WiMax 无线Mesh和城市网络打造无线时代

引言

　　只有最顽固的芝加哥大学的经济学家才会不认为无线城市是一件“好事情”。大多数人已经从无线城市中受益，从缩小数字化分隔和将宽带送入更多家庭，到通过移动VoIP和家庭学习来更好的照顾老龄人群，人们受益颇多。对城市本身而言，无线网络减少了重复建设的费用，提高了效率，使得道路更加安全，改善了学校的连通性，同时也为公安、消防和应急管理部门带来了很多好处。利用无线网络，无论是授权网络还是未授权网络，这些公共安全部门都可以通过固定装置或者移动设备来获取实时数据，以加强社会的安全性。

　　然而，许多市政当局并不想进入到网络运营商的业务中，即建立和运营他们自己的网络。相反，他们更愿意帮助这些工程启动(招募启动资金，颁发通行证，批拨土地等等)，而后依靠一个商业伙伴来完成整个工程并运行和服务，市政当局提供关键的固定消费者来确保该机制开始时从商业上来讲是可行的。

　　由于这种方法需要两方的共同参与，参与的双方需要共同努力。市政当局显然想节省通信以及其它一些成本;而运营商则希望最小化资本和运营费用，这就给网络ROI带来了极大的压力。上述情况直接导致了对合适的无线网络技术的选择。

　　选择方案似乎只有固定WiFi和WiMax两种，而实际上，同时使用这两种无线技术也是可行的。本报告旨在介绍如何综合利用WiMax和WiFi Mesh技术来建立高速、低成本、覆盖整个城市的接入网络。

　　基本无线技术-WiFi Mesh

　　目前主要有两种无线技术用于城市无线网络中：WiFi mesh和WiMax。关键的一点是这两种技术相互之间不是排斥的，而是可以结合到一种单一的基础架构中来利用各自的有利特征。

　　WiFi Mesh

　　WiFi mesh充分利用了全世界数以亿计的低成本无线以太网802.11客户端，这些客户端大多存在于笔记本电脑上，其它设备如手机上也逐渐增多。该技术还利用了相对便宜的基础设施设备，而且运营商可以免费使用未授权频段。

　　目前，WiFi mesh已经被IEEE 802.11s工作组进行了标准化，这使得该项技术作为一种主流技术变得对运营商也具有很大的吸引力。Heavy Reading预测运营商将占到2008年mesh产品购买量的40%，安装的mesh基站节点将达到600,000个。

　　图1展示了WiFi Mesh网络的基本思想。WiFi无线接入点(APs)分散在覆盖区域中，使用WiFi技术互联成mesh网络，端用户客户端使用同样的WiFi技术连接到APs。这种WiFi mesh网络不需要额外的有线或者无线支撑网络来将APs连接到服务提供商的有线网络，而且能为任何被障碍物阻隔的视距无线连接提供有效的到AP的连接。这使得AP的地位不再那么重要而且更加灵活了，而mesh拓扑自然使得网络本身对部分节点失效是冗余的。

　　图1 基本WiFi Mesh网络

　　从原则上来讲，这些特征意味着WiFi mesh网络应该是相当灵活的，而且易于设计、安装和操作，最小化的支撑有助于减少运营花费。对于近距离的用户群，如公共安全机构，可以使用他们的客户端设备参与到mesh网络中，并由此以ad hoc方式扩展网络覆盖范围和容量。

然而，事实上并非如此简单。早期的一些mesh架构被设计成使用单一无线电模式。如图2所示，其中同一个AP无线设备同时处理客户端接入和通过mesh网络的流量转发。这就导致了所谓的1/N问题-通过网络的节点跳数越多，用于节点接入的可用带宽就越少。既然网络只运行在单一频率的单一信道上，该信道就要被上述两种功能共享。实际上，这意味着三跳就是使用802.11协议的mesh网络的最大可能跳数。随着节点数量的增加，跳数也随之增加，mesh簇最大也就六个或者七个节点。实际环境中，在某些情况下有时甚至连三跳也是不可行的。

　　图2 单无线电Mesh网络原理

　　“通常有两种方法来解决这个问题。或者使用多无线电节点或者使用大量的支撑节点。”Proxim Wireless Corp.全球市场和产品管理部副总裁Geoff Smith说道。“多无线电mesh节点的基本思想是将接入从传输层分离出来。这就减少了冲突并使得簇的范围更大，整体性能更好。典型的，在2.4GHz频度提供接入，在5GHz频段提供支撑。甚至在有的情况下超过了两种无线电，一些制造商提供四种或者六种无线电设备。”

　　通常情况下，每平方公里需要20到60个WiFi APs，具体个数的多少取决于环境因素、带宽和应用需求等。Smith强调，在实际的城市部署过程中，最微弱的链路往往是无线客户端上的发送器，因此，将APs放置的近一些可以增加覆盖以避免更换无线客户端。然而，对于近距离的用户群(如公共安全)，可以使用特殊的高性能终端，从而可以将APs放置的更加分散些。WiFi mesh节点的成本随着容量的增加而自然下降。

　　在实际的网络中，WiFi mesh网络的一个非常重要的特征是，它可以与太阳能相结合以减少能源成本，使得无线网络可以根据需要来部署。

　　例如，一个小型的太阳能电池可以维持十天时间，运营商每月大约可以节省18到20美元，每年可以节省大约20,000美元。而且，具有独立的电源意味着即使在应急情况下也可以使用无线网络。###NextPage###

