WiMAX 16d網絡的規(guī)劃和建設策略

    摘要：本文首先介紹了WIMAX16d網絡的架構和規(guī)劃要點，對WiMAX16d組網的經驗進行分析和說明，并提出面向未來網絡建設的相關建議.。

    1.前言

    隨著通信產業(yè)的發(fā)展，尤其是無線通信和寬帶通信的技術的迅速發(fā)展，激發(fā)了寬帶接入網絡向無線化方向的演進。值得注意的是，近年來“WiMAX”一詞的點擊率日益增高，它作為IEEE802.16無線城域網的空口標準，引起了廣泛關注，并逐漸為業(yè)界熟知。

    WiMAX技術的發(fā)展過程基本可以分為四個階段，即：固定接入業(yè)務階段、游牧式業(yè)務階段、便攜式業(yè)務階段和全移動業(yè)務階段。2006年國內外各大運營商業(yè)務拓展的需求推動了第一代WiMAX技術和產品逐漸走向成熟，固定接入式的寬帶無線網絡一時風生云起。在此，本文對就WiMAX16d的網絡結構、規(guī)劃、建設和維護的經驗略作回顧和小結，以期拋磚引玉之效用。

    2.WiMAX802.16d的網絡架構和特點

    IEEE802.16協(xié)議族定義了WiMAX網絡的空中物理層和MAC層接口，旨在為城域網的接入層提供基于IP的、具備端到端QoS保障的無線接入。目前已定制的兩大系列標準包括802.16-2004（即802.16d）和802.16-2005（即802.16e），前者面向固定式寬帶無線接入，后者側重于移動性和便攜性。

    從固定式WiMAX系統(tǒng)主體來看，它包括基站（BaseStation，簡稱BS）、用戶站(CustomerPremiseEquipment，簡稱CPE)以及網管等主要部分，構成點到多點的星型拓撲結構?；竞陀脩粽局g的空口遵循IEEE802.16d規(guī)范，定位于最后一公里的接入，結構簡潔、標準清晰。網絡總體結構圖如下：

    WiMAX16d的標準定義和網絡結構體系，決定了它具有以下一些突出的優(yōu)勢和特點：

    可完全融入現(xiàn)有網絡架構。作為IP系統(tǒng)的二層接入部分，WiMAX以其全IP化的設計，可以完全融入現(xiàn)有網絡架構，充分利用已有的傳輸網絡和核心網。WiMAX基站向上提供標準的以太網接口，可以方便得融入IP城域網和核心網，為缺乏管線資源的地區(qū)提供迅速系統(tǒng)部署以及各類應用服務；用戶站可以直接下聯(lián)二層交換機、IAD、WLAN等設備，或者直接與終端連接，提供數據、語音等豐富的業(yè)務內容。

    IPQoS機制植入于MAC層。在這種QoS機制的保障下，WiMAX能夠真正的合理分配資源，既滿足公平性原則，也能平衡不同用戶的業(yè)務容量需求，從而最大程度得利用有限頻譜資源。MAC層QoS面向每個連接，可以獨立定制其帶寬門限、時延和QoS等級，使其能夠真正確保端到端的QoS的實現(xiàn)。QoS包括四個等級：非請求的帶寬分配業(yè)務(UGS)、實時輪詢業(yè)務(rtPS)、非實時輪詢業(yè)務(nrtPS)和盡力而為業(yè)務(BE)。

    傳輸和業(yè)務安全性有保障。從安全性角度來說，WiMAX空中接口具備了認證加密的功能以及其他各種準入手段，可以確保數據的安全傳送。對于WiMAX網絡本身來說，能夠完全兼容于現(xiàn)有網絡的各種認證計費手段，所以一般沒有也不需要專配計費功能。因而，在發(fā)展部署新用戶時，無需對業(yè)務控制層面進行改動，非常靈活。

    除了架構上的優(yōu)勢之外，WiMAX面向4G的無線技術和傳輸穩(wěn)定性也為人津津樂道。作為接入技術，除了數據吞吐量外，其穩(wěn)定性和可靠性是運營商和終端用戶關注的焦點問題。事實表明，WiMAX先進的無線技術特性，能適合于大部分應用的需求，這主要歸功于WiMAX16d的以下無線特性：

    支持非視距傳播。從固定無線寬帶接入的發(fā)展來看，原先的3.5GHz的MMDS在解決非視距傳播方面，始終未能盡如人意。而WiMAX技術在物理層引入了OFDM調制技術，使其對非視距環(huán)境中的寬帶數據傳播有較強的抗多徑能力。作為OFDM技術本身，其出彩之處在于：高頻譜利用率、抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾能力。從實踐經驗上來看，16d技術在城市非視距環(huán)境中，小區(qū)覆蓋半徑可以達到3公里左右，足以滿足一般業(yè)務的運營需求。

