毕业设计（论文）-3G-WiMAX无线工程技术的研究与仿真.doc

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计） 题 目 3G-WiMAX 无线工程技术 的研究与仿真 学生姓名 指导教师 学 院信息科学与工程学院 专业班级通信工程 0505 班 完成时间2009 年 5 月 II 目录 目录 .II 摘要 .IV ABSTRACT .V 第一章 绪论 .1 1.1 研究背景.1 1.2 研究现状.1 1.2.1 WiMAX 的由来.1 1.2.2 WiMAX 发展现状.2 1.3 论文结构.3 第二章 WIMAX 技术及分析.4 2.1 WiMAX 的关键技术.4 2.1.1 WiMAX 的物理技术特点.4 2.1.2 WiMAX 物理层调制模式.5 2.2 几种无线宽带技术的介绍及分析 .6 2.2.1 WiFi 技术介绍.6 2.2.2 MESH-WiFi 技术介绍.7 2.2.3 WiMAX 技术与其他两种技术比较.8 第三章 模拟搭建 WIMAX 组网模型 .10 3.1 WiMAX 的组网技术.10 3.1.1 频率复用.10 3.1.2 认证计费.11 3.1.3 移动性管理 .11 3.2 WiMAX 的组网方案.11 3.2.1 应用模式的选择 .12 3.2.2 无线信道模型选择 .15 3.2.3 覆盖规划 .18 3.2.4 设备介绍及调试 .23 3.3 本章内容小结 .25 第四章 WIMAX 技术仿真.27 4.1 网络仿真方法与流程.27 4.1.1 准备阶段.27 4.1.2 模型设计阶段.27 4.1.3 网络仿真阶段.28 4.1.4 仿真结果分析阶段.28 4.2 软件选择及介绍.28 4.2.1 仿真软件选择.28 4.2.2 仿真软件 OPNET 介绍.29 4.3 基于 OPNET 的 WiMAX 网络仿真 .30 4.3.1 工程仿真.30 4.3.2 仿真结果及分析 .32 III 第五章 总结 .36 5.1 工作总结.36 5.2 展望 .36 致谢 .38 参考文献 .39 IV 摘要摘要 近年来，无线宽带技术蓬勃发展。随着技术的进步，无线宽带网的建设也开始 进入高速发展阶段。许多国家均在政府支持和电信制造商、运营商的积极投入下， 研究和建设各种不同类型的无线宽带网络。这当中，基于 WiMAX 技术的无线宽带网 由于传输速度快、覆盖范围广、抗扰能力强、灵活易部署的优点成为该领域研究的 热点。 本文中第一章明确了 WiMAX 概念和它的发展现状；第二章介绍了 WiMAX 的关键 技术，并通过对比 WiMAX、MESH-WiFi 和 WiFi 得出了 WiMAX 优势；第三章是介绍 WiMAX 组网要点，结合中南大学实际情况提出一系列具体方案；第四章是基于 OPNET 软件,对 WiMAX 工程技术进行仿真，完成了中南大学校园无线接入的仿真模型， 并对得出的结果进行简单分析；第五章是对全文进行总结，展望了 WiMAX 技术在下 一步可以进行的工作和改进。 关键词：WiMAX，无线宽带技术，OPNET 仿真软件，IEEE 标准 V ABSTRACTABSTRACT The wireless broadband technology has developed energetically in recent years.With the progress of technology,wireless broadband net construction is going into high speed development.Many countries are constructing diffe -rent types of wireless broadband net based on government support,telecom operators and manufacturers getting into the market.Because of its high speed transmission,wide cover range, good capacity of resisting disturbance,flexi -ble disposition,the wireless broadband net based on WiMAX became a hot spot in the studying field. Chapter one introduced the concept and development status of WiMAX. Then followed by Chapter two,the introduction of key technologies for WiMAX by comparing the advantages and disadvantages with other wireless broadband access techniques such as WiFi and MESH WiFi. Chapter three specified the WiMAX network main elements.Combined with the actual situation in Central South University I put forward a series of specific programs. In Chapter