基于IEEE802.16的無線城域網（WMAN）技術開發(fā)

1、引言

隨著通信技術和新業(yè)務的部署。市場與技術的相互作用，未來通信領域一些新的特點逐漸顯現出來。一方面，傳統寬帶固定接入用戶已經不滿足于僅僅在家庭和辦公室等固定環(huán)境內使用寬帶業(yè)務，希望使用寬帶接入移動服務；另一方面，傳統的移動用戶也不滿足于簡單的語音、短信和低速數據業(yè)務，希望能使用更高數據速率的業(yè)務。用戶需求的變化使固定寬帶接入服務和移動服務在技術和業(yè)務上呈現融合的趨勢，寬帶移動化和移動寬帶化逐漸成為兩個領域技術發(fā)展的趨勢，并互為補充、互相促進。在移動寬帶化方面，3gpp/3gpp2已經制定了1xev-do、hsdpa/hsupa等技術標準，在移動環(huán)境下實現寬帶數據傳輸。在寬帶移動化方面，IEEE802工作組先后制定了WLAN和WiMAX等技術規(guī)范，意圖能沿著固定、游牧／便攜、移動這樣的演進路線逐步實現寬帶移動化，其中IEEE802.16WiMAX是寬帶移動的重要里程碑。促進了移動寬帶的演進和發(fā)展［1，2］。

WiMAX是IEEE802.16技術在市場推廣方面采用的名稱，其物理層和MAC層技術基于在IEEE802.16工作組中開發(fā)的無線城域網（WMAN）技術，WiMAX也是IEEE802.16d/e技術的別稱。本文首先將系統全面介紹IEEE802.16系列標準，對比Wi-Fi，WiMAX和3G各標準的特征和優(yōu)缺點，基于現有的各種網絡配置，詳細闡述了WiMAX的組網三步曲，介紹了不同階段下的詳細組網策略，用于支持高速移動、無縫通信的高速多媒體業(yè)務傳輸。

2、WiMAX無線接入技術

IEEE802.16是為制定無線城域網標準而專門成立的工作組，該工作組自1999年成立以來，主要負責固定無線接入的空中接口標準制定，為了推廣基于IEEE802.16和ETSIHiperMAN協議的無線寬帶接入設備，并且確保他們之間的兼容性和互操作性，2001年4月，由業(yè)界主要的無線寬帶接入廠商和芯片制造商共同成立了一個非營利工業(yè)貿易聯盟組織——WiMAX。

2.1WiMAX系列標準

最初的IEEE802.16協議是2001年12月IEEE通過的無線城域網標準，該標準支持的工作頻段為10～66GHz，只能承載在視距的環(huán)境中，這些限制并不利于固定寬帶接入技術的推廣，所以在2003年1月，IEEE又發(fā)布了擴展協議IEEE802.16a，目的在于使固定寬帶接入技術也能支持非視距傳輸，工作頻率范圍為2～11GHz需要許可證和免許可證頻段。目前，為了能夠使IEEE802.16系列標準能夠傳輸從幾兆比特每秒到幾百兆比特每秒的數據，提供高速多媒體業(yè)務傳輸的能力，成為解決接入網“最后一公里”瓶頸的有效手段，對IEEE 802.16a協議進行了改進，提出了融合后的IEEE802.16 REVd協議，也稱為IEEE 802.16-2004協議，目前該協議已經成為業(yè)界標準，各大廠商都基于該標準設計和推出各種固定無線接入產品。目前正在標準化的IEEE 802.16e協議作為固定接入技術的擴展，增加了終端用戶的移動性功能，從而使移動終端能夠在不同基站間進行切換和漫游。

2.2協議棧模型

IEEE802.16系列標準專門定義了WiMAX的無線空中接口。其參考模型如圖1所示。IEEE802.16目前只對固定用戶終端（SS）和基站（BS）之間的U接口進行了規(guī)范，而BS之間的IB接口、BS與RNC（與WCDMA系統的無線網絡控制器RNC功能類似）之間的A接口不屬于IEEE802.16標準組織工作范疇。IEEE802.16系列標準定義的空中接口由物理層和MAC層組成，如圖2所示。MAC層支持點對多點（PMP）結構，也適用于網格拓撲結構。MAC層的結構設計為可支持多種物理層規(guī)范，不同的物理層技術適合不同的無線傳播環(huán)境。

