WiMAX 16d網(wǎng)絡(luò )的規劃和建設策略

    摘要：本文首先介紹了WIMAX16d網(wǎng)絡(luò )的架構和規劃要點(diǎn)，對WiMAX16d組網(wǎng)的經(jīng)驗進(jìn)行分析和說(shuō)明，并提出面向未來(lái)網(wǎng)絡(luò )建設的相關(guān)建議.。

    1.前言

    隨著(zhù)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是無(wú)線(xiàn)通信和寬帶通信的技術(shù)的迅速發(fā)展，激發(fā)了寬帶接入網(wǎng)絡(luò )向無(wú)線(xiàn)化方向的演進(jìn)。值得注意的是，近年來(lái)“WiMAX”一詞的點(diǎn)擊率日益增高，它作為IEEE802.16無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)的空口標準，引起了廣泛關(guān)注，并逐漸為業(yè)界熟知。

    WiMAX技術(shù)的發(fā)展過(guò)程基本可以分為四個(gè)階段，即：固定接入業(yè)務(wù)階段、游牧式業(yè)務(wù)階段、便攜式業(yè)務(wù)階段和全移動(dòng)業(yè)務(wù)階段。2006年國內外各大運營(yíng)商業(yè)務(wù)拓展的需求推動(dòng)了第一代WiMAX技術(shù)和產(chǎn)品逐漸走向成熟，固定接入式的寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )一時(shí)風(fēng)生云起。在此，本文對就WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò )結構、規劃、建設和維護的經(jīng)驗略作回顧和小結，以期拋磚引玉之效用。

    2.WiMAX802.16d的網(wǎng)絡(luò )架構和特點(diǎn)

    IEEE802.16協(xié)議族定義了WiMAX網(wǎng)絡(luò )的空中物理層和MAC層接口，旨在為城域網(wǎng)的接入層提供基于IP的、具備端到端QoS保障的無(wú)線(xiàn)接入。目前已定制的兩大系列標準包括802.16-2004（即802.16d）和802.16-2005（即802.16e），前者面向固定式寬帶無(wú)線(xiàn)接入，后者側重于移動(dòng)性和便攜性。

    從固定式WiMAX系統主體來(lái)看，它包括基站（BaseStation，簡(jiǎn)稱(chēng)BS）、用戶(hù)站(CustomerPremiseEquipment，簡(jiǎn)稱(chēng)CPE)以及網(wǎng)管等主要部分，構成點(diǎn)到多點(diǎn)的星型拓撲結構?；竞陀脩?hù)站之間的空口遵循IEEE802.16d規范，定位于最后一公里的接入，結構簡(jiǎn)潔、標準清晰。網(wǎng)絡(luò )總體結構圖如下：

    WiMAX16d的標準定義和網(wǎng)絡(luò )結構體系，決定了它具有以下一些突出的優(yōu)勢和特點(diǎn)：

    可完全融入現有網(wǎng)絡(luò )架構。作為IP系統的二層接入部分，WiMAX以其全IP化的設計，可以完全融入現有網(wǎng)絡(luò )架構，充分利用已有的傳輸網(wǎng)絡(luò )和核心網(wǎng)。WiMAX基站向上提供標準的以太網(wǎng)接口，可以方便得融入IP城域網(wǎng)和核心網(wǎng)，為缺乏管線(xiàn)資源的地區提供迅速系統部署以及各類(lèi)應用服務(wù)；用戶(hù)站可以直接下聯(lián)二層交換機、IAD、WLAN等設備，或者直接與終端連接，提供數據、語(yǔ)音等豐富的業(yè)務(wù)內容。

    IPQoS機制植入于MAC層。在這種QoS機制的保障下，WiMAX能夠真正的合理分配資源，既滿(mǎn)足公平性原則，也能平衡不同用戶(hù)的業(yè)務(wù)容量需求，從而最大程度得利用有限頻譜資源。MAC層QoS面向每個(gè)連接，可以獨立定制其帶寬門(mén)限、時(shí)延和QoS等級，使其能夠真正確保端到端的QoS的實(shí)現。QoS包括四個(gè)等級：非請求的帶寬分配業(yè)務(wù)(UGS)、實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)(rtPS)、非實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)(nrtPS)和盡力而為業(yè)務(wù)(BE)。

    傳輸和業(yè)務(wù)安全性有保障。從安全性角度來(lái)說(shuō)，WiMAX空中接口具備了認證加密的功能以及其他各種準入手段，可以確保數據的安全傳送。對于WiMAX網(wǎng)絡(luò )本身來(lái)說(shuō)，能夠完全兼容于現有網(wǎng)絡(luò )的各種認證計費手段，所以一般沒(méi)有也不需要專(zhuān)配計費功能。因而，在發(fā)展部署新用戶(hù)時(shí)，無(wú)需對業(yè)務(wù)控制層面進(jìn)行改動(dòng)，非常靈活。

