（通信与信息系统专业论文）基于wimax的无线宽带校园网的研究与实现.pdf

ab s t r a c t t h e w i r e l e s s b ro a d b a n d t e c h n o lo g y h a s d e v e l o p e d e n e r g e t i c a l l y i n r e c e n t y e a r s . wi t h t h e p r o g re s s o f t e c h n o l o g y , w i r e l e s s b ro a d b a n d n e t c o n s t r u c t i o n i s g o i n g i n t o h i g h s p e e d d e v e lo p m e n t . m a n y c o u n t r ie s a r e c o n s t r u c t i n g d i ff e r e n t t y p e s o f w i r e l e s s b r o a d b a n d n e t b a s e d o n g o v e r n m e n t s u p p o r t , t e l e c o m o p e r a t o r s an d m a n u f a c t u r e r s g e tt in g in t o t h e m a r k e t . b e c a u s e o f i t s h i g h s p e e d t r a n s m i s s i o n , w i d e c o v e r r a n g e , g o o d c a p a c it y o f r e s i s t i n g d i s t u r b anc e , fl e x i b l e d i s p o s i t i o n , t h e w i r e l e s s b r o a d b a n d n e t b a s e d o n wi m a x b e c a m e a h o t s p o t i n t h e s t u d y i n g f i e ld . t h e p a p e r h a s i n t r o d u c e d wi ma x p h y s i c a l l a y e r and ma c l a y e r f i r s t l y , t h e n e l a b o r a t e d o n t h e r e a s o n u s i n g wi m a x t o c o n s t r u c t w ir e l e s s b r o a d b and n e t a ft e r c o m p a r i n g w i t h o t h e r w i r e l e s s b r o a d b and a c c e s s t e c h n i q u e s s u c h a s wi f i , b l u e t o o t h , 3 g e t c . a n d w e h a v e w o r k e d o v e r w i r e l e s s c h a n n e l m o d e l t h o r o u g h l y . t h e n t h e d i s s e r t a t i o n h a s p r o p o s e d f e a s i b l e d e s i g n c y c l e and p r o g r a m b as e d o n wi ma x w i re l e s s b r o a d b and n e t p l a n n i n g m e ans and t h e r e a l i s t i c o f n a n c h ang u n i v e r s i ty . w e h as c o n s t r u c t e d n anc h a n g u n i v e r s i ty w i r e l e s s b r o a d b and t e s t i n g n e t , f i n i s h i n g p a r t s o f t e s t i n g , d e b u g g i n g and o p t i m i z i n g j o b , ana l y z i n g t h e p r o b l e m s a p p e a r e d i n t h e r e a l w o r k . a t l as t w e h a v e d o n e a c o n c l u s i o n o f t h e p a p e r , t a k e n a l o n g - t e r m o u t l o o k i n h o w t o i m p r o v e t h e w i r e l e s s b r o a d b and n e t g r o u p i n g t e c h n i q u e . k e y w o r d s : wi ma x ; wi r e l e s s