WiMax系统阶段性发展思考

摘要　WiMax在技术上的优势已经被业界认可，其商用进程也逐渐展开。但是任何新技术的引入都会带来各种问题，技术和市场定位相互协调才能推动WiMax的发展，本文对WiMax的定位以及发展中面临的问题进行了深入探讨。

1、引言

　　作为新的宽带无线接入系统，WiMax具有比以往无线接入系统更为强大的能力，比如对移动性的支持，对QoS的支持，基于IP的架构等，诸多特性使人们对它充满了期待，但这些特性是否是WiMax制胜之宝还不能最后确认。为WiMax找到正确的市场定位，制定合理的阶段性发展策略是当前WiMax发展应该思考的问题。

　　早期的宽带无线接入系统以LMDS（本地多点分配系统）、MMDS（多信道多点分配系统）和WLAN（无线局域网）为代表。LMDS和MMDS提供宽带数据、语音、多媒体等综合业务的无线承载，但这两种系统都要求视距传输环境，特别是LMDS系统，由于工作于毫米波频段，受天气影响较大，同时，2种系统都不存在统一的电信标准，没有形成完整牢固的产业链。

　　WLAN与上面两者最大的不同不仅在于其采用了OFDM（正交频分多路复用）传输技术，更在于严密完整的标准化工作和产业联盟的推动，特别是Intel将其内嵌于笔记本中，使其规模应用明确定位于无线互联网数据应用。同时WLAN架构简单，建设方便，产品和业务价格便宜，吸引了移动电信运营商的注意力，尝试将WLAN与蜂窝网结合。蜂窝网实现广域覆盖，以提供语音业务为主，WLAN实现热区覆盖，以数据业务为主。

　　在相同的IEEE802委员会管理之下，WiMax在技术、标准化工作、产业论坛推动等方面都与WLAN有一定相似性。2006年WiMax系统从研究进入到商用，面对市场的检验，技术的优越性如何体现在于其正确的定位以及技术与定位之间的相互协调发展。

2、IEEE802.16工作组和WiMax论坛的目前工作状态

　　IEEE802.16工作组已经发布了IEEE802.16-2004和IEEE802.16e-2005 2个空中接口标准，分别定义了固定和移动场景下的空口PHY（物理层协议）和MAC（媒体接入控制）标准，其主体工作已经完成，目前在针对移动MIB（管理信息库）、一致性测试规范、管理平面流程等做最后修订，预计全部工作将在近期结束。

　　WiMax论坛中网络工作组（NWG）的第一阶段工作将在2006年9月结束，这一阶段工作主要是研究WiMax系统独立组网的必要元素，如网络功能划分、网元确定、QoS框架和协议、安全框架和隧道协议、移动性管理协议等。

　　认证工作组（CWG）已经开放了2个认证试验室，至今已经有11个厂商的23个产品经过认证。下一步将陆续开始室内型产品的认证，并将于2006年底开放IEEE802.16e-2005试验室，2007年上半年开始正式认证流程。

3、WiMax设备的商用化进程

　　一些厂商已经推出了基于IEEE802.16-2004的商用WiMax基站和用户端设备，但是其中的大多数用户端设备还是室外型。有些厂商虽然有室内型设备，但采用将射频单元外拉至窗户上的形式来增大链路预算，弥补无线传输路径上的衰耗。这种形式的用户端设备不能提供真正的桌面应用，需要采用室内布线系统到达用户桌面。因此WiMax虽然与早期的LMDS、MMDS相比可以在非视距环境中应用，但将面临相似的室外天线安装问题，需要室外单元与室内布线系统相结合，更适合企业用户。在实际应用中具有一定局限性。

　　基于IEEE802.16e-2005支持移动场景的设备将于2006年底陆续问世，WiMax论坛对移动设备的认证将于2007年上半年开始，因此预计到2007年中期WiMax接入网的无线设备将逐渐成熟。从技术上看。核心网更多采用已经成熟的协议体系，因此依赖于厂商已有的IP设备开发经验。

　　在GSM/CDMA终端市场上占有相当大份额的一些移动设备厂商则另辟蹊径，凭借多年在无线移动技术方面的积累，直接将产品定位于IEEE802.16e-2005，预计支持移动WiMax的手持多模终端将在2007年问世。

　　在WiMax产业链中，芯片的开发将是影响设备商用进度的最大因素之一。Intel、Fujitsu、Wavesat等几个WiMax芯片厂商已经有了各自的生产路标。根据计划，芯片厂商中最具影响力的Intel公司计划在2006年底推出IEEE802.16e-2005的芯片，并计划于2008年将其内嵌于笔记本电脑的CPU和其他手持设备中，届时WiMax有望解决部分应用场景下的终端问题。

4、WiMax系统定位

　　对WiMax系统而言，其系统能力在理论上已经得到证明，基于IEEE802.16-2004的部分设备也经过了外场测试的实际验证。虽然现阶段的设备和测试都还有很大的局限性，但从已有的测试可以看出，这一技术的能力基本符合设计目标。如果系统能力可以保证，那么对系统的定位将决定着这一技术是否能够最终被市场所承认。

