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摘要：無線城域網(wǎng)技術(shù)是繼無線局域網(wǎng)之后出現(xiàn)的又一項(xiàng)寬帶無線接入技術(shù)。就無線城域網(wǎng)技術(shù)為何會(huì)緊跟無線局域網(wǎng)技術(shù)之后出現(xiàn)，８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容，以及ＷｉＭＡＸ論壇的使命等問題展開深入討論。首先詳細(xì)介紹了ＩＥＥＥ ８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)的由來、應(yīng)用范圍、物理層特點(diǎn)以及ＭＡＣ層特點(diǎn)等，然后從覆蓋、可擴(kuò)展性和ＱｏＳ三個(gè)方面與８０２．１１標(biāo)準(zhǔn)做了比較。在對(duì)ＷｉＭＡＸ論壇進(jìn)行了詳盡的介紹后，從多個(gè)角度分析了８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：８０２．１６，ＷｉＭＡＸ，８０２．１１，互操作，ＢＷＡ
在無線局域網(wǎng)（ＷＬＡＮ）勢(shì)頭正勁之際，最近又出現(xiàn)了無線城域網(wǎng)（ＭＡＮ）技術(shù)。與為無線局域網(wǎng)制定８０２．１１標(biāo)準(zhǔn)一樣，ＩＥＥＥ為無線城域網(wǎng)推出了８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)業(yè)界也成立了類似ＷｉＦｉ聯(lián)盟的ＷｉＭＡＸ論壇。無線城域網(wǎng)技術(shù)為何會(huì)緊跟ＷＬＡＮ之后出現(xiàn)？８０２．１６是一個(gè)什么樣的標(biāo)準(zhǔn)？ＷｉＭＡＸ的使命又是什么？這些就是本文所關(guān)注的要點(diǎn)。
一、IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)
最早的ＩＥＥＥ ８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)是在２００１年１２月獲得批準(zhǔn)的，是針對(duì)１０～６６ ＧＨｚ高頻段視距（ＬＯＳ）環(huán)境而制定的無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。但目前所說的８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)主要包括８０２．１６ａ、８０２．１６ＲｅｖＤ和８０２．１６ｅ三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。８０２．１６ａ是為工作在２～１１ ＧＨｚ頻段的非視距（ＮＬＯＳ）寬帶固定接入系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，在２００３年１月被ＩＥＥＥ批準(zhǔn)通過；８０２．１６ＲｅｖＤ是８０２．１６ａ的增強(qiáng)型，主要目的是支持室內(nèi)用戶駐地設(shè)備（ＣＰＥ），預(yù)期將在２００４年第三季度得到批準(zhǔn)；８０２．１６ｅ是ＩＥＥＥ ８０２．１６ ａ／ｄ的進(jìn)一步延伸，其目的是在已有標(biāo)準(zhǔn)中增加數(shù)據(jù)移動(dòng)性，估計(jì)要到２００５年下半年才能被批準(zhǔn)。
無線城域網(wǎng)的推出是為了滿足日益增長(zhǎng)的寬帶無線接入（ＢＷＡ）市場(chǎng)需求。雖然多年來８０２．１１ｘ技術(shù)一直與許多其他專有技術(shù)一起被用于ＢＷＡ，并獲得很大成功，但是ＷＬＡＮ的總體設(shè)計(jì)及其提供的特點(diǎn)并不能很好地適用于室外的ＢＷＡ應(yīng)用。當(dāng)其用于室外時(shí)，在帶寬和用戶數(shù)方面將受到限制，同時(shí)還存在著通信距離等其他一些問題。基于上述情況，ＩＥＥＥ決定制定一種新的、更復(fù)雜的全球標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能同時(shí)解決物理層環(huán)境（室外射頻傳輸）和ＱｏＳ兩方面的問題，以滿足ＢＷＡ和“最后一英里”接入市場(chǎng)的需要。有了這樣一個(gè)全球標(biāo)準(zhǔn)，就能使通信公司和服務(wù)提供商通過建設(shè)新的無線城域網(wǎng)來為目前仍然缺少寬帶服務(wù)的企業(yè)與住宅提供服務(wù)。