four,I finished the simulation model of CSU campus wireless access based on the OPNET software and WiMax simulation engineering technology, and draw a simple analysis of the structure.Chapter five summerized the whole paper, and set forth the development and improve of WiMax technology in the future. Key Words: WiMAX, Wireless broadband technology, OPNET, IEEE standards 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第一章 绪论 1 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。 今年中国 3 个 3G 牌照的发放，使得中国通信业进入下一个蓬勃发展的阶段。3G 无 线蜂窝系统的提出带给人们更大的系统容量和高速率、多速率数据传输。提供除语 音和数据之外的高达 2 Mbitps 的高质量活动图像。3G 无线蜂窝系统的目标则是提 供比目前 2G/3G 无线蜂窝系统更高的传输速率。能够提供多种数据业务，如交互多 媒体业务，基于 IP 的语音业务，网络游戏和视频会议等等。 另外无线宽带网也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，WiFi 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 几年 WiMAX 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 WiFi 的 WiMAX 联盟推广该项技术。经过这几年的快速发展，WiMAX 技 术渐渐走向成熟，并且已经成为 3G 四个标准之一。与 WiFi 技术相比，WiMAX 技术 具有覆盖范围大、传输速率高、部署速度快等优点。2006 年，世界上已经有八个国 家将 WiMAX 投入商用。正因为有如此重要的现实意义，基于 WiMAX 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。 于正在蓬勃发展的中国信息产业而言，WiMAX 技术的出现与发展是机遇与挑战 并存，如何充分发挥 WiMAX 的特点，并结合中国由于无线网络的现状，更好地发挥 自身的优势，为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 WiMAX 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。 1.2 研究现状 1.2.1 WiMAX 的由来 WiMAX 的全名是微波接入全球互操作性认证(Worldwide Interoperabiliy tfor Microwave Access)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。WiMAX 一词来源于 WiMAX 论坛。WiMAX 论坛是在 IEEE 工作组发布 802.16 系列 标准后，由业界领先的运营商、通信部件和设备公司于 2001 年 6 月成立的非营利 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第一章 绪论 2 性组织，它旨在推进 IEEE802.16 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 WiFi 联盟在推进 IEEE 802.11 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 WiFi 是 IEEE802.11 的同义词 一样，WiMAX 也成为了 IEEE802.16 的代名词，本文也将 IEEE802.11 的同义词一样， WiMAX 也成为了 IEEE802.16 的代名词，本文也将以它作为 802.16 的代名词。WiMAX 技术可以替代现有的有线和 DSL 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， WiMAX 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 WiMAX 论坛成员超过 350 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 WiMAX 论坛中的重要成员。 1.2.2 WiMAX 发展现状 在众多的宽带无线接入(BWA，Broadband Wireless Access)技术中，WiMAX 以 其独具优势的高速接入能力成为了业界追捧的宠儿。高数据率、高移动性，宽带实 现全球覆盖、实现对等的文件传输和其他应用，同时我们可以利用这种宽带技术来 实现其他多种多样的应用。另外一点在设计网络的时候，使用的方式是宽带的接入， 各种各样的用户都可以同时进行接入。正是由于这些优势使得 WiMAX 引起整个业界 的关注。 