📖 前言：無線城域網（WMAN）是指在地域上覆蓋城市及其郊區范圍的分布節點之間傳輸信息的本地分配無線網絡。能實現語音、數據、圖像、多媒體、IP等多業務的接入服務。其覆蓋范圍的典型值為3~5km，點到點鏈路的覆蓋可以高達幾十千米，可以提供支持QoS的能力和具有一定范圍移動性的共享接入能力。MMDS、LMDS和WiMAX等技術屬于城域網范疇。
目錄
- 🕒 1. 無線城域網概況
- 🕒 2. 802.16協議體系
- 🕘 2.1 IEEE 802.16d協議
- 🕒 3. 802.16的物理層
- 🕘 3.1 WiMax的視距和非視距服務
- 🕘 3.2 IEEE 802.16多種信道編碼
- 🕒 4. 802.16的MAC層
- 🕒 5. MAC層的鏈路自適應機制
- 🕒 6. 802.16系統的QoS架構
- 🕒 7. 802.16系統的移動性
- 🕒 8. WiMAX與其他技術的競爭
🕒 1. 無線城域網概況
WMAN（Wireless Metropolitan Area Network）提出的動因：
- 滿足無線寬帶接入（Broadband Wireless Access）的需求而推出
- “最后一公里”接入的需求
- 解決室外射頻傳輸問題
- 滿足QoS（Quality of Service）要求
802.16協議族
- 802.16工作組 1999年成立(目標是建立一個統一的寬帶無線接入標準，作為線纜和DSL的無線擴展末端，或者WiFi等無線接入點的網絡入口)
WiMAX（World interoperability for Microwave Access）論壇
- 推廣802.16協議
- 形成全球統一標準（802.16、HiperMAN）
- 發放認證（旨在對基于IEEE802.16標準和ETSI HiperMAN
標準的寬帶無線接入產品進行一致性和互操作性認證。)
🕒 2. 802.16協議體系
IEEE802.16系列標準是作為固定寬帶無線接入方案而提出的
- 最終制定的802.16系列標準協議棧按照兩層體系結構組織，主要對網絡的低層，即MAC層和物理層進行了規范。
- 802.16系列協議中各協議的MAC層功能基本相同，差別主要體現在物理層上。物理層協議主要解決與工作頻率、帶寬、數據傳輸率、調制方式、糾錯技術以及收發信機同步有關的問題。
| 標準號 | 相對應的技術領域和頻段 | 狀態 | |
|---|---|---|---|
| 空中接口標準 | 802.16 | 10~66GHz固定寬帶無線接入系統空中接口（LOS） | 2002.04發布 |
| 802.16a | 2~11GHz固定寬帶接入系統空中接口（NLOS） | 2003.04發布 | |
| 802.16c | 10~66GHz固定寬帶接入系統的兼容性 | 2002發布 | |
| 802.16d | 2~66GHz固定寬帶接入系統空中接口(對802.16，802.16a，802.16c的修訂) | 2004年6月在IEEE802委員會獲得通過 | |
| 802.16e | 2~6GHz固定和移動寬帶無線接入系統空中接口管理信息庫 | 2005年發布 | |
| 802.16f | 固定寬帶無線接入系統空中接口管理信息庫(MIB)要求 | ||
| 802.16g | 固定和移動寬帶無線接入系統空中接口管理平面流程和服務要求 | ||
| 共存問題標準 | 802.16.2 | IEEE局域網和城域網操作規程建議固定寬帶無線接入系統的共存 | |
| 802.16.2a | 對802.16.2的修正 | ||
| 一致性標準 | 1802.16.1 | 802.16一致性標準-第一部分：10~66GHz無線MAN-SC空中接口的協議實現一致性說明(PICS)形式 | |
| 1802.16.2 | 802.16一致性標準-第二部分：10~66GHz無線MAN-SC空中接口的測試集結構和測試目的(TSS&TP) |
IEEE 802.16無線工作特性：
- 可工作在頻分雙工或時分雙工模式
- 規定了兩種調制方式：單載波和OFDM
| 標準 | IEEE 802.16a | IEEE 802.16d | IEEE 802.16e | IEEE 802.16m |
|---|---|---|---|---|
| 覆蓋范圍 | 幾公里 | 幾公里 | 幾公里 | 幾公里 |
| 工作頻率 | 2~11GHz | 2-11/11-66GHz | < 6GHz | < 3.5GHz |