    頻譜利用率高。IEEE802.16d的規(guī)范定義了無線鏈路上下行至少需達到16QAM的調制解調能力，而部分廠家的設備甚至能夠支持到64QAM的調制解調。這意味著，在良好的無線環(huán)境下，空中信道中的每個符號可以攜帶6個比特；在3.5Mhz的物理帶寬下，采用OFDM512技術，MAC層數據傳輸能力就可至12Mbps左右的水平。外場FTP測試表明，WiMAXBS端到CPE端的應用速率可以輕松得達到9～10Mbps，完全能夠滿足一般個人用戶和中小企業(yè)用戶的需求。

    自適應調制技術。通過此項技術，系統(tǒng)能夠自主得統(tǒng)計測量無線鏈路質量水平，并根據系統(tǒng)定義的算法，將信號調制到與之適應的編碼方式上。在高質量的信號水平下，遠端站能夠適配至較高的調制方式下工作；反之，則適配至低調制方式，提高鏈路的穩(wěn)健性。如此便能兼顧帶寬和穩(wěn)定兩方面的要求，使整個系統(tǒng)工作于均衡的狀態(tài)下，最大程度地利用頻譜資源。

    當然，規(guī)范本身所定義的技術細節(jié)還更加先進廣泛，包括上行信道的子信道化，AAS的應用等等，但是從市場定位、業(yè)務需求和成本定位來綜合考慮，各個廠家的第一代WiMAX產品都只是實現(xiàn)了到規(guī)范中的部分功能。即便如此，實際網絡經驗已足以證明WiMAX16d系統(tǒng)無愧于無線DSL的美譽。

    3.WiMAX802.16d網絡部署

    2006年，國內運營商對WiMAX從關注、測試，迅速走向了實際商用階段。數個運營商根據自身特點和市場狀況，應用WiMAX開發(fā)出了切合其自身特點的業(yè)務模式，并將其推向了市場。作為參與者之一，我們在這個過程中注意到了種種有意思的現(xiàn)象，積累了些許經驗，與諸位共享和探討。

    以下的討論將圍繞網絡規(guī)劃設計，網絡建設部署和網絡維護三部分展開。

    3.1.WiMAX16d系統(tǒng)的無線網絡設計和規(guī)劃

    和其它無線網絡類似，WIMAX網絡規(guī)劃的重點和難點在于滿足覆蓋和容量的同時，保證QoS和系統(tǒng)的資源能夠得到最大程度的利用。從我國現(xiàn)在3.5GHz頻段規(guī)劃來看，同城內的每個運營商一般都只能擁有10.5MHz帶寬，即為三個3.5MHz的WiMAX載波帶寬。頻譜資源的稀缺使組網設計受到很大程度的局限，因此，找出合理的站間距以消除同頻干擾現(xiàn)象對組網的影響非常重要。通過系統(tǒng)仿真的理論計算和外場實測認證，所得結果表明：在大中型城市中，同頻復用距離2至3公里時的條件下，通常干擾最為惡劣的主瓣連線上的測試點基本沒有發(fā)現(xiàn)干擾現(xiàn)象。此數據即可成為WiMAX16d網絡設計的基本模型參數，用來確立投資規(guī)模、業(yè)務分布和頻率規(guī)劃。

    此外，在具體規(guī)劃的時候，不同的地理地貌環(huán)境還需要進行經驗參數調整，以使業(yè)務覆蓋率最大化。另外，部署規(guī)劃網絡時，為降低或避免系統(tǒng)內干擾，應該靈活選用各種方法來調整小區(qū)覆蓋區(qū)域，例如：選擇合理的基站天線高度，充分利用不同天線極化方式，調節(jié)天線俯仰角，減小基站天線的水平半功率角度等常規(guī)手段。

    同樣是無線網絡，WIMAX的網絡建設與我們傳統(tǒng)的GMS或UMTS建設有所區(qū)別，不能完全照抄以前的經驗。這是由不同的網絡性質所決定了的，WiMAX是固定通信無線網，而GSM/UMTS是移動通信網絡，二者有著不同的用戶行為、覆蓋要求和話務模型。其中，我們注意到了一個比較典型的現(xiàn)象：在建設初期，大家都習慣性地考慮“全覆蓋”的概念，即按照理論的覆蓋半徑，在地圖上標注出若干個基站站點，認為這些站點建成之后即可實現(xiàn)無縫覆蓋或者是基本覆蓋這片區(qū)域，剩余的工作就是輕松放號，業(yè)務開通。而事實上，要用WiMAX16d實現(xiàn)全覆蓋很困難，這是由其本身特點決定，也是為我們經驗證明的。