IEEE802.16 工作组是为制定无线城域网(Wireless MAN)标准成立的，该工作组 自 1999 年成立后，主要负责开发工作在 2-66 GHz 频带的无线接入系统空中接口物 理层 (PHY)和媒质接入控制层 (MAC)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 MMDS(Microwave Multipoint Distribution Systems,微波多点业务分布系统)、LMDS(Local Multipoint Distribution Systems，本地多点业务分布系统)等技术3。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：IEEE802.16.1 负责制定频率为 10-66GHz 的无 线接口标准；IEEE802.16.2 负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准； IEEE802.16.3 负责制定频率在 2GHz-1OGHz 之间获得频率使用许可权可应用的无线 接口标准。 以下是 IEEE802.16 工作组制定的几个标准1 2 5： （1）IEEE802.16:固定宽带无线接入系统空中接口标准，应用于 1O GHz-66 GHz 视距传输，2001 年 12 月发布。 （2）IEEE802.16a:固定宽带无线接入系统空中接口标准，应用于 2 GHz-11 GHz 非视距传输，2003 年 1 月发布。 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第一章 绪论 3 （3）IEEE802.16d:固定宽带无线接入系统空中接口标准 (2 GHz-66 GHz), 主 要是对 802.16/802.16a 的修订。2004 年 6 月在 IEEE802 委员会获得通过，以 802.16-2004 名称发布。IEEE802.16d 可以应用于 2 GHz-lO GHz 非视距 (NLOS) 传 输和 1O GHz-66 GHz 视距 (LOS)传输。 （4）IEEE802.16e: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 GHz-6 GHz 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 2005 年 12 月完成，以 802.16e-2005 名称发布。802.16e 的目标是能够向上兼容 802.16d，因此它的标准化工作基本上是在 802.16d 的基础上进行的。802.16e 目前 定位的目标速率为车速，一般可以支持 120 km/h 的移动速度。802.16e 目标带宽可 以高达 70 Mb/s.该标准还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。 表 1.1 IEEE802.16 工作组制定的几个标准的比较 标准802.16802.16a802.16d802.16e 发布时间2001 年 12 月2003 年 1 月2004 年 6 月2005 年 12 月 使用频段10 GHz-66 GHz 2 GHz-11 GHz2 GHz-66 GHz2 GHz-6 GHz 信道条件视距非视距视距+非视距视距+非视距 固定/移动固定固定固定固定+移动 覆盖的技术 领域 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 固定宽带无线 接入系统空中 接口标准 支持固定和移 动性宽带无线 接入系统空中 接口标准 信道带宽25/28 MHz1.25-20 MHz1.25-20 MHz1.25-20 MHz 传输速率32-134 Mbps (以 29MHz 为 载波带宽) 在 20MHz 信道 上提供约 75Mbps 的速 率 在 20MHz 信道 上提供约 75Mbps 的速 率 在 5MHz 信道 上提供约 20Mbps 的速 率 1.3 论文结构 本文先是介绍了 WiMAX 的基本情况，比如说是研究背景，WiMAX 的发展现状等 相关内容。第二章主要是介绍 WiMAX 的关键技术，再介绍与 WiMAX 相关的几种技术 比如说 WiFi 和 MESH-WiFi，再比较它们的相同点和不同点。第三章主要是介绍的是 WiMAX 的组网技术，再结合中南大学铁道校区的实际情况给出一个工程方案。第四 章主要是运用通信仿真软件 OPNET 的对 WiMAX 进行工程仿真，得出结果后进行相关 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第一章 绪论 4 分析。第五章是总结内容，得出 WiMAX 工程技术优势。 （和摘要重复了,是不是另外 写或不要此段内容） 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第二章 WiMAX 技术及分析 5 第二章 WiMAX 技术及分析 2.1 WiMAX 的关键技术 2.1.1 WiMAX 的物理技术特点 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 (TCL)和物理媒质依赖子层(PMD)组成， 通常说的物理层主要是指 PMD。 目前最通用的 IEEE 802.16d(802.16-2004)标准的工作频段定义分为两段：2 GHz-11GHz(用于非视距传输)和 1O GHz-66 GHz(用于视距传输)。