wimax阶段性研究汇报

2022/12/29Wimax阶段性研究汇报1Wimax阶段性研究汇报06.42022/12/29Wimax阶段性研究汇报2介绍所涉及的内容Wimax介绍Wimax标准演进Wimax协议模型Wimax主要标准及技术Wimax关键技术Wimax与3G的对比Wimax发展前瞻2022/12/29Wimax阶段性研究汇报3什么是Wimax？2022/12/29Wimax阶段性研究汇报41.Wimax介绍WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波接入互操作性）专为支持电信运营商级部署和低成本、免许可证部署而设计的、获WiMAX论坛认证的系统，不仅将提供大吞吐量（在20MHz新信道上最高可达75Mbps），而且还能够在近视距和非视距环境中实现3～5英里的信号传播距离。这些系统拥有足够的容量，可以同时支持数百个使用T-1连接速度的公司和数千个使用DSL连接速度的家庭。

2022/12/29Wimax阶段性研究汇报52.Wimax标准演进2022/12/29Wimax阶段性研究汇报6802.16IEEE802.16工作组于2002年4月8日正式发布了IEEE802.16-2001标准，为宽带无线接入(BWA)定义了无线城域网(WMAN)的空中接口规范，它标志着宽带无线接入将作为一个新的主要途径，把各商业机构和家庭接入全球电信核心网。IEEE802.16-2001工作在10～66GHz频段，由于这个频段对于像建筑物和树这样的障碍物无穿透能力，故要求基站和用户站是视距(LOS)链路，从而限制了基站的覆盖范围。同时由于用户站天线的安装要求很高，并且系统受雨衰影响较大2022/12/29Wimax阶段性研究汇报7802.16aIEEE802.16工作组于2003年4月颁布了IEEE802.16a，该标准支持的工作频段为2～11GHz，包括了需要发放牌照频段和免牌照的频段。与高频段相比，该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖，系统受雨衰影响不大，系统可以在非视距传输环境下运行，大大降低了用户站安装的要求。另外，IEEE802.16a的MAC层提供服务质量(QoS)保证机制，可支持语音和视频等实时性业务，增加了对网格拓扑结构网络的支持，能适应各种物理层环境。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报8802.16dIEEE802.16a标准仅仅是IEEE802.16-2001标准的修改和扩展，不是一个独立的标准，所以2004年7月IEEE802.16组织又通过了IEEE802.16d。IEEE802.16d对2～66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。该标准对IEEE802.16-2001和IEEE802.16a进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范，是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报9802.16eIEEE802.16e是工作在2～6GHz频段支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。制订它的目的是为了实现既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。IEEE802.16e的目标是能够向下兼容IEEE802.16d，因此IEEE802.16e的标准化工作基本上是在IEEE802.16d的基础上进行的。在IEEE802.16d固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性，IEEE802.16e提出了具有移动特性的系统框架结构，并于2004年9月通过了草案，但由于种种原因推迟发布，到了直到06年1月底才正式发布。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报10几个重要的补充标准除了以上几个标准外，另外还有3个重要标准：2002年正式发布的IEEE802.16c，它是对IEEE802.16的增补，是使用10～66GHz频段IEEE802.16系统的兼容性标准，它详细规定了工作于10～66GHz频段的IEEE802.16系统在实现上的一系列特性和功能。IEEE802.16f，它定义了IEEE802.16系统MAC层和物理层的管理信息库(MIB)以及相关的管理流程。IEEE802.16g，制订它的目的是为了规定标准的IEEE802.16系统管理流程和接口，从而实现IEEE802.16设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。IEEE802.16f和IEEE802.16g这两个标准是的目的是在网络管理层面形成新标准。目前标准的制订工作处于起步阶段。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报11IEEE协议族IEEEStd802.16-2001

固定宽带无线接入系统空中接口IEEEStd802.16™/Conformance01-2003

协议执行一致性陈述10–66GHzIEEEStd802.16™/Conformance02-2003

测试配套结构和测试目的IEEEStd802.16™/Conformance03-2004

射频一致性测试IEEEStd802.16™-2004(802.16d)