符合８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可以在“最后一英里”寬帶接入領(lǐng)域替代Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ、ＤＳＬ和Ｔ１／Ｅ１，也可以為８０２．１１熱點(diǎn)提供回傳。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了一個(gè)支持諸如話音和視像等低時(shí)延應(yīng)用的協(xié)議，在用戶終端和基站（ＢＴＳ）之間允許非視距的寬帶連接，一個(gè)基站可支持?jǐn)?shù)百上千個(gè)用戶，在可靠性和ＱｏＳ方面提供電信級(jí)的性能。總之，它充分考慮了為全世界通信公司和服務(wù)提供商設(shè)計(jì)一個(gè)可擴(kuò)展、長(zhǎng)距離、大容量“最后一英里”無線通信系統(tǒng)的需要，可支持一整套的服務(wù)，從而使服務(wù)提供商能夠在降低設(shè)備成本和投資風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提高系統(tǒng)性能和可靠性，有助于加速無線寬帶設(shè)備向市場(chǎng)的投放以及“最后一英里”寬帶在世界各地的部署。ＢＷＡ應(yīng)用包括住宅寬帶接入、用于ＳＯＨＯ和小企業(yè)的ＤＳＬ級(jí)業(yè)務(wù)、用于企業(yè)的Ｔ１／Ｅ１級(jí)業(yè)務(wù)（所有這些不僅支持?jǐn)?shù)據(jù)，而且還支持話音和視像），還包括用于熱點(diǎn)的無線回傳和蜂窩小區(qū)基站回傳業(yè)務(wù)等，如圖１所示。
�。福埃玻保叮帷ⅲ福埃玻保叮遥澹觯暮停福埃玻保叮暹@三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理層（ＰＨＹ）和媒體接入控制層（ＭＡＣ）是相同的。目前它們所選定的物理層規(guī)范是２５６點(diǎn)ＦＦＴ ＯＦＤＭ ＰＨＹ（與ＥＴＳＩ ＮｉｐｅｒＭＡＮ相同）。其他物理層規(guī)范將在今后市場(chǎng)需要時(shí)再制定。
選用ＯＦＤＭ是由于它在保持高頻譜效率、最大限度利用可用頻譜的同時(shí)還具備支持非視距性能的能力。在ＣＤＭＡ的情況下，為了保證處理增益能夠克服干擾，射頻帶寬必須比數(shù)據(jù)吞吐量大許多。這對(duì)低于１１ ＧＨｚ的寬帶無線顯然是不切實(shí)際的，因?yàn)槿绻麛?shù)據(jù)速率高達(dá)７０ Ｍｂｉｔ／ｓ，就需要射頻帶寬超過２００ ＭＨｚ才能提供相應(yīng)的處理增益和非視距能力。
為了在各種信道環(huán)境下提供可靠的性能，８０２．１６物理層還具備以下一些特點(diǎn)：靈活的信道寬度、自適應(yīng)突發(fā)信號(hào)輪廓、采用Ｒｅｅｄ－Ｓｏｌｏｍｏｎ與卷積級(jí)聯(lián)碼的前向糾錯(cuò)、任選的先進(jìn)天線系統(tǒng)（ＡＡＳ）（可改善距離／容量）、動(dòng)態(tài)頻率選擇（ＤＦＳ）（可幫助減小干擾）、空時(shí)編碼（ＳＴＣ）（通過空間分集提高在衰落環(huán)境下的性能）。表１給出了ＩＥＥＥ ８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)的一些物理層特點(diǎn)。
表1 802.16的物理層特點(diǎn)
上述特點(diǎn)對(duì)室外ＢＷＡ的基本運(yùn)行是必要的要求，特別是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要想真正適應(yīng)世界各國(guó)的情況，就需要靈活的信道寬度。這是因?yàn)閷?duì)設(shè)備可以工作在什么頻率以及使用什么寬度的信道各國(guó)的管理辦法并不相同。在需要牌照的頻譜上，運(yùn)營(yíng)商必須為每一ＭＨｚ付錢，因此所建的系統(tǒng)一定要把所分配的頻譜用足，并具有適應(yīng)蜂窩結(jié)構(gòu)或單基站結(jié)構(gòu)的靈活性。如果運(yùn)營(yíng)商獲得１４ ＭＨｚ頻譜，并為此付了錢，它們就不希望系統(tǒng)的信道寬度為６ ＭＨｚ，因?yàn)檫@將浪費(fèi)２ ＭＨｚ的頻譜。它們希望系統(tǒng)可以采用７ ＭＨｚ、３．５ ＭＨｚ，甚至１．７５ ＭＨｚ的信道來建網(wǎng)。
由于各種無線網(wǎng)基本上都是工作在共享媒體上，必然需要一種控制用戶單元接入媒體的機(jī)制。８０２．１６的ＭＡＣ層使用由基站安排的ＴＤＭＡ協(xié)議在點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲薪o用戶分配容量。采用這種ＴＤＭＡ接入機(jī)制以后，８０２．１６系統(tǒng)不僅能夠提供具有服務(wù)水平協(xié)定（ＳＬＡ）的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且還能提供對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)（如話音、視像或數(shù)據(jù)庫(kù)訪問等），并具備ＱｏＳ控制能力，不僅僅是控制優(yōu)先等級(jí)，而且所設(shè)計(jì)的ＭＡＣ層還能適應(yīng)雜亂的物理層環(huán)境，即在室外工作時(shí)遇到的干擾、快衰落和其他現(xiàn)象（見表２）。
