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全球微波接入互操作性

全球微波接入互操作性(World Interoperability for Microwave Access,WiMAX),WiMAX的另一个名字是802.16。

IEEE802.16标准,又称WiMAX,或广带无线接入(Broadband Wireless Access,BWA)标准。它是一项无线城域网(WMAN)技术,是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用于将802.11a无线接入热点连接到互联网,也可连结公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和DSL的无线扩展技术,从而实现无线宽带接入。

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)即全球微波接入互操作性,是基于IEEE802.16标准的一项无线城域网接入技术,其信号传输半径可达50公里,基本上能覆盖到城郊。正是由于这种远距离传输特性,WiMAX将不仅仅是解决无线接入的技术,还能作为有线网络接入(Cable、DSL)的无线扩展,方便地实现边远地区的网络连接。由于成本较低,将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后,将扩大宽带无线市场,改善企业与服务供应商的认知度。一如当年对提高802.11使用率有很大功劳的Wi-Fi联盟,WiMAX也成立了论坛。WiMAX论坛2001年由众多无线通信设备/器件供应商发起组成,是一个非盈利性组织,以英特尔为首,目标是促进IEEE802.16标准规定的宽带无线网络的应用推广,提高大众对宽频潜力的认识,保证采用相同标准的不同厂家宽带无线接入设备之间的互通性,力促供应商解决设备兼容问题,借此加速WiMAX技术的使用率,让WiMAX技术成为业界使用IEEE802.16系列宽频无线设备的标准。WiMAX的优势实现更远的传输距离:WiMAX能实现的50公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的。网络覆盖面积是3G发射塔的10倍,只要少数基站建设就能实现全城覆盖,这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。更高速的宽带接入:WiMAX所能提供的最高接入速度是70M,这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。优良的最后一公里网络接入服务:作为一种无线城域网技术,它可以将Wi-Fi热点连接到互联网,也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展,实现最后一公里的宽带接入。WiMAX可为50公里线性区域内提供服务,用户无需线缆即可与基站建立宽带连接。多媒体通信服务:由于WiMAX较之Wi-Fi具有更好的可扩展性和安全性,从而能够实现电信级的多媒体通信服务。基于上述优势,WiMAX将能给用户提供真正的无线宽带网络服务,甚至是移动通信服务。可以想象,实现WiMAX之后,用户将在很大程度上摆脱无线局域网“热点”的约束,从而实现更自由的移动网络服务。WiMAX的网络架构WiMAX网络架构的目标是基于IEEE-802.16和IETF协议,构建基于全IP的WiMAX端到端的网络架构,包含参考模型、参考点以及模块化的功能分解,满足可运营的固定/游牧/便携/简单移动/全移动模式下多种宽带应用场景的要求、满足不同等级QoS的各种现有业务的需求以及与现有的有线或无线网络互连互通。