固定宽带无线接入系统空中接口IEEEStd802.16e™-2005 PhysicalandMediumAccess ControlLayersforCombinedFixedandMobileOperationinLicensedBands

授权频段物理层和MAC层联合固定和移动操作……2022/12/29Wimax阶段性研究汇报12Wimax与802.16协议族的关系WiMAX论坛成立于2001年4月，最初该组织旨在对基于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，通过WiMAX认证的产品会拥有“WiMAX(r)CERTIFIED”标识。随着802.16e技术和规范的进展，该组织的目标也逐步扩展，不仅要建立一整套基于IEEE802.16标准和ETSIHiperMAN标准的认证体系，同时还致力于可运营的宽带无线接入系统的研究、需求的分析、应用模式的探索、市场的拓展等一系列大力促进宽带无线接入市场发展的工作。通常认为，IEEE802.16工作组是IEEE802.16WiMAX空中接口规范的制定者，而WiMAX论坛是技术和产业链的推动者。目前WiMAX几乎成为了IEEE802.16WiMAX技术的代名词，其空中接口规范涵盖了IEEE802.16d/e标准。

2022/12/29Wimax阶段性研究汇报13WiMAX技术应用场景WiMAX论坛给出WiMAX技术的5(4)种应用场景定义，即固定、游牧、便携(简单移动)和全移动。固定应用场景：固定接入业务是802.16运营网络中最基本的业务模型，包括用户因特网接入、传输承载业务及Wi-Fi热点回程等。游牧应用场景：游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中便携应用场景：在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小区切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展，从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。简单移动应用场景：在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到60～120km/h时，数据传输速度将有所下降。全移动应用场景：在这一场景下，用户可以在移动速度为120km/h甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报14802.16协议参考模型2022/12/29Wimax阶段性研究汇报15802.16物理层(1)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。物理层定义了两种双工方式：TDD和FDD，这两种方式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数(调制方式、编码方式、发射功率等)可以动态调整，但是需要MAC层协助完成。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报16802.16物理层(2)为了更好地使用带宽，IEEE802.16支持时分双工(TDD)和频分双工(FDD)模式。两种模式下都采用突发(Burst)格式发送。在每一帧中，BS和各个SS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。在FDD模式下，系统支持全双工SS，也支持半双工SS。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报17802.16物理层(3)对于10～66GHz频段的无线接入系统，由于工作波长较短，必须要求视距传输，而多径衰落是可以忽略的。因此IEEE802.16规定在该频段采用单载波调制方式，具体可以采用正交移相键控(QPSK)、16相正交幅度调制(16QAM)和64相正交幅度调制(64QAM)调制方式。对于2～11GHz频段，必须考虑多径衰落，而多径衰落会引起符号间干扰(ISI)。OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。所以在2～11GHz频段上主要采用OFDM和OFDMA技术。(其实是802.16a)2022/12/29Wimax阶段性研究汇报18802.16MAC层(1)MAC层结构：特定业务汇聚子层(ConvergenceSublayer——CS)、MAC公共部分子层(CommonPartSublayer——CPS)加密协议子层(SecuritySublayer——SS)

