WiMAX 网络架构：直面技术共存与竞争

WiMAX网络架构：从固定到移动

WiMAX是当前无线通信业界的热点技术之一。在关于WiMAX的众多话题中，网络架构及其演进又逐渐成为一个热点中的热点。

WiMAX网络侧技术正处于一个从无到有的构建阶段。在WiMAX技术发展初期，标准化工作主要集中在空中接口物理层和MAC层技术，由IEEE 802.16工作组制定。WiMAX论坛作为产业的推动者，承担了WiMAX市场推广工作，并负责对WiMAX产品进行认证。随着WiMAX产业规模的壮大和发展目标的明确，越来越需要定义一个清晰、稳定、可实现、可扩展的网络架构，以支持WiMAX从固定走向移动的战略需要。为此WiMAX论坛于2004年11月成立了一个新的工作组——网络工作组（NWG），与需求工作组（SPWG） 共同讨论确定WiMAX网络架构，并研究其后续完善与发展。

固定WiMAX与传统宽带无线接入系统类似，网络结构和功能较为简单，通常由路由器和AAA（验证、授权、计费）系统组成，进行简单的认证和计费，用户通过接入点直接连接到互联网。随着WiMAX从固定走向移动，在移动性、业务QoS和大规模组网方面提出了新的要求，网络侧必须设计新的网元和控制机制，完成无线资源、移动性、QoS以及安全认证等一系列功能的管理和控制，以支持用户随时随地不同QoS业务的应用，这对WiMAX来说可以说是从无到有的一个巨大飞跃和挑战。从完成的功能方面来看，支持移动性的WiMAX网络架构与基于分组数据的移动通信网络，例如3G分组域，似乎没有什么区别，但是宽带无线接入技术有自己独特的产生和发展背景，在网络架构的发展和演进上，体现出独特的特点。

作为移动通信领域的后入者，WiMAX系统面临与现有移动通信网络的共存和技术竞争的问题。从网络架构方面来看，首先系统必须能够满足固定、游牧、便携和移动场景下的业务要求，网络模型应基于全IP的网络架构，设计完善清晰，可实现可扩展，功能架构和控制机制完善合理，能够实现无线资源、移动性、QoS以及安全认证等一系列功能的管理和控制。另一方面，网络架构设计必须足够灵活，使网络能够适应各种情况各种应用模式的需求，灵活部署，并尽可能降低成本，便于市场拓展。这些问题互相交织、相互影响形成了技术上的巨大挑战。我们可以预见，WiMAX系统的网络技术将经历一个较为复杂的发展过程，在技术的完善可靠与适应市场快速变化和竞争之间不断调整。

从上述背景和考虑出发，WiMAX系统首先需要确定网络发展的目标和原则，明确作为市场后入者在技术发展和市场拓展方面的主要策略和应采取的具体措施，这些原则将充分体现和贯彻在后续具体的网络架构设计和发展演进之中，包括：

（1）可以同时满足固定、游牧、便携、简单移动和全移动宽带应用场景的要求;

（2）采用基于全IP的网络架构和IETF协议，充分利用IP交换、路由以及其他可重用的IP网络功能与协议;

（3）允许对网络结构中的各个网元进行合理分解，以便能够灵活地适应不同情况下使用要求，支持不同的网元之间基于参考点的开放性，特别是在终端、接入网、核心网之间应该支持不同厂商设备的互操作;

（4）支持多个业务服务提供商共享同一个接入网络，支持一个运营商用接入网加上一些简化的核心网功能为用户直接提供互联网接入服务，而不需要再与复杂的接入服务提供商网络互连;

（5）可与现有固定和移动通信系统互通，统一认证、计费和网管。

我们可以发现，（2）～（5）的目的是尽可能灵活利用网络和技术资源，降低成本，使网络部署灵活，（1）则明确提出了网络架构设计的功能和性能要求。不同应用场景网络功能和性能要求也不同，主要体现在移动性、业务连续性等方面，这些是移动WiMAX要解决的难点和核心问题。WiMAX网络各种应用场景的性能要求如附表所示。

