|
隨著近年來寬帶無線市場需求的擴大和技術水平的提高，標準化組織IEEE在數(shù)百名來自政府、運營商、研究機構和設備制造商的技術專家共同努力下，制定了IEEE 802.16無線城域網(wǎng)協(xié)議[1]，受到業(yè)界廣泛關注。為了推進設備的一致性、標準化和互操作性，來自工業(yè)界、制造業(yè)、運營商的代表共同組建了WiMAX組織，旨在推動基于IEEE 802.16寬帶無線設備的兼容性測試[2]，保障不同廠商設備之間的互操作性。
WiMAX技術可以覆蓋幾十公里，提供近70 Mb/s的單載波速率，并且具備支持漫游、移動的潛力，具有廣泛的應用前景。就目前來看，WiMAX面向的市場應用包括：傳輸承載、數(shù)據(jù)接入和漫游移動。
傳輸承載接入市場主要業(yè)務特征是點對點模式下的固定分配方式。對應的有線接入市場就是E1/T1接口點對點光傳輸設備的業(yè)務市場。
數(shù)據(jù)接入市場主要業(yè)務特征是基于IP平臺的多種寬帶數(shù)據(jù)接入，特別是以IP數(shù)據(jù)上網(wǎng)業(yè)務為主。與該部分市場對應的有線接入市場就是數(shù)字用戶線(DSL)和電纜調制解調器(Cable Modem)業(yè)務市場。
漫游移動數(shù)據(jù)接入市場主要業(yè)務特征是支持便攜式終端的數(shù)據(jù)接入。運營商利用寬帶無線設備開展業(yè)務主要是筆記本電腦、個人數(shù)字助理(PDA)、手機等便攜式電子設備的數(shù)據(jù)業(yè)務?；鵚iMAX/IEEE 802.16的系統(tǒng)將獲得廣泛應用，成為寬帶無線行業(yè)內的主流設備。
目前，IEEE 802.16標準及相應的WiMAX測試規(guī)范主要還是針對無線空中接口技術，所明確內容也只是涉及開放系統(tǒng)互連(OSI)模型中的物理層、媒體訪問控制(MAC)層，并沒有明確WiMAX網(wǎng)絡的組網(wǎng)技術和方案。因此，WiMAX未來如何發(fā)展就有了多種多樣的看法，如有些人認為是與DSL產(chǎn)品競爭，有些人認為是與3G競爭。這實際就涉及到了WiMAX組網(wǎng)技術和業(yè)務應用的問題，特別是組網(wǎng)方案中WiMAX與現(xiàn)有設備之間的關系是革命性替代還是融合演進，需要進行深入研究。
1 組網(wǎng)關鍵技術
參考通用的無線通信體系結構，WiMAX網(wǎng)絡參考架構可以分成終端、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)3個部分，如圖1所示。圖1中，WiMAX終端包括固定、漫游和移動3種類型終端；WiMAX接入網(wǎng)主要為無線基站，支持無線資源管理等功能；WiMAX核心網(wǎng)主要是解決用戶認證、漫游等功能及WiMAX網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡之間的接口關系。WiMAX網(wǎng)絡組網(wǎng)關鍵技術包括頻率復用方案、認證計費和移動性管理。
1.1 頻率復用
由于頻率資源是一種稀缺資源，因此各國政府對于頻率資源管理都非常重視。WiMAX網(wǎng)絡可以使用的頻率資源比較有限，因此在考慮運營業(yè)務容量、頻率干擾的前提下，運營商需要對WiMAX網(wǎng)絡頻率資源進行全面規(guī)劃。WiMAX網(wǎng)絡頻率規(guī)劃遵循通用的無線網(wǎng)絡規(guī)劃模型，但考慮到不同應用場合，實際上存在不同的方案。以WiMAX網(wǎng)絡在固定接入方式應用場合為例，固定接入可以充分利用極化隔離和定向天線，其網(wǎng)絡頻率規(guī)劃原則為：
(1)除非距離達到5到7個倍程，或者兩者之間有較好的阻擋物，相鄰站點不允許出現(xiàn)相同方向的同頻復用。如果要復用，可以采用不同的極化方向以獲得20 dB的額外隔離度。
