固定WiMAX网络的部署分析
摘要 文章首先对WiMAX的发展背景和主要空口协议进行了介绍，并且通过与其他技术的比较，定量说明了WiMAX技术在固定无线接入方面的优势；然后通过SUI模型对运行在3.5GHz频段上的固定WiMAX网络的覆盖和容量进行了分析计算，并以此为基础，对固定WiMAX在国内的应用场景和模式进行了讨论和总结。
1、前言
WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）是一项基于IEEE 802.16标准的宽带无线城域网接入技术，为了提高频谱资源利用率以适应各类宽带多媒体应用，而采用了大量新技术（如OFDM/OFDMA、MIMO、自适应编码调制等）。WiMAX同时也是一种互联网阵营提出的未来公共无线宽带数据网的技术体制，代表着未来无线通信系统的宽带和智能特征，例如协议结构和网络结构扁平化、支持高速数据传输和无缝漫游、支持各种类型的业务并在MAC层和物理层保障其QoS等。
与WiMAX密切相关的两个组织是IEEE的802.16和WiMAX论坛，前者制定了以802.16d和802.16e为代表的无线宽带城域网（WMAN）空中接口标准，后者则是整个WiMAX技术体系和网络模型的完善者，以及产业链的推动者。截至目前，WiMAX论坛成员已经超过了410名，全球认证的产品超过了28种。全球WiMAX实验网数量超过200个试验网，分别部署在65个国家。WiMAX已经是一项较为成熟的宽带无线接入技术，其中固定宽带无线接入（802.16d）技术已经具备了大规模商用部署的条件。
WiMAX于2004年进入我国，由最初高歌猛进高举3G终结者大旗，到后来曲高和寡甘作3G“有效补充”，再到近期与WLAN技术共同被采用组建奥运高速无线网络，WiMAX技术在中国的发展经历了大起大落的2年多时光。值得注意的是，当全球都看好802.16e，期望WiMAX能在移动领域有所突破的时候，WiMAX在中国的正式商用却是采用2004年就已经发布的基于802.16d的固定接入模式，这个现象印证了“没有最好的接入方式，只有最合适的接入方式”那句老话，同时也体现出在3G发展势不可挡的情况下，WiMAX在中国的发展回归到了一条冷静而务实的道路上。
市场研究公司TelecomView预测，到2009年，亚太地区将占WiMAX市场总额的45%，有关设备开支将达19.882亿美元，用户数将达300万。那么WiMAX空口标准在固定宽带无线接入方面究竟有哪些特点，在国内电信运营商现有的3.5GHz频段下的3个3.5MHz频段范围内，其覆盖效果和可提供的容量究竟能达到怎样的水平，针对这样的水平，国内固定WiMAX将如何确定自己的应用场景和目标用户群体，本文将围绕以上议题展开讨论。
2、WiMAX技术特点
2.1 固定WiMAX的技术特点
802.16规范发展至今，空口标准主要经历了4个版本——16、16a、16d、16e。其中，16d是目前最成熟和具备商用条件的802.16规范，它对前几个标准进行了整合和修订，对2到66GHz频段固定宽带无线接入的空中接口物理层和MAC层做了详细规定，保持了802.16、802.16a等标准中的所有模式和主要特性，提高系统性能和简化部署。与现有的固定宽带无线接入技术相比，802.16d在标准化、频率利用率、QoS、安全性等方面有明显的优势。
2.2 固定WiMAX与MMDS/LMDS
固定WiMAX技术在标准化和技术先进性方面较固定无线接入有较大优势。首先，LMDS/MMDS没有统一的全球性接入标准，这就制约了它在全球范围内的大规模商用布署；其次，LMDS/MMDS在覆盖范围、是否支持游牧和便携应用场景方面较WiMAX相比，有明显劣势，且高频段26GHz的LMDS技术受天气影响较大。因此，可以说WiMAX对LMDS/MMDS具有替代意义。
2.3 WiMAX与Wi-Fi
严格的讲，WiMAX与Wi-Fi的关系是互补而非竞争。与Wi-Fi相比，WiMAX具有下述技术优势：
（1）WiMAX频段使用适应面更广
WiMAX既可采用许可证也可采用免许可证频段，Wi-Fi只使用免许可证频段。
（2）WiMAX伸缩性更强
WiMAX运营商可以灵活分配信道带宽，媒体访问控制（MAC）协议可以支持上千个用户；Wi-Fi带宽固定，MAC协议只能支持数十个用户。
（3）WiMAX的QoS和安全性能更优
WiMAX的频谱效率、数据传输速率、小区覆盖范围、MAC协议对服务质量（QoS）的支持和安全性能等方面均优于Wi-Fi。虽然Wi-Fi可以通过高增益天线和Mesh网络提供与WiMAX相似的服务，但这些技术尚未标准化，设备的成本和设备间的互操作性不如WiMAX。
