WiMAX技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及組網(wǎng)技術(shù)

摘要　本文全面介紹了WiMAX系列標(biāo)準(zhǔn)，且對比了Wi-Fi，WiMAX和3G各標(biāo)準(zhǔn)的特征和優(yōu)缺點(diǎn)�；�于現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)配置，詳細(xì)闡述了WiMAX組網(wǎng)的三個(gè)階段，并介紹了不同階段下的詳細(xì)組網(wǎng)策略。

關(guān)鍵詞　WiMAX　Wi-Fi　3G　IEEE802.16

1、引言

隨著通信技術(shù)和新業(yè)務(wù)的部署。市場與技術(shù)的相互作用，未來通信領(lǐng)域一些新的特點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來。一方面，傳統(tǒng)寬帶固定接入用戶已經(jīng)不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(wù)，希望使用寬帶接入移動(dòng)服務(wù)；另一方面，傳統(tǒng)的移動(dòng)用戶也不滿足于簡單的語音、短信和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，希望能使用更高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)。用戶需求的變化使固定寬帶接入服務(wù)和移動(dòng)服務(wù)在技術(shù)和業(yè)務(wù)上呈現(xiàn)融合的趨勢，寬帶移動(dòng)化和移動(dòng)寬帶化逐漸成為兩個(gè)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的趨勢，并互為補(bǔ)充、互相促進(jìn)。在移動(dòng)寬帶化方面，3gpp/3gpp2已經(jīng)制定了1xev-do、hsdpa/hsupa等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在移動(dòng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在寬帶移動(dòng)化方面，IEEE 802工作組先后制定了WLAN和WiMAX等技術(shù)規(guī)范，意圖能沿著固定、游牧／便攜、移動(dòng)這樣的演進(jìn)路線逐步實(shí)現(xiàn)寬帶移動(dòng)化，其中IEEE 802.16 WiMAX是寬帶移動(dòng)的重要里程碑。促進(jìn)了移動(dòng)寬帶的演進(jìn)和發(fā)展[1，2]。

WiMAX是IEEE802.16技術(shù)在市場推廣方面采用的名稱，其物理層和MAC層技術(shù)基于在IEEE 802.16工作組中開發(fā)的無線城域網(wǎng)（WMAN）技術(shù)，WiMAX也是IEEE 802.16d/e技術(shù)的別稱。本文首先將系統(tǒng)全面介紹IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)，對比Wi-Fi，WiMAX和3G各標(biāo)準(zhǔn)的特征和優(yōu)缺點(diǎn)，基于現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)配置，詳細(xì)闡述了WiMAX的組網(wǎng)三步曲，介紹了不同階段下的詳細(xì)組網(wǎng)策略，用于支持高速移動(dòng)、無縫通信的高速多媒體業(yè)務(wù)傳輸。

2、WiMAX無線接入技術(shù)

IEEE 802.16是為制定無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)而專門成立的工作組，該工作組自1999年成立以來，主要負(fù)責(zé)固定無線接入的空中接口標(biāo)準(zhǔn)制定，為了推廣基于IEEE802.16和ETSI HiperMAN協(xié)議的無線寬帶接入設(shè)備，并且確保他們之間的兼容性和互操作性，2001年4月，由業(yè)界主要的無線寬帶接入廠商和芯片制造商共同成立了一個(gè)非營利工業(yè)貿(mào)易聯(lián)盟組織——WiMAX。

2.1　WiMAX系列標(biāo)準(zhǔn)

最初的IEEE 802.16協(xié)議是2001年12月IEEE通過的無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)支持的工作頻段為10～66GHz，只能承載在視距的環(huán)境中，這些限制并不利于固定寬帶接入技術(shù)的推廣，所以在2003年1月，IEEE又發(fā)布了擴(kuò)展協(xié)議IEEE 802.16a，目的在于使固定寬帶接入技術(shù)也能支持非視距傳輸，工作頻率范圍為2～11GHz需要許可證和免許可證頻段。目前，為了能夠使IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)能夠傳輸從幾兆比特每秒到幾百兆比特每秒的數(shù)據(jù)，提供高速多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)哪芰�，成為解決接入網(wǎng)“最后一公里”瓶頸的有效手段，對IEEE 802.16a協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了融合后的IEEE802.16 REVd協(xié)議，也稱為IEEE 802.16-2004協(xié)議，目前該協(xié)議已經(jīng)成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，各大廠商都基于該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和推出各種固定無線接入產(chǎn)品。目前正在標(biāo)準(zhǔn)化的IEEE 802.16e協(xié)議作為固定接入技術(shù)的擴(kuò)展，增加了終端用戶的移動(dòng)性功能，從而使移動(dòng)終端能夠在不同基站間進(jìn)行切換和漫游。

