【无线网络技术】——无线城域网（学习笔记）

📖 前言：无线城域网（WMAN）是指在地域上覆盖城市及其郊区范围的分布节点之间传输信息的本地分配无线网络。能实现语音、数据、图像、多媒体、IP等多业务的接入服务。其覆盖范围的典型值为3~5km，点到点链路的覆盖可以高达几十千米，可以提供支持QoS的能力和具有一定范围移动性的共享接入能力。MMDS、LMDS和WiMAX等技术属于城域网范畴。

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🕒 1. 无线城域网概况

WMAN（Wireless Metropolitan Area Network）提出的动因：

• 满足无线宽带接入（Broadband Wireless Access）的需求而推出
• “最后一公里”接入的需求
• 解决室外射频传输问题
• 满足QoS（Quality of Service）要求

802.16协议族

• 802.16工作组 1999年成立(目标是建立一个统一的宽带无线接入标准，作为线缆和DSL的无线扩展末端，或者WiFi等无线接入点的网络入口)

WiMAX（World interoperability for Microwave Access）论坛

• 推广802.16协议
• 形成全球统一标准（802.16、HiperMAN）
• 发放认证（旨在对基于IEEE802.16标准和ETSI HiperMAN
  标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。)

🕒 2. 802.16协议体系

IEEE802.16系列标准是作为固定宽带无线接入方案而提出的

• 最终制定的802.16系列标准协议栈按照两层体系结构组织，主要对网络的低层，即MAC层和物理层进行了规范。
• 802.16系列协议中各协议的MAC层功能基本相同，差别主要体现在物理层上。物理层协议主要解决与工作频率、带宽、数据传输率、调制方式、纠错技术以及收发信机同步有关的问题。

	标准号	相对应的技术领域和频段	状态
空中接口标准	802.16	10~66GHz固定宽带无线接入系统空中接口（LOS）	2002.04发布
	802.16a	2~11GHz固定宽带接入系统空中接口（NLOS）	2003.04发布
	802.16c	10~66GHz固定宽带接入系统的兼容性	2002发布
	802.16d	2~66GHz固定宽带接入系统空中接口(对802.16，802.16a，802.16c的修订)	2004年6月在IEEE802委员会获得通过
	802.16e	2~6GHz固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库	2005年发布
	802.16f	固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库(MIB)要求
	802.16g	固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求
共存问题标准	802.16.2	IEEE局域网和城域网操作规程建议固定宽带无线接入系统的共存
	802.16.2a	对802.16.2的修正
一致性标准	1802.16.1	802.16一致性标准-第一部分：10~66GHz无线MAN-SC空中接口的协议实现一致性说明(PICS)形式
	1802.16.2	802.16一致性标准-第二部分：10~66GHz无线MAN-SC空中接口的测试集结构和测试目的(TSS&TP)

IEEE 802.16无线工作特性：

• 可工作在频分双工或时分双工模式
• 规定了两种调制方式：单载波和OFDM

标准	IEEE 802.16a	IEEE 802.16d	IEEE 802.16e	IEEE 802.16m
覆盖范围	几公里	几公里	几公里	几公里
工作频率	2~11GHz	2-11/11-66GHz	< 6GHz	< 3.5GHz
移动性	无	无	中低车速	高速
业务定位	个人用户，游牧式数据接入	中小企业用户的数据接入	个人用户的宽带移动数据接入	个人用户的高速移动数据接入
QoS	支持	支持	支持	支持

🕘 2.1 IEEE 802.16d协议

• IEEE 802.16d是目前所有标准中相对比较成熟并且最具实用性的一个版本。
• IEEE 802.16协议中定义了两种网络结构：点到多点(PMP)结构和网格(Mesh)结构。

802.16系统框架图：

一个完整的802.16系统应包含的网络实体有：用户设备(UE)，用户站(SS)，基站(BS)，核心网(CN)。

无线城域网的宽带接入：

802.16d的协议栈模型：

🕒 3. 802.16的物理层

• IEEE 802.16的物理层既可以支持单载波又可以支持多载波，即OFDM技术。
• 基于单载波的物理层规范又分WirelessMAN-SC和WirelessMAN-SCa两种。
• WirelessMAN-SC的操作频段为10~66 GHz，且为视距(LOS)操作；WirelessMAN-SCa的操作频段低于11GHz，为非视距(NLOS)操作。
• 基于多载波的物理层规范分为WirelessMAN-OFDM和WirelessMAN-OFDMA，两种规范均基于OFDM多载波技术，操作频段均低于11GHz。

🕘 3.1 WiMax的视距和非视距服务

• 非视距服务：WiMax使用较低频率范围(2~11GHz)。较低波长传输不易受物理干扰，传输可衍射、弯曲或绕过障碍物。
• 视距服务：安装在屋顶或电杆上的固定抛物面天线和发射塔通过视距连接。这种类型功率更大、更稳定、误码更少。使用较高频率，可达66GHz。
• 非视距服务范围半径约6~10km，视距型服务范围半径可达50km。

规范名称	应用频段	可选技术	双工方式
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为LOS；WMAN-SCa为NLOS(Non Line of Sight)
ARQ: Automatic Repeat Request
OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用
AAS：Adaptive Antenna System，自适应天线系统
STC：Space Time Coding，空时编码
FDD: Frequency Division Duplexing
TDD: Time Division Duplexing

