第10次課 城域網

復習網絡覆蓋部署架構2345第5章無線城域網學習過程WMAN的概況802.16標準WiMAX組織物理層與MAC層體系結構WiMAX的應用從技術原理與實際應用內容提要5.1無線城域網概況5.2802.16協議體系5.3802.16的物理層5.4802.16的MAC層5.5MAC層的鏈路自適應機制5.6802.16系統的QoS架構5.7802.16系統的移動性5.8WiMAX與其他技術的比較5.1無線城域網概況5.1.1無線城域網技術的形成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

●WMAN標準的開發主要有兩大組織機構：

①

IEEE的802.16工作組，主要負責802.16系列標準； ②歐洲的ETSI，主要負責HiperAccess；5.1.1無線城域網技術的形成1999年，IEEE802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。IEEE802.16.1負責制定頻率范圍在10~66GHz的無線接口標準IEEE802.16.2負責制定寬帶無線接入系統共存方面的標準IEEE802.16.3負責制定頻率范圍在2~11GHz之間無線接口標準WiMAX論壇成立，在全球范圍內推廣802.16協議。5.1.2WiMAX論壇

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WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)。該論壇旨在對基于IEEE802.16標準和ETSIHiperMAN標準的寬帶無線接入產品進行一致性和互操作性認證。WiMAX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IEEE802.16技術標準的寬帶無線接入設備的上市速度。WiMAX主要功能

形成一個可操作的全球統一標準制定一套一致性測試和互操作測試規范采用“系統輪廓”模式定義協議WiMAX價值：為設備制造商提供基于標準的平臺，利于技術的創新為運營商降低設備成本和投資風險為用戶提供更多產品選擇WiMAX系統組成 ①WiMax發射塔 ②WiMax接收機WiMax發射塔WiMax接收機WiMAX可提供的無線服務：

①非視距服務 ②視距型服務WiMAX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的應用實例WiMax無線視頻監控系統包括三部分 ①視頻采集前端系統 ②無線網絡傳輸系統 ③視頻流信息處理系統基于WiMax的視頻監控系統5.1.3ETSIHYPERMAN歐洲電信標準機構(ETSI)提出了一種高性能的無線MAN(HighPerformanceRadioMetropolitanAreaNetworks,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IEEE802.16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。ETSI的目的是開發一套使用未授權頻譜的標準，但該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。HYPERMAN只定義了物理層和鏈路控制層，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5.725～5.875GHz（歐洲帶寬C）EIRP<30dBm(1W)數據速率峰值數據速率>2Mbps信道化5MHz,10MHz或20MHz信道帶寬雙工方式支持TDD和FDDHYPERMAN關鍵參數TDD雙工方式的工作特點使TDD具有如下優勢：（1）能夠靈活配置頻率，使用FDD系統不易使用的零散頻（2）可以通過調整上下行時隙轉換點，提高下行時隙比例，能夠很好的支持非對稱業務；（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發送可以共用部分射頻單元，降低了設備成本；（4）接收上下行數據時，不需要收發隔離器，只需要一個開關即可，降低了設備的復雜度；（5）具有上下行信道互惠性，能夠更好的采用傳輸預處理技術,能有效地降低移動終端的處理復雜性。21TDD雙工方式相較于FDD，也存在明顯的不足：（1）由于TDD方式的時間資源分別分給了上行和下行，因此TDD方式的發射時間大約只有FDD的一半，如果TDD要發送和FDD同樣多的數據，就要增大TDD的發送功率；（2）TDD系統上行受限，因此TDD基站的覆蓋范圍明顯小于FDD基站；（3）TDD系統收發信道同頻，無法進行干擾隔離，系統內和系統間存在干擾；（4）為了避免與其他無線系統之間的干擾，TDD需要預留較大的保護帶，影響了整體頻譜利用效率。225.2802.16協議體系IEEE802.16又稱IEEEWMAN空中接口標準，是適用于2～66GHz頻段的空中接口規范。系統覆蓋范圍可達50km，每基站的總數據速率最高可達288Mb/s，應用于城域網。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。802.16系列標準包括以下幾方面：MAC層，物理層，毫米波頻范圍，點對多點（PMP）拓撲結構，網格網（Mesh）拓撲結構，用戶站（SS）和基站（BS）。5.2802.16協議體系802.16實現了OSI七層參考模型中的數據鏈路層的大部分關鍵功能，MAC層分會聚子層，公共部分子層和加密子層。802.16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。

