無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)寬帶接入的網(wǎng)絡(luò )解決方案已得到很多認可。為了深入理解WIMAX(IEEE 802．16)在解決“最后一公里”接入問(wèn)題上的優(yōu)勢，將對現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(lái)所面臨的問(wèn)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(zhù)Internet的爆炸式發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)上的商業(yè)應用和多媒體等服務(wù)也得以迅猛推廣。占用大量帶寬資源的業(yè)務(wù)不斷開(kāi)展，導致對接入網(wǎng)的部署提出了更高的要求，實(shí)現接入高速化、寬帶化，解決網(wǎng)絡(luò )瓶頸問(wèn)題也就成了當務(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?xún)r(jià)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，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(zhù)重要的現實(shí)意義與戰略?xún)r(jià)值。
為了深入理解WIMAX(IEEE 802．16)在解決“最后一公里”接入問(wèn)題上的優(yōu)勢，本文將對現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(lái)所面臨的問(wèn)題。

1 目前主流的寬帶接入方式
1．1 ADSL
ADSI(Asymmetrical IDigital Subscriber Line，非對稱(chēng)數字用戶(hù)環(huán)路)是一種能夠通過(guò)普通電話(huà)線(xiàn)提供寬帶數據業(yè)務(wù)的技術(shù)。ADSL方案的最大特點(diǎn)是不用改造傳輸線(xiàn)路，完全可以利用普通銅質(zhì)電話(huà)線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，有效的傳輸距離在3～5公里范圍以?xún)?，理論上支持上行速?40kbps到lMbps、下行速率1Mbps到8Mbps的高速數據傳輸。ADSL標準完善，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(xiàn)路狀況的限制并基于經(jīng)濟性等方面的考慮，現階段運營(yíng)商在開(kāi)放AD―SL接入業(yè)務(wù)時(shí)提供的下行帶寬一般限制在512kMbps～2Mbps范圍內。ADSL的非對稱(chēng)性和帶寬可擴展能力差也會(huì )嚴重制約網(wǎng)絡(luò )多媒體業(yè)務(wù)的開(kāi)展。
1．2 FTTX+LAN
FTTX+LAN接入是采用光纖以太網(wǎng)技術(shù)，先鋪設光纖到樓或是到小區，而后網(wǎng)線(xiàn)入戶(hù)。由于采用光纖接入，在抗干擾方面較ADSL方式更加出色，同時(shí)LAN接入的上下行速率是相同的，所以不會(huì )產(chǎn)生由于上行速率的限制導致干擾的情況。因而具有帶寬高、穩定性好、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(guò)，LAN接入無(wú)法像ADSL一樣，單獨為某個(gè)用戶(hù)開(kāi)通，它需要鋪設光纖接入城域網(wǎng)，需要小區綜合布線(xiàn)，所以在選擇這種接入方式時(shí)要考慮所在地是否具備開(kāi)通條件。

