課程設計--寬帶無線城域網(wǎng)的設計

1、<p><b>　　1 前 言</b></p><p>　　隨著通信技術和新業(yè)務的部署，市場與技術的相互作用，未來通信領域一些新的特點逐漸顯現(xiàn)出來。一方面，傳統(tǒng)寬帶 固定接人用戶已經(jīng)不能滿足于僅僅在家庭和辦公室等固定環(huán)境內(nèi)使用寬帶業(yè)務，希望使用寬帶接入移動服務。另一方面，傳統(tǒng)的移動用戶也不能滿足于簡單的語音、 短信和低速數(shù)據(jù)業(yè)務，希望能使用更高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務。用戶需求的變化使固定寬

2、帶接人服務和移動服務在技術和業(yè)務上呈現(xiàn)融合的趨勢，寬帶移動化和移動寬帶化 也逐漸成為兩個領域技術發(fā)展的方向，并互為補充、互相促進。在移動寬帶化方面，3GPP/3GPP2已經(jīng)制定了1xEV-DO，HSDPA/HSUPA等技術標準，在移動環(huán)境下實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在寬帶移動化方面，IEEE802工作組先后制定了WLAN和WiMAX等技術規(guī)范，意圖能沿著固定、游牧/便攜、移動這樣的演進路線逐步實現(xiàn)寬帶移動化，其中IEEE 802.16WiMAX

3、是寬帶移動的重要里程碑，促進了移動寬帶的演進和發(fā)展。</p><p>　　1.1 WiMAX產(chǎn)業(yè)鏈與商業(yè)化狀況</p><p>　　WiMAX 是IEEE802.16技術在市場推廣方面采用的名稱，其物理層和MAC層技術基于在1EEE802.16工作組中開發(fā)的無線城域網(wǎng)（WMAN）技 術，WiMAX也是IEEE802.16d/e技術的別稱。802.16d的商用或試驗大都基于3.5GHz頻段，

4、規(guī)模較小。802.16e設備的正式認 證工作還未開始，但是已有少數(shù)大型運營企業(yè)開始提供商用業(yè)務，如韓國SKT公司，美國的sprint公司準備2008年中開始推出移動WiMAX業(yè)務。</p><p>　　1.2 WiMAX產(chǎn)業(yè)鏈向移動WiMAX傾斜趨勢明顯 </p><p>　　WiMAX 的整個產(chǎn)業(yè)鏈在近兩年迅速成長，WiMAX論壇成員數(shù)量從2004年初的46家增長到現(xiàn)在的400余家

5、。其中，35％為業(yè)務提供商，20％以上為系統(tǒng)廠家 和20％左右為芯片廠家。這些成員大多數(shù)都對移動WiMAX非常感興趣。在Intel，三星，摩托羅拉等主要廠家的大力推動下，移動WiMAX的芯片已經(jīng) 基本準備就緒，基站和終端設備也在加緊研發(fā)，移動WiMAX的整個產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本成熟。2007年底經(jīng)過認證的設備可以正式上市后，預計2008年移動 WiMAX市場將全面啟動。從WiMAX產(chǎn)業(yè)自身來看，全球的大型電信設備廠家更加傾向于研發(fā)802.16

6、e設備。國內(nèi)尤其是中興、華為等公司已經(jīng)基本放棄了原來研發(fā)固定WiMAX設備的計劃。</p><p>　　1.3 WiMAX寬帶移動技術的主要應用場景</p><p>　　1.3.1 固定應用場景：</p><p>　　固定接人業(yè)務是802.16運營網(wǎng)絡中最基本的業(yè)務模型，包括用戶因特網(wǎng)接入、傳輸承載業(yè)務及Wi-Fi 熱點回程等。</p><p&

7、gt;　　1.3.2 游牧應用場景</p><p>　　游牧式業(yè)務是固定接人方式發(fā)展的下一個階段。終端可以從不同的接人點接入到一個運營商的網(wǎng)絡中。在每次會話連接中，用戶終端只能進行站點式的接入；在兩次不同網(wǎng)絡的接人中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將不被保留。在游牧式及其以后的應用場景中均支持漫游，并應具備終端電源管理功能。</p><p>　　1.2.3 便攜應用場景</p><p&

8、gt;　　在這一場景下，用戶可以步行連接到網(wǎng)絡，除了進行小區(qū)切換外，連接不會發(fā)生中斷。便攜式業(yè)務在游牧式業(yè)務的基礎上進行了發(fā)展，從這個階段開始，終端可以在不 同的基站之間進行切換。當終端靜止不動時，便攜式業(yè)務的應用模型與固定式業(yè)務和游牧式業(yè)務相同。當終端進行切換時，用戶將經(jīng)歷短時間（最長為2s）的業(yè)務 中斷或者感到一些延遲。切換過程結(jié)束后，TCP/IP應用對當前IP地址進行刷新，或者重建 IP地址。</p><p&g

9、t;　　1.3.4 簡單移動應用場景</p><p>　　在這一場景下，用戶在使用寬帶無線接入業(yè)務中能夠步行、駕駛或者乘坐公共汽車等，但當終端 移動速度達到60～120km/h時，數(shù)據(jù)傳輸速度將有所下降。這是能夠在相鄰基站之間切換的第一個場景。在切換過程中，數(shù)據(jù)包的丟失將控制在一定范圍， 最差的情況下，TCP/IP會話不中斷，但應用層業(yè)務可能有一定的中斷。切換完成后，QoS將重建到初始級別。簡單移動和全移動網(wǎng)絡

