WiMAX关键技术研究

摘　要:

随着社会的发展和市场的推动, 有线宽带技术的已经得到了长足的发展, 但是依赖于线缆的特性影响了其进一步的普及。在这种情况下, 人们提出了WiMAX|0">WiMAX固定无线宽带接入技术, 与有线宽带接入技术相比, WiMAX具有建设成本低、项目启动快、建设周期短、维护费用低等诸多优势。此外还介绍、分析了WiMAX 体系结构及其关键技术。

关键词：无线宽带接入技术 WiMAX 802.16

一、引　言

随着社会的发展, 传统的拨号上网方式已经不能满足人们对网络带宽的需求, 于是各种宽带技术纷纷被投入使用。目前常见的有线宽带技术主要有DSL、CableModem和基于光纤IP网的FTTB +LAN 等技术, 这在一定程度上解决了带宽这个瓶颈问题。然而, 有线网络在传输上依赖于有线介质, 成本高、施工周期长、维护费用高; 此外, 技术上的限制也影响了有线接入技术的进一步普及。针对这种情况, 2002年4月IEEE正式公布了802.16无线接入标准。

该标准定义了固定点到多点宽带无线访问系统的空中接口, 包括媒体访问控制层(MAC) 和物理层( PHY) , MAC层能够支持多个的PHY 层定义, 每个PHY定义适用于特定的频率范围和环境。该标准由一个非营利性组织---WiMAX (World Interoperability for Microwave Access) 论坛负责向市场推广, 因此, 该标准也称WiMAX标准。该标准的最大覆盖范围可达50km, 并能以最高达70Mbit/ s的速率传输数据、语音和视频图像。与光纤等有线接入相比, WiMAX技术具有建设成本低、项目启动快、建设周期短、维护费用低等诸多优势。

本文的其余部分将介绍802.16协议体系结构, 并对其关键技术进行研究。

二、802116协议体系结构

802.16协议主要包括物理层和媒体访问控制层。

802.16的物理层规范根据系统工作的频段作了相应的规定, 具体可分为两类:

1、10～66 GHz频段

这个频段内的电磁波的波长在毫米波段, 易被地形和建筑物吸收, 因此要求发射天线和接收天线之间不能有障碍物; 此外, 信号还易受雨衰(Rain Fading) 的影响。因此, 系统的部署要求高, 覆盖面积较小, 但频率资源丰富, 分配的频段较宽, 系统容量大。IEEE 802.16对这个频段的物理层规范是WirelessMANSC, 采用单载波调制, 支持的调制方式有QPSK、16QAM 和64QAM。QPSK调制中, 每个码元携带2 个信息比特; 16QAM的每个码元携带4个信息比特; 64QAM的每个码元携带6个信息比特。从QPSK到64QAM, 传输速率大大提高, 但同时抗干扰的能力下降。

2、2～11 GHz频段

这个频段内的电磁波波长变长, 发射天线和接收天线不必有视距路径, 因此多径干扰问题变得突出。考虑到系统工作的物理环境, IEEE 802.16a 中提出3种物理层规范:

WirelessMANSC2, 采用单载波调制; WirelessMANOFDM, 采用256 点变换的正交频分复用调制; WirelessMANOFDMA, 采用2048 点变换的正交频分复用调制。

为了灵活使用频谱, 物理层支持时分复用(TDD) 和频分复用( FDD) , 另外也支持半双工的FDD。802.16的链路分为上行链路和下行链路: 下行链路即由基站(BS, Base Station) 到用户站( SS, Subscriber Station) 的链路, 上行链路是从SS到BS的链路。在频分复用系统中, 上行链路和下行链路位于不同的频段上。而在时分复用模式中, 上行链路和下行链路工作在同一频段, 在不同的时间片传输。TDD 帧的长度也是固定的, 每帧包括上行链路子帧和下行链路子帧。物理层的上行链路采用TDMA 和DAMA (按需分配分址) 混合接入方式, 下行链路一般采用TDM方式, 发送给各个SS的数据采用时分复用的方式进行传输。对于发送半双工FDD方式的SS, 下行数据的传输采用TDMA方式。

MAC层包括三个子层, 从上到下依次是: 会聚子层(CS, Convergence Sublayer) 、MAC公共部分子层(CPS, Common Part Sublayer) 和加密子层( PS, Privacy Sublayer) 。

MAC层是面向连接的, 因此, 所有的协议在MAC层都必须被映射为连接, CS能够完成这个功能。CS是与高层协议的接口, 把通过CS服务接入点( SAP) 接收到的上层协议的数据包转变或映射为MAC层服务数据单元( SDU) 。这包括对接收到的上层PDU分类, 如果需要的话, 对该PDU进行处理, 并将其与适当的MAC服务流和连接标识符(CID, Connection Identifier) 。对不同的协议, 需要使用不同的CS规范, 目前主要提供了ATM CS 和packet CS, 分别用于处理ATM报文和IP报文。

MAC普通子层(CPS) 实现MAC 的核心功能, 如系统接入、动态带宽分配、连接的建立以及连接的维护等。它从CS接收数据, 将其分配给特定的MAC连接。在进行数据的传输和调度时, 还
支持QoS。

加密子层提供了认证、密钥交换和加密功能。