第9章無線城域網(wǎng)接入技術(shù)

第9章無線城域網(wǎng)接入技術(shù)9.1無線城域網(wǎng)概述城域網(wǎng)（MetropolitanAreaNetwork,MAN）泛指運營商在城市及郊區(qū)范圍內(nèi)提供多種業(yè)務(wù)的所有網(wǎng)絡(luò)，它的傳輸媒介主要采用光纜，通過各類網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)圖像、多媒體、IP接入和各種增值業(yè)務(wù)及智能業(yè)務(wù)，并與各運營商長途網(wǎng)和PSTN互通的本地綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。無線城域網(wǎng)（WirelessMetropolitanAreaNetwork,WMAN）是指以無線方式構(gòu)成的城域網(wǎng)，提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。WMAN既可以使用無線電波也可以使用紅外光波來傳送數(shù)據(jù)，提供給用戶以高速訪問Internet的無線訪問網(wǎng)絡(luò)帶寬。

9.1.1無線城域網(wǎng)的形成9.1.2WiMAX論壇

IEEE802.16工作組主要針對無線城域網(wǎng)的物理層和MAC層指定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。為了形成一個可運營的網(wǎng)絡(luò)，IEEE802.16技術(shù)必然需要其他部分的支撐，所以類似于WiFi聯(lián)盟的WiMAX（WorldInteroperabilityforMicrowaveAcess）論壇應(yīng)運而生，從此WiMAX成為了IEEE802.16的代名詞。無線城域網(wǎng)的推出是為了滿足日益增長的寬帶無線接入(BroadbandWirelessAccess,BWA)市場需求。WiMAX論壇的目標(biāo)：1.促進(jìn)和推動全球WiMAX部署。2.使WiMAX服務(wù)成為寬帶無線的選擇平臺，主導(dǎo)世界市場份額。3.發(fā)布一個高性能終端對終端的IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，支持固定、便攜和移動用戶。4.確保WiMAX論壇認(rèn)證產(chǎn)品能夠贏得全球服務(wù)提供商的信賴。5.發(fā)展基于IEEE802.16和ETSI互通的WiMAX模式，服務(wù)于全球市場。6.通過提供新穎的有競爭力的應(yīng)用和服務(wù)模式來擴(kuò)大用戶需求。7.促進(jìn)良性的知識產(chǎn)權(quán)政策。

WiMAX論壇現(xiàn)有7個工作組，涉及將WiMAX論壇所認(rèn)證的產(chǎn)品推廣到市場需要重點關(guān)注的多個領(lǐng)域。1.認(rèn)證工作組(CWG)2.技術(shù)工作組（TWG）3.頻譜工作組（RWG）4.市場工作組（MWG）5.需求工作組（SPWG）6.應(yīng)用工作組（AWG）7.網(wǎng)絡(luò)工作組（NWG）WiMAX論壇的工作組：9.2802.16標(biāo)準(zhǔn)

9.2.1802.16標(biāo)準(zhǔn)及其演進(jìn)表9-1IEEE802.16相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系標(biāo)準(zhǔn)描述狀態(tài)802.16-2001固定寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口過期802.16.2-2001固定寬帶無線接入系統(tǒng)共存標(biāo)準(zhǔn)過期802.16c-2002系統(tǒng)概況(10-66GHz)過期802.16a-2003物理層和MAC層定義(2–11GHz)過期P802.16b免許可頻率(項目已退出)撤銷P802.16d為2-11GHz的維護(hù)和系統(tǒng)配置文件(項目合并到802.16-2004)已被合并802.16-2004空中接口固定寬帶無線接入系統(tǒng)(匯總802.16-2001,802.16a,802.16c和P802.16d)過期P802.16.2a2–11GHz和23.5–43.5GHz共存(項目合并到802.16.2-2004)過期802.16.2-2004固定寬帶無線接入系統(tǒng)共存標(biāo)準(zhǔn)(合并802.16.2-2001和P802.16.2a)當(dāng)前在用802.16f-2005802.16-2004的管理信息庫(MIB)過期802.16-2004/Cor1-2005更正固定業(yè)務(wù)(與802.16e-2005共同出版)過期802.16e-2005綜合固定與移動業(yè)務(wù)在許可頻段的物理與MAC層過期802.16k-2007MAC橋接，用來彌合802.16(IEEE802.1D項目的修訂)當(dāng)前在用802.16g-2007管理平面的程序和服務(wù)已被合并P802.16i移動管理信息庫(項目合并到802.16-2009)已被合并802.16-2009固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口(合并802.16-2004,802.16-2004/Cor1,802.16e,802.16f,802.16g和P802.16i)當(dāng)前在用802.16j-2009多跳中繼當(dāng)前在用802.16h-2010為免授權(quán)經(jīng)營共存機(jī)制的改進(jìn)當(dāng)前在用P802.16m-2011數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbit/s(移動)及1Gbit/s(固定)的先進(jìn)空中接口。也被稱為移動WiMAX版本2或者高級無線城域網(wǎng)(WirelessMAN-Advanced).針對4G系統(tǒng)上實現(xiàn)的ITU-RIMT-Advanced的要求。當(dāng)前在用P802.16n-2010更高的可用性網(wǎng)絡(luò)在修訂中P802.16p-2010為進(jìn)一步支持機(jī)對機(jī)應(yīng)用在修訂中P802.16Rev3-2011修改IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)，包括P802.16h，P802.16j和P802.16m在修訂中9.2.2WiMAX/802.16系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WiMAX/802.16網(wǎng)絡(luò)體系如圖9-1所示，包括：核心網(wǎng)、用戶基站（SS）、基站（BS）、中繼站（RS）、用戶終端設(shè)備（TE）和網(wǎng)管。圖9-1WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

