第5章-无线城域网..ppt

第5章无线城域网,内容提要,无线城域网概况802.16协议体系802.16的物理层802.16的MAC层MAC层的链路自适应机制802.16系统的QoS架构802.16系统的移动性WiMAX与其他技术的比较,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802.11无线局域网不能很好适用于室外BWA应用（带宽、用户数、通信距离）新的标准需要解决物理层环境（室外射频传输）和QoS的问题。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。三个小组：IEEE802.16.1负责制定频率范围在1066GHz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211GHz之间无线接口标准新的工作组：802.16e：解决802.16基站自由切换和漫游问题802.16f：改进基站覆盖范围,802.16与802.11,802.15互补，填补了无线接入标准的空白。WiMAX（worldinteroperabilityformicrowaveaccess，世界微波接入互操作性）论坛成立，在全球范围内推广802.16协议。,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。,5.2802.16协议体系,802.16又称为WMAN空中接口，适用于266G频段的空中接口规范。覆盖范围：50km每基站总数据率280Mb/s允许终端用户和基站之间非视距（NLOS）宽带连接可支持数百、上千的用户,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。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。,5.2.2标准化进程,空中接口：802.16：对物理层和MAC层进行了规范，频率较高，仅适用与视距范围；802.16a：增加对211GHz非视距接入的支持。提供3种物理层数据传输方式，提供QoS保护单载波使用256子载波的OFDM使用2048子载波的OFDMA,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。仍然属于固定宽带无线接入IEEE802.16协议中定义了两种网络结构：点到多点(PMP)结构：业务仅在基站和用户之间传递，从基站到用户称为下行链路，从用户到基站称为上行链路网格(Mesh)结构：业务可以通过用户站转发。,网络拓扑结构,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)，核心网CN)。802.16d规定了SS和BS功能以及它们之间的接口。,802.16dBS和SS协议模型纵向：数据/控制平面数据平面：数据处理过程中各种具体的处理转发过程。控制平面：控制和管理网络协议的运行。提供数据平面数据处理转发所必须的各种网络信息。管理平面提供给网络管理人员使用，支持、理解和执行管理人员对于网络设备的网络协议设置命令。,横向：MAC层特定服务汇聚子层（CS）：对来自外部网络的数据进行转换或映射，为了与各种不同的外部网络接口，定义了多种CS层规范MAC公共部分子层：MAC层核心功能，如系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护安全子层：授权、安全密钥、加密物理层：对MAC层PDU进行汇聚、编码、调制，最后形成无线帧，送入物理信道。802.16定义了四种物理层规范,802.16d的协议栈模型,5.3802.16的物理层,IEEE802.16的物理层既可以支持单载波又可以支持多载波。基于单载波的物理层规范又分为WirelessMAN-SC和WirelessMAN-SCa两种。WirelessMAN-SC的操作频段为1066GHz，且为视距(LOS)操作；而WirelessMAN-SCa的操作频段低于11GHz，为非视距(NLOS)操作。基于多载波的物理层规范则分为WirelessMAN-OFDM和WirelessMAN-OFDMA，两种规范均基于OFDM多载波技术，操作频段均低于11GHz。,IEEE802.16的物理层规范,5.3.1WirelessMAN-SC,WirelessMAN-SC是基于单载波的物理层规范，支持时分双工(TDD)和频分双工(FDD)两种双工模式，FDD模式下又支持全双工SS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。上行信道划分为多个时隙(slot)或时隔(interval)时隙与时隔由微时隙(minislot)组成，一个微时隙由2n个物理时隙(PS)组成，一个PS等于个调制符号其中n的取值由BS根据业务来衡量时隙或时隔的用途（SS注册、竞争、保护，或者用户业务等）由MAC控制。下行信道采用时分复用(TDM)，即发送给各SS的信息都复用到单个数据流上。无论是上行还是下行，待发送的数据比特发送前都需要经过加扰、FEC编码和调制。,5.3.2WirelessMAN-SCa,WirelessMAN-SCa也是基于单载波技术的物理层规范，是WirelessMAN-SC规范的增强版，它支持时分双工(TDD)和频分双工(FDD)两种双工模式。上行采用时分多址接入(TDMA)，下行采用时分复用(TDM)或TDMA方式。与WirelessMAN-SC规范不同的是，该规范是为非视距操作设计的，操作频段低于11GHz。由于传输距离更大，增强了物理层技术保证信号传输的可靠性。,5.3.3WirelessMAN-OFDM,WirelessMAN-OFDM是基于多载波技术的物理层规范，它支持256点的OFDM调制方式，操作频段低于11GHz，且是为非视距操作而设计的。OFDM物理层上行支持子信道化，可以传送16个子信道。在下行支持空时编码和自适应天线系统等发送分集技术。,5.3.4WirelessMAN-OFDMA,WirelessMAN-OFDMA物理层规范也是基于OFDM调制方式的多载波物理层规范，它支持2048个子载波的OFDMA标准，操作频段低于11GHz，且是为非视距操作而设计的。该规范支持种子信道化方案。OFDMA物理层支持空时编码和自适应天线系统，以及多入多出技术，以增加系统容量。,5.3.5信道模型,应用于802.16系统的信道模型分为：视距传播条件下的信道模型和非视距传播条件下的信道模型。视距条件下的传播工作频段较高（10-66GHz），容易受天气的影响（主要是雨衰的影响）。