10、需要支持休眠模式、空 閑模式和尋呼模式。移動數(shù)據(jù)業(yè)務是移動場景（包括簡單移動和全移動）的主要應用，包括目前被業(yè)界廣泛看好的移動 E、mail、流媒體、可視電話、移動游戲、移動VolP （MVolP）等業(yè)務，同時它們也是占用無線資源較多的業(yè)務。</p><p>　　1.3.5 全移動應用場景</p><p>　　在這一場景下，用戶可以在移動速度為120km/h 甚至更高的情況下無中斷地使

11、用寬帶無線接入業(yè)務當沒有網(wǎng)絡連接時，用戶終端模塊將處于低功耗模式。</p><p><b>　　1.4 小結(jié)</b></p><p>　　WiMAX技術 在數(shù)據(jù)帶寬支持能力上的優(yōu)勢是各方都承認的，但是否能夠提供一些特色業(yè)務，目前各方都在探索中。目前，從韓國的發(fā)展來看，WiBro的建網(wǎng)成本與3G系統(tǒng) 相當，但由于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量較大，因此相同容量下用戶的成本則較低。由于缺

12、乏特色業(yè)務，WiBro相對于3G的高速承載能力的優(yōu)勢，目前只體現(xiàn)在低成本的 用戶接入和更高的接入帶寬上，在業(yè)務類型上還沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢。由于目前終端類型、網(wǎng)絡成熟度的限制，WiMAX初期還是作為無線接人的方式來使用，并不能 提供比3G系統(tǒng)更多的業(yè)務和應用，也就是說，WiMAX是否真正具有生命力還有待市場的進一步檢驗。</p><p><b>　　2 總體方案設計</b></p>

13、<p>　　2.1各種網(wǎng)絡技術介紹</p><p>　　2.1.1 WCDMA技術</p><p>　　WCDMA 是英文Wideband Code Division Multiple Access（寬帶碼分多址）的英文簡稱，是一種第三代無線通訊技術。W-CDMAWideband CDMA 是一種由3GPP具體制定的，基于GSM MAP核心網(wǎng)，UTRAN（UMTS陸地無線接入網(wǎng)

14、）為無線接口的第三代移動通信系統(tǒng)。目前WCDMA有Release 99、Release 4、Release 5、Release6等版本。目前中國聯(lián)通采用的此種3G通訊標準W-CDMA（寬帶碼分多址）是一個ITU(國際電信聯(lián)盟)標準，它是從碼寬帶碼分多址。</p><p>　　圖2.1WCDMA技術的網(wǎng)絡結(jié)構</p><p>　　WCDMA（寬帶碼分多址）以其技術優(yōu)勢成為3G的主流技術之一，

15、并且就目前看來，將要采用WCDMA技術作為第三代通信標準的國家是最多的。HSDPA/HSUPA（高速下行／上行分組接入）技術是WCDMA的增強版，可以提供更高的鏈路傳輸能力。</p><p>　　2.1.2 Wi-Fi技術</p><p>　　全稱Wireless Fidelity，又稱802.11b標準，它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高，可以達到11Mbps，另外它的有效距離也很長，同時也與

16、已有的各種802.11 DSSS設備兼容。今夏最流行的筆記本電腦技術——迅馳技術就是基于該標準的。IEEE（［美國］電子和電器工程師協(xié)會）802.11b無線網(wǎng)絡規(guī)范是IEEE 802.11網(wǎng)絡規(guī)范的變種，最高帶寬為11 Mbps，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，帶寬的自動調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。其主要特性為：速度快，可靠性高，在開放性區(qū)域，通訊距離可達305米，在封閉性區(qū)域

17、，通訊距離為76米到122米，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡整合，組網(wǎng)的成本更低。Wi-FiWirelessFidelity，無線保真，技術與藍牙技術一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。</p><p>　　WIFI突出優(yōu)勢：其一，無線電波的覆蓋范圍廣，基于藍牙技術的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有50英尺左右約合15米，而Wi-Fi的半徑則可達300英尺左右約合100米，辦公室自不用說，就是在整棟大樓

18、中也可使用。最近，由Vivato公司推出的一款新型交換機。據(jù)悉，該款產(chǎn)品能夠把目前Wi-Fi無線網(wǎng)絡300英尺接近100米的通信距離擴大到4英里約6.5公里。其二，雖然由Wi-Fi技術傳輸?shù)臒o線通信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性能比藍牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待改進，但傳輸速度非?？?，可達11mbps，符合個人和社會信息化的需求。其三，廠商進入該領域的門檻比較低。廠商只要在機場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設置“熱點”，并通過高速線路將

19、因特網(wǎng)接入上述場所。這樣，由于“熱點”所發(fā)射出的電波可以達到距接入點半徑數(shù)十米至100米的地方，用戶只要將支持無線LAN的筆記本電腦或PDA拿到該區(qū)域內(nèi)，即可高速接入因特網(wǎng)。也就是說，廠商不用耗費資金來進行網(wǎng)絡布線接入，從而節(jié)省了大量的成本。</p><p>　　不足之處：目前使用的IP無線網(wǎng)絡，存在一些不足之處，如帶寬不高、覆蓋半徑小、切換時間長等，使得其不能很好地支持移動VoIP等實時性要求高的應用；并且無線

20、網(wǎng)絡系統(tǒng)對上層業(yè)務開發(fā)不開放，使得適合IP移動環(huán)境的業(yè)務難以開發(fā)。此前定位于家庭用戶的WLAN產(chǎn)品在很多地方不能滿足運營商在網(wǎng)絡運營、維護上的要求。</p><p>　　2.1.3 WiMax技術</p><p>　　圖2.2WiMax技術的一般構架</p><p>　　WiMAX是全球微波接入互通 (Worldwide Interoperability forMi

