（通信与信息系统专业论文）wimax宽带无线城域网系统的设计与实现.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 回顾过去十年，无线通信的蓬勃发展正从各方个面改变着我们的 生活一一从只支持窄带语音业务的2 g 蜂窝电话，到可以提供无线 i n t e m e t 接入的3 g 网络，到可以提供最后一公里解决方案的b w a ， 再到将有线网络的速度无线化的w l a n 。高速增长的i n t e m e t 和多媒 体业务，推动着无线通信速率从几十k b p s 发展到几十m b p s 甚至更 高。w i m a x 技术的出现正好满足了人们对无线i n t e r n e t 的需求，如果 说无线局域网解决了“最后一百米”的接入问题，那么w i m a x 技术 则是“最后一公里 接入的最佳解决方案。 ：在诸多可以应对宽带无线信道挑战的物理层技术中，o f d m 具有 更高的频谱利用率和更强健的抗多径衰落能力，被证明是宽带无线系 统最有效的物理层调制技术。本论文将重点研究w u m a x 所支持的 o f d m 物理层调制技术和o f d m a 多址技术的设计与实现。 w i m a x 网络管理系统采用s n m p 协议，并基于m a n a g e r a g e n t 模型而设计。本论文主要研究系统设计以及e m sm a n a g e r 和 e n v o y s n m pa g e n t 的设计与实现。 m d i 作为m a c 与p h y 的通信桥梁，对系统的性能有着举足轻 重的影响。本论文还将研究m d i 的设计：实现和性能。 关键词：w i m a x ，i e e e 8 0 2 1 6 ，m d i ，o f d m a ，网管系统 第i 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fw i m 【a xb r o a d b a n dw i r e l e s s m 睑ns y s t e m a b s t r a c t i nr e t r o s p e c tt ot h ep a s td e c a d e ，t h et h r i v i 埏d e v e l o p m e n ti nw i r e le s s c o m m u n i c a t i o n sh a v eb e e nc h a n g i n go u rl i f ei na l la s p e c t s f r o m2 gc e l l p h o n e st h a ts u p p o r to n l yn a r r o wb a n dv o i c e ，t o3gn e t w o r k st h a tp r o v i d e m o b i l ei n t e m e ta c c e s s ，t ob w a sm a to f f e rt h el a s tm i l ew i r e l e s sa c c e s s s o l u t i o n s ，a n dt ow i r e l e s sl a n st h a te n a b l ew i r e l i n en e t w o r ks p e e d w i r e l e s s l y t h er a p i dg r o w t ho fi n t e r n e ta n dm u l t i m e d i as e r v i c e sh a sb e e n d r i v i n gt h ew i r e l e s sd a t ar a t ef r o mt e n so fk b p st ot e n so fm b p sa n de v e n b e y o n d s u c hb o o m i n gd e m a n d sp r o v i d ead r i v i n gf o r c ef o rt h el a r g e s p a no fr e s e a r c hi nh i g hs p e e dw i r e l e s ss y s t e m s w i m a xt e c h n o l o g y s a t i s f i e st h en e e do fw i r e l e s si n t e r n e t w l a nr e s o l v e st h ep r o b l e mo fl a s t h a n d e r dm e t e r sa c c e s s ，a n dt h e nw i m a xw i l lb e c o m et h eb e s ts c h e m eo f 第i i 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 l a s to n ek i l o m e t e ra c c