2 無(wú)線(xiàn)寬帶接入的需求
在實(shí)現“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 )運營(yíng)商選擇。每一項技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)，并不是在所有市場(chǎng)中都適用，在某些情況下使用這些技術(shù)會(huì )很不經(jīng)濟。例如，在城市中心區和無(wú)光纖資源的小區，若采用FTTX寬帶接入方式，網(wǎng)絡(luò )建設費用和開(kāi)通成本將會(huì )很高；又如采用ADSL作為寬帶接入方式，只適用于擁有銅線(xiàn)資源的傳統電信運營(yíng)商，而新興的電信運營(yíng)商將受到資源短缺的限制。因而，無(wú)線(xiàn)接入以其自由度高、開(kāi)通快、地理環(huán)境適應性強、維護簡(jiǎn)便和維護費用低等有線(xiàn)接入無(wú)法替代的優(yōu)勢，在接入網(wǎng)中的地位越來(lái)越高，并已漸漸成為接入市場(chǎng)上的熱點(diǎn)技術(shù)。
寬帶無(wú)線(xiàn)接入的網(wǎng)絡(luò )架構由無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(WPAN)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)、無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)(WMAN)、無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)(WWAN)等共同組成。其中，IEEE 802．16標準制定了WMAN的技術(shù)規范，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(chēng)為全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，適用于2～66GHz頻段的空中接口規范，覆蓋范圍可達50kin，每基站提供的總數據速率最高可達280Mb／s。目前802．16系列標準中，802．16d和802．16e是兩個(gè)主流的空中接口標準。IEEE 802．16d是固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統空中接口規范，不支持移動(dòng)通信環(huán)境；IEEE 802．16e是802．16d的進(jìn)一步延伸，是固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統空中接口規范，支持便攜和移動(dòng)環(huán)境，最終支持的移動(dòng)速度可達．120km/h。
IEEE802．16協(xié)議中定義了兩種網(wǎng)絡(luò )結構：點(diǎn)對多點(diǎn)(PMP)結構和網(wǎng)格(mesh)結構。點(diǎn)對多點(diǎn)結構即一個(gè)基站(BS)為多個(gè)用戶(hù)站(SS)提供服務(wù)，從基站到用戶(hù)站的鏈路稱(chēng)為下行鏈路，從用戶(hù)站到基站的鏈路稱(chēng)為上行鏈路。業(yè)務(wù)僅在基站和用戶(hù)站之間傳送。而網(wǎng)格結構與點(diǎn)對多點(diǎn)結構最主要的不同在于，在網(wǎng)格結構中業(yè)務(wù)可以通過(guò)其他用戶(hù)站轉發(fā)，也就是說(shuō)在網(wǎng)格結構中業(yè)務(wù)可以不通過(guò)基站可以直接在用戶(hù)站之間傳送。
一個(gè)完整的802．16系統應包括的網(wǎng)絡(luò )實(shí)體有：用戶(hù)設備(UE)、用戶(hù)站(SS)、基站(BS)和核心網(wǎng)(CN)。系統的框架如圖l所示。

4 WiMax的應用場(chǎng)景
WiMAX論壇給出了WiMAX技術(shù)的5種應用場(chǎng)景定義，即固定、游牧、便攜、簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)。
(1)固定應用場(chǎng)景：固定接入業(yè)務(wù)是802．16運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )中最基本的業(yè)務(wù)模型，包括用戶(hù)因特網(wǎng)接入、傳輸承載業(yè)務(wù)及Wi-Fi熱點(diǎn)回程等。
(2)游牧應用場(chǎng)景：游牧式業(yè)務(wù)是固定接入方式發(fā)展的下一個(gè)階段。終端可以從不同的接入點(diǎn)接入到一個(gè)運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )中；在每次會(huì )話(huà)連接中，用戶(hù)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，傳輸的數據將不被保留。在游牧式及其以后的應用場(chǎng)景中均支持漫游，并應具備終端電源管理功能。
(3)便攜應用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶(hù)可以步行連接到網(wǎng)絡(luò )，除了進(jìn)行小區切換外，連接不會(huì )發(fā)生中斷。便攜式業(yè)務(wù)在游牧式業(yè)務(wù)的基礎上進(jìn)行了發(fā)展，從這個(gè)階段開(kāi)始，終端可以在不同的基站之間進(jìn)行切換。當終端靜止不動(dòng)時(shí)，便攜式業(yè)務(wù)的應用模型與固定式業(yè)務(wù)和游牧式業(yè)務(wù)相同。當終端進(jìn)行切換時(shí)，用戶(hù)將經(jīng)歷短時(shí)間(最長(cháng)為2s)的業(yè)務(wù)中斷或者感到一些延遲。切換過(guò)程結束后，TCP／IP應用對當前IP地址進(jìn)行刷新，或者重建lP地址。
(4)簡(jiǎn)單移動(dòng)應用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶(hù)在使用寬帶無(wú)線(xiàn)接入業(yè)務(wù)中能夠步行、駕駛或者乘坐公共汽車(chē)等，但當終端移動(dòng)速度達到60km／h～120km／h時(shí)，數據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(gè)場(chǎng)景。在切換過(guò)程中，數據包的丟失將控制在一定范圍內，在最差的情況下，TCP／IP會(huì )話(huà)不中斷，但應用層業(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(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼模式。移動(dòng)數據業(yè)務(wù)是移動(dòng)場(chǎng)景(包括簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng))的主要應用，包括目前被業(yè)界廣泛看好的移動(dòng)E―mail、流媒體、可視電話(huà)、移動(dòng)游戲、移動(dòng)VoIP(MVoIP)等業(yè)務(wù)，同時(shí)它們也是占用無(wú)線(xiàn)資源較多的業(yè)務(wù)。
(5)全移動(dòng)應用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶(hù)可以在移動(dòng)速度為120km／h甚至更高的情況下無(wú)中斷地使用寬帶無(wú)線(xiàn)接入業(yè)務(wù)，當沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )連接時(shí)，用戶(hù)終端模塊將處于低功耗模式。

