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w j m a x 测试方法的研究与实现 w i m a x 测试方法的研究与实现 摘要 宽带无线接入技术发展很快，方式很多，i e 旺8 0 2 1 6 是一种宽带无线接入方式， 主要应用于城域范围，可应用于话音、阻像、视频及数据等的传输，也是家庭等“最 后一英里”接入方式手段之一并具有诸多优点。正e e8 0 2 1 6 标准是i e e e8 0 2 委 员会专门为宽带无线接入制定的标准，它定义了w i e l e s sm a n 空中接口规范，其 中包括物理层( p h y ) 和媒体接入控制层( m a c ) 的规范。w i m a x 是w b d d h l c f o p c r a b j l i l yf o rm i c r o w a v ea c o e 鼹( 全球微波接入互操作性) 的简称，它基于 i e e e8 0 2 1 6 标准，其初衷是提供在城域网多厂商环境下，点对多点的宽带无线 援入，因此w i m a x 办常被称为i 髓e w i r c l e s s m a n ( m e 扛o p o l i t a n a f c a n e 锕o r k ) 。 本文主要介绍w i m a x 的相关技术及其测试，并针对w i m a x 等宽带无线接 入系统在应用中的测试问题展歼讨论。 首先，本文对i e e e 8 0 2 1 6 协议的体系结构进行了较为详细地介绍和分析，包 括主要特点、协议模型、空中接口规范物理层、m a c 层以及主要应用。对w i m 强 认证研究及w i m a x 测试环境搭建中的测试依据、测试配置作了详细介绍。然后， 针对8 0 2 1 6 d 协议的提出了相应的物理层测试方案。 8 0 2 1 6 d 协议是基于固定网络的，而8 0 2 1 6 c 协议是支持移动性的。因此外 场测试对检验基于8 0 2 1 6 c 协议的w i m a x 设备尤为重要。本文最后提出了一种 外场测试方案，能够较为准确的反映基于8 0 2 。1 6 e 协议的w i m a x 设备关键技术 的性能指标，如链路的自适应性、抗干扰性、支持高速移动性能、切换等等。文 中对测试时的系统配黄、测试平台的构建都作了详细的分析。而实际的测试也证 明该方案是可行的。 关键词：宽带无线接入w i m a xo f i ) mo f d m a8 0 2 1 6 路测 2 w i m a x 测试方法的研究与实现 r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o nf o rt e s t i n g m e t h o d st ow i m a x a b s r r a ? i 。 w i d eb a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o i o g yd e v e l o p e d v e r yf a s ta n dh a dm a n yt y p e s i i lt h i sp a p e r ，卸o t h e rt y p eo fw i d eb a i l dw i r c l e s sa c c e s sm o d e ，i e e e 8 0 2 16 ，w a s i n t r o d u c c d nm a i m ya p p l i e d 王na r c ao fm e t f 叩o l i sa n dc a nb cl r a n s m i t t e dv o i c c s ， i m a g e s ，v i d e o s ，d a t aa n ds oo n ，i ta l s oi so n eo fa c c c 路t y p e so f “t h el a s to n em i l e ”柚d i l a sm a n ya d v 锄t a g e s t h el e e e8 0 2w o f k j n gg m u pe s 诅b l i s h c st h ei e e e8 0 2 1 6 s p c c i 氍c a l i o nf o rb r o a 曲a n dw i r e l c s sa c c c s s nd e f i n c st h ew i 诧l e 豁m a na i ri n t e 血c c s p c c i f i c a t i o n ，i n d u d i n gt h ep h y 柚dt h cm a cs p c c 砸c a t i o n w i m a xi sw o r i d i n t e t 0 p e r a b i l i t yf o rm i c r o w “e 觚e s s ( g 1 0 b a lh t e m p e r a b i l i t yo fm i c r o w a v ea c c e s s ) c a l k d ，w h i c hi sb a s e do ni 髓e8 0 2 1 6s t a n d a f d s i t ，so r i 舀n a ip u r p o s ew 