b r a o d b and ; wi r e l e s s c h a n n e l s ;n e t w o r k p l a n n i n g 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 据我所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢的地方外， 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 南昌大学 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谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ): 气 住签 字 日 m : 2 pq 年 月 24 日 _a1 - .r 1 ; ,a fi r (,4 v 1 使用授权书 本学位论文作者 完全了 解南昌大学有夫标.标. . . r f, t o 定， 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l g xtt, - 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论文的 全部或 部分内 r - - 六吮卜 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位i re. 文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 手 写 、一玉 豁 、 签 字 日 期 : 、 习 年月 9日 2一手 写 ): 叔h 签 字 日 期 : 2 0 门年月场 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 电话 : 通讯地址 :邮编: 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 研究背景 随着个人通信需求的迅猛增长， 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，促使网络由低速向高速、由窄带向宽带、由有线到无线方向 迅猛发展。因此在过去的几年里，无线宽带网引起了业界的广泛关注，该网络 采用了点对多点的网络结构，支持语音、数据以及视频业务.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， 无线宽带网逐渐受到运营商 的青睐。作为无线宽带接入网技术的排头兵，wi f i 从诞生伊始就引起了不小的 轰动，其应用范围也越来越广。然而， 最近 wi ma x技术又在该领域内掀起了 一股热潮，众多设备商和运营商纷纷投入其中，也成立了类似wi f i 的wi ma x 联盟推广该项技术。经过几年的快速发展， w i m a x技术渐渐走向 成熟。与w i f i 技术相比， wi ma x技术具有覆盖范围大、 传输速率高、 部署速度快等优点。 2 0 0 6 年，世界上已经有八个国家将 wi m a x投入商用，我国几大运营商最近也开始 上马基于该技术的无线宽带网项目。正因为有如此重要的现实意义，基于 wi ma x的无线宽带网组网技术已经成为当前通信领域的一个研究热点. 1 . 2 研究现状 1 . 2 . 1 wi ma x的由来 w i m a x的 全 名是 微波接入全球互操作性认证( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i ty f o r m i c r o w a v e a c c e s s ) ( 1 。 它是一种新兴的无 线城域网 技术， 是一 种具 有更高 速率、 更大覆盖率以及具有移动性的无线宽带接入方式，能够为用户提供上百兆的传 输速率。wi ma x一词来源于wt ma x论坛。wi ma x论坛是在i e e e工作组发 布 8 0 2 . 1 6 系列标准后， 由 业界领先的 运营商、 通信部件和设备公司于2 0 0 1 年6 月成立的非营利性组织， 它旨 在推进i e e e 8 0 2 . 1 6 系列标准和基于该标准的设备 间的兼容性和互操作性。 该论坛对于无线城域网的作用与w i f i 联盟在推进i e e e 8 0 2 . 1 1 系列标准过程中对无线局域网起到的作用类似。正因于此，如同wi f i 是 i e e e 8 0 2 . 1 1 的同 义词一样，w i m a x也成为了i e e e 8 0 2 . 1 6 的代名词， 本文也将 第一章绪论 以它作为8 0 2 . 1 6 的代名词. wi ma x技术可以替代现有的有线和d s l 连接方式， 来提供最后一公里的无线宽带接入。它可以提供固定、便携、移动三种形式的 无线宽带连接，并最终达到能够在不需要直接视距基站的情况下提供移动无线 宽带连接 (2 ) 。因 此在不 到六年的 时间里 ， w i m a x从默 默无闻 变为 全球瞩目 ， 关 于这项技术的研究成为通信领域的热点. 现在w i m a x论坛成员 超过3 5 0家公 司，包括了英特尔、诺基亚、英国电信、朗讯、西门子和三星等知名企业，我 国的华为、中兴等公司也是wi ma x论坛中的重要成员. 1 . 