802.16e (802.16e-2005)标准为了确保移动性，工作频段定义为 2-6 GHz。WiMAX 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 WiMAX 选定了首先 对工作于 2.4 GHz 频段、3.5 GHz 频段、5.8 GHz 频段这三个频段的 802.16d 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 2.4 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz 是运营商比较愿意采纳的频段。其中按照国际惯例， 2.4 GHz 和 5.8 GHz 是免授权频段;而 3.5GHz 是需要授权的。 WiMAX 系统支持 TDD(时分双工)和 FDD(频分双工)两种复用技术，在 IEEE802.16d 中，还规定了用户站可以采用半双工频分双工 (H-FDD)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(Burst)格式发送，支持自适应的突发业务数据。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。 WiMAX 能够提供高于 3 bit/second/Hz 的数据传输速率，IEEE802.16 并未规定 具体的载波带宽，系统可以采用从 1.25MHz-20MHz 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，IEEE802.16d 规定了几个系列: 1.25 MHz 的倍数,1.75 MHz 的倍数。1.25 MHz 系列包括 1.25/2.515/10/20 MHz 等: 1.75 MHz 系列包括 1.75/3.5/7/14 MHz 等。对于 10-66 GHz 的非视距固定无线接入 系统，还可以采用 28 MHz 载波带宽，提供更高的接入速率。 WiMAX 采用自适应调制、编码技术，支持 BPSK、QPSK、16QAM 和 64QAM 多种调 制技术。在信道编码纠错方面，IEEE802.16d 采用了截短的 RS 编码和卷积码级连的 纠错编码，并且还支持分组 Turbo 码、卷积 Turbo 码。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 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第二章 WiMAX 技术及分析 6 信道状态差时，可以选择例如 QPSK 低阶的调制方式，当信道状况好时，可以选择 例如 64QAM 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，IEEE802.16d 支持 多种多天线技术比如空时编码(Space-Time Coding,STC)，自适应天线系统 (Adaptive Antenna System,AAS)和多输入多输出(Multiple-Input Multiple- Output,MIMO)系统。MIMO 技术就是在 BS(Base Station，基站)和 SS(Subscriber Station，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。AAS 可以描述为一种波束成形技术。BS 使用天线阵列增加目标 SS 的 增益，同时减少其他 SS 或者干扰源的干扰。AAS 技术使用 SDMA 方法，得空间上分 开的多个 SS 能在同一时间使用相同子信道。通过使用波束成形，BS 能够将信号导 向到不同 SS，也能区分同一时刻来自不同 SS 的信号。 STC 和 MIMO 属于同一类技术，在发送端不需要知道信道信息，而 AAS 在发送端 需要知道信道信息。广义上来说，STC 使用多根天线发送、单根天线接收，应该也 属于 MIMO 技术中的一种。 使用多天线技术会带来以下几个优点： 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(CCIR)：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 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频 分复用）技术结合使用能够大幅度地提高覆盖范围和容量。 2.1.2 WiMAX 物理层调制模式 最早发布的 IEEE802.16 标准中使用单载波(Single-Carrier,SC)调制模式，因 此将其称为“WirelessMAN-SC” 。而后续颁布的 802.16a 和 802.16d 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 WirelessMAN-S单载波方式，但工作在支持非视距传输的 11GHz 以下频段，称为 “WirelessMAN-Sca” ；(2)256 载波正交频分多路复用(OFDM)方式: 这种方式采用频 率上等间隔的 256 个正交子载波进行调制，充分发挥了 OFDM 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” “Wireless MAN- 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第二章 WiMAX 技术及分析 7 OFDM” ；(3)2048 载波正交频分多址接入(OFDMA)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 “Wireless MAN-OFDMA” 。 