舔t op m v i d e am u l t iv e n d o re n v i r o n m e n tm a n ，p o i n t t o m u l t j p o i n tb m a d b 她dw i 心l e 鸽a c c e 鲻i ti s a l o r e nc a l l e dw i m a xi e e ew i r c l e s sm a n ( m e 仃o p o i i t a l la r e an e t w o r k ) 1 i lt h ep a p c t h et c c i i i i i q u ca n dt h et c s t j n gf b rw i m a xw e f ci n t r o d u c c d ，i n a d d i t i o n ，s o m ep m b l e m so fw i m a xa p p i i c a t i o n sw e l ed i s m s s e d f i r s t ，i e e e 8 0 2 1 6w 硒i n t 删u c c d 柚d 锄a l y z c dq u i t ed e t a i l e d ，i n d u d e d e i e m e n t a r yc h a r a m e r i s t i c p r o t o o o lm o d e l ，p h y s i c a ll a y e r m a cl a y 盯a n dp d m 盯y 印p l i c a t i o n s e c o n d ，i n t m d u c ct h et c s tt c s ts p e c i f i c a t i o 璐f o rm ep h yl a y e ri nt h e i e e e8 0 2 1 6 d i e e e 舳2 1 6 ds t a n d a r d si sf o rf j x e dn e t o r ka n d8 0 2 1 6 cs t a n 血- d ss u p p o nt h e m o b i l em o b i l i t y 1 1 i i sp 印c r n c l u d 髂af i l e dt c s ts p c c 砸c a t i o n s ，w i i i c hc a l lm o r e 蝴l r a t e l yr c f l e c tt h ek c yp c r f 0 咖a n c ci n d i c a t o r sb 雒c d t l i e8 0 2 1 6 e ，s u c h 勰t h e l i n ka d a p t i v ei n t e r f e r e n c c ，s u p p o nh j g l l - s p e e dm o b i l ep e r f b 唧卸c c ，刚i t c h i n g 柚d 彻劬dt h er e a lt c s ta l p m v 髂t h ep m 铲锄i sf c a s i b l c k e yw o r d s ：w i d eb a n dw i r e l e s sa c c e s sw i m a xo f d m o f d 【a8 0 2 1 6f i e l d1 e s t 3 w i m a x 测试方法的研究与实现 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：塑翅 日期：羔竺2111 区 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：塑塾f 1 期：鬯z ! ! 导师签名：足星丝主日期：兰! z 三： 、i m a x 测试方法的研究与实现 第一章绪论 本章主要介绍论文研究背景。我首先讨论了宽带无线城域网及其发展展现 状，接下来对w i m a x 及8 0 2 1 6 协议进行了论述，最后对本论文体系结构进行了 介绍。 1 1 宽带无线城域网及其发展现状 城域网的概念是由计算机网络演化而来的，是以比局域网更高的速率在城市 及郊区范围内实现信息传输与交换的一种网络。其可在较广泛的地域内高速有效 地传输数据、声音、图像、视频等，为用户提供包括多媒体服务在内的多种服务， 满足人们对数据无线高速传输的需求。宽带城域网( b m a n ) 利用光纤的巨大带 宽资源和以太网等技术的成熟易用性，以i p 和衄m 电信技术为基础，通过各 类网关形成同城中的开放网络平台，可提供话音、数据、图像、多媒体、m 接 入等业务，以及如电子商务，智能社区服务、呼叫中心、i d c 等各种增值和智 能业务，从而成为一种业务综合的新一代网络解决方案。目前，城域网建设己在 我国迅速展开，b m a n 也已进入建设实施阶段。其无线接入技术是指从公用电 信网的交换节点到用户驻地网或用户终端之间采用无线接入方式向用户提供电 话、数据、h l t e m e t 、v o d ( 视频点播) 、广播视频和电视会议等宽带多媒体业 务的技术。 随着局域网和i i l t c m e t 的快速发展，人们对通信业务的接入能力及服务水平 提出了更高的要求。宽带通信业务和多媒体通信业务的发展使得在一个接入平台 上能够综合各种接入技术显得越来越重要。