e s s a m o n gm a n yp h y s i c a ll a y e rt e c h n i q u e sd e v e l o p e dt oc o p ew i t ht h e b r o a d b a n dr a d i oc h a n n e l sc h a l l e n g e s ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) h a sb e e np r o v e nt ob et h em o s tc o s te f f e c t i v e m o d u l a t i o ns c h e m ef o rb r o a d b a n dw i r e l e s s s y s t e m s d u et oi t s h i g h s p e c t r a le f f i c i e n c ya n di n h e r e n tr o b u s t n e s sa g a i n s tm u l t i p a t hf a d i n g ：t h i s p a p e rw i l lf o c u so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo f d mp h y a n d o f d m am u l t i ：c c e s st e c h n o l o g ys u p p o r t e db yw i m a x s y s t e m t h en m ss y s t e mo fw i m a xa d o p t ss n m pp r o t o c o lw h i c hi s d e s i g n e db a s e d o nm a n a g e r a g e n tm o d e l t h i sp a p e rw i l lp r e s e n tt h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw i m a xn m ss y s t e ma r c h i t e u c u r e ，e m s m a n a g e ra n de n v o y s n m pa g e n t m c ud s pi n t e r f a c e ( m d i ) i st h eb r i d g eb e 锄；e e nm c ua n dd s p c o m m u n i c a t i o n s ，w h i c ha f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y t h e d e t a i l e dd e s i g no fm d ii sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , w i t hi m p l e m e n t a t i o n a n dt e s t i n gm e t h o d k e yw o r d s ：w i m a x ，i e e e 8 0 2 1 6 ，m d i ，o f d m a ，n m s 第i i i 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图 图1 1 ：目前主要无线网络的比较1 图1 2 ：w i m a x 系统组成1 0 图1 3 ：w i m a x 系统的网络体系结构1 1 图1 - 4 ：采用3 扇区( 1 5m h z ) 或4 扇区( 1 0m h z ) 方式组网1 2 图2 1 ：w i m a x 系统结构1 6 图2 2 ：系统硬件设计1 7 图2 3 ：系统软件设计1 9 图2 4 ：b s p 和底层驱动2 0 图2 5 ：驱动开发硬件模块。2 1 图2 - 6 ：m a c 软件模块2 3 图2 7 ：协议流程2 4 图2 8 ：网管系统o ：。2 4 图3 1 ： 图3 。2 ： 图3 ，3 ： 图3 - 4 ： 图3 5 ： m d i 模块功能。0 ：2 5 m d i 功能2 6 m d i 与d s p 接口2 7 m d i 与m c u 接口2 9 m d i 功能测试31 图4 1 ：o f d m 物理层系统结构3 5 图4 2 ：t d d 定时和帧结构3 6 图4 ：3 ：o f d m a 的d s p 算法实现：。：3 7 图4 4 ：卷积编码器3 7 图4 5 ：基站发送下行数据流程图。3 8 图4 6 ：基站接收上行数据流程图3 9 第v i i 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图5 1 ：端到端的网管结构4 0 图5 2 ：基于t m n 分层模型的网管系统架构4 1 图5 。