第5章 无线城域网

1 第5章无线城域网 主讲陈虹 辽宁工程技术大学软件学院 2 第5章无线城域网 5 1无线城域网概况5 2802 16协议体系5 3802 16的物理层5 4802 16的MAC层5 5MAC层的链路自适应机制5 6802 16系统的QoS架构5 7802 16系统的移动性5 8WiMAX与其他技术的比较 3 5 1无线城域网概况 5 1 1无线城域网技术的形成无线城域网技术是因宽带无线接入 BWA 的需求而来1999年 IEEE802局域网 LAN 城域网 MAN 成立了802 16工作组来专门研究宽带无线接入标准IEEE802 16 1负责制定频率范围在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负责制定频率范围在2 11GHz之间无线接口标准WiMAX论坛成立 在全球范围内推广802 16协议 4 5 1 2WiMAX论坛 在借鉴和学习WLAN的Wi Fi联盟成功经验的基础上 2001年4月由业界领先的通信设备公司及器件公司共同成立世界微波接入互操作性论坛WiMAX WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess 该论坛旨在对基于IEEE802 16标准和ETSIHiperMAN标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证 WiMAX使用与Wi Fi联盟推动无线局域网行业发展的相同方法进行定义和互操作性测试 加快符合IEEE802 16技术标准的宽带无线接入设备的上市速度 5 5 1 3WiMAX系统的关键技术 OFDM OFDMA技术该技术具有抗衰落 抗多径能力强 特别适合移动环境先进的多天线技术AAS空间分集技术和空间复用技术链路自适应技术ARQ和HARQ面向连接的MAC层协议及QoS服务动态分配带宽技术在TDMA OFDM OFDMA多址方式下工作提供安全性保障在MAC层中定义了一个保密子层 6 5 2802 16协议体系 5 2 1概述IEEE802 16又称为IEEEWMAN空中接口标准 是适用于2 66GHz频段的空中接口规范 规定的无线接入系统覆盖范围可达50km 每个基站提供的总数据速率最高可达280Mbps 符合802 16标准的设备可以在 最后一公里 宽带接入领域替代CableModem xDSL和T1 E1 在用户终端和基站之间允许非视距的宽带连接 一个基站可支持数百甚至上千个用户 7 5 2 1概述 最终制定的802 16系列标准协议栈按照两层体系结构组织 主要对网络的低层 即MAC层和物理层进行了规范 主要包括 MAC层 物理层 毫米波频率范围点对多点 PMP 拓扑结构网格网 Mesh 拓扑结构用户站 SS 和基站 BS 8 5 2 1概述 MAC层 IEEE802 16实现了OSI模型中的数据链路层的大部分功能 从上到下包括 会聚子层 与业务相关 是与高层之间的接口 它基于ATM和分组 接收来自各个上层协议数据 空中接口为每个终端的不同连接提供不同的QoS支持 公共部分子层 MAC层的核心 提供系统接入 带宽分配 连接建立和连接维护加密子层 安全子层 可选 用于提供认证 密钥交换和加解密处理 9 5 2 1概述 MAC层 MAC层为各种应用层业务的实现提供了保证主要功能 实现高层业务数据和各种信令的分段 打包实现用户的接入过程实现对用户共享无线介质的控制根据业务需求合理动态地分配无线信道对用户到基站提供按需分配的多路寻址和时分多址相结合的技术适应恶劣的物理层环境 如雨衰 多径传播等 10 5 2 1概述 物理层 802 16系列协议中各协议的MAC层功能基本相同 差别主要体现在物理层上 物理层协议主要解决与工作频率 带宽 数据传输率 调制方式 纠错技术以及收发信机同步有关的问题 物理层负责对MAC层的协议数据单元进行汇聚 编码 调制 最后形成无线帧 送入物理信道 802 16支持时分双工 TDD 和频分双工 FDD 两种双工模式 11 5 2 1概述 物理层 物理层特点灵活的信道宽度Reed Solomon码与卷积级联码的前向纠错自适应天线系统AAS 可改善通信距离 提高系统容量动态频率选择DFS 可帮助减小干扰空时编码STC 通过空间分集提高在衰落环境下的性能 12 5 2 2标准化进程 1 13 5 2 2标准化进程 