WiMAX802.16技術(shù)淺析與應(yīng)用展望

摘　要　近幾年剛興起的WiMAX/802.16無線寬帶接入技術(shù)兼具了移動化、寬帶化、IP化等特點，被認為是一項極具發(fā)展?jié)摿Φ臒o線接入技術(shù)，已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的研究熱點。WiMAX/802.16技術(shù)傳輸距離遠、數(shù)據(jù)傳輸速率高、服務(wù)質(zhì)量（QoS）機制完善、數(shù)據(jù)安全性更高等優(yōu)勢，IEEE 802.16d/e支持固定、游牧、便攜、簡單移動和全移動場景。WiMAX/802.16技術(shù)具體應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，具有巨大市場發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞　WiMAX/802.16　IEEE 802.16d/e　無線城域網(wǎng)　移動化　寬帶化

　　隨著通信領(lǐng)域新業(yè)務(wù)需求的不斷增長及通信技術(shù)的迅速發(fā)展，全球通信產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出移動化、寬帶化、IP化的發(fā)展趨勢。

目前，傳統(tǒng)寬帶固定接入用戶已不滿足于僅在固定環(huán)境內(nèi)使用寬帶業(yè)務(wù)，迫切希望能夠使用移動化的寬帶接入服務(wù)；對移動用戶而言，不僅希望得到簡單的語音、短信和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，更希望能使用寬帶化的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；同時，隨著IP通信需求不斷涌現(xiàn)和IP通信技術(shù)的成熟，用戶的通信方式已經(jīng)開始向IP通信進化。

用戶需求的變化使寬帶移動化、移動寬帶化及通信IP化逐漸成為通信領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的趨勢，并互為補充、互相促進。而近幾年剛興起的WiMAX/802.16無線寬帶接入技術(shù)正好兼具了移動化、寬帶化、IP化等特點，是一項十分有發(fā)展?jié)摿Φ臒o線接入技術(shù)，已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的研究熱點。

1　WiMAX/802.16技術(shù)簡介

WiMAX是“World Interoperability for Microwave Access”的縮寫，中文名稱為“全球微波接入互操作性”，屬于新一代寬帶無線城域網(wǎng)（WMAN）接入技術(shù)，特指以IEEE 802.16系列寬帶無線標準為基礎(chǔ)的寬帶無線接入技術(shù)。

IEEE 802.16標準又稱為IEEE Wireless MAN空中接口標準，是適用于2~66 GHz的空中接口規(guī)范。它所規(guī)定的無線接入系統(tǒng)覆蓋范圍可達50km，因此802.16系統(tǒng)主要應(yīng)用于城域網(wǎng)，是“最后一公里”寬帶接入解決方案。根據(jù)使用頻段高低的不同，802.16系統(tǒng)可分為應(yīng)用于視距和非視距兩類，其中使用2~11GHz頻段的系統(tǒng)應(yīng)用于非視距（NLOS）范圍，而使用10~66GHz頻段的系統(tǒng)應(yīng)用于視距（LOS）范圍。根據(jù)是否支持移動特性，IEEE 802.16標準系列又可分為固定寬帶無線接入空中接口標準和移動寬帶無線接入空中接口標準，其中的802.16、802.16a、802.16d屬于固定無線接入空中接口標準，而802.16e以后的屬于移動寬帶無線接入空中接口標準。IEEE 802.16標準系列到目前為止包括802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e、802.16f、802.16g、802.16h、802.16i和802.16k 10個標準。

2　WiMAX/802.16技術(shù)優(yōu)勢與特點分析

2.1　WiMAX/802.16技術(shù)優(yōu)勢

（1）提供廣泛的多媒體通信服務(wù)：能夠?qū)崿F(xiàn)電信級的多媒體通信服務(wù),支持語音、視頻和Internet。

（2）設(shè)備標準化，投資成本低：由于采用同一技術(shù)標準，不同廠商設(shè)備可在同一系統(tǒng)中工作，運營商可以自主選擇設(shè)備，降低成本；另外，穩(wěn)定的基于標準的平臺將激發(fā)各層、網(wǎng)絡(luò)管理、天線等技術(shù)的創(chuàng)新，改善運營費用問題。

