第7章WiMAX技术

1、第第7章章WiMAX技术技术 WiMAX（全球互联微波接入），是一项（全球互联微波接入），是一项新兴的宽带无线接入技术，对应于新兴的宽带无线接入技术，对应于IEEE802.16系列标准，主要用在系列标准，主要用在MAN（城（城域网），由域网），由WiMAX论坛（论坛（WiMAX Forum）提出并于提出并于2001年年6月成形。月成形。 它可提供最后一公里无线宽带接入，能它可提供最后一公里无线宽带接入，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达离最远可达50km。 WiMAX还具有服务质量（还具有服务质量（QoS）保障、）保障、传输速率高、业务丰富多样

2、等优点。传输速率高、业务丰富多样等优点。 WiMAX的技术起点较高，采用了代表未的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的来通信技术发展方向的OFDM（正交频分（正交频分复用）复用）/OFDMA（正交频分复用接入）、（正交频分复用接入）、MIMO（多输入多输出）等先进技术，随（多输入多输出）等先进技术，随着技术标准的发展，着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽逐步实现宽带业务的移动化，而第三代移动通信系统带业务的移动化，而第三代移动通信系统则实现移动业务的宽带化，两种网络的融则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。合程度会越来越高。 WiMAX WiMAX概述概述7.17.

3、1WiMAXWiMAX协议结构协议结构7.27.2IEEE 802.16 MACIEEE 802.16 MAC层层7.37.3 IEEE 802.16 IEEE 802.16物理层物理层7.47.4 WiMAX WiMAX技术发展技术发展7.57.5本章小结本章小结7.67.67.2.1 参考模型参考模型图图7-1 IEEE 802.16参考模型参考模型 IEEE 802.16共定义了共定义了5种物理层规范，系种物理层规范，系统定义的物理层技术包括单载波调制统定义的物理层技术包括单载波调制（SC）、单载波接入（）、单载波接入（SCa）、正交频分复）、正交频分复用（用（OFDM）技术、正交频分复

4、用接入）技术、正交频分复用接入（OFDMA）以及高速免授权城域网络）以及高速免授权城域网络（HUMAN）技术。）技术。 IEEE 802.16的的MAC层包含层包含3个子层：特个子层：特定服务汇聚子层（定服务汇聚子层（SSCS）、公共部分子层）、公共部分子层（CPS）和安全子层（）和安全子层（PS）。）。 MAC层中的特定服务汇聚子层（层中的特定服务汇聚子层（SSCS）用于适配不同特性、不同要求的业务。用于适配不同特性、不同要求的业务。 公共部分子层（公共部分子层（CPS）负责执行）负责执行MAC的的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等。接

5、建立、连接维护等。 MAC层包含独立的安全子层（层包含独立的安全子层（PS），），能够提供加密、鉴权、密钥交换等与安全能够提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。有关的功能。 IEEE 802.16支持两种网络拓扑结构：一支持两种网络拓扑结构：一种是双向的点对多点（种是双向的点对多点（PMP）结构，另一）结构，另一种是无线网状（种是无线网状（Mesh）网络结构。）网络结构。 这两种结构都是共享无线信道的网络，这两种结构都是共享无线信道的网络，需要有效的媒体接入机制。需要有效的媒体接入机制。 图图7-2 点对多点（点对多点（PMP）网络拓扑示意图）网络拓扑示意图 图图7-3 无线网状（无线网

6、状（Mesh）网络拓扑示意图）网络拓扑示意图（1）业务流管理）业务流管理 通过将通过将MAC层传输过来的数据包与一个层传输过来的数据包与一个CID标识的业务流关联，在标识的业务流关联，在CID中包含数中包含数据包的业务类型和相应参数，使每个数据据包的业务类型和相应参数，使每个数据包在进行调度前具有相应的包在进行调度前具有相应的QoS要求。要求。 主动授权业务（主动授权业务（UGS）用于传输固定速）用于传输固定速率实时数据业务，如没有静默压缩的率实时数据业务，如没有静默压缩的VoIP业务。业务。 基站周期地以强制方式进行调度，不接基站周期地以强制方式进行调度，不接受来自用户站的请求，同时禁止使用