　　基本无线技术-WiMax

　　WiMAX使用IEEE 802.16 1层和2层协议，WiMAX论坛对上层协议进行了标准化，并负责对WiMAX产品进行认证测试，以确保不同厂商的设备是兼容的。WiMAX不像WiFi，从一开始WiMAX就被设计成在室外和运输环境中使用。因此，WiMAX能够在授权频谱范围内，在数十公里范围内提供兆bit/s的吞吐量，并能支持运输类型的QoS和SLAs。基站安全性非常高，因此用户一般不会像在WiFi接入点那样遭受黑客控制的虚假基站的攻击。

　　“WiMAX将被部署在授权频段，而WiFi将被部署在非授权频段，一个重要区别就是，你对非授权频段的干扰无法进行控制，因为任何人都可以在这个频段做任何事情，”SOMA网络公司首席交易官Tom Flak说，“结果，就要求非授权发射器的功率只能保持在较低的水平，这样它们就只能影响到周围的邻居。在我看来，较低的功率和潜在的干扰意味着WiFi一般情况下只能提供尽力而为的服务。”

　　与之相反的是，在为固定应用设计的802.16d(802.16-2004或者ETSI HiperMAN)版本中，引入了自适应调制和确定性QoS等WiMAX关键技术。在随后于2006年发布的802.16e版本(移动WiMAX)中，引入了可扩展正交频分多址接入(OFDMA)、子信道划分和多入多出(MIMO)天线等技术。总之，WiMAX活跃在商用无线技术的同时，也突出了其服务质量特征。

　　WiMAX从根本上来讲一种小区类型的技术，因为它用点到多点配置来进行部署。802.16技术还可以使用点到点配置来支撑WiFi mesh流量，这大致等同于目前使用的5GHz的WiFi连接。

　　WiMAX和WiFi Mesh网络

　　对于城市无线网络建设来说，一种可行的策略是，首先利用WiMAX实现广域范围的覆盖，在此基础上再使用其它技术。

　　“然后你可以利用WiFi、WiFi Mesh或者其它技术在使用密集或者有覆盖空洞的地方实现进一步的覆盖，以提高系统容量，”SOMA公司的Flak说道。“这种做法的一个好处就是，你可以利用数十个WiMAX基站就建立覆盖整个城市的网络，而利用WiFi接入点，则需要成千上万的接入点来实现同样的覆盖。更多的小区或者接入点就意味着更多的代价开销。即使使用mesh技术，仍然有10%的地址需要直接连接，相对于宏小区来说，这种方法需要10到100倍的支撑连接。地址管理和支撑代价由此变得十分巨大。”

　　然而，还有一些提供商从一开始就试图将WiMAX结合到WiFi mesh网络的传输层，以建立一个同时使用授权和非授权频段的mesh网络。该方法基于WiFi非常适合端用户流量的最终分布，而WiMAX在提供接入点支撑方面则非常有效。

　　进一步的，通过提供WiMAX和WiFi的混合方式，运营商可以利用WiMAX连接来为某些用户和业务提供高级别的SLAs以及高速率、固定QoS带宽来赚取更多的利润。

　　无线部署的演进

　　WiMAX和WiFi mesh的结合使用可以归纳为图3至图5的几个阶段。典型的第一阶段部署(图3)非常类似于水分布系统，其中主管道要粗的多而且更接近中央。

　　图3 宽带无线接入演进：第一阶段

　　需要直接连接的一些居民和商业用户可以利用固定的WiMAX系统，该系统能够提供具有SLAs保证的高带宽、低时延服务。而为了覆盖一个固定区域或者校园以利用WiFi连接进行语音、视频或者数据传输，则需要使用一个独立的WiFi mesh网络。Mesh网关再连接到WiMAX系统。

　　如图3所示，在该类型网络的实际部署中有多个单元-一个mesh网关单元和一个WiMAX用户单元。

下一阶段是将WiMAX用户单元和WiFi mesh网关单元整合到如图4所示的网络中。从部署的角度来讲，这简化和加速了安装。此外，整合减少了设备总的代价并降低了时延。

　　图4 宽带无线接入演进：第二阶段

　　“由于对每一条无线链路都有QoS管理，因此你已经建立了一个具有高服务质量和低时延的可以部署语音和视频的基础架构，”Proxim公司的Smith说道，“而且它还将给端用户提供较高的吞吐量。此外，对于这个单一系统来说，你只需要一个管理系统就可以管理整个架构，从而减少了整个运行的开销。”

　　演进的最后一阶段是使WiMAX网络实现802.16e标准以支持移动WiMAX终端。图5显示这可以通过软件升级来完成，无需替换硬件单元。当然，对于运营商来说，他们并不一定非得这样做，他们可以在不同于固定WiMAX频段的频率上引进一个完全独立的移动WiMAX覆盖网络。

　　图5 宽带无线接入演进：第三阶段

　　然而，最终如果移动WiMAX延伸到如笔记本电脑等端用户设备上，可能仍需要和WiFi网络相结合。

　　“WiMAX的移动版本(802.16e-2005)才是真正的WiMAX。如果只有数量有限的端点，固定WiMAX还能满足需要。但是，当服务需要到达家庭或者办公室时，或者当用户只有具有小型天线的便携式设备(如笔记本电脑上的PC卡等)时，只有新的移动WiMAX标准才能经济的满足这些应用要求，”SOMA公司的Flak说道。

　　因此，基于广泛部署的WiFi热点的城市网络在未来几年可能需要完全重新部署，Flak说道。

　　“在我看来，目前存在的大量的WiFi城市网络只是权宜之计。之所以部署这些WiFi热点，是因为它价格便宜，技术上成熟，而且有多个供应商。但是它仍有很多局限性-覆盖范围、QoS等等，”他说道。“但是，当我们进入到2008年，移动WiMAX将在商业上有一定规模的部署，我认为从2008年开始的新的城市网络的部署将逐渐不再使用WiFi网络。”