（3）傳輸距離遠、數(shù)據(jù)傳輸速率高：在信息傳播方式上，WiMAX技術(shù)借助無線基站進行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)頻寬為20MHz時，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達到75Mbit/s，是3G所能提供的寬帶速度的30倍，目前實際應(yīng)用時每3.5MHz載波可傳輸凈速率為18Mbit/s，頻率利用系數(shù)高。高達50km的覆蓋范圍，只要建設(shè)少數(shù)基站就能實現(xiàn)全城覆蓋，無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍大大擴展。

（4）服務(wù)質(zhì)量（QoS）機制完善、數(shù)據(jù)安全性更高：為改進通訊服務(wù)質(zhì)量，IEEE 802.16對介質(zhì)訪問層（MAC）進行了諸多改進，引入了TDMA上行/下行協(xié)議，可以對用戶接入網(wǎng)絡(luò)進行智能控制，既改善了系統(tǒng)的時延特性，又提高了服務(wù)的可靠性，還可以提供優(yōu)質(zhì)的語音和圖像服務(wù)。為了讓運營商對服務(wù)擁有更多的控制權(quán)，WiMAX允許對通訊帶寬的頻率分布進行調(diào)整，根據(jù)用戶需求提供速度和服務(wù)范圍。 WiMAX提供了完善的加密機制，它在介質(zhì)訪問層（MAC）中定義了一個加密子層，支持128bit、192bit及256bit加密系統(tǒng)，通過使用數(shù)字證書的認證方式，確保了無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)男畔⒌玫酵晟频陌踩�保護。

（5）系統(tǒng)部署靈活，容量升級方便：根據(jù)業(yè)務(wù)需求區(qū)域靈活部署基站設(shè)備增加方便、扇區(qū)增加簡易，允許運營商根據(jù)用戶的發(fā)展來逐漸升級擴大網(wǎng)絡(luò)。信道帶寬規(guī)劃靈活能使容量最大化，并適應(yīng)多種頻率分配情況。

（6）非視距傳輸，無“最后一公里”瓶頸限制：采用OFDM/OFDMA技術(shù)，具備非視距傳輸能力，可方便更多用戶接入基站；作為一種無線城域網(wǎng)技術(shù)，它可以將Wi-Fi熱點連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可作為DSL等有線接入方式的無線擴展，實現(xiàn)最后一公里的寬帶接入。

2.2　IEEE 802.16d/e主要技術(shù)特征

IEEE 802.16標準體系中目前獲得商用的主要有兩種標準，包括IEEE 802.16d和IEEE 802.16e。802.16d是固定無線接入的空中接口，應(yīng)用于2~11GHz非視距（NLOS）傳輸和10~66GHz視距（LOS）傳輸，對2~66GHz頻段的空中接口物理層和MAC層做了詳細規(guī)定，定義了支持多種業(yè)務(wù)類型的固定寬帶無線接入系統(tǒng)的MAC層和相應(yīng)的多個物理層。同時，為了能夠向后平滑過渡到支持移動性的IEEE 802.16e標準，IEEE 802.16d增加了部分功能與支持用戶移動性相關(guān)的功能，如H-ARQ。IEEE 802.16e是IEEE 802.16d的進一步延伸，目的是為了對用戶移動性的支持，在IEEE 802.16d的基礎(chǔ)上加入了切換、QoS、安全等新特性。IEEE 802.16d用于固定和游牧應(yīng)用場景，IEEE 802.16e用于便攜和移動場景，同時支持固定場景。

表1是802.16d/e的主要技術(shù)特征。802.16d/e的物理層可選用單載波、OFDM和OFDMA共3種技術(shù)。802.16d的典型物理層技術(shù)是OFDM，802.16e的典型物理層技術(shù)是0FDMA。

2.3　WiMAX/802.16技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

WiMAX/802.16網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建基于全IP的WiMAX端到端的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)分為連接業(yè)務(wù)網(wǎng)CSN和接入業(yè)務(wù)網(wǎng)ASN 兩部分，R1～R5是標準的參考點。WiMAX網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