21、crowave Access)的簡稱，是一種關于標準的技術，可以替代現(xiàn)有的有線和DSL連接方式，提供固定、移動、便攜形式的無線寬帶連接，并最終能夠在不需要直接視距基站的情況下提供最后一英里的無線寬帶接入。WiMAX技術的出現(xiàn)，彌補了Wi-Fi傳輸距離短的缺陷，同Wi-F一樣，它也須要創(chuàng)建一個“熱點”，但同Wi-Fi相比，WiMAX的覆蓋范圍要大得多，其最大傳輸速度75Mbps、最大傳輸距離可達50公里，可高速實現(xiàn)遠距離傳輸。對于須要隨時

22、隨地高速接入互聯(lián)網(wǎng)的朋友，WiMAX無疑是一種很好的技術解決方案。該技術以IEEE 802.16 的系列寬頻無線標準為基礎。一如當年對提升802.11使用率有功的Wi-Fi 聯(lián)盟，WiMAX 也成立了論壇，將提高大眾對寬頻潛力的認識，并力促供應商解決設備兼容問題，借此加速WiMAX 技術的使用率，讓WiMAX 技術成為業(yè)界使用IEEE 802.16 系列寬頻無線設備的標準。雖然WiMAX 無法另辟新的市場﹙目前市面已有多種寬頻無在線網(wǎng)方

23、式﹚，但是有助于統(tǒng)一技術</p><p>　　WIMAX四大優(yōu)勢：優(yōu)勢之一，實現(xiàn)更遠的傳輸距離。WiMax所能實現(xiàn)的50公里的無線信號傳輸距離是無線局域網(wǎng)所不能比擬的，網(wǎng)絡覆蓋面積是3G發(fā)射塔的10倍，只要少數(shù)基站建設就能實現(xiàn)全城覆蓋，這樣就使得無線網(wǎng)絡應用的范圍大大擴展。 優(yōu)勢之二，提供更高速的寬帶接入。據(jù)悉，WiMax所能提供的最高接入速度是70M，這個速度是3G所能提供的寬帶速度的30倍。對無線網(wǎng)絡來說，這

24、的確是一個驚人的進步。 優(yōu)勢之三，提供優(yōu)良的最后一公里網(wǎng)絡接入服務。作為一種無線城域網(wǎng)技術，它可以將Wi－Fi熱點連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可作為DSL等有線接入方式的無線擴展，實現(xiàn)最后一公里的寬帶接入。WiMax可為50公里線性區(qū)域內(nèi)提供服務，用戶無需線纜即可與基站建立寬帶連接。優(yōu)勢之四，提供多媒體通信服務。由于WiMax較之Wi－Fi具有更好的可擴展性和安全性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)電信級的多媒體通信服務。</p><p>&l

25、t;b>　　2.2 方案選擇</b></p><p>　　綜合上述各個技術的優(yōu)缺點比較，最終因為WiMax的優(yōu)勢和實用性，從而選擇以WIMax來構建所需的城域網(wǎng)系統(tǒng)。</p><p><b>　　3 總體方案設計</b></p><p>　　圖3.1 WiMax的系統(tǒng)結(jié)構</p><p>　　CPE：用

26、戶駐地設備，屬于用戶的設備，比如PC機或者電話等。通過SS連接到業(yè)務提供商網(wǎng)絡或核心網(wǎng)絡。</p><p>　　SS／RT：也就是遠程終端。該設備提供R．F接口連接到BS，同時提供本地接口連接到CPE。對于CPE而言，SS可以被看作是一個接入設備或者是網(wǎng)關。SS通常采用固定天線。</p><p>　　BS：對于用戶來講，這是無線鏈路的終點。從數(shù)據(jù)業(yè)務角度講，BS用于在核心網(wǎng)絡和SS之間交換

27、口包。為了實現(xiàn)這一功能，它需要維護遠程終端的路由表。對上行數(shù)據(jù)包，BS要匯聚語音包和IP數(shù)據(jù)包到WAN接口。需要根據(jù)不同的業(yè)務類型實現(xiàn)QoS機制。BS通常采用扇形／定向天線或全向天線。</p><p>　　3.1各單元模塊功能介紹及核心技術介紹</p><p>　　WiMax的MAC層采用高性能的MCU實現(xiàn)，PHY層采用高處理速率的DSP實現(xiàn)，空中接口采用RF單元實現(xiàn)。如圖3-2所示<

28、;/p><p>　　圖3.2 系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　3.1.1 BS設備</p><p>　　MCU: 用于完成WiMax MAC協(xié)議棧及其上層協(xié)議的處理。應該采用高性能的芯片，比如主頻應該高于1．2GHz．。向上MCU應該提供以太網(wǎng)接口(包括業(yè)務口和調(diào)試口)MII／RMII與MAC／PHY轉(zhuǎn)換芯片(見圖中Ethemet PHY)連接，從而通過路由器連接

29、到骨干網(wǎng)或者Intemet上。向下MCU應該提供與DSP的接口，即MAC與PHY的接口，通常使用PCI總線接口，利用PCI DMA實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。此外，MCU還必須提供與FLASH和以太網(wǎng)控制器的接口，通常使用CPU總線(exp)接口。</p><p>　　DSP: 實現(xiàn)WiMax的物理層工作，通過PCI總線與MCU相連，通過EDMA工作方式完成與MCU之間的數(shù)據(jù)交互，應該有較快的數(shù)據(jù)處理能力。比如實現(xiàn)快速的