（1）核心網(wǎng)：WiMAX連接的核心網(wǎng)通常為傳統(tǒng)交換網(wǎng)或Internet。WiMAX提供核心網(wǎng)與基站間的連接接口，但WiMAX系統(tǒng)并不包括核心網(wǎng)。（2）基站：基站提供用戶基站與核心網(wǎng)間的連接，通常采用扇形/定向天線或全向天線，可提供靈活的子信道部署與配置功能，并根據(jù)用戶群體狀況不斷升級擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。（3）用戶基站：屬于基站的一種，提供基站與用戶終端設(shè)備間的中繼連接，通常采用固定天線，并被安裝在屋頂上?；九c用戶基站間采用動態(tài)自適應(yīng)信號調(diào)制模式。（4）中繼站：在點對點體系結(jié)構(gòu)中，接力站通常用于提高基站的覆蓋能力，也就是說充當(dāng)一個基站和若干個用戶基站（或用戶終端設(shè)備）間信息的中繼站。中繼站面向用戶側(cè)的下行頻率可以與面向基站的上行頻率相同，當(dāng)然也可以采用不同的頻率。（5）用戶終端設(shè)備：WiMAX系統(tǒng)定義用戶終端設(shè)備與基站間的連接接口，提供用戶終端設(shè)備的接入。但用戶終端設(shè)備本身并不屬于WiMAX系統(tǒng)。（6）網(wǎng)管：用于監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的基站和用戶基站，提供查詢、狀態(tài)監(jiān)控、軟件下載、系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。WiMAX/802.16端對端的參考模型圖9-2非漫游模式端對端參考模型功能邏輯組，包括:移動用戶臺(MSS)、接入網(wǎng)（ASN）、連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（CSN）應(yīng)用服務(wù)提供商（ASP）網(wǎng)絡(luò)。圖9-3漫游模式端對端參考模型

圖9-3主要增加了CSN之間的R5參考點。WiMAX/802.16網(wǎng)絡(luò)實體1.接入網(wǎng)BS用于處理IEEE802.16空中接口，包括BS和SS兩種；ASNGW主要處理到CSN的接口功能和ASN的管理。圖9-4ASN參考模型2.連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)（CSN）可以由路由器、AAA代理或服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備等組成。CSN主要功能：因特網(wǎng)接入，為用戶會話連接，給終端分配IP地址；AAA代理或者服務(wù)器，用戶計費以及結(jié)算；基于用戶系統(tǒng)參數(shù)的QoS及許可控制；ASN之間的移動性管理，ASN和CSN之間的隧道建立和管理；WiMAX服務(wù)，如基于位置的服務(wù)、組播服務(wù)等。WiMAX/802.16網(wǎng)絡(luò)接口圖9-5WiMAX網(wǎng)絡(luò)開放接口接口R1至R5為網(wǎng)絡(luò)工作組初步確定了在Release1規(guī)范中定義的開放接口，接口R6至R8為后續(xù)版本中考慮開放的接口。（1）R1：MSS與ASN之間的接口，可能包含管理平面的功能。（2）R2：MSS與CSN之間的邏輯接口，提供鑒權(quán)、業(yè)務(wù)授權(quán)和IP主機(jī)配置等服務(wù)。此外，可能還包含管理和承載平面的移動性管理。（3）R3：ASN和CSN之間互操作的接口，包括一系列控制和承載平面的協(xié)議。（4）R4：用于處理ASNGW間移動性相關(guān)的一系列控制和承載平面協(xié)議。（5）R5：拜訪CSN與歸屬CSN之間互操作的一系列控制和承載平面協(xié)議。（6）R6：BS和ASNGW間的互操作接口，屬于ASN內(nèi)的接口，由一系列控制和承載平面協(xié)議構(gòu)成。（7）R7：該接口屬于ASNGW內(nèi)部接口，圖9-5中沒有標(biāo)注，具體定義還在討論之中。（8）R8：BS之間的接口，用于快速無縫切換功能，由一系列控制和承載平面協(xié)議組成。9.2.3業(yè)務(wù)及QoS定義了四種業(yè)務(wù)類型，并對每種業(yè)務(wù)類型的帶寬請求方式進(jìn)行了規(guī)定（優(yōu)先級從高到底）：

（1）主動授權(quán)業(yè)務(wù)（UGS）

（2）實時輪詢業(yè)務(wù)（rtPS）

（3）非實時輪詢業(yè)務(wù)（nrtPS）

（4）盡力而為（BE）業(yè)務(wù)9.2.4協(xié)議模型圖9-6IEEE802.16空中接口協(xié)議棧模型9.3802.16的物理層9.3.1802.16物理層的分類WMAN-SC物理層2．WMAN-SCa物理層3．WMAN-OFDM物理層4.WMAN-OFDMA物理層5.WirelessHUMAN物理層9.3.2802.16物理層的關(guān)鍵技術(shù)1.雙工復(fù)用方式

