wimax网络体系结构报告文档格式.docx
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2.1IEEE802.16系列标准介绍6
2.2WiMAX网络体系架构7
2.2WiMAX协议分层参考模型7
2.3WiMAX应用场景8
2.4WiMAX和主流3G的比较9
3WiMAX的关键技术11
3.1.OFDM/OFDMA11
3.2HARQ12
3.3AMC13
4WiMAX安全性能分析15
4.1安全关联（SA）15
4.2X.509证书15
4.3TEK交换16
4.4SS与BS的交换流程17
4.5安全机制存在的问题17
5WiMAX应用及发展分析18
5.1WiMAX技术的应用模式18
5.2WiMAX发展优劣势分析19
5.3WIiMAX发展前景分析20
参考文献22
摘要
随着通信技术的迅猛发展以及用户需求的不断变化，传统的固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上逐步走向融合，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域发展的趋势。
在移动宽带化方面，3GPP/3GPP2已经制定了CDMA20001xEV-DO、HSDPA等技术标准，在移动环境下实现宽带数据传输。
在宽带移动化方面，IEEE802工作组先后制定了WLAN和WiMAX等技术规范，其中IEEE802.16即WiMAX宽带无线接入技术是宽带移动的重要里程碑，极大地促进了宽带移动的演进和发展。
IEEE802.16是一种面向城域网的宽带无线接入技术，能够提供面向互联网的高速连接，主要用来解决宽带接人“最后一公里”的问题。
全球微波存取兼容组织（WiMAX,WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess）[1]是由英特尔主导、基于IEEE802.16a/d/e标准的无线城域网技术。
它可作为线缆和DSL的无线扩展技术，或者用于将IEEE802.1la无线接人热点（Hotpoint）连接到互联网，也可将公司与家庭等网络连至有线骨干网，从而真正实现无线与宽带接人的统一。
关键词：
WiMAX；
IEEE802.16；
WMAN；
OFDMA；
MIMO；
1绪论
1．1WIMAX技术研究背景及选题意义
伴随着全球通信发展的宽带化、无线化、个人化、分组化，结合下一代宽带无线网络的无线连接、无缝覆盖的概念和要求，随着各种无线技术的快速发展，移动办公的流行和便携设备的普及，用户对随时随地、永远在线的要求将不断增加，城域网建设也在向着无线化迈进．无线接入系统经历了由窄带到宽带，由面向话音业务到面向高速数据、可视电话、视频点播以及多媒体应用等宽带业务领域延伸．WIMAX（1，2）（全球互通微波接入）是以IEEE802．16系列协议为基础的宽带无线接入技术，可替代现有的XDSL和有线连接方式，提供面向互连网的固定和移动形式的高速连接，符合未来通信发展趋势．WiMAX作为一种无线城域网能够实现更远的传输距离；
WiMAX能够为固定和游牧的设备提供低成本、高效率和大范围、更高速的宽带接入；
提供优良的最后一公里网络接入服务；
提供多媒体通信服务．作为一种新兴的宽带无线接入技术，WIMAX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lP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，提供更灵活、更经济、更高效的组网方式，支持固定（IEEE802．16）和移动（IEEE802．16e）宽带无线接入，解决有线方式无法覆盖的地区的宽带接入问题。
可以根据业务需要提供实时、非实时、不同速率要求的数据传输服务，为宽带数据接入提供了新的解决方案．因此，WIMAX将能给用户提供真正的无线宽带网络服务，从而实现更自由的移动网络服务．WMAN开始是作为有线城域网的补充而提出来的，期望用于业务量较大或不便敷设线缆的场所．但随着技术的进步和应用的发展，WMAN不仅可用于将WLAN无线接入站点连接到互联网，还可连接公司、家庭等接入网到有线骨干网络，同时具备为校园、家庭、酒店及各大企事业单位提供高速的无线接入能力，真正实现了宽带网络的无线接入．
空中接口的安全性成为人们一直关注的问题．从实际商用角度看，在WIMAX提供优质服务的同时，应用中所面临的安全问题不容忽视，尤其在政府、金融、公安、军队等涉及公共安全和国家安全的应用领域中安全性需求更被放在了首位．与用户的期望相反，WIMAX存在一定的的安全漏洞．只有有效地解决这个问题，WIMAX才能占领无线技术的主流市场．从WIMAX自身安全机制角度看，WIMAX分为IEEE802．16d和IEEE802．16e两个版本．前者为固定版本，后者为移动版本．固定版本中在实现原理上存在单向认证和加密算法密钥质量不高、密钥产生漏洞、管理协商漏洞、管理帧协商交互过程的安全性不够等方面的安全隐患，而在802．16e版本中对以上问题做了改进．在IEEE802．16e中提出了双向认证概念，它需要为BS也颁发数字证书，但是双向认证仍允许单向认证存在，并且增加了系统代价和实现复杂度，新厂商加入时会引起所有厂商的信任列表更新．针对以上问题，需要对WiMAX的认证体系和密钥协商及数据加密过程进行安全改进．
1．2研究目标及主要工作
WIMAX技术存在十分良好的应用前景，在应用和安全方面也有很多特色．因此。
本小组针对Wimax的发展历程，主要通信技术，安全机制，应用及其前景四大部分，进行分析讨论。
最终以报告形式向大家展示。
2WiMAX简介
2.1IEEE802.16系列标准介绍
IEEE是指美国电气和电子工程师协会，是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会。
IEEE802.16标准主要包括IEEE802.16d和IEEE802.16e。