30、FFT／IFFT、CRC校驗、維特比編解碼、(de)puncture、交織和去交織、高階調(diào)制解調(diào)、物理信道傳送的符號．(如OFDM符號)的形成和分解。至少可以實現(xiàn)10ms幀的雙向通信，支持TDD和FDD的雙工模式選擇。</p><p>　　Ethemet PHY／Enet Debug(M-AC+PHY): 以太網(wǎng)芯片和以太網(wǎng)控制器。系統(tǒng)通過該芯片提供的網(wǎng)口連接到核心網(wǎng)絡或者用戶駐地網(wǎng)絡。其中Enet PITY&q

31、uot;通過MII／RMII接口連接到MCU。而EnetDebug通過CPU總線與MCU相連。</p><p>　　ABB&RF: 空中接口單元。BS透過該單元與SS建立無線通信信道。</p><p>　　SDRAM: 用作數(shù)據(jù)外部存儲器。主頻可以低于MCU的主頻，可以采用32bit存儲器或者其他。</p><p>　　E2PROM: 用于存放系統(tǒng)啟動時的基

32、本配置信息。通過12C總線連接到MCU。</p><p>　　FLASH: 用于存儲VxWorks操作系統(tǒng)和程序映象，引導系統(tǒng)。同時用于存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。通過CPU總線連接到MCU。</p><p>　　3.1.2 SS設備</p><p>　　如果是CPE或者非手持式終端，則MCU可以處理能力稍低，要求功耗比較低。硬件設計與BS相同。如果是手持終端，比如PDA和手

33、機，則需要另外提供多媒體接口、Voice接口、LCD接口、Keyboard接口等。硬件設計需要增加Voice、LCD、Keyboard。</p><p>　　3.2 WiMax關鍵技術介紹</p><p>　　WiMAX的關鍵技術--OFDM／OFDMA，HARQ，AMC，MIMO，QoS機制，睡眠模式，切換技術等等，下面來看下他們各自的優(yōu)勢和原理：</p><p>

34、;　　3.2.1 OFDM/OFDMA技術</p><p>　　OFDM（正交頻分復用）是一種高速傳輸技術，是未來無線寬帶接入系統(tǒng)／下一代蜂窩移動系統(tǒng)的關鍵技術之一，3GPP已將OFDM技術作為其LTE研究的主要候選技術。在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM技術為物理層技術，主要應用的方式有兩種：OFDM物理層和OFDMA物理層。無線城域網(wǎng)OFDM物理層采用OFDM調(diào)制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產(chǎn)生，為單一用

35、戶并行傳送數(shù)據(jù)流。支持TDD和FDD雙工方式，上行鏈路采用TDMA多址方式，下行鏈路采用TDM復用方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS自適應天線系統(tǒng)。無線城域網(wǎng)OFDMA物理層采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD雙工方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS。    OFDMA系統(tǒng)可以支持長度為2048、1024、512和128的FFT點數(shù)，通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的

36、調(diào)制及編碼方式以及以不同信號功率接入不同信道特征的用戶端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議（MAP）分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。雖然OFDM技術對相位噪聲非常敏感，但是標準定義了ScalableFFT，可以根據(jù)不同的</p><p>　　圖3.3 OFDM技術與傳統(tǒng)技術的比較</p><p>　　3.2.2 HARQ技術</p><p>

37、;　　HARQ，作為物理層前向糾錯和鏈路層自動沖傳相結(jié)合的差錯控制技術，提高了頻譜效率，明顯提高系統(tǒng)吞吐量，同時因為重傳可以帶來合并增益，所以間接擴大系統(tǒng)的覆蓋范圍。在16e的協(xié)議中雖然規(guī)定了信道編碼方式有卷積碼（CC）、卷積Turbo碼（CTC）和低密度校驗碼（LDPC）編碼，但是對于HARQ方式，根據(jù)目前的協(xié)議，16e中只支持CC和CTC的HARQ方式。具體規(guī)定為：在16e協(xié)議中，混合自動重傳要求（HARQ）方法在MAC部分是可選的

38、。    HARQ功能和相關參數(shù)是在網(wǎng)絡接入過程或重新接入過程中用消息SBC被確定和協(xié)商的。HARQ是基于每個連接的，它可以通過消息DSA／DSC確定每個服務流是否有HARQ的功能。     HARQ是將ARQ和FEC相結(jié)合的一種差錯控制方案。    ARQ具有高可靠性、低復雜度的特點，但它的效率低、時延大；FEC則有效性較高，但可靠性比AR

39、Q低，而且復雜度也較高；將二者結(jié)合起來，優(yōu)勢互補，就產(chǎn)生了混合型ARQ，即HARQ技術。    HARQ技術是在ARQ(自動重復請求)系統(tǒng)中嵌人一個FEC（前向信道糾錯編碼）子系統(tǒng)，發(fā)送端發(fā)送的碼不僅能檢錯，還具有</p><p>　　3.2.3 AMC技術</p><p>　　AMC在WiMAX的應用中有其特有的技術要求，由于AMC技術需要根據(jù)信道條件來

40、判斷將要采用的編碼方案和調(diào)制方案，所以AMC技術必須根據(jù)WiMAX的技術特征來實現(xiàn)AMC功能。與CDMA技術不同的是，由于WiMAX物理層采用的是OFDM技術，所以時延擴展、多普勒頻移、PAPR值、小區(qū)的干擾等對于OFDM解調(diào)性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用于調(diào)整系統(tǒng)編碼調(diào)制方式，達到系統(tǒng)瞬時最優(yōu)性能。    WiMAX標準定義了多種編碼調(diào)制模式，包括卷積編碼、分組Turbo編碼（可選

