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无线二所张科吕晓峰 802 16标准空中接口规范 协议参考模型及网络构架 http 802 16宽带无线接入技术 三 802 16e版本的协议模型 空中接口规范 二 802 16d版本的协议模型 空中接口规范 四 网络架构 应用场景及升级演进 总体目录 一 802 16系列标准介绍 http 802 16宽带无线接入技术 802 16系列标准介绍 IEEE802无线标准系列 802 16标准系列 一 1 2 http 802 16宽带无线接入技术 IEEE802无线标准系列 IEEE802标准委员会已发布或正在制定的无线标准系列有 802 11x 802 15x 802 16x 802 20 x http 802 16宽带无线接入技术 IEEE802无线标准系列 http 802 16宽带无线接入技术 802 16标准系列 http 802 16宽带无线接入技术 三 802 16e版本的协议模型 空中接口规范 二 802 16d版本的协议模型 空中接口规范 四 网络架构 应用场景及升级演进 总体目录 一 802 16系列标准介绍 http 802 16宽带无线接入技术 802 16d标准的协议模型 空中接口规范 802 16d标准的协议模型 802 16d标准的物理层 二 1 2 3 802 16d标准的MAC层 http 802 16宽带无线接入技术 2 1802 16d标准的协议模型 http 802 16宽带无线接入技术 2 1802 16d标准的协议模型 http 802 16宽带无线接入技术 2 2802 16d标准 固定无线接入技术的空中接口规范 空中接口是指基站 BS 和用户站 SS 之间的接口 空中接口协议由数据控制平面和管理平面组成 802 16标准仅规范数据控制平面 数据控制平面由物理层 PHY 和媒质接入控制层 MAC 组成 http 802 16宽带无线接入技术 2 2802 16d标准的空中规范 物理层 http 802 16宽带无线接入技术 2 2802 16d标准的空中规范 物理层特性 OFDM物理层支持基于帧的传输 一帧包含一个下行子帧和一个上行子帧 下行子帧仅由一个下行物理层PDU组成 上行子帧由用于初始测距和带宽请求的竞争时隙和一个或者多个由不同的SS发射的上行物理层PDU组成 http 802 16宽带无线接入技术 2 2802 16d标准的空中规范 物理层特性 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 在多址方式方面 802 16d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 http 802 16宽带无线接入技术 2 2802 16d标准的空中规范 物理层特性 在双工方式方面 802 16d支持FDD和TDD两种方式 其物理层技术基本相同 802 16d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 在调制技术方面 802 16d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 http 802 16宽带无线接入技术 2 3802 16d标准的空中规范 MAC层特性 http 802 16宽带无线接入技术 2 3802 16d标准的空中规范 MAC层特性 MAC层是面向连接的 把业务映射到SS上并和不同等级的QoS关联 当一个SS被安装到系统中时 就可以提供业务流 当SS完成注册 连接就与业务流关联 一条业务流对应一条连接 来提供请求的带宽保证 当用户服务需求改变时 可能会建立新的连接 一个连接不仅定义了与汇聚层的映射 还定义了业务流 而业务流定义了在这个连接上传输的PDU的QoS参数 业务流提供了一种上下行链路的QoS管理机制 MAC层包括三个子层 特定服务汇聚子层 Service SpecificConvergenceSublayer MAC公共子层 MACCommonPartSublayer 简称CPS子层 安全子层 SecuritySublayer http 802 16宽带无线接入技术 2 3802 16d标准的空中规范 MAC层特性 MAC特定服务汇聚子层 Service SpecificConvergenceSublayer 简称CS子层 CS子层主要负责完成外部网络数据与CPS子层数据之间的映射 它将所有从汇聚层服务接入点 CSSAP 接收到的外部网络数据转化并且映射成MACSDU 并通过MAC服务接入点 MACSAP 发送给CPS子层 在这个过程中 CS子层对外部网络数据进行分类 并将其与合适的MAC业务流标识SFID以及连接标识CID进行关联 同时还执行负荷头压缩功能PHS 标准中定义了两种CS子层规范 以便与不同的上层协议进行接口 包括ATMCS子层及PacketCS子层 http 802 16宽带无线接入技术 2 3802 16d标准的空中规范 MAC层特性 MAC公共子层 MACCommonPartSublayer 