　　据统计，70%的业务发生在固定状态下，数据业务发生在固定状态下的比例更大，而WiMax系统对于数据业务的支持能力远大于对于语音业务的支持能力，因此可以预见。WiMax在相当长的期间内将定位于数据业务，特别是固定的数据业务。

　　WiMax论坛定义了5个应用场景：固定、游牧、便携、简单移动和全移动，其中固定和游牧接入都发生在固定状态中，后者需要网络侧增加漫游地用户认证和计费以支持用户的漫游，体现在空中接口上可以完全一致。这两种场景是数据业务最常发生的场景，作为城域网的无线延伸，固定接入应该是WiMax具有生命力的一种应用。

　　WiMax系统的定位将决定终端设备的形态。目前已经面世的终端都是类似ADSL调制解调器的形式，按照Intel计划，最终将实现内嵌于CPU的目标，可以预见，这种形式的终端更多是面向数据业务的需求。

　　如果将WiMax作为多模手机中的一种工作模式，则更多面向移动应用。在移动通信领域，3G在技术、覆盖、用户资源、市场占有率等方面更具有优势，而且在3G的演进计划目标中，其对分组数据业务的支持能力已经超过WiMax，那么WiMax不仅需要考虑独立组网，更多需要考虑与蜂窝网络在一定层次上的互操作性。

　　这两种不同定位之间的差异对应不同的网络架构。面向数据应用时，WiMax系统作为互联网的无线延伸将数据业务推向用户，切合了“宽带无线化”。而作为多模终端的一种模式时，WiMax在一定程度上弥补蜂窝网络在数据业务上的缺憾，切合了“无线宽带化”。两种趋势是否会走到一起，目前还很难下结论，比较一致的看法是，由于终端的制约，语音业务的特性及核心网的机制，这两种趋势在一定阶段内还很难完全重合。

5、WiMax目前面临的问题

　　WiMax论坛NWG组在2006年9月结束Release1的工作，意味着WiMax基本具有独立组网能力，目前的产品也全部都是面向数据应用。对于与蜂窝网络的互操作，厂商有各自的解决方案，虽然这些方案基本上遵循WLAN与3G互操作模型，但还停留在架构层面。而由于WiMax在认证、QoS、移动性管理等方面的特殊性，对互操作将采用的协议、流程、消息等细节都没有定义，更没有标准化，与“宽带无线化”的进程相比，WiMax在“无线宽带化”方面的进度显然要慢了许多。

　　虽然从技术上WiMax系统准备好了独立组网，但在实践中仍然面临着一些矛盾：

　　●两种技术的设备来源于不同类型的制造企业：现阶段进入WiMax市场的设备都是基于IEEE802.16-2004，大多数是由以前做固定无线宽带接入设备的厂商提供的，这些厂商在电信产品的制造方面还需要积累更多经验。很多电信设备制造商将产品定位于IEEE802.16e-2005，IEEE802.16e-2005在应用场景上具有向后兼容性，这样可能会令IEEE802.16-2004成为过渡性技术，而且从现在开始到下一阶段更多大电信设备制造商参与之前，产品相对单一，从而影响运营商的决策。

　　●两种技术之间没有兼容性：由于技术上的差别，基于IEEE802.16-2004和IEEE802.16e-2005的设备不具有兼容性，意味着运营商将面临技术和定位的选择。如果选择定位于移动性，将需要等待新设备的问世；而选择定位于固定和游牧接入，可以选择IEEE802.16-2004，那么可能面临未来产品匮乏的尴尬，也可以选择IEEE802.16e-2005则需要一段时间的等待，可能面临市场的丢失。

　　●3G及演进技术E3G的压力：虽然现阶段3G在支持数据业务方面还不能与WiMax相比，但3GPP/3GPP2都有着各自的演进计划。在3GPP的长期演进（LTE）计划和3GPP2的无线接口演进（AIE）计划中，都将实现20 MHz带宽上超过100 Mbit/s的峰值速率，两个项目都计划于2007年完成规范的制订。按照这两个标准化组织的影响力和参与厂商在移动设备制造的经验看，2010年就会迎来E3G时期。在E3G到来前，如果WiMax系统还没有形成规模应用被市场接受，将必然面临E3G的竞争。

　　●由谁来运营WiMax：传统固网运营商拥有相当大的固定网络资源，WiMax系统可能是他们实现无线通信的一个机会，但是由于xDSL、FTTH等接入方式相当普及，他们可能会更寄希望于支持移动的IEEE802.16e-2005。蜂窝网络运营商则可能希望WiMax来弥补其数据业务，但对WiMax与蜂窝网络互操作的研究还没有展开，缺少技术基础。因此对传统的固网和移动运营商来说，现阶段都不是最好的时机。对新兴的运营商而言，WiMax意味着机会，但运营模式对新兴运营商而言是一个挑战。

