WiMAX技术标准及组网技术

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1、引言

随着通信技术和新业务的部署。市场与技术的相互作用,未来通信领域一些新的特点逐渐显现出来。一方面,传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务,希望使用宽带接入移动服务;另一方面,传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信和低速数据业务,希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势,宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋势,并互为补充、互相促进。在移动宽带化方面,3gpp/3gpp2已经制定了1xev-do、hsdpa/hsupa等技术标准,在移动环境下实现宽带数据传输。在宽带移动化方面,IEEE802工作组先后制定了WLAN和WiMAX等技术规范,意图能沿着固定、游牧/便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化,其中IEEE802.16WiMAX是宽带移动的重要里程碑。促进了移动宽带的演进和发展[1,2]。

WiMAX是IEEE802.16技术在市场推广方面采用的名称,其物理层和MAC层技术基于在IEEE802.16工作组中开发的无线城域网(WMAN)技术,WiMAX也是IEEE802.16d/e技术的别称。本文首先将系统全面介绍IEEE802.16系列标准,对比Wi-Fi,WiMAX和3G各标准的特征和优缺点,基于现有的各种网络配置,详细阐述了WiMAX的组网三步曲,介绍了不同阶段下的详细组网策略,用于支持高速移动、无缝通信的高速多媒体业务传输。

2、WiMAX无线接入技术

IEEE802.16是为制定无线城域网标准而专门成立的工作组,该工作组自1999年成立以来,主要负责固定无线接入的空中接口标准制定,为了推广基于IEEE802.16和ETSIHiperMAN协议的无线宽带接入设备,并且确保他们之间的兼容性和互操作性,2001年4月,由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商共同成立了一个非营利工业贸易联盟组织——WiMAX。

2.1WiMAX系列标准

最初的IEEE802.16协议是2001年12月IEEE通过的无线城域网标准,该标准支持的工作频段为10~66GHz,只能承载在视距的环境中,这些限制并不利于固定宽带接入技术的推广,所以在2003年1月,IEEE又发布了扩展协议IEEE802.16a,目的在于使固定宽带接入技术也能支持非视距传输,工作频率范围为2~11GHz需要许可证和免许可证频段。目前,为了能够使IEEE802.16系列标准能够传输从几兆比特每秒到几百兆比特每秒的数据,提供高速多媒体业务传输的能力,成为解决接入网“最后一公里”瓶颈的有效手段,对IEEE 802.16a协议进行了改进,提出了融合后的IEEE802.16 REVd协议,也称为IEEE 802.16-2004协议,目前该协议已经成为业界标准,各大厂商都基于该标准设计和推出各种固定无线接入产品。目前正在标准化的IEEE 802.16e协议作为固定接入技术的扩展,增加了终端用户的移动性功能,从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。

2.2协议栈模型

IEEE802.16系列标准专门定义了WiMAX的无线空中接口。其参考模型如图1所示。IEEE802.16目前只对固定用户终端(SS)和基站(BS)之间的U接口进行了规范,而BS之间的IB接口、BS与RNC(与WCDMA系统的无线网络控制器RNC功能类似)之间的A接口不属于IEEE802.16标准组织工作范畴。IEEE802.16系列标准定义的空中接口由物理层和MAC层组成,如图2所示。MAC层支持点对多点(PMP)结构,也适用于网格拓扑结构。MAC层的结构设计为可支持多种物理层规范,不同的物理层技术适合不同的无线传播环境。

图1 IEEE802.16协议模型

图2 协议体系结构

IEEE802.16 MAC层由高到低划分为3个子层。

(1)特定服务汇聚子层(Service-SpecificConvergenceSublayer):提供与更高层的接口,通过不同的会聚方式更好地适配各种上层协议;

(2)公共部分子层(CommonPartSublayer):负责执行MAC层的核心功能,包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等;

(3)安全子层(PrivacySublayer):提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。

2.3物理层规范

目前最通用的IEEE802.16-2004空中接口物理层规范根据系统工作的频段做了相应的规定,具体可分为两类。

(1)10~66GHz:这个频段内的电磁波波长在毫米波段,波能量易被地面和建筑物吸收,因此要求发射天线和接收天线之间不能有障碍物,即视距传输。此外传输信号还易受雨衰等影响,使得对系统的部署要求非常高,覆盖面积较小。但该频段频率资源丰富,分配的频段较宽,系统容量大。IEEE802.16对这个频段的物理层规范是WMAN_SC,采用单载波调制技术;

(2)2~11GHz:该频段包含需要许可证和免许可证两种频谱资源,主要为支持非视距传输而提出。频段内的电磁波较长,发射天线和接收天线不必有视距传输,因此多径干扰问题突出。此外,许多别的无线设备也工作在此频段内,如蓝牙系统、无线局域网等,如何与这些设备共存而不增加彼此干扰,也是一个需要解决的问题。考虑到系统工作的物理环境,该频段支持3种物理层规范:

*WMAN_SCa:采用单载波自适应调制策略,下行链路使用点对多点的广播方式进行信号传输,基站通过给BS内所有的SS发射TDM信号,目标SS检测到是分配给自己的时隙则启动信号的接收。而在上行链路采用TDMA方式;

