WiMAX技术及应用前景分析

摘要　研究、探索WiMAX的技术特点及与其他相关技术的关系，分析、预测WiMAX的应用场景和商用化进程。

0、前言

　　伴随着移动通信和互联网技术的高速发展，二者之间的融合越来越明显：移动通信逐步走向宽带化，宽带接入逐步走向无线化，通信技术和计算机技术的融合成为必然趋势。

　　伴随着移动通信和互联网的巨大成功，无线通信市场出现2种趋势：

　　a）传统的移动通信领域，逐步由纯语音通信、中低速数据通信走向宽带移动通信，其中WCDMA、HSDPA、cdma2000 1x EV-DO都是移动通信技术宽带化发展的结果。

　　b）宽带无线接入领域，逐步由固定无线接入、便携游牧式无线接入逐步走向移动宽带无线接入，其中WiMAX的802.16e标准就是宽带无线接入技术移动化发展的结果。

　　全球通信产业呈现出移动化、宽带化、IP化的发展趋势。而WiMAX技术兼具移动、宽带和IP化特点。因此是一种很有发展潜力的无线接入技术。

1、WiMAX技术介绍

　　1.1　WiMAX技术特点

　　WiMAX的中文含义是微波接入全球互通，属于新一代宽带无线城域网（WMAN）技术，特指以IEEE 802.16的系列宽频无线标准为基础的宽带无线接入技术。

　　IEEE 802.16标准体系中包括802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e等标准，但真正获得商用的主要有2个：802.16d，也称802.16-2004（固定宽带无线接入标准）和802.16e，也称802.16-2005（支持移动特性的宽带无线接入标准），其主要技术特点如表1所示。

表1　WiMAX技术特点

　　1.2　WiMAX采用的先进技术

　　a）在物理层采用未来第四代移动通信的主流技术——正交频分复用（OFDM），使得WiMAX能获得更高的频谱利用效率。

　　b）在天馈技术上采用自适应天线阵（AAS）、多入多出（MIMO）和空时编码（STC）等增强型天线技术，使得WiMAX的非视距传输能力大大增强。

　　c）在数据链路层采用混合重传（H-ARQ）、自适应编码（AMC）技术，减少到达网络层的信息差错，大大提高了WiMAX系统的业务吞吐量。

　　1.3　WiMAX技术优劣势分析

　　1.3.1　优势分析

　　WiMAX技术相对于其他宽带接入技术而言具备以下优势：

　　a）大容量、广覆盖。

　　b）非视距传输。当视通不再成为网络部署的必要条件时，站址选择、网络组织、基站部署都将变得更为灵活，并会加快设备的部署。

　　c）标准统一。传统的3.5G无线宽带接入技术由于标准不统一，接口不开放，大大制约了该技术的发展。WiMAX采用全球统一的技术标准和统一的产品认证体系，使得产品、接口等兼容性大大增强。

　　d）强大的产业联盟。WiMAX作为一个产业联盟，发展十分迅猛。目前已云集了世界上众多知名厂商（如Intel、Motorola、Alcatel、Nokia等）和电信运营商（如NTT、AT&T、BT、KT等），成为世界上规模最大的IT产业联盟之一。

　　e）低成本。完整的产业链、众多运营商和设备制造商的参与，都将大大降低WiMAX的产品成本。

　　f）终端市场逐步形成。按照Intel的商用计划，2006年下半年就可将WiMAX集成到笔记本电脑中，实现城域网（MAN）范围内的可移动宽带无线数据服务，

　　g）WiMAX与Wi-Fi完美结合。用户可以快速容易地访问、漫游Wi-Fi热点。笔记本电脑、个人手持终端（PDA）、手机也可以通过在Wi-Fi和WiMAX间自由切换访问互联网，实现无缝的无线连接。

　　1.3.2　劣势分析

　　WiMAX作为一种新兴的宽带无线接入技术。相对于传统的“最后1 km”接入手段，如xDSL、FTTP、HFC、Wi-Fi、非标准的宽带无线系统、cdma2000 1x EV-DO、WCDMA、HSPDA等，虽有独到的优势和市场空间，但是距离成功商用仍有许多路要走。

　　a）频率问题。频率资源及其分配方式直接决定了无线系统的容量和规模，而系统所能达到的容量和规模将直接决定运营商的投资力度和经营方向。

　　目前，国际上为宽带无线规划的执照频率主要为2.5G（美国）和3.5G（除美国外），非执照频率为5.8G，潜在的频率还包括3.3G。按照目前各国的频率分配方式最多为4个频点，而一般情况下需要6-8个频点才能实现大规模组网。因此。WiMAX产品要成为主流的“最后1 km”接入方式之一，还需要在频率资源的分配上寻求突破。

