基于IEEE802.16的寬帶無(wú)線接入技術(shù)〔研究報(bào)告〕目次一、 IEEE802.16的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀 圖9圖6顯示了控制面的邏輯網(wǎng)絡(luò)參考模型。參考點(diǎn)分別是：UPHY、MAC〔包括CS〕操作，包括提供移動(dòng)性支持的消息交換IB基站到基站消息傳輸協(xié)議〔未定義〕A鑒權(quán)與效勞授權(quán)功能的消息〔未定義〕與802.16d相比，在基站根本功能相當(dāng)?shù)那闆r下，802.16e提供了用戶終端的移動(dòng)性增強(qiáng)支持。協(xié)議采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配〔DynamicSlotAssignment〕模型，控制功能保存在基站上，由基站通過使用FCH和MAP的幀開頭上的標(biāo)記來(lái)調(diào)度DL和UL的傳輸時(shí)機(jī)。由于這種模式可以預(yù)訂無(wú)線信道的時(shí)隙，因而在這種模式下可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)的效勞質(zhì)量保證。物理層概述前面已經(jīng)提到，IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同的應(yīng)用情況劃分了不同的物理層。單載波〔SC〕物理層主要面向10-66GHz的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，頻譜效率和高容量不是主要考慮的因素。OFDM256物理層系統(tǒng)的設(shè)計(jì)那么適用于1.25MHz到3.5MHz的窄信道帶寬上。OFDMA物理層系統(tǒng)設(shè)計(jì)是用于從1.25MHz到20MHz的可擴(kuò)展FFT的信道。IEEE802.16e的物理層實(shí)現(xiàn)方式與IEEE802.16d是根本一致的，主要差異是對(duì)OFDMA進(jìn)行了擴(kuò)展，可以支持2048-Point、1024-Point、512-Point和128-Point，以適應(yīng)不同地理區(qū)域從20MHz到1.25MHz的不同載波帶寬的需要。在三種物理層制式中，OFDMA更適合移動(dòng)信道，因?yàn)樗軌蛳蚨鄠€(gè)用戶靈活分配子載波。OFDMA在部署時(shí)，通過采取特定的方式，有可能實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用系數(shù)為1，將大大簡(jiǎn)化組網(wǎng)時(shí)對(duì)頻率規(guī)劃的要求。802.16e采用OFDMA時(shí)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過采用可擴(kuò)展的OFDMA，可以支持多種信道帶寬；當(dāng)采用OFDMA時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用系數(shù)為1；較高的頻譜效率，如DL及UL上所用的子信道化模式，在各子載波級(jí)分配中具有最大靈活性；OFDMA中子載波在子信道中的分配無(wú)需鄰接，有利于實(shí)現(xiàn)頻率分集；支持對(duì)每幀子載波級(jí)的傳輸進(jìn)行優(yōu)化的功率控制。子載波具有正交性，無(wú)需像在CDMA系統(tǒng)中那樣嚴(yán)格控制功率。OFDMA物理層系統(tǒng)參數(shù)下表包含OFDMA系統(tǒng)的一些主要參數(shù)參數(shù)FFT尺寸12851210242048針對(duì)的信道帶寬1.25MHz5MHz10MHz20MHz子載波數(shù)量12851210242048子信道化模式PUSC――局部應(yīng)用的子信道FUSC――完全利用的子信道AMC――自適應(yīng)調(diào)制與編碼子信道子載波(Tone)間隔>10kHz雙工模式支持TDD、H-FDD和FDD系統(tǒng)OFDMA物理層的特性a. 幀結(jié)構(gòu)與子信道化下列圖為802.16e定義的幀結(jié)構(gòu)。同時(shí)還顯示了不同的子信道化模式。前導(dǎo)信號(hào)用于DL信號(hào)獲取，它們通常以低PAPR傳輸，可在惡劣SNR環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速的信道獲取。FCH和DL及UL圖描述了幀結(jié)構(gòu)，使MSS能夠?qū)拘盘?hào)進(jìn)行解碼，并對(duì)其UL傳輸計(jì)時(shí)。測(cè)距過程〔rangingprocedure〕緊跟MSS掃描過程，使其可以調(diào)整UL信號(hào)傳輸時(shí)間。在OFDMA中，使用CDMA方法實(shí)現(xiàn)測(cè)距〔ranging〕，多個(gè)MSS共享測(cè)距子信道。下行鏈路子幀上行鏈路子幀前導(dǎo)信號(hào)FCH與DL和UL圖PUSC區(qū)FUSC區(qū)可選FUSC區(qū)AMC區(qū)PUSC區(qū)可選FUSC/AMCb. 調(diào)制與編碼支持QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制，以及FEC，包括卷積編碼〔CC〕、卷積Turbo碼〔CTC〕和分組Turbo碼〔BTC〕。