(2)同一站點，同一扇區(qū)，盡可能不使用鄰頻進行組網(wǎng)，盡可能地使其錯開一個角度，以保證服務扇區(qū)內的注冊頻點為最佳。
(3)同一站點，同一扇區(qū)，不可以使用同頻。
(4)同一站點，相鄰扇區(qū)，不可以使用同頻。在高性能天線的情況下，如果終端(SU)的位置不在相鄰兩個扇區(qū)交疊邊緣的前提下，可以使用同頻交叉極化的方式。
(5)同一站點，相背扇區(qū)，在基站天線前后隔離度滿足30 dB的要求時，可以使用相同極化的同頻。
針對免許可證頻段，IEEE 802.16協(xié)議還規(guī)定了動態(tài)頻率選擇方案，同時，WiMAX系統(tǒng)可以支持多輸入多輸出(MIMO)、智能天線、正交頻分多址(OFDMA)等技術，以降低頻率干擾、增加網(wǎng)絡容量。
1.2 認證計費
認證計費系統(tǒng)是WiMAX網(wǎng)絡的重要組成部分，即認證、授權和計帳(AAA)是網(wǎng)絡安全策略的一個組成部分。典型的寬帶用戶AAA接入控制的實現(xiàn)過程如下：用戶端設備→AAA客戶機→AAA服務器→計費系統(tǒng)。WiMAX網(wǎng)絡用戶認證過程也采取類似的方案。AAA客戶機到AAA服務器之間通常采用遠程撥號用戶認證(RADIUS)協(xié)議；AAA服務器和計費系統(tǒng)一般集中建設，以支持用戶漫游和減少建設成本；用戶端設備和AAA客戶機(如寬帶接入服務器)之間多采用PPPoE、802.1X、Web認證。
目前，WiMAX網(wǎng)絡組建可以采用單獨建網(wǎng)、數(shù)據(jù)城域網(wǎng)疊加、移動蜂窩網(wǎng)疊加等幾種方案，因此WiMAX網(wǎng)絡的AAA客戶機、AAA服務器和計費系統(tǒng)可以借用現(xiàn)有網(wǎng)絡的實現(xiàn)技術或直接采用現(xiàn)有網(wǎng)絡對應設備，以實現(xiàn)資源共享，降低網(wǎng)絡設備投資。
1.3 移動性管理
WiMAX網(wǎng)絡具備支持漫游、移動業(yè)務的能力，其移動性管理方式對于網(wǎng)絡結構影響也是比較大的。移動管理主要功能就是在整個服務網(wǎng)絡內有效地支持終端站的漫游和移動，涉及位置管理和切換管理兩部分。其中，位置管理主要是確認合法終端所處網(wǎng)絡位置，以便在業(yè)務啟動時，迅速建立業(yè)務路由；切換管理則是在終端移動狀態(tài)下，保障激活業(yè)務的服務和質量。
WiMAX終端在漫游、移動情況下實現(xiàn)移動性管理可以采用簡單IP(Simple IP)或移動IP(Mobile IP)協(xié)議。在Simple IP網(wǎng)絡結構下，終端分配的IP地址是動態(tài)可變的，但在跨域切換時業(yè)務要中斷，必須通過應用層的專用協(xié)議實現(xiàn)再次連接，只適用于WWW、E-mail等對時間不敏感的業(yè)務，不適于大范圍移動的實時業(yè)務，如IP語音等；在Mobile IP協(xié)議下，終端具備永久IP地址，可支持所有類型的IP業(yè)務。然而，Mobile IP也存在IPv4地址不足，切換過程中的時延和丟包率難以保障等問題，需要采用地址轉換、IPv6、多層切換等方案來解決。
2 WiMAX組網(wǎng)方案
2.1 固定組網(wǎng)模式
在固定應用模式下，WiMAX網(wǎng)絡可以疊加在寬帶城域網(wǎng)上，核心網(wǎng)功能可以直接映射到現(xiàn)有IP網(wǎng)絡的相關設備中，如寬帶接入服務器等。網(wǎng)絡組網(wǎng)方案涉及兩方面：頻率規(guī)劃方案和終端計費認證方案。
