802.16/WiMAX組網關鍵技術研究

　　802.16/WiMAX如何組網是商用的關鍵問題之一。到目前為止，IEEE 802.16標準及相應的測試規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互連（OSI）模型中的物理層（PHY）、媒體訪問控制（MAC）層，并沒有明確802.16/WiMAX網絡的組網技術和方案。就現在的情況，802.16/WiMAX組網牽涉到的問題主要有：如何通過網絡和小區規劃來提高頻率復用率；如何把802.16/WiMAX系統的空中接口網絡和基于IP技術的核心網絡有機結合在一起；如何更好地支持無縫移動性管理，保證用戶的QoS要求，同時便于計費、認證和鑒權。

　　本文主要針對上述問題對802.16/WiMAX組網關鍵技術進行了討論和分析，對組網的方案進行了分析和展望。

　　二、802.16/WiMAX組網關鍵技術

　　802.16/WiMAX作為分組數據的補充網絡，隨著它對移動性有較好的支持，可能會實現單獨組網并全網覆蓋。其網絡參考架構可以分成終端、接入網和核心網3個部分，如圖1所示。圖1中，802.16/WiMAX終端包括固定、漫游和移動3種類型終端；802.16/ WiMAX接入網主要為無線基站，支持無線資源管理等功能；802.16/WiMAX核心網主要是解決用戶認證、漫游等功能，網絡與其他網絡之間的接口關系。

圖1　802.16/WiMAX網絡參考架構

　　在802.16/WiMAX中提供的PMP（點到多點模式）工作模式是通信系統中的基礎模式。整個小區由一個BS管理，所有的SS的通信都需要 BS的調度。況且由于移動性的引入，移動用戶要在不同的BS覆蓋區間移動并實施通信鏈路的切換，需要為移動用戶提供無縫的網絡覆蓋以便保障用戶的QoS。由此分析得出，802.16/WiMAX網絡組網關鍵技術包括基于OFDM頻率復用技術的小區規劃方案、媒體訪問機制、入網與初始化、資源分配策略、認證計費和移動性管理等方面。

　　1.基于OFDM頻率復用技術的小區規劃方案

　　對于頻率資源比較緊缺的802.16/WiMAX組網而言，OFDM技術雖然具有高頻譜利用率及抗多徑干擾的能力，而且在NLOS環境下可以采用OFDM、OFDMA及其他先進技術來克服較差的無線傳輸環境。但是，用戶只能通過時間（TDMA）或子信道（OFDMA）來區分，使用相同頻率的相鄰小區將會對本小區的通信產生嚴重的同頻干擾。因此，網絡規劃應基于頻率分配，合理分配并復用有限的頻段，從而達到減少小區間、信道間的干擾，并且進一步提高802.16/WiMAX的頻譜效率、增加網絡的容量。

　　為了減小干擾，盡量保證小區的頻率復用因子為1，其網絡頻率規劃方案應該服從如下原則：

　　●除非距離達到5～7個倍程，或者兩者之間有較好的阻擋物，否則相鄰站點不允許出現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。

　　●同一站點，同一扇區，盡可能不使用鄰頻進行組網，盡可能地使其錯開一個角度，以保證服務扇區內的注冊頻點為最佳。

　　●同一站點，同一扇區，不可以使用同頻。

　　●同一站點，相鄰扇區，不可以使用同頻。在采用高性能天線的情況下，如果終端的位置不在相鄰兩個扇區交疊邊緣，可以使用同頻交叉極化的方式。

　　●同一站點，相背扇區，在基站天線前后隔離度滿足30 dB的要求時，可用相同極化的同頻。

　　聯系802.16/WiMAX組網的頻率資源較為緊缺的實際情況，通常采用扇區技術、無線資源管理機制和先進天線技術來減少同頻干擾。

　　（1）基于微小區的頻率規劃　在傳統的蜂窩系統中，為了減少同頻干擾和增大網絡的容量，常常采用相鄰小區之間不使用相同頻點的方法，而且要使具有相同頻點的小區之間的距離盡量的遠。但這樣勢必需要大量的頻率資源，且會降低頻譜的利用率。

