无线城域接入技术课件

第9章无线城域接入技术引言固定无线接入网概述早期技术LMDSIEEE802.16标准概要IEEE802.16MAC层IEEE802.16物理层9/18/20231AccessNetwork(2009)第9章无线城域接入技术引言8/6/20231Access引言BWA技术正在蓬勃发展无线接入不再是有线接入的简单补充IEEE802.16标准的发布将极大推动无线城域接入的发展BWA的诸多优势形成对有线接入技术的竞争9/18/20232AccessNetwork(2009)引言BWA技术正在蓬勃发展8/6/20232AccessN第9章无线城域接入技术引言固定无线接入网概述早期技术LMDSIEEE802.16标准概要IEEE802.16MAC层IEEE802.16物理层9/18/20233AccessNetwork(2009)第9章无线城域接入技术引言8/6/20233Access固定无线接入网概述概念无线接入：用户终端到网络节点之间的传输设施，部分或全部采用无线传输固定无线接入：用户终端位置基本固定的无线接入特点用户终端不具备移动性对某一特定地域的固定用户提供接入没有越区切换和漫游的功能工作频率高，在微波波段提供高的传输容量和多业务9/18/20234AccessNetwork(2009)固定无线接入网概述概念8/6/20234AccessNet固定无线接入网概述基本结构一般采用有中心的结构，中心站称为基站中心站控制所有用户站的接入，同时接入有线网所有用户站之间不能直接通信，必须通过基站转发运营商网络基站用户终端用户单元9/18/20235AccessNetwork(2009)固定无线接入网概述基本结构运营商网络基站用户终端用户单元典型的固定无线接入技术早期技术LMDS(LocalMultipointDistributionService）覆盖3-5km,向密集小区或大厦提供高速无线接入MMDS（MultichannelMultipointDistributionService）覆盖约50km,向城郊的分散用户提供无线接入高轨卫星接入覆盖广阔的地域，为偏远地区的用户提供无线接入最新技术IEEE802.16（重点介绍）9/18/20236AccessNetwork(2009)典型的固定无线接入技术早期技术8/6/20236Access第9章无线城域接入技术引言固定无线接入网概述早期技术LMDSIEEE802.16标准概要IEEE802.16MAC层IEEE802.16物理层9/18/20237AccessNetwork(2009)第9章无线城域接入技术引言8/6/20237Access早期技术LMDSLMDS系统概要LMDS系统结构LMDS技术特点LMDS系统的局限9/18/20238AccessNetwork(2009)早期技术LMDSLMDS系统概要8/6/20238AccesLMDS系统概要LMDS：LocalMultipointDistributionService本地多点分配业务采用点到多点微波传输技术传输频段：微波范围10GHz～66GHz带宽：1.3GHz，享有“无线光纤”之称覆盖：3～5km（单基站覆盖半径）多址方式：FDMA、TDMA调制方式：QPSK、16QAM、64QAM通信速率：n×64Kbps～155Mbps支持业务：话音、数据、视频、多媒体综合业务9/18/20239AccessNetwork(2009)LMDS系统概要LMDS：LocalMultipoint早期技术LMDSLMDS系统概要LMDS系统结构LMDS技术特点LMDS系统的局限9/18/202310AccessNetwork(2009)早期技术LMDSLMDS系统概要8/6/202310AcceLMDS系统结构系统组成：用户站、基站通过传输网（基础网）连接到LMDS中心局，通过中心局连接到业务网采用蜂窝小区结构，一个小区一个基站基站之间不切换点对多点结构，上行信道多个用户共享信道，需要某种信道访问机制用户站基站LMDS中心局PSTNInternet用户站基站传输骨干网9/18/202311AccessNetwork(2009)LMDS系统结构系统组成：用户站、基站用户站基站LMDSPS基站位于蜂窝小区的中央，向用户提供覆盖室内单元：网络接口设备；室外单元：收发信机和天线基站可不划分扇区，也可划分扇区不划分扇区：基站全向天线，用户定向天线划分扇区：基站多个定向天线，各天线覆盖一个扇区，用户定向天线一般采用划分扇区，相邻扇区采用交叉极化方式，频率可重复使用，增加系统容量扇区角度划分：15o、22.5o、30o、45o、60o、90o对应扇区数：24、16、12、8、6、49/18/202312AccessNetwork(2009)基站位于蜂窝小区的中央，向用户提供覆盖8/6/202312A（a）单扇区基站（b）多扇区基站单扇区基站VS多扇区基站9/18/202313AccessNetwork(2009)单扇区基站VS多扇区基站8/6/202313AccessN用户站结构示意图一个LMDS用户站可为多个用户终端提供业务如一幢楼的所有用户终端用户站设备天线收发信机网络接口单元NIU网络接口单元收发信机HUBPBX9/18/202314AccessNetwork(2009)用户站结构示意图一个LMDS用户站可为多个用户终端提供业务用早期技术LMDSLMDS系统概要LMDS系统结构LMDS技术特点LMDS系统的局限9/18/202315AccessNetwork(2009)早期技术LMDSLMDS系统概要8/6/202315AcceLMDS技术特点集中控制，便于用户接入管理（基站控制）上下行不对称下行带宽为1GHz，上行为300MHz提供QoS保证，根据业务QoS，申请并分配带宽双向通信（FDD,FrequencyDivisionDuplex

