论文部分内容阅读
摘要:IEEE 802.16标准是一种无线城域网技术,也称WiMAX标准,其技术的完善性对系统性能影响极大,是WiMAX系统商用的关键。该文讨论了WiMAX系统的一些关键技术,随着AMC、MIMO等新技术的应用,WiMAX系统将能支持更高的传输速率。
关键词:WiMAX;QoS;组网;安全
中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)22-6233-02
The Research of Wimax System Key Technologies
XING Chao, LI Xin
(College of Information Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)
Abstract: IEEE802.16 standard is the WMAN technology,also called WiMAX standard, the technology performance can affect the WiMAX system largely,and it is the key of the WiMAX system commercial. The paper discusse some key technologies of WiMAX system, with some new technologies used, for example AMC and MIMO, WiMAX system will be able to support the higher transmission speeds.
Key words: WiMAX; QoS; network organization; security
IEEE 802.16标准是一种无线城域网技术,主要定义了空中接口的媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY)的规范,由WiMAX论坛负责市场推广,该标准也称WiMAX标准。
与传统的宽带系统相比,WiMAX有三个发展阶段:固定接入阶段、游牧和便携式阶段和移动阶段,体现了宽带移动化,移动宽带化的趋势。近年来WiMAX发展很快,并成为3G标准之一,但其商用化进程还比较缓慢,一些技术问题仍需着重解决,这里从QoS、组网和安全性和与新技术结合等几方面进行讨论。
1 WiMAX系统的关键技术
IEEE 802.16的MAC层提供两种组网模式。一种是点到多点(PMP)模式,小区所有的SS间的通信都需要BS的调度。另一种是研究还不成熟的的网格状(Mesh)模式。以下是对IEEE 802.16在PMP模式下在QoS、组网、安全等内容的研究。
1.1 QoS机制
IEEE 802.16 MAC层是面向连接的协议,支持四种服务:主动授予服务(UGS)、实时轮询服务(rtPS)、非实时轮询服务(nrtPS)和尽力而为服务(BE),不同类型的业务具有不同的QoS参数,如延迟、抖动、吞吐量等。IEEE 802.16 QoS框架包括连接建立、带宽请求和带宽分配等,核心机制是在上行链路或下行链路进行数据传输时,通过MAC接口的数据包与由连接标识符(CID)标识的一个特定服务流相关联,使数据包获得该服务流的QoS支持。在每个连接的基础上,SS根据服务流的类别向BS请求带宽,不同的连接享受不同的服务质量。当创建一个新服务流或更改已有服务流参数时,该服务将发送请求消息给BS,由接纳控制模块批准该请求后,再根据请求消息中的参数值更改当前的调度参数。
IEEE 802.16 MAC层的带宽调度大都采用两层的调度架构,第一层调度是选择要服务的队列,第二层调度的工作是在确定该队列的调度策略,各种类型的服务流对带宽和时延的要求不一样,应针对不同的情况采用合适的调度算法,通过分层次的调度方式可以实现对不同服务流的QoS保障。
无线信道的容量具有随信道环境而改变的特点,因此有线网络的调度算法不能直接用于无线环境,WiMAX采用OFDM或OFDMA多载波调制技术,不同用户不同调制等级下的子载波数目是不同的,这和TDMA信道有很大差别,目前已有的无线资源调度算法也不能直接用于WiMAX系统,要对先有的调度算法进行修改才能适用于WiMAX系统。
1.2组网方式
频谱的可用性是无线技术应用的前提,作为3G标准之一的WiMAX可能会采用3.5GHz频段。组网时要考虑频率规划和终端计费认证,频率规划要考虑对用户速率、网络容量的影响,选择合适的频率复用机制可以减少系统间干扰,提高系统容量。WiMAX网络的认证计费方案在PPPoE、IEEE 802.1x、Web认证等方式中选择。