3 ：n m s 软件体系结构4 2 图5 4 ：b e m s 通信机制4 4 图5 5 ：添加消息流程图4 5 图5 6 ：删除消息流程图4 6 图5 7 ：修改消息流程图4 6 图5 8 ：w i m a x 分布式网管系统结构：4 7 图5 - 9 ：基站n m sa g e n t 层次结构图4 9 图5 1 0 ：s n m p 代理模块5 1 图6 1 ：系统测试结构图5 6 第v i i i 页 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：名勿枷日期：2 刃6 爱21 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：孝勿格日期：2 石 2 1 。 导师签名： 藐w 日期：工c 膨；2 ，f 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 i , i 宽带无线网络技术分析 当前尢线逋信技术的发展，形成j 移动通佰觅帝数据化矛口数据通信无线移 动化两大趋势。各种宽带无线网络技术正促成着这两大趋势的不断发展和融合， 为我们营造着未来的无线移动城市生活。 就覆盖范围来看，目前的无线接入系统可以划分为从无线个人域网 ( w p a n ) ，无线局域网( w l a _ n ) ，无线城域网( w m a n ) 和无线广域网 ( w w a n ) 。如下图所示。 ；i 董曩叠_ 誊：7 蔓参薹豢囊曩i i 。， ，：蒸裂i 矧舞愚慧帮蘩豢敲誉 鬻辫琴占黼e b 6 e j 。 曩一霉i 爹誊缫睁d ) 誊登掣。薹篓? 鬻：! ：| ；9 型m l 、| ；、：， 爨i e e 寥e 瞪8 0 秒2 1 6 n e ；穗i e e 旭e 8 0 。2 m 1 删6 。黑_ jh e t ! p s e i m h i p c e c r m 垂a 蠹n 童j i j l 篓蒸攀鬻强 攀| j ：爹 j ! 二? ，- f ：e e8 0 2 11 譬l a n ：w i r j ：鍪；野譬魏二 蓑羹墓爹e l e s s e a n i 1p e r l n 。i ，一? + 毫 o i ；黼。j曩。嚣霉掣 。誊i ，毛i e e e 、8 0 2 , 2 蕺；i ji e e e e t s i 。_ 鞭t j j蘸i ： ”：； 互_ 姜著8 0 2 15 p a i n i h i p e r p a n j 誊誊一一 董爹 * 曩。二i j b l u e t o o t h l o 书。= 1 _ ；i i 一：it ：撼；? | 。= 薯 1 。j 一i i 、 一= 。= 利誊j 毫薯i 。= 图1 一】：目前主要无绂网络的比较 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) 两 个世界范围内最具影响力的标准化组织分别制定了相应的无线接入系列标准。 i e e e 8 0 2 1 5 和i - i i p e r p a n 构成了p a n 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，通常形像描述为“最后1 0 米 的通信需 求，如手机和蓝牙( b l u e t o o t h ) 耳机之间的无线连接。 i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 构成了l a i n 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，形像描述为“最后一百米”的通信需求，如 企业网和驻地网。由大批业内顶尖制造商参加的晰。f i 联盟，其目标正是为了 1 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 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 c c e s s 构成了m a n 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w i 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2 g ，3 g 蜂窝移动通信系统构成了w a n 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。 目前用于宽带无线网络接入的主要技术有2 g 3 g 电信网络，8 0 2 1 1 协议族 ( w i f i ) ，8 0 2 1 6 协议族( w i m a ) ( ) 。下面将对其中一些技术作详细讨论。 1 1 1 第三代移动电话通讯系统 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“短消息”服务进行很小量的数据传输，或通过g p r s 服务进行窄带的网络 联接，而无法满足大量数据传输( 如视频) 的要求。