GPS接收器

 GPS系统是由美国国防部设计和资助的精巧卫星导航系统，包含了24能持续发送地理位置海拔高度和时间信号的卫星，这些卫星平均分布运行在六个轨道上。一 般来说，在地面上的GPS接收器能接收5～12个卫星信号，而为了获得地面上的定位坐标，至少需要4个卫星信号，三个用来确定GPS接收器的纬度、经度和 海拔高度，第四个则提供同步校正时间。

概况

L1和L2波段

如图1所示，每个卫星都在两个载波上发送两个直接序列扩频信号。之所以要使用扩频技术，是因为它具有高度的抗窄带干扰能力。

图1 驻留在L1和L2 GPS信号波段上的P码和C/A码

两个波段

第 一个载波驻留在L1波段（中心频率为1575.42MHz），第二个驻留在L2波段（中心频率为1227.6MHz）。L1波段主要是民用，包含了两种代 码，一个叫做粗捕获码（C/A）码，另一个叫做精测距码（P码）。L2波段只用于军用场合，仅含有一个P码。所有24个卫星的L1信号均使用同样的频率， 但相互不发生干扰，因为它们每一个都经由覆盖了2.046MHz波段的一个PRN代码进行了扩频。经过PRN代码扩频后的GPS信号不仅能区别于其他信 号，还具有抗干扰能力。

影响因素

解扩频GPS信号的质量决定了GPS接收器的精度，它是由结果误码率（BER）来的判定。假定基带处理器需要的BER为10-5，用于BPSK模块的相关器的Eb/N0 将不小于9.5dB。Eb/N0定义为每bit上的能量对噪声浓度的比。从9.5dB的相关器Eb/N0除去43dB的处理器增益，相关器的输入信噪比是-33.5dB。

具体应用

当GPS器件成为手机或其他手持设备集成解决方案一部分时，它们对相邻单元干扰的承受能力将成为关键。举例来说，一 个双频带CDMA手机可同时进行 GPS工作。此时，功率放大器上的典型CDMA传送功率是25dBm。假设互扰消除器和GPS通带过滤拓扑可以隔离-70dB的频带外信号，GPS接收器 将承受－45dBm的带外干扰级。

为了减少成本和尺寸，多数的制造商在设计多功能器件时会使用一个普通的参考频率。传统的GPS接收器只工作在 16.36MHz的参考频率下。如果 GPS接收器是一个单独的单元，灵活的参考输入将不再需要。然而，当今的手持设备需要多种参考频率，如10.0、13、14.4、19.2、20.0和 26.0MHz。因此，当低成本、小体积成为器件的发展趋势时，一个具有灵活参考输入的GPS接收器将非常有用。举例来说，MAX2741 GPS接收器有一个集成合成器，通过接收2～26MHz的参考频率，它将有助于建立灵活的频率规划。当配有一个外加LNA时，该器件能获得小于2dB的级 联噪声。

过去，在GPS接收器中关联接收到的PRN代码和已知PRN代码的工作是由专门的GPS基带处理器来完成的。由于有了菲利普公司的突破性软件GPS技术，关联和计算功能将交由应用处理器中的内置软件来完成。这样做不仅降低了成本，还减小了GPS解决方案的尺寸

众所周知，对干扰的抵抗主要依靠系统的处理增益。处理增益越高，GPS信号扩展的越宽，如果将信号扩展至整个波段， 只会有一部分有用信号被窄带干扰破坏。但信号在经过解扩频过程后，窄带干扰会被放大。对于GPS应用而言，每一个PRN代码序列的大小是 1 023 bit，扩频的速率是1.023M/s。这样，处理增益被定义为：

处理增益=10log(芯片速率/数据速率)=43dB （1）

此式中，芯片速率=1.023M/s, 数据速率=50b/s。

假设GPS软件的执行损失为3.5dB，量化器输入的信噪比为-30dB。在整个2.046M的采样带宽内，集成噪 声功率为-111dBm。为了获得-139dBm的目标敏感度，所需的级联接收噪声将是 -28dB的天线中信号信噪比和-30dB的量化器输入中的信号信噪比之差。

NF=SNRANTENNA/SNRQUANTIZER = -28dB-(-30dB) = 2dB (2)

 

 

1. 我的GPS接收器为什么收不到星（定不到位）？

答：首先需要了解的是GPS受到建筑和金属的阻隔，所以请确保是在室外使用您的GPS。

如果您是在车内无法定位，那就先将GPS置于车顶，对GPS进行冷启动后再试看看，待正常后再放入车内。

请检查您的GPS接收器是否和您的设备建立连接，如果没有请参看问题3。

2.GPS怎么做冷启动？

答：如果是SIRF芯片的设备，可以使用GPS接收器 VIEWER软件。如果是SONY芯片的设备，可使用PCTESTER或PDATESTER软件。

3. 为何我的电脑找不到GPS设备？

答：请确认您的电脑是否正确安装驱动程序。如果确认安装正常，请到设备管理器中查询端口项，可以找到GPS所在的端口号，然后在GPS接收器中设定为此端口即可。

4.GPS能直接连PDA么，怎么连？

答：这个问题比较模糊，大体来说GPS可以通过串口（就是您用来做同步的那个端口）、CF口、SD口、篮牙等方式和您的PDA连接。

5. 有必要买篮牙GPS么？

答：由于篮牙GPS是无线连接，使用方便，连接设备较广，所以使用的人越来越多。当前的篮牙GPS售价也是越来越低，应该算是比较有延展性的选择。

6. 是不是PC上面配个篮牙适配器就能用篮牙GPS了？

答：是的。如果是已经内置篮牙功能的笔记本，那就不需要再购买此类产品。

7. 蓝牙适配器那种好，应该买哪种？

答：如今的篮牙适配器整体质量都趋于稳定，如果经济能力够的话，建议购买品牌的产品，也不会贵太多的。

8. USB的GMOUSE可以直接连在有USB口的PDA上么？

答：基本上不可以。PDA上的USB插槽一般提供给键盘、鼠标、优盘等通用类设备，所以没有含GPS的驱动在里面。

9. GMOUSE上的PS2口可不可以接在PC机的鼠标、键盘口上用？

答：不可以，规格不同。

10. 一般GPS的波特率是多少？

答：4800。如今有越来越多的GPS标示可以提供更高的速率，但是对于GPS应用来说没有太大的必要，有的还会造成系统不稳定。

11. 为什么我的GPS总是飘来飘去，就算站着不动也在飘？

答：早先的GPS接收器由于收星能力比较弱，总是会发生断讯，尤其在城市中用做导航的时候，给出行造成很多不便。后来开发的一些民用GPS芯片，将信号不够强的GPS信号也收入，这样就造成了漂移的现象。但是如果在同样的情况下，较早的GPS产品即会完全断讯，直到可以找到信号够强的卫星才开始接受。所以这是一个比较矛盾的选择，但是随着软件和硬件的不断开发升级，相信这种情况会越来越少。

12. 能在飞机上面用GPS么？

答：GPS是可以收到信号的，只要乘务员不禁止就可以使用。

13. 到国外能用GPS么？

答：可以。

14. 刚买的GPS有没有必要配延长天线？

答：建议不用一开始就购买，待您使用一段时间后就会知道是不是有必要购买了。GMOUSE是不需要这类延长天线的，因为GMOUSE本身就可以到处移动，并且可以吸附与车顶，所以一般也没有这样的设计。

15. GMOUSE、CFGPS、SDGPS、篮牙GPS，我应该配哪个？

答：GMOUSE是有线GPS，一般通过USB或专用的适配线连接设备，自身会带有吸铁石，可以直接吸附与车顶。CFGPS是通过CF口或CF转换器连接相应设备。SDGPS是通过SD口连接相应设备。篮牙GPS可以连接各类有篮牙功能的信息设备。一般的设备拥有一种或几种这类的介面，所以选择的余地较大，如果只做车用，还是建议购买GMOUSE，因为这类产品性能稳定，价格便宜，但是一般只能在车上使有。CFGPS是早先篮牙GPS价格过高的时候推出的一种选择，由于有的设备只有CF接口，所以CF就成了唯一的选择，接下来会有些内含SD插槽的CFGPS上市，对于只有CF接口的朋友来说，这是最好的解决办法。SDGPS由于体积小，所以工艺的要求更高，当然价格也贵，比大多篮牙GPS还要贵很多，所以并不是主流的选择，如果价格还是据高不下，相信慢慢会被市场淘汰，但对于只有SD接口的朋友来讲这个也是唯一的选择。篮牙GPS由于优点明显，时下已是GPS的主流选择。

16. 昨天我还能定位，但是今天就无法定位了，为什么？

答：一般是上一次使用的时候没有正常关闭GPS。请重新启动设备后再连接一下，如果还是不行就对GPS进行冷启动处理。在今后的使用中，务必先在软件中停用GPS后，方可关闭或拔出GPS接收器。