LDPC編碼方式也被提交用于OFDMA物理層。c. 自適應(yīng)天線系統(tǒng)支持支持以下類型的自適應(yīng)天線系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)靈活部署提供大容量和更好的鏈路預(yù)算。分集信令方法〔DiversitySignalingmethod〕直接信令方法(DirectSignalingmethod)此外，標(biāo)準(zhǔn)還支持MIMO和空時(shí)編碼。MAC層MAC層同樣包含三個(gè)子層：CS(會(huì)聚子層)，CPS(公共局部子層)和平安子層。會(huì)聚子層會(huì)聚子層主要功能是把面向連接的公共局部效勞〔MAC效勞〕映射成標(biāo)準(zhǔn)類型的效勞。這里有兩種主要的CS類型：ATMCS和分組〔Packet〕CS。ATMCS把上層的ATM信元映射成為固定大小數(shù)據(jù)包的802.16連接。數(shù)據(jù)包的大小是預(yù)先知道的，這使得MAC可以有效地把多個(gè)信元打包成一個(gè)MPDU而不需要多個(gè)數(shù)據(jù)包頭的開銷。分組CS有三種模式：802.1Q,802.3以太網(wǎng)和IP。每種模式描述了這種類型的數(shù)據(jù)包到802.16連接的映射。IEEEStd802.1Q-1998VLANspecificpart用于在802.16之上傳輸802.1QVLANTaggedFrame。IEEEStd802.3/EthernetSpecificPart用于在802.16之上傳輸802.3以太網(wǎng)幀。IPCS無(wú)需PPP協(xié)議或802成幀就可以直接承載IPv4和IPv6。分組CS可選地支持負(fù)載數(shù)據(jù)包頭壓縮PHS〔payloadheadersuppression〕。PHS通過一定規(guī)那么在發(fā)送端消除包頭中的重復(fù)信息，并在接收端重構(gòu)這些信息。PHS使得包含多層報(bào)頭的數(shù)據(jù)傳輸更加有效。這種特性提高了帶寬的利用率，對(duì)于像VOIP這樣的應(yīng)用特別重要。MAC公共局部子層MAC公共局部子層在不可靠的物理層MPDU傳輸之上提供了可靠的、面向連接的、有效勞質(zhì)量保證的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。MAC效勞的根本原語(yǔ)有：CREATE_CONNECTION；CHANGE_CONNECTION；DESTROY_CONNECTION；MA_DATA。CREATE/CHANGE/DESTROY_CONNECTION原語(yǔ)用來(lái)建立、取消和改變連接。每一個(gè)連接都有與之相對(duì)應(yīng)的QoS特性，這些QoS特性是由基站的系統(tǒng)調(diào)度功能來(lái)決定的。MA_DATA原語(yǔ)用于MACMSDU的傳送。網(wǎng)絡(luò)接入〔NetworkEntry〕網(wǎng)絡(luò)接入包含了一系列的過程，按照順序依次是：掃描(Scanning): SS偵聽基站的下行傳輸信號(hào)來(lái)尋找需要接入的基站。初始測(cè)距(InitialRanging): 通過這一過程SS聯(lián)系一個(gè)基站，獲得主管理連接，建立物理層信號(hào)的時(shí)間同步〔timing〕和功率調(diào)整。能力協(xié)商(Capabilitiesnegotiation): SS和BS協(xié)商雙方可以執(zhí)行的功能。平安授權(quán)(SecureAuthorization): SS和BS交換X.509證書，該證書用來(lái)來(lái)執(zhí)行雙向的平安的身份驗(yàn)證。RSA密鑰交換(RSAKeyExchange) :BS用RSA加密主密鑰并傳遞給SS.基于EAP的用戶認(rèn)證(EAPBasedUserauthentication): 利用EAP作為認(rèn)證框架SS和BS/Network彼此認(rèn)證對(duì)方。密鑰交換(KeyExchange): 使用對(duì)稱加密算法把用戶連接的業(yè)務(wù)密鑰從基站傳遞到SS。連接的建立和維護(hù)MAC通過CREATE_CONNECTION原語(yǔ)建立連接，空中協(xié)議利用DSA*消息來(lái)請(qǐng)求、建立、改變和取消連接。當(dāng)連接建立后，SS可以維護(hù)當(dāng)前的連接，這些操作包括：周期測(cè)距〔periodicranging〕: SS周期性地更新他的功率和時(shí)間偏置。密鑰更新〔ReKeying〕： SS周期性地獲取新的密鑰來(lái)保證連接的平安移動(dòng)性支持MAC管理協(xié)議包括了一些移動(dòng)特性：鄰域播送列表〔Neighboradvertisementlists〕: 保證高效率的基站掃描；切換信令〔Handoversignaling〕: 在基站間切換SS的連接；周期性掃描〔PeriodicScanning〕: SS周期性地尋找它可能切換的基站；休眠模式〔Sleepmode〕: SS周期性地進(jìn)入低供電模式已延長(zhǎng)電池的供電時(shí)間；空閑模式〔Idlemode〕: SS斷開與網(wǎng)絡(luò)的連接，但是能夠周期性地偵聽網(wǎng)絡(luò)消息并根據(jù)所處位置更新網(wǎng)絡(luò)，這樣當(dāng)有呼叫進(jìn)來(lái)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠呼叫到用戶。