WiMAX寬帶無線接入技術(shù)

概述

　　隨著移動通信技術(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)成為全球電信運營商和設(shè)備制造商的關(guān)注熱點問題之一。技術(shù)的發(fā)展使得越來越多的多媒體應(yīng)用進入到人們的生活，運營商提供的服務(wù)也隨之變化。但是從現(xiàn)網(wǎng)的實踐來看，大量的多媒體應(yīng)用給現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)資源造成巨大消耗，遠遠超過了相關(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運營商意義重大。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WiMAX的技術(shù)特點進行了綜述；第4部分對WiMAX的3種工作模式進行了概要介紹；第5部分介紹了WiMAX核心網(wǎng)。

IEEE802.16標準和WiMAX組織

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

　　IEEE802.16標準于2001年12月發(fā)布時，因為僅支持10-66 GHz的工作頻段，只能提供可視范圍內(nèi)的承載服務(wù)，市場應(yīng)用受到很大限制。經(jīng)過進一步完善，IEEE在2003年1月又發(fā)布了新的擴展協(xié)議IEEE 802.16a。IEEE 802.16a引入了新的物理層技術(shù)，如利用OFDM來抵抗多徑效應(yīng)等，并對MAC層做了進一步的強化，工作頻段也擴展到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具有很強的市場競爭力，真正成為可用于城域網(wǎng)的無線接入手段。IEEE 802.16-2004是2 - 66GHz固定寬帶無線接入系統(tǒng)的標準，是對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)品最多的標準。IEEE 802.16標準的下一步演進方向是IEEE 802.16e。IEEE 802.16e在繼承IEEE 802.16-2004能力的基礎(chǔ)上增加了對全移動性的支持，理論移動速度可以達到120km/h。目前IEEE 802.16e協(xié)議的草案已經(jīng)進行到了第9個版本，預(yù)計在2005年的3季度可以正式發(fā)布。

表1IEEE802.16系列標準
 

　　IEEE802.16系列規(guī)范提供了統(tǒng)一的空中接口標準，為規(guī)范設(shè)備能力、實現(xiàn)不同廠家設(shè)備之間的互聯(lián)和技術(shù)的全球化打下了堅實的基礎(chǔ)，但是對于運營商而言將IEEE802.16標準推向市場還需要諸多的要素。因此一個由運營商、設(shè)備制造商、周邊部件供應(yīng)商和研究機構(gòu)組成的非盈利組織WiMAX論壇成立起來。WiMAX論壇的宗旨是在全球范圍內(nèi)推廣遵循IEEE802.16標準和ETSI HIPERMAN標準的寬帶無線接入設(shè)備，并且對設(shè)備的兼容性和互操作性做統(tǒng)一的認證以保證系統(tǒng)互聯(lián)、方便運營商部署。為此，WiMAX論壇專門成立了WiMAX產(chǎn)品認證的工作組和實驗室，保證不同廠商WiMAX設(shè)備間的互操作性和兼容性。這樣，經(jīng)認證后的WiMAX設(shè)備具有的良好互操作性和對規(guī)范順從性。此外，WiMAX論壇組織還致力于幫助解決技術(shù)以外的問題，如各國的頻率分配、市場應(yīng)用案例分析等。

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

WiMAX技術(shù)特點

　　WiMAX是采用無線方式代替有線實現(xiàn)“最后一公里”接入的寬帶接入技術(shù)。WiMAX的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在這一技術(shù)集成了WiFi無線接入技術(shù)的移動性與靈活性以及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)勢可以概括如下：

◆ 傳輸距離遠、接入速度高

　　WiMAX采用OFDM技術(shù)，能有效對抗多徑干擾；同時采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)可以實現(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，可以將調(diào)制方式調(diào)整為64QAM，同時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)率可以達到75Mbit/s；反之，當(dāng)信道傳輸條件惡劣，基站無法基于64QAM建立連接時，可以切換為16QAM或QPSK調(diào)制，同時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“最后一公里”瓶頸限制、系統(tǒng)容量大

　　作為一種寬帶無線接入技術(shù)，WiMAX接入靈活、系統(tǒng)容量大。服務(wù)提供商無需考慮布線、傳輸?shù)葐栴}，只需要在相應(yīng)的場所架設(shè)WiMAX基站。WiMAX不僅支持固定無線終端也支持便攜式和移動終端，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WiMAX基站可以同時為眾多具有的客戶提供服務(wù)，為每個客戶提供獨立帶寬請求支持。

◆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保障的電信級服務(wù)，滿足用戶的各種應(yīng)用需要。按照優(yōu)先級由高到低依次提供：

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

(2)實時輪詢服務(wù)(rtPS)：rtPS為可變帶寬的實時服務(wù)，例如MPEG視頻流；

(3)非實時輪詢服務(wù)(nrtPS)：速率可變的非實時服務(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，充分保護用戶隱私，例如提供EAP-SIM認證。

◆ 互操作性好

　　運營商在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時能夠從多個設(shè)備制造商處購買WiMAXCertified設(shè)備，而不必擔(dān)心兼容性的問題。

◆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、熱點覆蓋、移動寬帶接入以及數(shù)據(jù)回傳(Backhaul)等所有寬帶接入市場。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

　　通過對WiMAX技術(shù)特點的分析，可以看到WiMAX的應(yīng)用場景非常的廣泛，概括來說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)寬帶無線接入，具體工作模式可以分為：

點對多點寬帶無線接入

　　點對多點的應(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將是最有競爭力的替代方案。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；對于一些臨時性的聚集地，例如展會和體育賽場，WiMAX可以發(fā)揮快速部署的靈活性，這一點尤其適合未來在奧運項目中應(yīng)用。

　
圖1WiMAX點對多點接入示意圖

點對點無線寬帶接入

　　點對點無線寬帶接入主要用于點對點的方式進行無線回傳和中繼服務(wù)。點對點無線寬帶接入不僅大大延伸了WiMAX網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，而且可以為運營商的2G/3G網(wǎng)絡(luò)基站以及WLAN熱點提供無線中繼傳輸。同時可以用于企業(yè)網(wǎng)的遠程互聯(lián)和接入。

　
 圖2WiMAX點對點接入示意圖

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標準的系統(tǒng)可提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的移動語音服務(wù)以及高帶寬的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。利用WiMAX每比特成本低的特點，為手持終端用戶提供經(jīng)濟、方便的移動寬帶無線服務(wù)。

WiMAX核心網(wǎng)

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

　　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)具有可擴展性、伸縮性、靈活性和魯棒性能夠滿足電信級組網(wǎng)要求；具備先進的移動性管理，包括尋呼、位置管理、不同技術(shù)之間的切換以及不同運營商網(wǎng)絡(luò)之間的切換，同時具備安全性保障和全移動模式下的QoS保證。

　　在下一階段，WiMAX核心網(wǎng)將逐漸向IMS(IPMultimediaSubsystem)演進，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、簡單移動和完全移動的接入能力；

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

3）支持激活連接模式和空閑模式下的移動性管理；

4）支持無線資源管理；

5）支持會話管理；

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