17. 一个GPS接收器可不可以同时给多个GPS软件提供信号？

答：一般不可以。但是可以通过一些虚拟端口的软件实现，正常使用下没有太大必要。

GPS接收器在公交车上的使用

针对公交系统出现的车辆延迟、堵塞等问题，神州数码网络利用公司无线通信技术的优势和全球卫星定位技术（GPS）， 设计了一套综合解决APTS的应用方案：即全球定位系统（GPS），利用GPRS/CDMA1x等移动通信网络相结合，构建一个集公交指挥调度、综合业务 通信、乘客信息服务为一体的现代化、全方位的智能车辆监控调度管理服务系统。

公交车辆定位系统如上图所示，共分四部分：GPS差分站、总调中心、区域监控站、车载设备等，GPRS/CDMA1x移动通信网络、区调平台均为与车辆定位系统相关、用于实现数据传输以及其他辅助的功能的内容。

  

系统功能模型

 

 

 

内部结构

GPS/OEM 接收机的内部结构图，它主要包括天线部分、接收部分、数据处理部分。这种接收器是通过两个串口与外部通讯的，串口 1为主串口，串口2为辅助串口（提供修正量）。其中，串口1为全双工方式，串口2为半双工方式。系统通过这两个串口同其外部器件或设备连接，也可以用软件 编程或硬件设置来配置其串口特性。

存储方式

接收数据的用户可以选择的存储方式有三种：SRAM、ROM、EEPROM。

接收机内部的一个10kHz的参考时钟输出和一个1pps（每秒一个脉冲）的时钟标输出可用来进行时钟同步，也可用于进行时钟校准。

系统可以通过RESET进行复位。

“Jupiter”GPS/OEM接收机采用20脚DIP封装，常用管脚的说明如表1所列。

 

淺談WiMAX 無線網路無線資源管理

宋朝宰相呂蒙正曾寫下：「馬有千里之程，非人不能自往，人有凌雲之志，非運不能騰達」。以此來比方無線資源管理對無線網路系統的重要性實為再恰當不過，因 為無論無線系統的技術規格再好，沒有搭配相對的無線資源管理就無法發揮其最大系統效能。尤其對 WiMAX 這類的都會無線網路而言，由於涵蓋範圍大且用戶數多，因此無線資源管理技術益顯重要。一般來說，無線資源管理藉由聯合考慮實體層、媒體接取層及網路層等特 性，不僅提升WiMAX網路無線資源運用的整體效能外，也能滿足個別用戶的服務品質需求。以下將分別針對WiMAX無線資源管理架構及相關無線資源管理技 術做一說明，希望透過本文的介紹能讓讀者對WiMAX無線網路無線資源管理有一系統性地認識。 WiMAX 無線資源管理架構 如上所述，無線資源管理需要考慮跨層（Cross-layer）的特性，因此在說明無線資源管理架構時，需搭配整體網路架構才能有完整的輪廓。圖一為 WiMAX論壇所定義之端對端網路參考模型（Network Reference Model），其包含了用戶端（MS）、接取服務網路（ASN）及連接服務網路（CSN）等邏輯元件，其中ASN由WiMAX基地台及接取服務網路閘道 （ASN-GW）組成。WiMAX基地台具備了802.16標準之WiMAX 媒體接取層（MAC）與實體層（PHY）的能力，而ASN-GW則是提供傳輸路由或橋接功能，同時有備用及平衡負載之作用。進一步來說，在圖一中還定義了 R1到R8的參考點（Reference Point）。舉例來說：R1為用戶端到WiMAX基地台的介面，主要由IEEE P802.16標準來規範其上的功能需求；R6為WiMAX基地台和ASN-GW的介面，主要包括基地台控制及後端骨幹資料傳輸相關的通訊協定；R4則為 跨不同ASN之間的介面，作為相互操作管理及傳輸之用。而所謂的無線資源管理其實就是在WiMAX網路中由ASN所執行的功能，目的主要為： 觸發WiMAX基地台及用戶台進行無線資源相關的測量。 將測量的結果傳送至給網路中特定的中心或事前定義的分散式資料庫，而該些資料庫之間能進行彼此的訊息交換。 整理所收集的無線資源訊息，使其成為ASN內其他功能的有用資訊，尤其是換手（Handoff）控制與服務品質管理。 下載鄰近基地台狀態訊息給每一個WiMAX基地台，使其能夠局部性的處理相關訊息，並進行相關無線資源管理動作。 以下就此網路參考模型為基礎，說明可行的WiMAX無線資源管理機制。 圖一：WiMAX網路參考模型（來源：WiMAX Forum） WiMAX無線資源管理機制 WiMAX無線資源管理機制乃 是由兩個邏輯單元：無線資源代理器(RRA)與無線資源管理器(RRC)互相合作來共同完成的，其中RRA位於WiMAX基地台內，而RRC則可存在於基 地台或ASN-GW內。理論上來說，每一個WiMAX基地台都會存在唯一一個RRA，該RRA可以獨立自主地運作或在RRC的管理監督下運作來達到以下目 的： 觸發WiMAX基地台及用戶台進行無線資源相關的測量，該測量包括每一個基地台或用戶台無線資源的使用情況。 產生可使用的無線資源訊息給基地台內的其他功能實體，以便進行相關無線資源管理動作。 另一方面，一個ASN內可以存在多個或沒有任何一個RRC。換言之， RRC在ASN內是選擇性的功能項目。若存在RRC時，則RRC與RRA之間為一對多的關係，也就是說一個RRC可以控制零到多個RRA，然而每一個 RRA最多只能對一個RRC提報其測量所得的相關資訊。一個RRC除了負責與它相聯繫的所有RRA溝通之外，同時負責與其它RRC溝通。圖二為WiMAX 論壇所定義的兩個ASN Profiles。圖二(a)說明了Profile A的參考模型架構，其中RRA與RRC透過R6介面進行溝通，虛線部分指的是訊息報告程序，而實線部分則是決策支援程序，同時RRC彼此之間乃透過R4進 行溝通。此外，圖二(b)說明了Profile C的參考模型架構，其中RRC之間透過R8，也就是基地台間的的介面彼此溝通，至於RRA與RRC之間的介面因存在於基地台內，而可由開發者自行定義。至 於Profile B，由於RRC在ASN內的位置尚在定義中，因此在此不加以描述。 圖二(a)：無線資源管理參考模型一（來源：WiMAX Forum） 圖二(b)：無線資源管理參考模型二（來源：WiMAX Forum） WiMAX 無線資源管理技術 如圖三所示，目前無線資源管理 技術主要在探討以下五個領域，也就是允入控制（Call Admission Control）、封包排程（Packet Scheduling）、功率控制（Power Control）、換手控制（Handover Control）、負載平衡（Load Balance）。事實上這些技術領域並非彼此獨立，反過來說某一對應模組的決定結果都跟其他模組息息相關。一般說來，允入控制是觸發無線資源管理動作的 起始點，因為當允許一個用戶進入到網路並建立連線後，原有的封包排程、功率控制及負載平衡都得因應此新的改變進行調整。同樣地，當某一用戶必須做換手動作 時，相對應的允入控制及封包排程等也必須參與此換手過程。以下針對此五大領域做進一步說明： 允入控制：針對註冊成功的每一個用戶目前連線狀態及其使用者喜好設定進行相關資 訊的管理，以有效管理連線到該基地台的用戶。傳統來說，允入控制主要有使用者限制（User-limited）及干擾限制（Interference- limited）兩種作法，對WiMAX網路系統來說，使用者限制的作法應可優先考慮，而以不降低整個網路系統傳輸效能做為允入的主要準則。 封包排程：針對每個用戶個別服務的服務品質進行相對的管理，以便系統做適當的資 源配置及資料排程，進一步符合個別服務流（Service Flow）的最基本服務品質要求。目前在WiMAX網路中，設計支援Constant Bit Rate、Real-time Variable Bit Rate、Extended Real-time Variable Bit Rate、Non-Real-time Variable Bit Rate、及Best Effort等五類服務。原則上不同服務類別間的頻寬管理（Traffic Shaping）可利用不同的加權優先等級來保證傳輸資料的頻寬。值得一提的是：由於WiMAX PHY本身具有動態改變傳送資料的編碼及調變，這意味每一個實體層符元（Symbol）能承載MAC的位元數將有極大的不同，因此在每一個無線訊框 （Radio Frame）中，應該以當時使用的編碼及調變設定，將要傳送資料的位元數換算成實體層符元數後，才進行排程。 功率控制：傳統上功率控制有上下傳兩路的控制，主要目的是在同系統干擾最小化的 條件下，能因應無線通道的變化而讓對方能正確收到資料。，以WiMAX來說，僅針對上傳部分進行閉迴路（Closed Loop）與開迴路（Open Loop）兩類的功率控制。閉迴路功率控制主要是在初始/週期測距（Initial/Periodic Ranging）時調整上傳之傳輸功率；開迴路功率控制則是由用戶台透過一演算法調整上傳之傳輸功率，使其所使用之每一子通道之功率維持一定值。 換手控制：當使用者在不同基地台之間移動時，透過換手技術能將使用者轉移到通訊 品質較佳的基地台，以確保使用者在移動時仍能維持一定的通訊品質。目前WiMAX網路支援快速基地台切換（Fast BS Swichting；FBSS）及廣分集換手（Micro-Diverisity Handover；MDHO）兩類，在換手的觸發條件上，除了考慮接收信號強度的變化外，平衡鄰近基地台的負載也可列入考慮。 負載平衡：為調整不同基地台在上下傳方向的負載情況，使單一基地台負荷過重的情況不至於發生，以降低同系統的干擾，進一步提升網路整體效能。以WiMAX系統而言，可依據使用者的子通道的通道狀況及其服務之優先順序，進行子通道選擇及借調的方式來達到平衡負載的目的。 圖三：無線資源管理技術領域 結論 WiMAX 無線系統的一個重要關鍵在於 IEEE 802.16 技術規範未提及的MAC/PHY管理模組，這將會對整體系統效能良窳產生重大的影響。而無線資源管理將是該管理模組的重要技術之一。然而如同先前所述，無 線資源管理本身是一種跨層設計的技術，同時也需要許多實際網路的現場測試及參數矯正，才能確保整個無線網路系統的運作效能如預期地向上提昇，而不是向下沈 淪。

