宽带无线接入系统WiMAX的应用与部署

摘要　介绍了宽带无线接入系统WiMAX的关键技术，并与其他接入技术作了比较；阐述了WiMAX的主要应用、组网部署；也指出了WiMAX存在的一些主要问题。

0、引言

　　近10年来，全球通信规模及用户规模发展最快的网络是蜂窝移动通信网和公众互联网，目前两个网络正在进行有效融合。现有2G移动通信网向具有高速数据承载能力的3G网络演进；宽带城域接入网向具有移动性无线接入演进，宽带化、无线化、IP化成为网络发展的方向。

1、宽带无线接入系统的主要分类

　　宽带无线接入系统根据覆盖范围大小，可分为宽带广域网（WWAN）、宽带城域网（WMAN）、宽带局域网（WLAN）和宽带个域网（WPAN），参见图1。

图1　宽带无线接入系统分类

　　1.1　宽带广域网（WWAN）

　　WWAN主要用于全球及大范围的覆盖和接入，具有移动、漫游、切换等特征，典型系统包括3G RAN（WCDMA/CDMA/TD-SCDMA）、LTE/AIE、B3G，以及基于IEEE 802.20标准的iBURST等。

　　1.2　宽带城域网（WMAN）

　　WMAN主要指覆盖范围几千米、支持共享接入的系统，包括本地微波分配系统（LMDS）、多通道多点分配系统（MMDS），以及基于标准IEEE 802.16d、802.16e的全球互通性微波接入（WiMAX）系统，韩国最近商用的WiBRO属于此类范畴。WiMAX由于具有非视距通信、高速率承载等特点。已经成为无线宽带城域网的代表，本文将侧重对其进行研究。

　　1.3　宽带局域网（WLAN）

　　WLAN主要用于几米到几百米范围内的通信，涉及IEEE802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等标准。

　　1.4　宽带个域网（WPAN）

　　WPAN主要用于几厘米到几米范围内的室内和近距离的个人与机器、机器与机器的通信，包括超宽带无线电（UWB）、蓝牙（Blue-tooth）、射频识别（RFID）、Zigbee等。

　　在以上各类接入系统中，3G RAN、LTE/AIE、B3G、IEEE 802.16e、IEEE 802.20等标准的系统是具有一定移动性的宽带无线接入网。

2、WiMAX的关键技术特点

　　2.1　WiMAX采用的标准

　　WiMAX是2001年由主要的宽带无线接入设备商和芯片制造商共同成立的联盟，空中接口标准采用IEEE 802.16。802.16是针对宽带无线接入和分组交换的城域网标准，其中802.16d（802.16-2004）适用于固定无线接入，802.16e（802.16-2005）适用于一定移动性的无线接入。

　　2.2　WiMAX的主要技术特点

　　WiMAX采用了许多新的技术，如物理层采用了单载波、正交频分复用（OFDM）、正交频分多址（OFDMA）等3种技术和高阶调制64QAM、智能天线，使得WiMAX具有非视距传输、远距离、高带宽的性能，可以覆盖30 km，在20 MHz带宽下实现约75 Mbit/s的峰值速率。

　　WiMAX的主要技术特点见表1。

表1　WiMAX的主要技术特点

　　802.16e是在802.16d基础上发展而来，主要增加了移动性能，使终端在移动状态下能够接入网络。但移动性也带来了传播环境的恶化、切换的要求以及终端的小型化问题，因此802.16e主要在以下方面进行了改进：

　　a）采用可扩展的OFDMA（Scalable OFDMA），系统可在移动环境中灵活适应信道带宽的变化；

　　b）定义了切换过程，明确了切换的媒体接入控制（MAC）层信令，完善了切换过程中的测距（ranging）操作，增加了基于多天线的软切换功能；

　　c）增加了对移动终端的支持，确定了省电模式，除正常工作状态外，还支持空闲状态和睡眠状态；

　　d）增加了低复杂度、低延时的低密度奇偶校验码（LDPC）；

　　e）根据环境和业务需求，支持灵活的带宽使用；

　　f）增强了混合自动重传请求（HARQ）、自适应调制编码（AMC）、智能天线和空时码的功能；

　　g）增加了TDD系统的闭环发送（close-loop transmission）功能。

　　2.3　WiMAX的主要定位

　　WiMAX主要解决中小企业用户租线和普通个人用户的接入问题。802.16e标准的系统由于具有有限移动性，既可提供中继传输和最后1 km接入（作为xDSL的有效补充），又可向移动个人数字终端（PDA）和笔记本电脑提供宽带接入，使得WiMAX具有广阔的市场前景，因此将成为未来的应用主流。

3、WiMAX与其他主要接入技术的比较

　　3.1　WiMAX与3G

　　近年来WiMAX与3G的竞争是较为激烈的，关于两者替代、融合与补充的争论一直没有停止过。3G标准是由电信制造商和电信运营商来推动的，其标准化组织为3GPP、3GPP2；而WiMAX初期是由IT设备商和芯片制造商推动，其标准化组织是IEEE。电信与IT的融合使得3G与WiMAX在技术上出现部分交叉是很正常的。两者的技术比较见表2所示。

