[信息与通信]WiMAX技术交流_zk.ppt

无线二所 张科 吕晓峰,802.16标准空中接口规范、协议参考模型 及网络构架,,802.16宽带无线接入技术,三、802.16e版本的协议模型，空中接口规范,二、 802.16d版本的协议模型，空中接口规范,四、网络架构、应用场景及升级演进,总体目录,一、802.16系列标准介绍,,802.16宽带无线接入技术,802.16系列标准介绍,IEEE802无线标准系列,802.16标准系列,一、,1.,2.,,802.16宽带无线接入技术,IEEE802无线标准系列,IEEE802 标准委员会已发布或正在制定的无线标准系列有： 802.11x, 802.15x, 802.16x, 802.20x,,802.16宽带无线接入技术,IEEE802无线标准系列,,802.16宽带无线接入技术,802.16标准系列,,802.16宽带无线接入技术,三、802.16e版本的协议模型，空中接口规范,二、 802.16d版本的协议模型，空中接口规范,四、网络架构、应用场景及升级演进,总体目录,一、802.16系列标准介绍,,802.16宽带无线接入技术,802.16d标准的协议模型，空中接口规范,802.16d标准的协议模型,802.16d标准的物理层,二、,1.,2.,3.,802.16d标准的MAC层,,802.16宽带无线接入技术,2.1 802.16d标准的协议模型,,802.16宽带无线接入技术,2.1 802.16d标准的协议模型,,802.16宽带无线接入技术,2.2 802.16d标准-固定无线接入技术的空中接口规范,空中接口是指基站（BS）和用户站（SS）之间的接口。 空中接口协议由数据控制平面和管理平面组成，802.16标准仅规范数据控制平面。 数据控制平面由物理层（PHY）和媒质接入控制层（MAC）组成。,,802.16宽带无线接入技术,2.2 802.16d标准的空中规范物理层,,802.16宽带无线接入技术,2.2 802.16d标准的空中规范物理层特性,OFDM物理层支持基于帧的传输。一帧包含一个下行子帧和一个上行子帧。 下行子帧仅由一个下行物理层 PDU组成。 上行子帧由用于初始测距和带宽请求的竞争时隙和一个或者多个由不同的SS发射的上行物理层 PDU组成；,,802.16宽带无线接入技术,2.2 802.16d标准的空中规范物理层特性,802.16d OFDM物理层采用256个子载波，OFDMA物理层采用2048个子载波，信号带宽从1.2520MHz可变。 在多址方式方面，802.16d在上行采用TDMA(时分多址)，下行采用TDM(时分复用)支持多用户传输。另一种多址方式是OFDMA，以2048个子载波的情况为例，系统将所有可用的子载波分为32个子信道，每个子信道包含若干子载波。多用户多址采用和跳频类似的方式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时域单位为2或3个符号周期。,,802.16宽带无线接入技术,2.2 802.16d标准的空中规范物理层特性,在双工方式方面，802.16d支持FDD和TDD两种方式，其物理层技术基本相同。 802.16d在5MHz频带上可以实现约15Mbit/s的速率，频谱效率为3bit/s/Hz，与HSDPA相似。但802.16d在固定或低速环境下可以使用更大带宽(20MHz)，实现高达75Mbit/s的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。这充分体现出OFDM技术在使用更宽频带方面的优势。 在调制技术方面，802.16d支持的最高阶调制方式为64QAM，相对于蜂窝移动通信系统(3GPP HSDPA最高支持16QAM)，802.16d更强调在信道条件较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求，802.16d选用了块Turbo码、卷积Turbo码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码，同时也考虑使用低复杂度、低延时的LDPC码。,,802.16宽带无线接入技术,2.3 802.16d标准的空中规范MAC层特性,,802.16宽带无线接入技术,2.3 802.16d标准的空中规范MAC层特性,MAC层是面向连接的，把业务映射到SS上并和不同等级的QoS关联。当一个SS被安装到系统中时，就可以提供业务流。当SS完成注册，连接就与业务流关联（一条业务流对应一条连接）来提供请求的带宽保证。当用户服务需求改变时，可能会建立新的连接。 一个连接不仅定义了与汇聚层的映射，还定义了业务流，而业务流定义了在这个连接上传输的PDU的QoS参数。业务流提供了一种上下行链路的QoS管理机制。 MAC层包括三个子层: 特定服务汇聚子层（Service-Specific Convergence Sublayer) MAC公共子层（MAC Common Part Sublayer），简称CPS子层。 