Wi-Fi與WiMAX在寬帶無線接入方面的對(duì)比分析
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當(dāng)前有線接入技術(shù)主要有高速數(shù)字環(huán)路(xDSL)、光纖接入方式、雙向混合光纖/同軸電纜(HFC)等，這些技術(shù)在面臨一些邊遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)無不面臨著距離太遠(yuǎn)難于部署，或者部署起來太困難以致代價(jià)過于昂貴等諸多困難。與此相比，目前主流的寬帶無線接入(BWA)技術(shù)Wi-Fi與WiMAX就恰好可以解決這樣的問題。下面主要討論Wi-Fi與WiMAX在技術(shù)上的不同以及兩者如何配合來形成一個(gè)良好地“最后一公里”問題的解決方案。
1、現(xiàn)狀
寬帶無線接入主要面臨三方面的問題，即回程、接入和覆蓋。如果說具有高增益天線的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)可以解決接入問題，以Mesh網(wǎng)形式部署的IEEE802.11熱區(qū)可以解決覆蓋問題，那么回程問題該如何解決呢?一是采用傳統(tǒng)的有線回程，但這種方法成本很高，而且目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)施，其回程的具體實(shí)施形式也是五花八門;二是采用WiMAX技術(shù)。
Wi-Fi，也就是IEEE802.11，由于最初是為無線局域網(wǎng)而設(shè)計(jì)的，所以在面對(duì)寬帶無線接入上會(huì)有一些問題，例如AP間的通訊缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，昂貴的回程消耗，在缺少Q(mào)oS的情況下不能提供優(yōu)質(zhì)的VoIP服務(wù)等等。根據(jù)物理層的不同，目前廣泛使用的有三個(gè)版本的802.11協(xié)議，分別是802.11a、802.11b和802.11g。在實(shí)施形式上主要有兩種，一是具有定向天線的Wi-Fi，一是具有Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Wi-Fi。前者用作解決DSL(DigitalSubscriberLine)和DOCSIS(DataOverCableInterfaceSpecification)的接入問題，但仍受限于距離不能過長，而且缺乏QoS和統(tǒng)一的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)也限制了這種方式的可擴(kuò)展性。后者解決了覆蓋問題，并且Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較定向天線的結(jié)構(gòu)具有更好的可擴(kuò)展性，但是缺乏QoS和內(nèi)部AP缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)也限制了Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更進(jìn)一步的發(fā)展。這兩種Wi-Fi的部署形式最高可以提供54Mbps的傳輸速率，覆蓋范圍可以超過10公里。
WiMAX，也就是IEEE802.16，目前具有兩種形式，一是解決固定接入的802.16-2004，一是解決移動(dòng)接入的802.16e。雖然WiMAX出現(xiàn)的時(shí)間不長，但發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，最近又被ITU接受為3G標(biāo)準(zhǔn)之一，解決了無固定頻率問題，為WiMAX的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
2、Wi-Fi在寬帶無線接入方面的方案
Wi-Fi的寬帶無線接入方面主要有兩種方案：具有高增益定向天線的固定式接入和具有Mesh網(wǎng)絡(luò)的熱區(qū)式接入。在頻率方面，802.11a在AP到AP的通訊間采用5GHz頻率，802.11b和802.11g在熱區(qū)內(nèi)采用2.4GHz頻率。在調(diào)頻模塊上三者也有不同，802.11b采用DSSS(直接序列擴(kuò)展頻譜)，支持帶寬最高可達(dá)11Mbps;802.11a和802.11g采用OFDM(正交頻分復(fù)用技術(shù))，支持帶寬最高可達(dá)54Mbps，而且OFDM這種調(diào)制方式更加適合室外的環(huán)境。
802.11標(biāo)準(zhǔn)提供64個(gè)子載波，這些子載波從BS(basestation)或AP發(fā)出，在SS(subscriberstation)或client重新組合，采用DSSS技術(shù)的802.11b，在非視距情況下(NLOS：non-line-of-sight)下，載波由于被障礙物反射而造成多路干擾(MPI:multi-pathinterference)，而采用OFDM技術(shù)的802.11a和802.11g可以避免大的時(shí)延，從而對(duì)MPI有良好的抗性。
802.11采用載波監(jiān)聽多路復(fù)用/沖突避免(CSMA/CA：carrier-sense,multiple-access/collision-avoidance)協(xié)議來解決網(wǎng)絡(luò)沖突。CSMA/CA的工作機(jī)制是在真實(shí)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送之前首先由CSMA/CA廣播一個(gè)信號(hào)來監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上是否有沖突的情形，并且告訴其他設(shè)備不要進(jìn)行廣播。這種協(xié)議的弊端是在一個(gè)802.11網(wǎng)絡(luò)中，隨著訂戶數(shù)的不斷增加，維護(hù)每一個(gè)訂戶的開銷也不斷增大，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速度急劇下降。
增加覆蓋可以采用定向天線或是全向天線，定向天線只在一個(gè)方向發(fā)送和接收信號(hào)，較適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接;而全向天線是全方位的發(fā)送和接收信號(hào)，較適用于Mesh網(wǎng)絡(luò)的情況。
Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展了傳統(tǒng)的有線和無線局域網(wǎng)的范圍。在Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)互通互聯(lián)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)間共享通訊協(xié)議，Mesh網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)將基于802.11a,802.11b,802.11g協(xié)議的節(jié)點(diǎn)互相連接起來。由于802.11a采用5GHz頻率，不會(huì)與適用2.4GHz頻率的802.11b和802.11g相互疊加，所以用于AP與AP之間的連接，而AP與客戶端的連接通常使用802.11b或802.11g。Mesh網(wǎng)絡(luò)有時(shí)也被稱作“多跳”網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)可以在多個(gè)節(jié)點(diǎn)間有效地傳遞，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)受阻時(shí)，數(shù)據(jù)可以選擇從其他的路徑傳遞下去，而且隨著節(jié)點(diǎn)的增減或已有節(jié)點(diǎn)位置的改變，Mesh網(wǎng)絡(luò)還具有自適應(yīng)性。
