WiMAX寬帶無(wú)線接入技術(shù)

概述

　　隨著移動(dòng)通信技術(shù)和寬帶技術(shù)的發(fā)展，WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowave Access，全球微波接入互操作性）已經(jīng)成為全球電信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商的關(guān)注熱點(diǎn)問(wèn)題之一。技術(shù)的發(fā)展使得越來(lái)越多的多媒體應(yīng)用進(jìn)入到人們的生活，運(yùn)營(yíng)商提供的服務(wù)也隨之變化。但是從現(xiàn)網(wǎng)的實(shí)踐來(lái)看，大量的多媒體應(yīng)用給現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源造成巨大消耗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了相關(guān)收入的增加。所以解決如何在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，有效的降低每比特成本以更好的滿足用戶需求對(duì)運(yùn)營(yíng)商意義重大。WiMAX正是這樣一種極具潛力的應(yīng)用。

　　本文第2部分概述了IEEE802.16系列規(guī)范，并指明了WiMAX與IEEE802.16系列規(guī)范之間的關(guān)系；第3部分對(duì)WiMAX的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了綜述；第4部分對(duì)WiMAX的3種工作模式進(jìn)行了概要介紹；第5部分介紹了WiMAX核心網(wǎng)。

IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)和WiMAX組織

　　IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)在無(wú)線LAN領(lǐng)域獲得巨大成功之后，IEEE進(jìn)而希望將這種成功的應(yīng)用模式推向更廣闊無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)的領(lǐng)域。1999年，IEEE專門成立了IEEE802.16工作組，為固定/移動(dòng)模式下寬帶無(wú)線接入定義WMAN的空中接口規(guī)范。

　　IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)于2001年12月發(fā)布時(shí)，因?yàn)閮H支持10-66 GHz的工作頻段，只能提供可視范圍內(nèi)的承載服務(wù)，市場(chǎng)應(yīng)用受到很大限制。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步完善，IEEE在2003年1月又發(fā)布了新的擴(kuò)展協(xié)議IEEE 802.16a。IEEE 802.16a引入了新的物理層技術(shù)，如利用OFDM來(lái)抵抗多徑效應(yīng)等，并對(duì)MAC層做了進(jìn)一步的強(qiáng)化，工作頻段也擴(kuò)展到2 - 11 GHz的許可頻段和非許可頻段支持非可視（NLOS）的接入方式。IEEE 802.16a具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，真正成為可用于城域網(wǎng)的無(wú)線接入手段。IEEE 802.16-2004是2 - 66GHz固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)IEEE 802.16、IEEE 802.16a和IEEE 802.16c的整合和修訂。IEEE 802.16-2004也是目前IEEE 802.16家族中最成熟的、商用化產(chǎn)品最多的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的下一步演進(jìn)方向是IEEE 802.16e。IEEE 802.16e在繼承IEEE 802.16-2004能力的基礎(chǔ)上增加了對(duì)全移動(dòng)性的支持，理論移動(dòng)速度可以達(dá)到120km/h。目前IEEE 802.16e協(xié)議的草案已經(jīng)進(jìn)行到了第9個(gè)版本，預(yù)計(jì)在2005年的3季度可以正式發(fā)布。

表1IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)
 

　　IEEE802.16系列規(guī)范提供了統(tǒng)一的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，為規(guī)范設(shè)備能力、實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備之間的互聯(lián)和技術(shù)的全球化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言將IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)推向市場(chǎng)還需要諸多的要素。因此一個(gè)由運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商、周邊部件供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)組成的非盈利組織WiMAX論壇成立起來(lái)。WiMAX論壇的宗旨是在全球范圍內(nèi)推廣遵循IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)和ETSI HIPERMAN標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入設(shè)備，并且對(duì)設(shè)備的兼容性和互操作性做統(tǒng)一的認(rèn)證以保證系統(tǒng)互聯(lián)、方便運(yùn)營(yíng)商部署。為此，WiMAX論壇專門成立了WiMAX產(chǎn)品認(rèn)證的工作組和實(shí)驗(yàn)室，保證不同廠商WiMAX設(shè)備間的互操作性和兼容性。這樣，經(jīng)認(rèn)證后的WiMAX設(shè)備具有的良好互操作性和對(duì)規(guī)范順從性。此外，WiMAX論壇組織還致力于幫助解決技術(shù)以外的問(wèn)題，如各國(guó)的頻率分配、市場(chǎng)應(yīng)用案例分析等。