| 移動性 | 無 | 無 | 中低車速 | 高速 |
| 業務定位 | 個人用戶，游牧式數據接入 | 中小企業用戶的數據接入 | 個人用戶的寬帶移動數據接入 | 個人用戶的高速移動數據接入 |
| QoS | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
🕘 2.1 IEEE 802.16d協議
- IEEE 802.16d是目前所有標準中相對比較成熟并且最具實用性的一個版本。
- IEEE 802.16協議中定義了兩種網絡結構：點到多點(PMP)結構和網格(Mesh)結構。
802.16系統框架圖：
一個完整的802.16系統應包含的網絡實體有：用戶設備(UE)，用戶站(SS)，基站(BS)，核心網(CN)。
無線城域網的寬帶接入：
802.16d的協議棧模型：
🕒 3. 802.16的物理層
- IEEE 802.16的物理層既可以支持單載波又可以支持多載波，即OFDM技術。
- 基于單載波的物理層規范又分WirelessMAN-SC和WirelessMAN-SCa兩種。
- WirelessMAN-SC的操作頻段為10~66 GHz，且為視距(LOS)操作；WirelessMAN-SCa的操作頻段低于11GHz，為非視距(NLOS)操作。
- 基于多載波的物理層規范分為WirelessMAN-OFDM和WirelessMAN-OFDMA，兩種規范均基于OFDM多載波技術，操作頻段均低于11GHz。
🕘 3.1 WiMax的視距和非視距服務
- 非視距服務：WiMax使用較低頻率范圍(2~11GHz)。較低波長傳輸不易受物理干擾，傳輸可衍射、彎曲或繞過障礙物。
- 視距服務：安裝在屋頂或電桿上的固定拋物面天線和發射塔通過視距連接。這種類型功率更大、更穩定、誤碼更少。使用較高頻率，可達66GHz。
- 非視距服務范圍半徑約6~10km，視距型服務范圍半徑可達50km。
| 規范名稱 | 應用頻段 | 可選技術 | 雙工方式 |
|---|---|---|---|
| WirelessMAN-SC | 10~66GHz | TDD,FDD | |
| WirelessMAN-SCa | 2~11GHz | AAS, ARQ, STC | TDD,FDD |
| WirelessMAN-OFDM | 2~11GHz | AAS, ARQ, Mesh, STC | TDD,FDD |
| WirelessMAN- OFDMA | 2~1lGHz | AAS, ARQ, STC | TDD,FDD |
WMAN-SC為LOS；WMAN-SCa為NLOS(Non Line of Sight)
ARQ: Automatic Repeat Request
OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用
AAS：Adaptive Antenna System，自適應天線系統
STC：Space Time Coding，空時編碼
FDD: Frequency Division Duplexing
TDD: Time Division Duplexing
🕘 3.2 IEEE 802.16多種信道編碼
可按不同業務QoS和速率靈活選擇合適編碼方式：
- 咬尾卷積編碼：強制支持。編譯碼復雜度低，處理時延小，適合小編碼塊、控制消息和時延敏感的數據傳輸。幀控制消息采用該編碼，便于快速解調。
- 歸零卷積編碼：可選支持。編譯碼復雜度低、處理時延小。相比咬尾卷積編碼，其每個編碼塊需一個字節，對小編碼塊傳輸不利。但譯碼略簡單，性能更好。
- 低密度奇偶校驗碼LDPC：
- 適合大編碼塊數據傳輸。通常編碼復雜度較高，結構化構造方法，有效降低編碼復雜度。
LDPC碼是麻省理工學院Robert Gallager于1963年在博士論文中提出的一種具有稀疏校驗矩陣的分組糾錯碼。
幾乎適用于所有的信道，因此成為編碼界近年來的研究熱點。它的性能逼近香農限，且描述和實現簡單，易于進行理論分析和研究，譯碼簡單且可實行并行操作，適合硬件實現。
由于上世紀末的七八十年代計算能力的不足，LDPC編碼技術一直被人們忽視。
1996年，D MacKay、M Neal 等人對它重新進行了研究，發現 LDPC 碼具有逼近香農限的優異性能。
LDPC具有譯碼復雜度低、可并行譯碼以及譯碼錯誤的可檢測性等特點，從而成為了信道編碼理論新的研究熱點。
