WiMAX宽带无线接入技术及其应用
刘丹谱等：ＷｉＭＡＸ宽带无线接入技术及其应用
ＺＴＥＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
ＷｉＭＡＸ宽带无线接
入技术及其应用
期丹谱．郝建军，乐光新
｛北京部电大学。北京７００８７８）
【编者按１作为一种新兴的宽带无线接入技术，ｗｉＭＡＸ近年来受到了业界的普遍关注。它的主要技术特点是传输速率高、覆盖范围大、支持移动性、提供ＱｏＳ保证并采用基于全ＩＰ的网络架构，实现了数据分组化、接入宽带化和终端移动化三者合一，因而具有广泛的应用前景。本讲座分３期对该技术进行介绍：第１期介绍了ＷｉＭＡＸ及ＩＥＥＥ８０２．１６系列协议的基本特点、协议结构和物理层基本特性及关键技术；本期讲述ＷｉＭＡＸ技术的ＭＡＣ层特性及其Ｏｏ￥机制；第３期将介绍ＷｉＭＡＸ技术的网络架构、组网模式及其应用，并分析其未来发展趋势。
５ＭＡＣ层性能
ＩＥＥＥ８０２．１６媒体访问控制（ＭＡＣ）层
Ｉ的核心是公共部分子层（ＣＰＳ），其最
大特点是面向连接。该子层实现的操
作包括系统接人控制、调度服务、带
宽的请求与分配、连接的建立与维
护、网络接入与初始化、初始测距与
周期性测距等。为了支持移动性，８０２．１０ｅ在ＭＡＣ层还引入了一些新的特性，例如切换支持、可节电的休眠模式和空闲模式等１１】。
５．１网络拓扑
ＷｉＭＡＸ定义了点对多点（ＰＭＰ）和可选的网状网（Ｍｅｓｈ）两种拓扑结构，分别如图５和图６所神扪。两者的主要
▲图５ＰＭＰ拓扑示意图
５４中兴通讯技末
▲图６Ｍｅｓｈ拓扑示意图
区别在于ＰＭＰ模式下通信只能在用
户站（ＳＳ）和基站（ＢＳ）之间进行，Ｍｅｓｈ
模式下通信可以直接在ｓｓ之间进行。
目前ＩＥＥＥ８０２．１６ＭＡＣ层规范主要针
对ＰＭＰ方式定义，ＷｉＭＡＸ系统部署实
施中也大多采用该方式。
５．２媒体访问机制
与ＩＥＥＥ８０２．１ｌ的载波监听，冲突
避免（ＣＳＭＭＣＡ）策略不同。ＩＥＥＥ８０２．１６
采取的方式是在物理层将时间资源
一进行分片，通过时间区分上行和下
行。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
切换点可以通过ＭＡＣ层的控制自适
应调整。在ＴＤＤ模式下，每一帧由刀个
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。以正
交频分复用（ＯＫ）Ｍ）物理层的帧结构
为例，每个下行子帧以用于物理层同
步的前导开始，其后是帧控制头
（ＦＣＨ）。ＦＣＨ之后的第一个下行突发
中包含下行链路映射（ＤＬ—ＭＡＰ）、上行
链路映射（ＵＬ－ＭＡＰ）以及下行链路信
道描述符（ＤＣＤ）和上行链路信道描述
符（ＵＣＤ）等ＭＡＣ层管理消息，用于说
明其后的下行数据都属于哪个Ｓｓ，调
制编码方式如何；本帧的上行时间怎
么分配，采用何种调制编码方式。通
过这样的设计，不但杜绝了上行方向
的竞争，还可以在Ｂｓ上对所有系统资
源的调度和分配进行集中控制。
对于宽带无线接入系统而言，这
种媒体访问机制兼顾了灵活性和公
平性，每个ｓＳ都有机会发送数据，避
免了长期竞争不到信道的现象出现；
其次，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流传输；再
次，这种机制便于进行ＱｏＳ、业务优先
级以及带宽等方面的控制【３ｌ。
５．３ＱｏＳ保证机制