　　b）来自其他技术发展的压力。WiMAX采用了一系列先进技术，使得目前在技术上相对于3G等其他技术占据一定的优势。但3GPP、3GPP2等组织陆续提出的LET、AIE等技术也应用了这些先进技术，各方面性能大有接近和超越WiMAX的态势；同时，WiMAX技术也面临来自IEEE 802.20（下称802.20）等标准的挑战。因此，如何快速地将现有技术优势转化为产品优势、扩大商用规模是WiMAX发展的当务之急。

　　c）其他层面标准尚未完善。WiMAX的固定和移动的空口规范分别于2004年和2005年底发布，其他层面，如安全、用户的认证、计费、组网等规范正由WiMAX论坛进行相应完善，尚未正式发布。

2、WiMAX技术与其他相关技术的关系

　　2.1　WiMAX和xDSL的关系

　　根据采用技术的不同，xDSL包括不对称数字用户线（ADSL）、单线数字用户线（SDSL）、甚高速数字用户线（VDSL）和高速率数字用户线（HDSL）等，通常也将WiMAX称为无线DSL。

　　与xDSL相比，WiMAX理论上可以覆盖更大的范围，提供更高的数据传输速率，具有更强的可扩展性。但WiMAX提供的是每个小区（扇区）所有用户共享的数据速率，而xDSL提供的是每个用户独享的数据率。因此，当用户数较多时，xDSL的性能将优于WiMAX。

　　由于无线信道传播条件比有线信道恶劣，因此在人口密度较高、固定电话线路比较普及的大中城市。xDSL仍是“最后1 km”接入市场的主要技术；对于没有固定电话线路设施的新兴运营商，则可以通过采用WiMAX技术快速进入市场，并通过逐步扩展网络来节省投资；对于人口稀少、地面线路基础设施薄弱的边远和农村地区，WiMAX比xDSL部署更加灵活，成本也更低，是首选的宽带接入技术。

　　2.2　WiMAX和Wi-Fi的关系

　　与Wi-Fi相比，WiMAX具有下述技术优势：

　　a）频段使用适应面更广。WiMAX可以采用许可证和免许可证频段，而Wi-Fi只可以使用免许可证频段。

　　b）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10个用户。

　　c）服务质量（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QoS的支持和安全性能等均优于Wi-Fi。虽然Wi-Fi可以通过高增益天线和Mesh网络来提供与WiMAX相似的服务，但这些技术尚未标准化，设备成本和设备间的互操作性也不如WiMAX。

　　从市场和应用的角度，WiMAX可以用于Wi-Fi热点之间的数据传输，但在家庭和办公室内，WiMAX尚无法替代灵活且低成本的Wi-Fi。

　　总之，WiMAX是Wi-Fi的进一步增强，二者可以相互补充，构成完整的WMAN/WLAN解决方案。

　　2.3　WiMAX和802.20系列标准

　　802.20标准是针对数据传输进行优化、基于包的系统，提供了完全的移动性和全国性的覆盖范围。较WiMAX的802.16e标准，其能在高达250 km/h的移动速率下提供宽带接入，而基于802.16e的WiMAX只能满足速率100 km/h以下的宽带接入。

　　802.20标准是WiMAX的进一步增强，但与B3G功能定位较为相似，故市场前景存在较大变数。另外，在标准化制定方面，802.20标准也大大落后于WiMAX技术，商用化程度则更弱。

　　2.4　WiMAX和3G、3G增强技术的关系

　　WiMAX的前身是以LMDS、MMDS为代表的私有宽带无线接入技术，具有专门为数据传输优化的物理层和为不同突发数据类型定义的MAC层，并将话音看作数据业务的一种形式，即在IP网上实现话音。

　　WiMAX和3G在功能上有部分重叠，存在一定的竞争关系，但WiMAX可以对3G形成有效补充。

　　2.4.1　WiMAX和3G的关系

　　3G网络是由2.5G网络升级而来。主要是为手机用户提供宽带上网能力。在提供基于手机应用方面，二者目前不存在竞争；在提供宽带上网能力方面。存在一定的竞争关系，如基于802.16e的WiMAX能为用户提供更高的上网速率。