UQ通信展示WiMAX 2 最大下行速率为330Mbps

中国教育网讯，日本WiMAX运营商UQ通信（UQ Communications）10月5至9日在东京举行的日本CEATEC 2010电子展览大会上，展示了WiMAX 2最大速率为330Mbps，可在36秒内完成下载2小时电影、在1分37秒内下载共32本内容的百科全书。该公司称，此次WiMAX 2的动态展示为全球首次。
　　WiMAX 2是通过采用40MHz带宽、4×4MIMO以及64QAM，使最大速度达到330Mbit/秒的通信方式。与现有的移动WiMAX的40Mbit/秒相 比，速度高达后者的8倍。目前，IEEE方面正在进行IEEE802.16m的标准制订，计划2010年底推出相关标准。WiMAX论坛计划2011年内 启动WiMAX 2的设备认证程序，2012年支持WiMAX 2的设备将正式亮相。
　　此次，日本UQ通信设置了韩国三星电子的基站和试验终端，通过同轴线缆连接进行通信演示。通信使用的频率为2605M～2645MHz。现场解 说员称，本想进行不用同轴线缆连接，通过无线通信就可实现的演示，不过2605MHz～2625MHz已在UQ WiMAX的商用服务中使用，由于会对现有服务产生影响，因此采取了此次的方法。另外，2625MHz～2645MHz此前是面向移动设备的卫星广播电视 “MOBAHO！”所使用的带宽，目前UQ通信正在向日本总务省申请使用这一废弃的带宽。
　　演示中，从基站端的服务器向连接在试验终端上的5台电脑，发送1个全高清3D影像文件和16个全高清2D影像文件，运行中没有发生延迟和帧丢失的现象。通信速度一直可保持在330Mbps左右。
　　据悉，WiMAX 2基于IEEE 802.16m标准，满足国际电信联盟的“IMT-Advanced”要求，可显著扩大覆盖范围，提升性能，将为下一个十年的4G技术奠定基础。该标准提 供极高的峰值（无路径损耗）传输速率，例如在20MHz下行链路通道中速率高达300 Mbps----并具有较低的延迟。通过支持多个射频载波的聚合，可实现高达100 MHz的有效通道带宽。较宽通道和较高阶MIMO天线配置可使性能提升至数倍于目前最先进的无线系统。
　　WiMAX 2的提出获得了产业链的广泛支持，目前由WiMAX芯片商、设备商、运营商以及相关技术研究单位组成的WiMAX 2倡导合作组织WCI，成员包括奥维通、Beceem、GCT、英特尔、摩托罗拉、三星电子、Sequans、XRONet、中兴通讯以及台湾研发机构工 业技术研究院(ITRI)。WiMAX 2组织WCI的目标包括开展技术合作，制定统一的性能标准；共同测试基于WiMAX 2解决方案的4G应用；网络互用性前期测试；开展测试和互操作性检测工作，为WiMAX论坛认证做准备。
　　国际电气电子工程师学会(IEEE)将在今年11月最终确定WiMAX 2标准，该项标准之前名为802.16m，2011年将开启开始相关设备的认证工作。802.16m也将向后兼容802.16e标准，这是目前运营有 WiMAX网络的美国运营商正在使用的标准，这也意味着目前现有的网络系统将会平滑升级至新标准，并不需要大量的更新成本。

WiMAX頻段

交通部規畫WiMAX業者可使用2.5~2.69GHz的頻段進行無線訊號發送

2007年7月所發出的6張籌設許可顯示

北區大眾電信     及南區的遠傳電信    ，使用2,565~2,595MHz(稱之為A頻段)，共30MHz。

北區全球一動     及南區的大同電信    ，使用2,595~2,625MHz(稱之為B頻段)，共30MHz。

北區威邁思電信 及南區威達超舜電信   ，使用2,660~2,690MHz(稱之為C頻段)，共30MHz。

802.1 x 概述和 EAP 類型

802.1 x 概述
要使用？
可擴展身份驗證協定 (EAP) 身份驗證類型


802.1 x 概述
它 是一種用於保護通過身份驗證的網路埠訪問協定。其結果是，這種類型的身份驗證方法是由於性質介質的 wi-fi 無線上網環境中非常有用的。如果 wi-fi 無線上網的使用者通過網路訪問的 802.1 x 身份驗證，虛擬埠打開，允許進行通訊的存取點上。如果不成功獲得授權，虛擬埠不是可用並且通信將被阻止。

有 802.1 x 身份驗證的三個基本部分：

1. 要求者-Wi-fi 工作站上運行的軟體用戶端
2. 身份驗證器-Wi-fi 存取點
3. 身份驗證服務器的身份驗證資料庫，通常是一個 radius 伺服器 （如 Cisco ＊ ACS ＊、 Funk Steel-Belted 半徑 ＊，或 Microsoft ＊ IAS ＊

可擴展身份驗證協定 (EAP) 用於要求者 （Wi-fi 工作站） 和驗證服務器 （微軟 IAS 或其它） 之間傳遞身份驗證資訊。定義實際的身份並將其處理的 EAP 類型。存取點代理身份驗證器是僅允許要求者和身份驗證服務器進行通信的代理。

要使用？
對實施，或是否在所有執行 802.1 x 的 EAP 類型取決於本組織需要的安全以及所需的行政開銷/功能級別。我希望此處的說明和比較圖表將緩解瞭解 EAP 類型可用的各種困難。

可擴展身份驗證協定 (EAP) 身份驗證類型
EAP 身份驗證類型提供可能會更好的方法，就是保證安全的無線局域網連接和 Wi-fi 局域網 (LAN) 安全至關重要，因為供應商迅速開發並添加到他們的無線局域網存取點的 EAP 身份驗證類型。一些最常見的部署的 EAP 身份驗證類型包括 EAP-MD-5、 EAP-TLS、 EAP PEAP、 EAP TTLS、 EAP-快速、 和思科的飛躍。

• EAP-MD-5 (消息摘要) 面臨的挑戰是提供基本級別 EAP 支援的 EAP 身份驗證類型。EAP-MD-5 通常不推薦的 Wi-fi 局域網實現因為它可能允許該使用者的密碼派生。它只有一種方式驗證-提供 wi-fi 無線上網用戶端和網路沒有相互身份驗證。非常重要的是它不提供衍生動態、 每個會話有線等位私密 (WEP) 金鑰的手段。
• EAP-TLS （傳輸層安全性） 提供了基於證書和相互身份驗證的用戶端和網路。它依賴于用戶端和伺服器端來執行身份驗證的證書，並可用於動態生成基於使用者和基於會話的 WEP 金鑰，以確保隨後 WLAN 用戶端和存取點之間的通信。EAP-TLS 的一個缺點是必須在用戶端和伺服器端上管理證書。對於大型的 WLAN 安裝，這可能是一個非常繁瑣的任務。
• EAP TTLS （隧道傳輸層安全性） 是由 Funk 軟體 ＊ 和 Certicom ＊ 開發作為 EAP-TLS 的延伸。這種防偽方法提供基於證書、 相互身份驗證的用戶端和網路通過加密通道 （或"隧道"），以及衍生動態的手段，每個使用者，每個會話的 WEP 金鑰。與 EAP-TLS，不同的 EAP TTLS 要求只有伺服器端證書。
• 由 思科 ＊ 開發，EAP-FAST （通過安全隧道靈活身份驗證）。而不是使用證書，相互身份驗證是通過 PAC （保護訪問憑據），可以通過身份驗證服務器動態管理實現的。政府帳目委員會可以向用戶端是資源調配 （分散式一次），通過手動或自動。手動調配是傳遞到用戶端通過磁片或安全的網路的分配方法。自動資源調配是帶內，包括空氣，分佈。
• 飛 躍 （羽量級可擴展身份驗證協定），一種 EAP 身份驗證類型主要用於 Cisco Aironet ＊ Wlan。它對使用動態生成的 WEP 金鑰，資料傳輸進行加密，並支援相互身份驗證。迄今為止專有，Cisco 已領牌到各種其他製造商通過他們的 Cisco 相容性擴展程式的飛躍。
• PEAP （保護可擴展身份驗證協定） 提供安全傳輸包括舊式基於密碼的協定，通過 802.11 Wi-fi 網路的身份驗證資料的方法。PEAP 實現此目的的使用隧道 PEAP 用戶端和身份驗證服務器之間。像競爭標準隧道傳輸層安全 (TTLS)，PEAP 驗證 Wi-fi LAN 用戶端使用伺服器端證書，從而簡化的執行和安全的無線局域網的管理。微軟、 思科和 RSA Security 開發 PEAP。