*WMAN_OFDM:采用256点变换的正交频分复用(OFDM)调制技术,下行采用TDM方式,上行接入采用TDMA+OFDMA作为多址方式,该空中接口对于免许可证的频段是必选的;

*WMAN_OFDMA:采用2048点变换的OFDM调制技术。通过为每个接收机分配一组子载波来实现多址传输,上下行都采用TDMA+0FDMA作为多址方式。考虑到NLOS特性,采用了先进的自适应天线系统(AAS),ARQ以及动态频率选择(DFS)等先进技术。

IEEE802.16系统可以工作在频分双工(FDD)或时分双工(TDD)方式。FDD需要成对的频率,TDD则不需要,而且可以灵活地实现上下行带宽动态调整。

在IEEE802.16中,还规定了终端可以采用半双工频分双工(H-FDD)方式,降低了对终端收发器的要求。从而降低了终端成本。

2.4传输速率

IEEE802.16并未规定具体的载波带宽,系统可以采用从1.25~20MHz之间的带宽。考虑各个国家已有固定无线接入系统的载波带宽划分,IEEE802.16规定了几个系列,1.25MHz的倍数、1.75MHz的倍数。1.25MHz系列包括1.25/2.5/5/10/20MHz等。1.75MHz系列包括1.75/3.5/7/14MHz等。对于10~66GHz的固定无线接入系统,还可以采用28MHz载波带宽,提供更高的接入速率。

WMAN_SC规定在该频段采用单载波调制方式,具体可以采用QPSK和16QAM,可选支持64QAM。WMAN_SCa可以采用的调制方式最多,支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM,甚至可选支持256QAM。WMAN_OFDM每个子载波的调制方式可支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM,其中64QAM对于免许可证频段是可选的。WMAN_OFDMA每个子载波的调制方式可以支持QPSK、16QAM,可选支持64QAM。

比较可知,WMAN_OFDMA具有最佳的频谱效率,但几种物理层技术理论性能相差不大。需要说明的是WMAN_SCa抗多径和频率选择衰落非常差,所以在NLOS环境中一般不采用该物理层配置。WiMAX对固定终端的覆盖范围一般在5~15km。而对低速移动终端支持的标准IEEE802.16e仍在制定中,要求覆盖范围达到几公里,支持切换等移动性管理。

2.5不同网络标准比较

在未来的无线网络系统中,Wi-Fi、WiMAX和蜂窝系统(主要指3G以及后3G系统)都能提供电信级应用,从支持用户的移动性来看,Wi-Fi和WiMAX都较差。而蜂窝系统能实现无缝切换;从支持的传输速率来看,WiMAX有无法比拟的优势,Wi-Fi较蜂窝网络其传输速率显著提高;从单基站覆盖范围来看,WiMAX的覆盖范围最大,蜂窝网络次之,WLAN最小;从网络管理的角度来看,由于IEEE802系列协议只定义了物理层和MAC层协议,所以WiMAX和Wi-Fi可以借鉴蜂窝网络的鉴权和计费等功能[4]。

3、WiMAX组网技术

作为一种无线空中接口标准,2004年颁布的IEEE802.16-2004标准可以被移动运营商作为分组数据的补充网络,此时不支持用户终端的移动性。但是未来的IEEE802.16e标准将有较好的移动性支持,可以单独组网实现全网覆盖。所以从技术的演进,支持的用户移动性和全网覆盖角度来看,WiMAX组网是一个逐渐演化的过程,从补充网络到局部的单独网络到最后的全覆盖网络,具体演进步骤如图3所示[5]。

图3 IEEE802.16演进策略

在上面的演化策略中,并没有包含目前已经商用化的固定宽带无线接入系统,如本地多点分配业务(LMDS)系统,因为其物理层采用的还是单载波技术,并且其采用的频率为10~66GHz频段。而我们这里所阐述的系统物理层都基于OFDM技术,并且采用2~10GHz频段,支持NLoS传输。

3.1第一阶段

WiMAX特别适合传递高突发性的数据,其MAC结构也同时支持实时的多媒体和同步应用,这意味着它特别适合于宽带无线传输。WLAN最大的特点是便携性,主要解决用户“最后100m”的通信需求,定位于热点地区的高速移动数据接入,但不支持高速移动性,主流应用是商务用户在酒店、机场等热点使用便携电脑上网浏览或访问企业的服务器。而WiMAX在今天的Wi-Fi系统基础上可以同时进行距离和高QoS要求的应用的扩展。

这一阶段WiMAX和Wi-Fi都不提供高速的用户移动支持,所以为了达到全网覆盖,需要联合3G蜂窝系统,作为3G系统受系统开销及复杂度限制而无法实现高速宽带IP数据覆盖及漫游方面的增强。