WiMAX 的主要优点如传输速率快，抗干扰能力强都是因为采取了 OFDM 技术。 正交频分复用(OFDM)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，OFDM 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。 OFDM 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。 OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址） 和 OFDM 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。 OFDM 和 OFDMA 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，OFDM 和 OFDMA 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 几种无线宽带技术的介绍及分析 到目前为止，世界上的无线城市建设所采用的技术主要有三种，分别是 WiFi、MESH-WiFi 以及 WiMAX。这三种技术有着不同的技术特点，适用的范围也不 尽相同。 2.2.1 WiFi 技术介绍 IEEE802.11 标准在 1997 年由 IEEE 802.112 作组提出，该标准提供了三个物理 层规范，包括 2.4GHz ISM 免费频段中的红外线、1-2Mbps 跳频技术 (Frequency- Hopping Spread Spectrum,FHSS)和 1-2 Mbps 直接序列扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)，主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第二章 WiMAX 技术及分析 8 的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到 2 Mbps。由于它在速率和 传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE 于 1999 年又新推出了两个版本的 无线网络标准，IEEE 802.11a 和 IEEE 802.llb。除原 IEEE 802.11 的内容之外， 增加了基于 SNMP 协议的管理信息库(MIB)以取代原 OSI 协议的管理信息库，同时也 扩展了网络的传输速度。 IEEE 802.11b 使用开放的 2.4 GHz 频率，采用直接序列扩频和补偿编码键控 (Complementary CodeKeying,CCK)的调制方式，室内传输距离可以支持 100m, 传输 速率可以达到 11 Mbps，可以兼容 802.11。 IEEE 802.11a 工作频段为 5GHz 频段，物理层也采用 OFDM 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 54 Mbps。由于 802.11a 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 IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11b 标准之间互不兼容，为了解决这个问题， IEEE 又于 2001 年 11 月发布了 IEEE802.1g 协议，工作频段为 2.4GHz,规定的调 制方法有两种，包括 802.11a 中采用的 OFDM 与 802.11b 中采用的 CCK。通过规定两 种调制方式，既达到了用 2.4GHz 频段实现 IEEE802.lla 水平的数据传输速度，也 确保了和 IEEE802.11b 产品的兼容，工作距离为 80-100 米 (室内)，所以现在市场 上大多数无线网卡都支持 IEEE 802.11g。 2.2.2 MESH-WiFi 技术介绍 无线网络技术发展日新月异，各种新技术层出不穷，而 MESH-WiFi 就是基于 IEEE 802.11 技术发展而来的，它的全名是 Wireless Mesh Network，又称无线网 状网。无线网状网引入了对等网状拓扑的概念，可实现节点之间的无线通信，核心 指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号。这个概念解决了当今面临 的许多部署问题，比如进行广泛的以太网布线，支持新的部署模式等。传统的 WLAN 一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题由此迎刃而解。无线网状网技术的出 现，代 表着无线网络技术的又一大跨越，有极为广阔的应用前景。 无线网状网(WMN)由网状路由器节点和客户机节点组成，其中的网状路由器节 点组成了无线网状网的网络骨干，其移动性很小。它们一起为无线网状网和其它常 规无线网络的客户机节点提供网络的无线接入。