表2　WiMAX与3G技术比较

　　由于WiMAX采用了OFDM、多输入输出（MIMO）等先进技术，使其能提供高达75 Mbit/s（20 MHz带宽）的传输速率，而且具有了一定的移动性，在宽带接入能力方面WiMAX已经远远超过了WCDMA/cdma2000等3G技术，这使得3GPP、3GPP2有了危机感和紧迫感。促使其加速推出LTE和AIE的标准研究计划，并将使用同样基于OFDM、MIMO的技术。

　　WiMAX与3G相比具有技术领先和提供更高速率数据接入的优势，但WiMAX不会成为3G的替代者。首先是定位不同，WiMAX的目标是要提供一种城域网区域内点对多点或点对面的宽带无线接入手段，3G定位于无线广域网范畴；其次，WiMAX不具备3G的全球漫游、安全等特性，3G具有非常完善的计费系统、QoS保障、网络安全机制；此外，WiMAX还没有形成明晰的商业运营模式。产业链相比3G明显不足，WiMAX的运营只有与移动通信运营结合才能形成明晰的商业模式和盈利模式。因此WiMAX并不能取代3G，它可以作为3G的多场景补充手段，在高速宽带无线接入领域发挥重要作用。

　　3.2　WiMAX和Wi-Fi

　　WiMAX和Wi-Fi定位差异较大，前者是城域网范畴，后者是局域网范畴，两者更多呈现互补关系，共同构建完整的MAN/LAN，目前这种解决方案被许多运营商采用。两者的主要差异参见表3。

表3　WiMAX与Wi-Fi技术比较

　　3.3　WiMAX和802.20标准系统

　　两者定位明显不同，WiMAX定位于城域网接入，802.20标准系统侧重于广域网接入。两种技术的比较参见表4。

表4　WiMAX与802.20标准技术比较

4、WiMAX的主要应用

　　4.1　应用场景

　　WiMAX论坛建议WiMAX的5种应用场景：固定接入、游牧接入、便携式接入、简单移动和自由移动。

　　4.2　主要应用

　　WiMAX主要用于城域接入，可以提供多种应用方式，这主要取决于运营商的策略、资源状况和市场的需求：

　　a）综合业务语音和数据接入应用；

　　b）中小企业及集团客户应用；

　　c）基站和Wi-Fi热点回程；

　　d）农村村村通应用；

　　e）流动的IP超市应用；

　　f）光纤接入辅助应用；

　　g）无线DSL业务应用；

　　h）数据专线业务应用；

　　i）面向笔记本、PDA用户市场。

　　4.3　运营商的应用策略

　　不同的运营商由于所处的地位和资源不同，对WiMAX所持的态度也不同。对于缺乏驻地网的运营商来讲，他们倾向于积极试验与应用WiMAX解决中继传输问题；拥有驻地网的运营商则会根据需要，冷静对待；现有的主流移动运营商则会在不同场景采用WiMAX。从现阶段来看，主要是作为基站接入、营业厅接入、集团租线、农村通信等。

5、WiMAX系统组成与组网

　　5.1　WiMAX系统组成

　　基于IEEE 802.16e标准的WiMAX系统由移动用户台（MSS）、基站、认证和业务授权服务器（ASA）组成，其中ASA服务器提供认证、授权和计费等功能。

　　5.2　WiMAX组网

　　IEEE 802.16d标准中提供了两种组网模式：一点对多点（PMP）和网格网（Mesh）组网。

　　802.16e标准增加了对移动性的要求，因此其组网模式可以参照移动通信的组网模式进行构建，可用的模式有孤岛和蜂窝两种。笔者认为WiMAX更多情况下将采用3G覆盖+WiMAX回传+WiMAX覆盖、Wi-Fi覆盖+WiMAX回传组网，WiMAX单独组建基于移动接入的模式可能性不大。

　　在组网时，频段选择、覆盖、基站扇区化与频率复用、基站扩容方式、基站间的连接方式等都需要加以考虑。

　　5.2.1　频率和带宽选择

　　由于国家关于频率的分配尚未明确。因此根据应用场景的差异，建议在频率选择时参考以下原则：

　　a）固定和游牧式接入：采用较高的频段，如3.3 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz频段，建议初期带宽超过10.5 MHz；

　　b）便携式、简单移动和自由移动接入：采用较低的频段，如2.5 GHz频段，具有较低的传播损耗，更适合非视距和移动状态下的通信，建议初期带宽优先选择10 MHz/扇区。

　　5.2.2　基站覆盖

　　WiMAX基站覆盖规划需要关注以下几点：

　　a）频段较高，传播损耗较大。由于WiMAX使用较高频段，因此在进行非视距通信时，传播损耗将远高于蜂窝移动通信网的800 MHz和900 MHz频段损耗；

　　b）由于采用了可变调制方式，包括BPSK、QPSK、16QAM以及64QAM，使得基站的覆盖区域随着调制方式的变化而变化，一般来讲调制阶数越高，对信噪比要求就越高，接收机灵敏度从-100 dBm下降至约-82 dBm，基站覆盖范围就越小，见图2。