2.2　協(xié)議棧模型

IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)專門定義了WiMAX的無線空中接口。其參考模型如圖1所示。IEEE 802.16目前只對固定用戶終端（SS）和基站（BS）之間的U接口進(jìn)行了規(guī)范，而BS之間的IB接口、BS與RNC（與WCDMA系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC功能類似）之間的A接口不屬于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)組織工作范疇。IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)定義的空中接口由物理層和MAC層組成，如圖2所示。MAC層支持點(diǎn)對多點(diǎn)（PMP）結(jié)構(gòu)，也適用于網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MAC層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為可支持多種物理層規(guī)范，不同的物理層技術(shù)適合不同的無線傳播環(huán)境。 

圖1　IEEE 802.16協(xié)議模型 

圖2　協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

IEEE 802.16 MAC層由高到低劃分為3個(gè)子層。

（1）特定服務(wù)匯聚子層（Service-Specific ConvergenceSublayer）：提供與更高層的接口，通過不同的會聚方式更好地適配各種上層協(xié)議；

（2）公共部分子層（Common Part Sublayer）：負(fù)責(zé)執(zhí)行MAC層的核心功能，包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接建立、連接維護(hù)等；

（3）安全子層（Privacy Sublayer）：提供加密、鑒權(quán)、密鑰交換等與安全有關(guān)的功能。

2.3　物理層規(guī)范

目前最通用的IEEE 802.16-2004空中接口物理層規(guī)范根據(jù)系統(tǒng)工作的頻段做了相應(yīng)的規(guī)定，具體可分為兩類。

（1）10～66GHz：這個(gè)頻段內(nèi)的電磁波波長在毫米波段，波能量易被地面和建筑物吸收，因此要求發(fā)射天線和接收天線之間不能有障礙物，即視距傳輸。此外傳輸信號還易受雨衰等影響，使得對系統(tǒng)的部署要求非常高，覆蓋面積較小。但該頻段頻率資源豐富，分配的頻段較寬，系統(tǒng)容量大。IEEE 802.16對這個(gè)頻段的物理層規(guī)范是WMAN_SC，采用單載波調(diào)制技術(shù)；

（2）2～11GHz：該頻段包含需要許可證和免許可證兩種頻譜資源，主要為支持非視距傳輸而提出。頻段內(nèi)的電磁波較長，發(fā)射天線和接收天線不必有視距傳輸，因此多徑干擾問題突出。此外，許多別的無線設(shè)備也工作在此頻段內(nèi)，如藍(lán)牙系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等，如何與這些設(shè)備共存而不增加彼此干擾，也是一個(gè)需要解決的問題�？紤]到系統(tǒng)工作的物理環(huán)境，該頻段支持3種物理層規(guī)范：

*WMAN_SCa：采用單載波自適應(yīng)調(diào)制策略，下行鏈路使用點(diǎn)對多點(diǎn)的廣播方式進(jìn)行信號傳輸，基站通過給BS內(nèi)所有的SS發(fā)射TDM信號，目標(biāo)SS檢測到是分配給自己的時(shí)隙則啟動(dòng)信號的接收。而在上行鏈路采用TDMA方式；

*WMAN_OFDM：采用256點(diǎn)變換的正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，下行采用TDM方式，上行接入采用TDMA+OFDMA作為多址方式，該空中接口對于免許可證的頻段是必選的；

*WMAN_OFDMA：采用2048點(diǎn)變換的OFDM調(diào)制技術(shù)。通過為每個(gè)接收機(jī)分配一組子載波來實(shí)現(xiàn)多址傳輸，上下行都采用TDMA+0FDMA作為多址方式�？紤]到NLOS特性，采用了先進(jìn)的自適應(yīng)天線系統(tǒng)（AAS），ARQ以及動(dòng)態(tài)頻率選擇（DFS）等先進(jìn)技術(shù)。