2 14 5 2 2标准化进程 3 15 5 2 2标准化进程 4 16 5 2 2标准化进程 6 17 5 2 2标准化进程 5 18 5 2 3IEEE802 16d协议 IEEE802 16d是目前所有标准中相对比较成熟并且最具实用性的一个版本 IEEE802 16协议中定义了两种网络结构 如图所示 点到多点 PMP 结构 一个基站为多个用户站提供服务 下行链路 从基站到用户站的链路上行链路 从用户站到基站的链路网格 Mesh 结构 业务可以通过基站和用户站之间传送 也可直接在用户站之间传送 19 网络拓扑结构 20 802 16系统框架图 一个完整的802 16系统应包含的网络实体有用户设备 UE 用户站 SS 基站 BS 和核心网 CN 21 802 16d的协议栈模型 22 5 3802 16的物理层 IEEE802 16的物理层既支持单载波 又支持多载波 支持OFDM技术 基于单载波的物理层规范分为 WirelessMAN SC ServiceControl 服务控制 的操作频段为10 66GHz 视距 LOS 操作 WirelessMAN SCa的操作频段低于11GHz 非视距 NLOS 操作 基于多载波的物理层规范分为 WirelessMAN OFDM 正交频分复用 WirelessMAN OFDMA 正交频分多址 基于OFDM多载波技术 操作频段均低于11GHz 23 IEEE802 16的物理层规范 24 5 3 1WirelessMAN SC 支持时分双工 TDD 和频分双工 FDD FDD模式下支持全双工SS 用户站 和半双工SS 上行方向支持时分多址接入 TDMA 和按需分配多址接入 DAMA 相结合的多址方式 下行信道采用时分复用 TDM 即发给各SS的信息都复用到单个数据流上 无论是上行还是下行 待发送的数据比特在发送之前都需要经过加扰 FEC编码和调制 25 5 3 2WirelessMAN SCa 它是WirelessMAN SC的增强版本 支持时分双工 TDD 和频分双工 FDD FDD模式下支持全双工SS 用户站 和半双工SS 上行采用时分多址接入 TDMA 方式 下行采用时分复用 TDM 或TDMA方式 非视距传输 由于BS与SS之间的信号传输可能受到建筑物的阻挡 信道的时延扩展相对于视距情况更大 因此 该规范增加了更强的物理层技术来保证信号传输的可靠性 26 5 3 2WirelessMAN SCa 支持的关键物理层技术包括 上下行块自适应调制和FEC编码 帧结构的设计上 改进了在NLOS和较大时延扩展信道环境下的均衡和信道估计 使用里蒙 索罗蒙码和格形编码调制级联的FEC编码 FEC码可选择块Turbo码 BTC 和卷积Turbo码 CTC 可以选择不使用FEC而使用ARQ技术进行差错控制 可以选择空时编码 STC 发送分集技术 具有方便实施自适应天线系统 AAS 的参数设置和MAC PHY消息 27 5 3 3WirelessMAN OFDM 这种空中接口通过时分复用接入方式多路访问不同的基站 使用256点变换的OFDM 正交频分复用 调制方式 采用TDMA 时分多址 方式接入 这种空中接口在该频带下强制使用许可认证 操作频段低于11GHz OFDM结合空时编码 分集技术 干扰抑制以及智能天线技术 最大程度地提高物理层的可靠性 28 WirelessMAN OFDM的优点 1 优点 频谱利用率高 频谱效率比串行系统高近一倍 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强 因为OFDM把数据分散到许多个子载波上 大大降低了各子载波的符号速率 从而减弱多径传播的影响 若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法 甚至可以完全消除符号间的干扰 通过各子载波的联合编码 可具有很强的抗衰落能力 29 WirelessMAN OFDM的优点 2 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率 要求各子信道信息分配应遵循信息论中的 注水定理 优质信道多传送 较差信道少传送 劣质信道不传送 无线数据业务一般都存在非对称性 即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路 