802.16d的初衷是统一固定无线接入的空中接口。
802.16e的目标是能够向下兼容IEEE802.16d，为了支持移动特性，在IEEE802.16d的基础上加入了切换、QoS、安全等新的特性。
802.16e标准于2005年10月通过IEEE802.16工作组投票，并提交IEEE802SA审批。
IEEE802.16技术演进（从左至右）
表格补充：
北京时间4月1日上午消息，电气与电子工程师协会（IEEE）今天批准IEEE802.16m成为下一代WiMax标准，该标准可支持超过300Mbps的下行速率。
IEEE802.16m标准也被称作WirelessMAN-Advanced或者WiMax2，是继802.16e后的第二代移动WiMax国际标准。
IEEE表示，新标准的制定花费了超过四年的时间，但是更多的运营商目前还是选择使用其它标准。
比如，大多数想要部署4G网络的运营商选择的是长期演进（LTE）技术，它与WiMax拥有着部分共同点，但是由不同标准机构制定。
在2010年东京举行的CEATAC展会上，三星演示了一种下行速率在330Mbps的准标准802.16m网络，该标准意在为终端用户提供大约100Mbps的下行速率。
802.16m被国际电信联盟（ITU）认定为真正的4G技术。
移动WiMax（802.16e）标准在五年前获批，早于LTE应用被应用为下一代通信技术，但是目前大部分设备厂商都围绕在LTE技术周围，即便是全球最大的移动WiMax提供商Clearwire也已经开始测试LTE技术。
2.2WiMAX网络体系架构
（1）核心网络：
WiMAX连接的核心网络通常为传统交换网或因特网。
WiMAX提供核心网络与基站间的连接接口，但WiMAX系统并不包括核心网络。
（2）基站：
基站提供用户基站与核心网络间的连接，通常采用扇形/定向天线或全向天线，可提供灵活的子信道部署与配置功能，并根据用户群体状况不断升级扩展网络。
（3）用户基站：
属于基站的一种，提供基站与用户终端设备间的中继连接，通常采用固定天线，并被安装在屋顶上。
基站与用户基站间采用动态适应性信号调制模式。
（4）接力站：
在点到多点体系结构中，接力站通常用于提高基站的覆盖能力，也就是说充当一个基站和若干个用户基站（或用户终端设备）间信息的中继站。
接力站面向用户侧的下行频率可以与其面向激战的上行频率相同，当然也可以采用不同的频率。
（5）用户终端设备：
WiMAX系统定义用户终端设备与用户基站间的连接接口，提供用户终端设备的接入。
但用户终端设备本身并不属于WiMAX系统。
（6）网管系统：
用于监视和控制网内所有的基站和用户基站，提供查询、状态监控、软件下载、系统参数配置等功能。
2.2WiMAX协议分层参考模型
IEEE802.16标准描述了一个点到多点的固定宽带无线接入系统的空中接口。
空中接口由物理层和MAC层组成，如上图。
IEEE802.16MAC层能支持多种物理层规范，以适合各种应用环境。
物理层由传输汇聚子层（TCL）和物理媒质依赖子层（PMD）组成，通常说的物理层主要是指PMD。
物理层定义了两种双工方式：
时分双工（TDD）和频分双工（FDD），这两种方式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数（调制方式、编码方式、发射功率等）可以动态调整，但是需要MAC层协助完成。
MAC层分成三个子层：
特定服务汇聚子层（CS，ServiceSpecificConvergenceSublayer）、公共部分子层（CPS，CommonPartSublayer）、安全子层（PS，PrivacySublayer）。
（1）CS子层主要功能是负责将其业务接入点（SAP）收到的外部网络数据转换和映射到MAC业务数据单元（SDU），并传递到MAC层的SAP。
协议提供多个CS规范作为与外部各种协议的接口。
（2）CPS是MAC的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。
它通过MACSAP接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施QoS控制。
（3）安全子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。
2.3WiMAX应用场景
WiMAX论坛给出WiMAX技术的5种应用场景定义，即固定、游牧、便携、简单移动和全移动。
（1）固定应用场景：
固定接入业务是802.16运营网络中最基本的业务模型，包括用户因特网接入、传输承载业务及Wi-Fi热点回程等。
（2）游牧应用场景：
游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。
终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中；
在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入；
在两次不同网络的接入中，传输的数据将不被保留。
在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游，并应具备终端电源管理功能。
（3）便携应用场景：
在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小区切换外，连接不会发生中断。
便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展，从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。
当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。
当终端进行切换时，用户将经历短时间（最长为2s）的业务中断或者感到一些延迟。