其中网络各实体如下:接入网ASN:作为一个逻辑实体,管理IEEE802.16空中接口,为WiMAX用户提供无线接入。连接服务网络CSN:CSN是一套网络功能的组合,WiMAX用户提供IP连接。由路由器、AAA代理或服务器、用户数据库、Internet网关设备等组成。作为全新的WiMAX系统的一个新建网络实体,也可以利用部分现有的网络设备实现CSN功能。网络接入提供商NAP和网络服务提供商NSP:支持多个NSP共享同一个NAP内的一个或者多个ASN网络,支持一个NSP与多个NAP管理的多个ASN连接。WiMAX的应用WiMAX技术体系的核心价值在于城域覆盖与大带宽传输,WiMAX主要适用于有线网络覆盖不到的地区、城市,用以解决固定人口的宽带接入问题以及移动人群的宽带接入问题,特别适合城域网的无线高速接入。WiMAX适用的场合有两类:无DSL等其他有线覆盖方式时及现有DSL、移动网络等的传输带宽不够时。业务类型主要有三种:固定无线接入:作为DSL等有线接入方式的补充,在固定地点接入WiMAX网络。无缝无线接入:适用于商务人群等流动性高的人群,以及交通、物流等移动办公需求强的行业,可以在不同地点接入WiMAX网络。漫游移动接入:随着WiMAX的发展,802.16E将会有比较好的移动网络接入特性;能实现步行或车载的无缝漫游。WiMAX的前景WiMAX在未来要获得比较好的应用,必须解决频率分配问题、系统与终端的性价比以及杀手级应用问题。WiMAX终端的价格目前比较贵,未来用户终端的价格需要低于100美金以下,才具备启动市场的条件。同时WiMAX所用的频率在各国不相同,在部分国家为开放的公众频段。对WiMAX 频率的有效分配与管理,将成为影响WiMAX发展的重要因素。目前WiMAX发展最缺的还是市场驱动因素,在一般的应用模式下,用户并不需要如此高的带宽。因此开发与WiMAX带宽相匹配的应用将成为其能否健康发展的重影响因素。WiMAX认证的首要动机是希望企业通过较低廉的价格、更高水准的表现、更快速的创新随时随地上网,扩大宽频无线连网的市场,进而带动硬件制造商与服务供应商的前景。服务供应商与企业享有设备与设备之间的互通性;硬件供应商可以减少产品规范的差异性,降低生产成本。WiMAX的到来意味着网络更为普及,不仅在家或办公室可以上网,在路上也可以随时上网遨游 。

IEEE 802.16标准定义的空中接口由物理层和MAC层组成。MAC层独立于物理层,能支持多种不同的物理层规范,以适应各种应用环境。

物理层由传输汇聚子层(TCL)和物理媒质依赖子层(PMD)组成,通常说的物理层主要是指PMD。TCL将收到的MAC层数据分段,封装成TCL协议数据单元(PDU)。PMD则具体执行信道编码、调制解调等一系列处理过程。MAC层采用分层结构,分为三个子层:特定服务汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层。

1) CS子层负责和高层接口,汇聚上层不同业务。它将通过服务访问点(SAP)收到的外部网络数据转换和映射为MAC业务数据单元,并传递到MAC层的SAP。协议提供了多个CS规范作为与外部各种协议的接口,可实现对ATM、IP等协议数据的透明传输。

2) CPS子层实现主要的MAC功能,包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MAC层SAP接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接,同时对物理层上传输和调度的数据实施QoS控制。

3) 安全子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。该子层支持128位、192位及256位加密系统,并采用数字证书的认证方式,以保证信息的安全传输 。

(1)应用频率宽

802.16技术可以应用的频段非常宽,包括10-66GHz频段,<11GHz频段和<11GHz免许可频段。

(2)调制方式灵活

在802.16标准中,定义了三种物理层实现方式:单载波、OFDM、OFDMA。

(3)QoS机制完善

在802.16标准中,在MAC层定义了较为完整的QoS机制。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数,包括速率、延时等指标。

OFDM与OFDMA

OFDM技术的基本思想是将信道的可用带宽划分成若干相互正交的子载波,在每个子载波上独立进行数据传输,从而实现对高速串行数据流的低速并行传输。它由传统的频分复用(FDM)技术演变而来,区别在于OFDM是通过DFT(离散傅立叶变换)和IDFT而不是传统的带通滤波器来实现子载波之间的分割。各子载波可以部分重叠,但仍然保持正交性,因而大大提高了系统的频谱利用率。此外,数据的低速并行传输增强了OFDM抵抗多径干扰和频率选择性衰落的能力。在OFDM技术的基础上结合频分多址(FDMA),将信道带宽内可用的子载波资源分配给不同的用户使用,就是OFDMA 。

多天线技术

多天线技术在不增加系统带宽的情况下可以成倍地提升信道容量,从而实现更高的数据传输速率和更大的覆盖范围,或改善信号传输质量。802.16标准支持的多天线技术包括多输入多输出和自适应天线系统两大类。