　　随着3G技术的发展以及WCDMA的HSDPA和cdma2000 1x EV-DO A版本商用产品的陆续推出，WiMAX的商用化进程将会受到威胁。

　　2.4.2　WiMAX和3G增强技术的关系

　　1）均采用了先进技术

　　作为3G技术的进一步演进，高速分组接入（HSPA）技术采用了HARQ、AMC、快速调度算法等一系列先进技术。实现了在5 MHz带宽下高达14 Mbit/s的上网速率。在HSPA技术后续演进技术（即LTE）中。引入OFDM和MIMO作为关键技术，可实现在20 MHz带宽下100 Mbit/s以上的上网速率。

　　以上这些技术在WiMAX中均有应用，但WiMAX在现阶段就已经成功应用了OFDM、MIMO技术，因此能实现在20 MHz带宽下75 Mbit/s的上网速率。

　　目前LTE尚在讨论阶段，相对WiMAX并不成熟。预计至少会比WiMAX晚上2-3年，但HSPA技术的后续演进能力会给WiMAX带来极大威胁。

　　2）频谱利用效率相差不大

　　HSDPA技术实现了在5 MHz带宽下最高达14 Mbit/s的上网速率，频谱利用效率为2.8 bit/Hz；而基于802.16e的WiMAX技术能实现在5 MHz带宽下最高达15 Mbit/s的上网速率，频谱利用效率为3 bit/Hz。WiMAX相对于现有HSDPA技术存在一定的优势，但当HSDPA后续演进技术引入OFDM、MIMO技术后，二者的频谱利用效率基本相当。

　　3）HSDPA兼容性优势

　　移动运营商和固网运营商可以根据自身条件来选择HSDPA或WiMAX作为实现宽带接入的手段。

　　对移动运营商来说，HSDPA是基于现有WCDMA网络的演进。引入HSDPA只需要在WCDMA无线网络部分做相应升级，就可将WCDMA下行速率从384 kbit/s提升到14 Mbit/s。整个网络架构及整个核心网络都保持不变。另外，HSDPA可继续使用WCDMA频率而不需要单独的载频，这样不但有效保护了移动运营商的投资成本，还大大增加了运营商的业务范围。

　　对于WiMAX而言，却需要部署全新的基础网络设施。但随着3G商用一再延期和WiMAX技术逐步成熟，为WiMAX商用提供了一定机遇。

　　4）频率资源

　　根据国家频率资源规划，2 GHz核心频段有120 MHz，加上补充频段、TDD频段以及扩展频段，3G及3G增强技术的频率资源十分丰富。

　　从上一代宽带无线接入演进而来的WiMAX可使用的频率基本都在2.4 GHz以上，且到目前为止，全球以及国内并未为WiMAX统一规划频率资源。从漫游、覆盖以及后续发展方面，WiMAX相对3G及3G增强技术在频率资源上存在巨大劣势。

　　5）移动性

　　从技术角度看，HSPA和LTE技术侧重在移动性数据和语音服务方面。WiMAX则侧重于企业用户无线宽带数据接入。虽然目前二者还没有直接的冲突，但技术上的不同侧重构成了未来HSPA和LTE技术与WiMAX竞争的伏笔。

　　源于IP技术的WiMAX在话音业务需求下降、数据需求增长的未来通信领域中，速率与成本上的优势是HSPA无法比拟的。

　　基于802.16e的WiMAX虽能解决移动性问题，但其毕竟是由固定宽带无线接入技术发展而来，只能为移动速率小于100 km/h的用户提供服务；而HSPA和LTE等3G演进技术可为移动速率高达250 km/h的用户提供服务。因此从移动性角度考虑，WiMAX要略逊一筹。

　　6）产业链

　　虽然WiMAX有着强大的产业联盟，但这些产业联盟中的绝大多数为3G技术强力支持者。当3G面临大发展时，无形中也会削弱WiMAX产业链的生命力。

　　7）方案成熟度

　　迄今为止，关于WiMAX的质量保证和安全性问题还没有得到完全解决；WiMAX网络还存在如何与现有电信网络实现融合，如何保证计费、认证、鉴权等问题，基于802.16e的WiMAX至今仍没有较为成熟的端到端解决方案。

　　虽然WiMAX可提供更高的传输速度，但由于目前使用频段仍未确定，且各国电信主管部门是否应对WiMAX收取频段使用执照费也未确定，因此，在3G传输速度提高后，运营商是否还愿意布局WiMAX有待观察。