其中加密协议子层是可选的。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报19802.16MAC层(2)802.16是面向连接的，即所有用户站点的数据业务及与之相关的QoS要求，都是在面向连接的范畴中来实现的，每个连接均由一个16位的连接标识符ConnectID(CID)来唯一标识。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报20802.16MAC层(3) MAC帧结构：一个MAC帧总是占用一段连续的物理层定义的时隙，MAC帧由子帧（Sub-frame）组成，前两个子帧是Downstreammap和Upstreammap，用于说明在时隙中的内容和哪些时隙是空的。Downstreammap中包括各种系统参数，并通告新站点此时可以请求进入。下行信道较为简单，基站只要决定内容放在哪个子帧中。上行信道则由互不相关而又需要接入的用户互相竞争，基站将尽可能根据QoS的要求分配。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报21802.16MAC层(4)MAC定义了4种上行基本业务，通过这4种与QoS相关的上行预订业务，基站可以预期上行数据的吞吐量及处理时间，并在适当时间进行查询并进行分配带宽。主动授予服务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrtPS)、尽力传输业务(BE)2022/12/29Wimax阶段性研究汇报22特定业务汇聚子层(CS)该子层代替了LLC子层，CS子层主要功能是负责将其业务接入点(SAP)收到的外部网络数据转换和映射到MAC业务数据单元(SDU)，并传递到MAC层业务接入点(SAP)。具体包括对外部网络数据SDU执行分类，并映射到适当的MAC业务流和连接标识符(CID)上，甚至可能包括净荷头抑制(PHS)等功能。协议提供多个CS规范作为与外部各种协议的接口。它的功能可以理解为提供与网络层的接口。由于802.16设计为可以与数据报协议（如IP、PPP、以太网）和ATM协议进行无缝衔接，但数据报协议是无连接的，而ATM是面向连接的，这意味着每一条ATM连接要映射到一条802.16连接上，而IP分组也必须映射到一条802.16连接上，该层主要处理这些内容。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报23公共部分子层(CPS)MACCPS是MAC的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MACSAP接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量(QoS)控制。通常说的MAC层主要指MACCPS。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报24加密协议子层（SS）加密协议子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。加密封装协议(PrivacyKeymanagement)负责加密算法在MACPDU数据传输中应用规则并实现，对传输的数据进行加密。加密只针对MACPDU中的载荷部分，而不包括MAC头部。MAC中的所有管理信息都不被加密。 通常的算法是：DES（DataEncryptionStandard）TripleDESAES(AdvancedEncryptionStandard)2022/12/29Wimax阶段性研究汇报25802.16协议族重要协议的具体介绍目前，IEEE802.16标准主要包括IEEE802.16d和IEEE802.16e。802.16d的初衷是统一固定无线接入的空中接口。该标准可以应用于2～11GHz非视距(NLOS)传输和10～66GHz视距(LOS)传输。而IEEE802.16e的目标是能够向下兼容IEEE802.16d，为了支持移动特性，在IEEE802.16d的基础上加入了切换、QoS、安全等新的特性。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报26802.16d对2-66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了802.16、16a等标准中的所有模式和主要特性同时未增加新的模式，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署。IEEE802.16d是固定宽带无线接入的标准，该标准定义了三种物理层实现方式：单载波、OFDM(256-Point)、OFDMA(2048-Point)。802.16d2022/12/29Wimax阶段性研究汇报27802.16d/e技术特征(1)在多址方式方面，802.16d/e在上行采用TDMA(时分多址)，下行采用TDM(时分复用)支持多用户传输。另一种多址方式是OFDMA，以2048个子载波的情况为例，系统将所有可用的子载波分为32个子信道，每个子信道包含若干子载波。多用户多址采用和跳频类似的方式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时域单位为2或3个符号周期。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报28802.16d/e技术特征(2)在调制技术方面，802.16d/e支持的最高阶调制方式为64QAM，相对于蜂窝移动通信系统(3GPPHSDPA最高支持16QAM)，802.16d/e更强调在信道条件较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求，802.16d/e选用了块Turbo码、卷积Turbo码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码，同时也考虑使用低复杂度、低延时的LDPC码。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报29802.16d/e适应性调制802.16d/e可以根据传输环境的好坏自适应的选择调制方式，从QAM-64到BPSK，QPSK2022/12/29Wimax阶段性研究汇报30802.16d/e技术特征(3)在双工方式方面，802.16d/e支持FDD和TDD两种方式，其物理层技术基本相同。相对而言，3G技术中FDD和TDD模式采用的物理层有较大不同。802.16d/e在5MHz频带上可以实现约15Mbit/s的速率，频谱效率为3bit/s/Hz，与HSDPA相似。但802.16d/e在固定或低速环境下可以使用更大带宽(20MHz)，实现高达75Mbit/s的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。这充分体现出OFDM技术在使用更宽频带方面的优势。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报31802.16d/e技术特征(4)