IEEE 802.16系統(tǒng)可以工作在頻分雙工（FDD）或時(shí)分雙工（TDD）方式。FDD需要成對的頻率，TDD則不需要，而且可以靈活地實(shí)現(xiàn)上下行帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整。

在IEEE 802.16中，還規(guī)定了終端可以采用半雙工頻分雙工（H-FDD）方式，降低了對終端收發(fā)器的要求。從而降低了終端成本。

2.4　傳輸速率

IEEE 802.16并未規(guī)定具體的載波帶寬，系統(tǒng)可以采用從1.25～20MHz之間的帶寬�？紤]各個(gè)國家已有固定無線接入系統(tǒng)的載波帶寬劃分，IEEE 802.16規(guī)定了幾個(gè)系列，1.25MHz的倍數(shù)、1.75MHz的倍數(shù)。1.25MHz系列包括1.25/2.5/5/10/20MHz等。1.75MHz系列包括1.75/3.5/7/14MHz等。對于10～66GHz的固定無線接入系統(tǒng)，還可以采用28MHz載波帶寬，提供更高的接入速率。

WMAN_SC規(guī)定在該頻段采用單載波調(diào)制方式，具體可以采用QPSK和16QAM，可選支持64QAM。WMAN_SCa可以采用的調(diào)制方式最多，支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，甚至可選支持256QAM。WMAN_OFDM每個(gè)子載波的調(diào)制方式可支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，其中64QAM對于免許可證頻段是可選的。WMAN_OFDMA每個(gè)子載波的調(diào)制方式可以支持QPSK、16QAM，可選支持64QAM。

比較可知，WMAN_OFDMA具有最佳的頻譜效率，但幾種物理層技術(shù)理論性能相差不大。需要說明的是WMAN_SCa抗多徑和頻率選擇衰落非常差，所以在NLOS環(huán)境中一般不采用該物理層配置。WiMAX對固定終端的覆蓋范圍一般在5～15km。而對低速移動(dòng)終端支持的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16e仍在制定中，要求覆蓋范圍達(dá)到幾公里，支持切換等移動(dòng)性管理。

2.5　不同網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)比較

在未來的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，Wi-Fi、WiMAX和蜂窩系統(tǒng)（主要指3G以及后3G系統(tǒng)）都能提供電信級應(yīng)用，從支持用戶的移動(dòng)性來看，Wi-Fi和WiMAX都較差。而蜂窩系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)無縫切換；從支持的傳輸速率來看，WiMAX有無法比擬的優(yōu)勢，Wi-Fi較蜂窩網(wǎng)絡(luò)其傳輸速率顯著提高；從單基站覆蓋范圍來看，WiMAX的覆蓋范圍最大，蜂窩網(wǎng)絡(luò)次之，WLAN最��；從網(wǎng)絡(luò)管理的角度來看，由于IEEE 802系列協(xié)議只定義了物理層和MAC層協(xié)議，所以WiMAX和Wi-Fi可以借鑒蜂窩網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)和計(jì)費(fèi)等功能[4]。

3、WiMAX組網(wǎng)技術(shù)

作為一種無線空中接口標(biāo)準(zhǔn)，2004年頒布的IEEE 802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)可以被移動(dòng)運(yùn)營商作為分組數(shù)據(jù)的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)不支持用戶終端的移動(dòng)性。但是未來的IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)將有較好的移動(dòng)性支持，可以單獨(dú)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋。所以從技術(shù)的演進(jìn)，支持的用戶移動(dòng)性和全網(wǎng)覆蓋角度來看，WiMAX組網(wǎng)是一個(gè)逐漸演化的過程，從補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)到局部的單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)到最后的全覆蓋網(wǎng)絡(luò)，具體演進(jìn)步驟如圖3所示[5]。

圖3　IEEE 802.16演進(jìn)策略

在上面的演化策略中，并沒有包含目前已經(jīng)商用化的固定寬帶無線接入系統(tǒng)，如本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（LMDS）系統(tǒng)，因?yàn)槠湮锢韺硬捎玫倪�是單載波技術(shù)，并且其采用的頻率為10～66GHz頻段。而我們這里所闡述的系統(tǒng)物理層都基于OFDM技術(shù)，并且采用2～10GHz頻段，支持NLoS傳輸。

