無線寬帶“最后一公里”接入技術(shù)一WiMAX

摘要：WiMAX作為一種“最后一公里”無線寬帶接入的網(wǎng)絡(luò)解決方案已得到很多認(rèn)可。為了深入理解WIMAX(IEEE 802．16)在解決“最后一公里”接入問題上的優(yōu)勢，將對現(xiàn)有的主流寬帶接入技術(shù)進(jìn)行分析比較，并展望了WiMAX未來所面臨的問題。
關(guān)鍵詞：全球微波接入互操作性；IEEE 802．16；“最后一公里”；QoS

0 引言
    隨著Internet的爆炸式發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)上的商業(yè)應(yīng)用和多媒體等服務(wù)也得以迅猛推廣。占用大量帶寬資源的業(yè)務(wù)不斷開展，導(dǎo)致對接入網(wǎng)的部署提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)接入高速化、寬帶化，解決網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題也就成了當(dāng)務(wù)之急?！白詈笠还铩钡慕尤肽壳叭允枪歉删W(wǎng)與城域網(wǎng)的瓶頸，不斷尋求大容量、高性價比的寬帶接入技術(shù)一直是各方的關(guān)注焦點(diǎn)。WiMAX(IEEE 802．16)作為面向“最后一公里”接入技術(shù)的出現(xiàn)，以其高帶寬，低成本，部署靈活等優(yōu)勢，受到業(yè)界的追捧，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略價值。
    為了深入理解WIMAX(IEEE 802．16)在解決“最后一公里”接入問題上的優(yōu)勢，本文將對現(xiàn)有的主流寬帶接入技術(shù)進(jìn)行分析比較，并展望了WiMAX的未來所面臨的問題。

1 目前主流的寬帶接入方式
1．1 ADSL
    ADSI(Asymmetrical IDigital Subscriber Line，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路)是一種能夠通過普通電話線提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的技術(shù)。ADSL方案的最大特點(diǎn)是不用改造傳輸線路，完全可以利用普通銅質(zhì)電話線作為傳輸介質(zhì)，有效的傳輸距離在3～5公里范圍以內(nèi)，理論上支持上行速率640kbps到lMbps、下行速率1Mbps到8Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸。ADSL標(biāo)準(zhǔn)完善，產(chǎn)品互通性好，能提供QoS保證。
    但由于受骨干網(wǎng)帶寬、網(wǎng)站服務(wù)器速度以及線路狀況的限制并基于經(jīng)濟(jì)性等方面的考慮，現(xiàn)階段運(yùn)營商在開放AD—SL接入業(yè)務(wù)時提供的下行帶寬一般限制在512kMbps～2Mbps范圍內(nèi)。ADSL的非對稱性和帶寬可擴(kuò)展能力差也會嚴(yán)重制約網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)的開展。
1．2 FTTX+LAN
    FTTX+LAN接入是采用光纖以太網(wǎng)技術(shù)，先鋪設(shè)光纖到樓或是到小區(qū)，而后網(wǎng)線入戶。由于采用光纖接入，在抗干擾方面較ADSL方式更加出色，同時LAN接入的上下行速率是相同的，所以不會產(chǎn)生由于上行速率的限制導(dǎo)致干擾的情況。因而具有帶寬高、穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，是目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中性能最佳的接入技術(shù)。
    不過，LAN接入無法像ADSL一樣，單獨(dú)為某個用戶開通，它需要鋪設(shè)光纖接入城域網(wǎng)，需要小區(qū)綜合布線，所以在選擇這種接入方式時要考慮所在地是否具備開通條件。

2 無線寬帶接入的需求
    在實(shí)現(xiàn)“最后一公里”寬帶接入方面，多種寬帶接入技術(shù)可供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商選擇。每一項(xiàng)技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)，并不是在所有市場中都適用，在某些情況下使用這些技術(shù)會很不經(jīng)濟(jì)。例如，在城市中心區(qū)和無光纖資源的小區(qū)，若采用FTTX寬帶接入方式，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用和開通成本將會很高；又如采用ADSL作為寬帶接入方式，只適用于擁有銅線資源的傳統(tǒng)電信運(yùn)營商，而新興的電信運(yùn)營商將受到資源短缺的限制。因而，無線接入以其自由度高、開通快、地理環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡便和維護(hù)費(fèi)用低等有線接入無法替代的優(yōu)勢，在接入網(wǎng)中的地位越來越高，并已漸漸成為接入市場上的熱點(diǎn)技術(shù)。
    寬帶無線接入的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由無線個域網(wǎng)(WPAN)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、無線城域網(wǎng)(WMAN)、無線廣域網(wǎng)(WWAN)等共同組成。其中，IEEE 802．16標(biāo)準(zhǔn)制定了WMAN的技術(shù)規(guī)范，主要解決“最后一公里”的接入需求。

