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802.16/WiMAX组网关键技术研究

高工
2007-09-05 07:55:08    评分

一、引言

  802.16/WiMAX如何组网是商用的关键问题之一。到目前为止,IEEE 802.16标准及相应的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(PHY)、媒体访问控制(MAC)层,并没有明确802.16/WiMAX网络的组网技术和方案。就现在的情况,802.16/WiMAX组网牵涉到的问题主要有:如何通过网络和小区规划来提高频率复用率;如何把802.16/WiMAX系统的空中接口网络和基于IP技术的核心网络有机结合在一起;如何更好地支持无缝移动性管理,保证用户的QoS要求,同时便于计费、认证和鉴权。

  本文主要针对上述问题对802.16/WiMAX组网关键技术进行了讨论和分析,对组网的方案进行了分析和展望。

  二、802.16/WiMAX组网关键技术

  802.16/WiMAX作为分组数据的补充网络,随着它对移动性有较好的支持,可能会实现单独组网并全网覆盖。其网络参考架构可以分成终端、接入网和核心网3个部分,如图1所示。图1中,802.16/WiMAX终端包括固定、漫游和移动3种类型终端;802.16/ WiMAX接入网主要为无线基站,支持无线资源管理等功能;802.16/WiMAX核心网主要是解决用户认证、漫游等功能,网络与其他网络之间的接口关系。

图1 802.16/WiMAX网络参考架构

  在802.16/WiMAX中提供的PMP(点到多点模式)工作模式是通信系统中的基础模式。整个小区由一个BS管理,所有的SS的通信都需要 BS的调度。况且由于移动性的引入,移动用户要在不同的BS覆盖区间移动并实施通信链路的切换,需要为移动用户提供无缝的网络覆盖以便保障用户的QoS。由此分析得出,802.16/WiMAX网络组网关键技术包括基于OFDM频率复用技术的小区规划方案、媒体访问机制、入网与初始化、资源分配策略、认证计费和移动性管理等方面。

  1.基于OFDM频率复用技术的小区规划方案

 
  对于频率资源比较紧缺的802.16/WiMAX组网而言,OFDM技术虽然具有高频谱利用率及抗多径干扰的能力,而且在NLOS环境下可以采用OFDM、OFDMA及其他先进技术来克服较差的无线传输环境。但是,用户只能通过时间(TDMA)或子信道(OFDMA)来区分,使用相同频率的相邻小区将会对本小区的通信产生严重的同频干扰。因此,网络规划应基于频率分配,合理分配并复用有限的频段,从而达到减少小区间、信道间的干扰,并且进一步提高802.16/WiMAX的频谱效率、增加网络的容量。

  为了减小干扰,尽量保证小区的频率复用因子为1,其网络频率规划方案应该服从如下原则:

  ●除非距离达到5~7个倍程,或者两者之间有较好的阻挡物,否则相邻站点不允许出现相同方向的同频复用。如果要复用,可以采用不同的极化方向以获得20 dB的额外隔离度。

  ●同一站点,同一扇区,尽可能不使用邻频进行组网,尽可能地使其错开一个角度,以保证服务扇区内的注册频点为最佳。

  ●同一站点,同一扇区,不可以使用同频。

  ●同一站点,相邻扇区,不可以使用同频。在采用高性能天线的情况下,如果终端的位置不在相邻两个扇区交叠边缘,可以使用同频交叉极化的方式。

  ●同一站点,相背扇区,在基站天线前后隔离度满足30 dB的要求时,可用相同极化的同频。

  联系802.16/WiMAX组网的频率资源较为紧缺的实际情况,通常采用扇区技术、无线资源管理机制和先进天线技术来减少同频干扰。

  (1)基于微小区的频率规划 在传统的蜂窝系统中,为了减少同频干扰和增大网络的容量,常常采用相邻小区之间不使用相同频点的方法,而且要使具有相同频点的小区之间的距离尽量的远。但这样势必需要大量的频率资源,且会降低频谱的利用率。

在802.16/WiMAX系统中,为了提高网络的容量把每一个小区重新化分成多个微小区,每个微小区就有较小的覆盖范围,且每个相邻无线路由器的位置使小区之间的覆盖区域无信号盲区,从而增加了地理覆盖并减小了无线路由器间隔。此时,将可使用的频点分成几组然后分配给微小区中的小区使用,保证相邻小区间不使用同一组频点。而且,由于802.16/WiMAX系统的复杂性,还要使采用同一频点组的小区的间隔距离更远。通过扇区技术提高系统容量的方法如图2所示。在网络建设初期,基站使用4个的扇区天线,每个天线覆盖一个扇区。小区可以通过分裂成更多扇区的方式,使每个扇区的可用子信道数量增加,以此支持更高的数据速率。当扇区数量由4个变为8个的时候,小区的容量近似翻了一倍。然而扇区的数量每增加一倍,小区的覆盖面积会减少33%,这时就需要更多的发射机和接收机来完成相同的覆盖。这样,每个BS的覆盖面积减少了,其需要的带宽也随之减少,但设备的成本却会增加。如果在系统中增加更多的载频,就可以进一步使用频率分集来减小同信道之间的干扰。