802.1 x EAP 類型 功能 / 優點 MD5 --- 消息摘要 5 TLS --- 傳輸層安全性 TTLS --- 隧道的傳輸層安全性 PEAP --- 受保護的傳輸層安全性 快速---通過安全隧道靈活身份驗證 飛躍 --- 羽量級可擴展身份驗證協定 需要用戶端憑證 沒有 是 沒有 沒有 沒有 (PAC) 沒有 需要伺服器憑證 沒有 是 沒有 是 沒有 (PAC) 沒有 WEP 金鑰管理 沒有 是 是 是 是 是 流氓 AP 檢測 沒有 沒有 沒有 沒有 是 是 供應商 MS MS 芬克 MS 思科 思科 身份驗證的屬性 一種方法 相互 相互 相互 相互 相互 部署難易程度 很容易 困難 （因為用戶端憑證部署） 中度 中度 中度 中度 Wi-fi 安全 可憐 很高 高 高 高 使用強式密碼時高。

檢討上述討論和表通常會提供了以下結論：

• MD5 通常不使用它只能做單向的身份驗證，以及或許更重要的是不會不支援自動分配和轉動 WEP 金鑰所以不能減輕手動 WEP 金鑰維護的行政負擔。
• TLS，非常安全，但要求用戶端憑證，必須在每個 Wi-fi 工作站上安裝。PKI 基礎設施的維修需要額外的管理專門知識和在維護 WLAN 本身的時間。
• TTLS 通過隧道 TLS，並從而消除需要在用戶端上的證書來解決證書問題。這使得經常首選的選項。TTLS 主要推動的恐慌，懇請者和身份驗證服務器軟體的費用。
• 跨越了時間最長的歷史，和以前思科專有 （與思科 Wi-fi 配接器僅工務），同時 Cisco 已領牌到各種其他製造商通過他們的 Cisco 相容性擴展程式的飛躍。飛躍用於身份驗證時，應執行強密碼原則。
• 現在的企業，不能強制使用強密碼原則，不想部署用於身份驗證的證書 EAP 快速。
• 更近的 PEAP 工程 EAP TTLS 類似，它不需要在用戶端上的證書。PEAP 思科和微軟的後盾，並可在無需額外的成本，從微軟。如果需要轉到 PEAP 飛躍從，思科的 ACS 身份驗證服務器將運行兩個。

另一個選項-VPN
而不是依靠無線區域網路 進行驗證和保密 （加密），許多企業執行 VPN。這是通過放置在公司防火牆外部訪問點，並讓使用者隧道通過 VPN 閘道-就好像它們是遠端使用者。實施 VPN 解決方案的缺點是成本、 初始安裝的複雜性和正在進行的管理開銷。
這適用于：

Intel® Centrino® Advanced-N + WiMAX 6250 Intel® Centrino® Advanced-N 6200 Intel® Centrino® Advanced-N 6205 桌上型 Intel® Centrino® Advanced-N 6205 Intel® Centrino® Advanced-N 6230 Intel® Centrino® Advanced-N 6235 Intel® Centrino®Ultimate-N 6300 Intel® Centrino®Ultimate-N 6300 and Intel® Centrino® Advanced-N 6200 products Intel® Centrino® Wireless-N + WiMAX 6150 Intel® Centrino® Wireless-N 100 Intel® Centrino® Wireless-N 1030 Intel® Centrino® Wireless-N 105 Intel® Centrino® Wireless-N 130 Intel® Centrino® Wireless-N 135 Intel® Centrino® Wireless-N 2200 桌上型 Intel® Centrino® Wireless-N 2200 Intel® Centrino® Wireless-N 2230 Intel® PRO/Wireless 2000 LAN Access Point Intel® PRO/Wireless 2011 LAN Access Point Intel® PRO/Wireless 2011 LAN PC Card Intel® PRO/Wireless 2011B LAN Access Point

Intel® PRO/Wireless 2011B LAN PC Card Intel® PRO/Wireless 2011B LAN PCI Adapter Intel® PRO/Wireless 2100 網路連線 Intel® PRO/Wireless 2100A 網路連線 Intel® PRO/Wireless 2200BG Network Connection Intel® PRO/Wireless 2915ABG 網路連線 Intel® PRO/Wireless 3945ABG 網路連線 Intel® PRO/Wireless 5000 LAN Access Point Intel® PRO/Wireless 5000 LAN CardBus Adapter Intel® PRO/Wireless 5000 LAN Dual Access Point Intel® PRO/Wireless 5000 LAN PCI Adapter Intel® WiFi Link 5300 and Intel® WiFi Link 5100 products Intel® WiMAX/WiFi Link 5350 and Intel® WiMAX/WiFi Link 5150 products Intel® Wireless Gateway Intel® Wireless WiFi Link 4965AGN Xircom® CreditCard Wireless Ethernet Adapter (CWE-1120) Xircom® CreditCard Wireless Ethernet Adapter (CWE-1130) Xircom® SpringPort Wireless Ethernet Adapter (SWE1130) Xircom® Wireless Ethernet Access Point (APWE1120) Xircom® Wireless LAN Module for Palm* Handhelds (PWE1130)

WiMax - Control Plane Protocols and Procedures

1. Network Entry Discovery and Selection/Re-selection

    1.1 NAP Discovery: MS在检测到的channel上，通过解码和扫描ASN的DL-MAP，来检测NAPs. NAP_ID即Operator ID，用Base Station ID的高24bit来表示。

    1.2 NSP Discovery：一个NAP可以支持一个或多个NSP。The list of NSP IDs and verbose NSP names presented over the air interface as part of SII-ADV and/or SBC-RSP, and all NSP realms that can be obtained using SBC-REQ/RSP SHALL be uniform across all Base Stations of the same NAP ID

        MS顺序地对每个NAP执行NSP Discovery 操作；

    1.3 NSP Enumeration and Selection：WiMax支持手动和自动两种网络选择模式，在发现的NSP中做出选择

    1.4 ASN Attachment：选择好NSP之后，MS选择一个与该NSP相关连的ASN，使用NAI执行Attach过程。

2. WiMax密钥

    2.1 MS与Home NSP，通过EAP协议完成用户的身份验证功能。验证成功后，产生MSK和EMSK。
        2.1.1 MSK通过AAA协议传递到MS当前的NAS，用于生成密钥来保护R1(MS <-> BS)接口的数据传输。
        2.1.2 EMSK保存在MS和EAP验证服务器中，用于生成MIP-RK来保护Mobile IP的信令数据。


3. AAA

     3.1 For device authentication based on X.509 certificates, MS SHALL support EAP-TLS, Username of the NAI presented in EAP-Response/Identity SHALL be the MAC Address of the device.

    3.2 For user authentication, MS SHALL support at least one of EAP-AKA [18] or EAP-TTLS [19]. When EAP-TTLS is used, the MS and AAA SHALL support TTLS version 0 [19] and MS-CHAPv2 [20] as a tunneled authentication protocol.

    3.3 NAI.
      3.3.1 Outer-Identity, In EAP the outer identity refers to the NAI delivered by the EAP-Peer in the EAP-Identity Response. The RADIUS User-Name attribute is set to this value in the Access-Request. The AAA infrastructure routes the AAA packets according to the information contained in this attribute.