2 . 2 wi ma x发展现状 i e e e 8 0 2 . 1 6 工作组是为制定无线城域网 ( wi r e l e s s m a n)标准成立的，该 工作组自1 9 9 9 年成立后，主要负责开发工作在2 - 6 6 g h z 频带的无线接入系统 空中接口 物理层 ( p h y )和媒质接入控制层 ( m a c )规范，同时还开发与空中 接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间共存的规范，涉及 m m d s ( m i c r o w a v e m u lt i p o i n t d i s t r i b u t i o n s y s t e m s , 微波多点业务分布 系统) 、 l m d s ( l o c a l m u l t i p o in t d i s t r i b u t i o n s y s t e m s ， 本地多点 业务分布系统) 等技术 3 1 它由三个工作小组组成， 每个工作小组分别负责不同的方向: i e e e 8 0 2 . 1 6 . 1 负责 制定频率为 1 0 -6 6 g h z 的无线接口标准:i e e e 8 0 2 . 1 6 .2负责制定宽带无线接入 系统共存方面的标准: i e e e 8 0 2 . 1 6 . 3 负责制定频率在2 g h z -1 o g h z 之间获得频 率 使 用 许可 权可 应 用的 无 线 接口 标准 (4 ) 以 下 是i e e e 8 0 2 . 1 6 工 作 组 制 定 的 i l 个 标 准 1 f2 1 5 1 , . i e e e 8 0 2 . 1 6 :固定宽带无线接入系统空中接口标准，应用于 i o g h z - 6 6 g h z 视距传输，2 0 0 1 年 1 2月发布。 . i e e e 8 0 2 . 1 6 a :固定宽带无线接入系统空中接口标准，应用于2 g h z -1 1 g h z 非视距传输， 2 0 0 3 年1 月发布。 . i e e e 8 0 2 . 1 6 d :固定宽带无线接入系统空中接口 标准 ( 2 g h z - 6 6 g h z ) , 主要是对8 0 2 . 1 6 / 8 0 2 . 1 6 a 的修订。2 0 0 4 年6 月 在i e e e 8 0 2 委员 会获得通过，以 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 名称发布。 i e e e 8 0 2 . 1 6 d 可以应用于2 g h z - l o g h z 非视距 ( n l o s ) 传输和i o g h z -6 6 g h z 视距 ( l o s )传输. . i e e e 8 0 2 . 1 6 e : 支持固定和移动性的宽带无线接入空中接口 标准， 工作在 2 g h z -6 g h z适用于移动性的许可频段， 可支持用户站以车辆速度移动，已 经 于2 0 0 5 年 1 2 月完成，以8 0 2 . 1 6 e - 2 0 0 5 名称发布。8 0 2 . 1 6 e 的目 标是能够向上兼 第一章绪论 容8 0 2 . 1 6 d ，因此它的标准化工作基本上是在8 0 2 . 1 6 d 的基础上进行的。8 0 2 . 1 6 e 目 前定位的目 标速率为车速，一般可以支持1 2 0 k m / h 的移动速度。 8 0 2 . 1 6 e 目 标 带宽可以高 达7 0 m b / s . 表 1 . 1 标准8 0 2 . 1 6 该标准还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。 i e e e 8 0 2 . 1 6 工作组制定的几个标准的比 较 8 0 2 . 1 6 a 8 0 2 . 1 6 d 8 0 2 . 1 6 e 发布时间 使用频段 信道条件 固定2 移动 搜盖的技 术领域 信道带宽 2 0 0 ! 年 1 2 月 l o ghz -6 6 ghz 2 0 0 3 年 i 月 2 ghz - - i i ghz 非视距 固定 固定宽带无线接 入系统空中接口 标准 固定宽带无线接 入系统空中接口 标准 1 . 2 5 2 0 m旧z 3 2 1 3 4 m b p s在2 0 m h z 信道上 传输速率( 以2 8 m h z为载提供约 7 5 m b p s 波带宽)的速率 2 0 0 4 年6月2 0 0 5 年 1 2 月 2 g hz -6 6 gh z 2 gh z -6 gh z 视距十非视距视距十非视距 固定固定+移动 因定宽带无线接 支持固定和移动性 入系统空中接口 的宽带无线接入系 标准统空中 接口 标准 1 . 2 5 -2 0 mh z 1 . 2 5 - - 2 0 m1 i z 在 2 0 m h z 信道上在 5 m h z信道上 提供约7 5 m b p s 的 提供约 2 0 m b p s 速率的速率 1 . 3 论文研究的内 容及安排 论文的结构安排如下:本章首先对论文工作的研究背景进行了简述，介绍 了 wi m a x的研究意义、现状及趋势。在第二章中，本文主要研究了 wi m a x 的物理层和m a c 层， 分析由于 采用多项新技术给wi m a x带来的性能上的优势， 并且与其他的无线宽带技术进行比 较， 描述了 采用 w i m a x构建无线宽带实验 网的原因。