圖1 IEEE802.16協議模型

圖2 協議體系結構

IEEE802.16 MAC層由高到低劃分為3個子層。

（1）特定服務匯聚子層（Service-SpecificConvergenceSublayer）：提供與更高層的接口，通過不同的會聚方式更好地適配各種上層協議；

（2）公共部分子層（CommonPartSublayer）：負責執(zhí)行MAC層的核心功能，包括系統接入、帶寬分配、連接建立、連接維護等；

（3）安全子層（PrivacySublayer）：提供加密、鑒權、密鑰交換等與安全有關的功能。

2.3物理層規(guī)范

目前最通用的IEEE802.16-2004空中接口物理層規(guī)范根據系統工作的頻段做了相應的規(guī)定，具體可分為兩類。

（1）10～66GHz：這個頻段內的電磁波波長在毫米波段，波能量易被地面和建筑物吸收，因此要求發(fā)射天線和接收天線之間不能有障礙物，即視距傳輸。此外傳輸信號還易受雨衰等影響，使得對系統的部署要求非常高，覆蓋面積較小。但該頻段頻率資源豐富，分配的頻段較寬，系統容量大。IEEE802.16對這個頻段的物理層規(guī)范是WMAN_SC，采用單載波調制技術；

（2）2～11GHz：該頻段包含需要許可證和免許可證兩種頻譜資源，主要為支持非視距傳輸而提出。頻段內的電磁波較長，發(fā)射天線和接收天線不必有視距傳輸，因此多徑干擾問題突出。此外，許多別的無線設備也工作在此頻段內，如藍牙系統、無線局域網等，如何與這些設備共存而不增加彼此干擾，也是一個需要解決的問題。考慮到系統工作的物理環(huán)境，該頻段支持3種物理層規(guī)范：

*WMAN_SCa：采用單載波自適應調制策略，下行鏈路使用點對多點的廣播方式進行信號傳輸，基站通過給BS內所有的SS發(fā)射TDM信號，目標SS檢測到是分配給自己的時隙則啟動信號的接收。而在上行鏈路采用TDMA方式；

*WMAN_OFDM：采用256點變換的正交頻分復用（OFDM）調制技術，下行采用TDM方式，上行接入采用TDMA+OFDMA作為多址方式，該空中接口對于免許可證的頻段是必選的；

*WMAN_OFDMA：采用2048點變換的OFDM調制技術。通過為每個接收機分配一組子載波來實現多址傳輸，上下行都采用TDMA+0FDMA作為多址方式。考慮到NLOS特性，采用了先進的自適應天線系統（AAS），ARQ以及動態(tài)頻率選擇（DFS）等先進技術。

IEEE802.16系統可以工作在頻分雙工（FDD）或時分雙工（TDD）方式。FDD需要成對的頻率，TDD則不需要，而且可以靈活地實現上下行帶寬動態(tài)調整。

在IEEE802.16中，還規(guī)定了終端可以采用半雙工頻分雙工（H-FDD）方式，降低了對終端收發(fā)器的要求。從而降低了終端成本。

2.4傳輸速率

IEEE802.16并未規(guī)定具體的載波帶寬，系統可以采用從1.25～20MHz之間的帶寬?？紤]各個國家已有固定無線接入系統的載波帶寬劃分，IEEE802.16規(guī)定了幾個系列，1.25MHz的倍數、1.75MHz的倍數。1.25MHz系列包括1.25/2.5/5/10/20MHz等。1.75MHz系列包括1.75/3.5/7/14MHz等。對于10～66GHz的固定無線接入系統，還可以采用28MHz載波帶寬，提供更高的接入速率。

WMAN_SC規(guī)定在該頻段采用單載波調制方式，具體可以采用QPSK和16QAM，可選支持64QAM。WMAN_SCa可以采用的調制方式最多，支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，甚至可選支持256QAM。WMAN_OFDM每個子載波的調制方式可支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，其中64QAM對于免許可證頻段是可選的。WMAN_OFDMA每個子載波的調制方式可以支持QPSK、16QAM，可選支持64QAM。