从应用和市场的角度而言，WiMAX可以用于Wi-Fi热点之间的数据传输，但WiMAX在家庭和办公室尚无法替代灵活的、低成本的Wi-Fi。
总之，WiMAX为工作于许可证频段和免许可证频段的城域网（MAN）优化设计；Wi-Fi为只工作于免许可证频段的局域网（LAN）优化设计；WiMAX和Wi-Fi可以相互补充，构成完整的MAN/LAN解决方案。WiMAX与固定无线接入主要技术参数对比如表1所示。
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表1 WiMAX与固定无线接入主要技术参数对比
3、固定WiMAX容量覆盖分析
同其他固定无线网络一样，固定WiMAX网络要基于一定的网络质量，平衡网络容量和覆盖之间的关系，使得网络性能和建设成本达到最佳。需要分析核心问题主要是：频率资源和覆盖质量，以及在特定信噪比条件下网络能提供的容量和达到的覆盖水平。
3.1 频率资源和覆盖质量分析
无线通信标准的频率复用方式，是将一定数目的基站（例如4个基站或7个基站）组成一簇，基站天线采用定向天线，在满足同频干扰保护比的情况下，一个簇一个簇地配置频率，从而实现频率的多次复用。然后，随着设备的功能和天线的性能的不断改善，基站又可进一步分裂为1～3个小区，进一步提高频率的复用次数，提高系统的容量。
目前无线网络覆盖常用的频率复用方案如图1所示：
图1 无线网络覆盖常用的频率复用方案
频率复用程度越高，系统容量越大，复用程度越低，系统容量越小；
频率复用程度越高，同频干扰和通信链路质量越差，复用程度越低，同频干扰和通信链路质量越好；
当频谱复用程度过大时，因为质量的恶化，会使得系统容量反而降低。
对于以上四种频率复用方案的比较如表2所示。
表2 四种频率复用方案的比较
由以上分析可知，要实现连续覆盖，至少需要的频点数为12个，对基于802.16-2004固定接入标准的WiMAX网络，FDD双工方式下，3.5MHz的信道带宽，需要频率资源为42MHz×2；TDD双工方式下，信道带宽考虑5MHz，需要频率资源至少为60MHz。
目前国内各运营商主要部署的是支持802.16-2004固定接入标准的WiMAX网络。工作频段是3.5GHz FDD固定无线接入频段（3400MHz～3430MHz/3500MHz～3530MHz），信道带宽为3.5MHz，运营商可用的频点为3个。如果采用1×3×3复用方式进行连续覆盖，会有大于10%的区域因为同频干扰过大，而无法提供服务。因此，现有国内的WiMAX固定网络只适合作非连续的热点覆盖。
3.2 覆盖和容量分析
在3.5GHz频段，常用的传播模型有SUI模型、Cost-231Hata模型、ECC-33模型等。相关文献曾经对三种模型做过测试研究，得出以下结论：SUI和Cost-231Hata模型都存在过大地预测中值路径损耗的问题，均需要通过进一步的参数优化方可适用于3.5GHz频段；ECC-33模型则与测试结果保持了比较好的一致性，因此ECC-33模型可以用作3.5GHz频段的传播模型。但是由于ECC-33模型对于郊区和乡村地区没有修正因子，因而建议只作为一般市区环境的传播模型。而Cost-32Hata模型当天线高度比较高时，随着终端天线高度的增加，该模型越来越不适用于3.5GHz频段。因此本文采用SUI模型来进行覆盖半径预测。
该模型遵循以下公式：
为阴影衰落余量。
运行于3.5GHz频段的WiMAX固定无线接入系统是一个上行功率受限系统，采用SUI模型进行上行链路预算，可知对于鲁棒性最强的QPSK 1/2调制方式，可允许的路径损耗如表3所示：
表3 链路预算表（QPSK 1/2）
则根据SUI模型计算所得的NLOS条件下不同区域的覆盖半径如表4所示：
表4 不同区域的覆盖半径表
Intel发布的2GHz～11GHz频段，WiMAX频宽、调制方式和带宽的对比如表5所示：
表5 2MHz～11GHz频段调制方式和带宽对比表
根据以上表格，可对特定区域的固定WiMAX接入带宽进行计算，因为固定WiMAX采用白适应编码调制，需根据不同的编码调制方式覆盖面积占整个覆盖区域面积的比值，分别计算不同编码调制方式下的容量，再将其相加，如图2所示:
图2 计算不同编码调制方式下的容量相加所得
固定WiMAX接入方式下单载波平均容量=（Data Ratel×Area of Data Ratel+Data Rate2×Area of Data Rate+……++Data Rate n×Area of Data Rate n）/all coverage Area。