第三章提出了一套完整的基于 wa a a x技术的无线宽带网络规划的 方法和流程，并且比较详细的研究了无线电波传播特点、无线信道传播模型。 如何依据实际情况进行无线宽带网络规划将是本章阐述的重点。第四章通过实 际的无线宽带网 建设，验证了上一章的无线网络规划方法，并依据建设当中的 实际问题提出一种新的 mm a x信号楼宇室内覆盖方法。另外还描述了对 w i m a x系统的 测试、 调试过程， 以及对工程中出 现的一些问 题的分析。 第五章 对全文进行总结， 给出一些结论，展望下一步在无线宽 带网方面可以 进行的研 究工作，讨论今后有待研究的问题。 第二章 wim a x技术及分析 第二章 wi ma x技术及分析 i e e e 8 0 2 . 1 6协议 标准的作用就是在用户站同核心网 络之间建立起一个通信 路径， 这个核心网 络可以是因特网也可以是g s m网甚至3 g网. 所以i e e e 8 0 2 . . 1 6 标准关心的是用户的收发信机同基站收发信机之间的无线接口，协议标准是按 照两层结构体系组织的。两层结构中的下层是物理层该层的协议定义了关于频 率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输速率 和时分复用结构等方面的标准，并采用了 t d m a( 时分多址)和 o f d ma( 正 交频分多址) 技术。 在物理层之上是媒体接入控制( m a c ) 层， 在该层上i e e e 8 0 2 . 1 6主要规定了 为用户提供服务 所需的各种功能，主 要负责将数据组成帧格式来 传输和对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制。m a c层协议对基站或用 户在什么时候采用何种方式初始化信道做了规定，并且能够分配无线信道容量。 ma c层还能根据所提供服务的不同而相应的提供不同的功能， i e e e 8 0 2 . 1 6 标准 能够提供的服务包括数字视频广播、数字电话、异步传输模式a t m、因特网接 入、电话网络中无线中继和帧中继等等。ma c层支持点对多点 ( p mp )结构， 且结构设计为可支持多种物理层规范，不同的物理层技术适用于不同的无线传 播环境。i e e e 8 0 2 . 1 6 b 标准的协议模型如图21 所示。 每一层定义相应的管理实 体，用于实现s n mp网管系统16 1 图2 . 1 i e e e 8 0 2 . 1 6 协议模型 第章 am a x技术及分析 2 . 1 wi ma x物理层关键技术 2 . 1 . 1 物理层技术特点 物理层的主要工作是对原始数据进行调制/ 解调，编码/ 解码，使之变成适合 无线链路传输的数据。物理层由传输汇聚子层 ( t c l )和物理媒质依赖子层 ( p md)组成，通常说的物理层主要是指p md . 目 前最通用的】 e e e 8 0 2 . 1 6 d ( 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 ) 标准的工作频段定义分为两段: 2 g h z - i 1 g h z( 用于非视距传输) 和i o g h z -6 6 g h z( 用于视距传输) 。 8 0 2 . 1 6 e ( 8 0 2 . 1 6 e - 2 0 0 5 ) 标准为了确保移动性，工作频段定义为2 -6 g h z . w i m a x组 织正在各个国 家寻求较低的频段。 根据各个国家频率规划的不同，目 前w i m a x 选定了首先对工作于 2 . 5 g h z频段、 3 .5 g h z频段、5 . 8 g h z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， 现已完成并商业化。 选择这几个频段 先做侧试是因为2 . 5 g h z . 3 . 5 g h z . 5 . 8 g h z 是运营商比较愿意采纳的频段。 其中 按照国际惯例，2 . 5 g h z 和5 . 8 g h z 是免授权频段;而3 . 5 g h z 是需要授权的。 w i m a x系统支持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 d 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。为了更好地使用带宽， 两种模式下都 采用突发( b u r s t ) 格式发 送， 支持自 适应的突发业务数据m 。 在每 一帧中，基站和各个客户端可以根据需要灵活地改变突发的类型，从而选取适 当的发射参数，如调制方式、编码类型等。 w i ma x能够提供高于3 b i t / s e c o n d / h z 的数据传输速率，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 5 m h z - 2 0 mh 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且各自 不统一， i e e e 8 0 2 . 1 6 d 规定了 几个系列: 1 .2 5 m h z 的倍数, 1 .7 5 m h z 的 倍数。 1 .2 5 m h z 系列包括1 .2 5 / 2 . 