WiMAX关键技术研究

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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。

三、WiMAX的关键技术

1. 地址和连接

        和大部分的有线网络设备一样, 每一个SS都有一个48位的MAC地址。该地址在SS向BS注册以建立连接时使用, 同时也作为BS和SS彼此相互识别时认证的一部分。

        前面提到过, MAC 层是面向连接的, 因此,在实际的数据传输过程中, 使用的地址信息主要为16位的CID (因此每个上下行通道理论上可以有64 K个连接) 。连接是单向的, 当SS初始化时,每个方向(BS到SS和SS到BS) 都建立了三个管理连接: 基本连接(Basic Connection) 、主要管理连接( Primary Management Connection) 和辅助管理连接( SecondaryManagement Connection) 。这些连接分别对应不同的QoS流量管理。基本连接用于在BS和SSMAC层之间交换短的、紧急的MAC 管理信息。主要管理连接用于在BS和SSMAC层之间交换稍长的、时间要求不严格的管理信息。辅助管理连接用于交换基于标准的管理信息, 如DHCP、TFTP、SNMP等, 这些管理信息都是基于IP 报文的, 因此, 报文将被映射到辅助管理连接。

        另外, 系统还保留了一些CID, 用于SS的初始接入、下行链路的广播、多播等。

        上述提及的连接均称为管理连接, 用于传送MAC层的管理信息。MAC层的其他连接称为传输连接, 只能用于传送用户数据。BS将根据获得的信息建立传输连接。SS初始化、SS服务合同的修改等事件都能够触发BS初始化并建立连接。

2. 带宽请求和分配

        MAC层的一个重要功能就是带宽请求和分配。在下行链路, BS向扇区内所有SS按TDM方式发射数据, 各SS根据接收消息中的CID地址来判断是否是属于自己的消息。在上行链路, SS发射携带C ID的带宽请求消息, BS按需分配并预定SS下一帧接入时间。

        SS通过从上一下行帧收到的ULMAP消息得知接入时间和带宽, 从而按TDMA / DAMA方式接入BS。

        IEEE802.16中并没有明确的具体规定带宽的分配算法, 各个设备供应商可以自行开发。SS向BS提出带宽请求有两种方式, 即单独请求( standalone request) 和捎带请求( p iggyback request) 。 当BS为SS分配了业务信道时, SS可在此业务信道中捎带其带宽请求消息。为了支持不同类型的业务, IEEE 802.16结合使用单播、多播、广播三种查询方式来支持不同的QoS, 在这个标准中定义了四种类型的业务, 并对每种业务的带宽请求方式做了相关的规定: 主动授权业务(UGS) 、实时查询业务( rtPS) 、非实时查询业务( nrtPS) 、尽力而为业务(BE) 。

3. IEEE802116的组网

        IEEE802.16的应用包括提供住宅和SOHO 所需的DSL 速率的无线宽带连接, 用于企业的T1 /E1级业务(所有这些不仅支持数据, 而且还支持话音和视像) , 还包括用于热点的无线回传和蜂窝小区基站回传业务等。所有的SS都只能和BS进行数据交换, 是一个点(一个BS) 到多点(多个SS) 的系统。

        当SS初始化或信号丢失时, 它将持续扫描所有可能的下行链路通道的操作频段, 直到找到一个合法的下行链路信号。当PHY层取得了同步以后, MAC子层会尝试着取得下行链路和上行链路的通道控制参数。

        若SS的MAC 子层接收到至少一个DLMAP (由BS在广播连接发送) 消息, 它就取得同步。

        接下来SS要发起初始测距过程( Initial Ranging) ,这主要是为了调整SS的时间偏差, 使其能够确定每个物理时隙(Minislot) 开始的确切位置。SS在ULMAP消息中扫描以获得初始维护时间( Initial Maintenance Interval) , 然后在该时间发送RNGREQ消息。

        BS在该过程将分配一个基本管理连接和主要管理连接给SS, 该过程还将进行射频功率等级调整、频率偏移调整及时间偏移校正等动作。

        初始测距过程完成之后, SS与BS进行基本能力协商, 然后是SS的认证和密钥交换过程。再下来是注册过程, 通过注册过程, SS将获得它的辅助管理连接C ID, 因此可被BS管理。在注册请求报文(REGREQ) 中可能会包含SS的IP 版本参数, 用于指明辅助管理连接所支持的IP版本, 如果没有IP版本参数, 则默认为只支持IPv4。

        注册完成后, SS调用DHCP机制来获得IP地址及其它建立IP连接所需的参数。DHCP的响应中含有一个配置文件的名字, 该配置文件中有更多的配置参数。SS将通过辅助管理连接建立IP 连接。

        SS和BS需要知道当前的日期和时间。这个过程通过时间协议(Time Protocol) 实现。SS还会利用TFTP协议通过辅助管理连接从TFTP配置文件服务器上取得SS配置文件, 这是一个二进制文件, 包含了一些配置信息。

        所有前面的过程完成之后, BS可以发送DSAREQ给BS, 请求建立预设的特定服务流相关的连接。服务流是提供特定QoS控制的单向报文流。

        它定义了对应连接的服务调度方法和QoS参数集以及其他一些信息。每个服务流都有一个32位的服务流标识符( Service Flow Identifier) , 活动的服务流还有一个CID, 对应某个连接。BS和SS均可以主动发起请求, 动态的建立、修改和删除服务流, 从而达到建立、修改和删除连接的目的。

4. 安全问题

        IEEE802116标准在MAC层中定义了一个加密子层, 提供SS与BS之间的私密性。它包括两部分: 一是加密封装协议, 负责空中传输的分组数据的加密, 包括加密算法以及算法在MAC PDU分组数据中的应用规则。加密只针对MAC PDU中的负荷部分, MAC头不被加密, MAC层中的所有管理信息在传输过程中也不被加密。二是密钥管理协议( 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认证。通过使用基于数字证书的认证方式, 进一步加强了PKM的安全性能。

四、总　结

        WiMAX能够解决“最后一公里”连接问题,具有很高的安全性和频谱利用率。其建设与运营成本低廉, 周期短, 传输速率高、能够承载各种业务, 非常适合新的本地网竞争者与传统电信公司及有线电视公司展开有效竞争, 也可以作为电信公司有线接入的重要补充。

        虽然W iMAX大规模投入应用还需一段时间,但人们已经迈出了坚实的一步。符合W iMAX标准的芯片已于2004年年底推出。芯片巨擎英特尔也表示将在2006 年实现笔记本内置W iMAX技术。

        兴建W iMAX网络已经出现在很多大城市的议程中。可以预计, 在市场的推动下, WiMAX技术将在接入网中发挥重要作用。

参考文献

[ 1 ] IEEE LAN /MAN Standards Committee. IEEE Std 80211622001. IEEE Standard for local and metropolitan area networks  Part 16: Air Interface for Fixed BroadbandWireless Access Systems. New York, 2002.
[ 2 ] 张会霞. 宽带无线接入标准——— IEEE 802116 [ J ]. 工程技术与标准化, 2004.
[ 3 ] David Johnston, Hassan Yaghoobi. Peering Into theWiMAX Spec: part 1.
[ 4 ] David Johnston, Hassan Yaghoobi. Peering Into theWiMAX Spec: part 2.
[ 5 ] 陈静, 张鹏, 周正. IEEE 802116协议物理层规范[ J ]. 电信工程技术与标准化, 2004 (3).