WiMAX技术标准及组网技术.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.61M 资料格式：doc 举报版权申诉

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WiMAX 技术标准及组网技术摘要本文全面介绍了 WiMAX 系列标准，且对比了 Wi-Fi，WiMAX 和 3G 各标准的特征和优缺点。基于现有的各种网络配置，详细阐述了 WiMAX 组网的三个阶段，并介绍了不同阶段下的详细组网策略。关键词 WiMAX Wi-Fi 3G IEEE802.16 1、引言随着通信技术和新业务的部署。市场与技术的相互作用，未来通信领域一些新的特点逐渐显现出来。一方面，传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务，希望使用宽带接入移动服务；另一方面，传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋势，并互为补充、互相促进。在移动宽带化方面，3gpp/3gpp2 已经制定了 1xev-do、hsdpa/hsupa 等技术标准，在移动环境下实现宽带数据传输。在宽带移动化方面， IEEE 802 工作组先后制定了 WLAN 和 WiMAX 等技术规范，意图能沿着固定、游牧／便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化，其中 IEEE 802.16 WiMAX 是宽带移动的重要里程碑。促进了移动宽带的演进和发展[1，2]。 WiMAX 是 IEEE802.16 技术在市场推广方面采用的名称，其物理层和 MAC 层技术基于在 IEEE 802.16 工作组中开发的无线城域网（WMAN）技术，WiMAX 也是 IEEE 802.16d/e 技术的别称。本文首先将系统全面介绍 IEEE 802.16 系列标准，对比 Wi-Fi，WiMAX 和 3G 各标准的特征和优缺点，基于现有的各种网络配置，详细阐述了 WiMAX 的组网三步曲，介绍了不同阶段下的详细组网策略，用于支持高速移动、无缝通信的高速多媒体业务传输。 2、WiMAX 无线接入技术 IEEE 802.16 是为制定无线城域网标准而专门成立的工作组，该工作组自 1999 年成立以来，主要负责固定无线接入的空中接口标准制定，为了推广基于 IEEE802.16 和 ETSI HiperMAN 协议的无线宽带接入设备，并且确保他们之间的兼容性和互操作性，2001 年 4 月，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商共同成立了一个非营利工业贸易联盟组织—— WiMAX。 2.1 WiMAX 系列标准最初的 IEEE 802.16 协议是 2001 年 12 月 IEEE 通过的无线城域网标准，该标准支持的工作频段为 10～66GHz，只能承载在视距的环境中，这些限制并不利于固定宽带接入技术的推广，所以在 2003 年 1 月，IEEE 又发布了扩展协议 IEEE 802.16a，目的在于使固定宽带接入技术也能支持非视距传输，工作频率范围为 2～11GHz 需要许可证和免许可证频段。目前，为了能够使 IEEE 802.16 系列标准能够传输从几兆比特每秒到几百兆比特每秒的数据，提供高速多媒体业务传输的能力，成为解决接入网“最后一公里” 瓶颈的有效手段，对 IEEE 802.16a 协议进行了改进，提出了融合后的 IEEE802.16 REVd 协议，也称为 IEEE 802.16-2004

协议，目前该协议已经成为业界标准，各大厂商都基于该标准设计和推出各种固定无线接入产品。目前正在标准化的 IEEE 802.16e 协议作为固定接入技术的扩展，增加了终端用户的移动性功能，从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。 2.2 协议栈模型 IEEE 802.16 系列标准专门定义了 WiMAX 的无线空中接口。其参考模型如图 1 所示。IEEE 802.16 目前只对固定用户终端（SS）和基站（BS）之间的 U 接口进行了规范，而 BS 之间的 IB 接口、BS 与 RNC（与 WCDMA 系统的无线网络控制器 RNC 功能类似）之间的 A 接口不属于 IEEE 802.16 标准组织工作范畴。IEEE802.16 系列标准定义的空中接口由物理层和 MAC 层组成，如图 2 所示。MAC 层支持点对多点（PMP）结构，也适用于网格拓扑结构。 MAC 层的结构设计为可支持多种物理层规范，不同的物理层技术适合不同的无线传播环境。图 1 IEEE 802.16 协议模型图 2 协议体系结构 IEEE 802.16 MAC 层由高到低划分为 3 个子层。（1）特定服务汇聚子层（Service-Specific ConvergenceSublayer）：提供与更高层的接口，通过不同的会聚方式更好地适配各种上层协议；（2）公共部分子层（Common Part Sublayer）：负责执行 MAC 层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等；（3）安全子层（Privacy Sublayer）：提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。 2.3 物理层规范目前最通用的 IEEE 802.16-2004 空中接口物理层规范根据系统工作的频段做了相应的规定，具体可分为两类。