网络架构设计和技术特点

网络参考模型

WiMAX基站覆盖范围与移动通信网络基站在相同数量级，因此借鉴和采纳了与移动通信网络类似的网络架构。

网络分为连接业务网CSN和接入业务网ASN 两部分，R1～R5是标准的参考点，如图 1所示。CSN和ASN 可以看成是WiMAX网络的核心网和接入网。一个或多个接入网ASN可由单独的网络接入提供商运营，提供WiMAX接入服务。网络业务提供商NSP管理CSN，向用户提供WiMAX业务。

CSN的功能和特点

CSN既包括了必要的控制与传输承载功能，也包括了业务提供和控制的功能。前者的典型功能包括:IP地址分配、AAA、基于用户系统参数的QoS许可控制、计费、CSN Anchored移动性管理等等; 而业务提供与控制功能则包括:基于位置的服务、多播组播服务、紧急呼叫业务等等。CSN可以由路由器、AAA服务器、用户数据库、互联网网关等设备组成。

考虑到与现有网络的共存，CSN的设计思想是适应接入网的多种存在形式，统一核心网。因此，WiMAX采用了全IP的网络架构，核心网CSN的架构以及IP地址、计费、安全认证等功能设计都基于标准IETF协议，可以充分利用现有的网络设备，例如路由器、AAA服务器等实现CSN功能，运营商可基于原有核心网设备，加上一些简化的WiMAX核心网功能就可为用户直接提供WiMAX服务。这种统一的核心网能够对现网网络运营商带来很多益处，节约运营商对新的网络部署的投资，并在运营商全网多种业务之间进行统一的管理，实现网络业务的易部署性和连续部署，实现统一认证、计费和网管，极大的降低了多网运营在网络、管理和维护上的成本和复杂度。

ASN的功能和特点

相对于CSN对核心网的管理，ASN则专注于管理IEEE 802.16的空中接口，为WiMAX用户提供无线接入，是WiMAX 网络的核心网元。ASN的功能与基于分组数据的移动通信的无线接入网功能基本相同，包括移动性管理、无线资源管理、鉴权和安全、QoS控制、网络发现和接入、寻呼、空闲和休眠模式管理、外部代理等等。因此在逻辑上，上述功能的设计和分解可以大量参考和借鉴传统移动通信的技术成果和积累，体现出技术的后发优势。

ASN的参考模型如图 2所示。ASN由基站BS和接入网关ASN GW组成。BS逻辑上连接到一个或者多个ASN GW。ASN GW之间基于标准的R4参考点进行互通。ASN包含多个ASN GW时，ASN内的移动性可能涉及R4控制和承载平面。对于所有R4接口的协议和流程，ASN内参考点R4应该与ASN之间的R4完全一致。另外，ASN可以连接到多个CSN，为不同网络业务运营商的CSN提供无线接入服务。

ASN采用BS-ASN GW二级结构。对比3G接入网中基站-基站控制器-接入网关的三级结构，WiMAX ASN这种二级结构简化了控制和管理流程，有利于减小切换过程中的时延和数据丢失，实现VoIP等QoS要求高的实时业务。

在这个二级结构中，BS负责与无线相关的802.16的物理层和MAC层处理和控制，包括切换、功率控制和网络接入，上下行链路资源调度，空中接口业务QoS等级，更新无线资源状态，更新MS活动状态（激活和休眠），密钥管理和会话管理等等功能。ASN GW负责网络相关的内容，包括承载平面的路由或网桥、ASN间位置管理和寻呼、Mobile IP下的外部代理FA等功能。

此外，ASN中还存在一些在不同网元之间协调联动的功能需求，如无线资源管理、切换控制、寻呼控制、位置登记、外部代理功能（FA）等等。各个设备制造商由于不同的技术优势和开发历史，对这一问题有着不同的理解和实现方案。经过讨论和融合，最终在WiMAX网络规范中形成了A、B和C三种不同的ASN profile的定义。按照WiMAX网络规范的要求，每个厂商的ASN解决方案应该至少支持上述三种ASN profile之一。