5 1 5 / 1 0 / 2 0 m h z 等:1 . 7 5 m h z 系列包括1 . 7 5 / 3 .5 / 7 / 1 4 m h z 等。对于1 0 6 6 g h z 的非视距 固定无线接入系统，还可以采用2 8 mh z 载波带宽，提供更高的接入速率。 w i m a x采用自 适应调制、 编码技术， 支持b p s k . q p s k . 1 6 q a m和6 4 q a m 多种调制技术。在信道编码纠错方面，i e e e 8 0 2 . 1 6 d 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 o 码fa :。 它 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。信道质量好的时候， 选择 第二章wma x技术及分析 传输速率比较高的调制方式:反之，则选择抗干扰能力比较强但是传输速率比 较低的调制方式。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 适应调制 给 无线传输系统带来了很好的抗衰落性能。 为了增加系统容量、 扩大履盖范围以及提高系统的可靠性， i e e e 8 0 2 . 1 6 d 支 持多 种多 天 线技术比 如空时编 码( s p a c e - t i m e c o d i n g , s t c ) ，自 适 应天线系 统 ( a d a p t i v e a n t e n n a s y s t e m , a a s ) 和多 输入多输出( m u l t i p l e - in p u t m u l t i p l e - o u t p u t , m i m o ) 系统。 m i m o技术就是在b s ( b a s e s t a t i o n ， 基站) 和s s ( s u b s c r ib e r s t a t i o n ， 用户站) 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。 a a s可以描述为一种波束成形技术。 b s 使用天线阵列增加目 标 s s 的增益，同时减少其他s s 或者干扰源的干扰。a a s 技术使用s d m a方法， 使得空间上分开的多个s s 能在同一时间使用相同子信道。通过使用波束成形， b s能够将信号导向到不同s s ，也能区分同一时刻来自不同s s 的信号。 s 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。广义上来说，s t c使用多根天线发送、单根天线 接收，应该也属于mi mo技术中的一种。 使用多 天线技术会带来以下几个优点s 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; 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，就不 会影响系统的性能。在无线衰落信道里，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 ( 时间)或者频域 ( 频率) 各个维度上获得; 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。 2 . 1 . 2 wi ma x物理层调制模式 最早发 布的i e e e 8 0 2 . 1 6 标准 中 使用单载波 ( s i n g l e - c a r r i e r , s c ) 调 制模式， 因 此将其称为 “ w i r e l e s s m a n - s c 。 而后续颁布的8 0 2 . 1 6 a 和8 0 2 . 1 6 d 标准除了 支 持单载波方式外，还增加了以下三种载波调制方式:( 1 )改进型单载波方式: 基于wi r e l e s s m a n - s c单载波方式，但工作在支持非视距传输的1 1 g h z 以下频 第二章 w ma x技术及分析 段， 称为“ wi r e le s s m a n - s c a . ( 2 ) 2 5 6 载波正交频分多路复用 ( o f d m) 方式: 这种方式采用频率上等间隔的2 5 6 个正交子载波进行调制，充分发挥了o f d m 技术的优势，具有抗多径衰落、抗时延扩展的能力，可满足大部分应用需求， 称为“ wi re l e s s m a n - o f d m . ( 3 ) 2 0 4 8 载波正交频分多址接入( o f d ma ) 方式: 这种方式引入频域多址接入，将频带划分为多个子信道，各子信道之间依次正 交排列并根据信道特性分配给不同用户，实现多用户信号传输复用和接入，可 支持某 些特定的多 对象通信应用，称为“ w i r e l e s s m a n - o f d m a . w i m a x的主要优点如传输速率快，抗干扰能力强都是因为采取了o f d m 技术1 9 1 正 交 频分 复 用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u lt i p l e x i n g , o f d m ) 实际 上是 一种多载波数字调制技术。 