7、捎带受来自用户站的请求，同时禁止使用捎带请求。请求。 实时轮询业务（实时轮询业务（rtPS）用于支持可变速）用于支持可变速率实时业务，如率实时业务，如MPEG视频业务，是为满视频业务，是为满足动态变化的业务需求而设计。足动态变化的业务需求而设计。 非实时轮询业务（非实时轮询业务（nrtPS）支持非周期变）支持非周期变长分组的非实时数据流。长分组的非实时数据流。 如保证最小速率要求的因特网接入业务。如保证最小速率要求的因特网接入业务。 非实时轮询业务提供比实时查询业务更非实时轮询业务提供比实时查询业务更长的周期或不定期的单播请求机会。长的周期或不定期的单播请求机会。 可以使用竞争请求（组播或广播

8、）机会，可以使用竞争请求（组播或广播）机会，甚至被主动授权。甚至被主动授权。 非实时轮询业务可以被设置成不同优先级。非实时轮询业务可以被设置成不同优先级。 尽力而为（尽力而为（BE）业务支持非实时无任何）业务支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务，如速率和时延抖动要求的分组数据业务，如电子邮件、短信等，不提供吞吐量和时延电子邮件、短信等，不提供吞吐量和时延保证。保证。 尽力而为业务允许使用任何类型的请求尽力而为业务允许使用任何类型的请求机会和捎带请求。机会和捎带请求。 WiMAX同时采用区分服务和集成服务，同时采用区分服务和集成服务，对不同的业务进行区分、通过设置优先级对不同的业务进

9、行区分、通过设置优先级并采用不同的排队和调度机制，同时对业并采用不同的排队和调度机制，同时对业务进行接入控制和资源预留，从而可以很务进行接入控制和资源预留，从而可以很好地满足不同业务的好地满足不同业务的QoS要求。要求。3安全机制安全机制 IEEE 802.16 MAC层的主要功能是通过层的主要功能是通过公共部分子层（公共部分子层（CPS）来实现的。）来实现的。 在在PMP网络中，网络基础设施是一个中网络中，网络基础设施是一个中心基站（心基站（BS），它可以支持覆盖范围内多），它可以支持覆盖范围内多个用户站（个用户站（SS）的网络接入。）的网络接入。 无线网状（无线网状（Mesh）网络最大的特

10、点是数）网络最大的特点是数据传输可以发生在任意两个节点之间。据传输可以发生在任意两个节点之间。 图图7-4 分布式调度示意图分布式调度示意图 图图7-5 集中式调度示意图集中式调度示意图1寻址与连接寻址与连接2MAC层层PDU的格式的格式图图7-6 MAC层层PDU格式格式 MAC层层PDU的头格式的头格式（1）IEEE802.16定义了两种头格式，定义了两种头格式，一种是用于一种是用于MAC管理消息或者汇聚管理消息或者汇聚子层（子层（CS）数据的通用）数据的通用MAC头；另头；另一种是用于请求额外带宽的带宽请求一种是用于请求额外带宽的带宽请求MAC头。头。 图图7-7 通用通用MAC头格式头

11、格式图图7-8 带宽请求带宽请求MAC头格式头格式 如果一个如果一个PDU中包含了多种不同的子报中包含了多种不同的子报头，它们之间的顺序有如下严格要求。头，它们之间的顺序有如下严格要求。 如果一个如果一个PDU中同时存在分片子报头和中同时存在分片子报头和授权管理子报头，授权管理子报头应该排授权管理子报头，授权管理子报头应该排在前面，因为是授权管理子报头指明了该在前面，因为是授权管理子报头指明了该PDU所携带净荷的内容与作用。所携带净荷的内容与作用。 如果如果PDU中包含了中包含了Mesh子报头，这一子报头，这一子报头应该排在最前端。子报头应该排在最前端。 快速反馈分配子报头则应该出现在最后。快

12、速反馈分配子报头则应该出现在最后。 根据打包子报头中类型域的说明，打包根据打包子报头中类型域的说明，打包子报头可以置于每一个子报头可以置于每一个MAC层业务数据单层业务数据单元（元（SDU）的前面。）的前面。 打包子报头和分片子报头是互相排斥的，打包子报头和分片子报头是互相排斥的，不能同时出现在同一个不能同时出现在同一个PDU中。中。 图图7-9 MAC管理消息格式管理消息格式 多个多个MAC PDU可以串接起来一起发送，可以串接起来一起发送，并且这种串接可以上行或下行任意方向上并且这种串接可以上行或下行任意方向上进行。每一个进行。每一个MAC PDU由其中包含的唯由其中包含的唯一一CID标识