简称CPS子层CPS子层提供了MAC层的核心功能 包括系统接入 带宽分配 连接建立和维护等 CPS子层通过MACSAP从不同的CS子层接收数据 形成MACSDU MACSDU可以被拆分 也可以与其他一个或数个MACSDU合并为一个新的MACPDU 并按MAC连接分类 以保证QoS http 802 16宽带无线接入技术 2 3802 16d标准的空中规范 MAC层特性 安全子层MAC层包含一个单独可选的安全子层来提供认证 密钥交换及加密 802 16通过加密SS和BS之间的连接给用户提供秘密接入固定宽带无线网络的能力 此外BS通过加密相关的业务流禁止未经授权的访问 还给运营商提供强大的防盗用功能 http 802 16宽带无线接入技术 三 802 16e版本的协议模型 空中接口规范 二 802 16d版本的协议模型 空中接口规范 四 网络架构 应用场景及升级演进 总体目录 一 802 16系列标准介绍 http 802 16宽带无线接入技术 802 16e标准的协议模型 空中接口规范 802 16e标准的协议模型 802 16e标准的物理层 三 1 2 3 802 16e标准的MAC层 http 802 16宽带无线接入技术 3 1802 16e标准 支持移动特性的空中接口规范 http 802 16宽带无线接入技术 3 1802 16e标准的协议模型 http 802 16宽带无线接入技术 3 2802 16e标准的空中规范 物理层 http 802 16宽带无线接入技术 3 2802 16e标准的空中规范 物理层特性 2 2 1802 16e定义的帧结构和子信道化 2 2 2802 16e定义的调制与编码 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 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 规范还支持MIMO和空时编码 2 2 2802 16e定义的自适应天线系统支持 http 802 16宽带无线接入技术 3 3802 16e标准的空中规范 MAC层特性 http 802 16宽带无线接入技术 3 3802 16e标准的空中规范 MAC层特性 CS汇聚子层把面向连接的公共部分服务 MAC服务 映射成标准类型的服务 这里有两种主要的CS类型 ATMCS和分组 Packet CS MAC公共部分子层MAC公共部分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 有服务质量保证的分组数据业务传输 http 802 16宽带无线接入技术 3 3802 16e标准的空中规范 MAC层特性 MAC公共部分子层网络接入 NetworkEntry 连接的建立和维护移动性支持连接支持调度和服务质量保证 QoS http 802 16宽带无线接入技术 3 3802 16e标准的空中规范 MAC层特性 移动性支持802 16e标准规定了一种必选的切换模式 在协议中简称为HO 就是通常所说的硬切换 除此以外还提供了两种可选的切换模式 MDHO 宏分集切换 和FBSS 快速BS切换 HO的流程如图所示 http 802 16宽带无线接入技术 3 3802 16e标准的空中规范 MAC层特性 不同QoS要求的业务类型 http 802 16宽带无线接入技术 3 3802 16e标准的空中规范 MAC层特性 安全子层安全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服务的冒用 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 http 802 16宽带无线接入技术 小结802 16e与802 16d的比较 http 802 16宽带无线接入技术 三 802 16e版本的协议模型 空中接口规范 二 802 16d版本的空中接口规范 四 网络架构 应用场景及升级演进 总体目录 一 802 16系列标准介绍 http 802 16宽带无线接入技术 网络架构 应用场景及升级演进 802 16标准的网络架构 802 16标准的应用场景 四 1 2 3 802 16标准的升级演进 http 802 16宽带无线接入技术 4 1802 16网络架构 http 802 16宽带无线接入技术 4 1802 16网络架构 http 802 16宽带无线接入技术 4 1802 16网络架构 http 802 16宽带无线接入技术 4 1802 16网络架构 ASN的功能 ASN功能是管理IEEE802 16空中接口 为WiMAX用户提供无线接入 主要功能包括如下 发现网络 选择CSN NSP 根据策略限制 选择某个基站 获得无线接入服务 在基站和MSS之间建立层2连接 在ProxyMobileIP PMIP 模式下 将AAA控制消息传递给用户的归属NSP 协助完成鉴权 业务授权和计费 协助高层与MSS建立层3连接 分配IP地址 无线资源管理 根据分级结构进行ASN内移动性管理 包括所有类型的切换 ASN内寻呼和位置管理 ASN和CSN之间隧道建立和管理 存储临时用户信息列表 