WiMAX網(wǎng)絡體系結構及其應用模式探討

摘要　文章介紹了WiMAX的概念及其特點，對WiMAX的網(wǎng)絡體系結構，包括體系架構、端到端參考模型、網(wǎng)絡實體、網(wǎng)絡接口及其協(xié)議棧模型進行了詳細分析，最后探討了WiMAX的應用模式及其商業(yè)發(fā)展路線，對WiMAX的研究和應用具有一定的參考價值。

1、WiMAX的概念及其特點

隨著通信網(wǎng)的進一步發(fā)展，WiMAX作為一種面向“最后一公里”接入的標準，尤其在目前全球缺乏統(tǒng)一寬帶無線接入標準之際，有重要現(xiàn)實意義與戰(zhàn)略價值。該標準大體可以分為兩種，一種是IEEE 802.16d標準，支持固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口；另外一種就是目前正在制定中的IEEE 802.16e、支持固定和移動性的寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口標準。

全球微波接入互操作性（WiMAX，World Interopera-bility for Microwave Access）是一項基于IEEE 802.16標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)（BWA-MAN）技術，也可以稱為IEEE Wireless MAN。該技術是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準，其主要目標是提供一種在城域網(wǎng)一點對多點的多廠商環(huán)境下，可有效地互操作的寬帶無線接入手段。WiMAX具有如下特點：

（1）傳輸距離遠：無線信號傳輸距離最遠可達50km，并能覆蓋半徑達1.6公里的范圍，是3G基站的10倍。

（2）傳輸速率高：可實現(xiàn)高達74.81Mb/s的傳輸速度。

（3）容量高：WiMAX的一個基站可以同時接入數(shù)百個遠端用戶站。

（4）靈活的信道寬度：WiMAX能在信道寬度和連接用戶數(shù)量之間取得平衡，其信道寬度由1.5MHz到20MHz不等。

（5）QoS性能：可向用戶提供具有QoS性能的數(shù)據(jù)、視頻、話音業(yè)務。

（6）豐富的多媒體通信服務：能夠實現(xiàn)電信級的多媒體通信服務。

（7）保密性：支持安全傳輸，并提供鑒權與數(shù)字加密等功能。

由于上述特點及其建網(wǎng)快、見效早的優(yōu)點，WiMAX具有重要現(xiàn)實意義與戰(zhàn)略價值。而且就覆蓋環(huán)境限制及部屬成本考慮，對于用xDSL、CableModem方式不能有效覆蓋、不便于和不值得部署有線網(wǎng)絡的區(qū)域，WiMAX更是大有用武之地。

2、WiMAX網(wǎng)絡體系結構

2.1　網(wǎng)絡體系架構

WiMAX網(wǎng)絡體系如圖1所示，包括：核心網(wǎng)、用戶基站（SS）、基站（BS）、接力站（RS）、用戶終端設備（TE）和網(wǎng)管。

圖1　WiMAX網(wǎng)絡體系結構

（1）核心網(wǎng)絡：WiMAX連接的核心網(wǎng)絡通常為傳統(tǒng)交換網(wǎng)或因特網(wǎng)。WiMAX提供核心網(wǎng)絡與基站間的連接接口，但WiMAX系統(tǒng)并不包括核心網(wǎng)絡。

（2）基站：基站提供用戶基站與核心網(wǎng)絡間的連接，通常采用扇形/定向天線或全向天線，可提供靈活的子信道部署與配置功能，并根據(jù)用戶群體狀況不斷升級擴展網(wǎng)絡。

（3）用戶基站：屬于基站的一種，提供基站與用戶終端設備間的中繼連接，通常采用固定天線，并被安裝在屋頂上。基站與用戶基站間采用動態(tài)適應性信號調制模式。

（4）接力站：在點到多點體系結構中，接力站通常用于提高基站的覆蓋能力，也就是說充當一個基站和若干個用戶基站（或用戶終端設備）間信息的中繼站。接力站面向用戶側的下行頻率可以與其面向激戰(zhàn)的上行頻率相同，當然也可以采用不同的頻率。

（5）用戶終端設備：WiMAX系統(tǒng)定義用戶終端設備與用戶基站間的連接接口，提供用戶終端設備的接入。但用戶終端設備本身并不屬于WiMAX系統(tǒng)。

（6）網(wǎng)管系統(tǒng)：用于監(jiān)視和控制網(wǎng)內所有的基站和用戶基站，提供查詢、狀態(tài)監(jiān)控、軟件下載、系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。

2.2　端到端的參考模型

WiMAX網(wǎng)絡的參考模型分為非漫游模式和漫游模式，分別如圖2和圖3所示。其功能邏輯組，包括移動用戶臺（MSS）、接入網(wǎng)絡（ASN）、連接服務網(wǎng)絡（CSN）和應用服務提供商（ASP）網(wǎng)絡。與圖2相比，圖3主要增加了CSN之間的R5參考點。另外，WiMAX NWG規(guī)范不定義CSN和ASP之間的接口。