（1）10～66GHz：这个频段内的电磁波波长在毫米波段，波能量易被地面和建筑物吸收，因此要求发射天线和接收天线之间不能有障碍物，即视距传输。此外传输信号还易受雨衰等影响，使得对系统的部署要求非常高，覆盖面积较小。但该频段频率资源丰富，分配的频段较宽，系统容量大。IEEE 802.16 对这个频段的物理层规范是 WMAN_SC，采用单载波调制技术；（2）2～11GHz：该频段包含需要许可证和免许可证两种频谱资源，主要为支持非视距传输而提出。频段内的电磁波较长，发射天线和接收天线不必有视距传输，因此多径干扰问题突出。此外，许多别的无线设备也工作在此频段内，如蓝牙系统、无线局域网等，如何与这些设备共存而不增加彼此干扰，也是一个需要解决的问题。考虑到系统工作的物理环境，该频段支持 3 种物理层规范： *WMAN_SCa：采用单载波自适应调制策略，下行链路使用点对多点的广播方式进行信号传输，基站通过给 BS 内所有的 SS 发射 TDM 信号，目标 SS 检测到是分配给自己的时隙则启动信号的接收。而在上行链路采用 TDMA 方式； *WMAN_OFDM：采用 256 点变换的正交频分复用（OFDM）调制技术，下行采用 TDM 方式，上行接入采用 TDMA+OFDMA 作为多址方式，该空中接口对于免许可证的频段是必选的； *WMAN_OFDMA：采用 2048 点变换的 OFDM 调制技术。通过为每个接收机分配一组子载波来实现多址传输，上下行都采用 TDMA+ 0FDMA 作为多址方式。考虑到 NLOS 特性，采用了先进的自适应天线系统（AAS），ARQ 以及动态频率选择（DFS）等先进技术。 IEEE 802.16 系统可以工作在频分双工（FDD）或时分双工（TDD）方式。FDD 需要成对的频率，TDD 则不需要，而且可以灵活地实现上下行带宽动态调整。在 IEEE 802.16 中，还规定了终端可以采用半双工频分双工（H-FDD）方式，降低了对终端收发器的要求。从而降低了终端成本。 2.4 传输速率 IEEE 802.16 并未规定具体的载波带宽，系统可以采用从 1.25～20MHz 之间的带宽。考虑各个国家已有固定无线接入系统的载波带宽划分，IEEE 802.16 规定了几个系列，1.25MHz 的倍数、1.75MHz 的倍数。1.25MHz 系列包括 1.25/2.5/5/10/20MHz 等。 1.75MHz 系列包括 1.75/3.5/7/14MHz 等。对于 10～66GHz 的固定无线接入系统，还可以采用 28MHz 载波带宽，提供更高的接入速率。 WMAN_SC 规定在该频段采用单载波调制方式，具体可以采用 QPSK 和 16QAM，可选支持 64QAM。WMAN_SCa 可以采用的调制方式最多，支持 BPSK、QPSK、16QAM 和 64QAM，甚至可选支持 256QAM。WMAN_OFDM 每个子载波的调制方式可支持 BPSK、QPSK、 16QAM 和 64QAM，其中 64QAM 对于免许可证频段是可选的。WMAN_OFDMA 每个子载波的调制方式可以支持 QPSK、16QAM，可选支持 64QAM。