类似与3G网络中VLR的功能 http 802 16宽带无线接入技术 4 1802 16网络架构 ASN参考模型 http 802 16宽带无线接入技术 4 1802 16网络架构 ASN GW的功能 ASN间位置管理和寻呼 在线无线负载均衡 用于决定切换 以及离线无线统计 用于网络优化 ASN临时用户信息列表和加密密钥 类似VLR的功能鉴权密钥产生和分发 在PMIP方式下 作为AAA客户 代理 向选定的CSNAAA发送Radius或Diameter消息 和BS协作 建立和管理移动隧道 会话 移动性管理 客户端 QoS和策略执行 MIP下的外部代理 FA 路由到选定的CSN http 802 16宽带无线接入技术 4 1802 16网络架构 ASN GW功能分解 可由两组功能实体组成 控制点 DP 和执行点 EP 控制点包含承载平面的功能 执行点包含非承载平面的功能 例如无线资源管理等 http 802 16宽带无线接入技术 4 1802 16网络架构 CSN的功能 CSN为用户提供IP连接 CSN可以由路由器 AAA代理或服务器 用户数据库 Internet网关设备等组成 CSN可以作为全新的一个新建网络实体 也可以利用部分现有的网络设备实现CSN功能 为用户会话连接 给终端分配IP地址 Internet接入 AAA代理或者服务器 基于用户系统参数的QoS以及许可控制 ASN和CSN之间的隧道建立和管理 用户计费以及结算 ASN之间的移动性管理 WiMAX服务 例如基于位置的服务 点对点服务 多播组播服务 IMS和紧急呼叫等 http 802 16宽带无线接入技术 4 2802 16各版本标准的应用场景 802 16d提供固定和游牧的业务 802 16e除了提供前两种业务外 还提供便携 简单移动和全移动业务 http 802 16宽带无线接入技术 4 2802 16各版本标准的应用场景 http 802 16宽带无线接入技术 4 2802 16e版本 支持移动特性 http 802 16宽带无线接入技术 4 2802 16一些典型应用模式 1 PMP应用模式 PMP应用模式以基站 BS 为核心 采用点到多点的连接方式 构建星形结构的WiMAX接入网络 基站 BS 扮演业务接入点 SAP ServiceAccessPoint 的角色 通过动态带宽分配技术 基站 BS 可以根据覆盖区用户的情况 灵活选用定向天线 全向天线以及多扇区技术满足大量的用户站 SS SubscriberStation 设备接入核心网的需求 必要时 可以通过中继站 RS RepeatStation 扩大无线覆盖范围 还可以根据用户群数量的变化 灵活划分信道带宽 对网络扩容 实现效益与成本的协调 PMP应用模式是一种常用的接入网应用形式 其特点在于网络结构简洁 应用模式与xDSL等线缆接入形式相似 因此 是一种线缆替代的理想选用方案 http 802 16宽带无线接入技术 4 2802 16一些典型应用模式 2 Mesh应用模式 Mesh应用模式采用多个基站 BS 以网状网方式扩大无线覆盖区 其中 有一个基站作为业务接入点 SAP 与核心网相连 其余基站 BS 以无线链路与该SAP相连 因此 作为SAP的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点 而其余基站并非简单的中继站 RS 功能 而是业务的接入点 Mesh应用模式的特点在于网状网结构 可以根据实际情况灵活部署 实现网络的弹性延伸 对于市郊等远离骨干网 有线不易覆盖的地区 可以采用该模式扩大覆盖范围 其规摸取决于基站半径 覆盖区大小等因素 http 802 16宽带无线接入技术 4 3802 16一些典型应用模式 3 热点回传 热点回传 backhaul 模式采用WiMAX无线接入网络把远端WiFi热点Hotspot业务回送到核心网 WiMAX基站 BS 的作用仍为业务接入点 SAP 而WiMAX用户站 SS 是热点侧的无线接入设备 提供标准接口与热点相连 作为WLAN接入点 AP AccessPoint 的热点设备再通过IEEE802 11a b g无线链路与无线终端连接 WiMAX接入网络可根据实际情况灵活采用PMP或Mesh结构形式 对于移动运营商也可以采用该应用模式 把各小区移动基站业务回传到移动交换中心 WiMAX热点回传模式的主要特点在于作为业务回传应用 采用无线传输方式与传统有线回传模式相比 其特点显而易见 可作为传统回传模式的补充或替代方案 http 802 16宽带无线接入技术 4 3802 16一些典型应用模式 4 驻地网接入模式 驻地网接入模式主要针对集团用户 其目标是把诸如企业 校园和SOHO SmallofficeHomeOffice 等用户驻地网通过WiMAX接入城域网 与其他应用模式相同 基站 BS 还是作为SAP与核心网相连提供无线接入服务 在用户侧 用户无线接入设备SS 其一侧通过无线接口上联基站 BS 另一侧通过标准接口 例如以太网接口 E1等 与用户驻地网CPN设备相连 一般用户站 SS 采用定向天线 以及各种自适应技术 灵活调整工作方式 保证用户的正常接入 用户侧驻地网CPN设备可以是用户路由器 