接入網(wǎng)ASN，ASN作為一個邏輯實體，管理IEEE 802.16空中接口，為WiMAX用戶提供無線接入；連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)CSN，CSN是一套網(wǎng)絡(luò)功能的組合，為WiMAX用戶提供IP連接，可以由路由器、AAA代理或服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫、Internet網(wǎng)關(guān)設(shè)備等組成；網(wǎng)絡(luò)接入提供商NAP和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商NSP，支持多個NSP共享同一個NAP內(nèi)的一個或者多個ASN網(wǎng)絡(luò)，支持一個NSP與多個NAP管理的多個ASN連接。

R1～R5參考點具體定義如下：R1：移動用戶臺MSS與接入網(wǎng)ASN之間的接口；R2：移動用戶臺MSS與連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)CSN之間的邏輯接口；R3：接入網(wǎng)絡(luò)ASN和連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)CSN之間互操作的接口；R4：用于處理接入網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)ASN GW間移動性相關(guān)的一系列控制和承載平面協(xié)議；R5：拜訪CSN與歸屬CSN之間互操作的一系列控制和承載平面協(xié)議。

3　WiMAX/802.16技術(shù)應(yīng)用

WiMAX/802.16技術(shù)，通過基于IP協(xié)議的核心網(wǎng)向用戶提供業(yè)務(wù)，有其顯著優(yōu)點：（1）支持FDD和TDD方式，當(dāng)工作在TDD方式時，能夠根據(jù)上下行數(shù)據(jù)量靈活分配帶寬，對于上下行不對稱業(yè)務(wù)具有較高的資源利用率。（2）采用OFDM/OFDMA方式使其具有較高的頻譜利用率，提供更高的數(shù)據(jù)帶寬。（3）采用按需分配帶寬資源的方式，可以支持不同等級的業(yè)務(wù)需求，如：實時固定速率業(yè)務(wù)（UGS）、實時可變速率業(yè)務(wù)（rtPS）、非實時可變速率業(yè)務(wù)（nrtPS）、盡力而為業(yè)務(wù)（BE）。

根據(jù)技術(shù)特性，WiMAX/802.16寬帶無線接入技術(shù)有5種典型應(yīng)用場景：固定、游牧、便攜、簡單移動和全移動。

（1）固定接入應(yīng)用場景：固定接入業(yè)務(wù)是寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)中最基本的業(yè)務(wù)模型，包括用戶因特網(wǎng)接入、傳輸承載業(yè)務(wù)及Wi-Fi熱點回程等。該場景下，終端可以根據(jù)基站信號質(zhì)量選擇和偶爾改變其連接，切換到信號覆蓋更好的基站上，IP連接之前，必須對用戶進行授權(quán)或鑒權(quán)。

（2）游牧接入應(yīng)用場景：用戶終端可以從不同的接入點接入到一個運營商的網(wǎng)絡(luò)中，但是每次會話連接中，用戶終端只能進行站點式的接入。在兩次不同網(wǎng)絡(luò)的接入中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將不被保留。在此應(yīng)用場景中，需進行交互的鑒權(quán)，若歸屬運營商和拜訪運營商具相同的鑒權(quán)數(shù)據(jù)，用戶便可以在這兩個不同運營網(wǎng)絡(luò)之間進行漫游，但是不支持不同基站之間的切換。

（3）便攜接入應(yīng)用場景：在該場景下，用戶可以步行連接到網(wǎng)絡(luò)，除了進行小區(qū)切換外，連接不會發(fā)生中斷。從這個階段開始，終端可以在不同的基站之間進行切換，切換可以由基站或終端觸發(fā)。當(dāng)終端靜止不動時，便攜式業(yè)務(wù)的應(yīng)用模型與固定式業(yè)務(wù)和游牧式業(yè)務(wù)相同。當(dāng)終端進行切換時，用戶將經(jīng)歷短時間（最長為2s）的業(yè)務(wù)中斷。切換過程結(jié)束后，TCP/IP應(yīng)用能對當(dāng)前IP地址進行刷新，或者重建IP地址。網(wǎng)絡(luò)能夠支持在多個基站中的連續(xù)預(yù)置QoS級別。