正交是指各个载波的信号频谱是正交的， o f d m 全部载波频率有相等的频率间隔， 它们是一个基本振荡频率的整数倍。 o f d m 技术的基本思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在 每一个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽 管总的信道并非平坦的，也就是说，具有频率选择性，但是每个子信道是相对 平坦的，并且在每个信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽， 因此可以大大消除符号间干扰i ga l o f d m a和o f d m的最根本的区别在于前者在上行和下行均支持子信道化， 后者仅在上行方向 支持子信道化n n o f d m和o f d m a频谱利用率高， 而且在抵抗多径效应、频率选择性衰落 和窄带干扰上具有明显的优势。但是与 单载波相比， o f d m和o f d m a技术也 有缺点，最主要的是它对载波频率偏移比较敏感，相对于子载波间隔来说很小 的载波频偏就会引起系统性能的大幅下降。 2 . 2 wi ma x ma c层主要技术 如图2 . 1 所示，5 0 2 . 1 6 的m a c层采用分层结构， 分为三个子层: 特定业务 汇聚 子 层( s e r v i c e s p e c i f i c c o n v e r g e n c e s u b l a y e r , c s ) 将业务 接入点 收到的 外 部网 络数据转换和映射到m a c业务数据单元， 传递到m a c层业务接入点， 负责 特定 上层业务 ( a t m / i p ) 接入: 公共部分子层 ( c o mm o n p a rt s u b l a y e r , c p s ) 是m a c的核心部分， 主要功能包括系统接入、 带宽分配、 连接建立和连接维护 第二章 wma x技术及分析 等， 将c s 层的数 据分类到特定的m a c 连接，同时对 物理层上传输和调度的数 据实施q o s 控制: 安全子层 ( p r i v a c y l a y e r ) 主要功能是提供认证、 密钥交换和 加 解 密 处 理 !12 1 w i m a x的m a c层定义了良 好的q o s 机制， 可以向 用户 提供具 有q o s 性 能的数据、视频、语音业务。 w i m a x提供三种等级的q o s 服务: c b r ( c o n s t a n t b it r a t e ，固定带宽) ， c i r ( c o mm i tt e d r a t e ， 约定带宽) ， b e ( b e s t e ff o r t ，尽力而为) 。 c b r的优先级 最高，系统以高优先级、高速率以及低延时为用户提供服务，保证用户定购的 带宽。c i r的优先级次之，以约定的速率来提供，但是速率超过规定的峰值时， 优先级会降低，还可以根据设备带宽资源情况向 用户提供更多的传输带宽。 b e 则具有最低的优先级，这种服务类似于传统i p网络的尽力而为的服务，网络不 提供优先级与速率的保证。在系统满足其他用户较高优先级业务的条件下，尽 力为用户提供传输带宽1 1 3 1 为了保证信息传输的安全性， 8 0 2 . 1 6 在m a c层中定义了一个安全子层来实 现对密钥的分配管理和数据的加密1 1 2 1 。 安全子层位于物理层之上， 属于m a c层 的最低一个子层。它的加密协议主要是以电缆调制传输技术 d o c s i s b p i 十 中的 密钥管理协议为基础，加密子层主要可以分为数据包加密封装协议和密钥管理 ( p k m)协议两部分。数据包加密封装协议定义了一系列的加密算法，例如公 钥密码体制的 r s a算法、数据加密标准 d e s等，这些算法的实现是以具体的 ma c层的机制为基础的。密钥管理协议 ( p k m)提供了安全的密钥交换机制， 支持周期性的再认证和密钥更新，是加密子层的核心内容。最重要的两个密钥 是授权密钥 ( a k )和传输加密密钥 ( t e k ) ，都是由b s 产生的随机数或伪随机 数， a k是认证过程中在s s 和b s 之间传输的， t e k用于认证过后数据的加密。 2 . 3 几种宽带无线技术的分析与比 较 随着无线通信快速发展， 各种无线宽 带接入技术层出 不穷， 除了wi m a x外， 还有wi f i . u wb 、蓝牙以及移动通信中的3 g技术。 这些技术相应的无线接入 系列标准分别是由i e e e( 美国电 气和电子工程师协会) 和e t s i ( 欧洲电信标准 化协会)制定。这两个组织是世界范围内 最具影响力的标准组织之一，其无线 接入系列标准得到业界的广泛承认。 第二章 wm a x技术及分析 i e e e 8 0 2 . 1 5 和h i p e r p a n 构成t p a n ( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ， 个人局域网) 的无线接入标准，个人区间网用于解决同一地点的终端与终端之间的连接，通 常形象描述为“ 最后1 0 米” 的通信需求，蓝牙和u wb为其代表技术。 i e e e 8 0 2 . 