目前宽带用户接入技术主要有数字用 户环路( x d s l ) 、光纤接入方式、同轴电缆( h f c ) 和宽带无线接入网等手段。 光纤接入网的解决方案很理想，但实现起来成本较高，且不易铺设。无线接入网 是有线网的必要补充，不仅可以满足移动、重定位、特殊网络应用的要求，还能 覆盖有线网络难以达到的范围。其中，宽带无线接入系统凭借其建设速度快、运 营成本低、扩展能力强，灵活性高等特点，受到运营商的普遍青睐，宽带固定无 线接入系统将是未来通信市场发展的一个发展热点。 1 2w i m a x 及8 0 2 1 6 协议发展历程 1 2 1w i m a x 简介 w i m a x 是w b d di n t c f o p c r a b i l i t yf o rm i c - a w a v ea c c 铭s ( 全球微波接入互操作 性) 的简称，它基于m e e8 0 2 1 6 标准，其初衷是提供在城域网多厂商环境下， w i m a x 测试方法的研究与实现 点对多点的宽带无线接入，因此w i m a x 办常被称为l e e ew i r c l e s sm a n ( m e t r o p o i i t a n e a n e 似o f k ) 。该技术涉及到两个国际组织的工作：i e e e 8 0 2 标 准委员会8 0 2 1 6 工作组和w i m a x 论坛。i e e e8 0 2 1 6 工作组是标准的制定者； w i m a x 论坛是i e e e8 0 2 1 6 技术的推广者。 w i m a x 论坛的目的就是为了促进点对多点无线网络在全球的丌展，旨在 通过建立全球统一的设备和技术标准以及实现不同技术和设备之白j 的互通性、兼 容性，推动2 5 g h z 6 6 g h z 频段的宽带固定无线接入技术在全球的推广。通过 w i m a x 认证的产品会拥有“w i m a x c e r t i f i e d ”标识。 w i m a x 论坛的主要工作内容有：参照8 0 2 1 6 一致性测试规范，制定系统 文件和一致性陈述( p i c s ) 形式文件，测试整体架构和测试目的技术规范，及参照 i s o i e c 9 6 4 6 系列( 等价于u t x 2 9 0 系列) 等有关一致性测试标准制定抽象 测试整体规范。系统文件的作用是在实际系统的开发中，制定空中接口的m a c 和p h y 层必选和可选的特征，必选特征有利于实际产品之间的互相兼容，而可 选特征有利于产品的特色和差异化。 w i m a x 论坛陆续成立了认证工作组( c w g ) 、技术工作组g ) 、频谱工作 组( r w g ) 、市场工作组( m w g ) 、需求工作组( s p w g ) 、网络工作组( n w g ) 和应用 研究工作组( a w g ) 。下面简单介绍一下各工作组的职责。 ( 1 ) 认证工作组( c w g ) 该工作组主要工作目标是：管理认证过程，包括一致性测试规程、互操作规 程以及认证的流程，同时还负责认证实验室的建立以及质量监控。 ( 2 ) 技术工作组仃w g ) 技术工作组主要的工作目标是：建立和维护基于国际标准的一致性和互操作 的规范，同时为系统定义技术规范需求。 ( 3 ) 频谱工作组( r w g ) 频谱工作组的主要目标是：寻找和确定适用于w i m a x 产品的许可频段，鼓 励使用全球统一的频率带宽以最大限度利用频率资源同时降低产品的制造成本。 ( 4 ) 市场工作组( m w g ) 市场工作组主要的工作是：推动w i m a xf o m m 发展，建立世界级的宽带无 线接入一致性和互联互通标准，确定w i m a x 产品的市场定位，以推动宽带无线 接入市场的发展。 ( 5 ) 需求工作组( s p w g ) 需求工作组的工作目标是：为宽带无线接入系统定义系统需求，以保证产品 满足当前和未来市场发展的需要。 ( 6 ) 网络工作组( n w g ) 2 w i m a x 测试方法的研究与实现 网络工作组的工作范围主要集中在：砸e e8 0 2 1 6 以及核心网之外的网络单 元、功能实体、消息和协议的制定，对于现有的标准没有定义和涉及到的部分进 行明确的定义和描述。 ( 7 ) 应用研究工作组( a w g ) 应用工作组主要的工作集中在：通过各种手段，例如业务的概念试验、产品 的试验局等推广w i m a x 产品的使用；通过挖掘w i m a x 产品的“杀手级”应用， 推动宽带无线接入用户和市场的发展，同时为产品的研制提供指导。 w i m a x 的相关测试规范是技术工作组g ) 制定的，而认证工作组( c w g ) 具体操作认证测试的管理工作。 1 2 28 0 2 1 6 协议发展历程 1 9 9 9 年，正e e 成立了正e e8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带固定无线接入技 术规范，目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。m e e8 0 2 1 6 工作 组的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展。 