IEEE80216和WiMax的组网技术

IEEE802.16和WiMax的组网技术关键词:网络,无线通信,宽带,无线接入,IEEE,Qos,WIMAX,PMP,城域网,电信,ETSI,宽带接入,漫游,测试,网格,分组交换,网通,IP,OFDM,路由器,ATM,3G,融合,移动通信,TDMA,TDM,3GPP,HSDPA,数据通信,纠错,FDD,TDD,基站,PDU,信令,VLAN,IPv4,IPV6,VoIP,PHS2,WIFI,以太网,局域网,MPEG,互联网,DSL,接入网摘要：如何提高网络资源利用率和网络传输效率是无线通信领域面临的难题。作为宽带无线接入系统的标准，IEEE802.16在物理层采用正交频分复用技术和灵活的编码调制方式来提高传输速度和性能；在MAC层采用预约与竞争相结合的调度机制，以连接、服务流等与服务质量(QoS)相关的概念为基础，在入网与初始化、帧结构设计上优化设计，提高网络吞吐量，降低网络时延，使网络配置更加灵活。WiMAX基于IEEE802.16技术标准，采用点对多点(PMP)方式实现灵活组网，是宽带无线接入系统的典型应用技术。IEEE802.16是为制订无线城域网标准而专门成立的工作组，该工作组自1999年成立以来，主要负责固定无线接入的空中接口标准制订。为了推广基于IEEE802.16和欧洲电信标准组织(ETSI)高性能无线城域网(HiperMAN)协议的无线宽带接入设备，并且确保他们之间的兼容性和互操作性，2001年4月，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商共同成立了一个非营利工业贸易联盟——全球微波接入互操作性(WiMAX)组织。WiMAX技术可以覆盖几十公里，提供近70Mb/s的单载波速率，并且具备支持漫游、移动的潜力，具有广泛的应用前景。目前，IEEE802.16标准及相应的WiMAX测试规范主要还是针对无线空中接口技术，所明确内容也只是涉及开放系统互连(OSI)模型中的物理层、媒体访问控制(MAC)层，并没有明确WiMAX网络的组网技术和方案。IEEE802.16在标准中提供了对两种组网模式的支持：点对多点(PMP)组网和网格网(Mesh)组网。由于IEEE802.16是针对宽带无线接入和分组交换的城域网提出的标准，在实现组网时必须体现宽带、无线接入、分组交换、城域网应用等方面的特点。IEEE802.16的标准从MAC机制、帧结构、服务等方面进行了特别的设计，以提高系统效率。1IEEE802.16的结构1.1IEEE802.16的技术特点IEEE802.16技术是宽带无线接入技术，通过接入核心网向用户提供业务，核心网通常采用基于IP协议的网络。IEEE802.16技术可以应用的频段非常宽，包括10GHz～66GHz频段、11GHz以下许可频段和11GHz以下免许可频段。IEEE802.16d/e的物理层可选用单载波、正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA)共3种技术。单载波选项主要是为了兼容10～66GHz频段的视距传输(OFDM和OFDMA只用于大于11GHz的频段)。IEEE802.16dOFDM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。IEEE802.16e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。IEEE802.16技术在不同的无线参数组合下可以获得不同的接入速率。以10MHz载波带宽为例，若采用OFDM-64QAM调制方式，除去开销，则单载波带宽可以提供约30Mb/s的有效接入速率。IEEE802.16标准适用的载波带宽范围从1.75MHz到20MHz不等，在20MHz信道带宽、64QAM调制的情况下，传输速率可达74.81Mb/s。IEEE802.16d/e标准支持全IP网络层协议，IEEE802.16d/e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络。同时，IEEE802.16协议也可以通过一个ATM汇聚子层将ATM信元映射到MAC层，这意味着WiMAX支持与3G系统的互通和融合。IEEE802.16标准在MAC层定义了较为完整的服务质量(QoS)机制，可以根据业务的需要提供实时、非实时的不同速率要求的数据传输服务。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了主动授权业务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrtPS)和尽力传输业务(BE)4种不同的上行带宽调度模式。同时，IEEE802.16系统采用了根据连接的QoS特性和业务实际需要来动态分配带宽的机制，不同于传统的移动通信系统所采用的分配固定信道的方式，因而具有更大的灵活性，可以在满足QoS要求的前提下尽可能地提高资源的利用率，能够更好地适应TCP/IP协议族所采用的包交换方式。在多址方式方面，IEEE802.16d/e在上行采用时分多址(TDMA)，下行采用时分复用(TDM)支持多用户传输；另一种多址方式是采用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。多用户多址采用与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。在调制技术方面，IEEE802.16d/e支持的昀高阶调制方式为64QAM，相对于蜂窝移动通信系统(3GPPHSDPA昀高支持16QAM)，IEEE802.16d/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，IEEE802.16d/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、低延时的低密度稀疏检验矩阵码(LDPC)。