圖2　非漫游模式端到端參考模型

圖3　漫游模式端到端參考模型

2.3　網(wǎng)絡實體

（1）接入網(wǎng)絡

接入網(wǎng)絡（ASN）由BS和接入網(wǎng)關（ASN GW）組成（如圖4所示），可以連接到多個CSN，為不同NSP的CSN提供無線接入服務。其中，BS用于處理IEEE 802.16空中接口，包括BS和SS兩種；ASN GW主要處理到CSN的接口功能和ASN的管理。ASN管理IEEE 802.16空中接口，為WiMAX用戶提供無線接入，主要功能有：發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡；在BS和MSS之間建立兩層連接，協(xié)助高層與MSS建立三層連接；ASN內尋呼和移動性管理；ASN和CSN之間隧道建立和管理；無線資源管理；存儲臨時用戶信息列表。

圖4　ASN參考模型

（2）連接服務網(wǎng)絡

連接服務器網(wǎng)絡（CSN）可以由路由器、AAA代理或服務器、用戶數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)網(wǎng)關設備等組成，CSN可作為全新的WiMAX系統(tǒng)的一個新建網(wǎng)絡實體，也可利用部分現(xiàn)有的網(wǎng)絡設備實現(xiàn)CSN功能。CSN為WiMAX用戶提供IP連接，主要功能有：因特網(wǎng)接入，為用戶會話連接，給終端分配IP地址；AAA代理或者服務器，用戶計費以及結算；基于用戶系統(tǒng)參數(shù)的QoS及許可控制；ASN之間的移動性管理，ASN和CSN之間的隧道建立和管理；WiMAX服務，如基于位置的服務、組播服務等。

2.4　網(wǎng)絡接口

WiMAX網(wǎng)絡開放接口如圖5所示。接口R1至R5為網(wǎng)絡工作組初步確定了在Release 1規(guī)范中定義的開放接口，接口R6至R8為后續(xù)版本中考慮開放的接口。各個接口的定義和功能如圖6所示。

圖5　WiMAX網(wǎng)絡開放接口

圖6　IEEE 802.16空中接口協(xié)議棧模型

（1）R1：MSS與ASN之間的接口，可能包含管理平面的功能。

（2）R2：MSS與CSN之間的邏輯接口，提供鑒權、業(yè)務授權和IP主機配置等服務。此外，可能還包含管理和承載平面的移動性管理。

（3）R3：ASN和CSN之間互操作的接口，包括一系列控制和承載平面的協(xié)議。

（4）R4：用于處理ASN GW間移動性相關的一系列控制和承載平面協(xié)議。

（5）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。

（6）R6：BS和ASN GW間的互操作接口，屬于ASN內的接口，由一系列控制和承載平面協(xié)議構成。

（7）R7：該接口屬于ASN GW內部接口，圖5中沒有標注，具體定義還在討論之中。

（8）R8：BS之間的接口，用于快速無縫切換功能，由一系列控制和承載平面協(xié)議組成。

2.5　協(xié)議棧參考模型

IEEE 802.16標準描述了一個點到多點的固定寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口�？罩薪涌谟晌锢韺雍蚆AC層組成，見圖6。IEEE 802.16 MAC層能支持多種物理層規(guī)范，以適合各種應用環(huán)境。

物理層由傳輸匯聚子層（TCL）和物理媒質依賴子層（PMD）組成，通常說的物理層主要是指PMD。物理層定義了兩種雙工方式：時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD），這兩種方式都使用突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式，這種傳輸機制支持自適應的突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)，傳輸參數(shù)（調制方式、編碼方式、發(fā)射功率等）可以動態(tài)調整，但是需要MAC層協(xié)助完成。

MAC層分成三個子層：特定服務匯聚子層（CS，Service Specific Convergence Sublayer）、公共部分子層（CPS，Common Part Sublayer）、安全子層（PS，Privacy Sublayer）。

（1）CS子層主要功能是負責將其業(yè)務接入點（SAP）收到的外部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉換和映射到MAC業(yè)務數(shù)據(jù)單元（SDU），并傳遞到MAC層的SAP。協(xié)議提供多個CS規(guī)范作為與外部各種協(xié)議的接口。

（2）CPS是MAC的核心部分，主要功能包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接建立和連接維護等。它通過MAC SAP接收來自各種CS層的數(shù)據(jù)并分類到特定的MAC連接，同時對物理層上傳輸和調度的數(shù)據(jù)實施QoS控制。

（3）安全子層的主要功能是提供認證、密鑰交換和加解密處理。

3、WiMAX的應用模式

從技術特點分析，WiMAX不適合單獨組網(wǎng)進行運營，從目前運營商的情況來看，WiMAX的應用模式主要有以下場景。

3.1　固網(wǎng)寬帶業(yè)務的接入

WiMAX固定應用模式采用符合IEEE 802.16d標準的設備，工作頻段根據(jù)標準規(guī)定和國家的頻率劃分可以為3.5GHz頻段，載波帶寬為3.5MHz。由于技術的限制，網(wǎng)絡不支持小區(qū)間的用戶數(shù)據(jù)的切換。終端設備的形式為固定安裝在室內的或可攜帶的調制解調器形式。在WiMAX固定應用模式中，WiMAX網(wǎng)絡主要作為IP/E1的承載。在光纖或其他有線資源到位后，網(wǎng)絡設備可以移到其他地方布網(wǎng)。