i e e e 踟2 1 6 工作组于2 0 0 2 年4 月8 同正式发布了正e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准， 为宽带无线接入( b w a ) 定义了无线城域网( w m a n ) 的空中接口规范，它标志着宽 带无线接入将作为一个新的主要途径，把各商业机构和家庭接入全球电信核心 网。 i e e e8 0 2 1 6 标准被设计为能逐渐发展，具有公共媒体访问控制( m a c ) 层的 一组空中接口，但物理层规范取决于使用频谱和相应的法规。m e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 工作在1 0 6 6g h z 频段，由于这个频段对于像建筑物和树这样的障碍物无穿透 能力，故要求基站和用户站是视距( l o s ) 链路，从而限制了基站的覆盖范围。同 时由于用户站天线的安装要求很高，并且系统受雨衰影响较大，一定程度上阻碍 了市场的发展。 一个b w a 系统能否在市场上取得成功，主要取决于系统的服务质量和价格。 运营商应该保证在设定的服务区域内，绝大多数用户都能够得到服务，应该避免 相邻的两户人家其中一户可以得到服务而另一户得不到服务的现象，还应避免由 于传输条件和干扰的变化而造成服务时好时坏的现象。另外就价格方面来说，一 方面用户的终端应该比较便宜；另一方面，用户终端的安装要求简单，用户可以 自己安装，甚至可以安装在室内。这就要求基站和用户站之间为非视距传输 ( n l 0 s ) ，需要采用新的物理传输技术。 i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 3 年4 月颁布了m e e8 0 2 1 6 a ，该标准支持的工作 频段为2 1 1g h z ，包括了需要发放牌照频段和免牌照的频段。与高频段相比， 该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖，系统受雨衰影响不大，系统可以在 w i m a x 测试方法的研究与实现 非视距传输环境下运行，大大降低了用户站安装的要求。另外，i e e e8 0 2 1 6 a 的 m a c 层提供服务质量( q o s ) 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务，增加了 对网格拓扑结构网络的支持，能适应各种物理层环境。这些特点使得i e e e 8 0 2 1 6 a 与i e e e8 0 2 1 6 相比更具有市场应用价值，真正成为可用于城域网的无 线接入手段。 i e e e8 0 2 1 6 a 标准仅仅是崛e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准的修改和扩展，不是一个独 立的标准，所以2 0 0 4 年7 月i e e e8 0 2 1 6 组织又通过了i e e e8 0 2 1 6 d 。m e e 8 0 2 1 6 d 对2 6 6g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，定义了 支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。 该标准对i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 和i e e e8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订，但仍属于固定宽 带无线接入规范，是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。 i e e e 踟2 1 6 e 是工作在2 6g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接口 标准。制订i e e e8 0 2 1 6 c 的目的是为了实现既能提供高速数据业务又使用户具 有移动性的宽带无线接入解决方案。e e8 0 2 1 6 e 被业界视为目前唯一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术。e e 8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容i e e e8 0 2 1 6 d ， 因此i e e e8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在匝e e8 0 2 1 6 d 的基础上进行的。在 i 髓e8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 e 提出了具有移动特性的系统框架结构，并于2 0 0 4 年9 月通过了草案。 除了以上几个标准外，另外还有3 个重要标准：第一个是2 0 0 2 年正式发布 的正e e8 0 2 1 6 c 。