    在802.16/WiMAX系統中，為了提高網絡的容量把每一個小區重新化分成多個微小區，每個微小區就有較小的覆蓋范圍，且每個相鄰無線路由器的位置使小區之間的覆蓋區域無信號盲區，從而增加了地理覆蓋并減小了無線路由器間隔。此時，將可使用的頻點分成幾組然后分配給微小區中的小區使用，保證相鄰小區間不使用同一組頻點。而且，由于802.16/WiMAX系統的復雜性，還要使采用同一頻點組的小區的間隔距離更遠。通過扇區技術提高系統容量的方法如圖2所示。在網絡建設初期，基站使用4個的扇區天線，每個天線覆蓋一個扇區。小區可以通過分裂成更多扇區的方式，使每個扇區的可用子信道數量增加，以此支持更高的數據速率。當扇區數量由4個變為8個的時候，小區的容量近似翻了一倍。然而扇區的數量每增加一倍，小區的覆蓋面積會減少33%，這時就需要更多的發射機和接收機來完成相同的覆蓋。這樣，每個BS的覆蓋面積減少了，其需要的帶寬也隨之減少，但設備的成本卻會增加。如果在系統中增加更多的載頻，就可以進一步使用頻率分集來減小同信道之間的干擾。

圖2　通過扇區技術提高系統容量

　　（2）基于無線資源管理的小區規劃　為了減少系統間干擾，提高系統容量，增強鏈路的服務質量，常常使用無線資源管理，包括功率控制、無線資源分配、自適應控制、分組調度技術。考慮到實際系統小區的干擾在不同小區分布是不同的，在同頻干擾較大的區域可以通過無線資源管理機制來減小同頻干擾基站的發射功率，或者結合TDMA機制分配干擾較小的時隙資源給邊緣小區用戶從而減少同頻干擾。下面以其中功能相對獨立的自適應控制機制為例闡述 802.16/WiMAX系統的小區規劃。采用高階調制可以提高系統的容量，并具有更高的頻譜效率，但隨著調制階數增加，接收機的復雜度也要隨之增加，小區間干擾也越來越嚴重（不同調制方式之間目標信干比變化達到16 dB）。這就對接收設備提出了更高的要求。另外，隨著調制階數增加，小區的覆蓋面積大幅縮小，從BPSK-QP-SK-16-QAM-64-QAM，調制階數每增加一步，會使小區半徑縮短為原來的一半左右。總之，當系統需要擴容的時候 高階的QAM調制是需要的，但這會帶來覆蓋面積減小和系統干擾增加等問題。這些問題可以通過將小區規劃和調制體制規劃相結合的方法來解決。一種自適應調制方式如圖3所示，在原有扇區劃分和單一調制BPSK方式的基礎上，根據所處地域不同，采用不同的調制方式，越靠近基站，則使用的調制方式越高。離基站最近的區域采用最高階64-QAM調制方式，然后是16-QAM，再是 QPSK，最外圈的區域使用BPSK。

圖3　自適應調制方式的使用

　　（3）基于極化天線的小區規劃　使用極化天線的方法可以進一步優化頻率復用機制，水平極化和垂直極化交替模式可以使相鄰小區得到較好的干擾隔離，從而可以將系統容量提高近一倍。交替極化在系統中的應用如圖4所示。如果只采用一個載頻，考慮到實際地形的不規則，很容易存在較嚴重的同頻干擾，而使用兩個載頻的交替極化模式，可以得到四組可用信道，從而大幅度減小干擾。聯合采用兩載頻和極化天線技術，在不需要對現有網絡進行較大改動的情況下，就可使系統獲得更多的可用信道。