WMN 技术结合了中心式控制的蜂窝 网与分布式控制的无线自组织网(Adhoc)的优点，可有效克服这两种技术的缺陷并 显著提高无线网络的性能，已经成为下一代无线通信网络的研究热点之一。WMN 可 为无线个域网、局域网、校园网、城域网的一系列应用提供高速无线宽带接入服务。 无线网状网也称为“多跳 (multi-hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第二章 WiMAX 技术及分析 9 不同的新型无线网络技术。在传统的 WLAN 中，每个客户端均通过一条与 AP 相连的 无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的 AP，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线网状网络中，任何无线设备节点都可 以同时作为 AP 和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都 可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于:如果最近 的 AP 由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量 较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到 与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是 多跳访问。 与传统的交换式网络相比，无线网状网去掉了节点之间的布线需求，但仍具有 分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线网状网络里，如果要添加新 的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并确定最佳 的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通 信路由，以获取最有效的传输路径。 2.2.3 WiMAX 技术与其他两种技术比较 WiMAX 与 WiFi 最大的区别是覆盖半径的长短7。WiMAX 的基站覆盖半径可达到 6000m 到 8000m，与之相比的是 WiFi 覆盖的半径只有 50m 到 100m，可见 WiMAX 的覆 盖范围更广。WiFi 在 MAC 层采用的是 CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突避免)协议， 比较适合突发性较大的业务如数据业务，可以提供较短的响应时间，但也使得 WiFi 不能象 WMAX 那样具备带宽动态分配的能力，而且如果一个 WLAN 内有一个传输速率 较慢的客户端，会使整个局域网的传输效率明显下降。从系统容量上看，WMAX 也有 显著的优势，一个 WMAX 基站可以同时接入数百个用户站。同时，WiMAX 可为同一用 户站提供多个业务流的传输能力。 MESH-WiFi（无线网状物）与 WiMAX 相比，多了 AP 接入和覆盖半径的差别。 MESH-WiFi 网络中 AP 相当于路由功能，但在 WiMAX 中已经不需要 AP，也是因为 WiMAX 得覆盖范围更广，不需要 AP 作为中继功能。MESH-WiFi 因为是基于 802.11 的无线网状物，所以拥有着 WiFi 相对的功能结构。 总之,与 WiFi、MESH-WiFi 相比，WiMAX 具有覆盖范围更宽、频段适应面更广、 伸缩性更强、QoS 和安全性能更高等技术优势。WiFi、MESH-WiFI 是基于无线局域 网 (WLAN)标准 ,主要用于室内、办公室或热点地区的近距离分布式的 Internet / Intranet 接入；WiMAX 是基于无线城域网 (WMAN)标准 ,主要用于固定和低速移动 下的高速数据接入服务。 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第二章 WiMAX 技术及分析 10 表 2.1 WiMAX、WIFI、MESH-WIFI 的比较 WiMAXWiFiMESH-WiFI 典型覆盖距离（km）30-50（视距） 4 -10（非视距） 0101 最大下行速率（Mbit/s）7554108 最大上行速率（Mbit/s）75543 可扩张性强中等中等 支持 QoS是否否 安全性强弱弱 成本逐步降低中等中等 建设周期短中等中等 从表 2.1 中可以看出 ,WiMAX 较理想的非视距传输特性、灵活的部署与配置伸 缩性、优秀的 QoS 服务质量和强大的安全性都使其成为无线城域网络理想的接入方 式。但是未来 WiMAX 与其他无线网络技术很有可能是共存于市场，因为他们市场定 位就不一样，就如同今天移动通信的 GSM 和 CDMA 制式共存一样。 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第三章 模拟搭建 WiMAX 组网模 型 11 第三章 模拟搭建 WiMAX 组网模型 3.1 WiMAX 的组网技术 参用通用的无线通信体系结构，WiMAX 网络参考架构可以分成终端、接入网和 核心网 3 个部分，如图 3.1 所示。在图 3.1 中，WiMAX 终端包括固、漫游和移动 3 种类型终端；WiMAX 接入网主要为无线基站，支持无线资源管理等功能；WIMAX 核 心网主要解决的客户认证、漫游等功能及 WiMAX 网络与其他网络之间的接口关系。 