WiMAX系統(tǒng)物理層支持時分雙工（TimeDivisionDuplex，TDD）方式、頻分雙工（FrequencyDivisionDuplex，F(xiàn)DD）方式。TDD上行和下行的傳輸使用同一頻帶的雙工方式，需要根據(jù)時間進(jìn)行切換，物理層的時隙被分為發(fā)送和接收兩部分。其技術(shù)特點有：不需要成對的頻率，能使用各種頻率資源。上下行鏈路業(yè)務(wù)可以不平均分配。上下行工作于同一頻率，電波傳播的對稱特性使之便于使用智能天線等新技術(shù)，達(dá)到提高性能，降低成本的目的。傳輸不連續(xù)，切換傳輸方向需要時間和控制，為避免傳輸發(fā)生沖突，上下行鏈路需要一個協(xié)商傳輸與時序的過程，為避免發(fā)生傳輸錯誤，需要設(shè)置一個保護(hù)時間來保護(hù)傳輸信號符合傳輸時延的要求。FDD上行和下行的傳輸使用分離的兩個對稱的頻帶的雙工方式，系統(tǒng)需根據(jù)對稱性頻帶進(jìn)行劃分。其技術(shù)特點有：需要成對的頻率，在分離的兩個對稱的頻帶上進(jìn)行發(fā)送和接收，上下行頻帶之間需要有190MHz的頻率間隔。支持對稱業(yè)務(wù)時，能充分利用上下行的頻譜，但在非對稱的分組交換（互聯(lián)網(wǎng)）工作時，頻譜利用率則大大降低（由于低上行負(fù)載，造成頻譜利用率降低約40%）。2.載波帶寬IEEE802.16并未規(guī)定具體的載波帶寬，系統(tǒng)可以采用從1.25MHz一20MHz之間的帶寬。3.OFDM和OFDMA（1）正交頻分復(fù)用OFDMOFDM是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)。它的基本思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各個子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM技術(shù)相對于一般的多載波傳輸技術(shù)不同之處在于它允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交，則可以從混疊的子載波中分離出數(shù)據(jù)信號。OFDM的優(yōu)點：①頻譜利用率很高。②抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。③采用動態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。④通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。⑤基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里葉變換(FFT)和逆快速傅里葉變換(IFFT)來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)。OFDM的缺點：①對頻偏和相位噪聲敏感。②峰均功率比(PAPR)大，導(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低。③自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加。（2）正交頻分復(fù)用多址OFDMAOFDMA和OFDM的本質(zhì)原理是一致的，與之不同的是，它可以指定每個用戶使用OFDM所有子載波中的一個(或一組)。OFDMA將整個頻帶劃分成更小的單位，多個用戶可以同時使用整個頻帶，并且它的分配機(jī)制非常靈活，可以根據(jù)用戶業(yè)務(wù)量的大小動態(tài)分配子載波的數(shù)量，不同的子載波上使用的調(diào)制方式和發(fā)射功率也可以不同。在OFDMA系統(tǒng)中，用戶僅僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個幀內(nèi)的用戶的定時偏差和頻率偏差足夠小，則系統(tǒng)內(nèi)就不會存在小區(qū)內(nèi)的干擾，比碼分系統(tǒng)更有優(yōu)勢。4.自適應(yīng)調(diào)制802.16可以根據(jù)不同的調(diào)制方式和糾錯編碼方法組合成多種發(fā)送方案，系統(tǒng)可以根據(jù)信道狀況的好壞以及傳輸?shù)男枨?，選擇一個合適的傳輸方案。5.多天線技術(shù)MIMO技術(shù)在基站和移動臺兩端都使用多元天線陣列，抑制信道衰落，大幅度提高信道容量和覆蓋范圍。MIMO技術(shù)的核心思想是空時信號處理，處理的方式大致分為發(fā)射分集和空間復(fù)用兩類。其中發(fā)射分集指的是在不同的天線上發(fā)射承載相同信息的信號，當(dāng)然，信號的形式可以不同，這樣做的目的是充分利用空間資源，提高信道的可靠性。使用多天線技術(shù)具有以下優(yōu)勢:（1）陣列增益（2）分集增益（3）共信道干擾消除9.4802.16的MAC層MAC層分成三個子層:匯聚子層(ConvergenceSublayer，CS)、公共部分子層(CommonPartSublayer，CPS)、安全子層(PrivacySubayer，PS)。物理層PSCPSCSMAC層圖9-7MAC層結(jié)構(gòu)CS：該層根據(jù)提供服務(wù)的不同，提供不同的功能。對于IEEE802.16來說，能提供的服務(wù)包括數(shù)字音頻/視頻廣播、數(shù)字電話、異步傳輸模式ATM、因特網(wǎng)接入、電話網(wǎng)絡(luò)中無線中繼和幀中繼等。CPS：CPS是MAC的核心部分，主要功能包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接建立和連接維護(hù)等。PS：提供基站和用戶站之間的保密性，它包括兩個部分:一是加密封裝協(xié)議，負(fù)責(zé)空中傳輸?shù)姆纸M數(shù)據(jù)的加密，二是密鑰管理協(xié)議，負(fù)責(zé)基站到用戶站之間密鑰的安全發(fā)放。9.4.1MAC層的技術(shù)特點1.連接

當(dāng)高層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)入WiMAX系統(tǒng)后，經(jīng)過匯聚子層分類操作將包映射到不同的連接上。每個連接代表著不同的服務(wù)類型、帶寬等參數(shù)，連接的建立是業(yè)務(wù)通信實現(xiàn)QoS的前提。2.QoS

WiMAX系統(tǒng)的MAC層最大的特色是定義了比較完整的，基于連接的服務(wù)質(zhì)量機(jī)制，這種機(jī)制將高層數(shù)據(jù)映射為單個連接，并用一個16bit的CID唯一標(biāo)識，除此之外，這種機(jī)制針對每個連接分別設(shè)置不同的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，包括速率、時延和延遲抖動等等。表9-2WiMAX5種等級服務(wù)QoS等級服務(wù)縮略語定義典型應(yīng)用非請求的帶寬分配業(yè)務(wù)UnsolicitedGrantServiceUGS周期性產(chǎn)生固定包長的實時業(yè)務(wù)T1/E1傳輸實時輪詢業(yè)務(wù)Real-timePollingServicertPS周期性產(chǎn)生可變包長的實時業(yè)務(wù)MPEGVideo擴(kuò)展的實時輪詢業(yè)務(wù)ExtendedReal-timePollingServiceertPS周期性產(chǎn)生可變包長的實時業(yè)務(wù)，rtPS業(yè)務(wù)的一種擴(kuò)展，對實時性要求很高VoIP非實時輪詢業(yè)務(wù)Non-real-timePollingServicenrtPS延遲容忍的數(shù)據(jù)流，包括可變大小的數(shù)據(jù)包，有最低數(shù)據(jù)速率要求FTP盡力而為BestEffortBE沒有最低服務(wù)水平需求的非實時數(shù)據(jù)流，在資源允許的前提下處理HTTP3.安全性