Mobile IP for IPv4

1. IP Mobility Support for IPv4, rfc3344.

    1.1 Mobile IP引入3个功能体.

        1.1.1 Mobile Node: 一个主机，可以在改变网络接入位置的情况下(接入不同的子网)，不改变通讯的IP地址。

        1.1.2 Home Agent: 一般情况下，是MN的归属网络上的路由器。负责 a)维护属于该HA的MN的位置信息；b)MN离开归属网络时，为MN转发数据。

        1.1.3 Foreign Agent: 一般情况下，是MN当前访问网络上的路由器。当MN在上面注册时，提供路由服务。

    1.2 Mobile IP的主要过程.

       

2. Mobile IP Network Access Identifier Extension for IPv4, rfc2794

   在MN(Mobile Node)不知道Home Address的情况下，MN可以使用AAA的NAI(Network Access Identifier)用于身份识别。这时，Registration Request消息中的Home Address域要被设置成全零，并增加一个Mobile Node NAI的附加域。

   FA (Foreign Agent)收到Registration Request消息后，如果发现Home Address为全零，则应该使用NAI进行消息路由。

DHCP

1. Dynamic Host Configuration Protocol; RFC 2131

    1.1 从client的角度来看，DHCP协议是BOOTP(RFC 951)的扩展

    1.2 DHCP的第一个作用是给client提供非易失的存储能力，以key-value的方式存储参数；

    1.3 DHCP的第二个作用是为client分配IP地址(临时的或永久的)；

    1.4 基本消息流程

       

EAP

1. Extensible Authentication Protocol (EAP), rfc3748

    1.1 EAP 定义了一个身份验证的框架，支持多种验证算法。

    1.2 EAP 对下层的传输协议没有依赖，自己提供可靠传输。具体来说，采用一一应答的方式，每一时刻处于传输过程中的消息只有一个。这种方式效率比较低，不适合用作大量数据传输。

    1.3 EAP 复用模型

        1.3.1 Lower layer.  The lower layer is responsible for transmitting and receiving EAP frames between the peer and authenticator.

        1.3.2 EAP layer.  The EAP layer receives and transmits EAP packets via the lower layer, implements duplicate detection and retransmission, and delivers and receives EAP messages to and from the EAP peer and authenticator layers.

        1.3.3 EAP peer and authenticator layers.  Based on the Code field, the EAP layer demultiplexes incoming EAP packets to the EAP peer and authenticator layers.

        1.3.4 EAP method layers.  EAP methods implement the authentication algorithms and receive and transmit EAP messages via the EAP peer and authenticator layers.

    1.4 EAP一共支持4种消息：Request/Response/Success/Failure

2. RADIUS Support For Extensible Authentication Protocol (EAP); rfc3579

    2.1 In RADIUS/EAP, RADIUS is used to shuttle RADIUS-encapsulated EAP Packets between the NAS and an authentication server. EAP-Message and Message-Authenticator attributes are introduced to support EAP.

    2.2 Example

3. The EAP-TLS Authentication Protocol; rfc5216

    3.1 EAP-TLS (Transport Layer Security) 在EAP协议的基础上，提供了一种 "certificate-based" 双向的身份验证和密钥生成机制

4. Basic case

RADIUS

1. Remote Authentication Dial In User Service (RADIUS), rfc2865

    RADIUS本身是个比较简单的协议，支持远程身份验证和Proxy. 通过下面几个消息，配合user-name, user-password等Attributes完成身份验证和用户配置功能。典型的应用有PPP验证等。

        Access-Request
        Access-Accept
        Access-Reject
        Access-Challenge

    RADIUS使用UDP协议来传递数据，IANA端口为 1812


2. RADIUS Accounting, rfc2866

    RADIUS协议的扩展，支持从Network Access Server (NAS) 到 RADIUS accounting server传递计费信息。IANA端口 1813

    在服务开始和结束的时候，RADIUS Accounting Client发送Accounting-Request消息到RADIUS Accounting server，服务状态在Attribute中说明。 Server接受这条消息时，返回Accounting-Response消息，否则，什么也不返回。Client超时后，可能重发这条Request消 息，也可能重建一条消息发送给备用服务器。


3. Dynamic Authorization Extensions to RADIUS, rfc3576

    RADIUS协议扩展，允许RADIUS server主动发起会话，动态地修改用户的session。比如改变用户的授权，或者断开该用户的连接。

        Disconnect-Request
        Disconnect-ACK
        Disconnect-NAK
        CoA(Change-of-Authorization)-Request
        CoA(Change-of-Authorization)-ACK
        CoA(Change-of-Authorization)-NAK

WiMax - Control Plane Protocols and Procedures

1. Network Entry Discovery and Selection/Re-selection

    1.1 NAP Discovery: MS在检测到的channel上，通过解码和扫描ASN的DL-MAP，来检测NAPs. NAP_ID即Operator ID，用Base Station ID的高24bit来表示。

    1.2 NSP Discovery：一个NAP可以支持一个或多个NSP。The list of NSP IDs and verbose NSP names presented over the air interface as part of SII-ADV and/or SBC-RSP, and all NSP realms that can be obtained using SBC-REQ/RSP SHALL be uniform across all Base Stations of the same NAP ID

        MS顺序地对每个NAP执行NSP Discovery 操作；

    1.3 NSP Enumeration and Selection：WiMax支持手动和自动两种网络选择模式，在发现的NSP中做出选择

    1.4 ASN Attachment：选择好NSP之后，MS选择一个与该NSP相关连的ASN，使用NAI执行Attach过程。

2. WiMax密钥

    2.1 MS与Home NSP，通过EAP协议完成用户的身份验证功能。验证成功后，产生MSK和EMSK。
        2.1.1 MSK通过AAA协议传递到MS当前的NAS，用于生成密钥来保护R1(MS <-> BS)接口的数据传输。
        2.1.2 EMSK保存在MS和EAP验证服务器中，用于生成MIP-RK来保护Mobile IP的信令数据。


3. AAA

     3.1 For device authentication based on X.509 certificates, MS SHALL support EAP-TLS, Username of the NAI presented in EAP-Response/Identity SHALL be the MAC Address of the device.

    3.2 For user authentication, MS SHALL support at least one of EAP-AKA [18] or EAP-TTLS [19]. When EAP-TTLS is used, the MS and AAA SHALL support TTLS version 0 [19] and MS-CHAPv2 [20] as a tunneled authentication protocol.

    3.3 NAI.
      3.3.1 Outer-Identity, In EAP the outer identity refers to the NAI delivered by the EAP-Peer in the EAP-Identity Response. The RADIUS User-Name attribute is set to this value in the Access-Request. The AAA infrastructure routes the AAA packets according to the information contained in this attribute.

WiMAX -- 網路結構和參考點

1.  功能体和参考点

几个重要的概念：
    1.1 Access Service Network (ASN):defined as a complete set of network functions needed to provide radio access to a WiMAX subscriber(为WiMAX用户提供无线接入服务的一个功能体）

    1.2 Network Access Provider (NAP):NAP is a business entity that provides WiMAX radio access infrastructure to one or more WiMAX Network Service Providers (NSPs). A NAP implements this infrastructure using one or more ASNs（为WiMAX运营商提供无线接入服务的基础设施，由一个或多个ASN组成。是一个商业上的概念）

   1.3 Connectivity Service Network (CSN):Connectivity Service Network (CSN) is defined as a set of network functions that provide IP connectivity services to the WiMAX subscriber(s).(为WiMAX用户提供IP联接服务的功能体）

   1.4 Network Service Provider (NSP): NSP is a business entity that provides IP connectivity and WiMAX services to WiMAX subscribers compliant with the Service Level Agreement it establishes with WiMAX subscribers. （为注册用户提供IP联接和其他WiMAX服务，是一个商业上的概念）



2. 组网方式。WiMAX可以采用灵活的组网方式，一个BS可以同时接入多个ASN-GW；一个ASN可以同时接入多个CSN，并且，这些CSN可以属于不同的Service provider.

3. 传输层的协议结构，分为控制面(CP)和数据(UP)面两种。控制面的消息直接在MAC(R1)或IP(R3/R6)上传递；用户面的消息在R3/R6上通过IP隧道传递。
 

 

4. 主要协议

4.1 IP地址分配: DHCP
4.2 AAA: RADIUS + EAP
4.3 移动性管理： MIPv4(Client MIP, ProxyMIP), IPv6

参考文献:
[1] WMF-T32-002-R010v04_Network-Stage2-Part1
[2] WMF-T32-003-R010v04_Network-Stage2-Part2

行動通訊邁向4G時代 LTE實體層設計大步創新

新通訊 2010 年 1 月號 107 期《 技術前瞻 》

文．黃麗芳/王家任/王吳祺

長程演進計畫 (LTE)是第三代合作夥伴計畫(3GPP)提出的重要次世代行動通訊技術。與前幾版不同的是，為了因應更高頻寬的需求，LTE捨棄以往行動通訊標準所使 用的分碼多重存取(CDMA)技術，改採與全球微波存取互通介面(WiMAX)相同的正交分頻多重存取(OFDMA)無線接取技術。因此許多WiMAX通 訊系統現存的問題也會出現在LTE上。為此，LTE的實體層提出不同的做法，以降低無線接取技術的複雜度，並為實現環境中可能出現問題謀求解決之道。