自适应调制编码

无线信道的时变和衰落特性决定了信道容量是一个时变的随机变量,要最大限度地利用信道容量,只有使发送速率也随之相应变化,也就是说编码调制方式应该具有自适应特性。自适应调制编码(AMC)技术就是根据信道条件动态调整编码和调制方式,以提高传输速率或系统吞吐量。基本方法是根据对信道质量的测量结果,在信道条件较好时使用高阶调制和高编码速率(例如64QAM,5/6码率),以实现更高的峰值速率;而在信道条件较差时使用低阶调制和低编码速率(例如QPSK,1/2码率),以保证传输性能。通过改变调制编码方式而不是发射功率来改善性能,还可以在很大程度上降低因发射功率提高而引入的额外干扰。

混合自动重传请求

混合自动重传请求(H-ARQ)是一种将自动重传请求(ARQ)和前向纠错编码结合在一起的技术,可以用来减轻信道与干扰抖动对数据传输造成的负面影响。

H-ARQ的基本工作过程如下:将一个或多个待发送MAC层数据单元串联起来,根据物理层的具体规范进行编码,生成4个H-ARQ子包。基站每次只发送一个子包。由于4个子包之间存在很大的相关性,收端无需获得全部子包,也能够正确译码。因此,终端在收到第一个子包后,就尝试译码。如果译码成功,终端立即回送一个确认(ACK)消息给基站,阻止其发送后续子包。如果译码失败,终端回送否认(NACK)消息,请求基站发送下一个子包,依次类推。终端每次将根据接收到的所有子包来译码,以提高译码成功率。由此可以看出,H-ARQ采用了最为简单的停等重传机制,以降低控制开销和收发缓存空间。此时如果使用OFDMA物理层,则可以巧妙地克服停等协议信道利用率低的缺陷。因此,协议中仅规定OFDMA物理层提供对H-ARQ的支持。

功率控制

802.16e规定在上行和下行链路中都要进行功率控制,以全面提升系统的性能。总的发射功率由固定部分和动态调整部分组成。

媒体访问机制

媒体访问控制机制的设计是任何一个采用共享信道方式的无线接入系统必须要考虑的问题。与IEEE 802.11的载波监听/冲突避免(CSMA/CA)策略不同,IEEE802.16采取的方式是在物理层将时间资源进行分片,通过时间区分上行和下行。每个物理帧的帧长度固定,由上行和下行两部分组成,上行和下行的切换点可以通过MAC层的控制自适应调整。在TDD模式下,每一帧由n个时隙组成。下行是广播的,上行是SS发向BS的。下行在先,上行在后。对于宽带无线接入系统而言,这种媒体访问机制兼顾了灵活性和公平性,每个SS都有机会发送数据,避免了长期竞争不到信道的现象出现;其次,每个SS都只在属于自己的发送时段内才发送数据,可以保证任何时刻,媒体上只有一个数据流传输;再次,这种机制便于进行QoS、业务优先级以及带宽等方面的控制。

QoS保证机制

WiMAX是第一个提出在MAC层提供QoS保证的无线接入标准。众所周知,无线信道上多径、衰落等因素的影响会导致较高的误码率和丢包率,数据传输的可靠性和有效性难以得到保障。为满足高速多媒体业务对时延、带宽、丢失率等指标的更高要求,WiMAX的MAC层定义了一系列严格的QoS控制机制,可以在无线接入网部分为不同业务提供不同质量的服务。同时,这种服务是面向连接的。

切换

当移动用户站(MS)在运动中离开原BS的覆盖范围或者其他BS可以提供质量更好的服务时,需要执行切换(HO)流程。通过BS广播的网络拓扑消息,MS可以获得相邻小区的DCD/UCD信息。BS还能为MS分配扫描周期以对邻近的基站进行扫描和测距,评估其物理层信道质量,为可能进行的切换确定寻找潜在的目标BS。实际的切换流程可以由MS发起也可以由BS发起,该切换属于硬切换。此外,IEEE 802.16e定义了两种可选的切换模式:宏分集切换(MDHO)和快速BS切换(FBSS)。MDHO允许MS同时与多个BS通信,以获得分集增益,提高链路质量。在FBSS中,MS无需执行常规切换过程,就可以实现在一个BS集合中的任意两个BS间的快速切换 。

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