切换过程结束后，TCP/IP应用对当前IP地址进行刷新，或者重建IP地址。
（4）简单移动应用场景：
在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到60～120km/h时，数据传输速度将有所下降。
这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。
在切换过程中，数据包的丢失将控制在一定范围，最差的情况下，TCP/IP会话不中断，但应用层业务可能有一定的中断。
切换完成后，QoS将重建到初始级别。
简单移动和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。
移动数据业务是移动场景（包括简单移动和全移动）的主要应用，包括目前被业界广泛看好的移动E-mail、流媒体、可视电话、移动游戏、移动VoIP（MVoIP）等业务，同时它们也是占用无线资源较多的业务。
（5）全移动应用场景：
在这一场景下，用户可以在移动速度为120km/h甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。
2.4WiMAX和主流3G的比较
WiMAX技术和3G技术，由于定位不同带来一定的差异，表现在：
（1）从标准化程度上看：
802.16仅定义了空中接口的物理层和MAC层。
在MAC层之上采用的协议以及核心网部分不在802.16所包含的范围之内。
3G技术作为一个完整的网络，空中接口规范、核心网系列规范以及业务规范等都已经完成了标准化工作，涉及无线传输、移动性管理、业务应用、用户号码管理等内容。
WiMAX标准化过程相对较松散，但网络实现相对简单；
3G及E3G标准化程度较高，但标准复杂，实施复杂。
（2）从业务能力上看：
WiMAX提供的主要是具有一定移动特性的宽带数据业务，面向的用户主要是笔记本终端和802.16e终端持有者，当其接入IP核心网，也可以提供VoIP业务–3G从设计最初就是为话音业务和数据业务共同设计的，对于话音业务，核心网络仍采用电路交换方式实现，QoS有较高的保障–WiMAX是牺牲了移动性换取了数据传输能力的提高，它的数据带宽优于3G系统。
3G的数据能力也在不断提高，3G增强型如HSDPA，已经可以实现10Mbit/s的接入速率。
按照ITU的定义，3G增强型最终目标可以达到30Mbit/s。
（3）从应用的终端看：
3G在相当长的时间内以手机和手持终端为主，但正逐步增加适合笔记本电脑类的终端类型WiMAX则以笔记本电脑为主要终端，远期考虑引入手持终端
（4）从覆盖范围上看：
WiMAX为了获得较高的数据接入带宽，必然要牺牲覆盖和移动性，因此WiMAX在相当长的时间内将主要解决热点覆盖，网络可以提供部分的移动性，主要应用会集中在游牧或低速移动状态下的数据接入。
3G则是无处不在的网络，覆盖是连续的，能够满足各种移动环境的需要，用户可以实现不间断的通信
（5）从无线频谱资源上看：
3G及其演进技术拥有全球统一的频谱资源
WiMAX则正在试图寻找2～6GHZ之间的频率资源，各个国家目前可用的频率都不一致。
WiMAX最终获得足够的全球统一频率存在一定难度
（6）从商用情况看
3G技术在全球范围内已经规模商用。
移动WiMAX商用还需要一定时间。
总结：
3G及其演进技术主要是在移动通信网络覆盖范围内提供各种业务
WiMAX作为一种宽带无线接入技术有着各种灵活的应用场合，可以作为移动网络的局部覆盖接入移动网络，吸纳大数据量业务，也可以作为固网宽带接入业务的无线延伸，或提供游牧移动的数据接入业务。
WiMAX的商用时间应晚于3G增强技术，而早于E3G技术，他们之间一般来说是互补的关系
注：
WiMAX也是3G准的一种，这里的比较是指WiMAX和主流3G（WCDMA,CDMA200，TD-SCDMA）进行比较。
3WiMAX的关键技术
3.1.OFDM/OFDMA
OFDM的英文全称为OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用技术。
这种技术是HPA联盟（HomePlugPowerlineAlliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
基本原理
OFDM是MCMMulti-CarrierModulation，多载波调制的一种。
其主要思想是：
将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。
正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道间相互干扰ICI。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。
而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。
包括以下类型：
V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。
OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。
由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。
在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。
另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。
如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。
在过去的频分复用（FDM）系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。
为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。
OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。
对于N点的IFFT运算，需要实施N2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。
在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI。
其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。
这样，时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。
简单介绍OFDM的优缺点：
优点：
抗衰落能力强；
频率利用率高；
适合高速数据传输；
抗码间干扰（ISI）能力强
缺点：
对频偏和相位噪声比较敏感；
功率峰值与均值比大，导致射频放大器的功率效率较低。
；
负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度
3.2HARQ
HARQ（HybridAutoRepeatreQuest）混合自动重传请求是一种提高频谱利用率，提高系统容量的差错控制技术，它的目的在于提高信号的传输质量，保证信息可靠性。
基本HARQ类型
根据重传内容的不同，在3GPP标准和建议中主要有3种混合自动重传请求机制，包括HARQ-I、HARQ-II和HARQ-III等[3]。
（1）HARQ-I型
HARQ-I即为传统HARQ方案，它仅在ARQ的基础上引入了纠错编码，即对发送数据包增加循环冗余校验（CRC）比特并进行FEC编码。
收端对接收的数据进行FEC译码和CRC校验，如果有错则放弃错误分组的数据，并向发送端反馈NACK信息请求重传与上一帧相同的数据包。
一般来说，物理层设有最大重发次数的限制，防止由于信道长期处于恶劣的慢衰落而导致某个用户的数据包不断地重发，从而浪费信道资源。
如果达到最大的重传次数时，接收端仍不能正确译码（在3GLTE系统中设置的最大重传次数为3），则确定该数据包传输错误并丢弃该包，然后通知发送端发送新的数据包。
这种HARQ方案对错误数据包采取了简单的丢弃，而没有充分利用错误数据包中存在的有用信息。
所以，HARQ-I型的性能主要依赖于FEC的纠错能力。
（2）HARQ-II型
HARQ-II也称作完全增量冗余方案。
在这种方案下，信息比特经过编码后，将编码后的校验比特按照一定的周期打孔，根据码率兼容原则依次发送给接收端。
收端对已传的错误分组并不丢弃，而是与接收到的重传分组组合进行译码；
其中重传数据并不是已传数据的简单复制，而是附加了冗余信息。
接收端每次都进行组合译码，将之前接收的所有比特组合形成更低码率的码字，从而可以获得更大的编码增益，达到递增冗余的目的。
每一次重传的冗余量是不同的，而且重传数据不能单独译码，通常只能与先前传的数据合并后才能被解码。
（3）HARQ-III型
HARQ-III型是完全递增冗余重传机制的改进。
对于每次发送的数据包采用互补删除方式，各个数据包既可以单独译码，也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。
另外根据重传的冗余版本不同，HARQ-III又可进一步分为两种：
一种是只具有一个冗余版本的HARQ-III，各次重传冗余版本均与第一次传输相同，即重传分组的格式和内容与第一次传输的相同，接收端的解码器根据接收到的信噪比（SNR）加权组合这些发送分组的拷贝，这样，可以获得时间分集增益。
另一种是具有多个冗余版本的HARQ-III，各次重传的冗余版本不相同，编码后的冗余比特的删除方式是经过精心设计的，使得删除的码字是互补等效的。
所以，合并后的码字能够覆盖FEC编码中的比特位，使译码信息变得更全面，更利于正确译码。
3.3AMC
AMC（AdaptiveModulationandCoding）自适应调制编码，根据无线信道的质量自适应的调整调制方式和编码方式以及编码速率，以便能在保证信号传输质量的同时获得最大的吞吐量。
AMC技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案。
由于WiMAX物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、小区的干扰和PAPR值等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。
WiMAX标准编码调制模式，包括卷积编码、分组Turbo编码、卷积Turbo码、零咬尾卷积码、分组Turbo编码、卷积Turbo码和LDPC，并对应不同的码率，主要有1／2、3／5、5／8、2／3、3／4、4／5、5／6等码率
AMC使得BS能够根据SS反馈的信道状况及时地调整不同的调制方式（QPSK、16QAM、64QAM）和编码速率。
从而使得数据传输能及时地跟上信道的变化状况。
这是一种较好的链路自适应技术。
功控：
wimax的功控于CDMA有相似之处，上行分为开环，闭环，外环。
开环：
MS假设上下行路损一样，对MS的发射功率进行控制，主要用于MS初始接入阶段。
闭环：
是BS测量MS发送数据的信道质量（CINR、RSSI），并根据目标值（CINR、RSSI）进行比较，从而确定功率调整值；
外环：
是BS统计上行的BER或PER，并与设定值进行比较来动态的调整设定值CINR，以确保通信质量
Wimax功控于CDMA又有不同之处。
子载波限制：
对于wimax多子载波系统，不管分配了多少子载波，都必须保证每个子载波的平均功率相同。
单个子载波与总发射功率的关系可以用公式来表示：
其中，total
表示总发射功率
subcarrier
表示单个子载波发射功率
10log
表示分配的子载波数。
所以，如果子载波
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