　　目前WiMAX幾乎成為了IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的別稱，組織成員也發(fā)展到約300家。隨著WiMAX產(chǎn)品商用化的進(jìn)展，今年WiMAX論壇的工作重點(diǎn)將放在設(shè)備的認(rèn)證和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的研究上。

WiMAX技術(shù)特點(diǎn)

　　WiMAX是采用無(wú)線方式代替有線實(shí)現(xiàn)“最后一公里”接入的寬帶接入技術(shù)。WiMAX的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在這一技術(shù)集成了WiFi無(wú)線接入技術(shù)的移動(dòng)性與靈活性以及xDSL等基于線纜的傳統(tǒng)寬帶接入技術(shù)的高帶寬特性，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以概括如下：

◆ 傳輸距離遠(yuǎn)、接入速度高

　　WiMAX采用OFDM技術(shù)，能有效對(duì)抗多徑干擾；同時(shí)采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍和傳輸速率的折衷；此外，還利用自適應(yīng)功率控制，可以根據(jù)信道狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。從而使得WiMAX具有更大的覆蓋范圍以及和更高的接入速率。例如，當(dāng)信道條件較好時(shí)，可以將調(diào)制方式調(diào)整為64QAM，同時(shí)采用編碼效率更高的信道編碼，提高傳輸速率，WiMAX最高傳輸數(shù)率可以達(dá)到75Mbit/s；反之，當(dāng)信道傳輸條件惡劣，基站無(wú)法基于64QAM建立連接時(shí)，可以切換為16QAM或QPSK調(diào)制，同時(shí)采用編碼效率更低的信道編碼，這樣可以提高傳輸?shù)目煽啃?、增大覆蓋范圍。

◆ 無(wú)“最后一公里”瓶頸限制、系統(tǒng)容量大

　　作為一種寬帶無(wú)線接入技術(shù)，WiMAX接入靈活、系統(tǒng)容量大。服務(wù)提供商無(wú)需考慮布線、傳輸?shù)葐?wèn)題，只需要在相應(yīng)的場(chǎng)所架設(shè)WiMAX基站。WiMAX不僅支持固定無(wú)線終端也支持便攜式和移動(dòng)終端，能適應(yīng)城區(qū)、郊區(qū)以及農(nóng)村等各種地形環(huán)境。一個(gè)WiMAX基站可以同時(shí)為眾多具有的客戶提供服務(wù)，為每個(gè)客戶提供獨(dú)立帶寬請(qǐng)求支持。

◆提供廣泛的多媒體通信服務(wù)。

　　WiMAX可以提供面向連接的、具有完善QoS保障的電信級(jí)服務(wù)，滿足用戶的各種應(yīng)用需要。按照優(yōu)先級(jí)由高到低依次提供：

(1)主動(dòng)授予服務(wù)(UGS)：提供固定帶寬的實(shí)時(shí)服務(wù)，例如E1、T1以及VoIP等；

(2)實(shí)時(shí)輪詢服務(wù)(rtPS)：rtPS為可變帶寬的實(shí)時(shí)服務(wù)，例如MPEG視頻流；

(3)非實(shí)時(shí)輪詢服務(wù)(nrtPS)：速率可變的非實(shí)時(shí)服務(wù)，例如大的文件傳輸；

(4)盡力投遞服務(wù)(BE)：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況提供最大可能的服務(wù)，例如Email。

◆ 提供安全保證

　　WiMAX系統(tǒng)安全性較好。WiMAX空中接口專門在MAC層上增加了私密子層，不僅可以避免非法用戶接入，保證合法用戶順利接入，而且提供加密功能，充分保護(hù)用戶隱私，例如提供EAP-SIM認(rèn)證。

◆ 互操作性好

　　運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)能夠從多個(gè)設(shè)備制造商處購(gòu)買WiMAXCertified設(shè)備，而不必?fù)?dān)心兼容性的問(wèn)題。