41、）、卷積Turbo碼（可選）、零咬尾卷積碼（ZeroTailbaitingCC）（可選）和LDPC（可選），并對應不同的碼率，主要有1/2、3/5、5/8、2/3、3/4、4/5、5/6等碼率。 </p><p>　　3.2.4 切換技術</p><p>　　802.16e標準規(guī)定了一種必選的切換模式，在協(xié)議中簡稱為HO（handover），實際上就是我們通常所說的硬切換。除此以外還提

42、供了兩種可選的切換模式：MDHO（宏分集切換）和FBSS（快速BS切換）。802.16e中規(guī)定必須支持的是硬切換，協(xié)議中稱為HO。移動臺可以通過當前的服務BS廣播的消息獲得相鄰小區(qū)的信息，或者通過請求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來對鄰近的基站進行掃描和測距的方式獲得相鄰小區(qū)信息，對其評估，尋找潛在的目標小區(qū)。    切換既可以由MS決策發(fā)起也可以由BS決策發(fā)起。在進行快速基站切換（FBSS）時，MS只與An

43、chorBS進行通信；所謂快速是指不用執(zhí)行HO過程中的步驟就可以完成從一個AnchorBS到另一個AnchorBS的切換。支持FBSS對于MS和BS來說是可選的。進行宏分集切換（MDHO）時，MS可以同時在多個BS之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這樣可以獲得分集合并增益以改善信號質(zhì)量。支持MDHO對于MS和BS來說是可選的。</p><p>　　3.2.5 睡眠模式</p><p>　　802.16

44、e協(xié)議為了適應移動通信系統(tǒng)的特點，增加了終端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于減少MS的能量消耗并降低對ServingBS空中資源的使用。Sleep模式是MS在預先協(xié)商的指定周期內(nèi)暫時中止ServingBS服務的一種狀態(tài)。從ServingBS的角度觀察，處于這種狀態(tài)下的MS處于不可用（unavailability）狀態(tài)。Idle模式為MS提供了一種比Sleep模式更為省電的工作模式，在進入Idle模式后，M

45、S只是在離散的間隔，周期性地接收下行廣播數(shù)據(jù)（包括尋呼消息和MBS業(yè)務），并且在穿越多個BS的移動過程中，不需要進行切換和網(wǎng)絡重新進入的過程。    Idle模式與Sleep模式的區(qū)別在于：Idle模式下MS沒有任何連接，包括管理連接，而Sleep模式下MS有管理連接，也可能存在業(yè)務連接；Idle模式下MS跨越BS時不需要進行切換，Sleep模式下MS跨越BS需要進行切換，所以Idle模式下MS和基站的開

46、銷都比Sleep??；Idle模式下MS定期向系統(tǒng)登記位置，Sleep模式下MS始終和基站保持聯(lián)系，不用登記。</p><p><b>　　4軟件設計</b></p><p>　　基站和用戶站的軟件體系結(jié)構基本相同，如下圖所示：</p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　PHY：硬件支持的符合802

47、．16d標準的0FDMA物理層。</p><p>　　BSP：提供bootloader和各種驅(qū)動，負責目標板啟動。同時提供MAC和PHY的接口。</p><p>　　MAC：符合802．16d標準的MAC層。</p><p>　　NetWork：提供到外網(wǎng)的接口，現(xiàn)各種協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。</p><p>　　NMS：網(wǎng)管系統(tǒng)，802.6F MIB

48、庫為基礎實現(xiàn)基于Manager/gent的</p><p>　　WiMax網(wǎng)管系統(tǒng)。</p><p><b>　　5網(wǎng)絡規(guī)劃</b></p><p>　　5.1無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡的結(jié)構類型</p><p>　　5.1.1 架構/骨干式WMN（Infrastructure/backbone WMN）</p><

49、;p>　　在這種結(jié)構中，mesh路由器構成mesh網(wǎng)絡的主干，mesh客戶通過mesh路由器接入WMN，部分mesh路由器作為網(wǎng)關與其它類型的網(wǎng)絡連接（包括接入因特網(wǎng)），如圖5.2所示。除最常見的IEEE 802.11以外，mesh主干也可以使用其它無線技術建立。使用以太網(wǎng)接口的用戶可通過以太網(wǎng)鏈路連接到mesh路由器，與mesh路由器具有相同無線接口的用戶可直接連接到mesh路由器，使用不同無線接口的用戶首先接入各自的基站，這些

50、基站通過以太網(wǎng)鏈路連接到mesh路由器。</p><p>　　5.1.2對等式WMN（Client WMN）</p><p>　　這種結(jié)構僅由mesh客戶組成，如圖4.1所示。所有mesh客戶通過無線鏈路形成對等網(wǎng)絡，每個mesh客戶要執(zhí)行路由及配置功能，并向客戶提供終端應用。由于節(jié)點不需要具有網(wǎng)關或中繼功能，所以不需要Mesh路由器。對等式WMN通常使用一種類型的無線技術，因此實際上和常

51、規(guī)移動自組網(wǎng)是一樣的。相比于架構式WMN中的mesh客戶，對等式WMN中的mesh客戶需要更強的功能。</p><p>　　圖5.1對等式WMN</p><p>　　5.1.3 混合式WMN（Hybrid WMN）</p><p>　　這種結(jié)構是架構式WMN和對等式WMN的結(jié)合，mesh客戶可以通過mesh路由器或其它mesh客戶接入網(wǎng)絡，如圖4.3所示。在這種結(jié)構

52、中，mesh主干提供了到其它網(wǎng)絡（如因特網(wǎng)、Wi-Fi、WiMax、蜂窩網(wǎng)絡及無線傳感器網(wǎng)絡）的連接，而mesh客戶在WMN內(nèi)部進一步改進了連接性和覆蓋性。</p><p>　　圖5.2 架構/骨干式WMN</p><p>　　圖5.3 混合結(jié)構的WMN</p><p>　　WMN的特性概括如下（由于混合式WMN具有WMN的全部優(yōu)點，因此這里考慮的是混合式WMN）：