　　总之，目前的这个阶段运营商面临着多个选择，而IEEE802.16也可能由于市场观望态度延迟进入市场，IEEE802.16-2004作为IEEE802.16的第一个阶段甚至可能被跨越，从而失去最早的机会。

6、WiMax的阶段性发展

　　按照空中接口发布的时间，WiMax系统可以从时间上分为2个阶段（见图1）。第一个阶段为固定WiMax阶段，第二个阶段为移动WiMax阶段。但从应用场景看。固定、游牧场景的接入应用并不会随着第二个阶段的到来而消失，只不过在第二个阶段到来时，可能会发生技术的变化，即用IEEE802.16e-2005来支持固定应用，特别是室内应用。

图1　WiMax系统发展的2个阶段及场景

　　目前属于WiMax的第一个阶段，原则上可以采用基于IEEE802.16-2004的产品，如果考虑到室内应用的衰耗，可以通过天线技术、ARQ机制等方式增加链路预算、分集增益和吞吐量。而且，这一标准中也含有OFDMA子集，可以灵活配置子信道，提高频谱效率。但是IEEE802.16e-2005中更为灵活地扩展了OFDMA和天线技术，吸引了更多厂商的注意力，把IEEE802.16-2004逼向尴尬的处境。许多大电信设备制造商没有用IEEE802.16-2004支持室内终端的计划。他们认为移动WiMax的系统能力远高于固定WiMax，且可以在应用上向后兼容固定WiMax，因此，IEEE802.16-2004生命期可能非常短。尽管目前全球已有超过150个WiMax的试验点，但大多局限于试验。很多运营商对WiMax采取紧密跟踪、保持观望的态度。

　　按照制造商的计划，移动WiMax设备的研发将于2006年底初步完成，WiMax的第二个阶段也将从2007年开始，真正的规模应用将于2008年展开。那时的WiMax系统已经可以支持移动性，并且终端可以有卡式、内嵌于笔记本、手机等各种形态，形成规模后价格会大幅度降低。

　　但是到那个时期，3G的演进项目也会完成，其商用也可以预期。那时的3G已经实现全IP化，对数据业务的支持能力超过WiMax系统，在覆盖、网络管理、用户资源等方面更是占有优势。同时为了支持移动性，统一的频谱规划是非常关键的问题，从目前各国已规划的频段看，实现WiMax统一频谱规划的可能性非常小。因此即使独立组网，也很可能是区域性的网络，那么WiMax的市场又在哪里?

7、与3G互操作的必要性和紧迫性

　　上面分析了WiMax 2个阶段各自面临的问题。在第一个阶段，制造商对技术的选择影响了产业规模，也影响了运营商的决策，可能会失去WiMax培育市场的一次机会；在第二个阶段，WiMax产品准备相对成熟，但会面临3G演进计划的压力。

　　WiMax的第二个阶段——移动WiMax阶段即将开始，但是为了支持漫游和移动性，需要不同运营商持有相近或相同的频段，因而频谱的统一规划更为重要。但是WiMax频谱问题至今还没有完全解决，而3G不会对任何移动应用轻易言弃。那么有必要重新来审视WiMax的市场定位。

　　前面分析过，固定接入在数据业务中占有极大份额，OFDM的优势在于其抗多径干扰能力，但在移动场合，特别是高速移动时，多普勒频移带来的载波间干扰影响了OFDM子载波间的正交性。所以可以说，固定接入是WiMax与3G相比更具有优越性的一个应用，不应该被忽视。

　　另外，在3G普遍应用时，WiMax要形成如3G那样广域覆盖的网络不仅在频谱资源上难以实现，在市场推广、用户认可度、网络运营管理等方面都不占优势。

　　在这种情况下，延续WLAN的角色，以价格为优势做热区覆盖，与3G的广域覆盖相结合应用可以作为选择之一。与WLAN相比，WiMax在覆盖、QoS、网络规划方面的增强使这一应用具有了新的价值。在相当长时期，3G都将以独立的移动网络形式存在，因此做热区覆盖应用有必要研究与3G的互操作。

　　未来的移动网络和固定网络将具有统一的IMS（IP多媒体子系统）控制平台，WiMax、3G、xDSL等都作为这一控制平台的接入系统。IMS具有与接入无关的特性，通过一些边缘功能实体建立起接入网特征与核心网络控制信息的映射。每种接入网都有各自的特征，虽然WiMax是基于IP的接入网，但在QoS、安全、移动性等方面具有特殊性，有必要深入研究WiMax接入IMS相关问题。

　　WiMax论坛就与3G的互操作事宜已经向3GPP/3GPP2组织发出了联络函，这两个组织都计划将其作为长期演进计划中考虑的接入网，但是长期演进计划目前都还在初步研究阶段，还没有到达实际的规范制定和协议确定阶段。

　　WiMax的第二个阶段即将来临，而在与3G的互操作方面，显然还没有准备好。当然不同的厂商可以有自己的解决方案。并不存在技术难度，这里的准备是指产品的标准化，标准化程度直接影响着产品和市场。推动这一工作有待WiMax论坛中各参与者的共同努力。