PAPR/HARQ/MIMO LTE設計面臨三大挑戰   舉例來說，OFDMA技術的峰值功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)向來是設計人員開發OFDMA通訊系統時的一大設計難題。過高的PAPR將提高射頻功率放大器的實作成本，且功耗大幅提高。例如在WiMAX系 統中，PAPR效應將損失近12dB的線性放大區間。LTE實體層為了考慮用戶端裝置的成本與功率，其上行鏈路改採單載波調變(SC-FDMA)，以避免 多載波調變所造成的PAPR問題。此外，在LTE的規格中，混合自動重傳技術(HARQ)被規定為必備功能，並配合前向糾錯(FEC)的處理，來更有效整 合傳輸速率與傳輸品質的變化。 最後，為了提升頻譜使用效率，多天線已成為無線訊號處理最終的手段。以理論值來看，實體天線的增加，幾乎可以線性地提升頻譜使用效率。由於LTE是一種鎖 定行動寬頻應用而開發的技術，必須具備高速傳輸資料的能力，因此多重輸入多重多輸出(MIMO)也成為LTE主要的技術規格。 本文將依上述之特色分段介紹LTE實體層的技術，並且對LTE實體傳輸架構(Frame Structure)和相關參數以及針對上下行鏈路分別解釋各實體層通道的定義。 剖析LTE訊框結構 LTE系統同時定義了分頻雙工(Frequency Division Duplexing, FDD)以及分時雙工(Time Division Duplexing, TDD)兩種不同的傳輸方式，下行鏈路傳輸架構是以傳統式的OFDM為基礎，上行鏈路則採用SC-FDMA技術。FDD是在兩個對稱頻率通道上進行傳送與 接收，通道間用保護頻段(Guard Band)分隔。FDD必須採用成對的頻率，並依頻率來區分上下行鏈路，其單向的資源在時間上是連續的；TDD是用時間來作為傳送與接收信道的分隔，其單 向的資源在時間上是不連續的，時間資源在兩個方向隨著不同的結構(Configuration)設定而進行不同的分配。 以FDD-LTE為例，LTE規格定義最小的單位為資源單位(Resource Element, RE)，而資料傳輸的最基本單位為一對資源區塊(Resource Block, RB)(圖1)。在LTE FDD下行鏈路的系統架構中，一個訊框(Frame)是由十個子訊框(Subframe)組成的，一個子訊框包含兩個時槽(Slot)，而依循環前綴 (CP)的長短不同分別定義為長循環前綴(Extended CP)及標準循環前綴(Normal CP)，一個時槽分別由六個OFDM符元(Symbol)與七個OFDM符元組成(圖2)。 圖1　LTE資源單位定義 圖2　LTE下行鏈路訊框架構 圖3　LTE上行鏈路訊框架構 表1　物理通道的種類與用途 Channel 用途 下行 Physical downlink share channel (PDSCH) 攜帶給使用者的資料。 Physical multicast channel (PMCH) 攜帶MBMS資料。 Physical downlink control channel (PDCCH) 攜帶控制資訊(Downlink control information，DCI)。 Physical control format indicator channel (PCFICH) 透過CFI(Control Format Indicator)指示PDCCH的格式。 Physical hybrid ARQ indicator channel (PHICH) 攜帶ACK/NACK資訊。 Physical broadcast channel (PBCH) 在進行cell search時，攜帶系統頻寬等資訊。 上行 Physical uplink share channel (PUSCH) 攜帶給使用者的資料。 Physical uplink control channel (PUCCH) 攜帶控制資訊(Uplink control information，UCI)。 Physical random access channel (PRACH) 在初始接取(initial access)時傳送preamble。 在同步訊號(Synchronization Signal, SS)的設計上，可分為主同步訊號(Primary SS, PSS)和輔助同步訊號(Secondary SS, SSS)。以一個訊框來說，兩者位於第一個與第六個子訊框中前一個時槽的最後兩個符元，因此其週期可視為5毫秒。在下行鏈路上，針對不同的用途，參考訊號 (Reference Signal, RS)可細分為三種，分別為蜂巢網專用(Cell-specific)RS、群播/廣播單頻網路(MBSFN) RS及用戶端專用(UE-specific)RS，參考訊號在頻域與時域都是交錯的，因此帶有參考訊號的子載波，其通道響應可直接計算出來，對於其他的子 載波，則必須透過內插演算法來進行估測；而在上行鏈路，針對不同的用途可分為兩種，分別為解調變(Demodulation)RS及探測 (Sounding)RS，參考訊號則占滿每一個時槽的第三個符元。 LTE在物理通道的種類與用途，針對上下行鏈路各有定義，如表1所示，而各個物理通道的位置可參考圖2及圖3。 單載波技術有助彌補OFDMA缺點 以WiMAX的標準而言，上下行傳輸都是採用OFDMA來達成效能最佳的需求，然而PAPR問題卻造成用戶端設備難以符合效能與成本的需求，因此LTE標 準在定義時，考量到用戶端設備的功率消耗和設計複雜度等議題，決定採用與WiMAX不同的上行技術，即接下來要介紹的SC-FDMA。 OFDMA之所以被WiMAX與LTE兩大標準陣營接納，關鍵在於其資料符號各自放在大量且緊密區隔的正交子載波上，經過調變並且傳輸，因此具備預防多重 路徑衰減(Multipath Fading)的健全性，且接收器架構相當有效率。此外，下行鏈路調變架構可採用正交相位位移鍵控(QPSK)、16階正交調幅(16QAM)及64階正 交調幅(64QAM)等不同調變方式的靈活性，也是其雀屏中選的原因。最後，在時間範圍中，可將保護區間(Guard Interval, GI)加入每個符元中，以消除由於通道延遲而造成符號間的相互干擾。 上述優勢對於提供行動寬頻服務而言非常重要，因此鎖定此一應用市場的WiMAX與LTE均採用OFDMA技術。然而，OFDMA技術並非完美，其訊號的 PAPR過高，便是一棘手難題。在系統實作時，設計人員必須使用線性放大範圍比較大的功率放大器，因此成本與功耗都隨之提高。 從使用者的觀點來看，若手持設備因功率消耗太大而須時常充電，就算內部功能設計的再好，使用者一定不會認同此產品，基於此點，上行採用低功率消耗的SC-FDMA會是較佳的選擇。 從圖4中，很明顯地可以看出兩者技術上的差異在於灰色區塊，即發送端在執行離散傅立葉反轉換(IDFT)之前須先做離散傅立葉轉換(DFT)，而相對地接 收端在執行IDFT前須先做DFT，多加此一步驟的差別在於把原本要執行等化器的領域，從時間域轉成頻域。由圖5可知，原本在時域上運算，若要得到輸出， 即須把輸入和通道反應執行迴旋運算(Convolution)動作，而若把兩個值同時轉到頻率域去執行，因為DFT的大小不會隨著通道反應的長度線性變 大，即變成很簡單的相乘，因此把問題簡單化，硬體實現也比較容易。 圖4　SC-FDMA與OFDMA架構圖差異 圖5　通道反應在時域與頻域的執行 隨後會接著子載波映射(Subcarrier Mapping)，此步驟把使用者的上行資料擺放到基地台所允許的頻帶上，在SC-FDMA中，有兩種方法可以實現，一種為分散式 (Distributed)，另一種為集中式(Localized)。圖6左為分散式，其方法把子載波按一定的間隔擺放，中間沒有擺放的部分則是無子載波 的情況，而圖6右則為集中式，此方法則是把所有子載波集中在一個區域中，其他無擺放的地方一樣視為無子載波的部分。現行的標準只支援集中式。 圖6　分散式與集中式子載波映射 另外，SC-FDMA時域上表現的波形與OFDMA很類似，但是轉到頻域上，其形狀就成為一個頻寬很寬的窄頻訊號，因此在接收端，OFDMA由於是多載波 的關係，須針對每個載波做等化並且個別偵測，而單載波的SC-FDMA則只需一個等化器對單一載波作等化與偵測(圖7)。 圖7　OFDMA與SC-FDMA接收端 以上探討的部分都為服務單一使用者的情況下，但是在一般情況下，都是多個使用者一起共享資源，基地台一次服務多個使用者(圖8)。不同使用者上行到基地台 的資料，若以集中式子載波映射的方式，則基地台端即會根據安排給不同使用者的資源區塊，個別做等化和偵測的動作，就達成多使用者同時使用資源的目的。 圖8　接收端處理多個使用者 TD/FD影響HARQ實作複雜度 在無線媒體傳送的過程中，資料封包往往會因為時變移動通道和多路徑衰落等許多因素的影響而造成傳送失敗，LTE採用混合式自動重送請求HARQ，是一種結 合了前饋式錯誤修正(Forward Error Correction, FEC)與自動請求回覆(Automatic Repeat reQuest, ARQ)方法的技術，可以由前一個失敗的嘗試中存下有用的資訊，供之後的解碼使用，以提高下次重傳的成功機率。 根據重傳的時間可分為同步與非同步兩種，同步重傳是指HARQ重傳的時序是事先就決定好的，當接收端解碼失敗，並回報NACK後，傳送端會在事先就安排好 的子訊框做重傳，不須再透過控制訊號告知接收端何時去接收重傳；反之，非同步的重傳是指重傳的時序可透過控制訊號動態改變。 根據重傳時的資料特性是否改變，重傳動作又可分為自適應性和非自適應性兩種，資料特性包括資源區塊的分配、調變方式、資料區塊的大小等。自適應傳輸是指在 每一次重傳過程中，發送端可以根據實際的通道狀態改變部分的傳輸參數設定，因此在每次傳輸過程中包含控制訊息要一併發送；在非自適應系統中，這些傳輸參數 相對於接收端而言都是事先已知的，因此毋須傳輸控制訊息。 LTE在下行鏈路支援非同步自適應性的重傳，能充分利用通道的狀態訊息，從而提高系統的吞吐量，且可避免重傳時資源分配發生衝突而造成性能損失；在上行鏈 路方面，LTE則支援同步非自適應性的重傳，這是因為上行鏈路的複雜性較高，來自其他手機的干擾是不確定的，因此必須根據通道的實際情況而選擇合適的調變 編碼方式，且通常上行鏈路的平均傳輸次數高於下行鏈路，在控制訊息的傳送量的考量下，上行鏈路採用訊息需求較少的同步非自適應性HARQ。 編碼處理過後儲存在環狀儲存區(Circular Buffer)中的資料封包分為兩部分，一個是原始的資料位元(Systematic Bit)，一個是額外產生的冗餘資料位元(Redundant Bit)，是當初始傳送不足以避免錯誤產生時，HARQ重傳機制提供額外的冗餘資料減低錯誤發生的機率，每一次的重傳根據冗餘版本(Redundancy Version, RV)值有所不同，原則上重傳的資料中會含較多的冗餘資料，如圖9所示。 圖9　環狀儲存區資料儲存示意圖 接收端在收到資料時，假若解碼失敗則回報NACK，並將該次收到的資料封包存在暫存器中，待收到重傳的封包時，與先前存在暫存器中的錯誤資料封包做軟結合(Soft-combining)，再進行解碼。 HARQ封包和回報的處理時間為3毫秒，LTE FDD系統中，手機發送數據後，經過3毫秒的處理時間，系統發送ACK/NACK，手機再經過3毫秒的處理時間確認。完成上述程序後，才算一個完整的 HARQ處理過程，因此在分頻雙工的LTE系統中，HARQ的往返時差(Round Trip Time, RTT)固定為8毫秒，且ACK/NACK位置固定，如圖10所示。分時雙工LTE系統中HARQ的設計原理與分頻雙工LTE相同，但由於分時雙工的上下 行鏈路在時間上是不連續的，手機發送ACK/ NACK的位置不固定，且同一種上下行配置的HARQ(圖11)的RTT長度有可能不一樣，因此其實作過程將較分頻雙工LTE複雜。 圖10　HARQ回報流程範例 圖11　LTE下行物理通道處理流程 傳輸分集/空間多工MIMO各有千秋 顧名思義，MIMO技術表示傳送端有多個訊號被輸入無線通道，接收端無線通道有多個訊號輸出，可提高頻譜效率，所以能夠保證較高資料速率。此外，透過傳送 端的空間預編碼(Precoding)和接收端的空間後編碼(Postcoding)等空間處理，也有助於改善無線系統的性能。MIMO技術與正交分頻多 工技術一起使用時，則可充分利用無線通道的功能，即透過空間分集(Spatial Diversity)和在多路徑環境中在採用空間上獨立的天線來實現。 在LTE標準架構下，目前在下行鏈路有做MIMO的設計，資料經過打亂(Scramble)及調變映射(Modulation Mapper)後，先將處理過的資料映射為N層，並將N層的資料分別進行預編碼，再個別將資料進行資源單位映射，最後將OFDM訊號在M根天線上傳送，其 中N≦M，而主要實現MIMO的關鍵在於分層映射(Layer Mapper)及預編碼。 MIMO技術可大略分為傳輸分集(Transmit Diversity)以及空間多工(Spatial Multiplexing)兩大流派，其中前者為避免發生在每根天線傳送路徑上的嚴重訊號衰落，先將輸入資料進行預編碼，再將編碼後的資料映射到對應的天 線上發送，透過多個天線發射獨立資料訊號，以增加資料傳輸的可靠性；後者則是透過增大空間分集來改善能量效率，提供在同一個射頻鏈路上，同時多個平行資料 流的傳送。 利用傳輸分集來實現MIMO時，資料處理將視傳送端的天線數量而有所改變，例如在兩根天線的條件下，其預編碼將把Alamouti演算法應用在頻域上面， 成為空頻區塊碼(Space-Frequency Block Code, SFBC)；而四根天線是結合了SFBC和頻率交換傳送分集(Frequency-Switched Transmit Diversity, FSTD)的方式來實現MIMO技術，其預編碼公式如圖12所示，加上FSTD的目的是由於在天線0與天線1上傳送的參考訊號較多，因此將不同的訊號使用 前兩個天線傳送較為適當。假設輸入資料由S1～S4組成，經過分層映射、預編碼等資料處理後由天線0～天線3發送，由圖13可知，天線0的子載波K及 K+1分別載送S1及S2，而子載波K+2及K+3是不傳送任何資料的，其餘天線的子載波傳送方式依此類推。 圖12　四根天線MIMO之編碼矩陣 圖13　四根天線MIMO資料傳輸示意圖 利用空間多工來實現MIMO時，舉例來說，若在傳送端與接收端各有兩支天線，則最高可以同時有兩條平行的資料流在同一射頻鏈路上傳送，傳輸速率的增加可達 到兩倍之多。在實現MIMO時一樣會經過預編碼，但不同於傳輸分集的是預編碼矩陣採用碼簿(Codebook)的方式，此碼簿是傳送端與接收端皆已知的， 傳送端在控制訊息中會告知接收端使用的碼簿編號，以利接收端進行後編碼。 另外此方法常常會伴隨使用週期性延遲分集(Cyclic Delay Diversity, CDD)，在符元加上保護區間之前，先加上週期性延遲(Cyclic Delay, CD)，將原始資料欲延遲的取樣點移動到最前面，再將處理過後的資料(斜線部分)加上保護區間，成為一個新的OFDM符元，作法如圖14所示。 圖14　週期性延遲分集技術 在不同根天線製造傳送時間延遲是為了對抗時變通道(Time-variant Channel)，但一般訊號經過時間延遲之後容易造成符元間的干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)，因此天線上總延遲的時間必須小於保護區間的長度，而使用CDD後更能妥善利用OFDM訊號的特性，將不再受限於此。 LTE實體層預埋4G伏筆 高傳輸速率是目前下世代通訊技術最重要的目標，因此大頻寬以及高頻寬使用效率則成為各項通訊規格角逐的重要指數。LTE目前雖然仍定位為後3G技術，但是 根據LTE的各項實體層技術規範，卻已經可以勾勒出4G技術的實體層的輪廓。譬如採用OFDM技術來因應大頻寬的使用，並配合MIMO技術的來倍數提升速 率，接著採用HARQ來穩定通訊品質與通訊速率的變化，此外再進一步考慮手持裝置的成本與功耗。因此不管未來的4G主流為何種標準規格，在LTE系統下， 實體層工程師已經得到了最佳的設計方向，並確立了未來研究發展的目標。 (本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)