802.16標準突出的貢獻是為無線城域網的無線接口規范提供了一個公共的、開放的平臺。IEEE802.16協議體系結構

IEEE802.16標準描述了一個點到多點的寬帶無線接入系統的空中接口，包括MAC層和物理層匯聚子層公共部分子層安全子層物理層數據控制平面管理實體特定

服務匯聚子層管理實體公共部分

子層和安全子層管理實體物理層MAC層IEEE802.16空中接口協議模型5.2.2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802.1610~66GGHz固定寬帶無線接入系統空中接口2002.04發布802.16a2~11GHz固定寬帶接入系統空中接口2003.04發布802.16b802.16a的升級版本，解決在5GHz上非授權應用問題802.16c10~66GHz固定寬帶接入系統的兼容性2002發布802.16d2~66GHz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802.16e2~66GHz固定和移動寬帶無線接入系統空中接口管理信息庫主流空中接口標準802.16f固定寬帶無線接入系統空中接口管理信息庫(MIB)要求5.2.2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802.16g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802.16h在免許可的頻帶上運作的無線網絡系統。802.16i移動寬帶無線接入系統空中接口MIB要求802.16j針對802.16e的移動多跳中繼組網方式的研究802.16k針對802.16的橋接進行修改802.16m成為ITU的IMT-Advanced技術標準，適應于下一代移動通信網絡的需要(4G)802.16n更高可靠性的網絡5.2.2標準化進程標準號相對應的技術領域和頻段狀態共存問題標準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：10~66GHz無線MAN-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：10~66GHz無線MAN-SC空中接口的測試集結構和測試目的(TSS&TP)IEEE802.16的工作特性及關鍵技術標準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移動性無無中低車速高速業務定位個人用戶中小企業用戶的數據接入個人用戶的寬帶移動數據接入個人用戶的高速移動數據接入QoS支持支持支持支持5.2.3IEEE802.16d協議IEEE802.16d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。IEEE802.16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。網絡拓撲結構PMP網絡特點：PMP結構是一個基站為多個用戶站提供服務。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務僅在基站和用戶站之間傳送。Mesh網絡特點：Mesh，無線自組多跳網絡，屬無線網絡的應用范疇。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：用戶設備(UE)，用戶站(SS)，基站(BS)，核心網CN)。802.16d的協議棧模型MAC層的三個子層的功能：1、特定服務會聚子層（service_specificconvergencesublayerCS）：對來自外部網絡的數據進行轉換或映射的機制，包括對SDU分類、MAC服務流標識和連接標識的關聯。2、公共部分子層（commonpartsublayerCPS）：實現MAC層的所有核心功能，包括系統接入、帶寬分配、連接建立和連接維護。3、安全子層（securitysublayer）：提供鑒權、安全密鑰交換和加密功能。物理層功能負責對MAC層的協議數據單元（PDU）進行匯聚、編碼、調制，形成無線幀，送入物理信道中傳送。定義了4種物理層規范：