圖4　極化天線技術增加小區容量

（左面為單載頻極化，右面為雙載頻極化）

　　針對免許可頻段，協議還規定了動態頻率選擇方案可降低頻率干擾，增加網絡容量。

　　2.媒體訪問機制

　　和802.11相比，802.16/WiMAX有著完全不同的媒體訪問機制。前者采用的是CSMA/CA機制，所有的終端基于時間預約來實現突發業務的調度傳輸，通過時間預約和退避機制實現在任意時刻空中媒體中只有一個傳輸存在，以此來解決無線網絡中的隱藏終端和暴露終端問題。為了實現媒體的共享訪問，通過每次傳輸后的時間間隔和競爭周期，保證每個終端都能夠獲得訪問媒體的機會。而802.16/WiMAX采取的方式就是將時間資源進行單位分割，通過時間區分上行和下行。同時，每個物理幀的幀長度固定，由上行和下行兩部分組成，上行和下行的切換點可以自適應調整。在TDD模式下，每個物理幀的長度是由n個物理時隙組成。下行是廣播的，上行是SS發向BS的。下行在先，上行在后。通過這樣統一的設計，杜絕了上行方向上的競爭，資源的調度和分配可以在BS上集中控制。同樣，為了實現媒體的共享訪問，必須讓SS知道“什么時刻可以發送數據”。IEEE 802.16通過在每個幀的下行子幀之前添加用于管理的下行鏈路幀前綴（DLFP），在該部分中指示了每個SS的下行數據位置和上行發送時刻。DLFP相當于專用一個信道，用于傳輸管理信息和指示信息。

　　在802.16/WiMAX系統中還特別設計了DLMAP和ULMAP，它們都可以跨幀，使得信道可以靈活地應用于全部上行或下行鏈路。這種帶有典型的局域網突發的特點，對于寬帶無線接入系統而言，可以兼顧靈活性和公平性，每個SS都有機會傳輸，避免了因競爭造成的長期競爭不到信道的問題；其次，這樣的設計可以避免碰撞的發生，每個SS都只在屬于自己的發送時段內才發送數據，可以保證“任何時刻，媒體上只有一個數據傳輸”；還有，方便于進行 QoS、業務優先級等方面的控制，并在帶寬分配方面也有先天的優勢。

　　3.入網與初始化分析

　　為了提高無線網絡的魯棒性，以及在TDD模式下為了有效利用時間資源，BS必須對SS的媒介訪問時機進行統一的調度。允許SS隨機加入，BS在上行開始之初提供了一個競爭周期，在該周期內，所有沒有入網的SS可以發起入網過程。SS入網過程可以分為以下步驟：

    （1）掃描下行信道，獲取DCD、DLMAP、ULMAP，并與BS建立同步。這里的同步是指MAC同步，一但SS收到DLMAP，就意味著兩個MAC實體之間建立了同步關系，接下來的任務就是SS的隨機接入。

　　（2）獲取上行鏈路參數就是SS可以正確解出UCD，以獲取發送參數。這一步驟完成之后，SS就知道應該在什么時刻發起上行接入過程，以及用什么樣的參數進行上行接入。

　　（3）初始校準的表層目的是進行時偏校正和功率調整，但是其核心目的實際上是進行初始管理連接建立。當BS收到一個初始校準請求后，就會給該 SS分配初始管理連接和第一管理連接。BS和SS開始建立基于連接的傳輸，而后經過多次校準反復，以使SS的發射參數達到相關指標。

　　（4）在完成了初始校準后，BS和SS相繼進行基本能力協商、認證與密鑰交換、注冊、建立IP連接、向SS傳送配置參數等過程。

　　在SS入網后，還要進行周期性的校準操作，以消除無線環境對網絡的影響，使SS工作在預期的條件下。可見，PMP模式下BS管理著所有SS的入網和資源分配，這是和TDD模式的特點緊密相關的。