从以上的分析可知,这一阶段将是Wi-Fi,WiMAX和3G网络共存阶段。Wi-Fi定位于热点地区内的高速移动数据接入,WiMAX把不同的热点地区串接起来,实现更广范围的高速数据接入,主要解决“最后一公里”的通信需求,而3G网络定位于移动用户的语音通信和全网范围内的低速数据通无线通信。由于Wi-Fi和WiMAX都只是定义了无线空中接口的物理层和MAC层,这时需要和3G网络采用松散模式进行网络融合,使得用户的鉴权、加密和计费由3G网络进行。WiMAXRNC也可以直接利用目前有线网的网络管理实体完成相应的鉴权、计费和网管等。Wi-Fi、WiMAX和3G系统的相互关系如图4所示。

图4 Wi-Fi/WiMAX/3G第一阶段混合组网关系示意图

这一阶段的网络特征是通过WiMAX把Wi-Fi的接入点通过无线的方式结合起来与主干网络直接相连,从而使得Wi-Fi基站布置变得特别方便和机动,同时也解决了3G网络室内和热点地区覆盖难的问题,由于可以都在3G网络中进行用户的鉴权、加密和计费,从而打破了无线和有线用户之间的界限,并且用户只要使用唯一的账号就能进行无缝通信。由于WiMAX基站的功能是管理固定的Wi-Fi接入点之间的通信,而AP点间主要是LOS传输,所以此时可以不采用OFDM等高级技术,载频在10~66GHz,采用WMAN-SC协议。

3.2第二阶段

在这一阶段,WiMAX增加了移动设备的便携式和慢速移动特性,但是终端用户并不具有在不同WiMAX基站之间进行切换的功能。WiMAX终端除了能进行高速数据传输功能外,还能进行VoIP语音通信,这时把具有便携和移动性的WiMAX用户终端称为移动用户终端(MSS)。为了能达到全网通信,终端具有Wi-Fi/WiMAX/3G多模功能,此时Wi-Fi/WiMAX/3G不同网络之间的融合问题更加复杂,为了不改变不同网络之间原有的配置,建议采用松耦合模式。

为了支持用户的移动性,需要采用IEEE802.16e协议,对于WiMAX的MSS而言,此时WiMAX的BS类似一个接入点(AP),它承载的功能类似3G系统中的基站,具体的参考模型如图5所示。MSS和AP实体都需要增加上层协议,以便进行无线资源管理、移动性管理和通信事件任务管理等,相对于固定节点的U和A接口,改进后分别为MU和MA。

图5 WiMAX/3G参考协议模型

图6 Wi-Fi/WiMAX/3G第二阶段混合组网关系示意图1

Wi-Fi、WiMAX和3G系统的相互关系如图6所示,和第一阶段的网络架构相比,主要是增加了MSS的通信功能。

和第一阶段一样,本阶段主要通过松耦合的方式借用3G的IP核心网络,为IEEE802.16SS/MSS进行寻址、认证、服务授权、加密和计费等网络管理,以减少核心网的投资成本。这时需要在3G分组核心网络中专门定义一个接口,用于和WiMAXRNC通信。为了支持MSS的便携和低移动特性,需要采用WMAN_OFDM和WMAN_OFDMA物理层以克服NLOS的影响,此时工作频段需在2~11GHz,而SS在1O~66GHz频段采用MAN_SC,或者在2~11GHz频段采用WMAN_SCa进行通信。

3.3第三阶段

随着WiMAX网络的逐步扩展,IEEE802.16e标准不断完善以及对移动性的良好支持,可以采用WiMAX全网覆盖的组网方式。相比于第二阶段组网方式。需要额外提供支持WiMAX的核心网设备,具体如图7所示。未来将主要在2~6GHz频段内支持WiMAX移动终端的全网覆盖,由WiMAX中的RNC负责集中网络控制,以及作为无线网与核心网通信的转载实体。在WiMAX的基站和RNC之间的信息交互可以采用MPLS或者区分服务QoS的IP-in-IP隧道协议,而在不同RNC之间通信或者RNC与核心网间的信息交互则采用快速标签交换路径(LSP)交换协议。

图7 Wi-Fi/WiMAX/3G第二阶段混合组网关系示意图2

4、结束语

由于3G蜂窝系统全面商用化一再推延,使得各种无线接入技术获得了迅速发展。在未来无线通信领域,很难有哪种技术或标准能够一统天下,而将是各种无线接入技术并存,各种移动通信系统互相兼容和合作的格局。WiMAX作为一种新兴的宽带城域网接入标准。采用了很多先进和成熟的技术,能提供高的传输速率和强的QoS保证,并且随着标准的完善能够支持用户的移动性,从而实现全网无缝覆盖。

鉴于目前已存的各种蜂窝系统和发展强劲的Wi-Fi,WiMAX组网和使用首先应定位于对现有网络高速数据支持的补充,随着技术和网络配置不断完善,充分发挥其技术优势和组网的灵活性,最后通过独立组网达到全网覆盖,既能提供高速的数据传输和保证QoS,并且能够全网无缝漫游。目前WiMAX除了需要继续完善IEEE802.16e标准协议,提供和Wi-Fi以及3G的网络互连和协作外,还需要尽快推出相应的终端和基站设备,保证在工作的频段不会对现有电子设备和系统产生干扰,并且随着用户量增加,设备价格尽快降到大众能够接受的水平。 

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