WiMAX标准导读
1、引言
宽带无线接入技术自上世纪90年代起获得了迅猛的发展。因此，IEEE在1999年成立了IEEE 802.16工作组来研究和制定宽带无线接入技术规范，其目标是建立一个全球统一的宽带无线接入标准。其后，为使这一标准获得广泛应用，Nokia、Harris、Ensemble Communication等公司于2001年发起成立了WiMAX（World interoperability for Microwave Access）论坛。该论坛旨在于推动WiMAX（微波存取全球互通技术）在全球的发展和产业化应用，促进基于IEEE 802.16标准的宽带无线网络的部署，并确保宽带无线设备之间的互通性和兼容性。
WiMAX是基于802.16的无线城域网技术，其传输距离可达50公里、传输速率可达75Mbit/s。因此，WiMAX可以作为无线城域网中的“最后一英里”的可靠载体，为无法获得宽带有线基础设施的用户提供宽带接入服务。
2、WiMAX应用及定位
WiMAX根据技术的演进以及市场演变，将陆续推出四种应用模式，分别为固定式接入应用、游牧式接入应用、便携式接入应用以及全移动接入应用。
固定式接入应用
这是最基本的业务模型，类似于DSL或电缆宽带的业务。在这种方式下，并不支持便携式连接或切换。在无线IP宽带连接建立之前，必须进行鉴权或授权。而接收终端一般为机顶盒，并配有室外型的ODU和天线。典型应用为类似中国电信、中国网通这样的固话网运营商，可以用WiMAX给郊区、农村等地提供宽带网络。现在已经有英国电信、法国电信、德国电信使用这种WiMAX技术正在进行无线接入服务测试，部分网络已经进入商用阶段。
游牧式接入应用
这是固定接入方式发展的下一个阶段。这时，终端可以从不同的基站接入，可与固定接入同时使用；但还不支持不同基站之间的切换。
便携式接入应用
这是游牧式接入发展的下一个阶段， 可以实现在步行速度下，具有有限的切换能力。当终端静止不动时，其应用模式与游牧式接入业务相同。这种应用模式主要面向的是家庭和商务人士，终端可为PCMCIA卡，市场容量较大。
全移动接入应用
这是WiMAX发展的终极应用，WiMAX的最终主要目标之一。在这种应用模式下，可以漫游切换，并支持普通车速移动下不间断的无线接入应用，它是面向个人用户的、类似PDA的终端市场。
图1所示为一个典型的WiMAX网络应用场景。在该图中可以看出，WiMAX的应用可以包括以下几个内容：蜂窝通信的回传；Wi-Fi热点的回传；一些DSL难以覆盖和接入的地区；大型企业的T1/E1服务等。
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图1 WiMAX无线网络应用 |
WiMAX的定位归根结底是WiMAX在市场上扮演何种角色，是作为一个强势的竞争者来与3G、DSL、Wi-Fi等技术竞争还是与它们优势互补达成共存。其实WiMAX论坛已经给出了答案，他们认为通过3G的持续部署，WiMAX可以凭借其高速的数据传输速率来满足客户对数据业务的要求，弥补3G在数据业务上的不足。一个有代表性的例子就是韩国，韩国运营商广泛部署了CDMA 和CDMA 1x EV-DO，同时也使用WiMAX，他们认为这两种技术同样都是有价值的，是可以共存的。可以看到，随着E3G的发展，其对WiMAX造成了相当大的压力，WiMAX如何利用时间上的优势抢占市场，还是值得关注。
3、WiMAX网络结构
WiMAX作为一种新的接入手段，还需要解决如何与现有网络的融合。目前WiMAX还是作为一种接入和传输手段，IEEE802.16标准也只规定了空中接口，对于WiMAX进一步的商业部署与实现，还需要明确其基本的网络构架和参考模型，确定接口规范和进一步的标准化。
为此，WiMAX成立了NWG（Network Group）负责定义IEEE802.16协议范围之外的上层构架和接口规范。该工作组的主要目标是：
- 建立满足SPWG和TWG技术要求的网络参考模型，以及系统需求说明书；
- 制定端到端的基于IEEE802.16标准的宽带无线系统规范，满足便携和移动应用，支持全移动性和运营商间漫游；
- 定义在IEEE802.16标准和核心网范畴以外的WiMAX网络接口、网络功能实体和互操作规程；
- 为WiMAX系统与其它系统的互联互通打下良好的基础。
目前WiMAX网络工作组已经完成了Release1版本第二阶段的初稿，正在就初稿中的各个部分进行充分的讨论，同时还成立了10个并行的子工作组，如无线资源管理、ASN内部移动性管理、ASN间移动性管理、安全等，并将根据需求工作组反馈的优先级需求，尽快推出比较完备的第二阶段规范。
整个标准化的工作分为三个阶段进行，第一阶段功能需求、性能需求以及应用场景已经明确；第二阶段网络构架、参考模型已经基本完成。第三阶段将重点完标准、流程、协议细节，比如小区选择，端到端的认证和鉴权，动态QoS与接纳控制等。
3.1 网络体系结构
WiMAX网络体系如图2所示，其大致可分为WiMAX终端、WiMAX接入网和WiMAX核心网。现在所说的WiMAX系统只包括WiMAX接入网，不包括核心网和终端。
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图2 WiMAX网络结构 |