（4）簡單移動接入應(yīng)用場景：在該場景下，用戶在使用寬帶無線接入業(yè)務(wù)中能夠步行、駕駛或者乘坐公共汽車等，但當(dāng)終端移動速度達到60~120km/h時，數(shù)據(jù)傳輸速度將會有所下降。簡單移動接入是能夠在相鄰基站之間切換的第一個場景。切換可以由基站或者移動終端觸發(fā)，當(dāng)用戶處于固定接入和漫游狀態(tài)時，使用模式和固定接入和漫游是沒有任何區(qū)別的。在切換過程中，連接采用盡力而為的方式，數(shù)據(jù)包的丟失將控制在一定范圍。切換完成后，可容忍延遲的TCP/IP應(yīng)用能在它當(dāng)前的IP地址上刷新，或者在一個新的綁定IP地址上重新連接，QoS將重建到初始級別。簡單移動需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼模式。

（5）全移動接入應(yīng)用場景：在該場景下，用戶終端可以在移動速度為120km/h甚至更高的情況下無中斷地使用寬帶無線接入業(yè)務(wù)，當(dāng)沒有網(wǎng)絡(luò)連接時，用戶終端模塊將處于低功耗模式。該場景對延遲敏感的業(yè)務(wù)、終端低功耗運行、切換時延、切換期間分組丟失率等方面進行了優(yōu)化以支持車輛速度移動下無中斷的應(yīng)用，且能夠?qū)嵭新�游，漫游可以使用戶在歸屬網(wǎng)絡(luò)得到的標識在拜訪網(wǎng)絡(luò)中得到重用，最終形成同業(yè)的業(yè)務(wù)計費。

除了上述5種典型應(yīng)用場景外，WiMAX/802.16技術(shù)還將應(yīng)用于IPTV傳輸、家庭網(wǎng)絡(luò)等場合。

4　WiMAX/802.16技術(shù)市場前景展望

由于WiMAX/802.16技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分組化、接入寬帶化、終端移動化這三大發(fā)展方向的統(tǒng)一，因此一起步便受到了極大的重視。近幾年以來，WiMAX/802.16在美國、歐洲、亞太甚至南美和阿拉伯等國家和地區(qū)逐漸升溫，各政府、機構(gòu)、運營商都采取積極的動作。截至2006年6月底，全球得到WiMAX許可的企業(yè)已達到721家，進行WiMAX試驗和提供商用的運營商全球已超過150個，在韓、日、美、英、法、意、西班牙、新西蘭、阿根廷和瑞典等國共有24個網(wǎng)進入商用階段，對WiMAX/802.16技術(shù)的研究和商業(yè)應(yīng)用競爭進入白熱化階段。SemicoResearch作出大膽預(yù)測，到2010年，WiMAX的市場規(guī)模將會由2005年的2160萬美元成長至33億美元。In-Stat也預(yù)測，隨著開放頻譜增加，越來越多的設(shè)備可用于互操作，并且隨著CPE的價格下降，預(yù)計到2009年全世界花費在WiMAX設(shè)備上的費用將上升到20億美元。隨著WiMAX技術(shù)與WiFi、3G等無線技術(shù)相結(jié)合，商機將更加龐大。

5　總結(jié)

全球通信產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出移動化、寬帶化、IP化的發(fā)展趨勢，在這種大的產(chǎn)業(yè)背景下，WiMAX/802.16的推進與發(fā)展已成為大勢所趨。但是，在發(fā)展的同時，還有許多問題亟待解決或改善，如技術(shù)標準的進一步完善、頻譜資源的分配、與WiFi、3G等技術(shù)的互聯(lián)互通等。我們相信隨著技術(shù)標準的逐步完善及其他一系列問題的逐步解決，WiMAX/802.16在第四代移動通信中的技術(shù)應(yīng)用將有著更加廣闊的前景。

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作者
趙新建　梁國勇　晁岳磊（浙江工業(yè)大學(xué)  信息工程學(xué)院　杭州 310032）