ＷｉＭＡＸ是第一个提出在ＭＡＣ层
提供ＱｏＳ保证的无线接入标准。众所
周知，无线信道上多径、衰落等因素
的影响会导致较高的误码率和丢包
率，数据传输的可靠性和有效性难以
得到保障。为满足高速多媒体业务对
时延、带宽、丢失率等指标的更高要
求，ＷｉＭＡＸ的ＭＡＣ层定义了一系列严
格的ＱｏＳ控制机制，可以在无线接入
网部分为不同业务提供不同质量的
服务。同时，这种服务是面向连接的。
ＷｉＭＡＸ对ＱｏＳ的要求包括以下几
个方面…：
?配置和注册功能，用于预先配
置基于ＳＳ的ＱｏＳ服务流和业务参数；
?信令交换功能，用于动态建立
支持Ｑｏｓ的服务流和业务参数；
?对上行服务流，使用ＭＡＣ调度
万方数据
万方数据
万方数据
器。定时器每次超时，Ｂｓ将对Ｓｓ进行上行带宽授权。以便ｓｓ发送数据或进行测距。ＢＳ每次对ｓｓ进行单播授权时，定时器被复位。因此，只要ｓｓ保持激活状态。Ｂｓ就不需要专门为ＳＳ分配用于测距的带宽。
?针对每次上行带宽授权后ＳＳ发送的信号，Ｂｓ对接收信号的质量进行判定。如果信号质量低于Ｂｓ可接受的门限，Ｂｓ发送ＲＮＧ—ＲＳＰ（Ｃｏｎｔｉｎｕｅ）消息，其中可能包含校正信息；如果信号质量高于门限，ＢＳ发送ＲＮＧ－ＲＳＰ（Ｓｕｃｃｅｓｓ）消息，其中也可能包含校正信息；如果发送多次校正信息之后ｓｓ的信号质量仍然无法接受，Ｂｓ发送ＲＮＧ－－ＲＳＰ（Ａｂｏｒｔ）消息并终止对相关ｓｓ的链路管理。
?ＳＳ对收到的每条ＲＮＧ—ＲＳＰ消息进行处理：当消息状态为Ｃｏｎｔｉｎｕｅ时根据校正信息对物理层进行调整；当消息状态为Ａｂｏｒｔ时仲新初始化ＭＡＣ层。如果无法进行校正．ＳＳ会在下一次数据授权或测距机会中发送ＲＮＧ—ＲＥＱ消息，报告异常状态。
基于ＯＦＤＭＡ物理层的上行链路测距与上述处理过程有所不同。需要测距的ｓｓ从周期性测距码子集中随机选择一个测距码在测距子信道的一个时隙上发送测距请求。此时，控制测距周期的将是ｓＳ而不是Ｂｓ。Ｓｓ周期性地发送测距请求，并根据Ｂｓ的响应进行相应的调整。
５．５网络接入与初始化
按照协议规定，ｓｓ接入网络及初始化的过程分以下步骤进行：
（１）扫描频率列表，搜索有效的下行信号，建立与Ｂｓ的物理层同步。
（２）获取下行链路参数ＤＬ－－ＭＡＰ和ＤＣＤ，实现ＭＡＣ层的同步。然后等待ＢＳ周期性广播的ＵＣＤ消息，获取可用上行链路的传输参数集，并确定一个合适的上行信道。
ｆ３）进行初始测距和自动调整。Ｂｓ在每个上行子帧的开头提供了一个竞争周期，其中包含初始测距时
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间。Ｓｓ通过扫描ＵＬ－ＭＡＰ消息确定初
始测距周期之后，以竞争的方式发送
ＲＮＧ—ＲＥＱ请求。Ｂｓ通过返回
ＲＮＧ—ＲＳＰ消息为Ｓｓ分配基本管理连
接和主管理连接ＣＩＤ，同时提供定时
偏移校正、频率偏移校正和功率调整
信息。之后，ｓｓ通过基本连接继续与
Ｂｓ进行测距请求／响应的交互，并相
应地调整物理层参数，直至ＲＮＧ－ＲＳＰ
返回Ｓｕｃｃｅｓｓ状态。另外。如５．３．２节所
述，基于ＯＦＤＭＡ物理层的初始测距将
不是在竞争周期内发送测距请求，而
是通过专门的测距子信道进行。
（４）ＢＳ和ｓＳ相继进行基本能力协
商、认证与密钥交换、ｓｓ向Ｂｓ注册、建
立ＩＰ连接、确立时间和日期、向ＳＳ传
送运行参数、建立业务连接等处理。
５．６切换
当移动用户站（ＭＳ）在运动中离开
原ＢＳ的覆盖范围或者其他ＢＳ可以提
