第5章無線城域網(wǎng)內容提要5.1無線城域網(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層的鏈路自適應機制5.6802.16系統(tǒng)的QoS架構5.7802.16系統(tǒng)的移動性5.8WiMAX與其他技術的比較5.1無線城域網(wǎng)概況無線城域網(wǎng)技術的形成WMAN技術是因寬帶無線接入(BWA)的需求而來WMAN是以無線方式構建的城域網(wǎng)并提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，它是在無線局域網(wǎng)的基礎上產生的，由多個WLAN連接而成。1999年，IEEE802局域網(wǎng)(LAN)/城域網(wǎng)(MAN)成立了802.16工作組來專門研究寬帶無線接入標準，解決最后一公里的接入問題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(shù)字用戶線(xDSL)、光纖等WMAN能有效解決有線方式無法覆蓋地區(qū)的寬帶接入問題，有較完備的QoS機制，可根據(jù)業(yè)務需要提供實時、非實時不同速率要求的數(shù)據(jù)傳輸服務無線城域網(wǎng)的寬帶接入WMAN標準的開發(fā)主要有兩大組織機構IEEE的802.16工作組，主要負責802.16系列標準歐洲的ETSI，主要負責HiperAccess5.1.1無線城域網(wǎng)技術的形成IEEE802.16主要由三個小組組成IEEE802.16.1負責制定頻率范圍在10~66GHz的無線接口IEEE802.16.2負責制定寬帶無線接入系統(tǒng)共存方面問題IEEE802.16.3負責制定頻率范圍在2~11GHz之間無線接口WiMAX論壇成立,在全球范圍內推廣802.16協(xié)議。5.1.2WiMAX論壇在借鑒和學習WLAN的Wi-Fi聯(lián)盟成功經驗的基礎上，2001年4月由業(yè)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(lián)盟推動無線局域網(wǎng)行業(yè)發(fā)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全稱為WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccessWiMAX的作用主要職責提供一套一致性作和互操作性的全球標準規(guī)范對用這套規(guī)范的產品進行測試和認證用系統(tǒng)輪廓靈活地使用頻譜wimax論壇的好處有一個基于標準的平臺，創(chuàng)新更快運營商可以用更低的成本買到設備，提供更好的服務不再局限于一個運營商，促進競爭，花銷更少對于不易接入的地區(qū)提供良好的服務WiMAX系統(tǒng)組成WiMax發(fā)射塔WiMax接收機WiMAX可提供的無線服務非視距服務視距型服務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(jiān)控系統(tǒng)包括三部分視頻采集前端系統(tǒng)無線網(wǎng)絡傳輸系統(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(yè)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(wǎng)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(xiàn)互操作。ETSI的目的是開發(fā)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(wǎng)狀網(wǎng)絡結構的固定無線接入的商業(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)絡層和更高層規(guī)范期望由其他組織開發(fā)。參數(shù)HYPERMAN標準射頻帶寬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關鍵參數(shù)5.2802.16協(xié)議體系IEEE802.16稱為WMAN空中接口標準，是2-66GHz的空中接口標準，覆蓋范圍為50km，每基站提供總數(shù)據(jù)速率高達280Mb/s最終制定的802.16系列標準協(xié)議棧按照兩層體系結構組織，主要對網(wǎng)絡的低層，即MAC層和物理層進行了規(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、調制方式、糾錯技術以及收發(fā)信機同步有關的問題。

5.2.1標準化進程標準號相對應的技術領域和頻段狀態(tài)空中接口標準802.1610~66GGHz固定寬帶無線接入系統(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802.16，802.16a，802.16c的修訂)2004年6月在IEEE802委員會獲得通過802.16e2~6GHz固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口管理信息庫草案，正在完善中802.16f固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口管理信息庫(MIB)要求802.16g固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口管理平面流程和服務要求共存問題標準802.16.21EEE局域網(wǎng)和城域網(wǎng)操作規(guī)程建議固定寬帶無線接入系統(tǒng)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(xié)議實現(xiàn)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(yè)務定位個人用戶中小企業(yè)用戶的數(shù)據(jù)接入個人用戶的寬帶移動數(shù)據(jù)接入個人用戶的高速移動數(shù)據(jù)接入QoS支持支持支持支持5.2.3IEEE802.16d協(xié)議IEEE802.16d是目前所有標準中相對比較成熟并且最具實用性的一個版本IEEE802.16協(xié)議中定義了兩種網(wǎng)絡結構：點到多點(PMP)結構和網(wǎng)格(Mesh)結構WiMAX網(wǎng)絡拓撲結構PMP網(wǎng)絡