WiMAX系统的网络结构包括终端、接入网和核心网。IEEE 802.16没有定义WiMAX的核心网,WiMAX核心网要求能满足不同业务和应用的QoS需求,提供用户认证、漫游以及与其它网络核心网的互通。WiMAX固定应用模式采用符合IEEE802.16d标准的设备,网络可叠加在宽带城域网上,不支持小区间的数据切换。WiMAX可以充分利用已有无线网络的核心网,使用现有网络的AAA(认证,授权和计费)服务器和安全机制等,随着WiMAX网络的发展,将统一调度WiMAX系统和移动蜂窝网络的无线资源。
WiMAX系统与3G系统频谱分配很接近,在系统间的基站共站址的情况下,除原来系统内干扰外,还产生系统间干扰,采取以下措施可以降低这种干扰:衡量所有干扰因素后,决定基站需要移动的距离;采用频率复用技术;在不改变基站间距的条件下,增大最小耦合损耗,这相当于增加了保护间隔;采用附加滤波器和线性化功率放大器。
1.3 安全机制
IEEE802.16标准在MAC层中定义了一个安全子层,主要包括数据加密封装协议和密钥管理(PKM)协议,前者包括加密算法和加密算法在MAC PDU中的应用规则,后者包括用户公/私钥、授权密钥和会话密钥,采用X.509数字证书验证SS的身份和重认证机制等措施来有效阻止假冒SS的非法接入。
IEEE 802.16d安全机制存在的问题:SS不能识别认证消息是否来自合法的BS;身份验证只基于X.509证书,缺乏扩展性;缺乏组播密钥协商,授权和密钥协商请求由SS发起,可能带来DoS攻击。
IEEE 802.16e在安全方面做出的一些改进:
1) 用X.509证书标识基站的身份,基站和MS可以双向认证,在传递证书的消息里使用随机数字,防止重发攻击,基站的公/私钥进行数字签名。
2) 为适应不同场合,新采用的EAP认证框架在认证时可选择采用认证协议的类型。
3) 终端已从SS变为MS,安全部分引进预认证机制来支持切换,预认证只是进行简单的消息交换,有认证服务器完成密钥预分发的过程。
4) 考虑增加多播/组播业务的支持,IEEE 802.16e还借鉴了Wi-Fi等无线通信技术的一些安全机制。
IEEE 802.16e的安全子层还需对一些内容进行定义,如EAP认证框架只列了一些可用的认证方式,没做具体说明;MS接入控制的安全性等。
2 与WiMAX系统结合的新技术
目前业界采用一些先进技术如AMC、MIMO等技术与WiMAX系统结合,希望能提高系统性能,改善用户质量,这是下一步研究WiMAX的方向。
2.1 自适应调制编码
IEEE 802.16有QPSK、64QAM等调制方式,编码方式有卷积编码、卷积Turbo码(CTC)等。为支持数据高速率,WiMAX采用了自适应调制编码(AMC),是根据信道质量来调整编码速率来获得较高的吞吐量。WiMAX中的OFDMA子载波信道排列有相邻子载波排列和分布式子载波排列两种形式,WiMAX中的AMC是对这两种子信道进行信道质量估计,选择合适的调制编码方式,对信道质量估计有影响的因素主要是慢衰落和快衰落。
阴影效应产生的损耗属于慢衰落,在测量时延内,阴影衰落对信道的时间相关性影响较小,AMC可以获得较好的性能。快衰落主要有频率选择性衰落和时间选择性衰落,相邻子载波排列的信道中子载波是连续分配的,频率选择性衰落和时间选择性衰落都会影响AMC的效果。在分布式子载波排列的信道中,子载波有很好的抗频率选择性衰落的效果,AMC中信道的估计值与信道实际质量能较好符合。对时间选择性衰落,利用交织技术和较短的帧格式,会得到较好的AMC性能。
无线通信速率较低时,信道估计会比较准确,WiMAX系统中的AMC因此能获得较好效果。随着终端移动速度的增加,信道质量估计会跟不上信道的变化,在错误的信道测量下,AMC采用的调制编码方式与实际情况不一致,会对系统容量、误码率,吞吐量等性能指标带来很大的负面影响。
2.2 MIMO技术
MIMO技术是在发送端和接收端采用多天线传输无线信号的一种技术,属于智能天线的一种,工作原理是利用在空间中分布的多个天线将时域和空域结合起来进行信号处理,相比传统的单天线系统,MIMO技术能提高频谱利用率,在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。
IEEE 802.16e使用的频率较高,传播过程中损耗较大,会影响其网络覆盖能力,降低系统容量,采用MIMO技术能显著改善其系统性能:使用MIMO技术后系统容量随天线数目线性增长,这增强了WiMAX系统网络覆盖能力;与其他智能天线技术相比,MIMO天线安装和维护成本低;MIMO技术在发送端工作时可以不需要信道信息,适用于移动环境中信道估计复杂的情况。
3 结束语
在英特尔为首的厂商支持下,WiMAX已成为3G标准,在解决频率资源的问题后,WiMAX的技术成熟性成为其能否得到市场认可的关键。本文介绍了目前WiMAX在QoS、组网、干扰、安全等方面技术的研究现状,作为无线通信系统朝着宽带化、移动化和IP化发展的WiMAX系统随着技术的不断完善,一定能通过技术创新加快其商业化步伐。
参考文献:
[1] 马树皓,张春业.IEEE802.16中一种改进的跨层QoS调度架构设计[J].电气电子教学学报,2006(10):61-64.
