ＷｉＭＡＸ寬帶無線接入技術及其應用（３）

[編者按] 作為一種新興的寬帶無線接入技術，WiMAX近年來受到了業(yè)界的普遍關注。它的主要技術特點是傳輸速率高、覆蓋范圍大、支持移動性、提供QoS保證并采用基于全IP的網(wǎng)絡架構，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分組化、接入寬帶化和終端移動化三者合一，因而具有廣泛的應用前景。本講座分3期對該技術進行介紹：第1期介紹了WiMAX及IEEE 802.16系列協(xié)議的基本特點、協(xié)議結(jié)構和物理層基本特性及關鍵技術；第2期講述了WiMAX技術的MAC層特性及其QoS機制；本期將介紹WiMAX技術的網(wǎng)絡架構及其主要應用，并分析其未來發(fā)展趨勢。

6 WiMAX的網(wǎng)絡架構

IEEE 802.16只定義了WiMAX系統(tǒng)的物理層和媒體接入控制(MAC)層規(guī)范，作為一種支持移動性的寬帶無線城域網(wǎng)技術，網(wǎng)絡側(cè)功能的完善對WiMAX的成功部署和商用來說是不可或缺的。WiMAX需要提供對核心網(wǎng)絡功能的支持，例如移動性管理、無線資源管理、安全和服務質(zhì)量(QoS)等。為此，WiMAX于2004年底成立了網(wǎng)絡工作組(NWG)，旨在開發(fā)支持IEEE 802.16的端到端網(wǎng)絡架構及協(xié)議。以下將主要介紹已發(fā)布的Release 1版本。

6.1 WiMAX的網(wǎng)絡參考模型

NWG定義的端到端WiMAX網(wǎng)絡參考模型如圖7所示。作為對WiMAX網(wǎng)絡架構的一種邏輯表示，該模型定義了若干邏輯功能實體和在各實體之間實現(xiàn)互連的參考點，以同時滿足各種應用場景的要求。這些功能實體包括移動用戶臺(MS)、接入服務網(wǎng)絡(ASN)、連接服務網(wǎng)絡(CSN)和應用服務提供商(ASP)網(wǎng)絡。每個實體都代表了若干功能的一個集合。具體實施中，這些功能可以集中在一個物理設備中實現(xiàn)，也可以分散在多個物理設備中。標準化的關鍵參考點包括空中接口R1到空中接口R5，但規(guī)范中沒有定義CSN和ASP之間的接口。

6.2 網(wǎng)絡實體ASN和CSN

ASN定義了為WiMAX用戶提供無線接入的一整套網(wǎng)絡功能集合，其中主要包括：

與WiMAX MS建立第二層連接；

向WiMAX用戶的歸屬網(wǎng)絡服務提供商(NSP)傳送認證、鑒權和計費(AAA)消息以完成對用戶會話的認證、鑒權和計費；

發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡，為WiMAX 用戶選擇最佳NSP；

協(xié)助與WiMAX MS建立第三層連接(即IP地址分配)的中繼功能；

無線資源管理；

ASN內(nèi)的移動性管理，例如切換、尋呼和位置管理等；

ASN與CSN之間的隧道功能。

ASN可以分解為一個或多個基站(BS)和一個或多個ASN網(wǎng)關，其中BS的主要功能是為MS提供空中接口；ASN網(wǎng)關則用作ASN內(nèi)的第二層業(yè)務匯聚點。一個ASN可以由多個CSN共享，即能夠同時為不同NSP的CSN提供無線接入服務。

CSN定義了為WiMAX用戶提供IP連接服務的一套網(wǎng)絡功能集合，其中主要包括：

為MS分配IP地址和終端參數(shù)；

Internet接入；

AAA代理或服務器；

基于用戶屬性的準入控制；

支持ASN與CSN間的隧道功能；

用戶計費及結(jié)算；

CSN間用于漫游的隧道功能；

ASN間的移動性管理；

WiMAX服務，例如基于位置的服務、點對點服務、廣播多播服務、IP多媒體服務、緊急呼叫等等。

為實現(xiàn)上述功能，CSN可能包括路由器、AAA代理/服務器、用戶數(shù)據(jù)庫以及互連網(wǎng)關等網(wǎng)絡設備。

6.3 網(wǎng)絡參考點

WiMAX網(wǎng)絡架構中定義了5個開放接口——R1-R5，其功能如下：

R1：MS與ASN之間的空中接口，包含IEEE 802.16的所有物理層和MAC層特性。R1同時承載用戶業(yè)務和控制平面的消息。

R2：MS與CSN之間的邏輯接口，包含所有進行用戶和設備認證、業(yè)務鑒權以及IP主機配置管理的相關協(xié)議和規(guī)程。

R3：ASN與CSN之間的邏輯接口，它通過ASN與CSN之間的隧道傳遞控制平面消息(例如AAA、端到端QoS控制、移動性管理消息等)和數(shù)據(jù)平面的信息。

