寬帶無線接入技術WiMAX802．16e標準。作為線纜和xDSL的無線擴展技術，802.16a規(guī)范于2003年1月29日被IEEE通過。這是一種全新的寬帶FWA技術，是為解決寬帶接入"最后一公里"的問題而設計的。在亞洲，目前xDSL是WiMAX在最后一公里接入市場主要的競爭對手，因此，通常也將WiMAX稱為無線DSL。WiMAX技術優(yōu)勢WiMAX具有以下技術優(yōu)勢:（1）實現(xiàn)更遠的傳輸距離。（2）提供更高速的寬帶接入。（3）提供優(yōu)良的最后一公里網(wǎng)絡接入服務。（4）提供多媒體通信服務。WiMAX市場定位和發(fā)展瓶頸

802.16e的定位——按照802.16e設定的目標，它是一種移動的寬帶無線接入技術，可以實現(xiàn)用戶在車速移動狀態(tài)下的寬帶接入并接入IP核心網(wǎng)，主要面向用戶提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務，也可以提供語音業(yè)務。工作在2～6GHz，基站覆蓋范圍一般為幾公里，可采用FDD或FDD工作方式，核心技術為OFDM和OFDMA，用戶群主要為個人用戶。WiMAX理想的市場定位應該是高速數(shù)據(jù)在固定、便攜和低速移動中的應用。從技術的定位上講，WiMAX更適合用于城域網(wǎng)建設的“最后一公里”無線接入部分，尤其是對于新興的運營商更為合適。WiMAX技術分為固定和移動兩部分，因此運營商在市場定位上會面臨選擇：如果選擇提供固定寬帶接入，那么市場規(guī)模會比較有限；如果立足于移動業(yè)務，在運營模式、終端支持、組網(wǎng)方式方面都存在很多挑戰(zhàn)，同時也將面臨來自3G、E3G技術的競爭。標準制定方面,802.16e標準化工作正在進行，除空中接口標準尚未完成以外，802.16還存在一個問題就是缺乏網(wǎng)絡規(guī)范、標準體系不完善。802.16僅僅規(guī)范了基站和移動臺之間的空中接口，沒有規(guī)定基站和基站之間，基站和網(wǎng)絡側的協(xié)議。在切換、移動性管理（尋呼）和終端狀態(tài)管理（激活和休眠的轉換）等與蜂窩組網(wǎng)有關的方面，還不夠成熟，需要進一步完善。頻率方面,目前已經(jīng)認可的是3.4～3.8GHz許可證頻率（ETSI，國際MMDS）和5.725～5.85GHz免許可證頻率。很多國家允許使用更高的頻率，將其當作5GHz免許可證頻段的一部分，但由于其穿透力差，使用這些頻率的WiMAX系統(tǒng)不可能和LTE競爭。9.5.5WiFi技術概述WiFi的全稱是WirelessFidelity，無線保真技術。與藍牙技術一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。其目前可使用的標準有兩個，分別是IEEE802.11a和IEEE802.11b。802.11b采用2.4GHz的頻段，可支持11Mbps的共享接入速率；802.11a采用5GHz的頻段，其速率高達54Mbps；正在等待批準的IEEE802.11n，其速率高達300Mbps，目前部分廠商已經(jīng)投入市場應用。802.11g其實是一種混合標準，既能適應802.11b標準，又符合802.11a標準，其速率高達54Mbps，它比802.11b速率快5倍，并和802.11b兼容。正在等待批準的IEEE802.11n，其速率高達300Mbps，目前部分廠商已經(jīng)投入市場應用。WiFi技術優(yōu)勢

WiFi技術具有以下優(yōu)勢：（1）WiFi是由AP(AccessPoint)和無線網(wǎng)卡組成的無線局域網(wǎng)絡。組網(wǎng)簡單，可以不受布線條件的限制，因此非常適合移動辦公用戶的需要。（2）應用靈活，能靈活勝任只有幾個用戶的小型網(wǎng)絡到上千用戶的大型網(wǎng)絡。（3）豐富的終端支持，經(jīng)濟節(jié)約，廠商進入該領域的門檻比較低。WIFI組網(wǎng)的成本低廉。（4）提供漫游服務，能提供有線網(wǎng)絡無法提供的漫游特性，方便用戶使用。WiFi市場定位和發(fā)展瓶頸制約WiFi技術發(fā)展有以下幾個方面：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率有限。雖然WiFi技術最高數(shù)據(jù)傳輸速率標稱可達11～54Mbit/s，但系統(tǒng)開銷會使應用層速率減少50%左右。（2）無線電波間存在相互影響的現(xiàn)象，特別是同頻段、同技術設備之間將存在明顯影響。在多運營商環(huán)境中，不同AP(AccessPoint)間的頻率干擾會使數(shù)據(jù)傳輸速率明顯降低，在有三個運營商同時運營的環(huán)境中不能實現(xiàn)多用戶的同時高速數(shù)據(jù)業(yè)務。（3）無線電波在傳播中根據(jù)障礙物不同將發(fā)生折射、反射、衍射、信號無法穿透等情況，其質(zhì)量和信號的穩(wěn)定性都不如有線接入方式。（4）WiFi實現(xiàn)規(guī)模覆蓋的最大的缺陷在于需要密集的有線傳輸資源。3G/WiMAX基站的覆蓋范圍比WiFiAP覆蓋范圍大數(shù)十到上百倍。（5）WiFi技術本身不支持移動性，即便IEEE802.11s可能會對WiFiMESH的移動性進行增強，最多也只能支持步行的移動速度。而3G和WiMAX都支持120km/h以上的移動性。（6）WiFi空中接口沒有QoS保障機制，只支持BestEffort業(yè)務，適用于WEB瀏覽、FTP下載以及收發(fā)Email等；語音通信、視頻傳輸?shù)葮I(yè)務的QoS很難得到保障。9.5.6LTE技術簡介3GPP組織于2004年12月正式成立了LTE（LongTermEvolution）研究項目。LTE的制定出發(fā)點是保證3GPP未來十年的競爭力，從性能、功能、成本上得到全面提升。相對于3GPPR6