基于IEEE802116的宽带无线接入技术研

基于IEEE802.16的宽带无线接入技术〔研究报告〕目次一、 IEEE802.16的标准化现状 图9图6显示了控制面的逻辑网络参考模型。参考点分别是：UPHY、MAC〔包括CS〕操作，包括提供移动性支持的消息交换IB基站到基站消息传输协议〔未定义〕A鉴权与效劳授权功能的消息〔未定义〕与802.16d相比，在基站根本功能相当的情况下，802.16e提供了用户终端的移动性增强支持。协议采用动态时隙分配〔DynamicSlotAssignment〕模型，控制功能保存在基站上，由基站通过使用FCH和MAP的帧开头上的标记来调度DL和UL的传输时机。由于这种模式可以预订无线信道的时隙，因而在这种模式下可以实现统计的效劳质量保证。物理层概述前面已经提到，IEEE802.16标准根据不同的应用情况划分了不同的物理层。单载波〔SC〕物理层主要面向10-66GHz的系统，在设计该系统时，频谱效率和高容量不是主要考虑的因素。OFDM256物理层系统的设计那么适用于1.25MHz到3.5MHz的窄信道带宽上。OFDMA物理层系统设计是用于从1.25MHz到20MHz的可扩展FFT的信道。IEEE802.16e的物理层实现方式与IEEE802.16d是根本一致的，主要差异是对OFDMA进行了扩展，可以支持2048-Point、1024-Point、512-Point和128-Point，以适应不同地理区域从20MHz到1.25MHz的不同载波带宽的需要。在三种物理层制式中，OFDMA更适合移动信道，因为它能够向多个用户灵活分配子载波。OFDMA在部署时，通过采取特定的方式，有可能实现频率复用系数为1，将大大简化组网时对频率规划的要求。802.16e采用OFDMA时，具有如下优点：通过采用可扩展的OFDMA，可以支持多种信道带宽；当采用OFDMA时，有可能实现频率复用系数为1；较高的频谱效率，如DL及UL上所用的子信道化模式，在各子载波级分配中具有最大灵活性；OFDMA中子载波在子信道中的分配无需邻接，有利于实现频率分集；支持对每帧子载波级的传输进行优化的功率控制。子载波具有正交性，无需像在CDMA系统中那样严格控制功率。OFDMA物理层系统参数下表包含OFDMA系统的一些主要参数参数FFT尺寸12851210242048针对的信道带宽1.25MHz5MHz10MHz20MHz子载波数量12851210242048子信道化模式PUSC――局部应用的子信道FUSC――完全利用的子信道AMC――自适应调制与编码子信道子载波(Tone)间隔>10kHz双工模式支持TDD、H-FDD和FDD系统OFDMA物理层的特性a. 帧结构与子信道化下列图为802.16e定义的帧结构。同时还显示了不同的子信道化模式。前导信号用于DL信号获取，它们通常以低PAPR传输，可在恶劣SNR环境下实现快速的信道获取。FCH和DL及UL图描述了帧结构，使MSS能够对基站信号进行解码，并对其UL传输计时。测距过程〔rangingprocedure〕紧跟MSS扫描过程，使其可以调整UL信号传输时间。在OFDMA中，使用CDMA方法实现测距〔ranging〕，多个MSS共享测距子信道。下行链路子帧上行链路子帧前导信号FCH与DL和UL图PUSC区FUSC区可选FUSC区AMC区PUSC区可选FUSC/AMCb. 调制与编码支持QPSK、16QAM和64QAM调制，以及FEC，包括卷积编码〔CC〕、卷积Turbo码〔CTC〕和分组Turbo码〔BTC〕。LDPC编码方式也被提交用于OFDMA物理层。c. 自适应天线系统支持支持以下类型的自适应天线系统，为实现灵活部署提供大容量和更好的链路预算。分集信令方法〔DiversitySignalingmethod〕直接信令方法(DirectSignalingmethod)此外，标准还支持MIMO和空时编码。MAC层MAC层同样包含三个子层：CS(会聚子层)，CPS(公共局部子层)和平安子层。会聚子层会聚子层主要功能是把面向连接的公共局部效劳〔MAC效劳〕映射成标准类型的效劳。这里有两种主要的CS类型：ATMCS和分组〔Packet〕CS。ATMCS把上层的ATM信元映射成为固定大小数据包的802.16连接。数据包的大小是预先知道的，这使得MAC可以有效地把多个信元打包成一个MPDU而不需要多个数据包头的开销。分组CS有三种模式：802.1Q,802.3以太网和IP。每种模式描述了这种类型的数据包到802.16连接的映射。IEEEStd802.1Q-1998VLANspecificpart用于在802.16之上传输802.1QVLANTaggedFrame。IEEEStd802.3/EthernetSpecificPart用于在802.16之上传输802.3以太网帧。IPCS无需PPP协议或802成帧就可以直接承载IPv4和IPv6。分组CS可选地支持负载数据包头压缩PHS〔payloadheadersuppression〕。PHS通过一定规那么在发送端消除包头中的重复信息，并在接收端重构这些信息。PHS使得包含多层报头的数据传输更加有效。这种特性提高了带宽的利用率，对于像VOIP这样的应用特别重要。MAC公共局部子层MAC公共局部子层在不可靠的物理层MPDU传输之上提供了可靠的、面向连接的、有效劳质量保证的分组数据业务传输。