因此要求物理层支持非对称高速数据传输 OFDM容易通过使用不同数量的子信道来实现上下行链路中不同的传输速率 30 WirelessMAN OFDM的缺点 1 缺点 易受频率偏差的影响 由于子信道的频谱相互覆盖 因此对它们之间的正交性提出了严格的要求 但无线信道具有时变性 在传输过程中会出现无线信号的频谱偏移 或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差 都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏 导致子信道的信号相互干扰 31 WirelessMAN OFDM的缺点 2 存在较高的峰值平均功率比 多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加 因此 如果多个信号的相位一致 所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率 导致出现较大的峰值平均功率比 这对发射机内放大器的线性提出了很高的要求 处理不好可能会带来信号畸变 使信号的频谱发生变化 从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏 产生干扰 使系统的性能恶化 32 5 3 4WirelessMAN OFDMA 现代通信系统大多支持多用户并发通信 因此对OFDM进行扩展 形成多用户OFDM 由于OFDM调制中每个子载波之间具有相对的独立性 每个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率电平 通过对所有的子载波进行分组 为每个用户指定一组或多组子载波 就得到了一种新的多址方式 OFDMA 正交频分多址接入 使用2048点变换的载波OFDM方式 这种接口通过给每个接收机分配载波子集提供多路访问 33 5 4802 16的MAC层 MAC层包括以下三个部分 与高层实体接口的特定服务会聚子层 ConvergenceSublayer CS MAC层所传送的业务包括语音 数据 IP连接 VoIP等 因此MAC层需要既支持连续型业务 又支持突发型业务 CS既支持ATM协议又支持分组协议 因此满足了对传送多种业务数据的需求 完成MAC层核心功能的公共部分子层 CommonPartSublayer CPS 安全子层 SecuritySublayer 34 802 16的MAC层的特定服务会聚子层 负责接收高层协议数据单元 PDU 并将接收到的PDU映射到MAC层连接上 或者进行相反的操作 主要功能如下 从高层接收高层协议数据单元 PDU 对高层PDU进行分类基于分类对高层PDU进行处理将CSPDU传递给正确的MAC服务接入点从对等层接收CSPDU 35 802 16的MAC层的公共部分子层 完成几乎所有的MAC层核心功能 主要有 MACPDU的构建和传送网络的进入和初始化带宽的请求和授予竞争解决算法的实现服务流的管理各种链路自适应技术的实现等 36 802 16的MAC层的安全子层 1 安全子层通过对BS和SS之间的连接进行加密 为经过WMAN网络的用户数据提供保密 通过对网络中的服务流进行加密 BS可以阻止那些对数据传输服务进行的未授权的访问 通过采用一种授权的客户端 服务器密钥管理协议 作为服务器的BS控制密钥信息在SS客户端中的发布 基本密钥管理机制中还加入了基于电子证书的SS授权机制 进一步加强了基本保密机制 37 802 16的MAC层的安全子层 2 保密机制有以下两个基本的协议 用于加密数据包的封装协议该协议定义了一组加密组件 例如 数据加密和相匹配的鉴别算法 以及将这些算法应用于MACPDU净荷的规则 密钥管理协议 PKM 该协议提供了密钥数据从BS到SS的安全发布支持周期性性的再认证和密钥更新 使SS和BS之间的密钥数据能保持同步 BS还可以利用该协议对网络服务实行条件性访问 38 802 16的MAC层的安全子层 3 密钥交换过程如下 如图所示 每个SS都有一个由制造商签发的唯一的X 509数字证书 包括SS的公钥和MAC地址等 在发起授权密钥AK请求时 SS将自己的数字证书提供给BS BS对SS的身份加以鉴定后 确定支持的加密算法和协议 用公钥加密认证键 AK 一起发送给SS 在完成认证并得到BS的授权后 SS发送密钥请求给BS 要求BS分配一个业务流加密密钥 