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Wimax网络技术研究

Jigeesha Joshi1Kanakkumar Yadav2
  1. 印度博帕尔r.g.p.v.大学E.C系硕士技术学者
  2. 印度博帕尔r.g.p.v.大学E.C系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

由于用户移动性的增加和对数据随时访问的需求，人们对宽带无线接入(BWA)的兴趣一直在增长。基于IEEE 802.16e的WiMAX网络承诺为移动数据服务用户提供最佳可用质量的体验。与无线局域网不同，WiMAX网络在媒体访问控制(MAC)级别集成了多种服务质量(QoS)机制，以保证数据、语音和视频的服务。保证QoS的问题基本上是如何在用户之间分配可用资源，以满足QoS标准，如延迟、延迟抖动和吞吐量要求。IEEE标准不包括标准调度机制，并将其留给实现人员进行区分。因此，调度是所有WiMAX设备制造商和服务提供商特别关心的问题。多输入多输出无线技术与IEEE 802.16e-2005 (WiMAX)标准的结合已被公认为是下一代宽带无线通信中最具发展前景的技术。本文对WiMAX技术进行了概述和综述。



关键字
WiMAX, IEEE 802.16, OFDM, OFDMA, MAC层，QOS，安全

介绍
尽管在通过不同的无线信道传输数据时面临挑战，宽带大都市区无线系统正在成为现实，这在一定程度上要归功于正在采用的日益复杂的设计。理论的进步和技术的进步使得这种设计成为可能，与旧的系统相比，这些技术的实现更快、更便宜。目前，重点是在IMT-Advanced[1]框架下开发4G系统，IMT-Advanced[1]是一个国际电联平台，下一代无线系统将在此基础上构建。近年来，宽带无线技术已成为世界各国人民的生命线。全球互操作性微波接入(WiMAX)是领先的宽带无线技术。WiMAX是与数字用户线(DSL)相比较的替代方案和最佳选择，DSL通过双绞线电话线提供宽带，电缆调制解调器技术通过同轴电缆电视设备提供宽带，是当今占主导地位的大众市场宽带接入技术。由于WiMAX技术将作为宽带无线城域网部署，IEEE 802.16标准家族也被称为无线城域网[2]。
WiMAX技术的发展经历了四个阶段:(1)窄带无线本地环系统，(2)第一代视距(LOS)宽带系统，(3)第二代非视距(NLOS)宽带系统，(4)基于标准的宽带无线系统[1]。该标准通过不同的PHY规范将其操作扩展到2-11 GHz频段，实现非视线(NLOS)连接。WiMAX可以在[3]的非授权频段(通常是2.4GHz和5.8 GHz)和授权频段(通常是700 MHz、2.3 GHz、2.5 GHz和3.5 GHz)运行。WiMAX支持较高的数据吞吐量。与微波相比，WiMAX在许可频谱费用方面更便宜。理论上，WiMAX可以提供最高75 Mbit/s的单通道数据速率，并通过多通道聚合[5]提供最高350 Mbit/s的数据速率。
WiMAX在视线范围内支持单跳架构的最大距离约为50公里，在非视线范围内支持25公里。WiMAX通过在上行链路和下行链路两个方向上的集中带宽调度支持带宽管理。这允许有效的资源分配，从而实现更高的容量[7]。