比較可知，WMAN_OFDMA具有最佳的頻譜效率，但幾種物理層技術理論性能相差不大。需要說明的是WMAN_SCa抗多徑和頻率選擇衰落非常差，所以在NLOS環(huán)境中一般不采用該物理層配置。WiMAX對固定終端的覆蓋范圍一般在5～15km。而對低速移動終端支持的標準IEEE802.16e仍在制定中，要求覆蓋范圍達到幾公里，支持切換等移動性管理。

2.5不同網絡標準比較

在未來的無線網絡系統中，Wi-Fi、WiMAX和蜂窩系統（主要指3G以及后3G系統）都能提供電信級應用，從支持用戶的移動性來看，Wi-Fi和WiMAX都較差。而蜂窩系統能實現無縫切換；從支持的傳輸速率來看，WiMAX有無法比擬的優(yōu)勢，Wi-Fi較蜂窩網絡其傳輸速率顯著提高；從單基站覆蓋范圍來看，WiMAX的覆蓋范圍最大，蜂窩網絡次之，WLAN最?。粡木W絡管理的角度來看，由于IEEE802系列協議只定義了物理層和MAC層協議，所以WiMAX和Wi-Fi可以借鑒蜂窩網絡的鑒權和計費等功能［4］。

3、WiMAX組網技術

作為一種無線空中接口標準，2004年頒布的IEEE802.16-2004標準可以被移動運營商作為分組數據的補充網絡，此時不支持用戶終端的移動性。但是未來的IEEE802.16e標準將有較好的移動性支持，可以單獨組網實現全網覆蓋。所以從技術的演進，支持的用戶移動性和全網覆蓋角度來看，WiMAX組網是一個逐漸演化的過程，從補充網絡到局部的單獨網絡到最后的全覆蓋網絡，具體演進步驟如圖3所示［5］。

圖3 IEEE802.16演進策略

在上面的演化策略中，并沒有包含目前已經商用化的固定寬帶無線接入系統，如本地多點分配業(yè)務（LMDS）系統，因為其物理層采用的還是單載波技術，并且其采用的頻率為10～66GHz頻段。而我們這里所闡述的系統物理層都基于OFDM技術，并且采用2～10GHz頻段，支持NLoS傳輸。

3.1第一階段

WiMAX特別適合傳遞高突發(fā)性的數據，其MAC結構也同時支持實時的多媒體和同步應用，這意味著它特別適合于寬帶無線傳輸。WLAN最大的特點是便攜性，主要解決用戶“最后100m”的通信需求，定位于熱點地區(qū)的高速移動數據接入，但不支持高速移動性，主流應用是商務用戶在酒店、機場等熱點使用便攜電腦上網瀏覽或訪問企業(yè)的服務器。而WiMAX在今天的Wi-Fi系統基礎上可以同時進行距離和高QoS要求的應用的擴展。

這一階段WiMAX和Wi-Fi都不提供高速的用戶移動支持，所以為了達到全網覆蓋，需要聯合3G蜂窩系統，作為3G系統受系統開銷及復雜度限制而無法實現高速寬帶IP數據覆蓋及漫游方面的增強。

從以上的分析可知，這一階段將是Wi-Fi，WiMAX和3G網絡共存階段。Wi-Fi定位于熱點地區(qū)內的高速移動數據接入，WiMAX把不同的熱點地區(qū)串接起來，實現更廣范圍的高速數據接入，主要解決“最后一公里”的通信需求，而3G網絡定位于移動用戶的語音通信和全網范圍內的低速數據通無線通信。由于Wi-Fi和WiMAX都只是定義了無線空中接口的物理層和MAC層，這時需要和3G網絡采用松散模式進行網絡融合，使得用戶的鑒權、加密和計費由3G網絡進行。WiMAXRNC也可以直接利用目前有線網的網絡管理實體完成相應的鑒權、計費和網管等。Wi-Fi、WiMAX和3G系統的相互關系如圖4所示。

圖4 Wi-Fi/WiMAX/3G第一階段混合組網關系示意圖

這一階段的網絡特征是通過WiMAX把Wi-Fi的接入點通過無線的方式結合起來與主干網絡直接相連，從而使得Wi-Fi基站布置變得特別方便和機動，同時也解決了3G網絡室內和熱點地區(qū)覆蓋難的問題，由于可以都在3G網絡中進行用戶的鑒權、加密和計費，從而打破了無線和有線用戶之間的界限，并且用戶只要使用唯一的賬號就能進行無縫通信。由于WiMAX基站的功能是管理固定的Wi-Fi接入點之間的通信，而AP點間主要是LOS傳輸，所以此時可以不采用OFDM等高級技術，載頻在10～66GHz，采用WMAN-SC協議。

