基于IEEE802.16系列标准的无线城域网

基于IEEE802.16系列标准的无线城域网

朱志亮1,　葛锦环2

(1.温州大学物理与电子信息工程学院,温州325035;2.温州医学院信息与工程学院,温州325035)

摘要:本文主要介绍了无线城域网技术I EEE802.16x系列标准及其协议栈模型,重点讨

论了媒体接入控制层和物理层的特点及其关键技术;最后提出了无线城域网技术未来的研究

方向。

关键词:全球微波接入互操作性;I EEE802.16协议;无线城域网

中图分类号:T N915 文献标识码:A 文章编号码:100328329(2010)022*******

W i reless Technology on M etr opolitan Networks B a s ed on I EEE802.16x

ZHU Zh i2li ang1,　GE J i n2huan2

(1.C ollege of Physi c s﹠E lec tr on ic Inform a t i on Eng i n eer i n g,W enzhou Un i ver sity,W en zhou325035,C h i n a;

2.W enzhou M ed i ca l C ollege School of Inform a ti on﹠En gi n eer i ng,W enzhou325035,C h i na)

Ab stra ct:The pr otocol model,e s pec ially the cha r acter ofMAC and Physical Laye r(PHY)r e lated

key technol ogies of I EEE802.16x are discussed in this paper.P ossible future resea r ch aspects con2

ce r ned with w ir e lessMAN technol ogy a r e suggested fina lly.

Key word s:W i MAX(W orldwide I nter operability f or Micr owave Acce ss);I EEE802.16;w irele ss

MA N

1　引　言

近几年来,无线接入已经引起人们的广泛关注,它已逐步成为传统铜线本地环路技术的替代技术,具有投资少、建设快、传输速率高等一系列优点。其中,宽带无线接入(BWA)是无线通信革命中最具挑战性的部分。

1999年7月,电气和电子工程师协会(I EEE)成立了I EEE802.16工作组来专门研究固定宽带无线接入技术规范,目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。它的出现弥补了I EEE在无线城域网(WMAN)上的空白,解决了从客户到核心网之间的接入瓶颈问题,大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展。2　IEEE802.16标准概述

2.1　I EEE802.16系列标准

I EEE802.16d标准称为I EEE W irelessMAN空中接口标准,对工作于不同频带的无线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围在公里(km)量级,因此系统主要应用于城域网。根据使用频段不同,802.16系统分为应用于视距和非视距两种,其中使用2～11G Hz频段的系统应用于非视距(NLOS)范围,而10～66G Hz频段则应用于视距(LOS)范围。根据是否支持移动特性, 802.16标准又分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准。

3作者简介朱志亮(),男,温州大学物理与电子信息工程学院,助教,研究方向通信信号处理。

:1982-:

I EEE802.16标准系列[1,2]到目前为止包括802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e、802. 16f和802.16g共七个。其中:802.16、16a、16d属于固定无线接入空中接口标准,而802.16e属于移动宽带无线接入空中标准。

2.2　I EEE802.16协议栈模型

I EEE802.16协议规定了媒体接入控制层(MAC)和物理层(PHY)的规范。

I EEE802.16媒体接入控制层(MAC)规范和大多数协议一样采用分层结构,包括业务汇聚子层(CS:Se r vice S pecific Convergence Sublaye r)、公共部分子层(CPS:Common Part Sublaye r)和安全子层(SS:Privacy Sublayer)。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;安全子层负责媒体接入控制层认证和加密功能。

在I EEE802.16中,物理层由传输汇聚子层(TC)和物理媒质依赖子层(P MD)组成。TC层负责把收到的MAC-P DU封装成TC-P DU,并执行接入竞争方案和控制同步逻辑;P MD主要执行信道编码、调制等处理。

3　IEEE802.16标准关键技术

3.1　MAC层关键技术

(1)网格模式

媒体接入控制层的网格模式是网络共用一个媒体,就必须提供一个有效的共享机制。I EEE802.16标准中只定义了点对多点模式,而在I EEE802.16a 标准中则增加了可选的网格拓扑模式。点对多点模式和可选的网格拓扑模式之间的主要区别在于,在点对多点模式中业务流只发生在基站(B S)和用户站(SS)之间;而在网格拓扑模式中业务流还可以发生在各个SS之间,网格拓扑中的每个站点都可以和网络中的其它站点直接形成通信链路。通过使用网格拓扑模式,I EEE802.16a标准大大提高了网络的互操作性,并提供了较高的灵活性。特别是在带宽的分配问题上,使网络可根据实际情况灵活机动地选择分布式调度方式、集中式调度方式或者两者结合的方式来分配带宽,使系统的资源可得到更为合理的分配。

(2)数据格式的优化

I EEE802.16标准的MAC协议数据单元(P DU)结构一般分为MAC头、负荷和循环冗余校验(CRC),其中负荷部分可包括一个或多个不同类型的MAC子头。通过MAC P DU数据格式,既可传输普通数据,也可传输B S到SS之间的管理信息。在循环冗余校验(CRC)中,增加了自动重复请求(ARQ)机制来增强数据传输的可靠性。该机制是MAC层的一个可选部分。在I EEE802.16a标准的MAC P DU构造和传输问题上,要对带ARQ的连接进行特殊的打包。每个被打包的MAC服务数据单元(S DU)、MAC S D U片断或ARQ反馈负荷都需要各自的打包子头,一部分子头在其它子头重传的时候传输。可见ARQ机制使得重发过程具有机动性,和I EEE802.16标准相比较,I EEE802.16a更能保证数据的精确性。

(3)自适应传输技术

自适应传输技术是根据通信信道的衰落时变特性,自适应地选择传输参数,在信道情况好的情况下,提供高的传输速率,而在信道情况差时,降低输出速率,提高抗干扰的鲁棒性。自适应传输技术具体包括:自适应编码调制技术;自适应功率分配技术。

(4)网络安全

对于宽带无线接入系统,由于数据的传输是基于无线电波,比传统的有线传输更具开放性,因此无线城域网系统会更容易受到来自非法接入网络、伪基站与伪网络、网络窃听、非法篡改通信数据、重放报文攻击、拒绝服务(DoS)攻击等许多的威胁。为了消除这些威胁,I EEE802.16标准主要是通过在MAC层中定义了一个安全子层来提供安全保障。它主要包括两个协议:数据加密封装协议和密钥管理协议(PK M)。

3.2　物理层关键技术

(1)时分双工T DD模式与频分双工FD D模式

T DD上行和下行的传输使用同一频带的双工方式,需要根据时间进行切换,物理层的时隙被分为发送和接收两部分。其技术特点有:①不需要成对的频率,能使用各种频率资源。②上下行链路业务可以不平均分配。③上下行工作于同一频率,电波