53、</p><p>　　WMN支持自組織組網(wǎng)，具有自形成、自愈合和自組織的能力。</p><p>　　WMN雖說是一種多跳無線網(wǎng)絡，但它有一個無線骨干。</p><p>　　Mesh路由器較少移動且專門執(zhí)行路由與配置功能，從而大大減輕了mesh客戶與其它終端節(jié)點的負擔。</p><p>　　通過無線骨干很容易支持終端節(jié)點的移動。</p&g

54、t;<p>　　Mesh路由器可集成包括有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡在內(nèi)的異構網(wǎng)絡，因此WMN可支持多種類型的網(wǎng)絡接入。</p><p>　　Mesh路由器和mesh客戶具有不同的電源使用限制，mesh路由器通常不移動且有持久的電源供應，而mesh客戶則一般是移動的且由電池供電。</p><p>　　WMN并不是獨立運行的，需要與其它無線網(wǎng)絡相兼容和互操作。</p>&l

55、t;p>　　因此，WMN并不僅僅是另一種類型的移動自組網(wǎng)，與常規(guī)移動自組網(wǎng)相比增加了很多功能，而實現(xiàn)這些新的功能需要新的算法和設計。</p><p>　　5.2一個架構式mesh網(wǎng)絡的實例</p><p>　　5.2.1 網(wǎng)絡結(jié)構</p><p>　　描述了一個可自配置的、安全的架構式mesh網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)。其設計稱為MeshCluster，如圖5.4所示

56、。</p><p>　　圖5.4 MeshCluster參考結(jié)構</p><p>　　MeshCluster架構由中繼節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點兩種網(wǎng)絡節(jié)點組成，中繼節(jié)點是支持接入和中繼兩種無線網(wǎng)絡接口的多射頻系統(tǒng)（有多個射頻電臺，支持不同的無線技術），而網(wǎng)關節(jié)點支持中繼和因特網(wǎng)回程（back-haul，up-link）接口。端用戶移動節(jié)點（Mobile Node，MN）使用接入接口接入網(wǎng)絡。中繼接

57、口用于在中繼節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點之間構造一個自配置的包轉(zhuǎn)發(fā)骨干。接入鏈路可以基于3G或802.11，中繼鏈路可以基于802.16或802.11。</p><p>　　網(wǎng)關通過有線（以太網(wǎng)）或無線（如802.16）上行鏈路連接到因特網(wǎng)。中繼節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點的放置取決于部署的場景。比如，向端用戶提供寬帶接入的城域網(wǎng)，中繼節(jié)點可以安放在電桿上，網(wǎng)關節(jié)點放置在市區(qū)的數(shù)據(jù)中心。建筑物（如會議中心、博物館）內(nèi)的mesh網(wǎng)絡可以采用類

58、似的放置方法。在以上場景中，中繼節(jié)點是固定的。在為災難恢復、戶外事件而臨時建立的mesh網(wǎng)絡中，中繼節(jié)點可以任意放置且是準靜態(tài)的。在軍事應用中，汽車里的戰(zhàn)士使用中繼節(jié)點通過遠程網(wǎng)關節(jié)點與指揮控制中心通信，中繼節(jié)點的移動性可能很大。</p><p>　　5.2.2 自動配置</p><p>　　有一個MeshCluster-Manager實體（可以和網(wǎng)關放在一起），執(zhí)行管理和監(jiān)控功能，如為

59、接入鏈路和中繼鏈路分配頻率和功率、平衡中繼簇的負載、支持移動和鑒別等。節(jié)點使用一個安全注冊和自動配置協(xié)議向MeshCluster-Manager注冊。</p><p>　　中繼節(jié)點啟動時初始化一個自動配置代理，該代理使用一個或多個中繼接口監(jiān)聽其所在區(qū)域中所有自組網(wǎng)的ESSID廣播。對于每一個ESSID廣播，代理首先發(fā)送BSSID廣播加入相應的自組網(wǎng)，然后從零配置地址空間169.254.*.*中選擇一個IP地址，加

60、入到中繼骨干中。中繼節(jié)點然后監(jiān)聽由已加入MeshCluster的中繼節(jié)點周期性接收和重廣播的網(wǎng)關通告消息，消息中包含了網(wǎng)關能力信息（如因特網(wǎng)回程鏈路速度）、中繼節(jié)點容量以及經(jīng)過該中繼節(jié)點的最佳路由等。代理與一個或多個選定的網(wǎng)關進行配置會話，網(wǎng)關的選擇可以按照距離最近（跳數(shù)最少）、負載最輕或容量最高等原則來選擇。</p><p>　　自動配置協(xié)議支持鑒別，代理可以使用安全信任狀（如數(shù)字證書或保存在節(jié)點防竄改硬件中的

61、對稱密鑰等）與網(wǎng)關進行相互鑒別。中繼節(jié)點向網(wǎng)關傳送自己的能力信息（如射頻接口的數(shù)量及類型）及觀察到的環(huán)境信息（如不同頻段上可見的鄰居、干擾等），這些信息對網(wǎng)關分配頻率非常有用。網(wǎng)關向中繼節(jié)點傳送配置參數(shù)，如接入的ESSID、中繼和接入接口上使用的頻率、功率水平、移動方法、編址方案、任何路徑特定信息等。配置會話結(jié)束后，釋放零配置地址，但安全參數(shù)保留以便用于將來的重配置。</p><p>　?。⊿SID是Servic