802.16d/e标准支持全IP网络层协议，802.16d/e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络。但现有IP核心网缺乏有效的移动性管理能力。WiMAX论坛已经开始开发网络层协议，802.16NetMAN工作组也已开展这方面的工作。同时，802.16协议也可以通过一个ATM汇聚子层将ATM信元映射到802.16d/eMAC层，具备支持3G核心网的潜力。也就是说，WiMAX支持和3G系统的互通和融合。802.16d/e的MAC层支持多种QoS等级以适应VoIP、可视电话、流媒体、在线游戏、浏览、下载等不同的业务类型，包括主动分配带宽(UGS)、实时轮询(RtPS)、非实时轮询(NrtPS)和尽力而为(BE)，其中最后一种为竞争接入的调度机制。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报32802.16e在802.16d上的技术改变物理层的改进对MAC层的改进802.16e切换方式休眠模式空中接口规范工作进展情况2022/12/29Wimax阶段性研究汇报33802.16e对物理层的改进对OFDM/OFDMA方式的改进

802.16dOFDM物理层采用256个子载波，OFDMA物理层采用2048个子载波，信号带宽从1.25～20MHz可变。802.16e对OFDMA物理层进行了修改，使其可支持128、512、1024和2048共4种不同的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比，这种技术称为可扩展的OFDMA(ScalableOFDMA)。采用这种技术，系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。对OFDM方式的改进2022/12/29Wimax阶段性研究汇报34802.16e对MAC层的改进802.16e对MAC层也进行了改进，主要是对于物理层和其它功能的修改增加了相应的消息和消息传输机制，并实现了快速自动请求重传（ARQ）和预留，以实现低时延。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报35802.16e切换方式

对切换的支持包括：定义了切换(包括软切换)过程，明确了切换的MAC层信令，完善了切换过程中的测距(ranging)操作，增加了基于多天线的软切换功能等。802．16e中采用了终端辅助的切换方式，移动用户站（MS）收集相应的切换信息并将其传输给网络，网络收集相应的信息，进行判决并执行切换。有三种类型的切换：

1）信道间切换：同一基站（BS）的不同信道之间的切换，在这种情况下，BS做出切换的判决并执行切换；

2）小区间的软切换：发生在两个同频的BS间，这时原BS进行切换判决并执行切换；

3）小区间的硬切换：在与原BS的链路完全断开的情况下，MS与新BS建立连接。在切换过程中新BS会通知原来的BS。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报36休眠模式

为了减少MS的功率消耗，802.16e中采用了休眠模式。支持休眠模式的MS具有两种状态：清醒状态和休眠状态。在清醒状态下，MS能够正常的接收和发送数据分组，而在休眠状态，它不能发送和接收分组，甚至可以关机。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报37802.16e空中接口规范工作进展情况

对移动终端的支持包括：确定了省电模式，增加了低复杂度、低延时的LDPC信道编码。为了适应多变的移动信道环境，增加的功能包括：支持灵活的带宽使用，增强了HARQ、AMC、智能天线和空时码的功能，增加了TDD系统的闭环发送(close-looptransmission)功能。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报38802.16各协议简单比较2022/12/29Wimax阶段性研究汇报39Wimax关键技术之一——OFDM