第三代移动通信技术主要 有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 等，第三代移动通讯系统，依然是以 语音通讯为主，虽然可以在高速移动下保持通讯，但最高数据传输率只有 2 m b p s ，无法满足移动城市的要求。因此，当前只有通过基于i p 技术的无线网 络系统才能满足以数据通讯为主的移动城市的要求。当前基于i p 技术的无线网 络系统主要有w i f i 和w i m a x 等。 1 1 2w i f i 技术 晰f i 是目前发展很快的基于p 的无线网络技术。它的特点是带宽较高但 通讯范围小，因此主要用于小范围的无线通讯，被定义为无线局域网，能在一 定程度和范围内满足移动城市的要求。但w i f i 技术也存在着以下不足之处： 众所周知w i 。f i 存在着严重的安全隐患，因此无缘2 0 0 4 年雅典奥运会和 2 0 0 2 年盐湖城冬奥会。 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 w i f i 的特点决定了一个区域只能有一套系统，否则会产生干扰。而多个运 营商之间的计费、漫游也成为了拦路虎，无法想象从一个接入点到另一个 接入点，要不停地变换用户的交费模式。 w i f i 受传输距离小的限制，只能在接入点周围很小的范围内使用，使每个 w i 。f i 接入点成为网络孤岛，很难覆盖整个城市范围。 w i f i 也无法在高速移动下使用，这样使城铁和公共汽车等公交系统成为了 网络盲区，无法真正实现移动城市。 1 1 3w i m 趿技术 w i m a x 全称为w o r l d i n t e r o p e r a t e b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波 接入互操作性。w i m a x 联盟是8 0 2 1 6 标准的推动者，还为i e e e 8 0 2 1 6 的一致 性和互操作性做出了重要贡献，目前业界所指的w i m a x 技术实际上就是 i e e e 8 0 2 1 6 技术，涵盖了i e e e 8 0 2 1 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 。 w i m a x 是一项无线城域网( w m a n ) 技术，是针对微波和毫米波频段提 出的一种新的空中接口标准。w i m a x 网络的优势决定了它将是未来无线通信网 络的重要组成部分。w h m a x 的技术优势主要有以下几点： 可以实现更远的传输距离 w i m a x 所能实现的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络 覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍，只要少数基站建设就能实现全城覆盖，这样就 使得无线网络应用的范围大大扩展。 可以提供更高速的宽带接入 w i m a x 所能提供的最高接入速度是7 0m b p s ，这个速度是3 g 所能提供的 宽带速度的3 0 倍。对无线网络来说，是一个惊人的进步。 提供优良的最后一公里网络接入服务 作为一种无线城域网技术，它可以将w i f i 热点连接到互联网，也可作 为d s l 等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。w i m a x 可 3 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 在广大区域内提供服务，用户无需线缆即可与基站建立宽带连接。 提供多媒体通信服务 由于w i m a x 较之w i f i 具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电 信级的多媒体通信服务。 1 1 4w i m a x 与其他技术比较 w c d m a ( 宽带码分多址) 以其技术优势成为3 g 的主流技术之一，并且 就目前看来，将要采用w c d m a 技术作为第三代通信标准的国家是最多的。 h s d p a h s u p a ( 高速下行上行分组接入) 技术是w c d m a 的增强版，可以提 供更高的链路传输能力。w i m a x 与w c d m a h s d p a h s ) a 在业务和技术方 面的比较如下表所示： 表1 - 1 ：w i m a x 与w c d m a h s d p a h s u p a 技术比较 砌a xw c d 删h s d p a h s u p a 国家无委分配的3 g 核心频段 主要工作频段8 0 2 1 6 e ：2 6 g h z 许可频段 以及补充频段 支持1 2 5 m ( 或1 7 5 m 、1 5 信道带宽峋水2 n ，其中1 2 为0 - - 4 正整数； 1 2 5 m ，5 m 一般采用大于5 m 5 m 带宽时，可达 用户下行速率1 0 m 带宽时，平均可达3 0 m b p s 14 m b p s ( h s d p