WIMAX 网络组网的关键技术就是频率复用方案、认证计费和移动性管理。 图 3.1 WiMAX 网络架构 3.1.1 频率复用 频率是一种稀缺资源，因此每个国家政府对于频率管理都十分严格。WiMAX 是 基于 802.16 网络建立的，所以它可以在可以 2 Ghz 到 50 Ghz 之间使用，但是实际 上 WiMAX 网络可以使用的频率是非常有限的。例如我国正使用的小灵通频段因为和 3G 频段有冲突，所以拥有近 1 亿用户的小灵通也将面临退市。所以在考虑运营业务 容量、频率干扰的前提下，运营商需要对 WiMAX 的网络频率进行全面规划。WiMAX 网络频率规划遵循通用的无线网络模型，但考虑到不同的应用场景，实际上存在不 同的方案。以 WiMAX 网络在固定接入方式的应用场合为例，固定接入可以充分利用 极化隔离和定向天线，其网络规划原则如下： (1)除非距离达到 5 到 7 倍程，或者两者之间存在较为明显的阻挡物，相邻站 点不允许出现相同方向的同频复用。如果必须要采取复用，可以采用不同的极化方 向以获得 20 db 的额外隔离度。 (2)同一站点，同一扇区，尽可能不使用邻频进行组网，尽可能错开一个角度， 以保证服务扇区内的注册频点为最佳。 (3)同一站点，同一扇区，不可以使用同频。 (4)同一站点，相邻扇区，不可以使用同频。在高性能天线的情况下，如果终 端（SU）的位置不在相邻两个扇区交叠边缘的前提下，可以使用同频交叉极化方式。 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第三章 模拟搭建 WiMAX 组网模 型 12 (5) 同一站点，相背扇区，在基站天线前后隔离度满足 30 db 的要求下，可以 使用相同极化的同频。 针对免许可证频段，IEEE 802.16 协议还规定了动态频率选择方案，同时 WiMAX 系统可以支持多输入多输出（MIMO） 、智能天下（天线） 、正交频分多址 （OFDMA）等技术，以降低频率干扰、增加网络容量。 3.1.2 认证计费 认证计费系统是 WiMAX 网络重要组成部分，即认证、授权和记账（AAA）是网 络安全策略的一个组成部分。典型的宽带用户 AAA 接入控制的实现过程如下：用户 端设备AAA 客户机AAA 服务器计费系统。WiMAX 网络用户认证过程也采取类似 的方案。AAA 客户机到 AAA 服务器之间通常采取远程拨号用户认证（RADIUS）协议； AAA 服务器和计费系统统一集中建设，以支持用户漫游和减少建设成本；用户端设 备和 AAA 客户机（如宽带接入服务器）之间多采用 PPPoE、802.1X、WEB 认证等等。 目前，WiMAX 网络组建采用单独建网、数据城域网叠加、移动蜂窝网等几种方 案，因此 WiMAX 网络的 AAA 客户机、AAA 服务器和计费系统可以借用现有的网络的 实现技术活直接采用现有网络的对应设备，以实现资源共享，降低网络设备的投资。 3.1.3 移动性管理 WiMAX 网络设备支出漫游、移动业务能力，其移动性管理方式对于网络结构影 响也是比较巨大的。移动性管理的主要功能就是在整个服务网络内有效地支持终端 站的漫游和移动，涉及位置管理和切换管理两个部分。其中，位置管理主要是确认 合法终端所处网络位置，以便于再业务启动时，迅速建立业务路由；切换管理则是 在终端移动状态下，保障激活业务的服务和质量。 WiMAX 终端在漫游、移动情况下实现移动性管理可以采用简单 IP（Simple IP）或者移动 IP（Mobile IP）协议。在 Simple IP 网络结构下，终端分配的 IP 地 址是动态可变的，但在跨区切换时业务要中断，必须通过应用层的专用协议实现再 次连接，只适用于 WWW、E-mail 等对时间不太敏感的业务，不适用于大范围移动的 适时业务，如 IP 语音等。然而，Mobile IP 也存在 IPv4 地址不足，切换过程中的 时延和丢包率难以保障等问题，需要采用地址转换、IPv6、多层切换等方案来解决。 3G-WiMAX 无线工程技术的研究与仿真 第三章 模拟搭建 WiMAX 组网模 型 13 3.2 WiMAX 的组网方案 按照基于 WiMAX 技术的无线宽带网络的组网方法，结合中南大学的实际情况， 提出了一套无线宽带校园网的设计流程和方案。依据此方案搭建了中南大学无线宽 带校园网模型，设置相关参数，模拟具体运营环境。并且针对实验室现有设备进行 部分测试、调试及优化工作，针对实际可能出现的问题做出分析。最后，对全文进 行总结，展望了下一步在无线宽带网组网技术方面可以进行的工作和改进。 基于 WiMAX 的无线宽带网络规划方案的流程是： （1）首先确定应用模式，选定应用模式后通过调研，取得设备的性能参数， 确定和调查规划区域、用户群和预期网络质量，完成需求和基础数据的收集。 （2）然后根据目标规划区域的特性选定传播模型，只有选择了合适的模型才 能依据模型进行无线链路预算，从而计算系统可以容忍的最大路径损耗，得到基站 覆盖小区半径。 （3）最后由小区半径算出基站可覆盖面积，得到覆盖面积后，依据目标规划 区域的地形确定基站位置和客户端 (CPE)位置，完成覆盖规划，得出规划方案。 3.2.1 应用模式的选择 WiMAX 的技术特性和应用特点决定了其能适应各种的应用环境，具有不同的应 用模式，下面对 WiMAX 宽带无线接入的应用模式进行介绍，然后进行初步的分析和 探讨，根据实际情况选择适合中南大学无线宽带实验网的应用模式