比较可知，WMAN_OFDMA 具有最佳的频谱效率，但几种物理层技术理论性能相差不大。需要说明的是 WMAN_SCa 抗多径和频率选择衰落非常差，所以在 NLOS 环境中一般不采用该物理层配置。WiMAX 对固定终端的覆盖范围一般在 5～15km。而对低速移动终端支持的标准 IEEE 802.16e 仍在制定中，要求覆盖范围达到几公里，支持切换等移动性管理。 2.5 不同网络标准比较在未来的无线网络系统中，Wi-Fi、WiMAX 和蜂窝系统（主要指 3G 以及后 3G 系统）都能提供电信级应用，从支持用户的移动性来看，Wi-Fi 和 WiMAX 都较差。而蜂窝系统能实现无缝切换；从支持的传输速率来看，WiMAX 有无法比拟的优势，Wi- Fi 较蜂窝网络其传输速率显著提高；从单基站覆盖范围来看，WiMAX 的覆盖范围最大，蜂窝网络次之，WLAN 最小；从网络管理的角度来看，由于 IEEE 802 系列协议只定义了物理层和 MAC 层协议，所以 WiMAX 和 Wi-Fi 可以借鉴蜂窝网络的鉴权和计费等功能[4]。 3、WiMAX 组网技术作为一种无线空中接口标准，2004 年颁布的 IEEE 802.16-2004 标准可以被移动运营商作为分组数据的补充网络，此时不支持用户终端的移动性。但是未来的 IEEE 802.16e 标准将有较好的移动性支持，可以单独组网实现全网覆盖。所以从技术的演进，支持的用户移动性和全网覆盖角度来看，WiMAX 组网是一个逐渐演化的过程，从补充网络到局部的单独网络到最后的全覆盖网络，具体演进步骤如图 3 所示[5]。图 3 IEEE 802.16 演进策略在上面的演化策略中，并没有包含目前已经商用化的固定宽带无线接入系统，如本地多点分配业务（LMDS）系统，因为其物理层采用的还是单载波技术，并且其采用的频率为 10～ 66GHz 频段。而我们这里所阐述的系统物理层都基于 OFDM 技术，并且采用 2～10GHz 频段，支持 NLoS 传输。 3.1 第一阶段 WiMAX 特别适合传递高突发性的数据，其 MAC 结构也同时支持实时的多媒体和同步应用，

这意味着它特别适合于宽带无线传输。WLAN 最大的特点是便携性，主要解决用户“最后 100m”的通信需求，定位于热点地区的高速移动数据接入，但不支持高速移动性，主流应用是商务用户在酒店、机场等热点使用便携电脑上网浏览或访问企业的服务器。而 WiMAX 在今天的 Wi-Fi 系统基础上可以同时进行距离和高 QoS 要求的应用的扩展。这一阶段 WiMAX 和 Wi-Fi 都不提供高速的用户移动支持，所以为了达到全网覆盖，需要联合 3G 蜂窝系统，作为 3G 系统受系统开销及复杂度限制而无法实现高速宽带 IP 数据覆盖及漫游方面的增强。从以上的分析可知，这一阶段将是 Wi-Fi，WiMAX 和 3G 网络共存阶段。Wi-Fi 定位于热点地区内的高速移动数据接入，WiMAX 把不同的热点地区串接起来，实现更广范围的高速数据接入，主要解决“最后一公里”的通信需求，而 3G 网络定位于移动用户的语音通信和全网范围内的低速数据通无线通信。由于 Wi-Fi 和 WiMAX 都只是定义了无线空中接口的物理层和 MAC 层，这时需要和 3G 网络采用松散模式进行网络融合，使得用户的鉴权、加密和计费由 3G 网络进行。WiMAX RNC 也可以直接利用目前有线网的网络管理实体完成相应的鉴权、计费和网管等。Wi-Fi、WiMAX 和 3G 系统的相互关系如图 4 所示。图 4 Wi-Fi/WiMAX/3G 第一阶段混合组网关系示意图这一阶段的网络特征是通过 WiMAX 把 Wi-Fi 的接入点通过无线的方式结合起来与主干网络直接相连，从而使得 Wi-Fi 基站布置变得特别方便和机动，同时也解决了 3G 网络室内和热点地区覆盖难的问题，由于可以都在 3G 网络中进行用户的鉴权、加密和计费，从而打破了无线和有线用户之间的界限，并且用户只要使用唯一的账号就能进行无缝通信。由于 WiMAX 基站的功能是管理固定的 Wi-Fi 接入点之间的通信，而 AP 点间主要是 LOS 传输，所以此时可以不采用 OFDM 等高级技术，载频在 10～66GHz，采用 WMAN-SC 协议。 3.2 第二阶段在这一阶段，WiMAX 增加了移动设备的便携式和慢速移动特性，但是终端用户并不具有在不同 WiMAX 基站之间进行切换的功能。WiMAX 终端除了能进行高速数据传输功能外，还能进行