基於WiMAX的無線視頻監控系統設計方案(圖)

0 引言
传统的视频监控系统基本都是定点监控， 受制于硬件及传输线路的连接， 不能满足行业的特殊需要。基于无线通信网络的移动监控技术可以很好地满足这一社会需求。目前国内现有的移动通信网络有GSM 网络、GPRS 网络、CDMA 1X 网络，利用无线信道传输话音、数据和视频己经可以实现，但是普遍存在传输速率不高、传输图像不稳定和传输的信息存在安全漏洞等问题。本文主要研究了基于WiMAX 的无线视频监控系统的组网与应用，WiMAX 具有良好的非视距特性和高带宽， 可以满足复杂城市环境中的传输要求， 能够很好地解决对环境要求比较苛刻、不易敷设线缆地方的视频监控的问题，比如旅游景点等。
　　1 WiMAX 系统概述及网络体系结构 在市场和技术的共同驱动下， 无线通信系统在最近几十年经历了几次巨大跨越， 从2G 到3G,无线移动通信系统解放了有线的束缚， 成为人们必不可少的通信手段。WiMAX 是一项基于IEEE 802.16空中接口标准的宽带无线接入城域网（BWAMAN）技术。2007 年10 月，国际电信联盟（ITU）已批准WiMAX 宽带无线接入技术成为移动设备的全球标准。WiMAX 成为继WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA后全球第四个3G 标准。
WiMAX 系统的通信实体包括移动用户台（MSS）、接入服务网络（ASN）、连接服务网络（CSN）和应用服务提供商（ASP）网络或者Internet.有关非漫游模式端到端参考模型如图1 所示。