62、e Set Identifier的縮寫，意為服務集標識。SSID技術可將一個無線局域網(wǎng)分為幾個需要不同身份驗證的子網(wǎng)絡，每個子網(wǎng)絡都需要獨立的身份驗證，只有通過身份驗證的用戶才可以進入相應的子網(wǎng)絡，防止未被授權的用戶進入本網(wǎng)絡。SSID也可以寫成ESSID，用來區(qū)分不同的網(wǎng)絡。SSID通常由AP廣播出來，通過XP自帶的掃描功能可以查看當前區(qū)域內(nèi)的SSID。無線網(wǎng)卡設置了不同的SSID就可以進入不同網(wǎng)絡，只有設置了相同SSID的節(jié)點才能互

63、相通信。BSS是Basic Service Set的縮寫，是一種特殊的自組織局域網(wǎng)的應用，一群計算機設定相同的BSS名稱即可自成一個group，而此BSS名稱即為BSSID。</p><p>　　零配置聯(lián)網(wǎng)是IETF零配置工作組正在做的一項工作，希望能夠方便一群節(jié)點組網(wǎng)，實現(xiàn)：1）不需要DHCP服務器來分配IP地址；2）不需要DNS服務器進行域名和IP地址的轉(zhuǎn)換；3）不需要目錄服務器來搜索服務；4）不需要MADC

64、AP服務器來根本多播地址。</p><p>　　5.2.3 路由協(xié)議</p><p>　　路由協(xié)議采用增強的AODV，稱為AODV-ST（spanning tree）。AODV-ST是一種混合路由協(xié)議，它采用主動策略積極維護中繼節(jié)點到每個網(wǎng)關節(jié)點（常見的通信情形）的最佳路由，大大減小中繼節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點之間的路由發(fā)現(xiàn)延遲，而采用按需路由發(fā)現(xiàn)策略建立中繼節(jié)點之間（不常見的通信情形）的路由。圖

65、4.5是有7個中繼節(jié)點和兩個網(wǎng)關節(jié)點的簡單拓撲，以每個網(wǎng)關節(jié)點為根形成一棵最佳生成樹，中繼節(jié)點位于兩棵樹上，并選擇可獲得最佳性能（取決于所用的路由測度）的網(wǎng)關作為自己的缺省網(wǎng)關。</p><p>　　圖5.5 網(wǎng)關特定的生成樹</p><p>　　5.2.4關鍵設計要素</p><p>　　影響WMN性能的關鍵設計要素概括如下：</p><p&g

66、t;<b>　?。?）無線技術</b></p><p>　　近些年提出了多種提高無線系統(tǒng)容量及靈活性的方法，如有向和智能天線、多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)、多無線電/多信道系統(tǒng)等。為進一步提高無線通信的性能及高層協(xié)議對無線通信的控制能力，更先進的無線技術被應用到通信中，如可重配置無線電（reconfigurable radios）、頻率敏捷/認知無線電（frequency agile/cog

67、nitive radios）、軟件無線電（software radios）。盡管這些無線技術尚在發(fā)展初期，但由于它們突出的動態(tài)控制能力而被認為是未來無線網(wǎng)絡的平臺。這些先進的無線技術均要求高層協(xié)議進行革命性的設計，尤其是MAC層和路由協(xié)議。</p><p><b>　?。?）可擴放性</b></p><p>　　擴放性是對WMN的一個基本要求，否則當網(wǎng)絡規(guī)模增大時性能

68、會有極大下降，如路由協(xié)議可能找不到可靠的路徑、傳輸層協(xié)議可能丟失連接、MAC層協(xié)議可能導致嚴重的吞吐量下降等。為保證WMN的可擴放性，從MAC層到應用層的所有協(xié)議都必須是可擴放的。</p><p><b>　?。?）網(wǎng)狀連接</b></p><p>　　WMN的許多優(yōu)點來自于網(wǎng)狀連接。為確?？煽康木W(wǎng)狀連接，需要網(wǎng)絡自組織和拓撲控制算法。拓撲感知（topology aw

69、are）的MAC協(xié)議和路由協(xié)議能夠極大提高WMN的性能。</p><p><b>　?。?）寬帶和QoS</b></p><p>　　不同于常規(guī)的移動自組網(wǎng)，WMN的大多數(shù)應用是具有不同QoS要求的寬帶業(yè)務，因此除了端到端延遲和公平性之外，通信協(xié)議必須考慮更多的性能參數(shù)，如延遲抖動、集合吞吐量和每節(jié)點吞吐量、丟包率等。</p><p><

70、b>　　（5）安全</b></p><p>　　盡管近些年來針對無線局域網(wǎng)已經(jīng)提出了多種安全方案，但這些方案不能完全適用于WMN。比如，由于采用分布式系統(tǒng)架構，WMN中沒有一個集中式的認證權威可以分發(fā)公開密鑰。針對移動自組網(wǎng)而提出的安全方案可以用于WMN，但大多數(shù)這樣的安全方案還不夠成熟，而且由于移動自組網(wǎng)與WMN架構上的差異，這些方案應用到WMN中是低效的。</p><p&

71、gt;<b>　?。?）易于使用</b></p><p>　　所設計的協(xié)議必須使得網(wǎng)絡盡可能自治。除此之外，需要開發(fā)網(wǎng)絡管理工具來有效地維護WMN的運行、監(jiān)視WMN的性能、配置WMN的參數(shù)。這些管理工具以及網(wǎng)絡協(xié)議中的自治機制允許人們快速部署WMN。</p><p>　　（7）兼容性和互操作性</p><p>　　在WMN中，同時支持常規(guī)用戶和