wimax的特点
WiMAX[1]是一种无线网络，它具有高级的功能集，具有很大的灵活性，与其他都市地区无线接入技术的区别在于:2.基于ofdm的物理层;非常高的峰值数据速率，3。支持可扩展带宽和数据速率;自适应调制和编码(AMC)， 5。链路层重传，6。7.支持TDD和FDD。8.正交频分多址(OFDMA)。灵活、动态的每用户资源分配;支持先进的天线技术，10。服务质量支持，11。 Robust security, 12. Support for mobility, 13. IP-based architecture.
WiMAX PHY层基于OFDM，一种使用许多子载波或音调来传输信号的方案。OFDM信令由一组大的间隔子载波组成，没有相互接口，在频域执行并行数据传输。峰值数据速率表示在良好的无线电条件下，用户在不与其他用户共享信道时可以达到的比特率。WiMAX能够支持非常高的峰值数据速率。WiMAX具有可扩展的PHY层架构，允许数据速率随可用信道带宽轻松扩展。这种可伸缩性在OFDMA模式中得到支持，其中FFT(快速傅里叶变换)大小可以根据可用信道带宽进行缩放。在传输过程中，无线电链路的质量总是变化的。为了克服传输方面的挑战，WiMAX支持多种调制方案。自适应调制允许WiMAX系统根据信道条件的信噪比(SNR)调整信号调制方案。WiMAX集成了强大的纠错技术，如FEC和ARQ，以提高吞吐量。 In FEC errors are detected and corrected upon reception by adding redundancy to the transmitted signal. Reed Solomon FEC, convolutional coding and interleaving algorithms are used in WiMAX systems. Network Working Group (NWG) in the WiMAX Forum has defined a reference network architecture that is based on an all-IP platform. WiMAX has been at the forefront of the move to all-IP end-to end networks based on open systems. All end-to-end services are delivered over an IP architecture relying on IP-based protocols for end-to-end transport, radio resource management, QoS management, security, and mobility [15].

wimax标准
IEEE 802.16是由电气与电子工程师协会(IEEE)[8]编写的一系列无线宽带标准。IEEE 802.16小组成立于1998年，旨在开发无线宽带。该小组最初的工作重点是开发一种基于视距(LOS)的点对多点无线宽带系统，用于10 GHz - 66ghz毫米波波段。下表1。如IEEE 802.16标准[23]所示。

物理层
WiMAX物理层基于正交频分复用(OFDM)。WiMAX OFDM具有从最小256到2048的多个子载波，每个子载波采用BPSK、QPSK、16 QAM或64 QAM调制[11]。OFDM是首选的传输方案，用于实现高速数据、视频和多媒体通信，并被各种商业宽带系统使用。OFDM是一种在非视距或多径无线电环境下实现高数据速率传输的一种优雅而高效的方案。事实上，一个OFDM信号可以由多个用户信号组成，从而使OFDMA(正交频分多路访问)具有多个访问。在OFDMA中，OFDMA子载波被划分为子载波的子集，每个子集代表一个子信道。在下行链路中，一个子信道可以用于不同的接收器或接收器组;在上行链路中，发射机可以被分配一个或多个子信道。形成一个子信道的子载波可以相邻，也可以不相邻。
OFDMA多址并不是OFDMA PHY的唯一特性。另一个主要区别是它的OFDM传输是可扩展的。虽然这个词没有出现在标准中，OFDMA PHY据说有可扩展的OFDMA (SOFDMA)。可伸缩性是通过改变FFT大小和子载波数量来实现的。支持的FFT大小为2048、1024、512和128。OFDM层的FFT大小256不包含在OFDMA层中。移动WiMAX配置文件只有1024和512是必须的。IEEE 802.16标准套件(IEEE 802.16-2004/IEEE 80216e-2005)[9,10]在其范围内定义了四个PHY层，其中任何一层都可以与媒体访问控制(MAC)层一起使用，以开发宽带无线系统。IEEE 802.16中定义的PHY层为
1.无线城域网SC，一种单载波PHY层，用于需要LOS条件的频率超过11GHz的频率。这个PHY层是最初802.16规范的一部分。
2.无线城域网SCa是一种单载波PHY，用于频率在2GHz和11GHz之间的点到多点操作。无线城域网SC，一种单载波PHY层，用于需要LOS条件的频率超过11GHz的频率。这个PHY层是最初802.16规范的一部分。
3.无线城域网SCa是一种单载波PHY，用于频率在2GHz和11GHz之间的点到多点操作。
4.无线MAN OFDM，一种256点ffdm PHY层，用于在非LOS条件下的点到多点操作，频率在2GHz和11GHz之间。该PHY层在IEEE 802.16-2004规范中最终确定，已被WiMAX接受用于固定操作，通常被称为固定WiMAX。
5.无线MAN OFDMA，一种2048点基于ffdma的OFDMA PHY，用于在2GHz至11GHz频率的NLOS条件下进行点到多点操作。在IEEE802.16e-2005规范中，该PHY层已被修改为SOFDMA(可伸缩OFDMA)，其中FFT大小是可变的，可以取以下值中的任何一个:128、512、1024和2048。可变FFT大小允许系统在宽范围的信道带宽和无线电条件下进行最佳操作/实现。该PHY层已被WiMAX接受用于移动和便携式操作，也被称为移动WiMAX[1]。