a ) 5 m 带宽时，可达5 7 6 m b p s 用户上行速率 i o m 带宽时，平均可达3 0 m b p s ( h s u p a ) 每个蜂窝的下行速 窒 1 0 m 带宽时，平均可达3 0 m b p s5 m 带宽时，可达1 4 m b p s 每个蜂窝的上行速 窒 1 0 m 带宽时，平均可达3 0 m b p s5 m 带宽时，可达2 m b p s 标准支持5 b p s ，除去开销，最高 频谱利用率 最高到2 5 b p s h z s e c t o r 能达到3 b p s h z s e c t o r 覆盖范围l - 一3 k m ( 与频段有关)1 3 k m ( 与频段有关) 移动性 12 0 + k m h2 5 0 k m h o f d m、o f d m a、 核心技术c d m a 、h a g q 、a a s 、m i m o a a s m i m o h a r q l d p c 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 切换的支持 支持支持 宽带低速移动数据业务为主，支 业务定位语音、数据等混合业务 持v o i p q o s 支持接入网q o s 比较完备 正在完善 终端类型m o d e m ，插卡，p d a ，手机手机，插卡，p d a 产品价格较低相对较高 8 0 2 1 6 e 正在提交文稿，即将完 基本完成但w c d m a o f d m 标准化程度标准处在预研阶段，标准的成 成 熟至少要到2 0 0 8 年之后 是否有专利? 专利有一些专利技术。主要集中在一些国际著名厂商 所有公司?但是专利技术比较分散手中 w c d m a 产品基本成熟：但 产品成熟度和商用 未成熟 h s d p a ( 2 0 0 2 年) 产品的商用化 化程度进度与w i r n a x 差不多 h s u p a ( 2 0 0 5 年3 月规范发布) 是否需要频率管制可不需要，最好需要需要 是否需要电信业务 需要需要 许可 现在的无线接入技术如雨后春笋一样种类繁多，除了上述的3 g 技术外， 还有比如m i v l d s ，l m d s 等等。m m d s ( 无线微波多点分布式系统) 技术也是 一种无线通信技术，这种技术是最近才发展起来的通过无线微波传送有线电视 信号的一种新型传送技术。l m d s ( 本地多点配送服务) 是一种利用无线电超 高频波段在市内发送电视节目的业务。w i m a x 与这些技术的比较见下表。 表1 - 2 ：w i m a x 与其它技术的比较分析 m m a xm 呱sl m d s 1 0 g h z ，典 使用频段频段和3 5 g h z型应用在 1 0 6 6 g h z 许2 4 38 g h z 可频段 p t p p m 殴非 接入能力视距传输视距传输 视距传输 5 1 5 k m ，最3 。7 约n ，最远 传输距离最远5 k m 远5 0 1 5k m 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 5 小结 单载波的数 单载波的数 系统容量 最高7 0 m b p s据带宽在 据带宽在 3 0 m b p s ，最 1 0 m b p s 高1 5 5 m b p s 经对比可知，对于8 0 2 1 6 e 技术和3 g 技术，首先由于定位的不同，w m a x 定位于城域网，而3 g 定位在广域网。 从标准化程度上看，8 0 2 1 6 仅定义了空中接口的物理层和m a c 层。在 m a c 层之上采用的协议以及核心网部分不在8 0 2 1 6 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，涉及无线传输、移动性管理、业务应用、用户号码管理 等内容。 从业务能力上看，8 0 2 1 6 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和8 0 2 1 6 终端持有者。8 0 2 1 6 接入i p 核心 网，w i m a 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 i p 业务，已具有某些4 g 技术的特 点。3 g 从设计最初就是为话音业务和数据业务共同设计的，首先保证提供大容 量高质量话音业务的需求，在此基础上提供分组数据业务。某种程度上8 0 2 1 6 牺牲了移动性换取了数据传输能力的提高，它的数据带宽优于3 g 系统。 w i m a x 传输速率可达到3 g 的1 0 倍甚至更高，当然这不是3 g 标准的以无 线广域网w w a n 为基本模式、以公众语音及多媒体数据为内容、在全球范围 内漫游的个人手机终端的基本市场定位，本质上w i m a x 是作为3 g 及3 g 演进 的一种无线城域网、多点基站互联的重要支持手段，两者潜在的市场尺寸亦有 巨大差异。 