VoIP 语音通信，这时把具有便携和移动性的 WiMAX 用户终端称为移动用户终端（MSS）。为了能达到全网通信，终端具有 Wi-Fi/WiMAX/3G 多模功能，此时 Wi-Fi/WiMAX/3G 不同网络之间的融合问题更加复杂，为了不改变不同网络之间原有的配置，建议采用松耦合模式。为了支持用户的移动性，需要采用 IEEE 802.16e 协议，对于 WiMAX 的 MSS 而言，此时 WiMAX 的 B S 类似一个接入点（AP），它承载的功能类似 3G 系统中的基站，具体的参考模型如图 5 所示。MSS 和 AP 实体都需要增加上层协议，以便进行无线资源管理、移动性管理和通信事件任务管理等，相对于固定节点的 U 和 A 接口，改进后分别为 MU 和 MA。图 5 WiMAX/3G 参考协议模型图 6 Wi-Fi/WiMAX/3G 第二阶段混合组网关系示意图 Wi-Fi、WiMAX 和 3G 系统的相互关系如图 6 所示，和第一阶段的网络架构相比，主要是增加了 MSS 的通信功能。和第一阶段一样，本阶段主要通过松耦合的方式借用 3G 的 IP 核心网络，为 IEEE 802.16 SS/MSS 进行寻址、认证、服务授权、加密和计费等网络管理，以减少核心网的投资成本。这时需要在 3G 分组核心网络中专门定义一个接口，用于和 WiMAX RNC 通信。为了支持 MSS 的便携和低移动特性，需要采用 WMAN_OFDM 和 WMAN_OFDMA 物理层以克服 NLOS 的影响，此时

工作频段需在 2～11GHz，而 SS 在 1O～66GHz 频段采用 MAN_SC，或者在 2～11GHz 频段采用 WMAN_SCa 进行通信。 3.3 第三阶段随着 WiMAX 网络的逐步扩展，IEEE 802.16e 标准不断完善以及对移动性的良好支持，可以采用 WiMAX 全网覆盖的组网方式。相比于第二阶段组网方式。需要额外提供支持 WiMAX 的核心网设备，具体如图 7 所示。未来将主要在 2～6GHz 频段内支持 WiMAX 移动终端的全网覆盖，由 WiMAX 中的 RNC 负责集中网络控制，以及作为无线网与核心网通信的转载实体。在 WiMAX 的基站和 RNC 之间的信息交互可以采用 MPLS 或者区分服务 QoS 的 IP-in-IP 隧道协议，而在不同 RNC 之间通信或者 RNC 与核心网间的信息交互则采用快速标签交换路径（LSP）交换协议。图 7 Wi-Fi/WiMAX/3G 第二阶段混合组网关系示意图 4、结束语由于 3G 蜂窝系统全面商用化一再推延，使得各种无线接入技术获得了迅速发展。在未来无线通信领域，很难有哪种技术或标准能够一统天下，而将是各种无线接入技术并存，各种移动通信系统互相兼容和合作的格局。WiMAX 作为一种新兴的宽带城域网接入标准。采用了很多先进和成熟的技术，能提供高的传输速率和强的 QoS 保证，并且随着标准的完善能够支持用户的移动性，从而实现全网无缝覆盖。鉴于目前已存的各种蜂窝系统和发展强劲的 Wi-Fi， WiMAX 组网和使用首先应定位于对现有网络高速数据支持的补充，随着技术和网络配置不断完善，充分发挥其技术优势和组网的灵活性，最后通过独立组网达到全网覆盖，既能提供高速的数据传输和保证 QoS，并且能够全网无缝漫游。目前 WiMAX 除了需要继续完善 IEEE 802.16e 标准协议，提供和 Wi-Fi 以及 3G 的网络互连和协作外，还需要尽快推出相应的终端和基站设备，保证在工作的频段不会对现有电子设备和系统产生干扰，并且随着用户量增加，设备价格尽快降到大众能够接受的水平。

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