5 WiMAX的QOS機制
802．16x標準的MAC層支持不佳的用戶(hù)環(huán)境，能夠應用于在每個(gè)信道上可能有成百上千個(gè)用戶(hù)的環(huán)境。802．16MAC具有帶寬分配和QoS機制。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(hù)提供具有QoS性能的數據、視頻、話(huà)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(shí)為用戶(hù)提供服務(wù)，保證用戶(hù)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(guò)規定的峰值時(shí)，優(yōu)先級會(huì )降低，還可以根據設備帶寬資源情況向用戶(hù)提供更大的傳輸帶寬。BE的優(yōu)先級更低，這種服務(wù)類(lèi)似于傳統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。在系統滿(mǎn)足其他用戶(hù)較高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的條件下，盡力為用戶(hù)提供傳輸帶寬。

6 亟待解決的問(wèn)題
6．1 如何與現有網(wǎng)絡(luò )的相互融合問(wèn)題
目前WiMAX產(chǎn)品主要還是一種接入和傳輸手段，802．16―2004也只是規定空中的接口問(wèn)題，對于業(yè)務(wù)、用戶(hù)的認證、計費等在標準上還沒(méi)有一個(gè)統一的考慮。在這種情況下，如何利用現有的核心網(wǎng)絡(luò )完成用戶(hù)認證管理、計費平臺的統一是WiMAX產(chǎn)品作為一種新的“最后一公里”解決方案的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
6．2 如何解決室內覆蓋問(wèn)題
作為一個(gè)無(wú)線(xiàn)系統，不能只實(shí)現室外覆蓋，否則會(huì )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用成本，還包括其它的成本，如物業(yè)、安裝位置的租賃費用等。另外，室外型的安裝方式也大大地限制了潛在用戶(hù)的范圍，限制了運營(yíng)商的客戶(hù)發(fā)展。而要實(shí)現室內覆蓋，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)品當中。
6．3 如何解決網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題
在安全性上，MAC層中有一個(gè)專(zhuān)用子層提供認證、保密和加密功能。但是要想真正保證WiMAX的安全性，還必須擴大安全子層，對管理信息進(jìn)行加密；規范授權SA；規范隨機數發(fā)生器；改善密鑰管理；實(shí)現包括WLAN、WAPI等的無(wú)線(xiàn)多網(wǎng)互通安全機制報告，最后還要考慮與2G、3G系統共用AAA體系的過(guò)程。

7 結束語(yǔ)
WiMAX作為一種“最后一公里”無(wú)線(xiàn)寬帶接入的網(wǎng)絡(luò )解決方案已得到很多運營(yíng)商的認可。隨著(zhù)網(wǎng)上多媒體技術(shù)的日益應用發(fā)展，傳輸速率更高的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備將會(huì )涌現，無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)設備和服務(wù)的投資前景將會(huì )非常樂(lè )觀(guān)。在無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)用戶(hù)和國際眾多運營(yíng)商的推動(dòng)下，未來(lái)幾年內，高速WiMAX網(wǎng)絡(luò )的應用將會(huì )成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)主流之一。