MAC层
WiMAX MAC[12,13,14]是为点对多点无线通信而设计的，能够支持更高层的协议，包括ATM、IP和其他未来的协议。在网络中，PHY层的目的是使用物理介质，如射频、光波或铜线，可靠地将信息位从发射机传输到接收机。通常，PHY层不知道服务质量(QoS)要求，也不知道应用程序的性质，如VoIP、HTTP或FTP。PHY层可以看作是负责在发射机和接收机之间的单链路上进行信息交换的管道。媒体访问控制(MAC)层位于PHY层之上，如图2所示，负责在相同的物理介质上控制和复用各种此类链路。WiMAX中MAC层的一些重要功能是将从较高层接收到的业务数据单元(sdu)分段或连接到MAC PDU(协议数据单元)，MAC PDU是MAC层有效载荷的基本构件。
•选择适当的突发配置文件和功率级别用于MAC pdu的传输。当使用自动重复请求(ARQ)时，重新传输接收方错误接收的MAC pdu。
•对属于不同数据和信令承载方的MAC pdu提供QoS控制和优先级处理。在PHY资源上调度MAC pdu。
•为高层机动性管理提供支持。
•提供安全和密钥管理。提供节电模式和空转模式运行。
MAC层的共部子层执行所有独立于上层的包操作，如sdu的分片、连接成MAC pdu、MAC pdu的传输、QoS控制、ARQ等。安全子层负责BS和MS之间的加密、授权和适当的加密密钥交换。

服务质量支持
对QoS的支持是WiMAX MAClayer设计的一个基本部分。WiMAX从DOCSIS电缆调制解调器标准中借鉴了QoS设计背后的一些基本思想。强QoS控制通过使用面向连接的MAC架构实现，其中所有下行和上行连接都由服务BS控制。在任何数据传输发生之前，BS和MS在两个mac层对等体之间建立一个单向的逻辑链路，称为连接。每个连接都由一个连接标识符(CID)标识，它作为通过特定链路进行数据传输的临时地址。除了用于传输用户数据的连接之外，WiMAX MAC还定义了三个管理连接——基本连接、主要连接和次要连接——它们用于诸如[1]之类的功能。调度服务是全局的数据处理机制，允许在不同的WiMAX用户[15][16][17]之间公平分配资源。业务流是具有特定QoS参数集的报文的单向流动，由业务流标识符(SFID)标识。QoS参数包括流量优先级、最大持续流量速率、最大突发速率、最小可容忍速率、调度类型、ARQ类型、最大延迟、可容忍抖动、业务数据单元类型和大小、使用的带宽请求机制、传输PDU形成规则等。服务流可以通过网络管理系统提供，也可以通过标准中定义的信令机制动态创建。 The base station is responsible for issuing the SFID and mapping it to unique CIDs. Service flows can also be mapped to DiffServ code points or MPLS flow labels to enable end-to-end IP-based QoS [1].There are five different quality of service [1] for WiMAX, as below:
•非请求授权服务(UGS):旨在以恒定的比特率(CBR)支持固定大小的数据包。可以使用该服务的应用示例有T1/E1模拟和无静音抑制的VoIP。定义该服务的必需业务流参数为最大持续流量速率、最大延迟、允许抖动和请求/传输策略。
•实时轮询服务(rtPS):该服务旨在支持实时业务流，例如MPEG视频，它会定期生成可变大小的数据包。定义该业务的必选业务流参数为最小保留流量速率、最大持续流量速率、最大时延和请求/传输策略。
•非实时轮询服务(nrtPS):该服务旨在支持耐延迟数据流，例如FTP，这些数据流需要以最低保证速率授予可变大小的数据。定义该业务必须配置的业务流参数为:最小保留流量速率、最大持续流量速率、流量优先级、请求/传输策略。
Best-effort (BE)服务:该服务旨在支持不需要最低服务水平保证的数据流，例如Web浏览。定义该业务的必选业务流参数为最大持续流量速率、流量优先级和请求/传输策略。
•ERT-VR (Extended real- variable rate)业务:该业务主要用于支持具有可变数据速率但需要保证数据速率和延迟的VoIP(带静音抑制)等实时应用。该服务仅在IEEE 802.16- 2005中有定义，IEEE 802.16-2004中没有定义。这也称为扩展实时轮询服务(ErtPS)。