3、WiMAX应用场景分析

　　WiMAX可以在不同的应用环境下。作为主流或者辅助无线宽带接入方式，为用户提供更高、更优的宽带接入服务，其应用场景主要集中在如下几方面。

　　3.1　综合业务语音和数据接入应用

　　综合接入可以通过多样性服务，协助运营商最大限度地吸引固网现有用户。而通过WiMAX可以快速部署综合了语音和数据的综合接入网络。

　　3.2　可流动的IP超市应用

　　充分利用WiMAX资源动态调配的特点，在一些暂时性、流动性较强的建筑工地和临时人员聚居地，通过无线方式提供“最后1 km”接入，为用户提供IP电话、宽带上网等综合服务内容。

　　一旦建筑工地撤离，该IP超市可以随着用户在一定范围内迁移，原来的无线资源可以动态调整到其他区域使用，大大节省了有线接入资源。

　　3.3　光纤接入辅助应用

　　光纤接入以稳定、高宽带得到了用户的认同，但其建设周期长，资源不能动态调整，往往会由于不能及时为目标用户提供光纤接入服务而被竞争对手占先；或者光纤已接入，但由于几家竞争而最终未能获得用户。浪费了光纤接入的投资。

　　WiMAX技术可以作为光纤接入辅助手段，快速高效地为用户提供服务。在获得用户后，再逐步将光纤接入，很好地解决了以上难题。

　　3.4　无线DSL业务应用

　　对比有线DSL业务，WiMAX技术可以帮助运营商在不拥有电话线资源的情况下，用无线DSL快速部署类似服务。

　　3.5　数据专线业务应用

　　数据专线业务速度高、安全性高，因此拥有广大的企业用户市场。在核心网络大量部署MPLS技术后，数据专线业务有了更加方便和广大的部署空间。

　　WiMAX技术本身提供完善的L2层网络接入，所以可以方便快捷地接入到现有的MPLS网络中去。如从公司分支机构到公司总部利用无线WiMAX网络即可以方便快捷地实现MPLS2层VPN服务。

　　3.6　无线Wi-Fi热点的回程应用

　　在SOHO和中小企业（SMB）中，许多均已部署了可以支持室内覆盖和移动服务的Wi-Fi服务，WiMAX可为Wi-Fi提供回程服务。

　　3.7　蜂窝回程接入

　　随着人们对通信的要求越来越高，城市基站越来越密，同时越来越多的楼宇需要建造室内覆盖系统。随着城市管理制度逐步完善和人们环保意识逐步增强，新建基站接入问题和光纤末端接入问题越来越难以解决。

　　WiMAX技术能快速、高效地解决以上问题。如光纤城域网+WiMAX无线网可以为移动通信基站提供全程接入；WiMAX技术的出色带宽使其成为基站或者微蜂窝回程接入的理想选择。

　　3.8　面向笔记本电脑、PDA终端用户市场

　　在WiMAX商业应用成熟期，WiMAX商用网络将实现全移动、无缝覆盖网络，可以为笔记本电脑、PDA提供无线宽带接入服务。

4、WiMAX商用化进程

　　虽然目前全球有近150个WiMAX试验网。但商用网络只有少数几个。WiMAX的发展还需要IEEE 802.16和WiMAX论坛各工作组的大量工作、产业链上各环节的贡献以及各方利益的平衡。

　　众多咨询机构预测，2007-2009年，WiMAX才会得到规模应用；内置在笔记本电脑中的WiMAX产品和手持式PDA面世时间分别为2007和2008年，其产品的成熟度距离3G有一定差距。

　　多年的电信行业运营经验告诉我们，技术上的成功距离商业应用的成功还有很长的路。WiMAX商用化进程可以分为培育期、成长期、成熟期等几个阶段。

　　4.1　培育期（2005-2006年）

　　802.16系列标准空口标准已经发布，但其他层面，如安全、认证等标准尚未发布。主流应用为基于802.16d的商业应用，主要以E1+IP承载提供和室内外CPE应用为主。802.16e尚处于商用试验阶段。

　　4.2　成长期（2006-2007年）

　　标准体系成熟，基于802.16e商用应用出现，应用模式从固定无线接入进一步拓展到游牧状态下无线接入，基于笔记本电脑、PDA的终端应用出现。

　　4.3　成熟期（2008年以后）

　　NGN、IMS的发展，使应用模式由固定、游牧方式向移动接入过渡，基于笔记本电脑、PDA的终端应用得到普及。全移动状态下的无线宽带接入得到实现，核心网与现有网络融合，并建立起统一的认证、计费、鉴权平台。

5、结束语

　　本文通过对WiMAX应用场景分析，探讨了未来WiMAX商业应用，希望能为广大电信工程技术人员及对通信运营商建设和运营未来WiMAX网络提供一点参考。