它是对i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 的增补，是使用l o 6 6g 频段m e e 8 0 2 1 6 系统的兼容性标准，它详细规定了工作于1 0 6 6g h z 频段的m e e8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性和功能；第二个是i e e e8 0 2 1 6 f ，它定义了i e e e 8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及相关的管理流程：第三个 是正e e8 0 2 1 6 9 ，制订它的目的是为了规定标准的正e e8 0 2 1 6 系统管理流程和 接口，从而实现i 髓e8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有 效管理。l e e e8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 这两个标准是2 0 0 4 年5 月1 7 同在深圳召 开的由中兴通讯公司承办的m e e8 0 2 1 6 工作组第3 1 次会议上提出的，目的是 在网络管理层面形成新标准。目前标准的制订工作处于起步阶段，计划在2 0 0 6 年或2 0 0 7 年发布。 1 3w i m a x 产品测试及其意义 w i m a x 技术的出现与发展是机遇与挑战并存的，如何充分发挥w i m a x 的 特点，并能结合中国无线网络的现状，使其更好地发挥自身的优势，为中国的用 户提供更加便捷和优质的服务，创造新的业务增长点，同时如何尽量减少 4 w i m a x 测试方法的研究与实现 w i m a x 技术对中国现有和将来的无线网络及相应电信业务的冲击，其意义格外 重要。 w i m a x 技术要在具体的应用场景中体现出自身的优势，才能得到市场的 认可，这就需要通过应用测试束衡量系统的性能参数。w i m a x 的测试方法分为 三部分：协议分析、无线射频分析，传输性能分析。根据协议分析、无线射频分 析和传输性能分析得出测试的综合结果。 1 3 1 协议分析 图1 1 协议一致性测试平台 如图1 1 所示的协议一致性测试平台，这一测试平台将直接编译执行 1 t ( 瑚v 3 代码来运行和管理测试过程。w i m a x 希望测试平台是模块化的，这样 就可以随着设备的不同p m f i l e 配置，安装不同的r f 前端灵活的进行相测试目的 必须满足a 1 s 实现的要求，并要使用论坛许可的协议一致性测试仪( p c t ) 进 行测试。 1 3 2 射频测试 早期无线网测试基本上都以协议分析作为主要方法，这是因为，无线的传输 基于微波，通过空自j 传输，网络传输的介质已经不是主要问题了，因此完成对传 输数据包分析测试，从网络应用角度上完成网络传输的性能问题测试，就足可以 完成无线网络的测试工作。 事实并非如此，无线网络的物理层其实更需要测试。无线网络虽然摆脱了传 统有线网络介质上的物理特性约束，但它也带来了前所未有的物理层方面的问 题。我们可以说三维空间是无线网络传输的媒介，微波是数据传输的载体。以 8 0 2 1 l b 为例，2 4 g 的传输频率是公共的无线频率，与蓝牙、微波炉以及各种微 波设施相同，无线网络的信号是否会埋没在各种干扰噪声之中呢? 此时须测试无 5 w i m a x 测试方法的研究与实现 线传输的各种信道的信号强度、噪声强度，信噪比成为检测无线局域网物理层传 输性能的最基本的参数。 在底层测试上，无线网络摆脱了线缆的束缚，以无线广播的方式传输，要测 定的性能就不是点对点，而是三维的立体覆盖范围。所以，测定如何查找定位在 无线网络的覆盖范围和干扰源，更是无线网络测试维护的基本需求。与之相对应 的网络吞吐量测试，事实上从网络应用方面体现了对无线网络物理层的测试意 史。 图1 - 2 图1 2 所示为r ( t 的一种测试床配置，主要的测试仪器和仪表包括矢量信 号分析仪( v s a ) 、p c t 、流量发生器以及其他通用性的测试设备，如功率表、 误码仪、衰减器、方向耦合器、c i r c u l a t o f 等等。所示为r c t 的一种测试床配置， 主要的测试仪器和仪表包括矢量信号分析仪( v s a ) 、p c t 、流量发生器以及其 他通用性的测试设备，如功率表、误码仪、衰减器、方向耦合器、c i r c i l l a t o r 等 等。 1 3 3 传输性能分析 由于无线网络是基于微波射频传输的，因此有人就认为对它的测试主要集中 在对射频分析上，它能够完成无线网络物理层的全部测试，也就完成了无线网络 的测试问题。但是，这并不能完全反映无线网络链路层以上的传输性能情况，就 如我们不能说马路宽敞平直，就认为这是一条畅通的道路一样。没有实时的网络 流量分析、网络吞吐量测试以及协议和应用统计，就无法真正满足无线网络性能 以及安全性的测试需求a 无线网络的基础建设中，介质和物理网络应用是二合一的整体，所以即使是 无线网络的工程测试，也绝不能仅仅测试物理信号那么简单和片面。 6 w i m a x 测试方法的研究与实现 常见的这类分析多数是基于软件对无线网络传输的数据包进行捕包和解码 及分析等功能来实现的，主要测试项目有带宽、吞吐量、丢包率和时延等等。 