13、，因而，接收端标识，因而，接收端MAC实体能够实体能够从接收到的一个或多个从接收到的一个或多个MAC PDU中正确中正确提取出提取出MAC SDU送往上层的业务接入点。送往上层的业务接入点。图图7-10 MAC PDU的串接的串接1调度服务调度服务 调度方式主要有外向启动传输调度和上调度方式主要有外向启动传输调度和上行请求行请求/授权调度两种。授权调度两种。 业务流指定的调度服务；业务流指定的调度服务； 分配给业务流的分配给业务流的QoS参数值；参数值； 数据传输的可用性；数据传输的可用性； 认可带宽的容量。认可带宽的容量。（1）主动授权服务（）主动授权服务（UGS）（2）实时轮询服务（）实时

14、轮询服务（rtPS）（3）非实时轮询服务（）非实时轮询服务（nrtPS）（4）尽力而为服务（）尽力而为服务（BE）（1）请求）请求（2）授权）授权（3）轮询）轮询（4）OFDM下基于竞争的集中带宽请求下基于竞争的集中带宽请求（5）OFDMA下下CDMA带宽请求带宽请求图图7-11 FDD方式下传输带宽的分配方式下传输带宽的分配图图7-12 TDD方式的帧结构方式的帧结构图图7-13 下行链路物理媒质依赖子层概念框图下行链路物理媒质依赖子层概念框图 上行数据有上行数据有3种传送方式：种传送方式： 在初始维护阶段，数据以竞争的方式传在初始维护阶段，数据以竞争的方式传输；输； 在响应组播和广播的请求

15、间隔预留阶段，在响应组播和广播的请求间隔预留阶段，数据也以竞争方式传输；数据也以竞争方式传输； 一般情况下，数据按分配的时隙传输。一般情况下，数据按分配的时隙传输。图图7-14 TDD方式下行子帧帧格式方式下行子帧帧格式 IEEE 802.16协议定义单载波调制协议定义单载波调制（WirelessMAN-SC）用于）用于1066GHz频段频段上的视距（上的视距（LOS）通信传输。）通信传输。图图7-15 FDD模式下行链路子帧结构模式下行链路子帧结构 上行链路子帧结构如图上行链路子帧结构如图7-16所示。所示。 在上行链路中，可能发送在上行链路中，可能发送3类突发：类突发： 在竞争机会中保留给

16、初始搜索的突发；在竞争机会中保留给初始搜索的突发； 在竞争机会中由请求间隔定义的、对组在竞争机会中由请求间隔定义的、对组播或广播轮询进行响应的突发；播或广播轮询进行响应的突发； 授权专门分配给特定用户站的时间间隔授权专门分配给特定用户站的时间间隔上的突发。上的突发。图图7-16 上行链路子帧结构上行链路子帧结构 IEEE 802.16通过以下两种措施实现上行通过以下两种措施实现上行链路的功率控制算法：链路的功率控制算法： 初始功率校准；初始功率校准； 周期性功率调整。周期性功率调整。 单载波接入（单载波接入（WirelessMAN-SCa）物理）物理层用于支持层用于支持11GHz以下的宽带无线

17、接入。以下的宽带无线接入。 SCa物理层定义了一些操作单元：净荷、物理层定义了一些操作单元：净荷、突发、突发集、突发帧和突发、突发集、突发帧和MAC帧。帧。 净荷是指所发送内容中的有用信息。净荷是指所发送内容中的有用信息。 突发是指对编码以后的净荷按照对应的突发是指对编码以后的净荷按照对应的突发描述构成的数据包。突发描述构成的数据包。 突发集是指多个突发构成的集合，一个突发集是指多个突发构成的集合，一个突发集中只包含一个前缀和一个尾部终止突发集中只包含一个前缀和一个尾部终止序列，但是却可以由一个或多个串接在一序列，但是却可以由一个或多个串接在一起突发。起突发。 对于上行链路，突发集与突发是等价