3.2第二階段

在這一階段，WiMAX增加了移動設備的便攜式和慢速移動特性，但是終端用戶并不具有在不同WiMAX基站之間進行切換的功能。WiMAX終端除了能進行高速數據傳輸功能外，還能進行VoIP語音通信，這時把具有便攜和移動性的WiMAX用戶終端稱為移動用戶終端（MSS）。為了能達到全網通信，終端具有Wi-Fi/WiMAX/3G多模功能，此時Wi-Fi/WiMAX/3G不同網絡之間的融合問題更加復雜，為了不改變不同網絡之間原有的配置，建議采用松耦合模式。

為了支持用戶的移動性，需要采用IEEE802.16e協議，對于WiMAX的MSS而言，此時WiMAX的BS類似一個接入點（AP），它承載的功能類似3G系統中的基站，具體的參考模型如圖5所示。MSS和AP實體都需要增加上層協議，以便進行無線資源管理、移動性管理和通信事件任務管理等，相對于固定節(jié)點的U和A接口，改進后分別為MU和MA。

圖5 WiMAX/3G參考協議模型

圖6 Wi-Fi/WiMAX/3G第二階段混合組網關系示意圖1

Wi-Fi、WiMAX和3G系統的相互關系如圖6所示，和第一階段的網絡架構相比，主要是增加了MSS的通信功能。

和第一階段一樣，本階段主要通過松耦合的方式借用3G的IP核心網絡，為IEEE802.16SS/MSS進行尋址、認證、服務授權、加密和計費等網絡管理，以減少核心網的投資成本。這時需要在3G分組核心網絡中專門定義一個接口，用于和WiMAXRNC通信。為了支持MSS的便攜和低移動特性，需要采用WMAN_OFDM和WMAN_OFDMA物理層以克服NLOS的影響，此時工作頻段需在2～11GHz，而SS在1O～66GHz頻段采用MAN_SC，或者在2～11GHz頻段采用WMAN_SCa進行通信。

3.3第三階段

隨著WiMAX網絡的逐步擴展，IEEE802.16e標準不斷完善以及對移動性的良好支持，可以采用WiMAX全網覆蓋的組網方式。相比于第二階段組網方式。需要額外提供支持WiMAX的核心網設備，具體如圖7所示。未來將主要在2～6GHz頻段內支持WiMAX移動終端的全網覆蓋，由WiMAX中的RNC負責集中網絡控制，以及作為無線網與核心網通信的轉載實體。在WiMAX的基站和RNC之間的信息交互可以采用MPLS或者區(qū)分服務QoS的IP-in-IP隧道協議，而在不同RNC之間通信或者RNC與核心網間的信息交互則采用快速標簽交換路徑（LSP）交換協議。

圖7 Wi-Fi/WiMAX/3G第二階段混合組網關系示意圖2

4、結束語

由于3G蜂窩系統全面商用化一再推延，使得各種無線接入技術獲得了迅速發(fā)展。在未來無線通信領域，很難有哪種技術或標準能夠一統天下，而將是各種無線接入技術并存，各種移動通信系統互相兼容和合作的格局。WiMAX作為一種新興的寬帶城域網接入標準。采用了很多先進和成熟的技術，能提供高的傳輸速率和強的QoS保證，并且隨著標準的完善能夠支持用戶的移動性，從而實現全網無縫覆蓋。

鑒于目前已存的各種蜂窩系統和發(fā)展強勁的Wi-Fi，WiMAX組網和使用首先應定位于對現有網絡高速數據支持的補充，隨著技術和網絡配置不斷完善，充分發(fā)揮其技術優(yōu)勢和組網的靈活性，最后通過獨立組網達到全網覆蓋，既能提供高速的數據傳輸和保證QoS，并且能夠全網無縫漫游。目前WiMAX除了需要繼續(xù)完善IEEE802.16e標準協議，提供和Wi-Fi以及3G的網絡互連和協作外，還需要盡快推出相應的終端和基站設備，保證在工作的頻段不會對現有電子設備和系統產生干擾，并且隨著用戶量增加，設備價格盡快降到大眾能夠接受的水平