使用原因：2～11GHz频段，必须考虑多径衰落，而多径衰落会引起符号间干扰(ISI)。克服符号间干扰的措施一般采用自适应均衡器，但随着数据传输速率的提高，为了克服ISI，往往要求均衡器的抽头数很大，均衡器的复杂性大大增加。例如，一个200kb/s的QPSK系统，符号周期为10us。如果多径信道的时延拓展为20us，则相应地N＝20/10＝2个符号，这时的均衡器不太复杂，比较容易实现。但是如果数据传输速率增加40倍，即8Mb/s，则N等于80个符号，相应均衡器的复杂度要增加1600倍(考虑N2趋向无穷大)，这大大超出了当前器件的处理能力。因此在宽带无线系统中，应考虑采用其他的技术来克服ISI。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报40OFDM介绍OFDM实际是一种多载波数字调制技术。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，正交指各个载波的信号频谱是正交的。正交频分复用（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。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报41OFDM技术优点OFDM系统比传统FDM系统要求的带宽要小得多。由于OFDM使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道中的数据，为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。通过各个子载波的联合编码，OFDM具有很强的抗衰落能力，同时也有很强的抗窄带干扰能力，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。OFDM系统可以有效地抗信号波形间干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。OFDM信道利用率高，这点在频谱资源有限的无线环境中尤其重要。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报42OFDM原理实现OFDM，需要利用一组正交的信号作为子载波。再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型，经调制器调制后送入信道传输。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码，码型选用不归零方波。用这M路并行码调制M个子载波来实现频分复用。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报43OFDM原理图2022/12/29Wimax阶段性研究汇报44实际使用的OFDM技术原理(1)

——发送端用户信号以串行的方式输入发送器。这些码字先被送入一个并/串变换器中。该OFDM码随后被送入一个进行快速傅立叶逆变换的模块，进行快速傅立叶逆变换。快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此，用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。计算出快速傅立叶逆变换样值之后，一个循环前缀被加到了样值前，形成一个循环拓展的OFDM信息码字。循环拓展信息码的样值再次通过一个并/串转换器模块。然后按照串行的方式通过信道（经过适当的滤波和调制）。在传输过程中，信道的冲击响应对时域信号造成了干扰。由于循环前缀使所传输的OFDM信号表现出周期性，这种卷积就成了一种圆周卷积。根据离散时间线性系统原理，这种圆周卷积就相当于OFDM信号的频率响应和信道频率响应的乘积。

2022/12/29Wimax阶段性研究汇报45实际使用的OFDM技术原理(2)

——接收端接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化，接收到的信号经过一个串行－并行的转换器，并且把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息。循环前缀中的信息是冗余的。使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。循环前缀的另外一个好处是可以消除码间干扰。我们要求循环前缀的值比信道内存更大一些。多径信号引起先发信息码字的滞后到达而影响当前信息码字，从而产生码间干扰。但是，事实上，码间干扰仅仅会干扰当前信息码的循环前缀。因此，使用适当大小的循环前缀就能够使OFDM技术消除码间干扰。在清除了循环前缀之后，信号将会经过一个快速傅立叶变换模块，把信号从时域转变回频域。信号经过一个并行－串行转换模块进行并串变换，就完成了对原始OFDM信号的接收。

2022/12/29Wimax阶段性研究汇报46用离散傅立叶变换实现OFDM的调制器/解调器示意图2022/12/29Wimax阶段性研究汇报47Wimax与3G的对比(1) 802.16e技术和3G技术，首先由于定位不同，两者存在很大差异，表现在：从标准化程度上看

802.16e仅定义了空中接口的物理层和MAC层。在MAC层之上采用的协议以及核心网部分不在802.16e所包含的范围之内。802.16e的空中接口标准化工作已于近期完成。3G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。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报48Wimax与3G的对比(2)从业务能力上看

802.16e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802.16e终端持有者。802.16e接入IP核心网，也可以提供VoIP业务。3G从设计最初就是为话音业务和数据业务共同设计的，对于话音业务，核心网络仍采用电路交换方式实现，QoS有较高的保障。802.16e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3G系统。但是3G的数据能力也在不断提高，3G增强型如HSDPA，已经可以实现10Mbit/s的接入速率。按照ITU的定义，3G增强型最终目标可以达到30Mbit/s。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报49Wimax与3G的对比(3)从覆盖范围上看

802.16e为了获得较高的数据接入带宽(30Mbit/s)，必然要牺牲覆盖和移动性，因此802.16e在相当长的时间内将主要解决热点覆盖，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。3G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。2022/12/29Wimax阶段性研究汇报50Wimax与3G