由以上分析计算结果可知，如果不考虑同频干扰，在密集市区环境下，半径1.4km之内，在3.5GHz频段上工作的WiMAX固定无线接入系统，在信道带宽为3.5MHz时，单频点平均容量可达到12.7Mb/s，随着覆盖范围的逐步扩大，平均容量和边缘传输速率逐渐减少，当覆盖半径到达3.46km时，平均容量只有6.3Mb/s，且在其覆盖范围的边缘，只能提供1.4Mb/s的传输速率。
假设市区内某园区半径小于1.4公里，园区内客户所需业务特征如下：
◆IP语音带宽需求=32kb/s
业务特征：MOS=3.9，G.729编码，语音包长20Byte，20ms单位打包，编解码速率为8kb/s，编解码间隔10ms，帧长度为20Byte。
◆实时媒体流带宽需求=600kb/s
业务特征：H.263编码，编码支持图像格式：CIF，以及可帧速率：30帧/秒。
假设该园区内每用户需要32路VoIP语音业务（不考虑静音压缩）和总共1Mb/s的宽带互联网上网业务，则所需带宽为2Mb/s，一个频点可接入6个用户，3个频点总共可接入18个用户。如再考虑1路视频业务，则需要2.6Mb/s带宽，一个频点最多只可接入5个用户，3个频点只能接入15个用户。
综上所述，固定WiMAX技术可提供最高3.43bps/Hz的频率利用率，视通条件下可提供几公里半径范围的优质信号覆盖，是一种非常理想的宽带接入手段。但目前在国内可用的频段太少，不但使其无法提供连续覆盖，连热点覆盖的网络容量也收到影响。
4、国内固定WiMMA应用范围和业务模式分析
4.1 优劣势总结
现阶段，国内固定WiMAX网络的优劣势如下：
（1）劣势
◆只能对分散的热点区域进行覆盖。
◆单基站可提供的总带宽为30Mb/s，与其覆盖范围相比，难以满足热点区域内的大量宽带应用的接入需求。
◆设备和终端成本仍偏高。
（2）优势
第一，具有部署灵活、便利和快速的优势，可提前在热点地区部署好基站，针对该区域内的客户进行市场公关活动，一旦客户有意向，可马上接入。
第二，国内部署的大量基站实际上是多个独立的微站（Cell）组合而成，不同的微站采用不同的物理设备，对于没有覆盖需求的区域的微站，可随时拆卸重用到其他需要的地方，对其他微站不会造成影响，节约了网络部署成本。
根据以上分析，在近期WiMAX网络部署的建议如下。
4.2 应用范围和业务模式分析
因为该阶段WiMAX无法实现连续覆盖，因此，覆盖模式应定位为热点覆盖。
因为该阶段WiMAX无法提供高带宽，因此，覆盖对象应集中在中小企业、行业应用等有其特殊性而对带宽要求不是特别高的用户群上。对住户较多的小区，当用户少时可临时接入，随着用户规模的增加，最终还是要引入光缆接入。
因为该阶段WiMAX建设成本较高，因此，应将其定位为最后一公里回程技术，避免直接对用户进行接入，在用户驻地，应考虑采用Wi-Fi或综合布线实现最终用户的接入。
则国内近期固定WiMAXA应用的主要范围和业务模式建议如下：
（1）中小企业专线
企业客户是战略客户，而且行业信息化是一个必然的趋势。WiMAX应以中小企业信息化为突破点，针对中小企业提供互联网专线和/或IP语音专线业务，在专线之上可以附加很多信息化产品，如各种固网增值业务，客服呼叫等，还可以通过开通VPN/VPDN业务为中小企业提供专网承载服务。
（2）IP超市
针对普通个人客户，可以充分利用WIMAX灵活性、便利性和机动性，现在在很多地方，IP超市主要定位是建筑工人，随着楼宇建筑工程完毕之后，这些人群往往会发生流动，如果IP超市以有线方式做，用户走了以后，这线路使用率会非常低，WiMAX无线方式就非常方便，我们可以随着用户群的搬移，Cell也进行迁移。
（3）高档住宅家庭固定宽带业务
要注意发展新建居民小区用户、高档别墅、富裕村镇。现在各地新建楼非常多，有地方电信、网通有线资源没有到，还有有些地方电信、网通有线资源虽然到了，但是高端用户就喜欢用无线方式接入。
需要注意，第一，要是高档住宅，普通的个人用户无法开展的。第二，注意物业协调问题。
（4）年度大型展会所在的体验场馆、展览馆、会议中心的专线接入主要提供互联网专线、语音专线接入服务。
5、总结
固定WiMAX在技术上具有较高的先进性，能提供比其他宽带固定无线接入技术更高的频谱利用率，但在国内因为可用频率太少，导致在覆盖和容量上的受限，近期只能充分发挥其机动灵活，部署快捷的特点，作为最后一公里接入手段，对热点区域进行分散覆盖，对光纤等固定接入方式进行有效的补充。
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