1 1 和h i p e r l a n 构成t l a n ( l o c a l a r e a n e t w o r k ， 局域网)的无线 接入标准，局域网 用于解决用户群内部的信息交流和网际接入，形象描述为“ 最 后 1 0 0 米” 的通信需求。 由大批业内顶尖制造商参加的wi f i 联盟， 其目 标正是为 了推广i e e e 8 0 2 . 1 1 系列标准的应用。 i e e e 8 0 2 . 1 6 和h i p e r a 构成t m a n ( m e t r o p o l i 宜 a n a r e a n e t w o r k ， 城域网) 的无线接入标准， 城域网用于大都市范围内的业务点与信息汇聚点之间的信息 交流和网际接入， 形像描述为“ 最后1 公里” 的通信需求。 由一些主要的通信部件 及设备制造商结成的) v m a x组织，其目 标是促进i e e e 8 0 2 . 1 6 的应用。 i e e e 8 0 2 .2 0 和3 g蜂窝移动通信系统构成了w a n ( w i d e a r e a n e t w o r k ， 广域 网)的无线接入标准，广域网用于解决超出一个城市范围的信息交流和网际接 入需求。 下面将对其中一些技术作详细讨论及比较。 2 . 3 . 1 蓝牙和u wb技术 蓝牙和u wb都属于i e e e 8 0 2 . 1 5 技术中的一种。 蓝牙技术是爱立信、i b m等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线技术。 随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织( s i g ) 负责该技术的开发和技术协议的制定， 如今全世界已有 1 8 0 0 多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为 1 0 c m - l o m。它 使用2 . 4 g h z i s m免费 频段和调频、 跳频技术， 速率为7 0 0 k b p s ， 新版本的 蓝 牙2 .0 将其提高 到了3 m b p s . 蓝牙在价格和功耗上很有竞争力，与其他技术相比其优势在于全球统一的、 开放的技术标准。 但它的传输速率较低，目 前还只限于传送数据和语音，不能 实时传送视频. 超宽带技术 ( u wb : u l t r a - wid e b a n d ) 是一种采用极宽频带 ( 几百mh z 几 个g h z ) 的无线电 技术114 1 。 与传统通信技术不同的是， u wb是一种无载波通信 技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据， 因此它的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。据资料表明， u wb 信号的有效传输距离在l o m以内，传输速率可达5 0 0 m b i t / s ， 是实现个人 第二章 wi m a x技术及分析 通信和无线局域网的一种理想的调制技术。 而且u wb系统功耗低， 它使用间歇 的脉冲来发送数据， 脉冲持续时间很短 ( 约为0 . 2 0 n s -1 . 5 n s ) ， 有很低的占空因 数，系统耗电可以很低，不过一旦传输距离超过i o m , u wb的性能就会快速下 降。 与蓝牙技术相比， 技术参数上u wb的优势是比较明显的。 尽管两者的有效 距离差不多， 功耗也差不多， 但u wb的速度却快得多。 从目 前的情况来看， 蓝 牙唯一比u wb 优越的地方就是蓝牙的技术己经比 较成熟， 但是随着u wb的高 速发展，这种优势将会逐渐消失。 2 . 3 . 2 wi f i 技术 i e e e 8 0 2 . 1 1 标准在1 9 9 7 年由 i e e e 8 0 2 . 1 1 2作组提出，该标准提供t三个 物理层规范， 包括 2 . 4 g h z i s m 免费频段中的红外线、1 - 2 m b p s跳频技术 ( f r e q u e n c y - h o p p i n g s p re a d s p e c t r u m , f h s s ) 和 1 - 2 m b p s 直 接序列扩频技 术 ( d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m , d s s s ) i 3 ， 主 要 用来解决办公室局域网 和 校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能 达到2 m b p s 。由 于 它在 速率 和传输距离上都不能 满足 人 们的需 要， 因此， i e e e 于 1 9 9 9年又新推 出了两个版本的无线网络标准，i e e e 8 0 2 . 1 1 a和 i e e e 8 0 2 . l l b 。除原i e e e 8 0 2 . 1 1 的内容之外，增加了 基于 s n m p协议的管理信 息库 ( m i b ) 以取代原 o s i 协议的管理信息库， 同时也扩展了网络的传输速度。 i e e e 8 0 2 . 1 i b 使用开 放的 2 .4 g h z 频率，采用直接序列扩频和补偿编码键控 ( c o m p l e m e n t a r y c o d e k e y i n g , c c k ) 的调制方式， 室内 传输距离可以 支持l o o m , 传 输速率可以 达到i i m b p s ， 可以 兼容8 0 2 . 