安全子层（Security Sublayer）。,,802.16宽带无线接入技术,2.3 802.16d标准的空中规范MAC层特性,MAC特定服务汇聚子层（Service-Specific Convergence Sublayer)，简称CS子层。 CS子层主要负责完成外部网络数据与CPS子层数据之间的映射。它将所有从汇聚层服务接入点(CS SAP)接收到的外部网络数据转化并且映射成MAC SDU，并通过MAC服务接入点（MAC SAP）发送给CPS子层。在这个过程中，CS子层对外部网络数据进行分类，并将其与合适的MAC 业务流标识SFID以及连接标识CID进行关联，同时还执行负荷头压缩功能PHS。 标准中定义了两种CS子层规范，以便与不同的上层协议进行接口，包括ATM CS子层及Packet CS子层。,,802.16宽带无线接入技术,2.3 802.16d标准的空中规范MAC层特性,MAC公共子层（MAC Common Part Sublayer），简称CPS子层 CPS子层提供了MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和维护等。 CPS子层通过MAC SAP从不同的CS子层接收数据，形成MAC SDU。MAC SDU可以被拆分，也可以与其他一个或数个MAC SDU合并为一个新的MAC PDU，并按MAC连接分类，以保证QoS。,,802.16宽带无线接入技术,2.3 802.16d标准的空中规范MAC层特性,安全子层 MAC层包含一个单独可选的安全子层来提供认证，密钥交换及加密。 802.16通过加密SS和BS之间的连接给用户提供秘密接入固定宽带无线网络的能力，此外BS通过加密相关的业务流禁止未经授权的访问，还给运营商提供强大的防盗用功能。,,802.16宽带无线接入技术,三、802.16e版本的协议模型，空中接口规范,二、 802.16d版本的协议模型，空中接口规范,四、网络架构、应用场景及升级演进,总体目录,一、802.16系列标准介绍,,802.16宽带无线接入技术,802.16e标准的协议模型，空中接口规范,802.16e标准的协议模型,802.16e标准的物理层,三、,1.,2.,3.,802.16e标准的MAC层,,802.16宽带无线接入技术,3.1 802.16e标准-支持移动特性的空中接口规范,,802.16宽带无线接入技术,3.1 802.16e标准的协议模型,,802.16宽带无线接入技术,3.2 802.16e标准的空中规范物理层,,802.16宽带无线接入技术,3.2 802.16e标准的空中规范物理层特性,2.2.1 802.16e定义的帧结构和子信道化,2.2.2 802.16e定义的调制与编码,支持QPSK、16QAM和64 QAM调制，以及FEC，包括卷积编码（CC）、卷积Turbo码（CTC）和分组Turbo码（BTC）。LDPC编码方式也被提交用于OFDMA物理层。,支持以下类型的自适应天线系统，为实现灵活部署提供大容量 和更好的链路预算。 分集信令方法（Diversity Signaling method ） 直接信令方法 (Direct Signaling method) 此外，规范还支持MIMO和空时编码。,2.2.2 802.16e定义的自适应天线系统支持,,802.16宽带无线接入技术,3.3 802.16e标准的空中规范MAC层特性,,802.16宽带无线接入技术,3.3 802.16e标准的空中规范MAC层特性,CS汇聚子层 把面向连接的公共部分服务（MAC服务）映射成标准类型的服务。 这里有两种主要的CS类型：ATM CS和分组（Packet）CS。 MAC公共部分子层 MAC公共部分子层在不可靠的物理层MPDU传输之上提供了可靠的、面向连接的、有服务质量保证的分组数据业务传输。,,802.16宽带无线接入技术,3.3 802.16e标准的空中规范MAC层特性,MAC公共部分子层 网络接入（Network Entry） 连接的建立和维护 移动性支持 连接支持 调度和服务质量保证(QoS),,802.16宽带无线接入技术,3.3 802.16e标准的空中规范MAC层特性,移动性支持 802.16e标准规定了一种必选的切换模式。在协议中简称为HO，就是通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选的切换模式：MDHO（宏分集切换）和FBSS（快速BS切换）。 HO的流程如图所示。,,802.16宽带无线接入技术,3.3 802.16e标准的空中规范MAC层特性,不同QoS要求的业务类型,,802.16宽带无线接入技术,3.3 802.16e标准的空中规范MAC层特性,安全子层 安全子层提供了链路加密，身份验证和数据完整性保护。它也可以进行用户授权来控制网络的接入以防止服务的冒用。