）系统容量大：带宽大（1.3GHz），提供容量大可扩容性强：可增加每个扇区的载波数（最多可容纳5个载频）可增加扇区的数量，最多可划分24个扇区9/18/202316AccessNetwork(2009)LMDS技术特点集中控制，便于用户接入管理（基站控制）8/6早期技术LMDSLMDS系统概要LMDS系统结构LMDS技术特点LMDS系统的局限9/18/202317AccessNetwork(2009)早期技术LMDSLMDS系统概要8/6/202317AcceLMDS系统局限性频段为10—66GHz，各个国家根据情况使用其中的部分频段要求视距传输受雨衰影响大技术实现成本相对较高没有被广泛接受的标准，发展受挫各家产品很难互联互通制约了规模发展为IEEE802.16标准的出台提供了良好的技术准备IEEE802.16借鉴了LMDS的部分基本思想系统结构上下行技术频段9/18/202318AccessNetwork(2009)LMDS系统局限性频段为10—66GHz，各个国家根据情况使第9章无线城域接入技术引言固定无线接入网概述早期技术LMDSIEEE802.16标准概要IEEE802.16MAC层IEEE802.16物理层9/18/202319AccessNetwork(2009)第9章无线城域接入技术引言8/6/202319AccesIEEE802.16标准概要概要标准及演进系统结构业务协议模型9/18/202320AccessNetwork(2009)IEEE802.16标准概要概要8/6/202320Ac概要IEEE802.16工作组成立于1999年负责开发宽带无线城域接入规范以固定城域接入为主旨在提供电信级的服务和QoS保证目前最新版本：802.16-2004规范主要内容：10—66GHz频段MAC层和物理层旨在为集团用户提供固定无线城域接入多接入用户共享接入设备、室外型定向天线2—11GHz频段MAC层和物理层希望能支持个人用户和游牧用户的接入希望个人用户独享接入设备（手持设备）9/18/202321AccessNetwork(2009)概要IEEE802.16工作组成立于1999年8/6/20IEEE802.16标准概要概要标准及演进系统结构业务协议模型9/18/202322AccessNetwork(2009)IEEE802.16标准概要概要8/6/202322Acc标准及演进IEEE802.16-2001标准第一版，运行在10GHz～66GHz的规范MAC、物理层规范MAC采用面向连接机制，提供多种业务QoS需视距传输，同时设备成本也较高IEEE802.16c-2002对2001版的修订IEEE802.16a-2003增添：运行在2GHz～11GHz的规范可超视距传输，设备成本也较低技术增强：OFDM、OFDMA、mesh等9/18/202323AccessNetwork(2009)标准及演进IEEE802.16-20018/6/20232标准及演进IEEE802.16-2004合并了先前三个版本2—66GHz频段规范现行最新标准IEEE802.16e-2005旨在使用户能在802.16基站之间自由切换WiMAX（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波接入互操作性）推动802.16标准的制定对不同厂商的芯片和设备进行标准化认证帮助推动与保证设备的兼容性和互操作性9/18/202324AccessNetwork(2009)标准及演进IEEE802.16-20048/6/20232IEEE802.16标准概要概要标准及演进系统结构业务协议模型9/18/202325AccessNetwork(2009)IEEE802.16标准概要概要8/6/202325Ac系统结构两种结构点到多点：PMP网格状：mesh9/18/202326AccessNetwork(2009)系统结构两种结构8/6/202326AccessNetwoPMP结构组成一个或多个基站BS、可选的中继站RS，多个用户站SS，BS之间内部链路等通过G接口连接数据终端，F接口连接核心网络一个基站控制多个用户站用户站只能直接与基站（或中继站）通信用户站之间的通信必须经过基站转发下行：BS是唯一的发送者上行：多个SS共享信道，需要MAC协议单跳无线网络9/18/202327