現(xiàn)代接入網(wǎng)技術(shù) 課件 第8章 城域網(wǎng)接入技術(shù)

第8章城域網(wǎng)接入技術(shù)IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)總體概述8.1

IEEE802.16物理層關(guān)鍵技術(shù)8.2IEEE802.16系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.3IEEE802.16組網(wǎng)應(yīng)用模式8.48.1IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)總體概述IEEE802.16是IEEE802LAN/MAN的一個(gè)工作組，成立于1999年。工作組的名稱是BROADBANDWIRELESSACCESSSTANDARD（寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)），其工作內(nèi)容主要是開(kāi)發(fā)寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，包括空中接口及其相關(guān)功能標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋2～66GHZ的許可帶寬和免許可帶寬。IEEE802.16無(wú)線MAN技術(shù)也稱為WIMAX。這種無(wú)線寬帶訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)解決了城域網(wǎng)中的“最后一公里”問(wèn)題，因?yàn)镈SL、電纜及其他帶寬訪問(wèn)方法的解決方案要么行不通，要么成本太高。IEEE802.16是當(dāng)前無(wú)線通信領(lǐng)域的前沿技術(shù)，它提供了用戶站與核心網(wǎng)絡(luò)之間的接入方式。8.1.1標(biāo)準(zhǔn)及其演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)描

述狀

況IEEE802.16—2001固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的空中接口過(guò)期IEEE802.16.2—2001固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)共存標(biāo)準(zhǔn)過(guò)期IEEE802.16c—2002系統(tǒng)概況（10～66GHz）過(guò)期IEEE802.16a—2003物理層和MAC層定義（2～11GHz）過(guò)期IEEEP802.16b免許可頻率（項(xiàng)目已退出）撤銷IEEEP802.16d2～11GHz頻段的維護(hù)和系統(tǒng)配置文件（項(xiàng)目合并到IEEE802.16—2004）已被合并IEEE802.16—2004

空中接口固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)（匯總IEEE802.16—2001、IEEE802.16a、IEEE802.16c和IEEEP802.16d）過(guò)期IEEEP802.16.2a2～11GHz和23.5～43.5GHz共存（項(xiàng)目合并到IEEE802.16.2—2004）過(guò)期IEEE802.16.2—2004固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)共存標(biāo)準(zhǔn)（合并IEEE802.16.2—2001和IEEEP802.16.2a）當(dāng)前在用IEEE802.16f—2005IEEE802.16—2004的管理信息庫(kù)（MIB）過(guò)期IEEE802.16—2004/Cor1—2005更正固定業(yè)務(wù)（與IEEE802.16e—2005共同發(fā)布）過(guò)期IEEE802.16e—2005綜合固定與移動(dòng)業(yè)務(wù)在許可頻段的物理層與MAC層過(guò)期IEEE802.16k—2007MAC橋接，用來(lái)補(bǔ)充IEEE802.16（IEEE802.1D項(xiàng)目的修訂）當(dāng)前在用IEEE802.16g—2007管理平面的程序和服務(wù)已被合并IEEEP802.16i移動(dòng)管理信息庫(kù)（項(xiàng)目合并到IEEE802.16—2009）已被合并IEEE802.16—2009

固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的空中接口（合并IEEE802.16—2004、IEEE802.16—2004/Cor1、IEEE802.16e、IEEE802.16f、IEEE802.16g和IEEEP802.16i）當(dāng)前在用IEEE802.16j—2009多跳中繼當(dāng)前在用IEEE802.16h—2010在免許可頻段上運(yùn)作的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)前在用IEEEP802.16m—2011