链路加密使用与IEEE 802.11i相同的128bits AES-CCM算法来提供数据加密，身份认证和完整性保护。,,802.16宽带无线接入技术,小结 802.16e与802.16d的比较,,802.16宽带无线接入技术,三、802.16e版本的协议模型，空中接口规范,二、 802.16d版本的空中接口规范,四、网络架构、应用场景及升级演进,总体目录,一、802.16系列标准介绍,,802.16宽带无线接入技术,网络架构、应用场景及升级演进,802.16标准的网络架构,802.16标准的应用场景,四、,1.,2.,3.,802.16标准的升级演进,,802.16宽带无线接入技术,4.1 802.16网络架构,,802.16宽带无线接入技术,4.1 802.16网络架构,,802.16宽带无线接入技术,4.1 802.16网络架构,,802.16宽带无线接入技术,4.1 802.16网络架构,ASN的功能：,ASN功能是管理IEEE 802.16空中接口，为WiMAX用户提供无线接入。主要功能包括如下： 发现网络，选择CSN/NSP（根据策略限制，选择某个基站，获得无线接入服务）； 在基站和MSS之间建立层2连接； 在Proxy Mobile IP（PMIP）模式下，将AAA控制消息传递给用户的归属NSP，协助完成鉴权、业务授权和计费； 协助高层与MSS建立层3连接，分配IP地址； 无线资源管理； 根据分级结构进行ASN内移动性管理，包括所有类型的切换； ASN内寻呼和位置管理； ASN和CSN之间隧道建立和管理； 存储临时用户信息列表，类似与3G网络中VLR的功能。,,802.16宽带无线接入技术,4.1 802.16网络架构,ASN参考模型,,802.16宽带无线接入技术,4.1 802.16网络架构,ASN-GW的功能,ASN间位置管理和寻呼； 在线无线负载均衡，用于决定切换，以及离线无线统计，用于网络优化； ASN临时用户信息列表和加密密钥，类似VLR的功能 鉴权密钥产生和分发； 在PMIP方式下，作为AAA客户/代理，向选定的CSN AAA发送Radius或Diameter消息； 和BS协作，建立和管理移动隧道； 会话/移动性管理（客户端）； QoS和策略执行； MIP下的外部代理（FA），路由到选定的CSN。,,802.16宽带无线接入技术,4.1 802.16网络架构,ASN-GW功能分解,可由两组功能实体组成：控制点（DP）和执行点（EP），控制点包含承载平面的功能，执行点包含非承载平面的功能，例如无线资源管理等。,,802.16宽带无线接入技术,4.1 802.16网络架构,CSN的功能,CSN为用户提供IP连接。CSN可以由路由器、AAA代理或服务器、用户数据库、Internet 网关设备等组成，CSN可以作为全新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。 为用户会话连接，给终端分配IP地址； Internet接入； AAA代理或者服务器； 基于用户系统参数的QoS以及许可控制； ASN和CSN之间的隧道建立和管理； 用户计费以及结算； ASN之间的移动性管理； WiMAX 服务，例如基于位置的服务、点对点服务、多播组播服务、IMS 和紧急呼叫等。,,802.16宽带无线接入技术,4.2 802.16各版本标准的应用场景,802.16d提供固定和游牧的业务， 802.16e除了提供前两种业务外，还 提供便携、简单移 动和全移动业务。,,802.16宽带无线接入技术,4.2 802.16各版本标准的应用场景,,802.16宽带无线接入技术,4.2 802.16e版本支持移动特性,,802.16宽带无线接入技术,4.2 802.16一些典型应用模式（1）PMP应用模式,PMP应用模式以基站（BS）为核心，采用点到多点的连接方式，构建星形结构的WiMAX接入网络。 基站（BS）扮演业务接入点（SAP，ServiceAccessPoint）的角色，通过动态带宽分配技术，基站（BS）可以根据覆盖区用户的情况，灵活选用定向天线、全向天线以及多扇区技术满足大量的用户站（SS，SubscriberStation）设备接入核心网的需求。 必要时，可以通过中继站（RS，RepeatStation）扩大无线覆盖范围。还可以根据用户群数量的变化，灵活划分信道带宽，对网络扩容，实现效益与成本的协调。,PMP应用模式是一种常用的接入网应用形式，其特点在于网络结构简洁， 应用模式与xDSL等线缆接入形式相似，因此，是一种线缆替代的理想选用方案。,,802.16宽带无线接入技术,4.2 802.16一些典型应用模式（2）Mesh应用模式,Mesh应用模式采用多个基站（BS）以网状网方式扩大无线覆盖区。 其中，有一个基站作为业务接入点（SAP）与核心网相连，其余基站（BS）以无线链路与该SAP相连。 因此，作为SAP的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点，而其余基站并非简单的中继站（RS）功能，而是业务的接入点。