非视距条件下的传播主要受多径时延扩展、多普勒频移的影响。,5.4802.16的MAC层,MAC层包括与高层实体接口的特定服务会聚子层(ConvergenceSublayer，CS)，完成MAC层核心功能的公共部分子层(CommonPartSublayer，CPS)，以及安全子层(SecuritySublayer)。MAC层需要传送语音、数据、IP连接、VoIP等多种连续型和突发型业务，业务会聚层既支持ATM协议也支持分组协议。BS带宽分配机制：非申请授予、申请授予、轮询、竞争减少竞争并满足用户对带宽和时延的要求所有业务面向连接，每个连接分配一个CID连接标识。,3条管理连接基本连接，用于传送较短的、实时性要求高的MAC和链路控制信息主管理连接：用于传送长的、实时性要求不高的管理消息，如授权、连接建立第二管理连接：用于传送基于标准的管理消息，如基于DHCP、TFTP、SNMP等协议的管理消息传输连接传输业务数据，与服务流相关联服务流定义了QoS参数（时延、抖动、吞吐量等）其他预留连接,1.特定服务汇聚子层（CS）,特定服务汇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有：从高层接收高层协议数据单元PDU；对高层PDU进行分类；(分类功能是该层最核心的功能)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（SAP）;从对等层接收CSPDU.802.16协议定义了两种特定服务汇聚子层：ATM汇聚子层和分组汇聚子层ATM汇聚子层用于支持基于ATM连接的各类数据单元，分组汇聚子层则用于映射类似于IPv4、IPv6、以太网和虚拟局域网（VLAN）的分组业务数据单元。,.公共部分子层（CPS）,MAC公共部分子层完成几乎所有的MAC层核心功能，包括：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。,.安全子层,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；安全子层为运营商提供强有力的防止服务被窃取的保护机制；通过对网络中的服务流进行加密，BS可以阻止对数据传输服务进行的未授权的访问；通过采用一种授权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。保密机制有两个基本的协议：用于加密数据包的封装协议密钥管理协议,5.5MAC层的链路自适应机制,链路自适应技术的基本思想是，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。,常见的链路自适应机制,自适应调制编码(AMC):根据信道情况的变化来动态地调整调制方式和编码方式目的：最大限度利用无线信道，提高频谱效率通过调制方式与编码方式组成模式，较差信道选择抗干扰强的模式，较好的信道选择频谱效率高的模式。,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。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)相结合的技术出错比特数目在纠错能力之内，则纠正；当差错严重，则重发H-ARQ能自动适应信道条件变化（利用C/I测量值进行重传判决）,5.6802.16系统的QoS架构,5.6.1服务类别的定义QoS与服务相联系，每个数据服务都有一组与之关联的QoS参数主动授予服务(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),主动授予服务,主动授予服务（UGS）为周期性、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。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SS向BS发送带宽请求。在传输UGS业务的连接上传送的典型业务包括：固定比特速率的ATM和ATM之上的E1/T1服务、无静音压缩的VoIP服务等。UGS服务流的关键QoS参数为：主动授予大小、每间隔授予、推荐授予时隔、可容忍的授予抖动。实施这些参数的理想调度是通过定义参考时间t0来实现的。所需要的传输时间定义为：ti=t0+i*interval,其中interval为推荐授予间隔。而实际的授予时间ti必须满足条件：t0=ti=ti+jitter,其中jitter是可容忍的授予抖动。,实时查询服务,实时查询服务（rtPS）为周期性、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也能够周期地为其分配可变的突发带宽供其发送变长分组。这种服务比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参数为：建议轮询间隔、可容忍的轮询抖动和最小预留业务速率。,非实时查询服务,非实时查询服务（nrtPS）为非周期性、变长分组的非实时变比特率服务流，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，以保证即便在网络阻塞时，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参数为：建议轮询间隔、最小预留业务速率和业务优先级。,尽力而为,尽力而为（BE）服务的特点：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。这种连接不仅可以使用单播轮询所提供的发送机会，而且可以使用竞争模式来发送带宽请求。其单播轮询机会取决于网络状况。典型的BE服务为Internet网页浏览服务。BE服务流的关键QoS参数为：最小预留业务速率和业务优先级。,5.6.2QoS框架和交互机制,交互过程MACCS进行数据分类（根据服务特征分配服务类别）SS到BS连接建立UGS服务连接不需要进行宽带请求其余服务需要带宽请求：简单请求、捎带请求、单播轮询、基于竞争的轮询根据请求返回UL-MAP消息，根据消息SS从连接队列中提取分组，并在消息定义的时隙中发送。,5.7802.16系统的移动性,IEEE802.16e是基于IEEE802.16d标准的，能够后向兼容IEEE802.16d的功能为了支持移动性，其工作频段为266GHz，支持车速移动(通常认为是120km/h)。在物理层技术方面，802.16e除了支持单载波方式、OFDM方式、OFDMA方式以外，还对OFDMA方式进行了扩展。提供2048、1024、51