1 4 本文的主要贡献和章节安排 本文的主要贡献在于介绍了8 0 2 1 6 协议的演进，重点介绍了w i m a x 系统 的测试方法，最后提出了一个外场测试方案，在此基础上建立模型对w i m a x 系 统进行实际测试并给出了测试结果。 全文的章节安排如下： 第二章主要介绍了w i m a x 的体系结构，对i e e e8 0 2 1 6 协议的结构及体系 的演进。对w i m a x 系统中的关键技术作了详细论述。 第三章介绍了w i m a x 系统测试方法。文中首先介绍了w i m a x 系统测试的 流程，然后针对8 0 2 1 6 d 协议给出了实验室测试方法。本章还重点讨论了8 0 2 1 6 d 的物理层测试方法。 第四章是关于w i m a x 外场测试的研究。本章主要对8 0 2 1 6 c 协议的外场测 试方法进行了讨论，提出了一种针对移动性踯2 1 6 c 协议的测试方案。并在实际 的测试中证明了方案的可行性和其中测试项目制定的准确和合理性。这一章是本 文的重点。 第五章是w i m a x 技术及其相应测试技术发展的总结和展望。 7 w i m a x 测试方法的研究与实现 第二章w i m a x 的体系结构 l e e e8 0 2 1 6 系列标准专门定义了w i m a x 的无线空中接口，其空中接口由 物理层( p h y ) 和媒体接入控制( m a c ) 层组成，如图2 1 所示。 2 1 物理层结构 图2 1 i e e e8 0 2 1 6 协议结构 i e e e8 0 2 1 6 共定义了4 种物理层规范，分别为无线城域网单载波 ( w m a n s c ) 、无线城域网增强单载波( w d a n s c a ) 、无线城域网j 下交频分复 用( w m a n 。o f d m ) 和无线城域网正交频分多址州m a n o f d m a ) ，其中 w m a n s c 模式工作在l 6 6g h z 频段，而其他模式工作在2 1 1g i i z 频段。各种 模式的物理层均支持时分双工( 1 i ) d ) 、频分复用( f d d ) 以及半频分复用 ( h a l f - f d d ) 3 种方式。除了w m a n o f d m a 模式上下行链路采用了o f d m a 接入 方式外，其余3 种模式下行链路采用时分复用r r d m ) 广播方式，上行链路采用 d a m a 与t d m a 结合的多址方式。在w m a n o f d m 中上行链路也可采用 0 f d m a 资源分配方式。在各种物理层模式中分配资源单元的含义有所不同，例 如在w m a n s c 和w m a n s c a 模式中，分配资源单元主要指时白j 段，而在 w m a n 0 f d m 和w m a n o f d m a 中分配资源单元还包含子信道。如果采用了自 适应天线系统( a a s ) ，资源单元还包含空间资源。正e e8 0 2 1 6 do f d m 物理层采 用2 5 6 个子载波，o f d m a 物理层采用20 4 8 个子载波，信号带宽从1 2 5 2 0m h z 可变。m e e8 0 2 1 6 e 对o f d m a 物理层进行了修改，使其可支持1 2 8 、5 1 2 、10 2 4 和20 4 8 共4 种不同的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成 正比。这种技术称为可扩展的o f i m a ( s c a l a b l eo f i ) m a ) 。采用这种技术，系统 可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。m e e8 0 2 1 6 技术在不同的无线参 数组合下可以获得不同的接入速率。以1 0m i z 载波带宽为例，若采用 8 w i m a x 测试方法的研究与实现 0 f d m 6 4 q a m 调制方式，除去开销，则单载波带宽可以提供约3 0m b s 的有效接 入速率。正e e8 0 2 1 6 标准适用的载波带宽范围从1 7 5m h z 到2 0m h z 不等，在2 0 m h z 信道带宽、6 4 0 a m 调制的情况下，传输速率可达7 4 8 lm b s 。 图2 2 所示为采用w m a n o f d m 模式的t d d 系统帧结构示意图。帧分为上、 下行子帧。下行子帧由导频、帧控制头部( f c h ) 和一些数据突发组成。f c h 规定 了紧跟其后的一个或多个突发的属性和长度。下行链路映射( d lm a p ) 、 u lm a p 、下行链路信道描述( d c d ) 、上行链路信道插述( u c d ) 以及其他描述帧 内容的广播消息都在第一个突发的开头发送，剩余的下行链路子帧由各个s s 的 数据突发构成。d l m a p 和u l | m a p 规定了上下行子帧中的详细控制信息。 2 1 1 物理层的构成 圈2 2 1 1 ) d 系统帧结构 物理层( p h y ) 由传输汇聚子层( 1 l ) 和物理媒质依赖子层( p m d ) 组成，通常说 的物理层主要是指p m d 。物理层定义了两种双工方式：t d d 和f d d ，这两种方 式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参 数( 调制方式、编码方式、发射功率等) 可以动态调整，但是需要m a c 层协助完成。 