图2 通过扇区技术提高系统容量

  (2)基于无线资源管理的小区规划 为了减少系统间干扰,提高系统容量,增强链路的服务质量,常常使用无线资源管理,包括功率控制、无线资源分配、自适应控制、分组调度技术。考虑到实际系统小区的干扰在不同小区分布是不同的,在同频干扰较大的区域可以通过无线资源管理机制来减小同频干扰基站的发射功率,或者结合TDMA机制分配干扰较小的时隙资源给边缘小区用户从而减少同频干扰。下面以其中功能相对独立的自适应控制机制为例阐述 802.16/WiMAX系统的小区规划。采用高阶调制可以提高系统的容量,并具有更高的频谱效率,但随着调制阶数增加,接收机的复杂度也要随之增加,小区间干扰也越来越严重(不同调制方式之间目标信干比变化达到16 dB)。这就对接收设备提出了更高的要求。另外,随着调制阶数增加,小区的覆盖面积大幅缩小,从BPSK-QP-SK-16-QAM-64-QAM,调制阶数每增加一步,会使小区半径缩短为原来的一半左右。总之,当系统需要扩容的时候 高阶的QAM调制是需要的,但这会带来覆盖面积减小和系统干扰增加等问题。这些问题可以通过将小区规划和调制体制规划相结合的方法来解决。一种自适应调制方式如图3所示,在原有扇区划分和单一调制BPSK方式的基础上,根据所处地域不同,采用不同的调制方式,越靠近基站,则使用的调制方式越高。离基站最近的区域采用最高阶64-QAM调制方式,然后是16-QAM,再是 QPSK,最外圈的区域使用BPSK。

图3 自适应调制方式的使用

  (3)基于极化天线的小区规划 使用极化天线的方法可以进一步优化频率复用机制,水平极化和垂直极化交替模式可以使相邻小区得到较好的干扰隔离,从而可以将系统容量提高近一倍。交替极化在系统中的应用如图4所示。如果只采用一个载频,考虑到实际地形的不规则,很容易存在较严重的同频干扰,而使用两个载频的交替极化模式,可以得到四组可用信道,从而大幅度减小干扰。联合采用两载频和极化天线技术,在不需要对现有网络进行较大改动的情况下,就可使系统获得更多的可用信道。

图4 极化天线技术增加小区容量

(左面为单载频极化,右面为双载频极化)

  针对免许可频段,协议还规定了动态频率选择方案可降低频率干扰,增加网络容量。

  2.媒体访问机制

 
  和802.11相比,802.16/WiMAX有着完全不同的媒体访问机制。前者采用的是CSMA/CA机制,所有的终端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。而802.16/WiMAX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上集中控制。同样,为了实现媒体的共享访问,必须让SS知道“什么时刻可以发送数据”。IEEE 802.16通过在每个帧的下行子帧之前添加用于管理的下行链路帧前缀(DLFP),在该部分中指示了每个SS的下行数据位置和上行发送时刻。DLFP相当于专用一个信道,用于传输管理信息和指示信息。

  在802.16/WiMAX系统中还特别设计了DLMAP和ULMAP,它们都可以跨帧,使得信道可以灵活地应用于全部上行或下行链路。这种带有典型的局域网突发的特点,对于宽带无线接入系统而言,可以兼顾灵活性和公平性,每个SS都有机会传输,避免了因竞争造成的长期竞争不到信道的问题;其次,这样的设计可以避免碰撞的发生,每个SS都只在属于自己的发送时段内才发送数据,可以保证“任何时刻,媒体上只有一个数据传输”;还有,方便于进行 QoS、业务优先级等方面的控制,并在带宽分配方面也有先天的优势。

  3.入网与初始化分析

  为了提高无线网络的鲁棒性,以及在TDD模式下为了有效利用时间资源,BS必须对SS的媒介访问时机进行统一的调度。允许SS随机加入,BS在上行开始之初提供了一个竞争周期,在该周期内,所有没有入网的SS可以发起入网过程。SS入网过程可以分为以下步骤:

 (1)扫描下行信道,获取DCD、DLMAP、ULMAP,并与BS建立同步。这里的同步是指MAC同步,一但SS收到DLMAP,就意味着两个MAC实体之间建立了同步关系,接下来的任务就是SS的随机接入。


  (2)获取上行链路参数就是SS可以正确解出UCD,以获取发送参数。这一步骤完成之后,SS就知道应该在什么时刻发起上行接入过程,以及用什么样的参数进行上行接入。

  (3)初始校准的表层目的是进行时偏校正和功率调整,但是其核心目的实际上是进行初始管理连接建立。当BS收到一个初始校准请求后,就会给该 SS分配初始管理连接和第一管理连接。BS和SS开始建立基于连接的传输,而后经过多次校准反复,以使SS的发射参数达到相关指标。

  (4)在完成了初始校准后,BS和SS相继进行基本能力协商、认证与密钥交换、注册、建立IP连接、向SS传送配置参数等过程。

  在SS入网后,还要进行周期性的校准操作,以消除无线环境对网络的影响,使SS工作在预期的条件下。可见,PMP模式下BS管理着所有SS的入网和资源分配,这是和TDD模式的特点紧密相关的。

  4.资源分配策略分析

  与资源分配策略相关的处理过程包括ARQ和QoS。802.16/WiMAX的资源分配策略是和连接相关联的。而连接的定义体现了不同的QoS 参数,在MSDU进入CS后,首先 
进行的操作就是对MS-DU进行分类,而分类的原则就是服务流的QoS参数。在服务流上定义了3个QoS参数集,分别是 Provisioned QoS Paramset、Admitted QoS Paramset、Active QoS Pammset。这3个参数集描述了不同状态下服务流的QoS参数。同时,服务流有3种状态,分别是提供(Provisioned)、许可(Admitted)、激活(Active)。不同状态下的服务流有不同的服务流类型,也就有不同的QoS参数。ARQ是与QoS相关的功能,虽然在 802.16/WiMAX网络中是作为可选项,但是它的ARQ设计得非常巧妙,同样以连接为基础进行,同时可以和分片子帧、打包子帧相结合,提高效率。在 ARQ中引入了一个虚拟概念:ARQ块,而实际上对MPDU并没有按照ARQ块的大小进行分块,而是以分片的大小进行分片,但是分片的大小是ARQ块的整数倍。在分片的子帧头中记录着本分片第一个ARQ块的编号,而不是分片的编号。通过这样的设计,在接收方出现接收错误的时刻,就可以根据ARQ编号定位到分片,进行重传。这样的设计,不仅减少了ARQ管理帧头的开销,更重要的是,充分利用了小区中的传输基础——连接。

  5.网络安全策略

  认证、授权和计帐(AAA)是802.16/WiMAX网络的重要组成部分,也是网络安全策略的一个组成部分。用户认证过程AAA接入控制的实现为:用户端设备→AAA客户机→AAA服务器→计费系统。AAA客户机到AAA服务器之间通常采用远程拨号用户认证(RADIUS)协议;AAA服务器和计费系统一般集中建设,以支持用户漫游和减少建设成本;用户端设备和AAA客户机(如宽带接入服务器)之间多采用PPPoE、802.1x、Web认证。在单独建网、数据城域网叠加、移动蜂窝网叠加等几种方案中,802.16/WiMAX网络的AAA客户机、AAA服务器和计费系统可以借用现有网络的技术或直接采用现有网络对应设备,以实现资源共享,降低网络设备投资。

  6.移动性管理

  802.16/WiMAX网络具备支持漫游、移动业务的能力,其移动性管理方式对于网络结构影响也是比较大的。移动管理主要功能就是在整个服务网络内有效地支持终端站的漫游和移动,涉及位置管理和切换管理两部分。其中,位置管理主要是确认合法终端所处网络位置,以便在业务启动时,迅速建立业务路由;切换管理则是在终端移动状态下,保障激活业务的服务和质量。

  802.16/WiMAX终端在漫游、移动情况下实现移动性管理可以采用简单IP(Simple IP)或移动IP(Mobile IP)协议。在Simple IP网络结构下,终端分配的IP地址是动态可变的,但在跨域切换时业务要中断,必须通过应用层的专用协议实现再次连接,只适用于WWW、E-mail等对时间不敏感的业务,不适于大范围移动的实时业务,如IP语音等;在Mobile IP协议下,终端具备永久IP地址,可支持所有类型的IP业务。然而,Mobile IP也存在IPv4地址不足,切换过程中的时延和丢包率难以保障等问题,需要采用地址转换、IPv6、多层切换等方案来解决。