    根據無線傳播理論，基站和遠端站所能接收信號的強度及質量與其天線高度以及傳播路徑上的阻擋情況密切相關。在二維地圖的同一點上，用戶站的接收信號很大程度上取決于CPE天線的放置高度，比如說，離開基站2公里處，運營商發(fā)掘出一片用戶群體，分布于高新區(qū)的一幢15層樓的大廈內。這些用戶有些在14樓，有些在7樓，而有些在2樓。那么對于14樓的用戶，由于其高度高于周圍平均建筑物的高度，所以可以輕松的實現(xiàn)信號收發(fā)，調制方式可以達到64QAM，獲取高質量的數據業(yè)務；對于7樓的用戶，高度低于與周圍建筑物的平均高度，但依然能夠依靠信號的折射和反射獲得16QAM的信號，相當于數據帶寬能夠達到4Mbps左右；而2樓的用戶則不那么幸運了，在高樓林立的環(huán)境下，CPE天線被群樓阻擋，無法接收WiMAX信號。（當然通過樓內垂直布線，將CPE天線安裝于高處并將數據信號引入至2樓辦公室的CPE室內單元，也可以實現(xiàn)接入）此例表明，WiMAX網絡設計的關鍵數據是CPE天線的位置，這些數據很難在規(guī)劃期能夠一一確定，而是隨著業(yè)務發(fā)展而逐步明晰的。由此我們可以看出，在現(xiàn)有固網運營商“按需接入”的發(fā)展模式下，要做出一個類似于GSM或者UMTS一樣的無縫覆蓋的網絡規(guī)劃是非常困難的。

    基于此現(xiàn)象，我們持如下觀點：固定接入式WiMAX16d的網絡呈點到多點的拓撲結構，一般而言，用戶端數量在基站覆蓋區(qū)域內動態(tài)發(fā)展，有增有減。用戶端設備沒有切換和漫游的需求，與需要連續(xù)分布的移動網絡有本質上的區(qū)別。因此，在網絡規(guī)劃設計期間，無需強調“全覆蓋”或者是“無縫覆蓋”的概念，否則反而會給后期發(fā)展引入干擾問題。

    簡而言之，我們認為WiMAX16d的網絡規(guī)劃可以遵循以下兩條原則：第一，盡最大能力避免干擾，為后期發(fā)展留出余地；第二，隨著用戶容量的增加，需要在建設中調整基站的有效覆蓋區(qū)域，使網絡跟隨業(yè)務發(fā)展而健康成長。

    3.2.WiMAX16d系統(tǒng)的網絡工程

    根據我們的經驗，盡管WIMAX產品結構簡潔緊湊為工程實施帶來便利，但是我們不能因此忽略其工程實施質量。WiMAX的顯著優(yōu)點是結構簡單，部署靈活迅速。事實上，第一代16d的產品普遍沒有引入智能天線，MIMO等更為先進的無線技術，所以CPE基本還是室外型的，也就是說，終端設備仍然離不開室外的工程安裝。從某種角度來看，用戶取得鏈路質量的優(yōu)劣，不僅取決于基站周邊的無線環(huán)境，在很大程度上還依賴于客戶端設備的安裝質量。所以，我們認為有必要著重討論一下WiMAXCPE的工程建設。

    經為期一年的觀察，我們發(fā)現(xiàn)WiMAX的建設者往往比較重視WiMAX系統(tǒng)和上層核心網設備的互連互通問題，重視基站的工程安裝問題，卻有些忽視CPE部署的工程質量要求?，F(xiàn)網的部分CPE安裝比較簡陋，存在著諸多隱患。這些隱患除了會直接對系統(tǒng)造成硬件損傷之外，也會給客戶帶來不佳的體驗，直接或間接地影響WiMAX的業(yè)務拓展。因此，這里有必要對業(yè)已察覺的一些問題進行歸納，以期引起各位建設者的重視：

    CPE安裝高度不理想，影響業(yè)務穩(wěn)定性。如前所述，在基站位置已經固定了的情況下，CPE安裝高度往往就決定了無線鏈路的優(yōu)劣。一方面，CPE天線不能高于基站天線的高度。通常情況下，基站天線的俯仰角一般為0度，而且CPE天線的垂直半功率角一般都比較小。如果CPE高于基站，通信雙方就不能良好的接收對方的發(fā)射信號，從而影響通信質量。另一方面，CPE不建議安裝在嚴重的非視距環(huán)境下，也就是說，不建議將CPE安裝在無線傳輸路徑的第一菲涅爾區(qū)內有嚴重阻擋的環(huán)境下，否則接收信號有很大比例是靠繞射和反射取得的，多徑信號的路徑復雜程度大大提高，每徑受到影響的因素也會增多，信號質量不可避免地會比視距情況下有更大的波動。雖然在給終端用戶交付業(yè)務時，測試得到的信號和帶寬都不錯，但是這樣的鏈路對干擾的抵抗力比較弱，信號會時好時差，甚至在無線鏈路惡化時會發(fā)生信號中斷的情況。這會對實時性要求高業(yè)務（例如VoIP，VideoStreaming等）產生尤為不良影響。