AccessNetwork(2009)PMP结构组成下行：8/6/202327AccessNetPMP结构基站BS蜂窝结构、一个或多个扇区一个802.16系统可有多个BS（扩大范围）用户站SS用户侧接入设备，可由多个用户终端共享多个SS共享到BS的无线信道中继站RS可选，目的是扩大覆盖范围接口G接口：连接SS与TE，如以太接口等F接口：连接802.16网络与核心网9/18/202328AccessNetwork(2009)PMP结构基站BS8/6/202328AccessNetwmesh结构mesh无线网络多跳无线网络结构网络节点功能路由存储与转发9/18/202329AccessNetwork(2009)mesh结构mesh无线网络8/6/202329Accemesh结构各SS之间有直接通信的无线接口SS具有中继/转发功能SS之间通过无线链路形成mesh结构接入范围明显增大，尽量避免接入孤点但802.16并没有就如何实现mesh进行规范无线mesh是目前研究热点802.16留有mesh接口，为今后发展打下了基础9/18/202330AccessNetwork(2009)mesh结构各SS之间有直接通信的无线接口但802.16IEEE802.16标准概要概要标准及演进系统结构业务协议模型9/18/202331AccessNetwork(2009)IEEE802.16标准概要概要8/6/202331Ac补充：QoS需求QoS重要参数：可靠性、延迟、抖动、带宽（reliability,delay,jitter,bandwidth）9/18/202332AccessNetwork(2009)补充：QoS需求QoS重要参数：可靠性、延迟、抖动、带宽（r补充：业务分类ATM网络中按照对QoS要求不同，将业务分为4类：Constantbitrate(e.g.,telephony)模拟一条物理线路，提供恒定带宽、恒定延时Real-timevariablebitrate(e.g.,compressedvideoconferencing)Non-real-timevariablebitrate(e.g.,watchingamovieovertheInternet)Availablebitrate(e.g.,filetransfer)9/18/202333AccessNetwork(2009)补充：业务分类ATM网络中按照对QoS要求不同，将业务分为44种业务主动授权业务UGS(UGS：UnsolicitedGrantService)固定速率，时延敏感业务业务要求：严格的时延和时延抖动，固定带宽如：T1/E1以及没有静默压缩的VoIP等实时轮询业务rtPS(rtPS：Real-timePollingService)可变速率实时业务业务要求：有一定的时延和时延抖动如：MPEG视频业务非实时轮询业务nrtPS(nrtPS：Nonreal-timePollingService)非周期变长分组的非实时数据流业务要求：保证最小速率，但对时延和抖动无严格要求如：大型文件传输；有保证最小速率要求的Internet接入尽力而为业务BE(BE：BestEffort)非实时、无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务如E-mail和短信等，不要求提供吞吐量和时延保证9/18/202334AccessNetwork(2009)4种业务主动授权业务UGS(UGS：UnsolicitedIEEE802.16标准概要概要标准及演进系统结构业务协议模型9/18/202335AccessNetwork(2009)IEEE802.16标准概要概要8/6/202335Acc协议参考模型MAC层：分为3个子层CS：业务汇聚子层ConvergenceSublayerMAC公共子层MACCommonPartSublayerPS：加密子层PrivacySublayer物理层PHY业务会聚子层MAC公共子层加密子层物理层高层802.16的范围MACCSSAPMACSAPPHYSAP9/18/202336AccessNetwork(2009)协议参考模型MAC层：分为3个子层PHYMAC公共子层加密子第9章无线城域接入技术引言固定无线接入网概述早期技术LMDSIEEE802.16标准概要IEEE802.16MAC层IEEE802.16物理层9/18/202337AccessNetwork(2009)第9章无线城域接入技术引言8/6/202337AccesIEEE802.16MAC层MAC概述MAC主要特点MAC层要点9/18/202338AccessNetwork(2009)IEEE802.16MAC层MAC概述8/6/20233MAC概述IEEE802.16的宗旨是提供电信级的服务和QoS保证MAC协议十分精巧且复杂采用面向连接的协议保证可靠性针对不同业务采用不同的带宽分配方式，保证QoS采用接入认证和数据加密保证安全性MAC层功能通过三个子层协同实现CS、MACCPS、PS9/18/202339AccessNetwork(2009)MAC概述IEEE802.16的宗旨是提供电信级的服务和QIEEE802.16MAC层MAC概述MAC主要特点MAC层要点9/18/202340AccessNetwork(2009)IEEE802.16MAC层MAC概述8/6/202340MAC主要特点提供面向连接的服务——IEEE802.16MAC层最显著的特征每个连接基于不同的CID（connectionidentification）多种带宽分配机制非申请授予无竞争申请授予（单播轮询方式）竞争申请授予（组播/广播轮询方式）冲突分解当竞争申请带宽冲突时，采用截断二进制指数退避支持PDU猝发（burst）一次连续发送多个MACPDU支持SDU分段/重装发送方，将一个SDU分成多个小段，由多个PDU传送接收方，重装SDU支持SDU拼装（Packing）多个SDU被封装在一个PDU中传输认证与加密接入认证、数据加密9/18/202341AccessNetwork(2009)MAC主要特点提供面向连接的服务——IEEE802.16IEEE802.16MAC层MAC概述MAC主要特点MAC层要点9/18/202342AccessNetwork(2009)IEEE802.16MAC层MAC概述8/6/202342相关术语业务流（SF）：一组单向传输的分组，其特征由一组QoS参数描述业务流标识符（SFID）：32bit，标识一类QoS业务，代表不同优先级，是MAC进行带宽分配和调度的重要依据连接标识符（CID）：16bit，用于标识SS和BS之间的MAC连接传送业务数据传送管理信息业务流映射将SF与CID关联，从而保证该业务流的QoS9/18/202343AccessNetwork(2009)相关术语业务流（SF）：一组单向传输的分组，其特征由一组QoMAC层要点CS要点功能ATMCSPacketCSMACCPS要点功能带宽请求与分配接入初始化PS要点9/18/202344AccessNetwork(2009)MAC层要点CS要点8/6/202344AccessNetCS要点功能通过CSSAP向不同的高层协议提供服务为网络层建立接口汇聚多种不同的业务设计目标：使得IEEE802.16面向连接的MAC层与ATM和分组协议进行无缝集成两种不同的CSATMCSPacketCS针对不同的高层业务流进行分类和映射根据业务流及相应的QoS要求，将其映射到不同的CID（连接标识符）9/18/202345AccessNetwork(2009)CS要点功能8/6/202345AccessNetworkMAC层要点CS要点功能ATMCSPacketCSMACCPS要点功能带宽请求与分配接入初始化PS要点9/18/202346AccessNetwork(2009)MAC层要点CS要点8/6/202346AccessNetATMCS承载高层数据为ATM信元主要功能将ATM信元头部中的虚电路标识映射为相应的连接标识符CID（16位）对于VP交换，将VPI映射为一个CID对于VC交换，将VPI和VCI映射为一个CID映射的同时，隐含业务的QoS参数。目的是使MACCPS根据CID建立连接9/18/202347AccessNetwork(2009)ATMCS承载高层数据为ATM信元8/6/202347AcMAC层要点CS要点功能ATMCSPacketCSMACCPS要点功能带宽请求与分配接入初始化PS要点9/18/202348AccessNetwork(2009)MAC层要点CS要点8/6/202348AccessNetPacketCS承载高层数据为可变长分组Ethernet帧、PPP帧……主要功能将不同的高层分组业务进行分类将不同的高层分组业务映射为相应的连接标识符CID映射的同时，隐含业务的QoS参数。目的是使MACCPS根据CID建立连接9/18/202349AccessNetwork(2009)PacketCS承载高层数据为可变长分组8/6/2023业务流分类与映射每个高层数据（SDU）首先进入分类器进行匹配每个业务流对应一个SFID每个SFID对应匹配一个CID符合匹配关系的业务流，MACCPS将按匹配的CID建立连接，保证QoS不符合匹配关系的业务流，可选两种处理策略：直接丢弃在默认的连接上传输，但不一定满足QoS要求9/18/202350AccessNetwork(2009)业务流分类与映射每个高层数据（SDU）首先进入分类器进行匹配MAC层要点CS要点功能ATMCSPacketCSMACCPS要点功能带宽请求与分配接入初始化PS要点9/18/202351AccessNetwork(2009)MAC层要点CS要点8/6/202351AccessNetMACCPS功能MACCPS是MAC层的核心主要功能包括：建立/维持/拆除连接接入控制带宽分配与管理动态业务流管理在特定的MAC连接上传输信息，并保证QoS传送高层数据传送管理信息9/18/202352AccessNetwork(2009)MACCPS功能MACCPS是MAC层的核心8/6/20MAC层要点CS要点功能ATMCSPacketCSMACCPS要点功能带宽请求与分配接入初始化PS要点9/18/202353AccessNetwork(2009)MAC层要点CS要点8/6/202353AccessNet带宽分配与管理带宽申请由SS向BS发起带宽分配与管理由BS集中控制带宽申请与分配与业务紧密相关带宽申请策略总带宽申请和增量带宽申请相结合单独带宽申请和捎带申请相结合捎带申请只能是申请增量带宽带宽分配策略直接分配（预留，无需申请）先申请后分配9/18/202354AccessNetwork(2009)带宽分配与管理带宽申请由SS向BS发起8/6/202354A带宽分配与管理带宽分配：非申请授予和申请授予非申请授予适用于恒速率时延敏感型业务，不需申请带宽，直接授予（带宽预留）申请授予（轮询申请）单播轮询申请BS定期轮询单播轮询SS，SS在应答中申请带宽一种无竞争的申请方式适用于可变速率时延敏感型业务组播/广播轮询申请BS对一组或全体SS轮询，SS在指定时隙竞争申请带宽一种有竞争的申请方式，可能碰撞适用于时延不敏感的分组数据业务额9/18/202355AccessNetwork(2009)带宽分配与管理带宽分配：非申请授予和申请授予8/6/2023主动授权业务UGS(UGS：UnsolicitedGrantService)BS分配固定时隙给每一条这种业务类型的连接SS不需申请实时轮询业务rtPS(rtPS：Real-timePollingService)BS周期性单播轮询SS带宽需求SS只在此时才申请带宽非实时轮询业务nrtPS(nrtPS：Nonreal-timePollingService)BS采用长周期或者不定期单播轮询，或者多播、广播轮询SS带宽需求SS可能需要竞争申请（对于多播、广播轮询）尽力而为业务BE(BE：BestEffort)SS基于竞争的独立申请4种QoS业务带宽分配9/18/202356AccessNetwork(2009)主动授权业务UGS(UGS：UnsolicitedGraMAC层要点CS要点功能ATMCSPacketCSMACCPS要点功能带宽请求与分配接入初始化PS要点9/18/202357AccessNetwork(2009)MAC层要点CS要点8/6/202357AccessNetMACCPS要点接入与初始化过程扫描下行信道，建立与BS的同步从BS广播信息中获取上行信道参数测距基本能力协商SS接入准许，并交换密钥注册建立IP连接（连通性）建立日期/时间传送运行参数连接预连接初始化完毕：SS已锁定上行和下行信道获得了预指派的所有业务流的SFID、QoS参数描述以及对应的CID获得了用于发送和接收管理信息的CID（注意上下行是分开的）。9/18/202358AccessNetwork(2009)MACCPS要点接入与初始化过程初始化完毕：8/6/202MAC层要点CS要点功能ATMCSPacketCSMACCPS要点功能带宽请求与分配接入初始化PS要点9/18/202359AccessNetwork(2009)MAC层要点CS要点8/6/202359AccessNetPS要点提供SS与BS之间的私密性包括：加密封装协议负责空中传输的分组数据的加密只针对MACPDU中的负荷部分加密MAC头部及管理信息均不加密密钥管理协议(PKM)负责BS到SS之间密钥的安全分发、密钥数据的同步以及业务接入的鉴权9/18/202360AccessNetwork(2009)PS要点提供SS与BS之间的私密性8/6/202360Ac第9章无线城域接入技术引言固定无线接入网概述早期技术LMDSIEEE802.16标准概要IEEE802.16MAC层IEEE802.16物理层9/18/202361AccessNetwork(2009)第9章无线城域接入技术引言8/6/202361AccesIEEE802.16物理层物理层概述技术要点共用技术2－11GHz频段的技术特色9/18/202362AccessNetwork(2009)IEEE802.16物理层物理层概述8/6/202362A物理层概述类别频段特点WirelessMAN-SC10-66GHz许可频段单载波调制，视距传输，FDD和TDD双工，上行：TDMA+DAMAWirelessMAN-SCa<11GHz许可频段

单载波调制，非视距传输，FDD和TDD双工，上行：TDMA+DAMA；可选自适应天线系统（AAS）、ARQ和空时编码（STC）等WirelessMAN-OFDM<11GHz许可频段256个子载波的OFDM调制，非视距传输，FDD和TDD双工，可选AAS、ARQ、Mesh模式和STC等WirelessMAN-OFDMA<11GHz许可频段2048个子载波的OFDM调制，非视距传输，FDD和TDD双工，可选支持AAS、ARQ和STCWirelessHUMAN<11GHz免照频段可采用SCa或OFDM或OFDMA调制，双工TDD，必须支持动态频率选择（DFS），可选支持AAS、ARQ、Mesh和STC等9/18/202363AccessNetwork(2009)物理层概述类别频