R4：在兩個ASN或網(wǎng)關之間進行互連，主要用于傳遞與移動性管理相關的一系列控制和數(shù)據(jù)平面消息。

R5：互連兩個CSN的接口，包含在拜訪CSN和歸屬CSN之間的一系列控制和數(shù)據(jù)平面協(xié)議。

6.4 WiMAX端到端的網(wǎng)絡架構

圖8給出了對WiMAX網(wǎng)絡架構更為具體直觀的一種描述，該架構大體劃分為終端、ASN和CSN三大部分。

上述WiMAX端到端的網(wǎng)絡架構建立在全IP平臺之上，完全采用分組交換技術。全IP帶來的好處是成本的降低，因為核心網(wǎng)無需同時支持分組交換和電路交換兩種技術，開銷由此得以減少。

此外，在網(wǎng)絡互連和漫游方面，該架構可支持以下方式：

與現(xiàn)有有線(例如DSL)或無線網(wǎng)絡(例如3GPP或3GPP2移動網(wǎng)絡)的松耦合；

WiMAX運營商間的全球漫游；

各種類型的用戶認證方式，例如用戶名/口令、數(shù)字認證、SIM卡等。

7 WiMAX的應用

WiMAX論壇定義了WiMAX網(wǎng)絡架構可支持的5種應用場景，分別為固定、游牧、便攜、簡單移動和全移動。圖9給出了一些典型的應用實例。

(1)固定場景：固定接入業(yè)務是WiMAX運營網(wǎng)絡中最基本的業(yè)務模型，主要應用包括用戶駐地網(wǎng)接入、局域網(wǎng)互連和基站互連等。

用戶駐地網(wǎng)接入：對于企業(yè)、校園等集團用戶或個人用戶，可通過用戶臺(SS)連接其用戶駐地網(wǎng)，利用WiMAX無線空中接口提供寬帶上網(wǎng)服務。通過標準的以太網(wǎng)或一次群(E1)等接口與SS連接的用戶駐地網(wǎng)設備可以是用戶路由器、交換機、集線器等網(wǎng)絡設備，也可以是另一種無線接入點，例如Wi-Fi熱點。此種方式與數(shù)字用戶線(xDSL)等線纜接入形式相似，因此是進行線纜替代的一種理想方案。

LAN局域網(wǎng)互連：對于在某個城域范圍內(nèi)有多個分部的大型企業(yè)，利用WiMAX寬帶固定無線接入系統(tǒng)，可以方便地實現(xiàn)總部和各個分部局域網(wǎng)之間的無線連接。此種方式避免了鋪設專線的麻煩，并能迅速開通使用。在用戶專網(wǎng)建設方面，比有線連接方式更具競爭力。

基站互連：通過WiMAX寬帶固定無線接入系統(tǒng)提供E1接口，實現(xiàn)GSM移動基站或3G網(wǎng)絡基站之間的互連，或把各小區(qū)移動基站業(yè)務回傳到移動交換中心。

(2) 游牧場景：游牧式業(yè)務是固定接入方式發(fā)展的下一個階段。終端可以從不同的接入點接入到一個運營商的WiMAX網(wǎng)絡中。但是在每次會話連接中，用戶終端只能進行站點式的接入，而無法在不同基站之間實現(xiàn)切換。游牧式及之后的應用場景中均支持終端在不同運營商網(wǎng)絡之間的漫游，并且具備終端電源管理功能。例如，在用戶筆記本電腦上配置WiMAX無線網(wǎng)卡后，可于不同的場所訪問因特網(wǎng)，但會話持續(xù)期間不支持終端的移動。

(3) 便攜場景：此種場景允許會話過程中終端在不同基站之間進行切換。當切換發(fā)生時，用戶可能經(jīng)歷最長為2 s的業(yè)務中斷、延遲或服務質(zhì)量下降，切換質(zhì)量屬于盡力而為式。切換結(jié)束后，TCP/IP應用對當前IP地址進行刷新，或者重建IP地址。以筆記本電腦為例，便攜場景支持用戶在速度約為5 km/h的步行狀態(tài)下維持與網(wǎng)絡的通信。