交换机 集线器等网络设备 甚至可以是另一种无线接入点 例如WiFi热点 用于组成用户专用局域网 其典型实例是目前广泛存在的校园网 企业网 政府网或SOHO等形式 驻地网接入模式特别适合于线缆接入不方便 对接入带宽要求不高的驻地间接入应用 与线缆接入方式相比 部署快捷是该模式的竞争优势 http 802 16宽带无线接入技术 4 2802 16一些典型应用模式 5 无线桥接模式 采用WiMAX无线桥接方式 可以避免困难的专线铺设或缴纳昂贵的线缆租金 并能迅速开通使用 连接距离远 连接带宽完全能满足一般应用需要 在用户专网建设方面 比有线桥接方式更具竞争力 无线桥接模式是一种点到点无线链接方式 与远程网桥的作用相似 其目的是把地理位置分离的两个子网络通过WiMAX无线链路连接在一起 由于无线桥接采用点对点方式 两端WiMAX无线网桥设备天线的方向可以彼此对准固定 因此传输性能相对稳定 部署也相对简单 http 802 16宽带无线接入技术 4 2802 16一些典型应用模式 6 终端接入模式 在终端接入模式下 用户终端设备 TE TerminalEquipment 直接通过作为SAP的WiMAX基站 BS 接入核心网 而用户终端设备 TE 若要直接接入WiMAX网络 则必须配置符合WiMAX标准的用户单元 SU SubscriberUnit 用户单元 SU 一般是WiMAX无线网卡或无线模块形式 由于WiMAX接入速率很高 而且支持城域内终端设备的移动性 对于即将颁布的IEEE802 16e 因此特别适合于接入速率要求高并且有移动性要求的终端应用 该模式的特点在于允许用户终端直接高速接入网络 并支持便携式终端在城域范围内的移动和漫游 从技术和业务的角度看 只要再增加支持VoIP语音业务功能 就可成为名副其实的下一代移动通信网络 http 802 16宽带无线接入技术 802 16d利用802 16d系统为3G蜂窝基站提供回程 backhaul 流量传输 无线回程的组网模式主要是以点对点或者点对多点为主 在偏远地区铺设3G基站时可以利用802 16d系统作点对点的回程连接 在城市热点地区 也可以利用802 16d点对多点网络对蜂窝系统的回程网络进行扩容或着备份 802 16e802 16e和3G通过IP分组交换的联合组网可以有两种方式 紧偶合和松偶合 紧偶合组网是将802 16e系统直接接入3G的核心网 利用3G的核心网中的分组交换域提供WiMAX的核心网路由和管理 在这种组网模式中 802 16e系统作为3G的无线宽带数据业务的一种补充 利用802 16e无线接入系统容量大 频谱效率高的优势 为3G网络在城域的热点地区提供价格更为低廉的无线宽带服务 在紧偶合的组网模式中 802 16e无线接入网由3G的移动网络运营商直接管理 4 2WiMAX与3G联合组网 http 802 16宽带无线接入技术 松偶合组网是指将支持便携式应用和移动应用的802 16e城域网络与3G移动网络通过公共的IP网络结合起来 在松偶合模式下 3G网络和802 16e网络可以拥有不同的IP核心网 两个IP核心网通过公共的IP网相连3G网络和802 16e网络既可以有同一个运营商来运营 也可以属于不同的运营商 同一个802 16e网络可以不必专属于某个特定的3G运营商 不同的移动业务运营商可以共用802 16e的网络资源 从而达到频率资源的共享和优化利用 4 2WiMAX与3G联合组网 http 802 16宽带无线接入技术 4 3802 16的升级演进 http 802 16宽带无线接入技术 4 3802 16的升级演进 新建802 16e基站原有的802 16d基站做较小的改动 使它在能够继续为原有802 16d终端提供服务的同时 还具备与802 16e系统共存的能力 这种升级方式有两种实施方案 一种是将802 16d基站完全接入到新的802 16eBSC上去 包括信令流和媒体流 另一种是保持原有802 16d系统的接入方式不变 新增一个802 16d到802 16e基站系统的接口优点是可以保留原有的802 16d设备继续使用 两个网络面对不同的应用 双模终端用户可以在两个网络中切换 使用不同的应用 缺点是完全新建 未能有效利用原有设备软硬件升级原有基站由于802 16d和802 16e在物理层技术和所采用频段的差异 对原有基站设备进行升级后 频段的差异使得升级后的设备仍不能支持802 16e的便携和移动性应用 不能实现应用的平滑演进 http 802 16宽带无线接入技术 4 3802 16的升级演进 双模基站需要用一套全新的基站设备来替代原有的802 16d系统设备 不太可能直接将原有802 16d系统设备融入到新的双模系统中 原有设备的利用率不会太高 新的双模基站由于需要额外支持802 16dOFDM技术 所花费的代价 包括软 硬件成本和时间成本 不会小 主要优点是 原有的802 16dOFDM终端可以继续在新系统中使用 同时使用同一基站支持两种物理层技术 在网络管理上会带来一定程度的便利 缺点是采用双模基站会增加建网成本 802 16d和802 16e在频段和应用上不同 建议选择新建基站方式 http 802 16宽带无线接入技术 谢谢