无线城域网

第六章无线城域网6.1WiMAX的基本概念及特点6.2WiMAX网络及其系统协议框架6.3WiMAX关键技术6.4移动性能管理6.5WiMAX的业务应用6.1WiMAX的基本概念及特点WiMAX（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess）是一种可用于城域网的宽带无线接入技术。1.WiMAX标准进展2.IEEE802.16的特点（1）开销及投资成本小。（2）应用频段非常宽。（3）频谱利用率高。（4）抗干扰方面优势明显。（5）课实现现长距离下的高速接入。（6）提供有效的QoS控制。6.2WiMAX网络及其系统协议框架6.2.1WiMAX网络WiMAX网络结构如图6-1所示。图6-1WiMAX网络结构图6.1WiMAX的基本概念及特点1.WiMAX核心网络WiMAX核心网络具有如下功能：（1）可满足不同业务及应用的QoS需求，充分利用端到端的网络资源。（2）具有可扩展性、伸缩性、灵活性和鲁棒性，能够满足电信级组网要求。（3）支持终端用户固定式、游牧式、便携式、简单移动和全移动接入能力。（4）具有移动性管理功能，如呼叫、位置管理、异构网络间的切换、安全性管理和全移动模式下的QoS保障。（5）支持与现有的3GPP/3GPP2/DSL等系统的互联。6.1WiMAX的基本概念及特点2.WiMAX接入端组网方式在WiMAX中可支持3种接入组网方式：点到点（P2P）、点到多点（PMP）和Mesh组网方式。（1）点到点宽带无线接入方式（2）点到多点宽带无线接入方式（3）Mesh组网方式：Mesh应用模式采用多个用户站SS以往状网的方式扩大无线覆盖，其中有一个基站直接与城域网相连接，而其他基站通过无线链路与该业务接入点（网关）连接，进而接入互联网。6.2WiMAX网络及其系统协议框架6.2.2网络参考模型WiMAX网络可分为不支持漫游的和支持漫游的网络结构，如图6-2和图6-3所示。与图6-2相比，图6-3中增加了CSN之间的R5参考点。需要说明的是，WiMAX规范不定义CSN和ASP之间的接口。1.接入服务网络接入服务网络（ASN）由基站BS和接入网关（ASNGW）组成，如图6-4中所示。可见ASN可以与多个CSN相连接，可为不同网络服务提供商NSP的CSN提供无线接入服务。2.连接服务器网络连接服务器网络（CSN）由路由器、AAA代理服务器、用户数据库、因特网网关等设备组成。它的主要功能包括因特网接入，用户计费和结算，基于用户系统参数的QoS许可控制，ASN之间的移动性管理，ASN和核心网之间、ASN与CSN之间的隧道建立与管理，以及基于位置的服务和组播服务等。6.2WiMAX网络及其系统协议框架3.网络参考点各参考点的位置如图6-4所示。图6-2不支持漫游的网络架构6.2WiMAX网络及其系统协议框架图6-3支持漫游的网络架构6.2WiMAX网络及其系统协议框架图6-4WiMAX网络开放接口6.2WiMAX网络及其系统协议框架6.2.3WiMAX协议栈图6-5所示为WiMAX802.16网络的协议栈参考模型。WiMAX802.16系统由数据/控制平面与管理平面构成。其中管理平面中定义的是能够与数据/控制平面中的实体进行交互的管理实体，它们通过与外部的网络管理系统的协作工作，完成相关管理功能。数据/控制平面主要负责保证的正确传输，因此除具有传输功能外，还需要具有一些控制机制以保障传输的顺利进行。WiMAX802.16标准定义了媒体接入控制（MAC）层和物理（PHY）层的规范。其中MAC层又分为3个子层，分别是面向特定业务的汇聚子层（CS）、MAC公共部分子层（MACCPS）和安全子层。协议栈的数据单元映射关系如图6-6所示。WiMAX网络与其他网络的不同之处在于其中引入了联合优化的思想，MAC层可通过物理层的SAP来收集相关信息，进而了解当前网络的传输状态，便于对相关参数进行调整，甚至可以通过物理层的SAP向物理层传输一些控制指令。