  为进一步提高802.16/WiMAX网络的性能和达到预期的效果,还可以利用自适应天线系统、空时编码技术、无线链路增强技术、跨层优化等技术。

三、组网分析

  1.网络融合

  作为一种只定义了无线空中接口标准的新兴网络,802.16/WiMAX在组网过程中首先是对现有无线网络的一种补充,目的是用于满足高速数据传输的需要。所以802.16/WiMAX发展的重要一步就是和现有无线网络的互联互通并充分利用其核心网,从而实现网络间的无缝切换。在现有的混合组网方式中,松耦合对现有网络改造较小,但因为在802.16/WiMAX中建议采用跨层路由协议来减少802.16/WiMAX不同基站切换时延,并无法减少网间的切换时延,所以在此模式下时延是相当高的。而紧耦合和松耦合相比减少了切换时延,并保证了网络的无缝切换,是以后发展的主要方向。


  2.接入IPv4/IPv6核心网

  尽管未来的发展趋势是IPv6将代替IPv4,但就目前而言,Internet骨干网是一个IPv4/IPv6的混合网络。在混合网络中常采用的组网策略包括双栈策略(DSTM)、隧道策略和翻译策略。双栈策略通常解决的是IPv6中的双栈主机如何与外部IPv4网络中的网元进行通信的问题,一般只能用在内部网络中,不适合应用于骨干网和核心网。翻译策略不需要任何的协议调整就允许IPv4与IPv6网方便地互通,但这种通信效率不高,并且限制了一些通用协议的使用,如IPsec、组播协议等。因此就目前的技术水平来看,出于扩展性等性能方面的考虑,在进行核心网和骨干网互联时,一 
般不适宜采用这种技术。通常,双栈策略和翻译策略用于企业网或驻地网;而在组建核心网和骨干网时,则采用隧道策略。在IPv6核心网和802.16/WiMAX接入网的组网方案中,其中接入网部分采用802.16/WiMAX技术,核心网部分则采用IPv6协议互连,内部路由器均支持MPLS,边缘路由器完成三层操作,核心路由器完成二层交换。用户接入核心网的过程为:用户数据经采用802.16/WiMAX技术的接入网的空中接口到达基站后,通过“WiMAX- IPv6核心”接口抵达WMAN核心网的边缘路由器;由该边缘路由器对其进行三层操作后,进入支持MPLS的IPv6网络传输,经标签交换后,抵达 WMAN与核心网边缘网关,然后进入核心网。无线城域网中的BS需要提供对IPv6路由协议(包括MPLS)、自动配置、组播、QoS算法实现、移动性管理等的完整支持。

  3.基站互联

  基站无线互联方案的引入也满足了组网灵活性的需求。传统的有线接入互联设备成本较高,而且一旦网络建设完毕,很难重新调整。而当无线城域网由固定接入发展到支持移动性后,为了保证用户的无缝切换基站间需要快速有效的通信。在用户预备或发生切换时,中心基站可以协助确定用户要切换到的目标基站,并保证用户切换前后业务状态的连续。其中涉及的Mesh组网机制问题,也是近来研究的热点问题。

  综上所述,目前认为802.16/WiMAX的组网模式有固定组网和移动组网两种。在固定应用模式下,802.16/WiMAX网络可以叠加在宽带城域网上,核心网功能可以直接映射到现有IP网络的相关设备中,如宽带接入服务器等。在移动应用模式下,802.16/WiMAX网络可以采用叠加于宽带城域网或移动蜂窝网两种方式。依据与移动蜂窝系统结合的紧密程度,移动蜂窝网络和802.16/WiMAX网络组网方案可以分成松耦合和紧耦合两大类。由松耦合经过移动蜂窝网络的升级逐渐过渡到紧耦合,其无线组网方式大致经过室外接入、室内接入、有缝漫游和无缝移动四个阶段。最终, 802.16/WiMAX网络无线资源和移动蜂窝网络中无线资源将被统一调度和达到无缝融合。

  四、结论

  本文对802.16/WiMAX组网关键技术展开了详细的研究并对其组网模式进行探讨。该技术是在电信网络IP化的大趋势下发展起来的城域网无线接入技术,具备与全IP网络无缝融合的能力。随着移动性的增加、组网技术的发展和完善,凭借高带宽优势,必然在未来的无线互联网络中承当重要角色。另外,要充分考虑802.16/WiMAX服务小区的频率复用因子以及和核心网的通信,以保证端到端的QoS和移动终端的无缝切换。

 




关键词: 802.16     WiMAX     组网     关键     技术     研究         

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