1 1 . i e e e 8 0 2 . 1 1 a 工作频段为5 g h z 频段， 物理层也 采用o f d m技术， 大大提升 无 线局域网 的 速 度和整体信号质量， 传输速率可达5 4 m b p s 。由 于 8 0 2 . 1 1 a 技术 具有数据传输速率高，抗千扰能力强的优点，能满足高密度数据传输用户的需 要。 由于i e e e 8 0 2 . 1 l a 和i e e e 8 0 2 . 1 i b 标准之间互不兼容，为了解决这个问题， i e e e 又 于2 0 0 1 年1 1 月 发 布了i e e e 8 0 2 . i 1 g 协 议， 工 作 频 段为2 .4 g h z , 规定 的 调制方法有两种， 包括 8 0 2 . 1 1 a中采用的o f d m与8 0 2 . 1 1 b 中采用的c c k . 通过 规定两种调制方式， 既达到了 用2 .4 g h z频段实 现i e e e 8 0 2 . l l a 水平的数据传输 速度，也确保了 和 i e e e 8 0 2 . 1 1 b 产品的兼容，工作距离为8 0 - 1 0 0 米 ( 室内) ， 第二章 wm a x技术及分析 所以 现在市 场上的 无线网卡大多 数为支 持i e e e 8 0 2 . 1 1 j 6 1 i j o 2 . 3 . 3 3 g技术 目前我们所使用的第二代移动通讯系统，主要是以语音通讯为主，只能通 过g p r s服务进行窄带的网络联接，无法满足大量数据传输 ( 如视频)的要求。 为了 满足更多更高速率的业务以及更高频谱效率的要求，同时减少目 前存在的 各大网络之间的不兼容性，一个世界性的标准未来公用陆地移动电话系统 f p l m t s ( f u t u r e p u b l i c l a n d m o b i l e t e l e p h o n e s y s t e m ) 应 运而生， 1 9 9 6 年， 国 际电信联盟 ( i t u)将该标准更名为 i m t 2 0 0 0 ( i n t e rn a t i o n a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s - 2 0 0 0 ) . i mt 2 0 0 0 支持的网络被称为第三代移动通信系统， 简称3 g . 3 g的主要目 标是要将包括卫星在内的所有网络融合为可以替代众多网 络功能的统一系统，并且实现宽带业务，完成全球无缝覆盖。它根据特定的环 境提供从1 4 4 k b i t/ s 到2 m b i t / s 的个人通信业务， 支持全球无缝漫游和提供宽带多 媒 体 业 务 n 气 第三代移动通信系统的主要特征为:高灵活性及频谱的高效利用:通信速 率应达到2 m b i t / s ，甚至更高:无缝隙全球覆盖及全球漫游;综合的系统 ( 蜂窝 移动通信、无绳电话等综合在单一的用户设备中)网络管理职能化;宽带和多 媒休服务;综合卫星链路;分层小区结构和多种通信环境。 第不 代移动通 信技术的主 要标 准有w c d m a , c d m a 2 0 0 0 , t d - s c d m a等， 都已 经投入或即将投入实用。 三个标准都各自 有自己的支持者，w c d m a可以 较方便的从g s m网络过渡而来，所以欧洲和亚洲一些原来使用g s m网络国家 都已经上马wc d m a . c d m a 2 0 0 0 是由原有的c d m a升级而来， 因此韩国已经 部署了 采用该标准的3 g网络。 t d - wd m a是我国唯一拥有独立知识产权的3 g 标准，因此受到我国政府的大力支持。 虽然3 g在传输速率上有很大的提高，但是3 g依然是以语音通讯为主，其 最高数 据传输窄 只 有2 m b p s ，无法满足用户更高 带宽的要 求。 而且当 初i t u制 订i m t 2 0 0 0 标准的时候， 希望是一个能够提供高速数据接入的全球统一的标准。 但是由于自身利益的驱动，各方争执不下，最后折中成了 wc d m a 和 c d m a 2 0 0 0 , t d - wd m a系列的3 大标准， 立即产生了 相互之间的漫游的问题. 此外， 用户在使用中的速率要求也没有得到很好的满足。此外，手机问题、与 原有网 络的兼容问题等等，都增加了人们对3 0的不满。 第二章 wma x技术及分析 2 . 3 . 4 wi ma x与其他几种无线宽带技术的比较 2 . 3 .4 . 1 wi ma x与3 g的比较 对比wi m a x和3 g技术，我们可以总结出以下几点: 从标准化程度上看，wma x仅定义了空中接口的物理层和 m a c层。在 ma c层之上采用的协议以及核心网部分不在 wi ma x所包含的范围之内。3 g 技术作为一个完整的网络，空中接口规范、核心网系列规范以及业务规范等都 已经完成了标准化工作。 从业务能力上看，wi ma x定位于城域网，而 3 0定位在广域网。wi ma x 提供的主要是具有一定移动特性的宽带数据业务，面向的用户主要是笔记本终 端持有者。 wma x技术的开发者旨在突出其在高速率数据传输上的优势，因此 它的设计可以有力地支撑不同类型的业务，包括v o 1 p业务，已具有某些4 g技 术的特点。3 g从设计最