18、的。对于上行链路，突发集与突发是等价的。 SCa定义了定义了3种突发集帧格式：种突发集帧格式： 标准格式：上、下行链路都必须实现，标准格式：上、下行链路都必须实现，通常用来承载帧控制报头（通常用来承载帧控制报头（FCH）；）； 时空码格式：是可选的，只能用于上时空码格式：是可选的，只能用于上/下下行链路的时空编码数据，其发射分集方案行链路的时空编码数据，其发射分集方案是安排两个数据块分别在两个天线上进行是安排两个数据块分别在两个天线上进行发送；发送； 子信道格式：也是可选的，只用于上行子信道格式：也是可选的，只用于上行链路。链路。图图7-17 标准格式的突发集标准格式的突发集图图7-18 FD

19、D帧格式示意图帧格式示意图图图7-19 TDD帧格式示意图帧格式示意图 SCa物理层的发送处理过程是：信息数据物理层的发送处理过程是：信息数据首先进行随机化处理，然后是信道编码，首先进行随机化处理，然后是信道编码，之后映射为之后映射为QAM调制符号。调制符号。 图图7-20 SCa物理层的发送处理物理层的发送处理 1帧结构帧结构图图7-21 TDD模式下模式下OFDM帧结构示意图帧结构示意图2网络同步网络同步3功率控制功率控制图图7-22 OFDMA频率描述（以频率描述（以3个子信道为例）个子信道为例） 因此此技术具有如下优点：因此此技术具有如下优点： 频率利用率提高，提高了系统容量，由频率利

20、用率提高，提高了系统容量，由于将较宽的带宽资源分成若干个子信道，可于将较宽的带宽资源分成若干个子信道，可根据不同用户的需求灵活分配资源。根据不同用户的需求灵活分配资源。 成本下降，用户可在通信质量好的子信成本下降，用户可在通信质量好的子信道上发送信号，避免了复杂的信号处理，从道上发送信号，避免了复杂的信号处理，从而降低了成本；而降低了成本； 扩大覆盖范围，由于扩大覆盖范围，由于OFDMA技术对多径技术对多径信号有比较强的处理能力，因此对中心基站信号有比较强的处理能力，因此对中心基站和用户站之间不要求完全视距条件，因此扩和用户站之间不要求完全视距条件，因此扩大了覆盖范围，提高了覆盖质量。大了覆盖

21、范围，提高了覆盖质量。 一个典型的一个典型的OFDMA TDD帧由前缀、下帧由前缀、下行链路传输期、上行链路传输期组成，每行链路传输期、上行链路传输期组成，每帧都由帧都由TTG将下行和上行链路分开，由将下行和上行链路分开，由RTG将上行和下行链路分开。将上行和下行链路分开。图图7-23 OFDMA TDD时间帧结构示意图时间帧结构示意图 OFDMA物理层支持子信道化，协议规定物理层支持子信道化，协议规定两种基本的子载波分配方式：连续式分配两种基本的子载波分配方式：连续式分配方式和分布式分配方式。方式和分布式分配方式。 本章介绍了全球互联微波接入（本章介绍了全球互联微波接入（WiMAX）的基本概

22、念、应用及相关标准。的基本概念、应用及相关标准。 由生产厂商与运营商组成的由生产厂商与运营商组成的WiMAX论坛论坛大力促进宽带无线网络的应用推广，并致大力促进宽带无线网络的应用推广，并致力于保证采用相同标准的不同厂家宽带无力于保证采用相同标准的不同厂家宽带无线接入设备之间的互通性或互操作性。线接入设备之间的互通性或互操作性。 IEEE 802.16系列标准则对系列标准则对WiMAX的物的物理层与理层与MAC层协议进行了详细的规定，目层协议进行了详细的规定，目前前IEEE 802.16包括两个主流空中接口标准：包括两个主流空中接口标准：IEEE 802.16d和和IEEE 802.16e，分别适用，分别适用于固定和移动状态下的无线宽带接入。于固定和移动状态下的无线宽带接入。 IEEE 802.16只定义了只定义了MAC层和物理层。层和物理层。 为了实现向用户提供面向连接的服务要为了实现向用户提供面向连接的服务要求，求，IEEE 802.16在在MAC层定义了一系列层定义了一系列信令消息。信令消息。 IEEE 802.16定义了定义了4种调度服务：主动授种调度服务：主动授权服务