Gallager構造的(20，3，4) LDPC碼的校驗矩陣
校驗矩陣15行20列，每列3個1，每行4個1
🕒 4. 802.16的MAC層
- 包括與高層實體接口的特定服務會聚子層(Convergence Sublayer，CS)：將接入點的外網數據轉換和映射到MAC業務數據單元，并傳遞到MAC層業務接入點
- 完成MAC層核心功能的公共部分子層(Common Part Sublayer，CPS)： MAC的核心，負責系統接入、寬帶分配、連接建立和維護等，將匯聚子層的數據分類到特定MAC連接，實現對物理層傳輸和調度數據的QoS控制
- 安全子層(Security Sublayer)：負責認證、密鑰交換和加密處理等。
🕒 5. MAC層的鏈路自適應機制
鏈路自適應技術的基本思想：在當前的信道條件下，通過對某些傳輸參數的適配，讓鏈路盡可能高效地運行。
- 自適應調制編碼(AMC)：根據信道情況的變化來動態地調整調制方式和編碼方式，即信道條件較好時使用高階調制/高編碼速率，以獲得較高傳輸速率。信道條件較差時使用低階調制/低編碼速率，以保證傳輸質量。
- 自動請求重傳(ARQ)：接收端在正確接收發送端發來的數據包之后，向發送端發送一個確認信息(ACK)，否則發送一個否認信息(NACK)
- 混合自動請求重傳(H-ARQ)：將前向糾錯編碼(FEC)和自動重傳請求(ARQ)相結合的技術
🕒 6. 802.16系統的QoS架構
QoS概念：
- 質量服務，Quality of Service
- 是用來解決網絡延遲和阻塞等問題的一種技術
- 對特定的無時間限制的應用系統，比如Web應用，或E-mail設置無必要
- 對關鍵應用和多媒體應用需要
- 當網絡過載或擁塞時，QoS 能確保重要業務量不受延遲或丟棄，同時保證網絡的高效運行
802.16的QoS模式
- 請求/授予方式：GPC/GPSS
- 由基站統一進行帶寬資源管理
服務分類
- 主動授予服務(Unsolicited Grant Service，UGS)：帶寬固定，VoIP（Voice over IP）
- 實時查詢服務(Real-time Polling Service，RTPS)：帶寬可變，視頻流
- 非實時查詢服務(Non-Real-Time Polling Service，NRTPS)：帶寬可變但有最低速率要求，FTP
- 盡力而為(Best Effort，BE) ：無質量保證
分配方式
- 按連接（Grant Per Connection, GPC）
- 按站（Grant Per Subscriber Station, GPSS）
🕒 7. 802.16系統的移動性
- IEEE 802.16e是基于IEEE 802.16d標準的，能夠后向兼容IEEE 802.16d的功能
- 為了支持移動性，其工作頻段為2~66Hz，支持車速移動(通常認為是120km/h)。
- 在物理層技術方面，802.16e除了支持單載波方式、OFDM方式、OFDMA方式以外，還對OFDMA方式進行了擴展。
🕒 8. WiMAX與其他技術的競爭
公共WMAN技術——WiMAX
Wi-Fi vs WiMax ：
| 參數 | WiFi | WiMax |
|---|---|---|
| 功率 | 1~100mW | 100kW |
| 覆蓋范圍 | 幾十到幾千米 | LoS服務半徑6~10km，使用頻率66GHz； NLoS服務半徑50km，使用頻率2~11GHz |
| 信道帶寬 | 20或40MHz | 頻道帶寬可根據需求在1.5M至20MHz范圍進行調整 |
其它：可擴展性、用戶容量；對戶外環境的考慮；QoS機制
WiMAX具有更遠的傳輸距離、更寬的頻段選擇以及更高的接入速度，對比于WiFi的IEEE802.11x標準，Wimax對應的協議標準為 IEEE802.16x。
WiMAX vs 3G/4G ：
- WiMAX是3G的第四個標準，與3G是競爭關系
- WiMAX是4G備選技術之一
WiMAX vs 802.20
- 無線城域網協議802.16單小區覆蓋半徑小于5KM
- 無線廣域網協議802.20單小區覆蓋半徑約為15KM
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作者：HinsCoder
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