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(yè)務僅在基站和用戶站之間傳送Mesh網(wǎng)絡Mesh，無線自組多跳網(wǎng)絡，屬無線網(wǎng)絡的應用范疇業(yè)務可通過其他站進行轉發(fā)，即業(yè)務可不通過基站直接在用戶站之間傳送802.16系統(tǒng)框架圖一個完整的802.16系統(tǒng)應包含的網(wǎng)絡實體有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)范名稱應用頻段可選技術雙工方式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，操作頻段均低于11GHzWirelessMAN-OFDM操作頻率低于11GHz，為非視距（NLOS）設計的WirelessMAN-OFDMA為視距（LOS）設計的，頻率高于11GHz，同時支持時空編碼，自適應天線，多入多出技術5.4802.16的MAC層802.16的MAC層包含如下子層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)。特定服務會聚子層特定服務匯聚子層完成的功能接收高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）對協(xié)議數(shù)據(jù)單元分類（核心功能）基于分類對高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進行處理將CSPDU傳遞給正確的MAC服務接入點SAP從對等層接收CSPDU定義了兩種會聚子層：ATM會聚子層：支持基于ATM連接的各類DU分組會聚子層：映射類似IPv4、以太網(wǎng)的分組業(yè)務DU公共部分子層實現(xiàn)MAC層的所有核心功能，包括MACPDU構建與傳送、網(wǎng)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(xiàn)、服務流管理、各種鏈路自適應技術的實現(xiàn)。安全子層提供鑒權、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(wǎng)絡中的服務流加密。保密機制的兩個基本協(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標準射頻帶寬2～11GHz調制方式單載波調制，OFDM數(shù)據(jù)速率峰值數(shù)據(jù)速率可達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)絡拓撲點對多點和網(wǎng)狀拓撲帶寬分配每個用戶站授予或每連接授予802.16a關鍵參數(shù)面向連接與非連接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)。每一個連接都與具體的參數(shù)相聯(lián)系，比如：帶寬授權機制（連續(xù)的或按需的）相關的QoS參數(shù)路由和傳輸數(shù)據(jù)。當一個新的用戶站(SS)加入802.16網(wǎng)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,RIP無線鏈路控制射頻鏈路控制是IEEE802.16MAC層的另一個關鍵要素，能夠提供自適應的突發(fā)控制和傳統(tǒng)的功率調節(jié)功能當用戶加入網(wǎng)絡時，SS和BS通過基本的管理連接交換信息以建立發(fā)送功率和時鐘的初始設置。SS也需要具體的初始突發(fā)協(xié)議來定義基于設備能力和下行鏈路信號質量的信號調制參數(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時實現(xiàn)的，與此同時，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SS能夠單獨監(jiān)視接收信號的強度，但它也受BS的控制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(qū)別在于SS使用分配帶寬的靈活性。5.5MAC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(shù)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(shù)使用鏈路自適應技術的系統(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。鏈路自適應技術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變性。常見的鏈路自適應機制自適應調制編碼(AMC):根據(jù)信道情況的變化來動態(tài)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(fā)送端發(fā)來的數(shù)據(jù)包之后，向發(fā)送端發(fā)送一個確認信息(ACK)，否則發(fā)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(tǒng)的QoS架構服務類別代表了MAC調度器所支持的數(shù)據(jù)處理機制。每條連接都與一個數(shù)據(jù)服務相聯(lián)系。每個數(shù)據(jù)服務都有一組與之相關聯(lián)的QoS參數(shù)，這些參數(shù)對該服務的行為進行了量化規(guī)定。分以下四種主動授予服務實時查詢服務非實時查詢服務盡力而為主動授予服務主動授予服務(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(yè)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(yè)務流的實時需求實時查詢服務實時查詢服務(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(yè)務的RTPS連接提供實時的、周期的單播輪詢，使BS按需動態(tài)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(fā)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(zhí)行一些錯誤控制和有限重傳機制，其穩(wěn)定性由高層協(xié)議來保證典型的BE服務是Internet網(wǎng)頁瀏覽服務5.6.2QoS框架和交互機制5.