在双工方式方面，IEEE802.16d/e支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种模式，其物理层技术基本相同。相对而言，与3G技术中FDD和TDD两种模式采用的物理层有较大不同。IEEE802.16d/e在5MHz频带上可以实现约15Mb/s的速率，频谱效率为3b/s/Hz，与高速数据分组接入(HSDPA)相似。但IEEE802.16d/e在固定或低速的环境下可以使用更大带宽(20MHz)，实现高达75Mb/s的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。1.2IEEE802.16物理层物理层(PHY)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。物理层支持和信道信息管理部分负责MAC与PHY之间的协调交互。在采用PMP方式的IEEE802.16网络中，基站(BS)生成下行链路分配映射表(DLMAP)和上行链路分配映射表(ULMAP)。DLMAP或ULMAP中的下行区间使用码(DIUC)和上行区间使用码(UIUC)字段指明每个下行或上行突发块(Burst)采用的调制编码方式。MAC层负责将协议数据单元(PDU)串联成突发，递交到物理层进行发送。用户站(SS)，可以通过BS周期性发送的下行信道描述(DCD)、上行信道描述(UCD)管理信令获得DIUC和UIUC所对应的具体调制编码方式。SS通过测距(Ranging)过程进行功率、时延和频偏的调整。1.3IEEE802.16MAC层IEEE802.16MAC层规范和大多数协议一样采用分层结构，共分为3个子层，包括汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层。CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务；CPS子层实现主要MAC功能，CPS子层可分为数据平面和控制平面；安全子层负责MAC层认证和加密功能。IEEE802.16协议结构如图1所示[1]。(1)汇聚子层汇聚子层的任务是将上层业务映射成连接。IEEE802.16MAC是面向连接的，协议定义了两种CS子层：ATMCS和包(Packet)CS。ATMCS子层提供对ATM的业务支持，包CS提供对IEEE802.3(Ethernet)、IEEE802.1Q(VLAN)、IP(IPv4、IPv6)等基于包的业务的映射。由于目前通信网络中昀大的数据业务是基于IP的分组业务，而且WiMAX组织仅认证与IP相关的IEEE802.16设备[2]，因此本文将主要研究包CS的特点和应用场景。包CS子层的核心内容是业务分类，其定义了分类器(Classifier)的概念。分类器是一系列映射标准的集合，每个进入IEEE802.16网络的数据包根据分类器定义的规则映射成为连接。分类器可以通过配置得到或动态建立，SS进入网络时也可以通过空中接口从基站(BS)侧获得。MAC层的每个连接由长度为16比特的连接标识(CID)唯一标识，这种基于连接的机制是提供QoS保障的基础。同时CS子层对于特定业务还可以进行进一步处理，譬如对于IP语音(VoIP)业务，CS子层支持净载荷头压缩(PHS)对IP头进行压缩，提高了传输效率。CS从某种意义上说实现的是链路层的功能。MAC层服务数据单元(MSDU)在该层中并不被加工，昀多可选地进行净载荷头压缩。(2)公共部分子层CPS是CommonPartSublayer的缩写，是MAC层中的公共部分子层，是MAC层的主体。在CPS中实现了IEEE802.16与组网相关的绝大部分功能，包括：寻址与连接、帧格式定义、MPDU的构造与发送、自动重发请求(ARQ)机制、调度服务、带宽分配与请求机制、物理层支持、竞争解决方案、入网与初始化、校准(测距)、信道描述符的更新、多播连接的建立、QoS等。IEEE802.16中与组网相关的核心概念和操作都在此层定义。2IEEE802.16组网技术IEEE802.16d标准的MAC层提供了两种与组网相关的工作模式。一种是PMP，即通信系统中常见的点到多点模式，或者说基础模式。整个小区由一个BS角色管理，所有的SS的通信都需要BS的调度。另一种是Mesh，即新兴的网格网。关于网格组网方式，协议中并没有给出完整和详细的定义，只是在相关的某些方面加以限制。网格组网方式要比PMP方式复杂，所带来的网络管理和媒体访问调度方面的问题更多，目前依然是学术界研究的热点，不够成熟。作为IEEE802.16的主要的组网方式，IEEE802.16协议对TDD模式下的PMP进行了多方面的优化设计，包括媒体访问机制、帧结构的设计，连接、服务流等MAC核心概念的设计，入网初始化，ARQ与QoS的设计，资源分配策略的设计等方面。2.1媒体访问机制在TDD模式下，频率资源已经不能再加以利用，IEEE802.16TDD模式下的PMP工作模式与IEEE802.11的基本服务集(BSS)非常类似。WiMAX和WiFi有着完全不同的媒体访问机制。IEEE802.11采用的是基于冲突避免的载波侦听(CSMA/CA)机制，所有的终端(STA)基于时间预约来实现突发业务的调度传输，通过时间预约和退避机制实现在任意时刻空中媒体中只有一个传输存在，以此来解决无线网络中的隐藏终端和暴露终端问题。为了实现媒体的共享访问，通过每次传输后的时间间隔和竞争周期，保证每个终端都能够获得访问媒体的机会。IEEE802.11虽然也是基于时分的系统，但是并没有把时间进行统一分配，其基本运作模式和以太网的模式类似。IEEE802.16采取的方式就是将时间资源进行单位分割，通过时间区分上行和下行。同时，每个物理帧的帧长度固定，由上行和下行两部分组成，上行和下行的切换点可以自适应调整。在TDD模式下，每个物理帧的长度是由n个物理时隙组成。下行是广播的，上行是SS发向BS的。下行在先，上行在后。通过这样统一的设计，杜绝了上行方向上的竞争，资源的调度和分配可以在BS上