从覆盖范围上看，8 0 2 1 6 为了获得较高的数据接入带宽( 8 0 2 1 6 支持 3 0 m b p s 的速率) ，必然要牺牲覆盖和移动性，因此8 0 2 1 6 在相当长的时间内将 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 主要解决热点覆盖，网络可以提供部分的移动性，主要应用会集中在游牧或低 速移动状态下的数据接入。3 g 则是无处不在的网络，覆盖是连续的，用户可以 实现不间断的通信。 从以上各个角度的分析可以看出，8 0 2 1 6 在数据能力上要优于3 g ，而在 语音业务，具有高速移动性或严格q o s 要求的业务上，3 g 将具有明显优势。 从标准化、全球统一频谱、技术特性等多角度考虑，8 0 2 1 6 距离真正商用还有 很长的路要走，而且在相当长的时间内主要解决热点覆盖，解决部分移动性。 它的应用在3 g 之后。 w i m a x 与w i f i 、3 g 的确具有很多重叠的功能，具有和w i f i 、3 g 竞 争的关系，但他们可能更多是一个互补关系。这是因为w i f i 、w l m a x 、3 g 分别针对的是无线局域网、城域网、广域网，具有不同的市场定位。未来w i m a x 与其他无线网络技术很可能是共存于市场，就如同今天移动通信的g s m 和 c d m a 制式共存一样。 ： 需要注意与强调是w ：m a x 的基本市场定位目标是无线城域网。w i m a x 集 成了无线宽带接入的移动性、灵活性以及传统有线宽带接入技术的高带宽性、 安全性和服务质量，是公认有望成为“最后一公里宽带接入”的无线终结方案。 1 2 架构w i m a x 宽带无线网络平台的战略构想 针对无线网络的业务需求和建设原则，设计宽带无线平台系统时需要充分 考虑系统的安全性、高机动性、易管理性、可扩展性等，保证系统运行的可靠 与安全保密，建立经济合理、资源优化的系统。 1 2 1 设计原则 1 2 1 1 高效性与系统稳定性 w i m a x 系统中采用o f d m ，m i m o 等先进的技术改善非视距性能，出众 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 的系统增益提供更强的远距离穿透阻挡物能力。w i m a x 基站系统可以提供最高 每扇区7 5 m b p s 的吞吐量，可以同时为超过6 0 个t 1 级别的商业用户和上百个 d s l 数据速率的家庭用户提供接入服务。每个基站的覆盖范围最大可达5 0 公 里，典型的基站覆盖范围为6 1 0 公里。w i m a x 系统支持自适应调制和可变纠 错码技术，基站可以根据信号的强弱在吞吐量和覆盖范围之间进行权衡。 w i m a x 系统信道带宽可以根据实际的需求进行调整，从而更有利于抵抗干扰、 节省频谱资源和频谱规划。在无线电波采用同样频宽的条件下，调制技术直接 关系到无线传输的实际性能。w i m a x 采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 三项调 制技术，根据传输距离的远近以及稳定性等因素，w i m a x 可智能决定使用哪种 调制技术。通过使用健全的调制方案，w i m a x 能以较高的频谱效率提供较大的 长距离吞吐率，根据连接情况，基站还可以自动牺牲吞吐率来确保稳定性，比 如不能使用6 4 q a m 建立稳定的连接时，改为1 6 q a m 便可加大有效传输距离。 为了让运营商对服务拥有更多的控制权，w i m a x 允许对通讯带宽的频率 分布进行调整，根据用户需求提供速度和服务范围。比如某基站被分配到 2 0 m h z 的通讯频谱，使用者可以把它划分成平均为二、或者平均为四的通道， 从而为用户提供不同的连接速度。 w i m a x 基站和终端都具备极其完善智能的处理机制，不但可以自动搜寻 网络，建立连接，还可以通过基站和终端的自动参数测量以及信息交互，将系 统参数和编码方式调整到最佳状态，保证了数据传输的高效和稳定。 1 2 1 2q o s 机制完善 w i m a x 支持多种多媒体业务，采用面向连接机制，其端到端的q o s 机制 显得尤为重要，基于数据业务的业务流管理成为w i m a x 的最关键问题之一。 为了提高通讯服务质量，w i m a x 系统引入了t d m a 上行协议，可以对用户接 入网络进行智能控制，不但改善了系统的时延特性，提高了服务的可靠性，还 可以提供优质的语音和图像服务。 r 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 w i m a x 支持四类服务，包括主动授权业务，实时查询业务，非实时查询 业务和尽力而为业务。 1 2 1 3 高度数据安全 除了速度和传输距离，无线网络的安全性也是用户关心的焦点，w i m a x 系统提供了完善的加密机制。支持1 2 8 位、1 9 2 位及2 5 6 位加密系统，支持从 w e p 、t k i p 到a e s 的加密协议。通过使用数字证书的认证方式，进一步加强 了密钥管理的安全性能。