WiMAX技术

WiMAX技术互联领域无线通信技术之二WiMAX技术简介WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)，即全球微波互联接入，是一种基于IEEE802.16标准的无线宽带技术，主要用于无线城域网(WMAN)“最后一公里”的接入。WiMAX是针对微波和毫米波频段的一种空中接入技术，提供一种在城域网接入多厂商环境下，有效实现设备互操作的宽带无线接入手段。WiMAX论坛成立于2001年，Intel等众多企业参与推动其标准制定和产业化发展。WiMAX是“无线+宽带”技术路线的产物，运用了OFDM、MIMO等技术，具有鲜明的特征和宽带优势；被称为“3.5G”技术，2007年成为3G领域的第四个技术标准。WiMAX技术简介IEEE802系列标准的划分◆在无线通信领域，有4个工作组在进行相关标准的研究工作。无线个域网(WPAN)——802.15无线局域网(WLAN)——802.11无线城域网(WMAN)——802.16无线广域网(WBAN)——802.20◆四种技术标准覆盖范围由小到大，分别包括了多种具体的技术手段。无线通信标准的划分WiMAX技术简介WiMAX技术的优势与劣势WiMAX的优势传输距离远◆最大可达30～50公里◆所需基站少，硬件成本低接入速率高◆采用OFDM和MIMO技术◆最高可达70Mbps提供服务广◆扩展性好(与WiFi相比)◆可提供多媒体通信服务WiMAX的劣势设备发展滞后◆传统通信设备制造商研发投入有限移动接入效果不佳◆充当蜂窝网时，移动接入时延较大WiMAX技术简介802.16a(Jan2003)◆扩展到2-11GHz，允许非视距传输，支持PMP，用于“最后一公里”无线接入；802.16(Dec2001)◆固定式宽带无线访问系统的空中接口，10–66GHz，视距传输，单载波调制；802.16c(2002)◆固定宽带无线接入系统空中接口标准增补文件：详细系统框架◆固定宽带无线接入系统空中接口标准(10~66GHz、11GHz)，802.16标准系列比较成熟并且最具有实用性的一个标准版本；◆移动和固定宽带无线接入系统空中接口标准，对MAC/PHY增强以支持车速移动。802.16d(Oct2004)802.16e(Dec2005)802.16标准的发展WiMAX标准体系结构◆目标频段：2-66GHz◆视距&非视距应用◆调制方式：SC，OFDM，OFDMA◆双工方式：TDD，FDD◆灵活的带宽和帧长：帧长：2ms～20ms带宽：1.25M~20M物理层◆汇聚子层（CS）分类功能：将外部网络数据映射到MACSDU，并转发给相应的连接。接收MAC层的CS协议数据单元。◆公共部分子层（CPS）MAC层的核心系统接入、连接管理（建立/维护）、调度等◆安全子层鉴权、密钥交换和数据加密WiMAX标准体系结构MAC层WiMAX主要技术参数技术参数802.16d802.16e频段2~11GHz66GHz带宽1.75MHz~20MHz1.25MHz~20MHz子载波数256（OFDM）2048（OFDMA）256（OFDM）128、512、1024、2048（OFDMA）移动性固定或便携中低车速传输条件LOS（视距）、NLOS（非视距）峰值速率75Mbps（20MHz）15Mbps（5MHz）调制方式QPSK、16QAM、64QAM接入控制主动带宽分配、轮询、竞争接入相结合QoS支持5种QoS等级：UGS、rtPS、ertPS、nrtPS、BE省电模式不支持支持空闲（Idle）、睡眠模式链路自适应AMC、功率控制、HARQ双工方式TDD、FDD小区间切换不支持支持WiMAX关键技术OFDM技术SingleCarrierfrequencyMulti-carrierfrequencyOFDMfrequencyFDMA系统演进（图示）OFDM技术的核心思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到子信道上进行传输。频谱相互重叠，提高频谱利用率。时域上引入CP（循环前缀），减轻多径延迟引起的符号间干扰的影响。WiMAX关键技术OFDM技术主要步骤载波调制◆对比特流进行QPSK或QAM调制◆经过串并变换和逆快速傅立叶变换(IFFT)◆加入“循环前缀”，形成OFDM码元输出正交的基带信号◆加入同步序列◆信道估计序列载波解调◆进行同步和信道估计◆经过快速傅立叶变换(FFT)◆进行QPSK或QAM的相应解调得到比特流WiMAX关键技术OFDM信道编码扰码◆扰码即有规律的随机处理信码（模二算法即扰码方式）◆对所有指配的数据采用不同的扰码器◆扰码器输出的比特送给编码器WiMAX关键技术OFDM信道编码前向纠错（FEC）◆FEC是一种增加信号可信度的方法◆利用传输冗余信息的方法，当传输中出现错误时，允许接收器再建数据◆FEC主要包括卷积内编码和RS外编码◆根据使用的信号调制方式，确定FEC中两种编码比率交织◆所有的编码数据都由一个块交织器进行交织◆交织的目的是使信道传输突发产生的错误最大限度的分散化◆不同的调制方式对应不同的交织块大小◆交织器最大限度改变数据结构而不改变数据内容WiMAX关键技术OFDM工作流程◆下行链路子帧只包含一个下行的物理层PDU◆第一个下行链路突发的位置和参数在下行帧前缀中指定◆上行链路子帧由竞争区间（初始测距、带宽申请）以及一个或数个上行的物理层PDU组成◆冗余循环校验码包含在上下行PDU的MACmsg有效内容（即MACPDU）中WiMAX关键技术OFDM帧结构特点WiMAX关键技术WiMAX物理层的特点OFDM技术◆高效利用频谱支持TDD和FDD支持移动网络带宽1.25～20MHz◆1.25MHz的倍数和1.75MHz的倍数多天线技术◆提高覆盖范围和容量自动重传技术自适应调制编码技术功率控制技术时空编码技术◆提高通信质量WiMAX关键技术WiMAXMAC层业务类型主动授权业务(UGS)◆用来传输固定速率的业务◆资源由基站强制调度，用户请求无效实时轮询业务(rtPS)◆视频、语音等可变速率业务◆业务出现随机性较强非实时轮询业务(nrtPS)◆长周期或非周期的单播请求业务尽力而为业务(BE)◆不需要及时发送◆不保证时延和容量WiMAX关键技术WiMAXMAC层业务类型调度类型主动授权服务UGS实时轮询服务rtPS非实时轮询服务nrtPS尽力而为服务BE特点恒速率，时延要求高突发性强，速率高、时延要求高速率低、时延要求较低无时延要求较最大保持速率√√√√最小保留速率√√最大延迟√√可容忍的延时抖动√请求发送策略√√√√典型应用没有静默期的VOIP，周期性授予固定带宽，避免请求开销vedio，支持变长数据，需要实时周期性的单播请求机会。FTPeMailWiMAX关键技术WiMAX拓扑结构点对多点结构(PMP)◆基站(BS)与多个固定或者移动终端通信◆终端间不直接通信◆所有通信必须经过基站多点对多点结构(mesh)◆终端间可通过一定规则进行通信分布式◆无基站，结构类似Adhoc网络集中式◆有基站，结构与PMP类似◆数据调度机制与PMP不同WiMAX关键技术PMP模式资源调度◆PMP模式以BS为核心，采用点到多点的连接方式，构建星形拓扑结构◆BS为业务接入点(SAP)，通过动态带宽分配技术，根据覆盖区域的用户情况，选择天线使用方式，满足大量SS设备接入的需求◆BS通过轮询过程响应SS的带宽请求，为SS分配带宽；SS接收到CID准许消息后，如满意带宽分配，则将带宽分配给请求的连接；如不满意带宽分配情况，则增加带宽请求WiMAX关键技术PMP模式资源调度BS单播轮询广播或多播轮询SS不需要发送填充所分配的时隙SS需要发送请求根据准许的时隙给每个连接分配带宽分组分配CID时隙SS利用所在组获得的时隙发送带宽请求SS未获准许继续发送请求SS得到准许满意则发送数据不满意则等待下次请求机会有足够带宽无足够带宽WiMAX关键技术Mesh分布式资源调度源节点发送请求消息(DSCH-request)目的节点寻找时隙空闲目的节点完成时隙分配授权源节点源节点收到授权并回复确认时隙预约成功源节点和目的节点广播预约信息相邻“一跳”节点更新自身时隙表按预约发送/接收数据◆每个节点的权限相同◆每个节点在本地维护一张时隙表，记录当前时隙的利用情况，并及时根据时隙动态进行更新。WiMAX关键技术Mesh集中式资源调度◆SS根据调度树的结构在CSCH(CentralizedScheduling集中式调度)请求消息中携带所请求的带宽信息，向MBS(MeshBS)请求资源。◆BS收到所有子节点的请求信息后，根据当前可用资源及各节点请求进行带宽资源分配。◆通过CSCH授权消息将分配结果告知树结构的各子节点，同时广播每条链路的突发配置。◆SS(子节点)在接收到CSCH消息之后，找到自己可以利用的时隙，并传输数据。AAS:Adaptive/AdvancedAntennaSystem（自适应天线系统），可实现系统参数自动调整。全向天线定向天线AASWiMAX关键技术自适应天线系统AAS能提高系统性能:◆增加信干噪比，提高接收机的灵敏度，降低误码率◆提高了基站发射机的等效发射功率◆降低了系统干扰◆改进小区的覆盖，增加了覆盖距离◆利用空分多址技术（SDMA），提高了频谱利用率WiMAX关键技术自适应天线系统MIMO：Multipleinputandmultipleoutput◆MIMO是是一种多天线技术，通过在收发两端增加天线个数及相应的信号处理功能建立起来的3维传输结构，它将多径作为有利因素加以利用，在不增加带宽的情况下，提高通信系统容量、频谱利用率、数据传输速率。WiMAX关键技术MIMO技术◆空间复用模式是在不同的天线上发射相同的数据；◆接收天线的数目可以少于发射天线的数目WiMAX关键技术定位ARQ功能：室外远距离条件下，无线信道的衰落现象非常显著。在链路层加入了ARQ机制，减少到达网路层的信息差错，可大大提高系统的业务吞吐量。ARQ类型◆SAW（Stop-and-wait）：发送端每发一个数据包就停下来，等待接收端的确认信息。若正确，返回确认(ACK)信号，否则返回不确认(NACK)信号。发送端收到ACK后发新包，否则重发上一包。等待确认期间，信道是空的，不发送数据。由于物理层采用OFDMA调制方式，则可以很好的克服停等协议信道利用率低的缺陷。特点：实现简单，信令开销小，收端所需的缓存较低。ARQ机制WiMAX关键技术定位◆GBN（Go-Back-N）：发送端发完一个包后，不停下来等确认信息，而是连续发送若干个包。接收端将每个数据包相应的ACK或NACK信息和包的分组号反馈回发送端，当接收到一个NACK信号时，发送端就重新发送包括错误数据的N个数据包。特点：相比SAW增大了系统的吞吐量，但信令开销大。◆SR（SelectiveRepeat）：只重传出现差错的数据包，在收端需要相当容量的缓存空间来存储已经成功译码但还没能按序输出的分组。同时收端在组合数据包前必须知道序列号，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里的错误，增加了对信令的要求。特点：信道利用律高，所需缓存空间和信令开销大。ARQ机制