3 WiMAX協(xié)議體系
    WiMAX是IEEE 802．16的代名詞，它的全稱為全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，適用于2～66GHz頻段的空中接口規(guī)范，覆蓋范圍可達(dá)50kin，每基站提供的總數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)280Mb／s。目前802．16系列標(biāo)準(zhǔn)中，802．16d和802．16e是兩個主流的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802．16d是固定寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口規(guī)范，不支持移動通信環(huán)境；IEEE 802．16e是802．16d的進(jìn)一步延伸，是固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口規(guī)范，支持便攜和移動環(huán)境，最終支持的移動速度可達(dá)．120km/h。
    IEEE802．16協(xié)議中定義了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：點(diǎn)對多點(diǎn)(PMP)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格(mesh)結(jié)構(gòu)。點(diǎn)對多點(diǎn)結(jié)構(gòu)即一個基站(BS)為多個用戶站(SS)提供服務(wù)，從基站到用戶站的鏈路稱為下行鏈路，從用戶站到基站的鏈路稱為上行鏈路。業(yè)務(wù)僅在基站和用戶站之間傳送。而網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與點(diǎn)對多點(diǎn)結(jié)構(gòu)最主要的不同在于，在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中業(yè)務(wù)可以通過其他用戶站轉(zhuǎn)發(fā)，也就是說在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中業(yè)務(wù)可以不通過基站可以直接在用戶站之間傳送。
    一個完整的802．16系統(tǒng)應(yīng)包括的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體有：用戶設(shè)備(UE)、用戶站(SS)、基站(BS)和核心網(wǎng)(CN)。系統(tǒng)的框架如圖l所示。

4 WiMax的應(yīng)用場景
    WiMAX論壇給出了WiMAX技術(shù)的5種應(yīng)用場景定義，即固定、游牧、便攜、簡單移動和全移動。
    (1)固定應(yīng)用場景：固定接入業(yè)務(wù)是802．16運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)中最基本的業(yè)務(wù)模型，包括用戶因特網(wǎng)接入、傳輸承載業(yè)務(wù)及Wi-Fi熱點(diǎn)回程等。
    (2)游牧應(yīng)用場景：游牧式業(yè)務(wù)是固定接入方式發(fā)展的下一個階段。終端可以從不同的接入點(diǎn)接入到一個運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)中；在每次會話連接中，用戶終端只能進(jìn)行站點(diǎn)式的接入；在兩次不同網(wǎng)絡(luò)的接入中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將不被保留。在游牧式及其以后的應(yīng)用場景中均支持漫游，并應(yīng)具備終端電源管理功能。
    (3)便攜應(yīng)用場景：在這一場景下，用戶可以步行連接到網(wǎng)絡(luò)，除了進(jìn)行小區(qū)切換外，連接不會發(fā)生中斷。便攜式業(yè)務(wù)在游牧式業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)展，從這個階段開始，終端可以在不同的基站之間進(jìn)行切換。當(dāng)終端靜止不動時，便攜式業(yè)務(wù)的應(yīng)用模型與固定式業(yè)務(wù)和游牧式業(yè)務(wù)相同。當(dāng)終端進(jìn)行切換時，用戶將經(jīng)歷短時間(最長為2s)的業(yè)務(wù)中斷或者感到一些延遲。切換過程結(jié)束后，TCP／IP應(yīng)用對當(dāng)前IP地址進(jìn)行刷新，或者重建lP地址。
    (4)簡單移動應(yīng)用場景：在這一場景下，用戶在使用寬帶無線接入業(yè)務(wù)中能夠步行、駕駛或者乘坐公共汽車等，但當(dāng)終端移動速度達(dá)到60km／h～120km／h時，數(shù)據(jù)傳輸速度將有所下降。這是能夠在相鄰基站之間切換的第一個場景。在切換過程中，數(shù)據(jù)包的丟失將控制在一定范圍內(nèi)，在最差的情況下，TCP／IP會話不中斷，但應(yīng)用層業(yè)務(wù)可能有一定的中斷。切換完成后，QoS將重建到初始級別。簡單移動和全移動網(wǎng)絡(luò)需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼模式。移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是移動場景(包括簡單移動和全移動)的主要應(yīng)用，包括目前被業(yè)界廣泛看好的移動E—mail、流媒體、可視電話、移動游戲、移動VoIP(MVoIP)等業(yè)務(wù)，同時它們也是占用無線資源較多的業(yè)務(wù)。
    (5)全移動應(yīng)用場景：在這一場景下，用戶可以在移動速度為120km／h甚至更高的情況下無中斷地使用寬帶無線接入業(yè)務(wù)，當(dāng)沒有網(wǎng)絡(luò)連接時，用戶終端模塊將處于低功耗模式。