數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbit/s（移動(dòng)）及1Gbit/s（固定）的先進(jìn)空中接口，也被稱為移動(dòng)WiMAX版本2或高級(jí)無(wú)線城域網(wǎng)（WirelessMAN-Advanced），針對(duì)4G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ITU-RIMT-Advanced的要求當(dāng)前在用IEEEP802.16n—2010更高的可用性網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前在用IEEEP802.16p—2010進(jìn)一步支持機(jī)對(duì)機(jī)應(yīng)用當(dāng)前在用IEEEP802.16Rev3—2011修改IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEEP802.16h、IEEEP802.16j和IEEEP802.16m當(dāng)前在用表8-1IEEE802.16的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及狀況表8-1IEEE802.16的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及狀況8.1.2協(xié)議架構(gòu)圖8-1IEEE802.16的協(xié)議堆棧結(jié)構(gòu)1．物理層物理層定義了兩種雙工方式：TDD和FDD。這兩種方式都使用突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式，這種傳輸機(jī)制支持自適應(yīng)的突發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，傳輸參數(shù)（調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)射功率等）可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，但是需要MAC層協(xié)助完成。FDD既支持全雙工的SS（SUBSCRIBERSTATION，用戶站），又支持半雙工的SS，但是支持半雙工的FDDSS會(huì)增大系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜度。2．MAC層IEEE802.16的MAC協(xié)議工程是一個(gè)新的設(shè)計(jì)，它是一個(gè)能通過(guò)空中接口穿透任何協(xié)議，并帶有完整服務(wù)支持連接導(dǎo)向的MAC。1）分層結(jié)構(gòu)IEEE802.16的MAC層包括以下3個(gè)子層：匯聚子層（CS）公共部分子層（CPS）安全子層（PS）2）管理連接IEEE802.16的MAC層包括以下3個(gè)子層：基本連接：用來(lái)傳輸較短、對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的MAC控制消息和RLC消息等。主要管理連接：用來(lái)傳輸鑒權(quán)和連接建立等消息。輔助管理連接：用來(lái)傳輸DHCP或SNMP管理消息等。3）管理消息IEEE802.16的MAC層包括以下3個(gè)子層：UL-MAP消息UCD消息DL-MAP消息DCD消息DSC-REQ消息DSA-REQ消息DSD-REQ消息4）數(shù)據(jù)傳輸速率IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定具體的載波帶寬，系統(tǒng)可以采用1.25～20MHZ范圍內(nèi)的帶寬。IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了幾個(gè)系列：1.25MHZ系列、1.75MHZ系列等。1.25MHZ系列包括1.25MHZ、2.5MHZ、5MHZ、10MHZ、20MHZ等。1.75MHZ系列包括1.75MHZ、3.5MHZ、7MHZ、14MHZ等。對(duì)于10～66GHZ的固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)，還可以采用28MHZ載波帶寬，可提供更高的接入速率。5）帶寬請(qǐng)求主動(dòng)授權(quán)業(yè)務(wù)（UGS）：用于支持固定速率的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，不能使用任何類型的競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求機(jī)會(huì)，并禁止捎帶請(qǐng)求。實(shí)時(shí)查詢業(yè)務(wù)（RTPS）：用于支持可變速率的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，BS為其提供周期性的單播查詢機(jī)會(huì)，并禁止使用其他競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求機(jī)會(huì)，但是可以捎帶請(qǐng)求。非實(shí)時(shí)查詢業(yè)務(wù)（NRTPS）：BS為其提供經(jīng)常性的單播查詢機(jī)會(huì)（可以是周期性或非周期性的），并允許使用競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求機(jī)會(huì)和捎帶請(qǐng)求。盡力而為業(yè)務(wù)（BE）：允許使用任何類型的請(qǐng)求機(jī)會(huì)和捎帶請(qǐng)求。1．雙工復(fù)用方式WIMAX系統(tǒng)物理層支持時(shí)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(shí)間進(jìn)行切換，物理層的時(shí)隙被分為發(fā)送和接收兩部分。FDD上行和下行的傳輸使用分離的兩個(gè)對(duì)稱頻帶的雙工方式，系統(tǒng)需根據(jù)對(duì)稱頻帶進(jìn)行劃分。