WiMAX核心网络通常为传统交换网或因特网。WiMAX提供核心网络与基站间的连接接口，解决用户的认证、漫游等功能以及作为与其它网络之间的接口。通过与其它网络共用核心网，节省了传统蜂窝网络的复杂网络规划，实现了WiMAX系统的快速配置、低维护费用和快速组网等优点。
WiMAX用户终端定义用户终端设备与用户基站间的连接接口，提供用户终端设备的接入。WiMAX终端包括固定、便携和移动三种类型，分别对应WiMAX的四种应用模式。
WiMAX接入网包含基站、用户基站、中继站和网管系统，提供终端的接入，支持无线资源管理能力，同时还可能包括认证和业务授权服务器。
3.2网络参考模型
网络参考模型给出了WiMAX网络中的通信实体以及相互间交互关系，根据是否支持终端漫游，端到端网络参考模型可分为固定模式和漫游模式，分别如图3和图5所示。
图3、图5所示的网络参考模型，它们是根据业务需求和技术特点抽象出来的，构成了WiMAX体系框架。在参考模型中，节点 代表实体单元之间的接口，它们就是通信协议标准制定的对象。对于每一个参考节点，从数据、控制和管理三个平面以及ISO OSI七层模型确定通信协议的内容。标准化组织的主要工作就是定义这些接口协议，以标准的形式确定下来，达到系统的互联互通互操作。目前R1接口主要对应于802.16标准，其它接口的标准文件还没有正式推出。
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图3 非漫游模式端到端参考模型 |
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图4 ASN参考模型 |
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图5 漫游模式端到端参考模型 |
网络实体
接入网络（ASN）由BS和接入网关（ASN GW）组成（如图4所示），可以连接到多个CSN，为不同NSP的CSN提供无线接入服务。其中，BS用于处理IEEE 802.16空中接口，包括BS和SS两种；ASN GW主要处理到CSN的接口功能和ASN的管理。
ASN管理IEEE 802.16空中接口，为WiMAX用户提供无线接入，主要功能有：发现网络；在BS和MSS之间建立两层连接，协助高层与MSS建立三层连接；ASN内寻呼和移动性管理；ASN和CSN之间隧道建立和管理；无线资源管理；存储临时用户信息列表。
连接服务器网络（CSN）可以由路由器、AAA代理或服务器、用户数据库、因特网网关设备等组成，CSN可作为全新的WiMAX系统的一个新建网络实体，也可利用部分现有的网络设备实现CSN功能。CSN为WiMAX用户提供IP连接，主要功能有：因特网接入，为用户会话连接，给终端分配IP地址；AAA代理或者服务器，用户计费以及结算；基于用户系统参数的QoS及许可控制；ASN之间的移动性管理，ASN和CSN之间的隧道建立和管理；WiMAX服务，如基于位置的服务、组播服务等。
网络接口
包括R1~R8接口，其中接口R1至R5为网络工作组初步确定了在Release 1规范中定义的开放接口，接口R6至R8为后续版本中考虑开放的接口。具体定义如下：
- R1：BS和MSS/SS之间接口，它有802.16d和802.16e协议定义，包括空中接口的MAC层，物理层，以及相关的管理面功能。
- R2 ：MSS/SS和CSN之间的逻辑接口，包括认证，授权以及IP相关的配置管理功能。此外还可能包括一些移动性管理功能。
- R3：AN和CSN之间的接口，包括数据面和控制面。数据面功能主要有CSN和AN之间的隧道管理， 它可以用以支持AN和CSN之间不同QoS要求的业务流。控制面包括隧道管理，AAA，policy和QoS管理等功能。
- R4：ASN GW之间的接口，具体功能待定义。
- R5：访问CSP和归属CSP之间的接口，包括：
- 数据面，它是CSN之间的IP隧道用以区别不同QoS要求的业务流。
- 控制面，包括隧道管理，访问CSP和归属之间AAA和policy coordination等功能的协调。
- R6：ASN GW和BS之间的接口，包括：
- 数据面，ASN GW和BS之间的IP隧道，以区别不同QoS要求的业务流。
- 控制面，包括隧道管理，AAA，Bandwidth Brokering and Policy coordination, RRM等功能。
- R7：ASN GW的内部接口，用以协调ASN GW 内部的Decision Point 和Enforcement Point两部分，涉及AAA，Policy coordination， 位置管理等。
- R8：BS之间的接口，用以提供快速和无缝的切换。
其中需要说明，IEEE 802.16协议只涉及到R1接口。下图是IEEE 802.16e的参考模型，由移动站（MSS）、基站（BS）、认证和授权服务器（ASA）组成。虽然在802.16e中定义了U、IB和A接口，但是只对U接口进行了规范，说明了物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的操作，以及对移动性的支持和相关消息的交换过程。IEEE 802.16认为IB和A接口是其他标准化组织的工作范畴，因此并不计划开发和规范IB和A接口。在图6中，U接口即可认为图5中的R1接口。