(4) 簡單移動場景：簡單移動業(yè)務是對便攜式應用的進一步擴展。用戶可在步行、駕駛或者乘坐汽車的同時使用WiMAX終端進行高速無線數(shù)據(jù)通信。當終端移動速度達到60 km/h～120 km/h時，數(shù)據(jù)傳輸速度將有所下降。該場景對切換性能有明確控制，IP子網(wǎng)間切換時延小于1 s，IP子網(wǎng)內(nèi)切換時延小于150 ms，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛鄷r間不超過150 ms。切換完成后，QoS將重建到初始級別。該場景需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼。

(5) 全移動場景：此場景下用戶可以在移動速度為120 km/h甚至更高的情況下無中斷地使用寬帶無線接入業(yè)務。當沒有網(wǎng)絡連接時，用戶終端模塊處于低功耗模式。該場景對切換性能的要求更為嚴格，總切換時延應低于50 ms，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛鄷r間不超過5 ms。同樣，全移動網(wǎng)絡需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼。

移動數(shù)據(jù)業(yè)務是簡單移動和全移動兩種場景下的主要應用，同時也是占用無線資源較多的業(yè)務。其業(yè)務類型及主要特點如表1所示。

8 WiMAX熱點展望

8.1 頻譜分配問題

WiMAX目前已經(jīng)進入商用階段，至2007年底全球獲得WiMAX許可的企業(yè)已有七百余家，正在試點WiMAX的運營商達到275個。其中，韓國電信KT率先于2004年推出了韓國版的移動WiMAX——WiBro服務，美國電信運營商Sprint則于去年宣布投入50億美元建設WiMAX寬帶無線網(wǎng)絡。此外，巴基斯坦、印度、俄羅斯、澳大利亞等國也開始嘗試利用WiMAX實現(xiàn)偏遠地區(qū)的寬帶網(wǎng)絡覆蓋及城區(qū)的無線寬帶服務。

但是，WiMAX近年來在全球的推廣應用一直受困于頻譜分配的問題。IEEE 802.16支持的頻段有10~66 GHz頻段以及11 GHz以下頻段。10~66 GHz頻段由于受到視距傳播的限制，終端需要安裝室外天線，因此應用范圍有限，主要面向企業(yè)用戶及提供固定無線接入。11 GHz以下的非視距傳播頻段可以實現(xiàn)室內(nèi)覆蓋，終端無需安裝室外天線，移動性增強，此時方可提供移動數(shù)據(jù)業(yè)務。另外，雖然WiMAX可以在非授權頻段下工作，但是要實現(xiàn)電信級的運營仍然需要獲得頻率授權。因此，WiMAX正在試圖尋找2 GHz~6 GHz之間，特別是3 GHz以下的頻率資源。但是目前各個國家可用的頻段都不一致，而且按現(xiàn)有頻率分配方式，每個運營商所能獲得的頻點距大規(guī)模蜂窩組網(wǎng)要求還有較大差距。WiMAX論壇期望在2.5 GHz或3.5 GHz頻段上統(tǒng)一全球頻譜，但最終是否能夠獲得足夠的頻譜資源尚存在一定變數(shù)。

8.2 WiMAX與3G

就全移動場景而言，WiMAX與下一代移動通信系統(tǒng)已無本質(zhì)區(qū)別。而且從技術上來看，移動WiMAX網(wǎng)絡與3G網(wǎng)絡相比速度更快、成本更低。因此自WiMAX發(fā)展之初，業(yè)界便一直在討論WiMAX與3G之間是否存在競爭關系。不過為了獲得更大的生存和發(fā)展空間，WiMAX一直以來定位在寬帶無線城域網(wǎng)技術上。作為3G的補充，它與3G的關系是融合而不是代替，這一觀點也得到了業(yè)界的廣泛認同。但是缺乏全球統(tǒng)一頻譜越來越嚴重地制約了WiMAX的下一步發(fā)展，因此，2007年年初在美國政府的支持下WiMAX開始改變策略，申請加入3G家族，以分享國際電聯(lián)(ITU)分配給3G的頻譜資源。2007年10月，WiMAX以“OFDMA WMN TDD”的名義正式成為了繼歐洲WCDMA、美國CDMA2000和中國TD－SCDMA之后的第四個全球3G標準。