w i m a x 系统对客户端实行多级密钥认证管理，具有非 常高的安全性，确保了无线网络内传输的信息得到完善的安全保护。 1 2 1 4 完善的网络管理 w i m a x 支持s n m p v 2 0 网管协议，基站具备汇聚终端设备网管信息的功 能。支持r f c l 2 1 3l v f f b i i 、r f c1 7 5 7r m o nm i b 以及针对w f l v l a x 系统特性特 有的m i b 。w i m a x 实现了五大网管功能。 1 2 1 5 扩展性能 w i m a x 系统新增扇区简易，灵活的信道规划使容量达到最大化，并且允 许运营商根据用户的发展来逐渐升级扩大网络。灵活的信道带宽规划适应于多 种频率分配情况。从单个用户到数以百计的用户，w i m a x 系统都可以保持高效 的分配机制。 1 2 1 6 混合组网 为了实现“全网大覆盖，区域密集覆盖”，单单利用现有的任何一种技术 肯定是没有办法达到最佳的效果。我们建议采用“有线无线资源互补，骨干和 热点相结合”的办法，多种技术混合组网，发挥每种技术的优势，力求达到一 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 个性价比最高的解决方案。具体设计思路如下： 骨干连接 城域网中，骨干网的建设是最基本的，也是最重要的。目前我国的有线资 源非常丰富，但是也有部分区域并没有光纤资源。根据现状，我们建议采用有 线和无线互补的方式组网。因为无线传输具有高带宽，安装方便，使用灵活等 特点，在城区依靠基于w i m a x 技术的宽带无线接入产品对整个城市做一个类 蜂窝覆盖，并且适当和有线光纤资源进行整合，保证不重复投资。 热点区域 通过无线城域网，我们将传输资源引到城市的热点地区，比如f 1 赛车城， 世博会园区等经常举办大型展览，会议的地区。在这些热点区域内部需要用其 他技术手段进行覆盖。光纤，d s l ，w l a n 等技术都可以很好地解决。主要建 议采用价格低廉，性能成熟的产品进行密集覆盖。 1 2 2w i m a x 系统组成 基站 图1 - 2 ：w i m a x 系统组成 1 w i m a x 基站：类似于手机基站，一个w i m a x 基站由基站主机和天线构成。 天线一般架设在相对位置较高的楼宇顶部或天线塔上，在非视通的环境下 可以覆盖2 3 公里，而在近视通环境下可以覆盖到3 0 公里范围。 天线经由馈线和主机相连。主机包括基带处理板卡和射频处理板卡两部分。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 基带板卡连接骨干i p 网络，完成对基站的配置管理、数据收发和数字模拟 信号转换的工作；射频板卡在基站天线和基带板卡间收发模拟信号，并控 制信号的强度和频率。 2 w i m a x 接收端：接收端包括天线可能具有多种形态和接口，例如装在一个 小盒子内的无线m o d e m ，p c m c i a 卡，或者是内置w i m a ) ( a s i c 芯片的视频手 机、便携电脑、多媒体数字互动机等。 图1 - 3 ：w i m a x 系统的网络体系结构 将基站连接到现有的骨干网络上，是对d 核心网络的一种无线延伸。系 统采用的o f d m 技术目前被认为是频带利用率最高的复用技术之一，能够提供 最高达到2 0m b p s 的网络速率。在视通情况好的郊区，覆盖半径可超过1 0 公 里，在城区则在3 5 公里左右。每个扇区支持最多5 0 0 个用户。另外，o f d m 复用技术属于多载波传输技术，因此，在抗多径衰落和窄带干扰方面，性能尤 为突出。 i 每个扇区所需带宽为5 m h z ，实际使用带宽为4 0 9 6 m h z ，在信号通带的 两侧各有4 5 2 k h z 的保护带。为了扩大业务覆盖面积和提高频率的使用效率， 可以通过无线规划设计和组网技术，如采用特殊的蜂窝结构设计。理论上，使 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 用5 m h z 的带宽便可以实现对任何区域的全覆盖，但是在实际情况中，较好的 组网规划一般需要1 0 1 5 m h z 带宽。 无分区三分区四分区 ，、 ，、2 每个c e l l 5 或1 0 m h 每个分区3 ，5 或1 0 m h 每个分区2 5 ，5 ，1 0 或1 5 m h 图1 - 4 ：采用3 扇区( 1 5m g z ) 或4 扇区( 1 0m h z ) 方式组网 本系统采用纯p 的网络构架，通过无线连接用户终端，可以同时支持数 据、语音和多媒体业务，非常便于管理，组网简单，造价低廉，易于扩容。使 用动态资源分配算法，系统可以同时为固定的、便携的和移动的用户提供最优 的无线宽带服务。举例来说，作为公安专网的基站即可以为作为3 、4 级公安专 网为派出所和报警点提供宽带接入，而同时又能够支持巡逻警员和移动警车的 网络需求。在时速1 0 0 公里的时候，接入速率仍可以达到1 m b p s 。 1 。