图2　覆盖范围与调制方式的关系示意图

　　c）由于高速数据通信主要发生在室内，因此必须实现对大型建筑物的覆盖，室内覆盖可以通过Wi-Fi进行覆盖，也可以通过设置室内型WiMAX基站和室内分布系统进行覆盖。

　　5.2.3　基站扇区化与频率复用

　　对于固定无线接入方式的基站扇区安排可采用全向、三扇区、四扇区、六扇区等几种扇区化方式，建议采用三载全向基站或单载三扇的布局。见图3（a）（b）、（c）。对于移动无线接入的情形，建议采用单载三扇或多载三扇，为降低干扰可采用频率复用系数为3的复用方式。

图3（a）　三扇区频率复用示意图

图3（b）　四扇区频率复用示意图

图3（c）　六扇区频率复用示意图

　　5.2.4　基站速率提供能力

　　小区接入速率与调制方式关系较大，IEEE 802.16标准最高支持64QAM，相比高速度下行链路分组接入（HSDPA）的16QAM高出许多，因此能够在信道条件较好的情况下实现很高的峰值速率，表5为采用3.5 MHz信道带宽、不同调制方式所能够提供的物理层的接入速率（参考值）。

表5　单载频速率承载能力与调制方式的关系

　　5.2.5　基站扩容

　　WiMAX的扩容可以通过扇区进一步分裂和增加载频数量实现。对于移动终端组网来讲，建议通过增加载频数量的方式实现。

　　5.2.6　基站间连接方式

　　基站间连接方式有两种模式。

　　a）远端基站通过光缆星形连接到中心基站；

　　b）远端基站通过中继基站无线转接到中心基站。

　　5.2.7　干扰控制与优化

　　由于采用了高阶调制，因此为了获得高的接入速率。控制干扰显得十分重要。为控制干扰，首先要精心规划，利用规划工具，使基站设置和频率复用科学合理，然后通过网络调整与优化使得网络运行正常：

　　a）充分利用地形、地貌的阻挡，使相邻基站可进行频率复用而不会产生过大的同频干扰；

　　b）调整基站扇区的发射功率或天线下倾角，缩小扇区覆盖半径，使基站间具有一定的保护间隔距离，以减少同频干扰的产生；

　　c）采用正交的天线极化方式减少同频干扰；

　　d）根据实际情况采用不同角度的扇区天线；

　　e）选用极化隔离比高、前后比高、天线方向图滚降特性好的天线。

6、WiMAX存在的主要问题

　　6.1　成熟度和商用程度滞后

　　WiMAX论坛成员数虽然已经增长到356个，试验网已经超过150个。但这些试验网都是基于820.16d标准，基于802.16e标准的系统设备要到2006年年底才能提供，移动终端产品将会在2007年初量产，因此基于820.16d标准的设备成熟度和商用化程度还远远不够。中国的数家电信运营商也只进行了基于802.16d标准的试验和测试。

　　6.2　频率问题

　　a）频率资源不足。目前在国际上为宽带无线规划的执照频率主要为2.5 GHz（美国）和3.5 GHz（全球除美国），非执照频率为5.8 GHz，潜在的频率还包括3.3 GHz。按照目前各国的频率分配方式，每个运营商所获得的频点都与大规模的蜂窝组网要求有较大的距离。一般情况下，需要6-8个左右的频点才能实现大规模的组网。

　　b）缺乏全球统一频率，许多国家尚未明确。

　　6.3　技术优势逐步丧失

　　LTE和AIE技术均应用了先进技术，而且各方面性能大有超越WiMAX的态势，同时随着802.20系列标准的逐步完善，WiMAX技术面临来自各方面的挑战。

　　6.4　缺乏完整的解决方案

　　由于缺乏802.16e标准商用网的试验和各种场景的应用，因此目前还缺乏针对802.16e标准的完整的解决方案。

　　6.5　标准

　　安全、用户的认证、计费等问题在标准上还没有一个统一的考虑，而且WiMAX尚未成为我国国家标准。

7、结束语

　　在3G处于电信市场主导地位无法撼动的情况下，WiMAX的出现与热炒不是偶然的。WiMAX代表了技术的发展方向，满足了细分市场的业务需求，具有CAPEX和OPEX低的优势，通过与3G、Wi-Fi等其他技术的相互补充、精心的规划与部署，将形成一张无所不在的“有线+无线+宽带+IP+各种距离”的融合大网，真正实现任何时间、任何地点都能够向公众提供高速数据服务和话音服务。

　　基于802.16-2004标准的技术和应用已经非常成熟。而基于802.16-2005标准的规划和应用还存在一定的不确定性，但WLAN在美国和欧洲市场的成功，特别是近期韩国WiBRO的成功商用，为802.16-2005标准在全球范围内的推广作出了榜样，为各个运营商树立了信心。WiMAX虽并不是我国的行业标准。但加紧对其进行标准跟踪、技术研究、应用分析和规划部署仍是十分必要的。