WiMAX寬帶無線接入的特點及其應用模式

　　一、引言

　　近幾年IEEE802.16系列寬帶無線接入技術標準受到業(yè)界的廣泛關注，Intel等世界大型電信設備制造商成立了WiMAX論壇旨在協(xié)調(diào)網(wǎng)絡設備的互操作性以及推動WiMAX的發(fā)展和普及。 作為定位于戶外應用的寬帶無線接入技術WiMAX，無論從技術角度上還是從應用角度上看都有著一系列顯著的特點。因此，無論對于用戶還是對于電信運營商都有著極大的吸引力。

　　然而，IEEE 802.16系列標準只定義了空中無線接口，這也就為上層應用提供了靈活性。同時，作為解決“最后一公里”問題的無線城域網(wǎng)技術，如何在未來城域網(wǎng)接入應用中與目前廣為使用的線纜方式競爭，充分發(fā)揮無線方式的特長，這也是一個值得研究的問題。因此，就這個意義而言，確定其具有競爭力的應用模式具有重要價值。在此，首先對WiMAX寬帶無線接入的技術以及應用特點進行分析，并以此為依據(jù)對其應用模式進行初步的探討。

　　二、WiMAX寬帶無線接入的特點分析

　　作為一種戶外應用的無線接入方式，WiMAX除了具有一般無線接入所具有的特點外，特別在技術方面還具有一些其他特色。

　　1.應用特點

　　首先，作為寬帶無線接入應用的WiMAX具有逐步投資和彈性部署的特點，網(wǎng)絡運營商可以根據(jù)用戶容量增長的需要，逐步增加投入，逐步擴容到位，實現(xiàn)基本平坦的成本曲線。其次，網(wǎng)絡的規(guī)劃可以不受地形地貌的限制，部局靈活，同時用戶密度較低的地區(qū)仍可以較低的成本實現(xiàn)覆蓋，減小初期投資的風險。再次，網(wǎng)絡部署快速，安裝和擴容方便，不需要復雜的網(wǎng)絡規(guī)劃，網(wǎng)絡結構靈活，尤其在臨時性和突發(fā)性應急通信中能發(fā)揮巨大作用。最后，作為一種小區(qū)半徑可達50km，接入速率可達70Mbit/s的寬帶無線接入技術，既可作為城域網(wǎng)有線方式的無線延伸，亦可作為線纜方式的替代方案。特別地，對于用戶密度或業(yè)務量不高且分布分散的地區(qū)比線纜方式更具競爭力。

2.物理層特點

　　WiMAX工作頻段可從2-66GHz(對于IEEE802.16標準:2-11GHz;對于IEEE802.16a標準:10-66GHz)，信道帶寬可在1.5-20MHz范圍內(nèi)靈活調(diào)整，有利于在所分配的信道帶寬內(nèi)充分利用頻譜資源。

　　WiMAX采用宏小區(qū)方式，最大覆蓋范圍達50km，當在20MHz信道帶寬時，支持高達70Mbit/s的共享數(shù)據(jù)傳輸速率(此時，最大覆蓋范圍為3-5km)?？刹捎枚嗌葏^(qū)技術來提高系統(tǒng)容量，一個扇區(qū)可同時支持60多個采用E1/T1的企業(yè)用戶或數(shù)百個家庭用戶。

　　WiMAX采用了OFDM、收/發(fā)分集、自適應調(diào)制等多種先進技術實現(xiàn)非視距NLOS和阻擋視距ONLOS傳輸，有效提高了城市內(nèi)無線傳輸?shù)男堋?br>
　　物理層支持TDD/DMTA和FDD/TDMA兩種無線雙工多址方式，以適應不同國家或地區(qū)電信體制要求。支持單載波(SC)、OFDM(256點)、OFDMA(2048點)三種調(diào)制方式，可根據(jù)需要靈活選擇。物理層可以根據(jù)傳輸信道性能變化，動態(tài)調(diào)整調(diào)制方式和物理層參數(shù)(例如:調(diào)制參數(shù)、FEC參數(shù)、功率電平、極化方式等)，以保證較好的傳輸質(zhì)量。

　　3.MAC層特點

　　支持QoS管理，滿足對不同業(yè)務質(zhì)量的要求。MAC層根據(jù)業(yè)務QoS要求和業(yè)務參數(shù)，以輪詢方式請求連接帶寬或進行帶寬調(diào)整，以保證語音和視頻等實時業(yè)務的低延遲要求。同時，針對無線信道環(huán)境下，較高的誤碼率和丟包率，定義了基于每個應用流的ARQ，保證MAC層業(yè)務數(shù)據(jù)單元MSDU的自動重發(fā)，確保端到端包的傳輸質(zhì)量。