連接支持針對(duì)一個(gè)連接，MAC應(yīng)用了多種協(xié)議或方法來(lái)提高傳輸?shù)目煽啃院玩溌返睦寐?，這些方法包括：分割〔Fragmentation〕 一個(gè)MSDU被分片成多個(gè)小的MPDUs打包〔Packing〕 多個(gè)MSDU被打包成一個(gè)大的MPDU自動(dòng)重傳請(qǐng)求〔ARQ〕 丟包發(fā)生時(shí)，要求重傳數(shù)據(jù)包調(diào)度和效勞質(zhì)量保證802.16基站中包含一個(gè)調(diào)度器(scheduler.),這個(gè)調(diào)度器決定哪個(gè)終端什么時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)。調(diào)度器響應(yīng)用戶站的帶寬請(qǐng)求消息，通過調(diào)度或輪詢上下行數(shù)據(jù)傳輸來(lái)決定如何滿足每個(gè)連接的QoS要求。802.16沒有定義具體的調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)。上行連接通過輪詢〔polling〕來(lái)獲得信道的接入，每個(gè)上行連接可應(yīng)用4種預(yù)定業(yè)務(wù)類型，每種類型決定了調(diào)度器不同的輪詢〔polling〕方式。非請(qǐng)求的帶寬分配業(yè)務(wù)〔UGS.UnsolicitedGrantService〕：用于恒定比特率連接。基站實(shí)時(shí)地周期性地提供固定大小的數(shù)據(jù)分配突發(fā)類型〔DataGrantBursttypes〕。實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)〔rtPS.RealTimePollingService.〕：用于連接要求周期性地，數(shù)據(jù)包大小不固定，比特率可變的傳輸。SS利用上行非競(jìng)爭(zhēng)帶寬請(qǐng)求機(jī)制接入。非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)〔nrtPS.NonRealTimePollingService〕：基站每隔一定間隔提供下行輪詢使得SS可以進(jìn)行上行帶寬請(qǐng)求，通常發(fā)生的速率要慢于rtPS.對(duì)于額外的上行請(qǐng)求，容許SS利用競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求機(jī)制。盡力而為業(yè)務(wù)〔BE.Besteffort.〕：SS必需用上行競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)，這種方法盡可能地利用空中資源傳送數(shù)據(jù)，并不會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)和UGS連接造成影響。平安子層平安子層提供了鏈路加密，身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)完整性保護(hù)。它也可以進(jìn)行用戶授權(quán)來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的接入以防止效勞的冒用。鏈路加密使用與IEEE802.11i相同的128bitsAES-CCM算法來(lái)提供數(shù)據(jù)加密，身份認(rèn)證和完整性保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)也定義了56bits的DES-CBC密碼算法，這種算法只能提供數(shù)據(jù)加密，已經(jīng)證明缺乏夠平安，因此推薦使用AES-CCM算法。對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化工作的考慮從以上對(duì)802.16技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用的分析，802.16將來(lái)具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。我國(guó)設(shè)備制造商和研究機(jī)構(gòu)很早就開展了對(duì)802.16技術(shù)的研究。CCSATC5也一直在開展相關(guān)的研究工作。隨著802.16d標(biāo)準(zhǔn)的正式通過，802.16d的商用化步伐也隨之加快。因此從我國(guó)行業(yè)開展的角度出發(fā)，應(yīng)聯(lián)合設(shè)備制造商、研究機(jī)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)商等多方力量，加快我國(guó)802.16的標(biāo)準(zhǔn)化工作，建議如下：緊密跟蹤IEEE802.16國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的進(jìn)展。作為IEEE802.16的移動(dòng)擴(kuò)展，802.16e仍在制定過程中，許多內(nèi)容在不斷地更新。網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)802.16f、802.16g正處于起步階段。CCSA可組織各廠家向802.