2 3 终端应用模式 按照终端的移动性，w i m a x 网络可分为以下2 种应用模式： 1 固定终端接入模式 该模式主要解决政府、写字楼、宾馆饭店、居民小区等建筑的集团网络接 入问题，作为无线方式的延伸，个体用户在室内可应用w i f i 网络实现通讯。 另外，该模式还可以应用于实时监控等特殊应用场景。 2 移动终端接入模式 该模式主要解决车载用户、室外用户等移动条件下用户的通信要求。另外， 由于移动接入模式的灵活性，这种方式还可以广泛应用于数字奥运配套通信系 统、应急通信、抢险指挥等复杂条件。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本人主要研发工作 本项目的任务是架构和实现w i m a x 宽带无线网络系统平台，包括w i m a x 基站( b s ) 和w i m a x 用户站( s s ) 。主要研发任务包括基站和用户站上硬件和 软件的设计与开发，其中软件部分研发任务包括底层驱动，物理层，媒体接入 控制层( m a c ) ，网络层和网管系统的设计与开发。本人的主要研发工作包括： 1 底层驱动的设计与开发工作。其中本人主要负责m d i 模块的设计与开发。 m d i ( m c ud s pi n t e r f a c e ) 是物理层与m a c 层之间的p c i 总线接口，是 m c u 与d s p 之间的通信桥梁。 2 物理层的设计与开发工作。其中本人主要负责o f d m a 物理层的设计与实 现，同时负责物理层与m a c 层接口部分的实现。 3 网管系统的设计与开发工作。本人主要负责w i m a x 网管系统中a g e n t 的设 计与开发，同时负责a g e n t 与m a n a g e r 通信接口部分的设计与开发工作。 4 系统测试工作。在系统集成过程中，本人主要负责物理层与m a c 层韵集成 工作，设计集成方案并进行实时测试。在系统测试过程中，本人负责系统测 试方案的制定，并完成部分系统测试工作。 1 4 论文的安排 本文后续章节的安排如下： 第二章w u m a x 系统网络架构 这一章重点介绍w i m a x 系统网络架构，包括硬件结构设计和软件体系架 构。其中对于软件结构，将迸一步从不同协议层作具体介绍，包括底层驱动， 物理层，m a c 层，网络层以及网管平台。 ： ， 第三章m d i 的设计与实现 m d i 模块是底层驱动的一部分，本章将重点介绍m d i 模块作为m c u 与 d s p 之间通信桥梁的功能，并从设计和实现的角度分别讲述m d i 模块与d s p 、。 13 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 和m c u 之间的通信机制。此外，本章还将对m d i 模块的测试方法加以介绍。 第四章w i m a x 物理层的设计与实现 w i m a x 的物理层可以有多种实现，而其中o f d m a 技术被认为是最适用 于无线网络的物理层技术。本章将重点介绍o f d m a 技术原理，以及基于 0 f d m a 技术的w i m a x 物理层的d s p 设计与实现。 第五章w i m a x 网管系统的设计与实现 w i m a x 网管系统采用s n m p 协议，实现了m a n a g e r a g e n t 模型。本章重 点介绍t m n 电信管理网模型，继而介绍基于t m n 模型设计的w a l a x 网管系 统模型，以及基于这种模型的e m s 管理端和e n v o y s n m p 代理端的设计与实现。 第六章系统测试与性能分析 在前面章节的基础上，本章将重点介绍本w m a ) ( 系统的功能性测试和性 能测试的方法和结果，并对系统性能加以分析。 北京邮电大学硕士学位论文第二章w i m a x 系统网络架构 第二章w im a x 系统网络架构 w i m a x 宽带无线接入网络架构至少包括基站( b s ) 、用户站( s s ) 和网管平 台，其核心设备是b s 和s s ，它们为用户提供宽带无线接入。连接到s s 的终 端用户利用s s 提供的服务，通过空中接口，继而利用b s 提供的服务访问核心 网路。 本项目重点研究i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准，设计并实现基于8 0 2 1 6 d 固定宽 带无线接入技术的w i m a x 宽带无线接入系统。数据系统架构如图2 。1 所示， 通过基站( b s ) 和远程终端( r t ) 为用户提供宽带无线连接，以代替传统的铜 线连接。该架构所支持的网络层协议是p 协议，远程终端将实现i p 网关功能， 每个用户驻地设备都会从其r t 的网络地址空间中分配得到一个地址。对下 行数据包基站执行路由功能，通过空中链路将数据包转发到正确的终端，对上 行数据包基站只是将其转发到基站汇聚路由器( b a r ) ，而不关心其i p 地址。 数据服务中心( d s c ) 的路由器正常配置。 图2 1 ：w i m a x 系统结构 c p e ：用户驻地设备，属于用户的设备，比如p c 机或者电话等。