WirelessMAN-SCWirelessMAN-SCaWirelessMAN-OFDMWirelessMAN-OFDMA單載波多載波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。單載波分：WirelessMAN-SC和WirelessMAN-SCa兩種。WirelessMAN-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。多載波分：WirelessMAN-OFDM和WirelessMAN-OFDMA，兩種規范均基于OFDM多載波技術，操作頻段均低于11GHz。802.16d標準的空中規范－－物理層物理層類型使用頻段基本特點WirelessMAN-SC10～66GHz許可頻段采用單載波調制方式，視距傳輸，可選信道帶寬20MHz、25MHz或28MHz，上行采用TDMA方式，雙工方式可采用FDD和TDD。WirelessMAN-SCa<11GHz許可頻段采用單載波調制方式，非視距傳輸，允許信道帶寬不小于1.25MHz，上行采用TDMA方式，雙工方式可采用FDD和TDD。WirelessMAN-OFDM<11GHz許可頻段采用256個子載波的OFDM（正交頻分復用）調制方式，非視距傳輸，可選支持AAS、ARQ、網格模式（Mesh）和STC等，雙工方式可采用FDD和TDD。802.16d標準的空中規范－－物理層物理層類型使用頻段基本特點WirelessMAN-OFDMA<11GHz許可頻段采用2048個子載波的OFDM調制方式，非視距傳輸，允許信道帶寬不小于1.0MHz，可選支持AAS、ARQ和STC等，雙工方式可采用FDD和TDDWirelessHUMAN<11GHz免許可頻段可采用SCa或OFDM或OFDMA調制方式，雙工方式為TDD，必須支持動態頻率選擇（DFS），可選支持AAS、ARQ、Mesh和STC等。IEEE802.16的物理層規范規范名稱應用頻段雙工方式WirelessMAN-SC10~66GHzTDD，FDDWirelessMAN-SCa2~11GH2TDD，PDDWirelessMAN-OFDM2~11GH2TDD，FDDWirelessMAN-OFDMA2~1lGH2TDD，FDD1、10～66GHz頻譜的物理層在這個非常高的頻率范圍內，對于所有的實際應用，射頻傳播要求在發射機和接收機之間存在視距傳播。在這樣的限制條件下，沒有必要考慮使用復雜技術(如OFDM技術)來克服發生在沒有視距環境下的多徑影響，因此，工作組為這些接口選用了簡單的單載波調制(SingleCarrier,SC)技術。參數802.16標準射頻帶寬10～66GHz調制單載波調制(SC)數據速率速率最大134Mbps信道化20MHz,25MHz或28MHz信道帶寬雙工方式TDD和FDD，以及可用TDMA的半雙工網絡拓撲點對多點帶寬分配每用戶站授予(GrantPerSubscriberStation,GPSS)802.16關鍵參數2、2～11GHz頻譜的物理層與高達66GHz的極高頻(EHF)范圍相比，在2～11GHz范圍內，不同的傳播特性要求空中接口非視距環境下能夠適應大量的多徑傳播的影響。5.4802.16的MAC層MAC層包括與高層實體接口的特定服務會聚子層(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)。特定服務會聚子層

（service_specificconvergencesublayerCS）：

負責接收高層協議數據單元PDU，并將接收的PDU映射到MAC層連接上。主要功能有：接收高層協議數據單元PDU對PDU分類（核心功能）基于分類對高層PDU進行處理將CSPDU傳遞給正確的MAC服務接入點SAP

從對等層接收CSPDU公共部分子層

（commonpartsublayerCPS）：實現MAC層的所有核心功能，包括MACPDU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、各種鏈路自適應技術的實現。安全子層（securitysublayer）：提供鑒權、安全密鑰交換和加密功能。對SS和BS之間的連接進行加密。對網絡中的服務流加密。保密機制的兩個基本協議：

1、用于加密數據包的封裝協議

2、密鑰管理協議MAC面向連接802.16MAC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上，并使用16比特的連接標識(ConnectionID,CID)。這包括了無連接的服務如用戶數據報協議(UserDatagramProtocol,UDP)。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。

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(RadioLinkControl,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,RIPMAC層帶寬分配當連接建立后，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。MAC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。SS分類能力GPC用戶站分配給SS的帶寬只能用于申請它的連接GPSS用戶站由BS分配給SS的帶寬不必僅用于申請它的連接，也可于SS的任何連接IEEE802.16GPC和GPSS分類MAC層的鏈路自適應機制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。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。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。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自適應調制編碼(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)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5.6802.16系統的QoS架構5.6.1服務類別的定義

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(UnsolicitedGrantService，UGS)實時查詢服務(Real-timePollingService，RTPS)非實時查詢服務(Non-Real-TimePollingService，NRTPS)盡力而為(BestEffort，BE)主動授予服務UGS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RTPS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)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。典型的BE服務是Internet網頁瀏覽服務。5.6.2QoS框架和交互機制5.7802.16系統的移動性IEEE802.16e是支持移動性寬帶無線接入的標準。IEEE802.16e是基于IEEE802.