8.2IEEE802.16物理層關(guān)鍵技術(shù)2．載波帶寬IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定具體的載波帶寬，系統(tǒng)可以采用1.25～20MHZ的帶寬。3．OFDM和OFDMA正交頻分復(fù)用OFDM是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)。正交頻分復(fù)用多址OFDMA和OFDM的本質(zhì)原理是一致的，不同的是，OFDMA可以指定每個(gè)用戶使用OFDM所有子載波中的一個(gè)（或一組）。OFDMA將整個(gè)頻帶劃分成更小的單位，多個(gè)用戶可以同時(shí)使用整個(gè)頻帶，并且它的分配機(jī)制非常靈活，可以根據(jù)用戶業(yè)務(wù)量的大小動(dòng)態(tài)分配子載波的數(shù)量，不同的子載波使用的調(diào)制方式和發(fā)射功率也可以不同。4．自適應(yīng)調(diào)制由于各子載波的信道衰落情況不同，因此誤碼率也不同，因此IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)不同的調(diào)制方式和糾錯(cuò)編碼方法組合成多種傳輸方案，系統(tǒng)可以根據(jù)信道狀況及傳輸?shù)男枨?，選擇一個(gè)合適的傳輸方案。IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)包括25種編碼調(diào)制組合方案。5．多天線技術(shù)MIMO技術(shù)在基站和移動(dòng)臺(tái)兩端都使用多元天線陣列，充分利用空間資源，抑制信道衰落，大幅度提高信道容量、擴(kuò)大覆蓋范圍。IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)采用空時(shí)編碼技術(shù)，利用空間和時(shí)間編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集與時(shí)間分集，從而降低誤碼率。8.3IEEE802.16系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8-2IEEE802.16網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)核心網(wǎng)：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)?；荆夯咎峁┯脩艋九c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(jí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。用戶基站：用戶基站屬于基站的一種，提供基站與用戶終端設(shè)備間的中繼連接，通常采用固定天線，并被安裝在屋頂上。中繼站（REPEATSTATION，RS）：在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)中，接力站通常用于提高基站的覆蓋能力，即充當(dāng)一個(gè)基站和若干用戶基站（或用戶終端設(shè)備）間信息的中繼站。用戶終端設(shè)備：WIMAX系統(tǒng)定義用戶終端設(shè)備與基站間的連接接口，提供用戶終端設(shè)備的接入。但用戶終端設(shè)備本身并不屬于WIMAX系統(tǒng)。網(wǎng)管：用于監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有基站和用戶基站，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。8.4IEEE802.16組網(wǎng)應(yīng)用模式8.4.1PMP應(yīng)用模式

PMP應(yīng)用模式是一種集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個(gè)BS（基站）對(duì)應(yīng)多個(gè)SS（用戶基站）。BS負(fù)責(zé)上行和下行帶寬資源分配，每幀的分配結(jié)果體現(xiàn)在下行映射（DL-MAP）和上行映射（UL-MAP）結(jié)構(gòu)中。SS根據(jù)DL-MAP和UL-MAP的規(guī)定接收與發(fā)送數(shù)據(jù)/管理信令。PMP應(yīng)用模式以BS為核心，采用點(diǎn)到多點(diǎn)的連接方式，構(gòu)建星狀結(jié)構(gòu)的WIMAX接入網(wǎng)絡(luò)，PMP模式下的調(diào)度示意圖如圖8-3所示。圖8-3PMP模式下的調(diào)度示意圖PMP有兩種模式的幀結(jié)構(gòu)：TDD模式下的OFDM幀結(jié)構(gòu)（如圖8-4所示）、FDD模式下的OFDM幀結(jié)構(gòu)（如圖8-5所示）。圖8-4TDD模式下的OFDM幀結(jié)構(gòu)圖8-5FDD模式下的OFDM幀結(jié)構(gòu)8.4.2Mesh模式PMP是一種單跳無(wú)線網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而Mesh模式與PMP應(yīng)用模式的最大不同在于除BS與SS之間能夠直接通信外，SS之間也可以通過(guò)多跳的方式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到多點(diǎn)之間的無(wú)線連接。在IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)中，通過(guò)擴(kuò)展SS的功能可實(shí)現(xiàn)Mesh模式。IEEE802.16—2004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，分別如圖8-6、圖