1、WiMAX的概念及其特点

        随着通信网的进一步发展,WiMAX作为一种面向“最后一公里”接入的标准,尤其在目前全球缺乏统一宽带无线接入标准之际,有重要现实意义与战略价值。该标准大体可以分为两种,一种是IEEE 802.16d标准,支持固定宽带无线接入系统空中接口;另外一种就是目前正在制定中的IEEE 802.16e、支持固定和移动性的宽带无线接入系统空中接口标准。

        全球微波接入互操作性(WiMAX,World Interopera-bility for Microwave Access)是一项基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入城域网(BWA-MAN)技术,也可以称为IEEE Wireless MAN。该技术是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准,其主要目标是提供一种在城域网一点对多点的多厂商环境下,可有效地互操作的宽带无线接入手段。WiMAX具有如下特点:

(1)传输距离远:无线信号传输距离最远可达50km,并能覆盖半径达1.6公里的范围,是3G基站的10倍。

(2)传输速率高:可实现高达74.81Mb/s的传输速度。

(3)容量高:WiMAX的一个基站可以同时接入数百个远端用户站。

(4)灵活的信道宽度:WiMAX能在信道宽度和连接用户数量之间取得平衡,其信道宽度由1.5MHz到20MHz不等。

(5)QoS性能:可向用户提供具有QoS性能的数据、视频、话音业务。

(6)丰富的多媒体通信服务:能够实现电信级的多媒体通信服务。

(7)保密性:支持安全传输,并提供鉴权与数字加密等功能。

        由于上述特点及其建网快、见效早的优点,WiMAX具有重要现实意义与战略价值。而且就覆盖环境限制及部属成本考虑,对于用xDSL、CableModem方式不能有效覆盖、不便于和不值得部署有线网络的区域,WiMAX更是大有用武之地。

2、WiMAX网络体系结构

2.1 网络体系架构

        WiMAX网络体系如图1所示,包括:核心网、用户基站(SS)、基站(BS)、接力站(RS)、用户终端设备(TE)和网管。

图1 WiMAX网络体系结构



(1)核心网络:WiMAX连接的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,但WiMAX系统并不包括核心网络。

(2)基站:基站提供用户基站与核心网络间的连接,通常采用扇形/定向天线或全向天线,可提供灵活的子信道部署与配置功能,并根据用户群体状况不断升级扩展网络。

(3)用户基站:属于基站的一种,提供基站与用户终端设备间的中继连接,通常采用固定天线,并被安装在屋顶上。基站与用户基站间采用动态适应性信号调制模式。

(4)接力站:在点到多点体系结构中,接力站通常用于提高基站的覆盖能力,也就是说充当一个基站和若干个用户基站(或用户终端设备)间信息的中继站。接力站面向用户侧的下行频率可以与其面向激战的上行频率相同,当然也可以采用不同的频率。

(5)用户终端设备:WiMAX系统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。但用户终端设备本身并不属于WiMAX系统。

(6)网管系统:用于监视和控制网内所有的基站和用户基站,提供查询、状态监控、软件下载、系统参数配置等功能。

2.2 端到端的参考模型

           WiMAX网络的参考模型分为非漫游模式和漫游模式,分别如图2和图3所示。其功能逻辑组,包括移动用户台(MSS)、接入网络(ASN)、连接服务网络(CSN)和应用服务提供商(ASP)网络。与图2相比,图3主要增加了CSN之间的R5参考点。另外,WiMAX NWG规范不定义CSN和ASP之间的接口。

图2 非漫游模式端到端参考模型

图3 漫游模式端到端参考模型



2.3 网络实体

(1)接入网络

         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。

图4 ASN参考模型



 (2)连接服务网络

        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。

2.4 网络接口

       WiMAX网络开放接口如图5所示。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。各个接口的定义和功能如图6所示。

图5 WiMAX网络开放接口


图6 IEEE 802.16空中接口协议栈模型


(1)R1:MSS与ASN之间的接口,可能包含管理平面的功能。

(2)R2:MSS与CSN之间的逻辑接口,提供鉴权、业务授权和IP主机配置等服务。此外,可能还包含管理和承载平面的移动性管理。

(3)R3:ASN和CSN之间互操作的接口,包括一系列控制和承载平面的协议。

(4)R4:用于处理ASN GW间移动性相关的一系列控制和承载平面协议。

(5)R5:拜访CSN与归属CSN之间互操作的一系列控制和承载平面协议。

(6)R6:BS和ASN GW间的互操作接口,属于ASN内的接口,由一系列控制和承载平面协议构成。

(7)R7:该接口属于ASN GW内部接口,图5中没有标注,具体定义还在讨论之中。

(8)R8:BS之间的接口,用于快速无缝切换功能,由一系列控制和承载平面协议组成。

2.5 协议栈参考模型

        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6。IEEE 802.16 MAC层能支持多种物理层规范,以适合各种应用环境。

        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:时分双工(TDD)和频分双工(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。

        MAC层分成三个子层:特定服务汇聚子层(CS,Service Specific Convergence Sublayer)、公共部分子层(CPS,Common Part Sublayer)、安全子层(PS,Privacy Sublayer)。

(1)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层的SAP。协议提供多个CS规范作为与外部各种协议的接口。