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图6 IEEE802.16e参考模型 |
IEEE 802.16标准描述了一个点到多点的固定宽带无线接入系统的空中接口。空中接口由物理层和MAC层组成，见图7。IEEE 802.16 MAC层能支持多种物理层规范，以适合各种应用环境。
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图7 IEEE802.16协议栈参考模型 |
MAC层由特定业务汇聚子层（CS）、MAC公共部分子层（CPS）和加密协议子层3部分组成，其中加密协议子层是可选的。CS子层主要功能是负责将其业务接入点（SAP）收到的外部网络数据转换和映射到MAC业务数据单元（SDU），并传递到MAC层业务接入点。具体包括对外部网络数据SDU执行分类，并映射到适当的MAC业务流和连接标识符（CID）上，甚至可能包括净荷头抑制（PHS）等功能。协议提供多个CS规范作为与外部各种协议的接口。MAC CPS是MAC的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MAC SAP接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量（QoS）控制。通常说的MAC层主要指MAC CPS。加密协议子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。
物理层由传输汇聚子层（TCL）和物理媒质依赖子层（PMD）组成，通常说的物理层主要是指PMD。物理层定义了两种双工方式TDD和FDD这两种方式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数（调制方式、编码方式、发射功率等）可以动态调整，但是需要MAC层协助完成。
IEEE 802.16定义了其MAC层是面向连接的，然而在基于IP的网络中提供面向连接的服务就必须通过一系列的QoS机制来保证基本的性能要求。因此，QoS保证机制成为该标准的核心机制，用来满足将来的多媒体服务能力。
WiMAX系统的QoS机制包含两部分的内容，一部分是关于业务流的管理，它提供了一种实现上、下行QoS管理的机制，它是MAC层的核心功能，包括QoS参数集、业务流定义、分类符和动态业务管理等，在IEEE 802.16中进行了详细规定；另一部分是相应的QoS保证机制，包括调度算法、缓冲池管理和流量控制等，在协议中对这些算法并没有进行定义和阐述。
根据不同的QoS要求，IEEE802.16定义了四种不同类型的调度服务，如表一所示：
表一 调度服务及使用规则
- 主动授权业务(UGS)：用于支持固定速率的实时业务，不能使用任何类型的竞争请求机会，并禁止捎带请求。应用方式如，T1/E1和没有进行静默压缩的IP语音业务。
- 实时查询业务（rtPS）：用于支持可变速率实时业务，BS 为其提供周期性的单播查询机会，并禁止使用其它竞争请求机会，但是可以捎带请求。应用方式如MPEG视频业务。
- 非实时查询业务（nrtPS）：BS 为其提供经常性的单播查询机会（可以是周期或非周期性的），并允许使用竞争和捎带请求。应用方式如有保证最小速率要求的因特网接入。
- 尽力而为业务（BE）：允许使用任何类型的请求机会和捎带请求。应用方式如，如E-mail和短信等。
5、结束语
随着数据业务需求的不断提高，越来越多的用户希望通过无线接入系统实现高速数据业务，这一需求必将推动宽带无线接入技术的发展。WiMAX作为无线宽带接入技术的代表，获得了业界的广泛关注。随着802.16 标准化工作进展，WiMAX论坛正在加速推进相应工作及宣传力度，力争使WiMAX取得业界的广泛认同。但也需要看到，WiMAX的发展并非一帆风顺，还有很多问题需要解决，这些问题主要是：
- 其它技术对WiMAX产生的影响。移动宽带化和宽带移动化是目前通信技术的发展趋势，3G和WiMAX在很多地方产生了重叠，这无疑造成了两种技术的竞争。就目前来看，由于3G在数据通信上的不足，两者更多是一种互补的关系，WiMAX可以作为3G的补充而被运营商采用。但是随着E3G的发展，对WiMAX产生了较大的压力。其他包括Wi-Fi以及IEEE 802.20均会与WiMAX产生部分的竞争。WiMAX如何在这些技术中突出重围还是一个需要深入研究的问题。
- 频谱资源的问题。虽然近年来各国都在对WiMAX分配频段的问题进行讨论，一些国家已经发放了相关频率及许可证，不过从全球来看WiMAX 仍然没有一个全球统一的频段，而且很多国家考虑到其与3G 可能形成竞争而迟迟无法制定出相应的政策。目前我国仍未公布WiMAX可以使用的平率，这对我国在WiMAX的研究无疑产生了一定的影响。
- 成本问题。目前基于WiMAX的产品成本仍然较贵，无法形成竞争力。据Intel估算，目前WiMAX的基站大约在2万美元左右，只有当每单位用户数所负担的平均成本下降至300美元以下，且基站台降至1万美元以下，则宽带无线才将有可能成为企业与一般家庭选择的最后一公里服务之一。因此，WiMAX面临必须降低成本的选择。
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