🕘 3.2 IEEE 802.16多种信道编码

可按不同业务QoS和速率灵活选择合适编码方式：

• 咬尾卷积编码：强制支持。编译码复杂度低，处理时延小，适合小编码块、控制消息和时延敏感的数据传输。帧控制消息采用该编码，便于快速解调。
• 归零卷积编码：可选支持。编译码复杂度低、处理时延小。相比咬尾卷积编码，其每个编码块需一个字节，对小编码块传输不利。但译码略简单，性能更好。
• 低密度奇偶校验码LDPC：
  • 适合大编码块数据传输。通常编码复杂度较高，结构化构造方法，有效降低编码复杂度。

LDPC码是麻省理工学院Robert Gallager于1963年在博士论文中提出的一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码。
几乎适用于所有的信道，因此成为编码界近年来的研究热点。它的性能逼近香农限，且描述和实现简单，易于进行理论分析和研究，译码简单且可实行并行操作，适合硬件实现。
由于上世纪末的七八十年代计算能力的不足，LDPC编码技术一直被人们忽视。
1996年，D MacKay、M Neal 等人对它重新进行了研究，发现 LDPC 码具有逼近香农限的优异性能。
LDPC具有译码复杂度低、可并行译码以及译码错误的可检测性等特点，从而成为了信道编码理论新的研究热点。

Gallager构造的(20，3，4) LDPC码的校验矩阵

校验矩阵15行20列，每列3个1，每行4个1

🕒 4. 802.16的MAC层

• 包括与高层实体接口的特定服务会聚子层(Convergence Sublayer，CS)：将接入点的外网数据转换和映射到MAC业务数据单元，并传递到MAC层业务接入点
• 完成MAC层核心功能的公共部分子层(Common Part Sublayer，CPS)： MAC的核心，负责系统接入、宽带分配、连接建立和维护等，将汇聚子层的数据分类到特定MAC连接，实现对物理层传输和调度数据的QoS控制
• 安全子层(Security Sublayer)：负责认证、密钥交换和加密处理等。

🕒 5. MAC层的链路自适应机制

链路自适应技术的基本思想：在当前的信道条件下，通过对某些传输参数的适配，让链路尽可能高效地运行。

• 自适应调制编码(AMC)：根据信道情况的变化来动态地调整调制方式和编码方式，即信道条件较好时使用高阶调制/高编码速率，以获得较高传输速率。信道条件较差时使用低阶调制/低编码速率，以保证传输质量。
• 自动请求重传(ARQ)：接收端在正确接收发送端发来的数据包之后，向发送端发送一个确认信息(ACK)，否则发送一个否认信息(NACK)
• 混合自动请求重传(H-ARQ)：将前向纠错编码(FEC)和自动重传请求(ARQ)相结合的技术

🕒 6. 802.16系统的QoS架构

QoS概念：

• 质量服务，Quality of Service
• 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术
• 对特定的无时间限制的应用系统，比如Web应用，或E-mail设置无必要
• 对关键应用和多媒体应用需要
• 当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行

802.16的QoS模式

• 请求/授予方式：GPC/GPSS
• 由基站统一进行带宽资源管理

服务分类

• 主动授予服务(Unsolicited Grant Service，UGS)：带宽固定，VoIP（Voice over IP）
• 实时查询服务(Real-time Polling Service，RTPS)：带宽可变，视频流
• 非实时查询服务(Non-Real-Time Polling Service，NRTPS)：带宽可变但有最低速率要求，FTP
• 尽力而为(Best Effort，BE) ：无质量保证

分配方式

• 按连接（Grant Per Connection, GPC）
• 按站（Grant Per Subscriber Station, GPSS）

🕒 7. 802.16系统的移动性

• IEEE 802.16e是基于IEEE 802.16d标准的，能够后向兼容IEEE 802.16d的功能
• 为了支持移动性，其工作频段为2~66Hz，支持车速移动(通常认为是120km/h)。
• 在物理层技术方面，802.16e除了支持单载波方式、OFDM方式、OFDMA方式以外，还对OFDMA方式进行了扩展。

🕒 8. WiMAX与其他技术的竞争

公共WMAN技术——WiMAX

Wi-Fi vs WiMax ：

参数	WiFi	WiMax
功率	1~100mW	100kW
覆盖范围	几十到几千米	LoS服务半径6~10km，使用频率66GHz； NLoS服务半径50km，使用频率2~11GHz
信道带宽	20或40MHz	频道带宽可根据需求在1.5M至20MHz范围进行调整

其它：可扩展性、用户容量；对户外环境的考虑；QoS机制

WiMAX具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度，对比于WiFi的IEEE802.11x标准，Wimax对应的协议标准为 IEEE802.16x。

WiMAX vs 3G/4G ：

• WiMAX是3G的第四个标准，与3G是竞争关系
• WiMAX是4G备选技术之一

WiMAX vs 802.20

• 无线城域网协议802.16单小区覆盖半径小于5KM
• 无线广域网协议802.20单小区覆盖半径约为15KM

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作者：HinsCoder
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