(2)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QoS控制。

(3)安全子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。

3、WiMAX的应用模式

         从技术特点分析,WiMAX不适合单独组网进行运营,从目前运营商的情况来看,WiMAX的应用模式主要有以下场景。

3.1 固网宽带业务的接入

         WiMAX固定应用模式采用符合IEEE 802.16d标准的设备,工作频段根据标准规定和国家的频率划分可以为3.5GHz频段,载波带宽为3.5MHz。由于技术的限制,网络不支持小区间的用户数据的切换。终端设备的形式为固定安装在室内的或可携带的调制解调器形式。在WiMAX固定应用模式中,WiMAX网络主要作为IP/E1的承载。在光纤或其他有线资源到位后,网络设备可以移到其他地方布网。

        WiMAX的固定应用模式主要包括两个方面,如图7所示:

图7 WiMAX作为固网宽带业务的接入





(1)家庭宽带接入市场

         作为xDSL方式的互补。由于WiMAX设备成本呈现逐渐下滑的趋势,且用户峰值接入速率较高,安装方便,同时具有一定的便携能力,因此运营商可利用WiMAX技术,在客户端采用室内型CPE,快速进入个人宽带接入市场,提供宽带数据业务。

(2)商企等大客户接入市场

        大客户接入主要实现基于IP和电路业务的综合接入。运营商可利用WiMAX作为数字分组网(DDN)、帧中继(FR)网络等有线接入平台的补充,在客户端采用室内型或室外型CPE。而新兴运营商或移动运营商可利用宽带无线设备迅速开展业务,抓住重要客户,弥补其固网资源的不足。

3.2 NGN网络的接入

        WiMAX可用作NGN网络的接入,如图8所示。利用IP语音业务可实时带宽分配、占用空中无线资源少的特点进行语音业务的接入。对于新兴运营商,可利用WiMAX设备取代光缆和铜缆,在客户端配合IAD、综合AG等设备快速布局,打破传统固网运营商对语音业务的垄断。

图8 WiMAX作为NGN网络的接入


3.3 数据业务的接入补充

         目前,移动宽带数据业务主要指移动增值数据业务,包括移动互联网、消息类、游戏、企业应用、视频等多种业务。随着短信和移动游戏类业务的增长,用户对移动宽带数据类业务提出了更高的数据传输带宽需求。WiMAX可以作为数据接入业务的一个有力的补充手段。

3.4 移动网络基站传输

        WiMAX移动应用模式如图9所示,其采用符合IEEE 802.16e标准的设备,根据标准其工作频段应在6GHz以下。WiMAX移动应用模式是面向个人用户的,提供支持切换和QoS机制的无线数据接入业务。其网络架构同WLAN、3G无线接入网络相似,可以通过蜂窝组网方式覆盖较大区域。在这种应用模式下,可以将WiMAX看作一种无线城域网、多点基站互联和回运的支持手段;同时,由于WiMAX的非视距特性,能够在城市中提供很好的应用,配合运营商实现快速建网的目的,如针对我国城域网建设的实际情况,可建立采用WiMAX接入技术的宽带SDH城域网。

图9 WiMAX作为移动网络基站传输



 

3.5 WiMAX与3G融合组网方案

         WiMAX网络和移动蜂窝网组网的网络架构,如图10所示:

图10 WiMAX与3G融合组网


         依据与移动蜂窝系统结合的紧密程度,移动蜂窝网络和WiMAX网络组网方案可以分成松耦合和紧耦合两大类。考虑耦合程度从浅到深,移动蜂窝网络和WiMAX网络可以有六个工作模式:

(1)统一计费和用户管理模式。

(2)给予蜂窝移动网络的WiMAX网络认证和计费模式。

(3)WiMAX网络接入移动蜂窝网络的标准分组域业务模式。

(4)业务一致性和连续性的模式。

(5)无缝的分组域业务切换模式。

(6)WiMAX接入到移动蜂窝标准电路域模式。

         前两种模式属于松耦合,后四种模式属于紧耦合。在模式(1)中,在两个系统间外挂一个附加的网络,AAA在附加网络中实现,完成鉴权和计费功能;在模式(2)中,WiMAX作为移动蜂窝网络互补网络,其认证和计费需要用移动蜂窝网络的归属位置寄存器(HLR)和AAA等,WiMAX流量出口直接连接到城域网;在模式(3)中,WiMAX认证和计费方式与模式类似,其业务流量出口将由移动蜂窝网络的分组域网关负责;在模式(4)中,WiMAX网络可以直接访问移动蜂窝网络所有业务;在模式(5)中,WiMAX网络切换要受蜂窝移动网络的控制,其VoIP语音业务可以切换到移动蜂窝网络中;在模式(6)中,WiMAX网络无线资源和移动蜂窝网络中无线资源将被统一调度。

        WiMAX组网可以先考虑采用模式(1),再通过移动蜂窝网络升级,逐步演进到模式(4)和(5),模式(6)是终极发展目标。WiMAX终端认证计费功能都在移动蜂窝系统中相应的设备中实现。在松耦合场景下,WiMAX移动性管理由WiMAX专有设备实现,而在紧耦合场景下,移动蜂窝中的设备也要参与WiMAX终端的移动性管理。

4、WiMAX的商业发展路线

         从WiMAX的技术特点分析,WiMAX市场的运营和商业模式需要分三步走,即发展的三个阶段:

(1)室外型固定宽带无线接入市场:基于802.16d的室外固定终端作为建筑物的接入手段,作为固定网络的辅助,以企业用户为主。

(2)室内型固定宽带无线接入市场:用户可以自行安装的基于802.16d室内固定终端上市,降低运营商建网成本,向家庭用户提供接入业务。

(3)便携移动模式应用市场:基于802.16e的芯片内置笔记本、PDA等可携带终端,提供移动性,针对个人用户提供移动宽带数据业务。