物理层支持和信道信息管理部分负责m a c 与p h y 之间的协调交互。在采用 p m p 方式的i e e e8 0 2 1 6 网络中，基站( b s ) 生成下行链路分配映射表( d im a p ) 和 上行链路分配映射表( u l m a p ) 。d l m a p 或u l m a p 中的下行区间使用码( d i u c 和上行区间使用码( u i u c ) 字段指明每个下行或上行突发块( b u 墙t ) 采用的调制编 码方式。m a c 层负责将协议数据单元( p d u ) 串联成突发，递交到物理层进行发送。 用户站( s s ) ，可以通过b s 周期性发送的下行信道描述( d c d ) 、上行信道描述( u c d ) 9 w i m a x 测试方法的研究与实现 管理信令获得d i u c 和u i u c 所对应的具体调制编码方式。s s 通过测距( r a n 百n g ) 过程进行功率、时延和频偏的调整。 2 1 2 w i m a x 物理层的关键技术 下面主要研究的是w i m a x 物理层的关键技术，围绕i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 杯准 展丌，同时也会介绍i e e e 8 0 2 1 6 e 草案中提出的某些不同于i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标 准的技术。 频段 i e e e 8 0 2 1 6 d 的工作频段为2 1 1 g h z ，8 0 2 1 6 c 为了确保移动性，工作频段定 义为2 6 g h z 。w i m a x 正在各个国家寻求较低的频段，根据各个国家频率规划 的不同，目i j w i m a x 已经选定了工作作于2 5 g h z 授权频段、3 5 gh z 授权频 段、5 8 g h z 非授权频段这三个频段的8 0 2 1 6 d 设备进行一致性和互操作性测试。 双工复用方式 w i m a x 系统可以支持t d d ( 时分双工) 和f d d ( 频分双工) 两种复用技术，在 i e e e 8 0 2 1 6 中，还规定了用户站可以采用半双工频分双工( h f d d ) 方式，这样就 降低了终端收发器的要求从而降低了终端成本。 载波带宽 i e e e 8 0 2 1 6 并未规定具体的载波带宽，系统可以采用从1 2 5m h z 2 0m h z 之间的带宽。考虑各个国家己有固定无线接入系统的载波带宽划分，i e e e8 0 2 1 6 规定了几个系列：1 2 5m h z 的倍数、1 7 5m h z 的倍数。1 2 5m h 2 系列包 括：1 2 5 2 5 5 1 0 ，2 0m h z 等。1 7 5m i z 系列包括：1 7 5 ，3 5 ，7 1 4m h z 等。对于1 0 6 6 g h z 的固定无线接入系统，还可以采用2 8m h z 载波带宽，提供更高的接入速率。 调制技术 根据频段的不同分别有不同的物理层技术与之相对应：单载波( s c ) ， 0 f d m ( 2 5 6 点) 和o f d m a ( 2 0 4 8 点) 。其中，1 0 - 6 6 g h z 固定无线宽带接入系统主要 采用单载波调制技术，对于2 ng i z 频段的系统，主要采用o f d m 和o f d m a 技 术。由于o f d m ，0 f d m a 具有较高的频谱利用率，而且具有良好的抵抗多径效应、 频率选择性衰弱和窄带干扰上的能力，所以o f d m 和o f d m a 是w i m a x 物理层的 核心技术。w i m a x 系统利用了o f d m 技术，使其传输距离接近3 0 k m 5 0 l 咖，当在 2 0 m h z 的信道带宽时，能够支持高达1 0 0 m 的共享数据传输速率。 0 f d m 技术把所传的高速数据流分解成若干个子比特流，每个子比特流具 有低得多的传输速率，并且用这些低速数据流调制若干个子载波。假设一个周期 内传送的码元序列为( d 0 ，d 1 ，d n 一1 ) ，它们通过串并转换器分别 调制在n 个子载波( f 0 ，f 1 ，烈一1 ) 上，这些子载波满足正交特性， 1 0 w i m a x 测试方法的研究与实现 其频谱相互重叠。只要子载波之b j 满足特定的正交约束条件，采用变频和积分的 手段就可以有效地分离出各个子信道信号。 厂 嚣啦卜 ”讨 图2 - 3 发送原理图 瓣譬p ”佃扪 * 一 h 州4 “ p a 4 、 图2 - 4 接收原理图 蝴2 & 毋 o f d m 通过打开和关闭某些子信道的方式防止信道衰落。系统在最初工作 时所有子信道上都发送数据，工作一段时间后如果某个频段的信号衰落严重，超 过规定的信噪比门限，发送端会自动关闭该频段的子载波，避免了衰落引发的误 码。 关闭擎终饷二馕道 i j 惫叠嘲貔门憧惩 - 一 。乙立二。 磅貔门疆毒肼喜事瓣 l “； i 。! 一i l i 。i 一羔i i 汕l 一 最镯蹙迸熙蠢我渡囊落蔚采取爨运蓐攥镌 图2 5o f d m 系统抗信道衰落 多径效应对传输的数字信号产生时延扩展，造成接收码元的前后重叠，即码 问串扰，严重影响传输质量。