由于運營商頻率資源有限，因此同樣頻率資源可以按照波道寬度不同劃分出數(shù)量不同的獨立載波。頻率規(guī)劃方案直接影響系統(tǒng)用戶峰值速率、規(guī)劃地區(qū)網(wǎng)絡容量，因此需要慎重考慮。以3.5 GHz頻段為例，典型載波帶寬劃分方式是1.75 MHz、3.5 MHz和7 MHz?？紤]到多種因素，建議采用3.5 MHz為主來進行頻率規(guī)劃[3]。典型3頻點多基站的固定組網(wǎng)方式如圖2所示，其中H、V分別表示水平極化和垂直極化。
目前，業(yè)內主流認證計費組網(wǎng)方案有3種：PPPoE認證、Web認證和802.1X認證。
(1)基于以太網(wǎng)的點到點協(xié)議(PPPoE)，即國際標準RFC2516，是從基于ATM的窄帶網(wǎng)引入到寬帶以太網(wǎng)，可以應用在xDSL和局域網(wǎng)(LAN)環(huán)境中。PPPoE優(yōu)點是易管理、支持多種服務、易于流量控制，缺點是效率低、以太網(wǎng)環(huán)境下隔離成本高。
(2)Web認證方式需要與動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)服務器和門戶(Portal)服務器配合使用，優(yōu)點是無需安裝軟件、支持門戶服務器增值業(yè)務、網(wǎng)絡成本低，缺點是安全性差。
(3)IEEE 802.1x是基于端口的網(wǎng)絡訪問控制的標準，如果認證過程失敗，端口接入將被阻止。IEEE 802.1x的優(yōu)點是安全、簡潔、易于運營。WiMAX網(wǎng)絡在認證計費組網(wǎng)方案上可以優(yōu)先采用IEEE 802.1x協(xié)議。
2.2 移動組網(wǎng)模式
在移動應用模式下，WiMAX網(wǎng)絡可以采用疊加于寬帶城域網(wǎng)或移動蜂窩網(wǎng)兩種方式。網(wǎng)絡組網(wǎng)方案需要重點考慮：頻率規(guī)劃方案、終端計費認證方案和移動性管理方案。其中，典型3頻點多基站的移動組網(wǎng)方式如圖3所示。f1、f2、f3分別表示3個頻點。為了實現(xiàn)蜂窩組網(wǎng)，單扇區(qū)需要支持MIMO和OFDMA技術。
由于WiMAX網(wǎng)絡疊加在寬帶城域網(wǎng)實現(xiàn)移動應用可以作為WiMAX網(wǎng)絡和移動蜂窩網(wǎng)組網(wǎng)方案的一種特例，因此下面重點討論WiMAX網(wǎng)絡和移動蜂窩網(wǎng)組網(wǎng)方案的網(wǎng)絡架構。依據(jù)與移動蜂窩系統(tǒng)結合的緊密程度，移動蜂窩網(wǎng)絡和WiMAX網(wǎng)絡組網(wǎng)方案可以分成松耦合和緊耦合兩大類?？紤]耦合程度從淺到深，移動蜂窩網(wǎng)絡和WiMAX網(wǎng)絡可以有6個工作模式：
(1)統(tǒng)一計費和用戶管理模式。
(2)基于移動蜂窩網(wǎng)絡的WiMAX網(wǎng)絡認證和計費模式。
(3)WiMAX網(wǎng)絡接入移動蜂窩網(wǎng)絡的標準分組域業(yè)務模式。
(4)業(yè)務一致性和連續(xù)性的模式。
(5)無縫的分組域業(yè)務切換模式。
(6)WiMAX接入到移動蜂窩標準電路域模式。
前兩種模式屬于松耦合，后4種模式屬于緊耦合(WiMAX和3G融合組網(wǎng)圖如圖4所示)。
在模式(1)中，在兩個系統(tǒng)間外掛一個附加的網(wǎng)絡，AAA在附加網(wǎng)絡中實現(xiàn)，完成鑒權和計費的功能；在模式(2)中，WiMAX作為移動蜂窩網(wǎng)絡互補網(wǎng)絡，其認證和計費需要用移動蜂窩網(wǎng)絡的歸屬位置寄存器(HLR)和AAA等，WiMAX流量出口直接連接到城域網(wǎng)；在模式(3)中，WiMAX認證和計費與模式(2)類似，其業(yè)務流量出口將由移動蜂窩網(wǎng)絡的分組域網(wǎng)關負責；在模式(4)中，WiMAX網(wǎng)絡可以直接訪問移動蜂窩網(wǎng)絡所有業(yè)務；在模式(5)中，WiMAX網(wǎng)絡切換要受移動蜂窩網(wǎng)絡的控制，其VoIP語音業(yè)務可以切換到移動蜂窩網(wǎng)絡中；在模式(6)中，WiMAX網(wǎng)絡無線資源和移動蜂窩網(wǎng)絡中無線資源將被統(tǒng)一調度。