[2] 彭木根,王文博.下一代宽带无线通信系统OFDM
关键词:WiMAX;QoS;组网;安全
中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)22-6233-02
The Research of Wimax System Key Technologies
XING Chao, LI Xin
(College of Information Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)
Abstract: IEEE802.16 standard is the WMAN technology,also called WiMAX standard, the technology performance can affect the WiMAX system largely,and it is the key of the WiMAX system commercial. The paper discusse some key technologies of WiMAX system, with some new technologies used, for example AMC and MIMO, WiMAX system will be able to support the higher transmission speeds.
Key words: WiMAX; QoS; network organization; security
IEEE 802.16标准是一种无线城域网技术,主要定义了空中接口的媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY)的规范,由WiMAX论坛负责市场推广,该标准也称WiMAX标准。
与传统的宽带系统相比,WiMAX有三个发展阶段:固定接入阶段、游牧和便携式阶段和移动阶段,体现了宽带移动化,移动宽带化的趋势。近年来WiMAX发展很快,并成为3G标准之一,但其商用化进程还比较缓慢,一些技术问题仍需着重解决,这里从QoS、组网和安全性和与新技术结合等几方面进行讨论。
1 WiMAX系统的关键技术
IEEE 802.16的MAC层提供两种组网模式。一种是点到多点(PMP)模式,小区所有的SS间的通信都需要BS的调度。另一种是研究还不成熟的的网格状(Mesh)模式。以下是对IEEE 802.16在PMP模式下在QoS、组网、安全等内容的研究。
1.1 QoS机制
IEEE 802.16 MAC层是面向连接的协议,支持四种服务:主动授予服务(UGS)、实时轮询服务(rtPS)、非实时轮询服务(nrtPS)和尽力而为服务(BE),不同类型的业务具有不同的QoS参数,如延迟、抖动、吞吐量等。IEEE 802.16 QoS框架包括连接建立、带宽请求和带宽分配等,核心机制是在上行链路或下行链路进行数据传输时,通过MAC接口的数据包与由连接标识符(CID)标识的一个特定服务流相关联,使数据包获得该服务流的QoS支持。在每个连接的基础上,SS根据服务流的类别向BS请求带宽,不同的连接享受不同的服务质量。当创建一个新服务流或更改已有服务流参数时,该服务将发送请求消息给BS,由接纳控制模块批准该请求后,再根据请求消息中的参数值更改当前的调度参数。
IEEE 802.16 MAC层的带宽调度大都采用两层的调度架构,第一层调度是选择要服务的队列,第二层调度的工作是在确定该队列的调度策略,各种类型的服务流对带宽和时延的要求不一样,应针对不同的情况采用合适的调度算法,通过分层次的调度方式可以实现对不同服务流的QoS保障。
无线信道的容量具有随信道环境而改变的特点,因此有线网络的调度算法不能直接用于无线环境,WiMAX采用OFDM或OFDMA多载波调制技术,不同用户不同调制等级下的子载波数目是不同的,这和TDMA信道有很大差别,目前已有的无线资源调度算法也不能直接用于WiMAX系统,要对先有的调度算法进行修改才能适用于WiMAX系统。
1.2组网方式
频谱的可用性是无线技术应用的前提,作为3G标准之一的WiMAX可能会采用3.5GHz频段。组网时要考虑频率规划和终端计费认证,频率规划要考虑对用户速率、网络容量的影响,选择合适的频率复用机制可以减少系统间干扰,提高系统容量。WiMAX网络的认证计费方案在PPPoE、IEEE 802.1x、Web认证等方式中选择。
WiMAX系统的网络结构包括终端、接入网和核心网。IEEE 802.16没有定义WiMAX的核心网,WiMAX核心网要求能满足不同业务和应用的QoS需求,提供用户认证、漫游以及与其它网络核心网的互通。WiMAX固定应用模式采用符合IEEE802.16d标准的设备,网络可叠加在宽带城域网上,不支持小区间的数据切换。WiMAX可以充分利用已有无线网络的核心网,使用现有网络的AAA(认证,授权和计费)服务器和安全机制等,随着WiMAX网络的发展,将统一调度WiMAX系统和移动蜂窝网络的无线资源。