6.2WiMAX网络及其系统协议框架图6-5WiMAX802.16协议栈参考模型6.2WiMAX网络及其系统协议框架图6-6协议栈的数据单元映射关系6.3WiMAX关键技术6.3.1WiMAX物理层关键技术WiMAX物理层支持多种新技术，如OFDM/OFDMA、FDD/TDD、自适应编码调制、功率控制、同步、MIMO-OFDM。1.OFDM/OFDMAOFDM是多载波传输的一种特例。多载波传输是把数据流分解成若干比特流，这样每个子数据流速率得以降低，用这样的低比特速率形成的低速率符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。OFDMA是一种基于OFDM技术的多址接入方式，它是利用OFDM中子载波形成的子信道来划分不同用户的接入地址，从而实现对多个用户上、下行信道分别实现数据流的传输。（1）OFDMA参数。基本参数与OFDM相同（2）OFDMA的数据单位。OFDMA系统中的数据单位也要从时域和频域两方面进行定义。在频域上，带宽的调度是以子信道为单位进行的。在时域上，OFDMA符号是最小调度单位。6.3WiMAX关键技术（3）OFDMA数据映射。在OFDMA系统中，上、下行链路的数据映射过程有所不同。在其下行信道中，通常按以下步骤将数据映射到OFDMA数据域。（4）帧结构。图6-7所示为IEEE802.16e定义的帧结构。（5）OFDMA子载波应用模式。在OFDMA的符号结构中，存在3种不同用途的子载波，分别适用于传输数据的数据子载波、用于信道估计和同步的前导子载波和用于保护频带的空子载波，如图6-9所示。图6-7OFDMA帧结构6.2WiMAX网络及其系统协议框架图6-8OFDMA区域示意图图6-9OFDMA子载波6.3WiMAX关键技术2.FDD/TDDFDD（频分双工）和TDD（时分双工）是蜂窝移动通信系统中两种典型的双工方式。（1）TDD方式下的OFDM帧结构。OFDM物理层支持基于帧的传输，如图6-12所示。（2）FDD方式下的OFDM帧结构。如图6-13所示。与TDD模式类似，下行子帧同样是以前导码开始，随后是控制信息以及一个一个数据突发包。与TDD方式不同的是，这些下行突发包可以发送给不同类型的用户站SS。（3）TDD方式下OFDMA帧结构。如图6-7所示总之，从信道估计和同步角度分析，与TDD工作模式相比，FDD模式更适合于OFDM系统；而TDD系统具有更大的灵活性。所以FDD模式和TDD模式各自具有不同的特点。6.2WiMAX网络及其系统协议框架图6-12TDD方式下的OFDM帧结构6.2WiMAX网络及其系统协议框架图6-13aFDD方式下的OFDM帧结构6.2WiMAX网络及其系统协议框架图6-13bFDD方式下的OFDM帧结构6.3WiMAX关键技术2.MIMO-OFDM技术（1）MIMO的基本概念及特点MIMO即多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output），或称为多发多收天线技术。MIMO系统是通过在收发两端同时使用多天线阵列，这样在不占用额外带宽的前提下，能够有效地提高系统容量。MIMO系统具有如下特点：①减小多径传播的影响，提高系统性能。②有效抑制或消除共道干扰。③提高频谱利用率、增加发射效率、减小发射功率、减小空间电磁干扰及增大系统容量。由于使用天线阵列技术能够提高系统的抗共道干扰和多径干扰的能力，这样在一定的误码率条件下可使MIMO系统的信干比SINR降低，进而在一定程度上使基站和移动端的发射功率降低。6.3WiMAX关键技术（2）MIMO无线信道①非频率选择性信道模型。②频率选择性信道模型。（3）MIMO信道容量分析MIMO系统模型如图6-14（d）所示。图6-14多天线系统模型6.3WiMAX关键技术图6-15是SISO/MISO/SIMO/MIMO信道容量累计概率分布曲线图，其中假设信道特性服从瑞利分布，并且发送天线和接收天线数分别为1×1，3×3，1×8，1×9，…，10×10时，信道容量累计分布与发射和接收天线数之间的关系。