為了保證信息傳輸?shù)陌踩裕?02.16在MAC層中定義了一個安全子層來實現(xiàn)對密鑰的分配管理和數(shù)據(jù)的加密。安全子層位于物理層之上，屬于MAC層的最低一個子層。它的加密協(xié)議主要是以電纜調(diào)制傳輸技術(shù)DOCSISBPI+中的密鑰管理協(xié)議為基礎(chǔ)，加密子層主要可以分為數(shù)據(jù)包加密封裝協(xié)議和密鑰管理(PKM)協(xié)議兩部分。9.4.2匯聚子層（CS）匯聚子層CS層是MAC的最高層，主要功能是從上層接收數(shù)據(jù)包并封裝成為特定MAC數(shù)據(jù)包傳送到公共部分子層相應(yīng)的接口點。CS層主要完成以下功能:（1）接收來自上層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU。（2）對所接收的上層PDU進(jìn)行分類。（3）根據(jù)分類對接收的PDU進(jìn)行處理。（4）將處理后生成的CSPDU送往合適的MACSAP。（5）接收來自對等實體中特定業(yè)務(wù)匯聚子層的CSPDU。CS分類功能

圖9-8分類匹配與映射示意圖分類就是在MAC對等實體間將一個MACSDU映射到一個特定傳輸連接上的過程。在將一個MACSDU映射到一個傳輸連接時，同時創(chuàng)建了與該連接的服務(wù)流特性的關(guān)聯(lián)。

CS報頭壓縮功能

為了節(jié)省無線鏈路資源，提高帶寬利用率，IEEE802.16協(xié)議定義了PHS(PayloadHeaderSuppression)機(jī)制，對凈荷報頭的重復(fù)部分進(jìn)行壓縮，對等實體再將其恢復(fù)。圖9-9MACSDU格式

一條PHS規(guī)則包括以下5個參數(shù)：（1）頭壓縮區(qū)域（PayloadHeaderSuppressionField，PHSF），解壓縮時根據(jù)該字段將數(shù)據(jù)包首部還原；（2）頭壓縮索引（PayloadHeaderSuppressionIndex，PHSI），用以對應(yīng)唯一的頭壓縮規(guī)則；（3）頭壓縮掩碼（PayloadHeaderSuppressionMask，PHSM），用以決定壓縮報頭中那些字節(jié)；（4）頭壓縮區(qū)域長度（PayloadHeaderSuppressionSize，PHSS），指明報頭中壓縮字節(jié)的長度；（5）頭壓縮檢驗標(biāo)識（PayloadHeaderSuppressionValid，PHSV），用以確定對數(shù)據(jù)頭進(jìn)行壓縮還是不壓縮。1.PHS操作圖9-10PHS操作圖9-11使用過濾功能的PHS操作2.PHS信令PHS需要建立以下3個對象：（1）服務(wù)流；（2）分類器；（3）PHS規(guī)則；

9.4.3公共部分子層（MACCPS）

MACCPS支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1．PMP模式PMP模式是一種集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),一個BS對應(yīng)于多個SS。BS負(fù)責(zé)上行和下行帶寬資源分配，每幀的分配結(jié)果體現(xiàn)在下行映射(DL-MAP)和上行映射(UL-MAP)結(jié)構(gòu)中。SS根據(jù)DL-MAP和UL-MAP的規(guī)定接收和發(fā)送數(shù)據(jù)/管理信令。（1）PMP模式下的幀結(jié)構(gòu)圖9-12TDD模式下OFDM幀結(jié)構(gòu)圖9-13FDD模式下OFDM幀結(jié)構(gòu)（2）PMP模式下的調(diào)度機(jī)制SSSSSSSSSSSSSSBS圖9-14PMP模式下的調(diào)度示意圖

2．Mesh模式Mesh模式與PMP最大的不同在于除了BS與SS之間能夠直接通信外，SS之間也可以通過多跳的方式實現(xiàn)多點到多點之間的無線連接。（1）Mesh模式下的幀結(jié)構(gòu)圖9-15Mesh模式下幀結(jié)構(gòu)（2）Mesh模式下的調(diào)度機(jī)制

IEEE802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)中定義了Mesh模式下的兩種調(diào)度方式：集中式調(diào)度和分布式調(diào)度。BS

SS

SS

SS

SS

SS

SS

SS圖9-16集中式調(diào)度示意圖BSSSSSSSSSSSSSSS圖9-17分布式調(diào)度示意圖請求節(jié)點目標(biāo)節(jié)點請求確認(rèn)回復(fù)圖9-18三次握手示意圖IEEE802.16-2004Mesh模式中的分布式調(diào)度采用請求、答復(fù)、確認(rèn)三次握手的方式來建立發(fā)送數(shù)據(jù)前的連接。