图1 基于802.16 的非漫游模式端到端参考模型

ASN 由基站（BS） 和ASN 网关（ASN GW） 构成， 作为一个逻辑实体， 它的功能是管理IEEE802.16 空中接口， 为WiMAX 用户提供无线接入。
ASN 网关是BS 和CSN 通信的管理通信实体。ASN作为WiMAX 系统的接入网，为WiMAX 用户提供无线接入。
CSN 是一套网络功能的组合，为WiMAX 用户提供IP 连接。CSN 包含许多功能实体，如路由器、AAA 代理或者服务器、用户数据库、互联网关等。
协议接口位于两组功能之间， 两组功能则分别位于协议接口两侧的功能实体中， 协议接口两侧的网络实体通过标准的协议接口上的协议实现互操作。图1 包含了非漫游模式端到端模型定义的主要接口。
　　2 WiMAX 系统采用的关键技术 WiMAX 技术是新一代宽带无线接入技术，通过接入核心网从而提供业务。与之前的宽带无线接入系统相比， 它的优势来源于所采用的空中接口技术，其技术优势可简要概括为以下几点：a）传输距离远，WiMAX 的无线信号传输距离最远可达50km.
b） 接入速率高，WiMAX 所能提供的最高接入速率是70Mbit/s.c）支持固定、游牧、便携和全移动多种场景。d）基站对信道资源进行集中管理，实现了空口的QoS 管理。
2.1 正交频分复用（OFDM）技术
OFDM 是一种多载波传输技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送，这是最朴素的实现宽带传输的方法。在数字信号处理技术FFT 发展的推动下， 允许将各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性，从而有效避免了子载波之间的干扰。由于相同的带宽内容纳了更多的子载波， 部分重叠的子载波可以大大提高频谱效率[3].OFDM 技术成为新一代无线通信的核心技术，是由于它具有以下优点： 频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频谱资源灵活分配、实现OFDM 技术较简单。
2.2 多进多出（MIMO）技术
MIMO 技术可以在不消耗额外空口资源的基础上成倍地提高系统容量和频谱效率。
MIMO 系统是指在发射机/ 接收机采用多天线发 送/ 接收的系统，MIMO 系统之所以可以在不消耗额外时间和频率资源的基础上大大提高系统容量，是因为它利用了第三种资源---空间。不同的天线只要相隔一定距离， 它们就可以拥有不同的多径衰落信道，从而可以实现"空间分集".利用这种空间分集，就可以改变信道的性质，变为多进多出信道。
通信理论证明，MIMO 信道的容量可以成倍地高于单进单出信道。
2.3 自适应调制编码（AMC）技术
AMC 的原理是根据用户瞬时信道质量状况和当前资源，选择最合适的下行链路调制和编码方式。
靠近基站的用户接收信号功率强， 采用高阶调制方式（如16QAM 或64QAM）和高速率信道编码（3/4编码速率）使用户获得尽量高的数据吞吐率；当信号较差时，则选取低阶调制方式（如QPSK）和低速率信道编码（1/4 编码速率） 来保证通信质量。
WiMAX 采用AMC 作为基本的链路自适应技术对调制编码速率进行选择。
　　3 WiMAX 在视频监控中的实际应用 WiMAX 技术提供了灵活的QoS 机制，可以根据不同的业务需求和特性配置不同的QoS 策略，包括语音、视频及互联网接入等，既保证了网络带宽的稳定性，同时又可以有效地利用网络资源。WiMAX网络承载包括两部分：无线承载和IP 传输承载。无线承载通过IEEE 802.16 机制提供端到端的QoS服务，IP 传输承载则采用DiffServ 和多协议标识交换（MPLS）等IP 网络的技术来保证QoS.
典型的IP 智能监控解决方案拓扑结构如图2所示。

图2 无线接入视频监控解决这群组网图

在实际组网中，根据视频监控点分布的位置，结合可安装WiMAX 无线接入基站的机房资源、数据网络节点的分布情况以及可用频率资源情况， 选择合适的站址设立WiMAX 中心站（基站）。各监控点作为无线接入的远端站， 通过和基站间的空中链路实现与中心基站的连接， 中心基站通过100Mbit/s端口接入IP 承载网， 这样各监控点的数据通过WiMAX 无线接入的方式经过中心机房汇聚后接入监控中心。
WiMAX 无线视频监控系统主要由视频采集前端系统、无线传输系统、监控中心和远程监控四个部分组成。
3.1 视频采集前端系统
由摄像头、监听头、对讲设备、报警探头和编解码器等组成， 其中的编解码器采用的是H3C 的设备。当前端到中心的带宽足够、允许中心存储时，前端配置EC 编码器；当带宽有限、无法中心存储时，采用支持前端存储的ECR 编码器；当前端需要解码还原图像时， 通过加装的DC 解码器实现图像的现场查看。
EC 编码器支持接入摄像头和监听的视音频信号， 并将其转换压缩为数字信号通过空间链路传送到监控中心。EC 支持移动侦测报警， 支持通过RS485 口对云台、球机的控制，支持接入对讲设备和报警输入输出设备，满足视频监听、云台控制、对讲和报警接收联动的基本需求。同时支持本地缓存，当网络故障时可 以保存图像信息。
ECR 编码器同样支持接入摄像头和监听的视音频信号， 并将其转换压缩为数字信号传送到监控中心。ECR 支持通过RS485 口对云台、球机的控制，支持接入对讲设备和报警输入输出设备。内置最大8 个盘位和支持RAID5 的NAS 盘阵， 可以提供高可靠的本地存储。ECR 还可以为局域网环境下的其他EC 编码器提供NAS 存储服务，通过EC 编码器扩展ECR 的编码能力。
DC 编码器用于接收中心指令， 将系统中任何一路编码的图像解码还原成模拟的视音频信号，接入到现场电视机或者其它影像设备， 用于展示实时视频信息或视频指挥。
所有编解码器都可以被监控中心的集成监控中心主机统一配置、认证和网管。
3.2 无线传输系统
通过WiMAX 的远端站CPE（客户端设备），将前端系统采集到的视频等数字信号处理为射频信号后发往基站， 再由基站通过以太网或光纤传输到视频监控中心统一监视、管理。
由于无线传输信道的开放性，使得WiMAX 系统必须具有很好的安全机制来保证网络的安全性。
WiMAX 安全规范的核心基于MAC 层协议栈的安全子层， 大部分的算法和安全机制都以MAC 控制信息的形式存在于此。WiMAX 可以自由地选取工作在7 层模型中更高层（如网络层、传输层、会话层等）上的安全机制，这些机制包括IP 安全（IPSec）协议、传输层安全（TLS） 协议和无线传输层安全（WTLS）协议。该子层提供接入控制，通过电子签名的双向设备认证机制， 并且应用密钥变换进行加密以保证数据传输的机密性。当两个设备建立连接，协议就发挥了确保机密性和认证设备的作用。
3.3 监控中心
监控中心的核心设备包括集成监控中心主机和集成监控中心辅机。作为整个系统的核心管理服务器， 可以对前端和中心所有的编解码器进行统一配置、认证和网管，对所有用户访问进行统一认证，对报警、云台控制、解码输出控制的输出指令进行接收、转发和联动 处理。主机内置防火墙功能可以杜绝恶意入侵，保障系统信息安全。
集成监控中心主机作为整个系统的Web 服务器为用户提供Web 客户端访问服务， 通过Web 客户端可以实现对前端编解码器的统一配置和网管，还可以接收解码前端编码器传输过来的数字视音频信号，实现图像语音监视监听、图像查询回放、报警接收等功 能。Web 客户端还可以通过主机发送指令给中心解码器解码输出视频信号上电视墙， 实现数字矩阵的功能。集成监控中心主机配合辅机可以作为NVR 网络视频录像机使用， 主机和辅机均可以接收指定编码器传送上来的视频存储流， 内置的8个盘位NAS 存储空间可以提供高质量的存储服务，同时提供RAID5 保护。
主机内置了丰富的人机界面接口， 可以接入显示器、监视器、专业键盘和鼠标，方便监控中心操作人员直接在主机上监视、控制远程图像，并通过中心的视音频采集通道和对讲通道实现和现场人员的可视对讲、广播。
3.4 远程监控
远程监控中心可以通过Web 客户端访问控制中心的主机，在授权范围内实现基本视频功能，同时还可以通过远程监控中心配置实现二级监控。
4 结束语
与传统有线视频监控系统相比， 采用IEEE802.16 技术标准，基于WiMAX 宽带无线接入的视频监控系统具有高带宽、非视距、覆盖范围广等优点，突破了传统视频监控系统中有线传输的限制，实现了"最后一公里"的无线接入，有利于在光纤不易敷设的地方快速架设、组网。
作者：李攀 周凤星