相對(duì)于單跳的802.11網(wǎng)絡(luò)，Mesh網(wǎng)絡(luò)有其自身的特點(diǎn)：
1、平衡負(fù)載，Mesh網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的冗余度以利負(fù)載平衡。在比較繁忙的網(wǎng)絡(luò)，例如有兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的通訊，每臺(tái)設(shè)備附近都有許多節(jié)點(diǎn)可供選擇，創(chuàng)建多條路徑來平衡負(fù)載。而單跳網(wǎng)絡(luò)則沒有動(dòng)態(tài)調(diào)整的能力。
1、健壯性，因?yàn)镸esh網(wǎng)絡(luò)不像單跳網(wǎng)絡(luò)，僅僅依靠一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者有沖突發(fā)生，Mesh網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)工作，數(shù)據(jù)也可選擇替代路徑繼續(xù)傳遞。
2、空間的復(fù)用性，Mesh網(wǎng)絡(luò)可以充分地利用帶寬。在一個(gè)單跳環(huán)境中，所有設(shè)備不得不共享一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果多臺(tái)設(shè)備同時(shí)要求接入網(wǎng)絡(luò)，那么必然導(dǎo)致速度變慢;而Mesh網(wǎng)絡(luò)，多設(shè)備可以同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，卻通過不同的節(jié)點(diǎn)。
總之，Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：滿足802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛使用、對(duì)于小范圍的部署初始投資有限、不局限于有線網(wǎng)的靈活性
缺點(diǎn)：為了覆蓋更大的地區(qū)需要建立更多的訂閱基站(subscriberbase)、共享帶寬、延時(shí)、外圍設(shè)備的投入、隱藏節(jié)點(diǎn)問題
3、WiMAX在寬帶無線接入方面的方案
IEEE802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)初衷是解決固定接入的問題，而IEEE802.16e則面向移動(dòng)設(shè)備如何接入WiMAX網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的。前者的調(diào)制方式時(shí)OFDM，后者的調(diào)制方式是OFDMA,與OFDM的相同之處在于都把載波分割為多個(gè)子載波，不同之處在于OFDMA比OFDM更進(jìn)一步，經(jīng)多個(gè)子載波再合并為子信道。
802.16-2004媒體接入控制層(MAC)為長距離的連接做過優(yōu)化，可以容忍更長的時(shí)延以及時(shí)延的變化。在無需照牌頻率范圍內(nèi)WiMAX設(shè)備使用時(shí)分雙工通訊模式(TDD)，在需牌照頻率范圍內(nèi)可以使用時(shí)分雙工通訊模式(TDD)，也可以使用頻分雙工模式(FDD)。
在802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)下，OFDM信號(hào)分為256個(gè)子載波，而不想802.11那樣分成64個(gè)。
802.16-2004和802.11的物理層(PHY)都做出了容忍延時(shí)的設(shè)計(jì)，由于802.11標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)傳送距離是100米，所以它僅僅能夠容忍900納秒的時(shí)延，而802.16-2004則可以容忍10毫秒的時(shí)延，幾乎是802.11標(biāo)準(zhǔn)的1000倍。
與802.11不同，802.16采用一種稱為授權(quán)請(qǐng)求接入的協(xié)議，這種協(xié)議不會(huì)允許數(shù)據(jù)沖突，因此可以更加有效地利用帶寬，除此之外，802.16較802.11的優(yōu)越之處還包括：
1、改進(jìn)用戶的連接，憑借802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)靈活的帶寬設(shè)置，比起固定為20MHz的信道寬的802.11標(biāo)準(zhǔn)，802.16-2004可以服務(wù)更多的低速率用戶而無需浪費(fèi)帶寬。這樣可以比802.11明顯提高用戶的在線率。
2、高質(zhì)量的服務(wù)，802.16-2004既可以為商業(yè)客戶提供更高的帶寬、為語音和視頻應(yīng)用提供低延時(shí)，也可以為家庭用戶提供便宜的低速接入服務(wù)。
3、802.16-2004的設(shè)計(jì)初衷就是滿足無線城域網(wǎng)的要求，所以對(duì)WMAN提供全力支持。
4、健壯的載波級(jí)操作，隨著用戶數(shù)量的增減，線性地影響上網(wǎng)速度，而不像802.11那樣會(huì)有劇烈地變化。
當(dāng)SS與BS之間的距離增加時(shí)，或者SS開始移動(dòng)時(shí)，在SS和BS之間的數(shù)據(jù)傳輸就可能失敗。尤其像那種功率很小的筆記本電腦在寬頻條件下很難在較遠(yuǎn)距離處與BS進(jìn)行通信。例如802.11的信道就帶寬固定為20MHz，而與此相對(duì)第三代移動(dòng)通訊限制帶寬大概在1.5MHz。802.16-2004和802.16e則有著靈活的信道帶寬，范圍在1.5-20MHz之間。利用智能天線的幫助，還可以提高頻普密度和信噪比，前景廣闊。
總之，WiMAX的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)建的QoS、高性能、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、有智能天線支持
缺點(diǎn)：新技術(shù)，還不成熟
4、結(jié)論
在Wi-FiMesh網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，WiMAX能夠允許更多的無線接入的數(shù)量、更加經(jīng)濟(jì)的回程方式和更快的接入性能，有望融合Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，與其相互配合成為“最后一公里”的解決方案。
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評(píng)論