　　4.資源分配策略分析

　　與資源分配策略相關的處理過程包括ARQ和QoS。802.16/WiMAX的資源分配策略是和連接相關聯的。而連接的定義體現了不同的QoS 參數，在MSDU進入CS后，首先 進行的操作就是對MS-DU進行分類，而分類的原則就是服務流的QoS參數。在服務流上定義了3個QoS參數集，分別是 Provisioned QoS Paramset、Admitted QoS Paramset、Active QoS Pammset。這3個參數集描述了不同狀態下服務流的QoS參數。同時，服務流有3種狀態，分別是提供（Provisioned）、許可（Admitted）、激活（Active）。不同狀態下的服務流有不同的服務流類型，也就有不同的QoS參數。ARQ是與QoS相關的功能，雖然在 802.16/WiMAX網絡中是作為可選項，但是它的ARQ設計得非常巧妙，同樣以連接為基礎進行，同時可以和分片子幀、打包子幀相結合，提高效率。在 ARQ中引入了一個虛擬概念：ARQ塊，而實際上對MPDU并沒有按照ARQ塊的大小進行分塊，而是以分片的大小進行分片，但是分片的大小是ARQ塊的整數倍。在分片的子幀頭中記錄著本分片第一個ARQ塊的編號，而不是分片的編號。通過這樣的設計，在接收方出現接收錯誤的時刻，就可以根據ARQ編號定位到分片，進行重傳。這樣的設計，不僅減少了ARQ管理幀頭的開銷，更重要的是，充分利用了小區中的傳輸基礎——連接。

　　5.網絡安全策略

　　認證、授權和計帳（AAA）是802.16/WiMAX網絡的重要組成部分，也是網絡安全策略的一個組成部分。用戶認證過程AAA接入控制的實現為：用戶端設備→AAA客戶機→AAA服務器→計費系統。AAA客戶機到AAA服務器之間通常采用遠程撥號用戶認證（RADIUS）協議；AAA服務器和計費系統一般集中建設，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。在單獨建網、數據城域網疊加、移動蜂窩網疊加等幾種方案中，802.16/WiMAX網絡的AAA客戶機、AAA服務器和計費系統可以借用現有網絡的技術或直接采用現有網絡對應設備，以實現資源共享，降低網絡設備投資。

　　6.移動性管理

　　802.16/WiMAX網絡具備支持漫游、移動業務的能力，其移動性管理方式對于網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絡位置，以便在業務啟動時，迅速建立業務路由；切換管理則是在終端移動狀態下，保障激活業務的服務和質量。

　　802.16/WiMAX終端在漫游、移動情況下實現移動性管理可以采用簡單IP（Simple IP）或移動IP（Mobile IP）協議。在Simple IP網絡結構下，終端分配的IP地址是動態可變的，但在跨域切換時業務要中斷，必須通過應用層的專用協議實現再次連接，只適用于WWW、E-mail等對時間不敏感的業務，不適于大范圍移動的實時業務，如IP語音等；在Mobile IP協議下，終端具備永久IP地址，可支持所有類型的IP業務。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。

　　為進一步提高802.16/WiMAX網絡的性能和達到預期的效果，還可以利用自適應天線系統、空時編碼技術、無線鏈路增強技術、跨層優化等技術。

    三、組網分析

　　1.網絡融合

　　作為一種只定義了無線空中接口標準的新興網絡，802.16/WiMAX在組網過程中首先是對現有無線網絡的一種補充，目的是用于滿足高速數據傳輸的需要。所以802.16/WiMAX發展的重要一步就是和現有無線網絡的互聯互通并充分利用其核心網，從而實現網絡間的無縫切換。在現有的混合組網方式中，松耦合對現有網絡改造較小，但因為在802.16/WiMAX中建議采用跨層路由協議來減少802.16/WiMAX不同基站切換時延，并無法減少網間的切換時延，所以在此模式下時延是相當高的。而緊耦合和松耦合相比減少了切換時延，并保證了網絡的無縫切換，是以后發展的主要方向。