3.1　第一階段

WiMAX特別適合傳遞高突發(fā)性的數(shù)據(jù)，其MAC結(jié)構(gòu)也同時(shí)支持實(shí)時(shí)的多媒體和同步應(yīng)用，這意味著它特別適合于寬帶無線傳輸。WLAN最大的特點(diǎn)是便攜性，主要解決用戶“最后100m”的通信需求，定位于熱點(diǎn)地區(qū)的高速移動(dòng)數(shù)據(jù)接入，但不支持高速移動(dòng)性，主流應(yīng)用是商務(wù)用戶在酒店、機(jī)場等熱點(diǎn)使用便攜電腦上網(wǎng)瀏覽或訪問企業(yè)的服務(wù)器。而WiMAX在今天的Wi-Fi系統(tǒng)基礎(chǔ)上可以同時(shí)進(jìn)行距離和高QoS要求的應(yīng)用的擴(kuò)展。

這一階段WiMAX和Wi-Fi都不提供高速的用戶移動(dòng)支持，所以為了達(dá)到全網(wǎng)覆蓋，需要聯(lián)合3G蜂窩系統(tǒng)，作為3G系統(tǒng)受系統(tǒng)開銷及復(fù)雜度限制而無法實(shí)現(xiàn)高速寬帶IP數(shù)據(jù)覆蓋及漫游方面的增強(qiáng)。

從以上的分析可知，這一階段將是Wi-Fi，WiMAX和3G網(wǎng)絡(luò)共存階段。Wi-Fi定位于熱點(diǎn)地區(qū)內(nèi)的高速移動(dòng)數(shù)據(jù)接入，WiMAX把不同的熱點(diǎn)地區(qū)串接起來，實(shí)現(xiàn)更廣范圍的高速數(shù)據(jù)接入，主要解決“最后一公里”的通信需求，而3G網(wǎng)絡(luò)定位于移動(dòng)用戶的語音通信和全網(wǎng)范圍內(nèi)的低速數(shù)據(jù)通無線通信。由于Wi-Fi和WiMAX都只是定義了無線空中接口的物理層和MAC層，這時(shí)需要和3G網(wǎng)絡(luò)采用松散模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合，使得用戶的鑒權(quán)、加密和計(jì)費(fèi)由3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。WiMAX RNC也可以直接利用目前有線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體完成相應(yīng)的鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)和網(wǎng)管等。Wi-Fi、WiMAX和3G系統(tǒng)的相互關(guān)系如圖4所示。 

圖4　Wi-Fi/WiMAX/3G第一階段混合組網(wǎng)關(guān)系示意圖

這一階段的網(wǎng)絡(luò)特征是通過WiMAX把Wi-Fi的接入點(diǎn)通過無線的方式結(jié)合起來與主干網(wǎng)絡(luò)直接相連，從而使得Wi-Fi基站布置變得特別方便和機(jī)動(dòng)，同時(shí)也解決了3G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋難的問題，由于可以都在3G網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行用戶的鑒權(quán)、加密和計(jì)費(fèi)，從而打破了無線和有線用戶之間的界限，并且用戶只要使用唯一的賬號就能進(jìn)行無縫通信。由于WiMAX基站的功能是管理固定的Wi-Fi接入點(diǎn)之間的通信，而AP點(diǎn)間主要是LOS傳輸，所以此時(shí)可以不采用OFDM等高級技術(shù)，載頻在10～66GHz，采用WMAN-SC協(xié)議。

3.2　第二階段

在這一階段，WiMAX增加了移動(dòng)設(shè)備的便攜式和慢速移動(dòng)特性，但是終端用戶并不具有在不同WiMAX基站之間進(jìn)行切換的功能。WiMAX終端除了能進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸功能外，還能進(jìn)行VoIP語音通信，這時(shí)把具有便攜和移動(dòng)性的WiMAX用戶終端稱為移動(dòng)用戶終端（MSS）。為了能達(dá)到全網(wǎng)通信，終端具有Wi-Fi/WiMAX/3G多模功能，此時(shí)Wi-Fi/WiMAX/3G不同網(wǎng)絡(luò)之間的融合問題更加復(fù)雜，為了不改變不同網(wǎng)絡(luò)之間原有的配置，建議采用松耦合模式。