MACCPS的功能

1.尋址與連接

MAC層是基于連接的，每個連接都由一個16位的連接標(biāo)識符CID來區(qū)分。每個CID標(biāo)識一個具有某種QoS的業(yè)務(wù)六流。CID是WiMAX面向連接的核心，其主要功能：（1）標(biāo)識不同的連接；（2）連接請求，如帶寬請求；（3）關(guān)聯(lián)相應(yīng)的業(yè)務(wù)流。在SS初始化過程中，上行和下行方向都會建立三個不同的管理連接，用于發(fā)送和接收控制管理消息。這三種連接反映了BS和SS之間不同的管理業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，他們分別為基本連接(Basicconnection)、主要管理連接(Primarymanagementconnection)和次要管理連接(Secondarymanagementconnection)。（1）基本連接:用于在BS和SS之間交換短的、時延敏感的MAC管理消息。（2）主要管理連接:用于在BS和SS之間傳遞較長的、可以容忍一定時延的MAC管理消息。（3）次要管理連接:只用于可以被管理的SS與BS傳遞基于標(biāo)準(zhǔn)(如DHCP、TFTP、SNMP)的管理消息，通常這些消息也是對時延不敏感的。2．PDU成幀與傳輸圖9-19PDU報文格式

圖9-20通用MAC頭部格式字段比特數(shù)描述HT1頭部類型，必須設(shè)置為0。EC1加密控制，EC=1，加密；，EC=0，不加密。type6子頭部和載荷類型，可包含mesh子頭部，分片子頭部，封包子頭部等。EKS2密鑰序列。CI1CRC指示。LEN11包括頭部在內(nèi)的整個MACPDU的長度。CID16傳送該MACPDU對應(yīng)的連接標(biāo)識符。HCS8頭部校驗序列。表9-3通用MAC頭部各字段含義圖9-21帶寬請求頭部格式表9-4帶寬請求頭部各字段含義字段比特數(shù)描述HT1頭部類型，必須設(shè)置為1。EC1EC必須設(shè)置為0，不加密。type3指示帶寬請求類型：“000”請求增加帶寬，“001”請求總帶寬。BR19指示SS向BS申請的字節(jié)數(shù)，該數(shù)字中不含任何物理層附加頭部。CID16表示一個SS向BS的帶寬請求連接。HCS8頭部校驗序列。通用MAC頭部Type字段的位描述5指示mesh子頭部的有無；1表示有，0表示無。4指示ARQ響應(yīng)載荷的有無；1表示有，0表示無。3指示可擴(kuò)展類型；即有否拼裝或分片子頭部的擴(kuò)展。1表示有，0表示無。用于無ARQ的連接。2指示分片子頭部的有無；1表示有，0表示無。1指示拼裝子頭部的有無；1表示有，0表示無。0下行鏈路，快速反饋分配子報頭；上行鏈路，授權(quán)管理子報頭。1表示有，0表示無。表9-5MAC子頭部類型描述

系統(tǒng)在形成MACPDU之后的操作是將一個或多個PDU通過級聯(lián)、分片、打包等方式組成一個完整的MAC幀，并通過服務(wù)訪問點傳遞給下層進(jìn)行傳輸。

級聯(lián)：在WiMAX系統(tǒng)中，多個MACPDU可以連在一起，一并發(fā)往接收端，由于每個PDU都是通過其所包含的CID來唯一標(biāo)識的，因此接收端的對應(yīng)MAC實體可以將接收到的多個MACPDU解封并重新組裝，得到的MACSDU送到相對應(yīng)的MACSAP。MAC管理消息、用戶數(shù)據(jù)以及帶寬請求的MACPDU都可以被級聯(lián)在一起進(jìn)行發(fā)送。

分片：分片是將多個MACSDU分成一個或多個MACPDU的過程，這一操作使得WiMAX系統(tǒng)可以高效地使用有限的帶寬。一個PDU在傳輸過程中是否分片是在連接被創(chuàng)建的時候決定的，每個分片在整個SDU中的位置可以通過分片子報頭中的分片控制域(FC)知道。

打包：與分片相反，打包是將多個SDU并入一個PDU中進(jìn)行傳輸。打包通過連接的屬性來指出當(dāng)前連接所承載的是定長分組還是變長分組。另外，是否進(jìn)行打包操作完全由發(fā)送端決定。3.對PHY的支持

（1）雙工方式

MAC層協(xié)議可以支持物理層采用不同的雙工模式:時分雙工(TDD)方式或頻分雙工(FDD)方式。（2）鏈路映射管理消息下行鏈路映射消息(DL-MAP)定義了突發(fā)模式的物理層下行鏈路間隔的使用情況，SS根據(jù)該消息來接收下行鏈路上的信息。在PMP系統(tǒng)中，DL-MAP消息只能由BS以廣播方式發(fā)送給各SS。上行鏈路映射消息(UL-MAP)消息根據(jù)突發(fā)相對于分配開始時間(AllocationStartTime)的偏移定義了上行傳輸間隔的使用，通過一系列的信息元素(IE)來表示。IE有以下幾種:①RequestIE:通過RequestIE，BS指定了一個上行間隔用來為上行數(shù)據(jù)的傳輸申請帶寬，與該IE指定的CID類型相一致的SS可以在這個間隔內(nèi)發(fā)送帶寬請求。對于任何一個分配的上行鏈路發(fā)送間隔，SS可以決定是用于發(fā)送數(shù)據(jù)或請求，也可以在數(shù)據(jù)中捎帶請求。此時，PDU的傳輸應(yīng)采用帶寬請求頭的格式。②InitialRangingIE:在UL-MAP消息中要提供一個發(fā)送間隔來允許新SS進(jìn)行初始測距，BS通過InitialRangingIE來指定一個間隔用于SS進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。在這個間隔發(fā)送的數(shù)據(jù)包應(yīng)使用初始測距請求管理消息(RNG-REQ)的格式，間隔的大小應(yīng)為最大傳輸時延加上RNG-REQ消息的傳輸時間。③DataGrantBurstTypeIE:該IE為SS提供發(fā)送一個或多個上行PDU的時間間隔。提供這些IE可以是響應(yīng)SS的帶寬請求，或者是基于一種管理的策略為一個特定的SS提供一定的帶寬，比如單播輪詢機(jī)制。④EndofmapIE:位于IE列表的最后，是所有IE結(jié)束的標(biāo)志，用于決定最后一個間隔的長度。⑤GapIE:表示上行鏈路傳輸結(jié)束，SS不應(yīng)該在該IE期間發(fā)送數(shù)據(jù)。（3）映射相關(guān)和同步不論是FDD還是TDD方式，DL-MAP總是用來指示本幀下行的開始，UL-MAP最小用于指示本幀上行的開始，最大用于指示下一幀上行的開始。