從上述情況看，WiMAX組網(wǎng)可以先期考慮采用模式(1)，再通過移動蜂窩網(wǎng)絡升級，逐步演進到模式(4)、模式(5)，模式(6)是終極發(fā)展目標。WiMAX終端認證計費功能都在移動蜂窩系統(tǒng)中相應的設備中實現(xiàn)。在松耦合場景下，WiMAX移動性管理由WiMAX專有設備實現(xiàn)，而在緊耦合場景下，移動蜂窩中的設備也要參與WiMAX終端的移動性管理。
3 WiMAX無線組網(wǎng)方式的演進
WiMAX技術處于發(fā)展過程中，其無線組網(wǎng)方式預計將經(jīng)過4個階段：室外接入、室內接入、有縫漫游、無縫移動。
(1)室外接入
由于基于統(tǒng)一空中標準的解決方案推出時間不長，利用室外接入設備來覆蓋大范圍的商業(yè)用戶是一種比較好的運營模式。此時，室外接入系統(tǒng)典型特征是采用15～23 dBi定向天線技術；基站覆蓋范圍3～10 km。系統(tǒng)第一階段的終端接口是10BaseT/RJ11，第二階段的終端接口是V.35、E1/T1和RS530。
(2)室內接入
在標準設備推出一段時間后，室內接入設備將逐漸開拓居民固定數(shù)據(jù)接入市場。此時，室內接入系統(tǒng)典型特征是采用5～15 dBi全向或定向天線技術，基站覆蓋范圍1～3 km，終端接口采用10/100BaseT、USB等接口。
(3)有縫漫游
基于標準協(xié)議的基站采用更新的無線技術提高無線覆蓋能力。有縫移動寬帶無線接入系統(tǒng)典型特征是：終端采用3～7 dBi全向天線；網(wǎng)絡存在集中鑒權認證中心；終端服務對象以便攜式計算機為主，業(yè)務則支持Internet數(shù)據(jù)接入和少量視訊業(yè)務。
(4)無縫移動
無縫移動寬帶無線接入系統(tǒng)典型特征是采用基站+基站控制器的方式實現(xiàn)支持無線資源集中管理，另一種組網(wǎng)模式是采用微蜂窩狀態(tài)下動態(tài)頻率選擇(DFS)機制，充分利用頻譜資源。
4 結束語
WiMAX技術是在電信網(wǎng)絡IP化的大趨勢下發(fā)展起來的城域網(wǎng)無線接入技術，具備與全IP網(wǎng)絡無縫融合的能力。從組網(wǎng)角度來看，WiMAX網(wǎng)絡發(fā)展將借鑒IP網(wǎng)絡、NGN和移動蜂窩網(wǎng)絡組網(wǎng)技術，與IP網(wǎng)絡、NGN和移動蜂窩網(wǎng)絡進行充分的融合。WiMAX組織的網(wǎng)絡工作組(NWG)正在從事相關的規(guī)范研究。隨著組網(wǎng)技術的發(fā)展和完善，WiMAX網(wǎng)絡憑借高帶寬、低成本優(yōu)勢，必然在未來的無線互聯(lián)網(wǎng)絡中承當重要角色。
5 參考文獻
[1] IEEE 802.16-2004 Part16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access System [S].
[2] WiMAX Forum. PICS for WirelessMAN-OFDM and WirelessHUMAN(-OFDM) [Z].
[3] 中興通訊. 寬帶無線接入系統(tǒng)無線網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化指導手冊 [Z].
收稿日期：2005-01-27
|