TEK BS在接到请求后 用密钥加密密钥KEK 从AK计算得到 和三重DES加密算法加密TEK并传给SS SS便能利用KEK从中解密得到TEK 至此 密钥交换过程结束 39 SS和BS之间密钥交换示意图 40 802 16的MAC层的特点 802 16的MAC层最显著的特点 面向连接 所有业务 包括本身是无连接的业务 在802 16系统中都将映射到连接上 带宽请求 QoS与业务参数的关联 数据的传送和路由 以及其他与服务合约相关的操作都是在连接的范畴下实现的 每条连接都有一个16比特的连接标识 CID 根据连接上所传送的服务类别 SS可能会被分配连续的带宽 也可能通过向BS发送带宽请求 由BS来分配发送机会 41 802 16的MAC层的链路过程控制 802 16的MAC层协议采用以下4种上行链路过程控制机制相互组合 进行动态带宽分配 以减少竞争并最好地满足各用户对带宽和时延的要求 非申请授予 unsolicitedgrantservice 申请 授予 request grant 轮询 polling 竞争 contention 42 802 16的MAC层的3条管理连接 SS进入网络 会被分配3条管理连接 反映了不同级别管理消息的QoS要求 第一条管理连接为基本连接用于传送较短的 实时性要求高的MAC和无线链路控制消息 第二条管理连接为主管理连接用于传送较长的 实时性要求不高的管理消息 如鉴权和连接建立消息等 第三条管理连接为第二管理连接用于传送基于标准的管理消息 如基于DHCP TFTP和SNMP等协议的管理消息 43 802 16的MAC层的传输连接 除3条管理连接外 SS还会被分配用于传送业务数据的传输连接 传输连接一般与服务流相关联 服务流是一个MAC层传输服务 提供单向的 上行或下行 包传输 服务流定义了在连接上进行交换 传输的PDU的QoS参数 包括时延 时延抖动 吞吐量等 服务流可以被动态地创建 修改和删除 44 802 16的MAC层的预留连接 802 16的MAC层还预留了其他连接基于竞争初始接入预留的连接为下行广播和基于竞争的轮询信令广播预留的连接为组播业务预留的连接由于无线传输环境的不稳定性 MAC层也支持多种无线链路自适应技术 包括调制编码自适应技术 ARQ和H ARQ技术等 来保证信息传送的可靠性和有效性 45 5 5MAC层的链路自适应机制 链路自适应技术的基本思想在当前的信道条件下 通过对某些传输参数的适配 让链路尽可能高效地运行 为了维持通信连接 甚至需要对链路质量做出 让步 通过牺牲带宽来获得传输质量的提高 在大多数使用链路自适应技术的系统中 这种 让步 就是在链路的 鲁棒性 和带宽的高效性间寻找平衡 链路自适应技术能够增加链路信息容量 使得系统能够充分利用信道的时变性 46 常见的链路自适应机制 1 自适应调制编码 AMC 它是根据信道情况的变化来动态地调整调制方式和编码方式 其目的是为了最大限度地利用无线信道 提高频谱效率 与调制方式和编码方式相关的参数通常会组成某些 模式 如 某种模式下只能使用某个调制级别和编码速率 每种模式都有不同的数据速率和抗干扰能力 47 常见的链路自适应机制 2 自适应调制编码 AMC 在较差的信道环境下使用抗干扰性能较强的模式 调制级别和编码速率较低 以保证通信的正常进行 在较好的信道环境下则使用频谱效率较高的模式 调制级别和编码速率较高 以增加系统的吞吐量 自适应调制编码的目标是 在时变的信道环境下 保证总是能使用最有效的模式 48 常见的链路自适应机制 3 自动请求重传 ARQ 接收端在正确接收发送端发来的数据包之后 向发送端发送一个确认信息 ACK 否则发送一个否认信息 NACK 发送端对未能正确接收的数据包进行重传 重传会导致系统总吞吐量下降 但却保证了数据包的正确接收 ARQ分为 简单的停止 等待协议和滑动窗口协议 可分为退后N帧和选择重传协议两种 49 常见的链路自适应机制 4 混合自动请求重传 H ARQ 将前向纠错编码 FEC 和自动重传请求 ARQ 相结合的技术 FEC提高了传输的可靠性 但当信道情况较好时 由于存在过多纠错比特 反而降低了吞吐量 ARQ在误码率不高的情况下可以得到理想的吞吐量 但会引起时延 H ARQ在发送的每个数据包中含有纠错和检错的校验比特 如果在纠错能力内 则纠正 否则自动请求重传 50 5 6802 16系统的QoS架构 WiMAX802 