4.進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)和初始化SS的初始化整個過程可分為以下階段:

（1）SS首先要搜索可用信道，以獲取物理層的同步。一旦物理層達(dá)到同步，SS將搜索廣播消息以獲得上行信道和下行信道控制參數(shù)。（2）MAC層搜索DL一MAP消息以實現(xiàn)MAC層的同步。（3）初始測距。（4）完成測距后，SS發(fā)送SBC-REQ(SS基本功能請求)消息告知BS其支持的調(diào)制級別、編碼方案和速率等基本能力，BS根據(jù)自身能力選擇支持的部分并返回SBC-RSP(SS基本功能響應(yīng))消息響應(yīng)。（5）BS和SS之間進(jìn)行鑒權(quán)和密鑰交換。（6）成功鑒權(quán)后，將進(jìn)行注冊過程。（7）建立IP連接。（8）完成上述操作后，BS發(fā)送DSA-REQ(動態(tài)服務(wù)添加請求)消息為SS的預(yù)留服務(wù)流建立連接，SS則以DSA-RSP(動態(tài)服務(wù)添加響應(yīng))消息進(jìn)行響應(yīng)。

9.4.4MAC安全子層安全子層主要提供鑒權(quán)，密鑰交換以及加密功能。安全子層主要包括了兩個協(xié)議：數(shù)據(jù)加密封裝協(xié)議(EncapsulationProtocol)

和密鑰管理協(xié)議PKM(PrivacyKeyManagement)。數(shù)據(jù)加密封裝協(xié)議負(fù)責(zé)加密接入固定BWA網(wǎng)絡(luò)的分組數(shù)據(jù)，定義了加密和鑒權(quán)算法，以及這些算法在MACPDU分組數(shù)據(jù)中的應(yīng)用規(guī)則。加密只針對MACPDU中的負(fù)荷部分，MAC頭不被加密，MAC層中的所有管理信息在傳輸過程中也不被加密。PKM負(fù)責(zé)從BS到SS之間密鑰的安全分發(fā)、SS和BS之間密鑰數(shù)據(jù)的同步以及業(yè)務(wù)接入的鑒權(quán)。通過使用基于數(shù)字證書的認(rèn)證方式，進(jìn)一步加強(qiáng)了PKM的安全性能。PKM采用服務(wù)器/客戶機(jī)模型，SS作為客戶端來請求密鑰，BS作為服務(wù)器端響應(yīng)SS的請求并授權(quán)給SS唯一的密鑰。PKM支持周期性地重新授權(quán)及密鑰更新機(jī)制，PKM使用X.509數(shù)字證書（IETFRFC3280）、RSA（Rivest-Shamir-Adlemanpublic-keysystem）公鑰加密算法和強(qiáng)對稱算法進(jìn)行BS與SS之間的密鑰交換。通過使用基于數(shù)字證書的認(rèn)證方式，進(jìn)一步加強(qiáng)了PKM的安全性能。

9.5WiMAX技術(shù)與其他技術(shù)比較

9.5.1寬帶無線接入背景通信市場正在呈現(xiàn)出話音業(yè)務(wù)移動化，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)寬帶化的發(fā)展趨勢；無線化和寬帶化是電信網(wǎng)絡(luò)接入層發(fā)展的總趨勢；在以ITU和3GPP/3GPP2引領(lǐng)的蜂窩移動通信從3G到E3G，再走向B3G/4G的演進(jìn)道路上，3G、WiMAX、WIFI、LTE等各種無線技術(shù)競爭中互相借鑒和學(xué)習(xí)，技術(shù)不斷完善，網(wǎng)絡(luò)安全性實用性不斷增強(qiáng)。豐富的市場終端支持：支持WIFI、WIMAX的無線網(wǎng)絡(luò)的筆記本電腦，手機(jī)終端，移動MP3，移動電視等，整個產(chǎn)業(yè)鏈已逐漸成熟。

9.5.2無線寬帶接入技術(shù)WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMi-crowaveAccess）即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一個名字是802.16。WIFI(WirelessFidelity)即無線保真，目前可使用的標(biāo)準(zhǔn)有兩個，分別是IEEE802.11a和IEEE802.11b。3G（3rdGeneration）第三代移動通信，目前分為TD-SCDMA，WCDMA,CDMA2000三種。LTE（LongTermEvolution）長期演進(jìn)。LTE也被通俗的稱為3.9G，被視作從3G向4G演進(jìn)的主流技術(shù)。9.5.33G技術(shù)概述3G是英文3rdGeneration的縮寫，指第三代移動通信技術(shù)。國際電信聯(lián)盟(ITU)在2000年5月確定W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)，寫入3G技術(shù)指導(dǎo)性文件《2000年國際移動通訊計劃》(簡稱IMT-2000)。CDMA2000CDMA2000是由IS-95A/B標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)而來的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，由3GPP2負(fù)責(zé)具體標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前CDMA2000有由3GPP2制定的Release0、A、B、C和D五個支持CDMA20001X及其增強(qiáng)型技術(shù)的版本，以及由EIA/TIA發(fā)布的支持CDMA20001XEV-DO的IS-856和IS-856A標(biāo)準(zhǔn)。