ASN profile A是将上述这些主要功能全部配置于ASN GW，而在BS仅配置一些必要的客户端功能，形成所谓集中式（centralized）的方案。该profile定义了BS和ASN GW之间的R6接口，以及相应的互操作要求。ASN profile C则是将无线资源管理和切换控制的主要功能配置于BS，而寻呼控制、位置登记、外部代理功能则配置于ASN GW。这样就形成了所谓部分分布式（Partially Distributed）的方案。该profile也同样定义了BS和ASN GW之间的R6接口，以及相应的互操作要求，只是具体接口内容与profile A有所不同。与A和C不同，ASN profile B则是一个完全分布式（Fully Distributed）的方案，上述各个功能实体可以按照厂商的理解灵活分布在不同的网元之上，而不对这些网元之间的接口进行定义。这就意味着在该profile内将不存在R6接口，也不需要定义相应的互操作要求。

除了ASN Profile之外，WiMAX网络规范中各个功能（例如IP地址、安全、QoS、移动性管理等）的技术实现中包含多种方式，网络部署时可以根据需要灵活选择配置。但多种实现方式在互通等方面也将带来一系列问题。因此，NWG计划启动网络互通测试（NWIOT），以产品认证的方式规范网络基本功能实现方式，以保证不同设备商网络产品的互通。截止2006年11月，NWG正在收集各个网络设备商对NWG规范Profile的选择和反馈意见，计划2007年第一季度确定终端与网络协议一致性测试（NCT）的 profile，2007年第三季度进行认证测试。

WiMAX网络架构的演进

为了满足市场需要以及应对竞争技术的发展，WiMAX的网络结构也处于不断的发展演进之中。

截止2006年11月，WiMAX网络规范Release 1.0正在NWG 进行修改，计划2006年底发布一个中间版本规范，2007年一季度发布正式WiMAX网络技术规范Release 1.0。与此同时，在即将完成的Release 1.0版的网络架构基础之上，WiMAX论坛需求工作组（SPWG）也基本确定了 Release 1.5版本的网络架构需求，计划2007年底完成。Release 1.5版本的WiMAX网络架构将在Release 1.0基础上增加IMS、MBS、VLAN、LBS和商用VoIP的支持，同时要加入全球漫游的需求，进一步完善与其他系统（如3G）的互通。其中，增加IMS主要为实现更完善更灵活的业务控制与管理，尤其是对实时性多媒体业务的支持。通过IMS的引入，可以有效增强WiMAX网络的业务提供能力。多媒体广播业务（MBS）是目前行业内公认的所谓下一个杀手级应用（Killer Application），所以对它的支持就显得尤为重要。为实现MBS业务，网络架构的设计中也需要作相应的考虑，例如广播节点间的业务同步、广播业务的鉴权、加密以及计费的机制与结构。对于VoIP这类业务，QoS的解决是重中之重，也需要在网络架构的设计中予以考虑。对于漫游能力来讲，可能全球的频谱资源分配是目前更为迫切的话题，但是在网络架构的设计中同样需要考虑用户的认证与鉴权，业务的转移与计费等等问题。

对WiMAX网络架构远期的发展将体现在WiMAX网络技术规范Release 2.0中。目前讨论的目标是能够支持更多的IP业务，同时开放ASN内部接口，增加ASN内部模块的互操作功能，即开放BS与ASN GW之间的R6接口，使不同供应商的BS和ASN GW设备可以在同一个ASN内部实现互联互通，从而增强网络部署与供应商选择的灵活性、降低网络部署成本。目前Release 2.0版本还处于需求讨论阶段，有一些需求还需要进一步明确，例如是否在Release 2.0中纳入802.16m（下一代802.16空中接口的演进增强技术）等内容。目前Release2.0的工作计划还没有完全确定，但可以肯定的是，WiMAX的网络架构仍将向着更先进、更全面、更开放的方向继续演进。

专家观点

从目前的进程来看，一方面WiMAX系统正向着支持移动化的方向发展，从自身发展背景和目标原则出发，充分利用技术后发优势，经历了从无到有的过程，构建了比较完善的网络架构和控制功能，可以说影响深远。另一方面，WiMAX系统网络侧技术的发展还确实面临一些短期内无法完全克服的技术瓶颈，比如：网络结构的完善可靠和灵活性，与其他无线接入技术的竞争、融合和发展。从这一角度看，未来的技术发展还必定会经历一定的曲折与艰辛。但是可以相信，通过持续不断的技术进步与发展，这些问题终将得到解决，WiMAX的网络技术必将迎来蓬勃灿烂的明天。

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