　　MAC層具有ATM業(yè)務和分組業(yè)務匯聚子層CS，能方便地實現(xiàn)與ATM業(yè)務或IP業(yè)務為特征的網(wǎng)絡應用。同時，MAC層具有安全子層，支持MAC層安全機制，實現(xiàn)鑒權、加密等安全管理。

4.業(yè)務能力

　　WiMAX采用面向連接的方式，可以向用戶提供具有QoS性能的數(shù)據(jù)、視頻和語音(VoIP)業(yè)務。在IEEE802.16標準中，MAC層定義了較為完整的QoS機制，還定義了四種不同的業(yè)務，分別為: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)、盡力而為業(yè)務(BE)，分別可以用來向用戶提供高質(zhì)量的視頻和語音業(yè)務、普通質(zhì)量的視頻和語音業(yè)務，以及質(zhì)量無保證的諸如Internet等業(yè)務?？梢愿鶕?jù)業(yè)務的實際需要來動態(tài)分配帶寬，具有較大的靈活性。因此，WiMAX可為不同業(yè)務提供不同的服務質(zhì)量QoS。

　　5.網(wǎng)絡結構特點

　　支持的點到多點(PMP，PointtoMultipoint)體系結構，可構建以WiMAX基站為中心的星形接入網(wǎng)結構。最新頒布的IEEE802.16a同時也支持網(wǎng)狀網(wǎng)Mesh體系結構，該結構中允許多個WiMAX節(jié)點采用無線互連方式構建網(wǎng)狀網(wǎng)。這意味著可以靈活地拓展接入網(wǎng)的結構，在骨干網(wǎng)覆蓋不到的地方，采用WiMAX網(wǎng)狀網(wǎng)覆蓋，實現(xiàn)城域網(wǎng)的彈性延伸。

　　三、WiMAX寬帶無線接入應用模式

　　WiMAX的技術特性和應用特點決定了其能適應各種的應用環(huán)境，具有不同的應用模式，下面對WiMAX寬帶無線接入的應用模式進行初步的分析和探討。

　　1.PMP應用模式

　　如圖1所示，PMP應用模式以基站（BS）為核心，采用點到多點的連接方式，構建星形結構的WiMAX接入網(wǎng)絡?；荆˙S）扮演業(yè)務接入點（SAP，ServiceAccessPoint）的角色，通過動態(tài)帶寬分配技術，基站（BS）可以根據(jù)覆蓋區(qū)用戶的情況，靈活選用定向天線、全向天線以及多扇區(qū)技術滿足大量的用戶站（SS，SubscriberStation）設備接入核心網(wǎng)的需求。必要時，可以通過中繼站（RS，RepeatStation）擴大無線覆蓋范圍。還可以根據(jù)用戶群數(shù)量的變化，靈活劃分信道帶寬，對網(wǎng)絡擴容，實現(xiàn)效益與成本的協(xié)調(diào)。



　　PMP應用模式是一種常用的接入網(wǎng)應用形式，其特點在于網(wǎng)絡結構簡潔，應用模式與xDSL等線纜接入形式相似，因此，是一種線纜替代的理想選用方案。

2.Mesh應用模式

　　如圖2所示，Mesh應用模式采用多個基站（BS）以網(wǎng)狀網(wǎng)方式擴大無線覆蓋區(qū)。其中，有一個基站作為業(yè)務接入點（SAP）與核心網(wǎng)相連，其余基站（BS）以無線鏈路與該SAP相連。因此，作為SAP的基站既是業(yè)務的接入點又是接入的匯聚點，而其余基站并非簡單的中繼站（RS）功能，而是業(yè)務的接入點。



　　Mesh應用模式的特點在于網(wǎng)狀網(wǎng)結構，可以根據(jù)實際情況靈活部署，實現(xiàn)網(wǎng)絡的彈性延伸。對于市郊等遠離骨干網(wǎng)，有線不易覆蓋的地區(qū)，可以采用該模式擴大覆蓋范圍，其規(guī)摸取決于基站半徑、覆蓋區(qū)大小等因素。

　　3.熱點回傳模式

　　如圖3所示，熱點回傳（backhaul）模式采用WiMAX無線接入網(wǎng)絡把遠端WiFi熱點Hotspot業(yè)務回送到核心網(wǎng)，WiMAX基站（BS）的作用仍為業(yè)務接入點（SAP），而WiMAX用戶站（SS）是熱點側的無線接入設備，提供標準接口與熱點相連，作為WLAN接入點（AP，AccessPoint）的熱點設備再通過IEEE802.11a/b/g無線鏈路與無線終端連接。



