WiMAX寬帶無線接入技術

概述

　　隨著移動通信技術和寬帶技術的發展，WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowave Access，全球微波接入互操作性）已經成為全球電信運營商和設備制造商的關注熱點問題之一。技術的發展使得越來越多的多媒體應用進入到人們的生活，運營商提供的服務也隨之變化。但是從現網的實踐來看，大量的多媒體應用給現有移動網絡資源造成巨大消耗，遠遠超過了相關收入的增加。所以解決如何在保證服務質量的前提下，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用。

　　本文第2部分概述了IEEE802.16系列規范，并指明了WiMAX與IEEE802.16系列規范之間的關系；第3部分對WiMAX的技術特點進行了綜述；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。

IEEE802.16標準和WiMAX組織

　　IEEE802.11系列標準在無線LAN領域獲得巨大成功之后，IEEE進而希望將這種成功的應用模式推向更廣闊無線城域網(WMAN)的領域。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的空中接口規范。

　　IEEE802.16標準于2001年12月發布時，因為僅支持10-66 GHz的工作頻段，只能提供可視范圍內的承載服務，市場應用受到很大限制。經過進一步完善，IEEE在2003年1月又發布了新的擴展協議IEEE 802.16a。IEEE 802.16a引入了新的物理層技術，如利用OFDM來抵抗多徑效應等，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的無線接入手段。IEEE 802.16-2004是2 - 66GHz固定寬帶無線接入系統的標準，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協議的草案已經進行到了第9個版本，預計在2005年的3季度可以正式發布。

表1IEEE802.16系列標準
 

　　IEEE802.16系列規范提供了統一的空中接口標準，為規范設備能力、實現不同廠家設備之間的互聯和技術的全球化打下了堅實的基礎，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、設備制造商、周邊部件供應商和研究機構組成的非盈利組織WiMAX論壇成立起來。WiMAX論壇的宗旨是在全球范圍內推廣遵循IEEE802.16標準和ETSI HIPERMAN標準的寬帶無線接入設備，并且對設備的兼容性和互操作性做統一的認證以保證系統互聯、方便運營商部署。為此，WiMAX論壇專門成立了WiMAX產品認證的工作組和實驗室，保證不同廠商WiMAX設備間的互操作性和兼容性。這樣，經認證后的WiMAX設備具有的良好互操作性和對規范順從性。此外，WiMAX論壇組織還致力于幫助解決技術以外的問題，如各國的頻率分配、市場應用案例分析等。

　　目前WiMAX幾乎成為了IEEE802.16標準的別稱，組織成員也發展到約300家。隨著WiMAX產品商用化的進展，今年WiMAX論壇的工作重點將放在設備的認證和網絡構架的研究上。

WiMAX技術特點

　　WiMAX是采用無線方式代替有線實現“最后一公里”接入的寬帶接入技術。WiMAX的優勢主要體現在這一技術集成了WiFi無線接入技術的移動性與靈活性以及xDSL等基于線纜的傳統寬帶接入技術的高帶寬特性，其技術優勢可以概括如下：

◆ 傳輸距離遠、接入速度高

　　WiMAX采用OFDM技術，能有效對抗多徑干擾；同時采用自適應編碼調制技術可以實現覆蓋范圍和傳輸速率的折衷；此外，還利用自適應功率控制，可以根據信道狀況動態調整發射功率。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，當信道條件較好時，可以將調制方式調整為64QAM，同時采用編碼效率更高的信道編碼，提高傳輸速率，WiMAX最高傳輸數率可以達到75Mbit/s；反之，當信道傳輸條件惡劣，基站無法基于64QAM建立連接時，可以切換為16QAM或QPSK調制，同時采用編碼效率更低的信道編碼，這樣可以提高傳輸的可靠性、增大覆蓋范圍。

◆ 無“最后一公里”瓶頸限制、系統容量大

　　作為一種寬帶無線接入技術，WiMAX接入靈活、系統容量大。服務提供商無需考慮布線、傳輸等問題，只需要在相應的場所架設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，能適應城區、郊區以及農村等各種地形環境。一個WiMAX基站可以同時為眾多具有的客戶提供服務，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。

　　WiMAX可以提供面向連接的、具有完善QoS保障的電信級服務，滿足用戶的各種應用需要。按照優先級由高到低依次提供：

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

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

(3)非實時輪詢服務(nrtPS)：速率可變的非實時服務，例如大的文件傳輸；

(4)盡力投遞服務(BE)：根據網絡狀況提供最大可能的服務，例如Email。

◆ 提供安全保證

　　WiMAX系統安全性較好。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

　　運營商在網絡建設時能夠從多個設備制造商處購買WiMAXCertified設備，而不必擔心兼容性的問題。

◆應用范圍廣

　　WiMAX可以應用于廣域接入、企業寬帶接入、家庭“最后一公里”接入、熱點覆蓋、移動寬帶接入以及數據回傳(Backhaul)等所有寬帶接入市場。值得提出的是，在有線基礎設施薄弱的地區，尤其是廣大農村和山區，WiMAX更加靈活、成本低，是首選的寬帶接入技術。

WiMAX的工作模式

　　通過對WiMAX技術特點的分析，可以看到WiMAX的應用場景非常的廣泛，概括來說WiMAX技術的主要應用是基于IP數據的綜合業務寬帶無線接入，具體工作模式可以分為：

點對多點寬帶無線接入

　　點對多點的應用可以適應與固定、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技術較少受距離和社區用戶密度的影響；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。點對點無線寬帶接入不僅大大延伸了WiMAX網絡覆蓋范圍，而且可以為運營商的2G/3G網絡基站以及WLAN熱點提供無線中繼傳輸。同時可以用于企業網的遠程互聯和接入。

　
 圖2WiMAX點對點接入示意圖

蜂窩狀組網方式

　　WiMAX基站可以組成與現有GSM/CDMA網絡相似的蜂窩狀網絡。采用基于IEEE802.16e標準的系統可提供穩定、高質量的移動語音服務以及高帶寬的移動數據業務。利用WiMAX每比特成本低的特點，為手持終端用戶提供經濟、方便的移動寬帶無線服務。

WiMAX核心網

　　未來的網絡必將具備以下的特點：IP化、寬帶化、成本更經濟，網絡更便于管理，并且多種技術通過統一的核心網相互融合，可以實現業務間的無縫切換。WiMAX就是在電信網絡融合的大趨勢下發展起來的城域網無線接入技術。WiMAX的核心網采用移動IP的構架，具備與全IP網絡無縫融合的能力。

　　WiMAX核心網可以滿足不同業務和應用的QoS需求，有效利用端到端的網絡資源；核心網具有可擴展性、伸縮性、靈活性和魯棒性能夠滿足電信級組網要求；具備先進的移動性管理，包括尋呼、位置管理、不同技術之間的切換以及不同運營商網絡之間的切換，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核心網將逐漸向IMS(IPMultimediaSubsystem)演進，以適應與其他網絡互聯的要求。WiMAX核心網系統功能將能夠滿足：

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、安全、QoS，提供各種先進的業務和應用，滿足計費和帳務的要求；

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等系統互通。

　
圖3WiMAX核心網系統構架