CDMA2000和WCDMA都是頻分復用(FDD)技術，TD-SCDMA是時分復用(TDD)技術。國際電聯(lián)將WiMAX列為了TDD技術，顯然，WiMAX可能會與TD-SCDMA共同占有TDD頻段。除中國之外，目前絕大多數(shù)國家的3G TDD頻譜都處于相對閑置狀態(tài)。因此，WiMAX成功加入3G陣營，對于解決其頻譜資源的瓶頸問題將會大有幫助。同時，這也意味著中國的3G標準多了一個競爭對手，而且將不僅僅是市場的競爭，還有頻譜資源的競爭。

目前WiMAX還不能視為一種真正意義上的移動通信技術，它在切換、漫游等方面的性能比3G系統(tǒng)要差，例如尚不能支持移動過程中的無縫切換。另外，WiMAX芯片、終端和設備對標準的支持能力還顯不足。為此，WiMAX還需加快其技術演進和終端開發(fā)的進程，方有可能在各種同類技術的激烈競爭中脫穎而出，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的規(guī)模化應用。

8.3 IEEE 802.16j與IEEE 802.16m

在IEEE 802.16e之后，WiMAX技術演進的腳步并沒有停止。為了進一步提升性能并向下一代移動通信系統(tǒng)進軍，IEEE相繼開始了空中接口技術IEEE 802.16j與IEEE 802.16m標準的制訂工作，并吸引了全球眾多著名廠商的關注和參與。

IEEE 802.16j可視為IEEE 802.16e的升級版，其核心是希望借助移動多跳中繼(MMR)技術改善無線傳輸環(huán)境中的陰影衰落效應，消除傳輸死角，進而擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍，提高系統(tǒng)容量和均衡負載等。如圖10所示，MMR在BS和SS之間引入了成本較低的中繼站(RS)用于信號接力。如果RS位置合適，就能夠避開不理想的傳輸路徑，進而減少信號衰減。同時，RS可根據(jù)具體情況調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)信號的功率，以進一步改善系統(tǒng)性能。RS引入之后產(chǎn)生了一系列新的問題，例如增加了媒體接入控制(MAC)調(diào)度復雜度、如何實現(xiàn)端到端QoS保證、如何選取最佳跳數(shù)等。而且，802.16j工作組確定的原則是不能修改原有的SS，這為標準的制定者們提出了一個很大的挑戰(zhàn)。2007年8月，IEEE 802.16j標準的第一版草案已獲得通過，目前正處于通信投票階段，預計最快有望在2008年下半年正式確立。

IEEE 802.16m是IEEE 802.16e的下一代，其目標是要成為第四代移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced的標準。系統(tǒng)目標速率設定為低速移動時達1 Gb/s，高速移動時達到100 Mb/s。標準將向下兼容，并增進廣播、多媒體以及VoIP業(yè)務的性能。與IEEE 802.16不同的是，IEEE 802.16m可能用到和IEEE 802.16e不同的技術，并設計全新的SS。該工作組于2006年12月成立，目前僅初步完成技術需求定義，預計標準將在2009年推出。

9 結(jié)束語

WiMAX系統(tǒng)最先作為一項寬帶無線接入技術被推出，它在物理層采用了先進的多輸入多輸出(MIMO)、正交頻分多址接入(OFDMA)、自適應調(diào)制編碼等技術來提高數(shù)據(jù)傳輸速率；在MAC層通過自適應資源調(diào)度策略來最大化系統(tǒng)容量，并提供有QoS保證的數(shù)據(jù)傳輸服務；在網(wǎng)絡層采用了全IP的網(wǎng)絡架構，支持移動、漫游以及端到端的QoS保證等。正式成為3G標準之后，WiMAX在進一步完善其核心網(wǎng)技術的同時，將通過IEEE 802.16m的標準化工作繼續(xù)向下一代移動通信系統(tǒng)演進。鑒于該系統(tǒng)獨特的技術優(yōu)勢和業(yè)界持續(xù)升溫的研發(fā)活動，我們有理由相信在不久的將來，WiMAX終端和手機就將出現(xiàn)在人們的視野之中，成為大眾接受普遍服務不可或缺的一種技術手段。(續(xù)完)

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收稿日期：2008-01-19

劉丹譜，北京郵電大學教授。博士畢業(yè)于北京郵電大學。主要研究方向包括寬帶無線通信技術、MIMO/OFDM、超寬帶無線通信系統(tǒng)物理層與MAC技術。發(fā)表論文30余篇。

郝建軍，北京郵電大學副教授。北京郵電大學在讀博士。主要研究方向包括協(xié)同通信、認知無線電技術等。發(fā)表論文10余篇。

樂光新，北京郵電大學教授、博士生導師。主要研究方向包括寬帶無線通信與無線IP網(wǎng)等。已發(fā)表論文100余篇。