wimax网络的安全性
由于移动通信的不同性质以及移动设备在移动商务、电子邮件和其他需要安全连接的功能方面的快速增长，出现了一些安全问题和发展影响。移动安全提出了一个有趣的问题，很大程度上是因为它要求在不同的访问媒体上具有巨大的兼容性，以及具有不同容量和能力的各种终端用户设备。用户希望能够在许多不同的环境中自发地使用他们的移动设备，有时甚至在通过多种类型的接入点时持续使用，例如，在行驶的汽车中。尽管移动设备经常需要比固定网络中提供更多的安全性，但移动设备的处理能力要低得多，而且还需要遵守合理的成本、尺寸和重量限制以及可用性要求。更复杂的是，移动设备也经常丢失或被盗，这就要求对敏感信息进行更高的保护。通过对安全挑战的更详细讨论，可以清楚地看到，工程师在设计移动通信架构时必须考虑许多障碍。
对于安全通信来说，隐私和保密是基本问题。保密通信提供了拦截和窃听的阻力。消息认证提供了消息的完整性和发件人认证，对应于消息修改和冒充的安全攻击。反重放检测和忽略任何消息，是一个重放的前一个消息。不可抵赖是反对否认和捏造。访问控制用于防止未经授权的用户访问资源[18]。与MAC层相比，WiMAX物理层更容易受到威胁。物理层攻击为干扰和置乱[19]。干扰攻击可能是无意的，也可能是恶意的，而且干扰很容易被发现，一旦被发现，就很容易对抗。置乱攻击很难实现，也很难发现[20]。 A DDoS attack is also a major problem on this point and it is also unable to handle. It is advised, Intrusion Detection System for handling some of the threats. The doors of WiMAX are open to threats, which are the Traffic Encryption Key (TEK) and Authorization Key (AK) issues. That could be exposed and can create a problem. The issues of user authentication, the issues relating to mobility are pointed [21]. These threats are having five classes: interception attack, fabrication attack, modification, replay attack, reaction attack, interruption attack and repudiation attack [22].

结论
本文简要介绍了WiMAX网络，这是第一个应用OFDMA作为物理层的技术。正如本文所讨论的，它们具有许多丰富的特性。安全性是包括WiMAX在内的任何无线网络的关键问题。随着移动WiMAX技术的引入，预计未来的工作将集中在移动WiMAX与其他无线技术的移动性和互操作性方面。

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图1 图2

参考文献

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  18. RamjeePrasadl Fernando J. Velez，‖WiMAX网络技术经济愿景与挑战‖，施普林格科学商业媒体B.V.2010。

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全球科技峰会