　　WiMAX接入網(wǎng)絡可根據(jù)實際情況靈活采用PMP或Mesh結構形式。對于移動運營商也可以采用該應用模式，把各小區(qū)移動基站業(yè)務回傳到移動交換中心。

　　WiMAX熱點回傳模式的主要特點在于作為業(yè)務回傳應用，采用無線傳輸方式，與傳統(tǒng)有線回傳模式相比，其特點顯而易見，可作為傳統(tǒng)回傳模式的補充或替代方案。

4.終端接入模式

　　如圖4所示，在終端接入模式下，用戶終端設備（TE，Terminal Equipment）直接通過作為SAP的WiMAX基站（BS）接入核心網(wǎng)。而用戶終端設備（TE）若要直接接入WiMAX網(wǎng)絡，則必須配置符合WiMAX標準的用戶單元（SU，Subscriber Unit），用戶單元（SU）一般是WiMAX無線網(wǎng)卡或無線模塊形式。



　　由于WiMAX接入速率很高，而且支持城域內(nèi)終端設備的移動性（對于即將頒布的IEEE 802.16e），因此特別適合于接入速率要求高并且有移動性要求的終端應用。

　　該模式的特點在于允許用戶終端直接高速接入網(wǎng)絡，并支持便攜式終端在城域范圍內(nèi)的移動和漫游。從技術和業(yè)務的角度看，只要再增加支持VoIP語音業(yè)務功能，就可成為名副其實的下一代移動通信網(wǎng)絡。

　　5.駐地網(wǎng)接入模式

　　如圖5所示，駐地網(wǎng)接入模式主要針對集團用戶，其目標是把諸如企業(yè)、校園和SOHO（Smalloffice Home Office）等用戶駐地網(wǎng)通過WiMAX接入城域網(wǎng)。與其他應用模式相同，基站（BS）還是作為SAP與核心網(wǎng)相連提供無線接入服務。在用戶側，用戶無線接入設備SS，其一側通過無線接口上聯(lián)基站（BS），另一側通過標準接口（例如以太網(wǎng)接口、E1等）與用戶駐地網(wǎng)CPN設備相連。一般用戶站（SS）采用定向天線，以及各種自適應技術，靈活調(diào)整工作方式，保證用戶的正常接入。



　　用戶側駐地網(wǎng)CPN設備可以是用戶路由器、交換機、集線器等網(wǎng)絡設備，甚至可以是另一種無線接入點（例如WiFi熱點），用于組成用戶專用局域網(wǎng)，其典型實例是目前廣泛存在的校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、政府網(wǎng)或SOHO等形式。

　　駐地網(wǎng)接入模式特別適合于線纜接入不方便，對接入帶寬要求不高的駐地間接入應用。與線纜接入方式相比，部署快捷是該模式的競爭優(yōu)勢。

6.無線橋接模式

　　如圖6所示，無線橋接模式是一種點到點無線鏈接方式，與遠程網(wǎng)橋的作用相似，其目的是把地理位置分離的兩個子網(wǎng)絡通過WiMAX無線鏈路連接在一起。由于無線橋接采用點對點方式，兩端WiMAX無線網(wǎng)橋設備天線的方向可以彼此對準固定，因此傳輸性能相對穩(wěn)定，部署也相對簡單。



　　顯然，采用WiMAX無線橋接方式，可以避免困難的專線鋪設或繳納昂貴的線纜租金，并能迅速開通使用，連接距離遠，連接帶寬完全能滿足一般應用需要。在用戶專網(wǎng)建設方面，比有線橋接方式更具競爭力。

　　四、結論

　　從網(wǎng)絡結構和應用角度看，WiMAX無線接入技術具有無線技術帶來的所有優(yōu)勢，同時從技術上看，高效調(diào)制技術提高了頻譜利用率；QoS機制提高了業(yè)務能力；宏小區(qū)覆蓋方式，特別適合戶外應用；并且其以較高的接入速率，克服了無線技術的帶寬瓶頸，成為今后線纜傳輸方式的補充或替代方式?？梢灶A見，隨著WiMAX技術的普及，設備成本的下降，其完全可能成為解決信息高速公路“最后一公里”極具競爭力的手段。本文討論的WiMAX應用模式把網(wǎng)絡應用環(huán)境與WiMAX特點相結合，既可以滿足網(wǎng)絡應用需求，又可以充分發(fā)揮WiMAX的性能優(yōu)勢，因此，WiMAX應用模式的確定對今后其應用和發(fā)展具有現(xiàn)實意義。