5 WiMAX的QOS機(jī)制
    802．16x標(biāo)準(zhǔn)的MAC層支持不佳的用戶環(huán)境，能夠應(yīng)用于在每個信道上可能有成百上千個用戶的環(huán)境。802．16MAC具有帶寬分配和QoS機(jī)制。802．16的MAC層是靠同意、請求協(xié)議接入媒體的，它支持不同檔次的服務(wù)。WiMAX可以向用戶提供具有QoS性能的數(shù)據(jù)、視頻、話音(VoIP)業(yè)務(wù)。WiMAX可以提供三種等級的服務(wù)：CBR(ConstantBi—tRate)、CIR(CommittedRate)、BE(BestEffort)。CBR的優(yōu)先級最高，任何情況下網(wǎng)絡(luò)操作者與服務(wù)提供商以高優(yōu)先級、高速率及低延時為用戶提供服務(wù)，保證用戶訂購的帶寬。CIR的優(yōu)先級次之，網(wǎng)絡(luò)操作者以約定的速率提供，但速率超過規(guī)定的峰值時，優(yōu)先級會降低，還可以根據(jù)設(shè)備帶寬資源情況向用戶提供更大的傳輸帶寬。BE的優(yōu)先級更低，這種服務(wù)類似于傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的盡力而為的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)不提供優(yōu)先級與速率的保證。在系統(tǒng)滿足其他用戶較高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的條件下，盡力為用戶提供傳輸帶寬。

6 亟待解決的問題
6．1 如何與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的相互融合問題
    目前WiMAX產(chǎn)品主要還是一種接入和傳輸手段，802．16—2004也只是規(guī)定空中的接口問題，對于業(yè)務(wù)、用戶的認(rèn)證、計(jì)費(fèi)等在標(biāo)準(zhǔn)上還沒有一個統(tǒng)一的考慮。在這種情況下，如何利用現(xiàn)有的核心網(wǎng)絡(luò)完成用戶認(rèn)證管理、計(jì)費(fèi)平臺的統(tǒng)一是WiMAX產(chǎn)品作為一種新的“最后一公里”解決方案的一個關(guān)鍵問題。
6．2 如何解決室內(nèi)覆蓋問題
    作為一個無線系統(tǒng)，不能只實(shí)現(xiàn)室外覆蓋，否則會產(chǎn)生極高的安裝成本，這些成本包括直接的材料和安裝費(fèi)用成本，還包括其它的成本，如物業(yè)、安裝位置的租賃費(fèi)用等。另外，室外型的安裝方式也大大地限制了潛在用戶的范圍，限制了運(yùn)營商的客戶發(fā)展。而要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋，需要有足夠的鏈路余量，具體到WiMAX產(chǎn)品，就需要AAS、STC、子載波等技術(shù)能夠快速地集成到WiMAX產(chǎn)品當(dāng)中。
6．3 如何解決網(wǎng)絡(luò)安全問題
    在安全性上，MAC層中有一個專用子層提供認(rèn)證、保密和加密功能。但是要想真正保證WiMAX的安全性，還必須擴(kuò)大安全子層，對管理信息進(jìn)行加密；規(guī)范授權(quán)SA；規(guī)范隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；改善密鑰管理；實(shí)現(xiàn)包括WLAN、WAPI等的無線多網(wǎng)互通安全機(jī)制報(bào)告，最后還要考慮與2G、3G系統(tǒng)共用AAA體系的過程。

7 結(jié)束語
    WiMAX作為一種“最后一公里”無線寬帶接入的網(wǎng)絡(luò)解決方案已得到很多運(yùn)營商的認(rèn)可。隨著網(wǎng)上多媒體技術(shù)的日益應(yīng)用發(fā)展，傳輸速率更高的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將會涌現(xiàn)，無線寬帶網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)的投資前景將會非常樂觀。在無線寬帶網(wǎng)用戶和國際眾多運(yùn)營商的推動下，未來幾年內(nèi)，高速WiMAX網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將會成為未來網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)主流之一。