图6-15SISO/MISO/SIMO/MIMO信道容量的比较曲线6.3WiMAX关键技术（4）MIMO-OFDM系统①MIMO-OFDM系统模型。图6-18是一个典型的MIMO-OFDM系统方框图。图6-18典型MIMO-OFDM系统结构图6.3WiMAX关键技术必须通过空时或空频李娜和解码才能得到最初的发送数据，如图6-19所示。图6-19MIMO-OFDM系统发射端框图6.3WiMAX关键技术信源传递过来的基带数据信号，首先经过调制映射，需要说明的是，信道编码可以放在调制映射之前，也可以使用在调制映射之后；映射后的数据流再经过空时或空频编码，这是MIMO-OFDM系统中的关键技术之一；然后由空时编码器输出的数据流经过串/并变换，被转换成MT个并行支路；每个支路上的数据和导频一起经IFFT变换，在插入帧头和保护间隔后，经过上变频处理，由各个发送天线进行发送。②MIMO-OFDM系统中的空时编码技术空时码（Space-Time-Code）技术是由VahidTarokh等人于1988年首发提出的一项基于发射分集的技术。基于发射分集的空时编码主要有两类，即时空分组码（STBC）和空时格型码（STTC）。STBC是一种基于正交设计的空时编码，性能略低与空时格型码，结构简单，译码容易，但如果空时分组编码得到最大分集增益，其数据速率将无法达到最大。而在STTC编码中同时有效地利用了传输分集与信道编码技术，使编码具有很高的编码增益和分集增益，但其编码与解码的复杂度较高，需要综合考虑分集增益和编码增益的影响。6.3WiMAX关键技术6.3.2WiMAXMAC层关键技术1.802.16MAC层协议简述802.16系统MAC层支持面向连接服务，所有的业务（包括本身具有无连接特性的业务）在802.16系统中都是被映射到这一连接上进行信息传送的，而且每条连接都拥有一个16比特的连接标志（CID）。MAC层协议采用主动授权服务（UnsolicitedGrantService）、申请/授予（Request/Grant）、轮询（Polling）、竞争（Contention）等带宽分配机制的不同组合，定义4种上行链路调度机制，以减少竞争，满足各种用户对带宽的要求。2.802.16系统的QoS机制（1）QoS的一般性描述QoS是指网络在传输数据时要求满足一系列服务请求，具体可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢包率、吞吐量等性能指标。不同的用户业务，其QoS要求不同，通常是从不同的方面来体现的，如流量突发、延迟、吞吐量、差错率。6.3WiMAX关键技术（2）802.16系统的QoS架构及交互机制①调度服务类别调度服务是MAC调度器为实现基于连接的数据传送而规定的处理服务，具体地说就是，将一个连接与一个数据服务相关联，而每一个数据服务又可用与其行为相对应的一组QoS参数来进行描述，在实际系统中这些参数是由DSA（动态服务流添加）和DSC（动态服务流更改）消息对话进行管理。IEEE802.16标准中定义了4种服务：主动授权服务、实时查询服务、非实时查询服务和尽力而为服务。UGS服务是一种周期性的、定长分组的恒定比特率（CBR）的服务。rtPS服务是一种周期性、变长分组的实时比特率的服务。nrtPS服务是一种非周期性的、变长分组的非实时变比特率的服务。BE服务是一种尽力为业务流提供高效服务的服务。6.3WiMAX关键技术②带宽请求与分配机制具体包括请求机制、授权机制和轮询机制。请求机制是指SS以某种方式将其所需要的上行带宽信息通知给BS。因此单播轮询一般使用基本CID的数据授权机制。轮询是基站为终端分配带宽的一种处理流程，一般轮询分为3类，即单播、多播/广播和PM位。③竞争带宽请求及解决机制终端的带宽请求可分为两大类，非竞争带宽请求和竞争带宽请求。6.4移动性管理6.4.1支持移动性的网络模型支持移动性的网络通常是由若干移动用户终端SS和基站BS构成，如图6-28所示。在802.16e的逻辑