◆應(yīng)用范圍廣

　　WiMAX可以應(yīng)用于廣域接入、企業(yè)寬帶接入、家庭“最后一公里”接入、熱點(diǎn)覆蓋、移動(dòng)寬帶接入以及數(shù)據(jù)回傳(Backhaul)等所有寬帶接入市場(chǎng)。值得提出的是，在有線基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的地區(qū)，尤其是廣大農(nóng)村和山區(qū)，WiMAX更加靈活、成本低，是首選的寬帶接入技術(shù)。

WiMAX的工作模式

　　通過(guò)對(duì)WiMAX技術(shù)特點(diǎn)的分析，可以看到WiMAX的應(yīng)用場(chǎng)景非常的廣泛，概括來(lái)說(shuō)WiMAX技術(shù)的主要應(yīng)用是基于IP數(shù)據(jù)的綜合業(yè)務(wù)寬帶無(wú)線接入，具體工作模式可以分為：

點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)寬帶無(wú)線接入

　　點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的應(yīng)用可以適應(yīng)與固定、游牧和便攜模式。在xDSL或者Cable接入方式難以覆蓋的地方，WiMAX將是最有競(jìng)爭(zhēng)力的替代方案。與DSL等有線接入相比，WiMAX技術(shù)較少受距離和社區(qū)用戶密度的影響；對(duì)于一些臨時(shí)性的聚集地，例如展會(huì)和體育賽場(chǎng)，WiMAX可以發(fā)揮快速部署的靈活性，這一點(diǎn)尤其適合未來(lái)在奧運(yùn)項(xiàng)目中應(yīng)用。

　
圖1WiMAX點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)接入示意圖

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線寬帶接入

　　點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線寬帶接入主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行無(wú)線回傳和中繼服務(wù)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線寬帶接入不僅大大延伸了WiMAX網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，而且可以為運(yùn)營(yíng)商的2G/3G網(wǎng)絡(luò)基站以及WLAN熱點(diǎn)提供無(wú)線中繼傳輸。同時(shí)可以用于企業(yè)網(wǎng)的遠(yuǎn)程互聯(lián)和接入。

　
 圖2WiMAX點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接入示意圖

蜂窩狀組網(wǎng)方式

　　WiMAX基站可以組成與現(xiàn)有GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)相似的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)。采用基于IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的移動(dòng)語(yǔ)音服務(wù)以及高帶寬的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。利用WiMAX每比特成本低的特點(diǎn)，為手持終端用戶提供經(jīng)濟(jì)、方便的移動(dòng)寬帶無(wú)線服務(wù)。

WiMAX核心網(wǎng)

　　未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)必將具備以下的特點(diǎn)：IP化、寬帶化、成本更經(jīng)濟(jì)，網(wǎng)絡(luò)更便于管理，并且多種技術(shù)通過(guò)統(tǒng)一的核心網(wǎng)相互融合，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)間的無(wú)縫切換。WiMAX就是在電信網(wǎng)絡(luò)融合的大趨勢(shì)下發(fā)展起來(lái)的城域網(wǎng)無(wú)線接入技術(shù)。WiMAX的核心網(wǎng)采用移動(dòng)IP的構(gòu)架，具備與全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫融合的能力。

　　WiMAX核心網(wǎng)可以滿足不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用的QoS需求，有效利用端到端的網(wǎng)絡(luò)資源；核心網(wǎng)具有可擴(kuò)展性、伸縮性、靈活性和魯棒性能夠滿足電信級(jí)組網(wǎng)要求；具備先進(jìn)的移動(dòng)性管理，包括尋呼、位置管理、不同技術(shù)之間的切換以及不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)之間的切換，同時(shí)具備安全性保障和全移動(dòng)模式下的QoS保證。

　　在下一階段，WiMAX核心網(wǎng)將逐漸向IMS(IPMultimediaSubsystem)演進(jìn)，以適應(yīng)與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的要求。WiMAX核心網(wǎng)系統(tǒng)功能將能夠滿足：

1）支持終端用戶固定式、游牧式、便攜式、簡(jiǎn)單移動(dòng)和完全移動(dòng)的接入能力；

2）支持鑒權(quán)、安全、QoS，提供各種先進(jìn)的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，滿足計(jì)費(fèi)和帳務(wù)的要求；

3）支持激活連接模式和空閑模式下的移動(dòng)性管理；

4）支持無(wú)線資源管理；

5）支持會(huì)話管理；

6）和已有的3GPP/3GPP2/DSL等系統(tǒng)互通。

　
圖3WiMAX核心網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架