,Mesh应用模式的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸。 对于市郊等远离骨干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围，其规摸取决于基站半径、覆盖区大小等因素。,,802.16宽带无线接入技术,4.3 802.16一些典型应用模式（3）热点回传,热点回传（backhaul）模式采用WiMAX无线接入网络把远端WiFi热点Hotspot业务回送到核心网， WiMAX基站（BS）的作用仍为业务接入点（SAP），而WiMAX用户站（SS）是热点侧的无线接入设备，提供标准接口与热点相连，作为WLAN接入点（AP，AccessPoint）的热点设备再通过IEEE802.11a/b/g无线链路与无线终端连接。 WiMAX接入网络可根据实际情况灵活采用PMP或Mesh结构形式。对于移动运营商也可以采用该应用模式，把各小区移动基站业务回传到移动交换中心。,WiMAX热点回传模式的主要特点在于作为业务回传应用，采用无线传输方式 与传统有线回传模式相比，其特点显而易见，可作为传统回传模式的补充或替代方案。,,802.16宽带无线接入技术,4.3 802.16一些典型应用模式（4）驻地网接入模式,驻地网接入模式主要针对集团用户，其目标是把诸如企业、校园和SOHO（Smalloffice Home Office）等用户驻地网通过WiMAX接入城域网。 与其他应用模式相同，基站（BS）还是作为SAP与核心网相连提供无线接入服务。在用户侧，用户无线接入设备SS，其一侧通过无线接口上联基站（BS），另一侧通过标准接口（例如以太网接口、E1等）与用户驻地网CPN设备相连。一般用户站（SS）采用定向天线，以及各种自适应技术，灵活调整工作方式，保证用户的正常接入。,用户侧驻地网CPN设备可以是用户路由器、交换机、集线器等网络设备，甚至可以是另一种无线接入点（例如WiFi热点），用于组成用户专用局域网，其典型实例是目前广泛存在的校园网、企业网、政府网或SOHO等形式。 驻地网接入模式特别适合于线缆接入不方便，对接入带宽要求不高的驻地间接入应用。与线缆接入方式相比，部署快捷是该模式的竞争优势。,,802.16宽带无线接入技术,4.2 802.16一些典型应用模式（5）无线桥接模式,采用WiMAX无线桥接方式，可以避免困难的专线铺设或缴纳昂贵的线缆租金，并能迅速开通使用，连接距离远，连接带宽完全能满足一般应用需要。在用户专网建设方面，比有线桥接方式更具竞争力。,无线桥接模式是一种点到点无线链接方式，与远程网桥的作用相似. 其目的是把地理位置分离的两个子网络通过WiMAX无线链路连接在一起。由于无线桥接采用点对点方式，两端WiMAX无线网桥设备天线的方向可以彼此对准固定，因此传输性能相对稳定，部署也相对简单。,,802.16宽带无线接入技术,4.2 802.16一些典型应用模式（6）终端接入模式,在终端接入模式下，用户终端设备（TE，Terminal Equipment）直接通过作为SAP的WiMAX基站（BS）接入核心网。而用户终端设备（TE）若要直接接入WiMAX网络，则必须配置符合WiMAX标准的用户单元（SU，Subscriber Unit），用户单元（SU）一般是WiMAX无线网卡或无线模块形式。 由于WiMAX接入速率很高，而且支持城域内终端设备的移动性（对于即将颁布的IEEE 802.16e），因此特别适合于接入速率要求高并且有移动性要求的终端应用。,该模式的特点在于允许用户终端直接高速接入网络，并支持便携式终端在城域范围内的移动和漫游。从技术和业务的角度看，只要再增加支持VoIP语音业务功能，就可成为名副其实的下一代移动通信网络。,,802.16宽带无线接入技术,802.16d 利用802.16d系统为3G蜂窝基站提供回程（backhaul）流量传输。 无线回程的组网模式主要是以点对点或者点对多点为主，在偏远地区铺设3G基站时可以利用802.16d系统作点对点的回程连接，在城市热点地区，也可以利用802.16d 点对多点网络对蜂窝系统的回程网络进行扩容或着备份。 802.16e 802.16e和3G通过IP分组交换的联合组网可以有两种方式：紧偶合和松偶合。 紧偶合组网是将802.16e系统直接接入3G的核心网，利用3G的核心网中的分组交换域提供WiMAX的核心网路由和管理。 在这种组网模式中，802.16e系统作为3G的无线宽带数据业务的一种补充，利用802.16e无线接入系统容量大、频谱效率高的优势，为3G网络在城域的热点地区提供价格更为低廉的无线宽带服务。 在紧偶合的组网模式中，802.16e无线接入网由3G的移动网络运营商直接管理。,4.2 WiMAX与3G联合组网：,,802.16宽带无线接入技术,松偶合 组网是指将支持便携式应用和移动应用的802.16e城域网络与3G移动网络通过公共的I