码间串扰与反射信号的延迟长短有关，当延迟时间 相对于一个码元宽度很短时，通常不会对信号的接收产生影响。所以，码问串扰 对速率高的传输系统影响严重，但是随着传输速率的下降，多径干扰也随之减弱， 甚至可以忽略不计。例如速率为1 0 m b p s 的b p s k 信号每个码元宽度为1 0 0 n s ，假 。口 订 杏 每# 。 h 一 t ，炒； ；， ；黪、。 w i m a x 测试方法的研究与实现 设多径干扰的延迟为m s ，就可以干扰1 0 个接收信号。而采用o f d m 调制后码元宽 度足够长，1 0 m b p s 的o f d m 信号分成1 0 0 个子载波，每个子信号的码元宽度是 1 叩s ，这样，1 肛s 的多径干扰就不会对有用信号产生码间串扰。可见，o f d m 的 频率分集复用技术是解决多径干扰的有效手段。 多天线技术 w i m a x 能够提供高于3 b i t s s e c o n d i z 的数据速率，为了增加覆盖范围和系 统的可靠性， i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准支持多天线技术，比如越a m o u t is p a c c 面m e c o d i n g ( s t c ) ，自适应天线系统( a a s ) 和m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m 0 ) 系 统。越锄o u t is t c 和m i m o 属于同一类技术在发送端不需要知道信道信息，而 a a s 在发送端需要知道信道信息。广义的说，舢枷o u t is 1 使用多根天线发送、 单根天线接收( m i s o ) 应该也属于m i m 0 技术。 使用多天线技术的优势： 1 阵列增益：使用多天线后增加了信号的相干性，从而获得了阵列增益。 2 分集增益：这是通过利用多径来获得的，当任何一径性能变坏时，也不 会影响系统的性能。在无线衰落信道晕，这个可以增加接收信号强度的稳定性从 而提高性能。分集增益可以在空间( 天线) 、时域( 时白j ) 或者频域( 频率) 各个维度 上获得。 3 共信道干扰消除( c c i r ) ：通过干扰的不同信道响应、从而消除共信道的 干扰信号。 多天线技术和o f d m 技术结合使用能够大幅度地提高覆盖范围和容量。 m i m o 技术就是在b s 和s s 端使用多根天线，能够大幅度的增加信道的容量、 覆盖范围和频谱的利用率。另外，m i m 0 技术在正e e 8 0 2 1 1 a g 的下一代增强版 上都有应用，而且也提议给了正e 脚2 nn 工作组。可见，m i m o 技术在增加覆 盖范围和链路的容量方面具有很大的应用前景。t g 8 0 2 1 6 e 提出的高容量的 m i m 0 编码仅仅是简单的空间复用，在天线之问没有编码。i i l t e l 公司的s u m e c t s a n d h u 等人提出了一种m i m o 中的空频交织方法，就是将编码比特映射到频带和 天线上去，通过空间复用实现分集增益，并且该方法已经向t g 8 0 2 1 6 e 提议。 自适应调制 i e e e8 0 2 1 6 支持b p s k q p s k l 6 q a m 和6 4 q a m 多种调制方式。在信道编码 纠错方面，正e e 8 0 2 1 6 采用了截短的r s 编码和卷积码级连的纠错编码，并且还 支持分组t u r b o 码、卷积t u r b 0 码。i e e e8 0 2 1 6 可以根据不同的调制方式和纠错编 码方法组合成多种发送方案，系统可以根据信道状况的好坏以及传输的需求，选 择一个合适的传输方案。比如说，当信道状态差时，可以选择例如q p s k 低阶的 调制方式，当信道状况好时，可以选择例如6 4 q a m 高阶的调制方式。自适应调 w i m a ) ( 测试方法的研究与实现 制给无线传输系统带来了很好的抗衰落性能。w i m 戕的应用条件复杂，为了保证 无线传输的质量，对多项物理层参数进行自适应调整，如调制解调器参数、 f e q 前向纠错) 编码参数、a r q 参数，功率电平，天线极化方式等，效果非常明 显。 例如，在单载波制式下，通过调制方式q p s k 1 6 q a m 的切换，配合f e c 参 数调整，可以使吞吐量一信噪比曲线达到最佳。如图2 6 所示： 捌a n 口蛐1 1 t 0 n ，c 4 d 1 帕 仁 一 天厂除 l 鑫懿蒋h 1l 矗f c l 瓣f e t h 朝l q 口州瑚t jr f l o e 麻， 鼻 潍s kl “f e i ，一 静r 。 1， 一f f 廿s xt 籼鲕f e | 1 8l o1 2l i1 61 82 02 22 s n r i 4 8 ) 图2 6 自适应参数调整 2 2m a c 层结构 8 0 2 1 6 是使用t d df 巧m cd i v i s i d u p l c x i n g ) 或f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o n d l l p l e x i n g ) 让上传跟下载在不同的时日j 或不同的频带传输来达到双向的沟通，