    CPE缺乏可靠接地，增加了系統(tǒng)的不安全性。如果說CPE并不安裝在建筑物的最高處，接地省略的風險性可能還小些，那么將其安裝于屋頂的時候，沒有接地在夏季雷雨時節(jié)就是一個巨大的隱患了。而我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)網中有為數不少的CPE其實并沒有做好接地，更不要說是避雷防范了，這確實是非常危險的現(xiàn)象。假設設備的室外部分遇到雷擊，浪涌電流若不能導入大地，那么很容易地就會通過饋線引入室內單元及其連接的下端設備，一旦此類事故發(fā)生，遭受損失的可能就遠不止是WiMAX設備本身，而將包括與之相連的所有設備（包括二層交換機、IAD、WiFiAP，話機和電腦等）以及電源系統(tǒng)。

    CPE抱桿過細或者對地未能妥善加固，也會影響用戶的長期使用感受。我們曾觀察到，抱桿如果太細，或者底部不穩(wěn)，其上端由于受到設備單向重力會使抱桿向設備一側略微傾斜，導致CPE天線俯仰角的改變，從而影響收發(fā)信號的質量。常見的情況是在系統(tǒng)開通初期用戶能夠取得理想的數據帶寬，而一段時間之后，發(fā)現(xiàn)帶寬變小了，而經現(xiàn)場檢查才發(fā)現(xiàn)正是由于這些細小的原因致使的。

    所以，網絡建設過程中，我們除了關注設備本身的性能和穩(wěn)定程度之外，還應當對工程中的各個環(huán)節(jié)嚴格把控。WiMAX系統(tǒng)有其簡潔易用的一面，也存在著眾多細節(jié)方面有待我們去關注和完善，這樣才能將WiMAX的優(yōu)勢充分體現(xiàn)。

    3.3.WiMAX16d系統(tǒng)的維護

    與任何無線網絡相仿，WiMAX系統(tǒng)建成開通后，需要堅持不懈的維護和優(yōu)化，保障系統(tǒng)的良好運行狀況，并為網絡發(fā)展提供可借鑒的依據。一般來說，除了設備運行狀態(tài)之外，最需要關注的是無線鏈路和容量兩方面的問題，以下作些簡單的經驗介紹。

    無線鏈路監(jiān)測和優(yōu)化。從WiMAX自帶的網管上，可以對每個遠端站的無線鏈路狀況進行觀測，包括上下行的RSSI，SNR以及調制方式等信息。通過這些基本數據，我們可以做出每日報表和曲線圖，掌握無線鏈路的變化情況，并為規(guī)劃和優(yōu)化提供依據。由于WiMAX16d是一個動態(tài)發(fā)展的網絡，無線網絡規(guī)劃與優(yōu)化并進，因此在建設新基站，發(fā)展新用戶的時候，必須同時考慮現(xiàn)有網絡上的拓撲結構和頻率資源利用情況，避免干擾情況出現(xiàn)。

    容量監(jiān)測和優(yōu)化。與無線鏈路相仿，基站容量和每個用戶的吞吐量也是可以通過網管進行監(jiān)測的，這些數據對網絡建設和發(fā)展尤為重要。一方面，根據資源的統(tǒng)計使用情況，運營商可以靈活調整客戶QoS等級，在公平發(fā)展的原則下，重點保障大客戶的利益；另一方面，對流量的監(jiān)測可以更準確地掌握用戶的增長率，避免設備過載現(xiàn)象的產生，同時指導后期的網絡規(guī)劃和工程預算工作。

    對系統(tǒng)的維護和優(yōu)化，其主旨是依然提高設備的穩(wěn)定性和利用率，使動態(tài)的網絡能夠均衡發(fā)展，為終端用戶提供業(yè)務保障。由于WiMAX還處于建設階段，對于如何維護優(yōu)化WiMAX16d網絡，還有待更多時日的探索和積累。

    4.結束語

    隨著WiMAX16d技術的發(fā)展和應用，系統(tǒng)的真實性能已經越來越多的業(yè)內人士認同了。通過以上篇幅，希望不僅能夠使讀者對這門技術有更多的了解，更重要的是，能令網絡建設者們能夠得到些許啟發(fā)，更加有效得進行WiMAX網絡的拓展和管理，最大程度得實現(xiàn)業(yè)務價值。