供质量更好的服务时，需要执行切换
（ＨＯ）流程。通过ＢＳ广播的网络拓扑消
息，ＭＳ可以获得相邻小区的ＤＣＤ／ＵＣＤ
信息。ＢＳ还能为ＭＳ分配扫描周期以
对邻近的基站进行扫描和测距，评估
其物理层信道质量，为可能进行的切
换确定寻找潜在的目标ＢＳ。实际的切
换流程可以由ＭＳ发起也可以由ＢＳ发
起，该切换属于硬切换。此外，ＩＥＥＥ
８０２．１６ｅ定义了两种可选的切换模式：
宏分集切换（ＭＤＨＯ）和快速Ｂｓ切换
（ＦＢＳＳ）。ＭＤＨＯ允许ＭＳ同时与多个Ｂｓ
通信，以获得分集增益，提高链路质
量。在ＦＢＳＳ中，ＭＳ无需执行常规切换
过程，就可以实现在一个Ｂｓ集合中任
意两个ＢＳ间的快速切换。
５．７休眠模式和空闲模式
在移动环境下，为降低ＭＳ功率消
耗和减少对Ｂｓ空中接口资源的使用。
ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ协议增加了两种终端管
理模式：即休眠模式和空闲模式。
休眠模式是ＭＳ在预先协商的指
定时间内暂时中止当前Ｂｓ服务的一
种状态。支持休眠模式的ＭＳ状态分
为可用周期和不可用周期。可用周期
内，ＭＳ在下行链路上正常进行接收。
不可用周期是ＭＳ所有业务连接休眠
时间的交集，此时ＢＳ不向ＭＳ发送数
据。ＭＳ可以关闭某些物理组件或执
行其他无需与当前Ｂｓ通信的操作，例
如扫描相邻ＢＳ。对处于休眠模式的
ｓｓ，Ｂｓ可以缓存或丢弃发往该ｓｓ的数
据包。
空闲模式允许无业务的ＭＳ只在
离散的间隔内周期性地接收下行广
播消息。此时，ＭＳ在穿越多个Ｂｓ的移
动过程中，不需要进行切换和其它常
规操作，因此可以比休眠模式更为省
电。在该模式中。多个Ｂｓ构成一个寻
呼组，划分的原则是大多数时候能保
持ＭＳ在一个寻呼组内移动。如果某
个ＭＳ处于空闲模式时有新的业务到
达，寻呼组内的所有ＢＳ都会发送寻呼
广播消息，提示ＭＳ退出空闲模式，重
新进入网络并接收数据。另外，ＢＳ也
可以通过广播消息轮询或要求某个
空闲模式下的ＭＳ更新位置信息。
（待续）
收稿日期：２００８—０１—１９
刘丹谱，北京邮电大学教
授。博士毕业于北京邮电大
学。主要研究方向包括宽带
无线通信技术、ＭＩ—
ＭＯ／ＯＦＤＭ、超宽带无线通
信系统物理层与ＭＡＣ技术。
发表论文三十余篇。
郝建军．北京邮电大学副教
授。北京邮电大学在读博
士。主要研究方向包括协同
通信、认知无线电技术等。
发表论文十余篇。
乐光新。北京邮电大学教
授、博士生导师。主要研究
方向包括宽带无线通信与
无线ＩＰ网等。已发表论文百
余篇。
中兴通讯技术５７
ｉｉ忑面矿可五百１ｉｉ誓舢年４月第１４卷第２窟
万方数据
WiMAX宽带无线接入技术及其应用
作者：刘丹谱， 郝建军， 乐光新
作者单位：北京邮电大学,北京,100876
刊名：
中兴通讯技术
英文刊名：ZTE COMMUNICATIONS
年，卷(期)：2008,14(2)
被引用次数：3次
引证文献(3条)
1.邢淑琴论未来通信技术和广播电视的融合[期刊论文]-中国科技财富 2010(24)
2.郎为民WiMAX技术讲座第3讲 WiMAX MAC层简介[期刊论文]-中国新通信 2009(5)
3.郭蓉现代通信技术分析及展望[期刊论文]-科技信息（学术版） 2008(34)
本文链接：https://www.360docs.net/doc/8618353026.html,/Periodical_zxtxjs200802012.aspx