MAC效劳的根本原语有：CREATE_CONNECTION；CHANGE_CONNECTION；DESTROY_CONNECTION；MA_DATA。CREATE/CHANGE/DESTROY_CONNECTION原语用来建立、取消和改变连接。每一个连接都有与之相对应的QoS特性，这些QoS特性是由基站的系统调度功能来决定的。MA_DATA原语用于MACMSDU的传送。网络接入〔NetworkEntry〕网络接入包含了一系列的过程，按照顺序依次是：扫描(Scanning): SS侦听基站的下行传输信号来寻找需要接入的基站。初始测距(InitialRanging): 通过这一过程SS联系一个基站，获得主管理连接，建立物理层信号的时间同步〔timing〕和功率调整。能力协商(Capabilitiesnegotiation): SS和BS协商双方可以执行的功能。平安授权(SecureAuthorization): SS和BS交换X.509证书，该证书用来来执行双向的平安的身份验证。RSA密钥交换(RSAKeyExchange) :BS用RSA加密主密钥并传递给SS.基于EAP的用户认证(EAPBasedUserauthentication): 利用EAP作为认证框架SS和BS/Network彼此认证对方。密钥交换(KeyExchange): 使用对称加密算法把用户连接的业务密钥从基站传递到SS。连接的建立和维护MAC通过CREATE_CONNECTION原语建立连接，空中协议利用DSA*消息来请求、建立、改变和取消连接。当连接建立后，SS可以维护当前的连接，这些操作包括：周期测距〔periodicranging〕: SS周期性地更新他的功率和时间偏置。密钥更新〔ReKeying〕： SS周期性地获取新的密钥来保证连接的平安移动性支持MAC管理协议包括了一些移动特性：邻域播送列表〔Neighboradvertisementlists〕: 保证高效率的基站扫描；切换信令〔Handoversignaling〕: 在基站间切换SS的连接；周期性扫描〔PeriodicScanning〕: SS周期性地寻找它可能切换的基站；休眠模式〔Sleepmode〕: SS周期性地进入低供电模式已延长电池的供电时间；空闲模式〔Idlemode〕: SS断开与网络的连接，但是能够周期性地侦听网络消息并根据所处位置更新网络，这样当有呼叫进来时，网络能够呼叫到用户。连接支持针对一个连接，MAC应用了多种协议或方法来提高传输的可靠性和链路的利用率，这些方法包括：分割〔Fragmentation〕 一个MSDU被分片成多个小的MPDUs打包〔Packing〕 多个MSDU被打包成一个大的MPDU自动重传请求〔ARQ〕 丢包发生时，要求重传数据包调度和效劳质量保证802.16基站中包含一个调度器(scheduler.),这个调度器决定哪个终端什么时候发送数据。调度器响应用户站的带宽请求消息，通过调度或轮询上下行数据传输来决定如何满足每个连接的QoS要求。802.16没有定义具体的调度算法实现。上行连接通过轮询〔polling〕来获得信道的接入，每个上行连接可应用4种预定业务类型，每种类型决定了调度器不同的轮询〔polling〕方式。非请求的带宽分配业务〔UGS.UnsolicitedGrantService〕：用于恒定比特率连接。基站实时地周期性地提供固定大小的数据分配突发类型〔DataGrantBursttypes〕。实时轮询业务〔rtPS.RealTimePollingService.〕：用于连接要求周期性地，数据包大小不固定，比特率可变的传输。SS利用上行非竞争带宽请求机制接入。非实时轮询业务〔nrtPS.NonRealTimePollingService〕：基站每隔一定间隔提供下行轮询使得SS可以进行上行带宽请求，通常发生的速率要慢于rtPS.对于额外的上行请求，容许SS利用竞争请求机制。尽力而为业务〔BE.Besteffort.〕：SS必需用上行竞争请求机制传输数据，这种方法尽可能地利用空中资源传送数据，并不会对实时和UGS连接造成影响。平安子层平安子层提供了链路加密，身份验证和数据完整性保护。它也可以进行用户授权来控制网络的接入以防止效劳的冒用。链路加密使用与IEEE802.11i相同的128bitsAES-CCM算法来提供数据加密，身份认证和完整性保护。标准也定义了56bits的DES-CBC密码算法，这种算法只能提供数据加密，已经证明缺乏够平安，因此推荐使用AES-CCM算法。对我国标准化工作的考虑从以上对802.16技术特点和应用的分析，802.16将来具有一定的市场应用前景。我国设备制造商和研究机构很早就开展了对802.16技术的研究。CCSATC5也一直在开展相关的研究工作。随着802.16d标准的正式通过，802.16d的商用化步伐也随之加快。因此从我国行业开展的角度出发，应联合设备制造商、研究机构、运营商等多方力量，加快我国802.16的标准化工作，建议如下：紧密跟踪IEEE802.16国际标准组织的进展。作为IEEE802.16的移动扩展，802.16e仍在制定过程中，许多内容在不断地更新。网络管理标准802.16f、802.16g正处于起步阶段。CCSA可组织各厂家向802.