16系统定义的MAC层是面向连接的 其通过一系列的QoS保证机制使得可以在毫无保障的IP网络中提供可靠的业务 WiMAX的QoS是基于业务流的 WiMAX802 16系统中 提供QoS的基本机制是将通过MAC接口的分组数据与某一个通过连接标识符 CID 唯一标识的业务流相关联 系统中的SS和BS就是根据业务流所定义的QoS参数集合来提供QoS 51 业务流的基本概念 业务流是WiMAX802 16系统的MAC层提供的传输服务 是一组具有特殊QoS要求的单向传送的分组数据 业务流可分为由SS发送的上行业务流和由BS控制发送的下行业务流 可使用时延 时延抖动及吞吐量等QoS参数对业务流的特征进行描述 所有的业务流都有一个32位的业务流标识符 SFID 接纳的和激活的业务流还有一个16位的CID 52 WiMAX802 16系统对QoS的要求 提供参数配置与注册功能 可以预先对面向SS的业务流及其业务参数进行配置 信令交换与控制功能 可以动态地建立支持QoS的业务流及其业务参数 对上行链路承载的业务流 使用MAC层调度服务和QoS参数提供QoS保证 对下行链路承载的业务流 只要求使用QoS参数进行控制 将关系紧密的业务流属性统一映射到一个服务类别 使得上层实体以及外部应用程序对QoS参数有一致的认识 以便其提出QoS要求 53 5 6 1服务类别的定义 主动授予服务 UnsolicitedGrantService UGS 实时查询服务 Real timePollingService RTPS 非实时查询服务 Non Real TimePollingService NRTPS 尽力而为 BestEffort BE 54 1 主动授予服务 UGS 主动授予服务是周期性 定长分组的固定比特率 CBR 服务流 BS实时地 周期地向携带该业务的连接提供固定带宽分配 以减少SS请求开销并保证满足业务流的实时需求 因此 UGS连接只能使用BS主动提供的周期性带宽授予来发送数据 而不是由SS向BS发送带宽请求 典型业务 固定比特速率的ATM 无静音压缩的VoIP服务等 55 UGS服务流的关键QoS参数 UGS服务流的关键QoS参数主动授予大小每间隔授予推荐授予间隔 interval 可容忍的授予抖动 jitter 实现参数的理想调度 定义参考时间t0所要求的传输时间 ti t0 i interval实际授予时间ti必须满足条件 ti t0 ti jitter 56 2 实时查询服务 rtPS 实时查询服务是周期性 变长分组的实时变比特率服务流 如 MPEG视频业务流 BS向携带该业务的rtPS连接提供实时的 周期的单播轮询 从而使得该连接能够周期地告知BS其变化的带宽需求 BS也就能够周期地为其分配可变的突发带宽供其发送变长分组 rtPS服务比UGS的请求开销大 但能使BS按需动态分配带宽 rtPS服务流的关键QoS参数 建议轮询间隔 可容忍的轮询抖动 最小预留业务速率 57 3 非实时查询服务 nrtPS 非实时查询服务 nrtPS 是非周期 变长分组的非实时变比特速率服务流 如高带宽的FTP业务流 BS应有规律地 不一定周期 向携带该业务的连接提供单播轮询机会 以保证即使在网络阻塞时 该连接也有机会发出带宽请求 该连接也可以使用竞争模式来发送带宽请求 nrtPS服务流的关键QoS参数 建议轮询间隔 最小预留业务速率和业务优先级 58 4 尽力而为服务 BE 尽力而为服务 BE 服务的特点是不提供完整的可靠性 通常执行一些错误控制和有限重传机制 其稳定性由高层协议来保证 这种连接可以使用以下两种发送模式使用单播轮询所提供的发送机会 取决于网络的负载情况 如果网络负载低 则BE服务能得到轮询机会的可能性就大 反之就小或根本没有机会 因此 发送该业务的SS不能依赖于单播轮询发送机会 使用竞争模式来发送带宽请求典型服务 Internet网页浏览服务BE服务流的关键QoS参数 最小预留业务速率和业务优先级 59 5 6 2QoS框架和交互机制 60 5 6 3服务提供及自动配置 1 宽带无线接入网络的管理参考模型如图所示 SS 1 管理节点 MIB PHY MAC SS N 管理节点 MIB PHY MAC BS 管理节点 MIB PHY MAC Internet 服务流数据库 61 5 6 3服务提供及自动配置 2 该模型由一个网络管理系统 NMS 多个管理节点和一个服务流数据库组成 BS和SS