CDMA20001xEV-DO定位于Internet的無線延伸，能以較少的網(wǎng)絡(luò)和頻譜資源（在1.25MHz標(biāo)準(zhǔn)載波中）支持平均速率為：靜止或慢速移動：1.03Mbps（無分集）和1.4Mbps（分集接收）。中高速移動：700Kbps（無分集）和1.03Mbps（分集接收）。其峰值速率可達(dá)2.4Mbps，而且在IS-856版本A中可支持高達(dá)3.1M的峰值速率。WCDMAWCDMA是一種由3GPP具體制定的，基于GSMMAP核心網(wǎng)，UTRAN（UMTS陸地?zé)o線接入網(wǎng)）為無線接口的第三代移動通信系統(tǒng)。目前WCDMA有Release99、Release4、Release5、Release6等版本。

WCDMA采用直接序列擴(kuò)頻碼分多址（DS-CDMA）、頻分雙工（FDD）方式，碼片速率為3.84Mcps，載波帶寬為5MHz?；赗elease99/Release4版本，可在5MHz的帶寬內(nèi)，提供最高384kbps的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。TD-SCDMATD-SCDMA(TimeDivision-SynchronizationCodeDivisionMultipleAccess)的中文含義為時分同步碼分多址接入。TD-SCDMA從2001年3月開始，正式寫入3GPP的Release4版本。目前TD-SCDMA已有Release4、Release5、Release6等版本。

TD-SCDMA采用不需成對頻率的TDD雙工模式以及FDMA/TDMA/CDMA相結(jié)合的多址接入方式，使用1.28Mcps的低碼片速率，擴(kuò)頻帶寬為1.6MHz。

3G各主流技術(shù)的比較項目WCDMACDMA2000TD-SCDMA核心網(wǎng)基于GSM-MAP基于ANSI-41基于GSM-MAP雙工方式FDDFDDTDD雙向信道帶寬（MHz）102.51.6碼片速率（Mcps）3.841.22881.28幀長（ms）10ms可變10ms（分兩個5ms子幀）基站同步異步（同步可選）同步同步功率控制（Hz）開環(huán)＋快速閉環(huán)1500開環(huán)＋快速閉環(huán)800開環(huán)＋慢速閉環(huán)200表9-63G三大技術(shù)比較3G主流技術(shù)的優(yōu)勢漫游能力：良好的全球漫游能力。目前全球大部分國家已經(jīng)開通3G網(wǎng)絡(luò)，其中80%運營商選擇WCDMA和20%運營商選擇CDMA2000。良好的全球漫游能力有利于與其他運營商的合作和吸引高端用戶。安全性：3G采用了很多種加密技術(shù)，保證通話和數(shù)據(jù)的安全，不管是話音還是數(shù)據(jù)都具備很強(qiáng)的保密性，通過多層的協(xié)議控制，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中可以非常安全的傳輸。

技術(shù)成熟度：3G于1996年提出標(biāo)準(zhǔn)，2000年完成包括上層協(xié)議在內(nèi)的完整標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。3G網(wǎng)絡(luò)部署已具備相當(dāng)?shù)膶嵺`經(jīng)驗，有一成套建網(wǎng)的理論，包括對網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)算，傳播模型預(yù)算，以及計算機(jī)仿真等。商業(yè)模式：商業(yè)運作模式成熟，3G網(wǎng)絡(luò)得到眾多設(shè)備商、終端制造商、內(nèi)容提供商支持，具備一個非常全的產(chǎn)業(yè)鏈。

3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展存在問題（1）資金投入大覆蓋范圍有限。大規(guī)模的3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要耗費巨資，而國外運營商由于種種原因沒有投入足夠的資金進(jìn)行全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。（2）3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的版本仍不斷演進(jìn)，由于害怕與以后新的標(biāo)準(zhǔn)在漫游和兼容性等方面出現(xiàn)問題，各大運營商仍在綜合評估以現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的合理規(guī)模。缺乏重量級應(yīng)用，市場需求并不明朗。（3）在3G業(yè)務(wù)對用戶沒有足夠吸引力的情況下，用戶更不愿意花高價購買3G終端，因此終端的補貼也成為各運營商的主要市場策略之一。除此之外，市場上可供用戶選擇的3G終端仍十分有限，而前景較好的3G類業(yè)務(wù)如視頻電話、網(wǎng)絡(luò)游戲等對終端的要求都很高，3G終端的完備性目前仍無法充分滿足這些要求。9.5.4WiMAX技術(shù)概述WiMAX全稱WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess(全球微波接入互操作性)是一項基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術(shù)，是針對微波和毫米波頻段提出的一種空中接口標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX系統(tǒng)主要有兩個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一個是指滿足固定寬帶無線接入的WiMAX802．16d標(biāo)準(zhǔn)，另一個是滿足固定和移動的寬帶無線接入技術(shù)WiMAX802．16e標(biāo)準(zhǔn)。作為線纜和xDSL的無線擴(kuò)展技術(shù)，802.16a規(guī)范于2003年1月29日被IEEE通過。這是一種全新的寬帶FWA技術(shù)，是為解決寬帶接入"最后一公里"的問題而設(shè)計的。在亞洲，目前xDSL是WiMAX在最后一公里接入市場主要的競爭對手，因此，通常也將WiMAX稱為無線DSL。WiMAX技術(shù)優(yōu)勢WiMAX具有以下技術(shù)優(yōu)勢:（1）實現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離。（2）提供更高速的寬帶接入。（3）提供優(yōu)良的最后一公里網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。（4）提供多媒體通信服務(wù)。WiMAX市場定位和發(fā)展瓶頸