為了支持用戶的移動(dòng)性，需要采用IEEE 802.16e協(xié)議，對于WiMAX的MSS而言，此時(shí)WiMAX的B S類似一個(gè)接入點(diǎn)（AP），它承載的功能類似3G系統(tǒng)中的基站，具體的參考模型如圖5所示。MSS和AP實(shí)體都需要增加上層協(xié)議，以便進(jìn)行無線資源管理、移動(dòng)性管理和通信事件任務(wù)管理等，相對于固定節(jié)點(diǎn)的U和A接口，改進(jìn)后分別為MU和MA。 

圖5　WiMAX/3G參考協(xié)議模型 

圖6　Wi-Fi/WiMAX/3G第二階段混合組網(wǎng)關(guān)系示意圖

Wi-Fi、WiMAX和3G系統(tǒng)的相互關(guān)系如圖6所示，和第一階段的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，主要是增加了MSS的通信功能。

和第一階段一樣，本階段主要通過松耦合的方式借用3G的IP核心網(wǎng)絡(luò)，為IEEE 802.16 SS/MSS進(jìn)行尋址、認(rèn)證、服務(wù)授權(quán)、加密和計(jì)費(fèi)等網(wǎng)絡(luò)管理，以減少核心網(wǎng)的投資成本。這時(shí)需要在3G分組核心網(wǎng)絡(luò)中專門定義一個(gè)接口，用于和WiMAX RNC通信。為了支持MSS的便攜和低移動(dòng)特性，需要采用WMAN_OFDM和WMAN_OFDMA物理層以克服NLOS的影響，此時(shí)工作頻段需在2～11GHz，而SS在1O～66GHz頻段采用MAN_SC，或者在2～11GHz頻段采用WMAN_SCa進(jìn)行通信。

3.3　第三階段

隨著WiMAX網(wǎng)絡(luò)的逐步擴(kuò)展，IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)不斷完善以及對移動(dòng)性的良好支持，可以采用WiMAX全網(wǎng)覆蓋的組網(wǎng)方式。相比于第二階段組網(wǎng)方式。需要額外提供支持WiMAX的核心網(wǎng)設(shè)備，具體如圖7所示。未來將主要在2～6GHz頻段內(nèi)支持WiMAX移動(dòng)終端的全網(wǎng)覆蓋，由WiMAX中的RNC負(fù)責(zé)集中網(wǎng)絡(luò)控制，以及作為無線網(wǎng)與核心網(wǎng)通信的轉(zhuǎn)載實(shí)體。在WiMAX的基站和RNC之間的信息交互可以采用MPLS或者區(qū)分服務(wù)QoS的IP-in-IP隧道協(xié)議，而在不同RNC之間通信或者RNC與核心網(wǎng)間的信息交互則采用快速標(biāo)簽交換路徑（LSP）交換協(xié)議。

圖7　Wi-Fi/WiMAX/3G第二階段混合組網(wǎng)關(guān)系示意圖

4、結(jié)束語

由于3G蜂窩系統(tǒng)全面商用化一再推延，使得各種無線接入技術(shù)獲得了迅速發(fā)展。在未來無線通信領(lǐng)域，很難有哪種技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)能夠一統(tǒng)天下，而將是各種無線接入技術(shù)并存，各種移動(dòng)通信系統(tǒng)互相兼容和合作的格局。WiMAX作為一種新興的寬帶城域網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)。采用了很多先進(jìn)和成熟的技術(shù)，能提供高的傳輸速率和強(qiáng)的QoS保證，并且隨著標(biāo)準(zhǔn)的完善能夠支持用戶的移動(dòng)性，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無縫覆蓋。鑒于目前已存的各種蜂窩系統(tǒng)和發(fā)展強(qiáng)勁的Wi-Fi，WiMAX組網(wǎng)和使用首先應(yīng)定位于對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)支持的補(bǔ)充，隨著技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)配置不斷完善，充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢和組網(wǎng)的靈活性，最后通過獨(dú)立組網(wǎng)達(dá)到全網(wǎng)覆蓋，既能提供高速的數(shù)據(jù)傳輸和保證QoS，并且能夠全網(wǎng)無縫漫游。目前WiMAX除了需要繼續(xù)完善IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，提供和Wi-Fi以及3G的網(wǎng)絡(luò)互連和協(xié)作外，還需要盡快推出相應(yīng)的終端和基站設(shè)備，保證在工作的頻段不會對現(xiàn)有電子設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，并且隨著用戶量增加，設(shè)備價(jià)格盡快降到大眾能夠接受的水平。

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