WiMAX的固定應用模式主要包括兩個方面，如圖7所示：

圖7　WiMAX作為固網(wǎng)寬帶業(yè)務的接入

（1）家庭寬帶接入市場

作為xDSL方式的互補。由于WiMAX設備成本呈現(xiàn)逐漸下滑的趨勢，且用戶峰值接入速率較高，安裝方便，同時具有一定的便攜能力，因此運營商可利用WiMAX技術，在客戶端采用室內型CPE，快速進入個人寬帶接入市場，提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務。

（2）商企等大客戶接入市場

大客戶接入主要實現(xiàn)基于IP和電路業(yè)務的綜合接入。運營商可利用WiMAX作為數(shù)字分組網(wǎng)（DDN）、幀中繼（FR）網(wǎng)絡等有線接入平臺的補充，在客戶端采用室內型或室外型CPE。而新興運營商或移動運營商可利用寬帶無線設備迅速開展業(yè)務，抓住重要客戶，彌補其固網(wǎng)資源的不足。

3.2　NGN網(wǎng)絡的接入

WiMAX可用作NGN網(wǎng)絡的接入，如圖8所示。利用IP語音業(yè)務可實時帶寬分配、占用空中無線資源少的特點進行語音業(yè)務的接入。對于新興運營商，可利用WiMAX設備取代光纜和銅纜，在客戶端配合IAD、綜合AG等設備快速布局，打破傳統(tǒng)固網(wǎng)運營商對語音業(yè)務的壟斷。

圖8　WiMAX作為NGN網(wǎng)絡的接入

3.3　數(shù)據(jù)業(yè)務的接入補充

目前，移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務主要指移動增值數(shù)據(jù)業(yè)務，包括移動互聯(lián)網(wǎng)、消息類、游戲、企業(yè)應用、視頻等多種業(yè)務。隨著短信和移動游戲類業(yè)務的增長，用戶對移動寬帶數(shù)據(jù)類業(yè)務提出了更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求。WiMAX可以作為數(shù)據(jù)接入業(yè)務的一個有力的補充手段。

3.4　移動網(wǎng)絡基站傳輸

WiMAX移動應用模式如圖9所示，其采用符合IEEE 802.16e標準的設備，根據(jù)標準其工作頻段應在6GHz以下。WiMAX移動應用模式是面向個人用戶的，提供支持切換和QoS機制的無線數(shù)據(jù)接入業(yè)務。其網(wǎng)絡架構同WLAN、3G無線接入網(wǎng)絡相似，可以通過蜂窩組網(wǎng)方式覆蓋較大區(qū)域。在這種應用模式下，可以將WiMAX看作一種無線城域網(wǎng)、多點基站互聯(lián)和回運的支持手段；同時，由于WiMAX的非視距特性，能夠在城市中提供很好的應用，配合運營商實現(xiàn)快速建網(wǎng)的目的，如針對我國城域網(wǎng)建設的實際情況，可建立采用WiMAX接入技術的寬帶SDH城域網(wǎng)。

圖9　WiMAX作為移動網(wǎng)絡基站傳輸

3.5　WiMAX與3G融合組網(wǎng)方案

WiMAX網(wǎng)絡和移動蜂窩網(wǎng)組網(wǎng)的網(wǎng)絡架構，如圖10所示：

圖10　WiMAX與3G融合組網(wǎng)

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)絡可以有六個工作模式：

（1）統(tǒng)一計費和用戶管理模式。

（2）給予蜂窩移動網(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，后四種模式屬于緊耦合。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認證和計費方式與模式類似，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)絡切換要受蜂窩移動網(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。

WiMAX組網(wǎng)可以先考慮采用模式（1），再通過移動蜂窩網(wǎng)絡升級，逐步演進到模式（4）和（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。

4、WiMAX的商業(yè)發(fā)展路線

從WiMAX的技術特點分析，WiMAX市場的運營和商業(yè)模式需要分三步走，即發(fā)展的三個階段：

（1）室外型固定寬帶無線接入市場：基于802.16d的室外固定終端作為建筑物的接入手段，作為固定網(wǎng)絡的輔助，以企業(yè)用戶為主。

（2）室內型固定寬帶無線接入市場：用戶可以自行安裝的基于802.16d室內固定終端上市，降低運營商建網(wǎng)成本，向家庭用戶提供接入業(yè)務。

（3）便攜移動模式應用市場：基于802.16e的芯片內置筆記本、PDA等可攜帶終端，提供移動性，針對個人用戶提供移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務。