802.16e的定位——按照802.16e設(shè)定的目標(biāo)，它是一種移動的寬帶無線接入技術(shù)，可以實現(xiàn)用戶在車速移動狀態(tài)下的寬帶接入并接入IP核心網(wǎng)，主要面向用戶提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，也可以提供語音業(yè)務(wù)。工作在2～6GHz，基站覆蓋范圍一般為幾公里，可采用FDD或FDD工作方式，核心技術(shù)為OFDM和OFDMA，用戶群主要為個人用戶。WiMAX理想的市場定位應(yīng)該是高速數(shù)據(jù)在固定、便攜和低速移動中的應(yīng)用。從技術(shù)的定位上講，WiMAX更適合用于城域網(wǎng)建設(shè)的“最后一公里”無線接入部分，尤其是對于新興的運營商更為合適。WiMAX技術(shù)分為固定和移動兩部分，因此運營商在市場定位上會面臨選擇：如果選擇提供固定寬帶接入，那么市場規(guī)模會比較有限；如果立足于移動業(yè)務(wù)，在運營模式、終端支持、組網(wǎng)方式方面都存在很多挑戰(zhàn)，同時也將面臨來自3G、E3G技術(shù)的競爭。標(biāo)準(zhǔn)制定方面,802.16e標(biāo)準(zhǔn)化工作正在進(jìn)行，除空中接口標(biāo)準(zhǔn)尚未完成以外，802.16還存在一個問題就是缺乏網(wǎng)絡(luò)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)體系不完善。802.16僅僅規(guī)范了基站和移動臺之間的空中接口，沒有規(guī)定基站和基站之間，基站和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的協(xié)議。在切換、移動性管理（尋呼）和終端狀態(tài)管理（激活和休眠的轉(zhuǎn)換）等與蜂窩組網(wǎng)有關(guān)的方面，還不夠成熟，需要進(jìn)一步完善。頻率方面,目前已經(jīng)認(rèn)可的是3.4～3.8GHz許可證頻率（ETSI，國際MMDS）和5.725～5.85GHz免許可證頻率。很多國家允許使用更高的頻率，將其當(dāng)作5GHz免許可證頻段的一部分，但由于其穿透力差，使用這些頻率的WiMAX系統(tǒng)不可能和LTE競爭。9.5.5WiFi技術(shù)概述WiFi的全稱是WirelessFidelity，無線保真技術(shù)。與藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術(shù)。其目前可使用的標(biāo)準(zhǔn)有兩個，分別是IEEE802.11a和IEEE802.11b。802.11b采用2.4GHz的頻段，可支持11Mbps的共享接入速率；802.11a采用5GHz的頻段，其速率高達(dá)54Mbps；正在等待批準(zhǔn)的IEEE802.11n，其速率高達(dá)300Mbps，目前部分廠商已經(jīng)投入市場應(yīng)用。802.11g其實是一種混合標(biāo)準(zhǔn)，既能適應(yīng)802.11b標(biāo)準(zhǔn)，又符合802.11a標(biāo)準(zhǔn)，其速率高達(dá)54Mbps，它比802.11b速率快5倍，并和802.11b兼容。正在等待批準(zhǔn)的IEEE802.11n，其速率高達(dá)300Mbps，目前部分廠商已經(jīng)投入市場應(yīng)用。WiFi技術(shù)優(yōu)勢

WiFi技術(shù)具有以下優(yōu)勢：（1）WiFi是由AP(AccessPoint)和無線網(wǎng)卡組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)簡單，可以不受布線條件的限制，因此非常適合移動辦公用戶的需要。（2）應(yīng)用靈活，能靈活勝任只有幾個用戶的小型網(wǎng)絡(luò)到上千用戶的大型網(wǎng)絡(luò)。（3）豐富的終端支持，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，廠商進(jìn)入該領(lǐng)域的門檻比較低。WIFI組網(wǎng)的成本低廉。（4）提供漫游服務(wù)，能提供有線網(wǎng)絡(luò)無法提供的漫游特性，方便用戶使用。WiFi市場定位和發(fā)展瓶頸制約WiFi技術(shù)發(fā)展有以下幾個方面：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率有限。雖然WiFi技術(shù)最高數(shù)據(jù)傳輸速率標(biāo)稱可達(dá)11～54Mbit/s，但系統(tǒng)開銷會使應(yīng)用層速率減少50%左右。（2）無線電波間存在相互影響的現(xiàn)象，特別是同頻段、同技術(shù)設(shè)備之間將存在明顯影響。在多運營商環(huán)境中，不同AP(AccessPoint)間的頻率干擾會使數(shù)據(jù)傳輸速率明顯降低，在有三個運營商同時運營的環(huán)境中不能實現(xiàn)多用戶的同時高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。（3）無線電波在傳播中根據(jù)障礙物不同將發(fā)生折射、反射、衍射、信號無法穿透等情況，其質(zhì)量和信號的穩(wěn)定性都不如有線接入方式。（4）WiFi實現(xiàn)規(guī)模覆蓋的最大的缺陷在于需要密集的有線傳輸資源。3G/WiMAX基站的覆蓋范圍比WiFiAP覆蓋范圍大數(shù)十到上百倍。（5）WiFi技術(shù)本身不支持移動性，即便IEEE802.11s可能會對WiFiMESH的移動性進(jìn)行增強(qiáng)，最多也只能支持步行的移動速度。而3G和WiMAX都支持120km/h以上的移動性。（6）WiFi空中接口沒有QoS保障機(jī)制，只支持BestEffort業(yè)務(wù)，適用于WEB瀏覽、FTP下載以及收發(fā)Email等；語音通信、視頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的QoS很難得到保障。9.5.6LTE技術(shù)簡介3GPP組織于2004年12月正式成立了LTE（LongTermEvolution）研究項目。LTE的制定出發(fā)點是保證3GPP未來十年的競爭力，從性能、功能、成本上得到全面提升。相對于3GPPR6