72、mesh客戶是一個缺省的要求。因此，WMN需要向后兼容常規(guī)客戶節(jié)點，這要求mesh路由器能夠集成異構無線網(wǎng)絡。</p><p>　　6 網(wǎng)絡安全及管理措施</p><p><b>　?。?）移動管理</b></p><p>　　移動管理涉及mesh客戶在不同mesh路由器之間的切換、連接的遷移等。Mesh骨干的存在使得WMN的移動管理比一般的移

73、動自組網(wǎng)要簡單一些，但是如何充分利用mesh骨干來設計一個輕量級的分布式移動管理方案還需要進一步研究。移動管理與協(xié)議棧的多個層次都有關系，因此研究多層移動管理方法是又一個研究課題。</p><p>　　位置服務是WMN想要的一個特性，因為利用位置信息可以提高MAC協(xié)議和路由協(xié)議的性能，也能夠開發(fā)出很有前景的基于位置的應用。但有效的位置服務算法至今還是一個開放的研究課題。</p><p>&

74、lt;b>　?。?）功率管理</b></p><p>　　WMN的功率管理目標與網(wǎng)絡節(jié)點的類型有關。通常mesh路由器對于功率消耗沒有限制，功率管理的目的在于控制連通性、干擾、頻譜的空間重用和網(wǎng)絡拓撲，而mesh客戶則希望協(xié)議是功率有效的。因此，WMN很可能要求能夠同時優(yōu)化功率有效性和連通性的功率管理方案，這是一個復雜的問題。</p><p><b>　　（3）

75、網(wǎng)絡監(jiān)視</b></p><p>　　網(wǎng)絡監(jiān)視的任務是收集mesh節(jié)點的性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)，報告給一個或多個服務器，達到連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡性能的目的。為減少開銷，需要有效的傳輸網(wǎng)絡監(jiān)視數(shù)據(jù)的方法；另外，需要能夠準確檢測網(wǎng)絡異常和迅速獲得多跳mesh網(wǎng)絡拓撲的數(shù)據(jù)處理算法。</p><p>　　WiMax 與WiFi 從安全性的角度來說，實際上WiMax 使用的是與WiFi 的WPA2 標準

76、相似的認證與加密方法。其中的微小區(qū)別在于WiMax 的安全機制使用3DES 或AES 加密，然后再加上EAP，這種方法叫PKM—EAP．而另一方面WiFi 的WPA2 則是用典型的PEAP 認證與AES 加密。兩者的安全性都是可以保證的，因此在實際中網(wǎng)絡的安全性一般取決于實際組建方式的正確合理性。</p><p>　　WiMax 技術與802．16 標準是十分重要的，因為他是無線ISP 企業(yè)未來合理的演進方向。但

77、它不是無線網(wǎng)絡技術的終極解決方案。WiMax 或其他的無線網(wǎng)絡技術將會是互補的，同時這些無線技術也不可能取代有線技術的需求。</p><p><b>　　7總結(jié)與體會</b></p><p>　　兩周的課程設計使我們對WiMax寬帶無線城域網(wǎng)的設計有了進一步的了解，并增強了對計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)這門課程的興趣。在本次設計中，我們完成本課程設計的要求及功能。在課程設計開始前我

78、們對本課題進行了詳細的分析和做了許多的設計準備工作，查閱了許多相關方面的資料。通過本次課程設計，我們對WiMax寬帶無線網(wǎng)這門技術有了更深刻的認識，由于時間倉促和我們自身水平有限，本設計也只是完成了一些基本功能。</p><p>　　本設計講述了采用基于IEEE802.16標準的先進 WiMax 技術設計寬帶無線城域網(wǎng)的方法。設計中包含本課題的可行性分析，用戶需求分析，網(wǎng)絡規(guī)劃，設備選型，系統(tǒng)配置，網(wǎng)絡安全及管理

79、措施。根據(jù)實際問題繪制拓撲結(jié)構圖，清晰的描述接口，進行路由器或交換機的代碼配置實現(xiàn)。 </p><p>　　總體來說，這次課程設計我受益匪淺，培養(yǎng)了我的設計思維，在讓我體會到了設計網(wǎng)絡系統(tǒng)艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。</p><p><b>　　8 致謝</b></p><p>　　首先我要感謝電氣信息學院提供這次課程設計的機會，

80、讓我們可以鍛煉自己的設計思維能力，從實際的設計操作中更深刻的理解和熟悉在課堂上所學習的理論知識，為我們熟悉我們的專業(yè)相關技術知識提供了平臺。再次要感謝xx老師在這次課程設計中對我的悉心指導，沒有xx老師的指導，這次設計不可能順利的完成。</p><p>　　本次課程設計能夠順利完成，還得感謝參考書籍的作者們提供的相關資料及技術支持。</p><p><b>　　9 參考文獻<

81、;/b></p><p>　　[1] 寧蒙.《局域網(wǎng)組建與維護》. 北京：機械工業(yè)出版社， 2007.7</p><p>　　[2] 尹建璋.《局域網(wǎng)組建實例教程》.西安：西安電子科技大學出版社，2008.8</p><p>　　[3] 廖常武.《校園網(wǎng)組建》.北京：清華大學出版社，2005.11</p><p>　　[4] 劉正勇.《

82、校園網(wǎng)系統(tǒng)集成技術與應用》.北京：清華大學出版社，2002.6</p><p>　　[5] 董春慶《無線局域網(wǎng)技術應用[J]》.網(wǎng)絡世界，2007.6</p><p>　　[6]曾春亮等《WIMAX/802.16原理與應用》北京機械工業(yè)出片社，2006.10</p><p>　　[7]劉志華等《計算機網(wǎng)絡綜合實用教程》北京清華大學出版社，2001.6</p&g