　　2.接入IPv4/IPv6核心網

　　盡管未來的發展趨勢是IPv6將代替IPv4，但就目前而言，Internet骨干網是一個IPv4/IPv6的混合網絡。在混合網絡中常采用的組網策略包括雙棧策略（DSTM）、隧道策略和翻譯策略。雙棧策略通常解決的是IPv6中的雙棧主機如何與外部IPv4網絡中的網元進行通信的問題，一般只能用在內部網絡中，不適合應用于骨干網和核心網。翻譯策略不需要任何的協議調整就允許IPv4與IPv6網方便地互通，但這種通信效率不高，并且限制了一些通用協議的使用，如IPsec、組播協議等。因此就目前的技術水平來看，出于擴展性等性能方面的考慮，在進行核心網和骨干網互聯時，一 般不適宜采用這種技術。通常，雙棧策略和翻譯策略用于企業網或駐地網；而在組建核心網和骨干網時，則采用隧道策略。在IPv6核心網和802.16/WiMAX接入網的組網方案中，其中接入網部分采用802.16/WiMAX技術，核心網部分則采用IPv6協議互連，內部路由器均支持MPLS，邊緣路由器完成三層操作，核心路由器完成二層交換。用戶接入核心網的過程為：用戶數據經采用802.16/WiMAX技術的接入網的空中接口到達基站后，通過“WiMAX- IPv6核心”接口抵達WMAN核心網的邊緣路由器；由該邊緣路由器對其進行三層操作后，進入支持MPLS的IPv6網絡傳輸，經標簽交換后，抵達 WMAN與核心網邊緣網關，然后進入核心網。無線城域網中的BS需要提供對IPv6路由協議（包括MPLS）、自動配置、組播、QoS算法實現、移動性管理等的完整支持。

　　3.基站互聯

　　基站無線互聯方案的引入也滿足了組網靈活性的需求。傳統的有線接入互聯設備成本較高，而且一旦網絡建設完畢，很難重新調整。而當無線城域網由固定接入發展到支持移動性后，為了保證用戶的無縫切換基站間需要快速有效的通信。在用戶預備或發生切換時，中心基站可以協助確定用戶要切換到的目標基站，并保證用戶切換前后業務狀態的連續。其中涉及的Mesh組網機制問題，也是近來研究的熱點問題。

　　綜上所述，目前認為802.16/WiMAX的組網模式有固定組網和移動組網兩種。在固定應用模式下，802.16/WiMAX網絡可以疊加在寬帶城域網上，核心網功能可以直接映射到現有IP網絡的相關設備中，如寬帶接入服務器等。在移動應用模式下，802.16/WiMAX網絡可以采用疊加于寬帶城域網或移動蜂窩網兩種方式。依據與移動蜂窩系統結合的緊密程度，移動蜂窩網絡和802.16/WiMAX網絡組網方案可以分成松耦合和緊耦合兩大類。由松耦合經過移動蜂窩網絡的升級逐漸過渡到緊耦合，其無線組網方式大致經過室外接入、室內接入、有縫漫游和無縫移動四個階段。最終， 802.16/WiMAX網絡無線資源和移動蜂窩網絡中無線資源將被統一調度和達到無縫融合。

　　四、結論

　　本文對802.16/WiMAX組網關鍵技術展開了詳細的研究并對其組網模式進行探討。該技術是在電信網絡IP化的大趨勢下發展起來的城域網無線接入技術，具備與全IP網絡無縫融合的能力。隨著移動性的增加、組網技術的發展和完善，憑借高帶寬優勢，必然在未來的無線互聯網絡中承當重要角色。另外，要充分考慮802.16/WiMAX服務小區的頻率復用因子以及和核心網的通信，以保證端到端的QoS和移動終端的無縫切換。