表2 802.16的MAC層特點(diǎn)
二、IEEE 802.16與IEEE 802.11的比較
表３列出了ＩＥＥＥ ８０２．１６與ＩＥＥＥ ８０２．１１的比較。從中可以看出，其最大差別在于覆蓋、可擴(kuò)展性和ＱｏＳ。下面分別加以敘述。
表3 IEEE 802.16與IEEE 802.11的比較
１． 覆蓋
８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)是為在各種傳播環(huán)境（包括視距、近視距和非視距）中獲得最優(yōu)性能而設(shè)計(jì)的。即使在鏈路狀況最差的情況下，也能提供可靠的性能。ＯＦＤＭ波形在２～４０ ｋｍ的通信距離上支持高頻譜效率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ），在一個(gè)射頻內(nèi)速率可高達(dá)７０ Ｍｂｉｔ／ｓ。可以采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ňW(wǎng)狀網(wǎng)）和天線技術(shù)（波束成形、ＳＴＣ、天線分集）來進(jìn)一步改善覆蓋。這些先進(jìn)技術(shù)也可用來提高頻譜效率、容量、復(fù)用以及每射頻信道的平均與峰值吞吐量。此外，不是所有的ＯＦＤＭ都是相同的。為ＢＷＡ設(shè)計(jì)的ＯＦＤＭ具有支持較長(zhǎng)距離傳輸和處理多徑或反射的能力。
相反，ＷＬＡＮ和８０２．１１系統(tǒng)在它們的核心不是采用基本的ＣＤＭＡ，就是使用設(shè)計(jì)大不相同的ＯＦＤＭ。它們的設(shè)計(jì)要求是低功耗，因此必然限制了通信距離。ＷＬＡＮ中的ＯＦＤＭ是按照系統(tǒng)覆蓋數(shù)十米或幾百米設(shè)計(jì)的，而８０２．１６被設(shè)計(jì)成高功率，ＯＦＤＭ可覆蓋數(shù)十公里。
２． 可擴(kuò)展性
在物理層，８０２．１６支持靈活的射頻信道帶寬和信道復(fù)用（頻率復(fù)用），當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時(shí)，可以作為增加小區(qū)容量的一種手段。此標(biāo)準(zhǔn)還支持自動(dòng)發(fā)送功率控制和信道質(zhì)量測(cè)試，可以作為物理層的附加工具來支持小區(qū)規(guī)劃和部署以及頻譜的有效使用。當(dāng)用戶數(shù)增加時(shí)，運(yùn)營(yíng)商可通過扇形化和小區(qū)分裂來重新分配頻譜。還有，此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多信道帶寬的支持使設(shè)備制造商能夠提供一種手段，以適應(yīng)各國(guó)政府對(duì)頻譜使用和分配的獨(dú)特管制辦法，這是世界各地的運(yùn)營(yíng)商都面臨的一個(gè)問題。ＩＥＥＥ ８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信道寬度為１．７５～２０ ＭＨｚ，在這中間還可以有許多選擇。
但是，基于ＷｉＦｉ的產(chǎn)品要求每一信道至少為２０ ＭＨｚ（８０２．１１ｂ中規(guī)定在２．４ ＧＨｚ頻段為２２ ＭＨｚ），并規(guī)定只能工作在不需牌照的頻段上，包括２．４ ＧＨｚ ＩＳＭ、５ ＧＨｚ ＩＳＭ和５ ＧＨｚ ＵＮＩＩ。
在ＭＡＣ層，８０２．１１的基礎(chǔ)是ＣＳＭＡ／ＣＡ，基本上是一個(gè)無線以太網(wǎng)協(xié)議，其擴(kuò)展能力較差，類似于以太網(wǎng)。當(dāng)用戶增加時(shí)，吞吐量就明顯減小。而８０２．１６標(biāo)準(zhǔn)中的ＭＡＣ層卻能在一個(gè)射頻信道內(nèi)從一個(gè)擴(kuò)展到數(shù)百個(gè)用戶。這是８０２．１１ ＭＡＣ不可能做到的。
�。常� ＱｏＳ
�。福埃玻保兜模停粒脤邮强客猓�(qǐng)求協(xié)議來接入媒體的，它支持不同的服務(wù)水平（如專用于企業(yè)的Ｔ１／Ｅ１和用于住宅的盡力而為服務(wù)）。此協(xié)議在下行鏈路采用ＴＤＭ數(shù)據(jù)流，在上行鏈路采用ＴＤＭＡ，通過集中調(diào)度來支持對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)，如話音和視像等。由于確保了無碰撞數(shù)據(jù)接入，８０２．１６的 ＭＡＣ層改善了系統(tǒng)總吞吐量和帶寬效率，并確保數(shù)據(jù)時(shí)延受到控制，不致太大（相反，ＣＳＭＡ／ＣＡ沒有這種保證）。ＴＤＭ／ＴＤＭＡ接入技術(shù)還使支持多播和廣播業(yè)務(wù)變得更容易。