WiMAX系统与3G系统频谱分配很接近,在系统间的基站共站址的情况下,除原来系统内干扰外,还产生系统间干扰,采取以下措施可以降低这种干扰:衡量所有干扰因素后,决定基站需要移动的距离;采用频率复用技术;在不改变基站间距的条件下,增大最小耦合损耗,这相当于增加了保护间隔;采用附加滤波器和线性化功率放大器。
1.3 安全机制
IEEE802.16标准在MAC层中定义了一个安全子层,主要包括数据加密封装协议和密钥管理(PKM)协议,前者包括加密算法和加密算法在MAC PDU中的应用规则,后者包括用户公/私钥、授权密钥和会话密钥,采用X.509数字证书验证SS的身份和重认证机制等措施来有效阻止假冒SS的非法接入。
IEEE 802.16d安全机制存在的问题:SS不能识别认证消息是否来自合法的BS;身份验证只基于X.509证书,缺乏扩展性;缺乏组播密钥协商,授权和密钥协商请求由SS发起,可能带来DoS攻击。
IEEE 802.16e在安全方面做出的一些改进:
1) 用X.509证书标识基站的身份,基站和MS可以双向认证,在传递证书的消息里使用随机数字,防止重发攻击,基站的公/私钥进行数字签名。
2) 为适应不同场合,新采用的EAP认证框架在认证时可选择采用认证协议的类型。
3) 终端已从SS变为MS,安全部分引进预认证机制来支持切换,预认证只是进行简单的消息交换,有认证服务器完成密钥预分发的过程。
4) 考虑增加多播/组播业务的支持,IEEE 802.16e还借鉴了Wi-Fi等无线通信技术的一些安全机制。
IEEE 802.16e的安全子层还需对一些内容进行定义,如EAP认证框架只列了一些可用的认证方式,没做具体说明;MS接入控制的安全性等。
2 与WiMAX系统结合的新技术
目前业界采用一些先进技术如AMC、MIMO等技术与WiMAX系统结合,希望能提高系统性能,改善用户质量,这是下一步研究WiMAX的方向。
2.1 自适应调制编码
IEEE 802.16有QPSK、64QAM等调制方式,编码方式有卷积编码、卷积Turbo码(CTC)等。为支持数据高速率,WiMAX采用了自适应调制编码(AMC),是根据信道质量来调整编码速率来获得较高的吞吐量。WiMAX中的OFDMA子载波信道排列有相邻子载波排列和分布式子载波排列两种形式,WiMAX中的AMC是对这两种子信道进行信道质量估计,选择合适的调制编码方式,对信道质量估计有影响的因素主要是慢衰落和快衰落。
阴影效应产生的损耗属于慢衰落,在测量时延内,阴影衰落对信道的时间相关性影响较小,AMC可以获得较好的性能。快衰落主要有频率选择性衰落和时间选择性衰落,相邻子载波排列的信道中子载波是连续分配的,频率选择性衰落和时间选择性衰落都会影响AMC的效果。在分布式子载波排列的信道中,子载波有很好的抗频率选择性衰落的效果,AMC中信道的估计值与信道实际质量能较好符合。对时间选择性衰落,利用交织技术和较短的帧格式,会得到较好的AMC性能。
无线通信速率较低时,信道估计会比较准确,WiMAX系统中的AMC因此能获得较好效果。随着终端移动速度的增加,信道质量估计会跟不上信道的变化,在错误的信道测量下,AMC采用的调制编码方式与实际情况不一致,会对系统容量、误码率,吞吐量等性能指标带来很大的负面影响。
2.2 MIMO技术
MIMO技术是在发送端和接收端采用多天线传输无线信号的一种技术,属于智能天线的一种,工作原理是利用在空间中分布的多个天线将时域和空域结合起来进行信号处理,相比传统的单天线系统,MIMO技术能提高频谱利用率,在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。
IEEE 802.16e使用的频率较高,传播过程中损耗较大,会影响其网络覆盖能力,降低系统容量,采用MIMO技术能显著改善其系统性能:使用MIMO技术后系统容量随天线数目线性增长,这增强了WiMAX系统网络覆盖能力;与其他智能天线技术相比,MIMO天线安装和维护成本低;MIMO技术在发送端工作时可以不需要信道信息,适用于移动环境中信道估计复杂的情况。
3 结束语
在英特尔为首的厂商支持下,WiMAX已成为3G标准,在解决频率资源的问题后,WiMAX的技术成熟性成为其能否得到市场认可的关键。本文介绍了目前WiMAX在QoS、组网、干扰、安全等方面技术的研究现状,作为无线通信系统朝着宽带化、移动化和IP化发展的WiMAX系统随着技术的不断完善,一定能通过技术创新加快其商业化步伐。
参考文献:
[1] 马树皓,张春业.IEEE802.16中一种改进的跨层QoS调度架构设计[J].电气电子教学学报,2006(10):61-64.
[2] 彭木根,王文博.下一代宽带无线通信系统OFDM