    除了架構上的優(yōu)勢之外，WiMAX面向4G的無(wú)線(xiàn)技術(shù)和傳輸穩定性也為人津津樂(lè )道。作為接入技術(shù)，除了數據吞吐量外，其穩定性和可靠性是運營(yíng)商和終端用戶(hù)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。事實(shí)表明，WiMAX先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)特性，能適合于大部分應用的需求，這主要歸功于WiMAX16d的以下無(wú)線(xiàn)特性：

    支持非視距傳播。從固定無(wú)線(xiàn)寬帶接入的發(fā)展來(lái)看，原先的3.5GHz的MMDS在解決非視距傳播方面，始終未能盡如人意。而WiMAX技術(shù)在物理層引入了OFDM調制技術(shù)，使其對非視距環(huán)境中的寬帶數據傳播有較強的抗多徑能力。作為OFDM技術(shù)本身，其出彩之處在于：高頻譜利用率、抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾能力。從實(shí)踐經(jīng)驗上來(lái)看，16d技術(shù)在城市非視距環(huán)境中，小區覆蓋半徑可以達到3公里左右，足以滿(mǎn)足一般業(yè)務(wù)的運營(yíng)需求。

    頻譜利用率高。IEEE802.16d的規范定義了無(wú)線(xiàn)鏈路上下行至少需達到16QAM的調制解調能力，而部分廠(chǎng)家的設備甚至能夠支持到64QAM的調制解調。這意味著(zhù)，在良好的無(wú)線(xiàn)環(huán)境下，空中信道中的每個(gè)符號可以攜帶6個(gè)比特；在3.5Mhz的物理帶寬下，采用OFDM512技術(shù)，MAC層數據傳輸能力就可至12Mbps左右的水平。外場(chǎng)FTP測試表明，WiMAXBS端到CPE端的應用速率可以輕松得達到9～10Mbps，完全能夠滿(mǎn)足一般個(gè)人用戶(hù)和中小企業(yè)用戶(hù)的需求。

    自適應調制技術(shù)。通過(guò)此項技術(shù)，系統能夠自主得統計測量無(wú)線(xiàn)鏈路質(zhì)量水平，并根據系統定義的算法，將信號調制到與之適應的編碼方式上。在高質(zhì)量的信號水平下，遠端站能夠適配至較高的調制方式下工作；反之，則適配至低調制方式，提高鏈路的穩健性。如此便能兼顧帶寬和穩定兩方面的要求，使整個(gè)系統工作于均衡的狀態(tài)下，最大程度地利用頻譜資源。

    當然，規范本身所定義的技術(shù)細節還更加先進(jìn)廣泛，包括上行信道的子信道化，AAS的應用等等，但是從市場(chǎng)定位、業(yè)務(wù)需求和成本定位來(lái)綜合考慮，各個(gè)廠(chǎng)家的第一代WiMAX產(chǎn)品都只是實(shí)現了到規范中的部分功能。即便如此，實(shí)際網(wǎng)絡(luò )經(jīng)驗已足以證明WiMAX16d系統無(wú)愧于無(wú)線(xiàn)DSL的美譽(yù)。

    3.WiMAX802.16d網(wǎng)絡(luò )部署

    2006年，國內運營(yíng)商對WiMAX從關(guān)注、測試，迅速走向了實(shí)際商用階段。數個(gè)運營(yíng)商根據自身特點(diǎn)和市場(chǎng)狀況，應用WiMAX開(kāi)發(fā)出了切合其自身特點(diǎn)的業(yè)務(wù)模式，并將其推向了市場(chǎng)。作為參與者之一，我們在這個(gè)過(guò)程中注意到了種種有意思的現象，積累了些許經(jīng)驗，與諸位共享和探討。

    以下的討論將圍繞網(wǎng)絡(luò )規劃設計，網(wǎng)絡(luò )建設部署和網(wǎng)絡(luò )維護三部分展開(kāi)。

    3.1.WiMAX16d系統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計和規劃

    和其它無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似，WIMAX網(wǎng)絡(luò )規劃的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于滿(mǎn)足覆蓋和容量的同時(shí)，保證QoS和系統的資源能夠得到最大程度的利用。從我國現在3.5GHz頻段規劃來(lái)看，同城內的每個(gè)運營(yíng)商一般都只能擁有10.5MHz帶寬，即為三個(gè)3.5MHz的WiMAX載波帶寬。頻譜資源的稀缺使組網(wǎng)設計受到很大程度的局限，因此，找出合理的站間距以消除同頻干擾現象對組網(wǎng)的影響非常重要。通過(guò)系統仿真的理論計算和外場(chǎng)實(shí)測認證，所得結果表明：在大中型城市中，同頻復用距離2至3公里時(shí)的條件下，通常干擾最為惡劣的主瓣連線(xiàn)上的測試點(diǎn)基本沒(méi)有發(fā)現干擾現象。此數據即可成為WiMAX16d網(wǎng)絡(luò )設計的基本模型參數，用來(lái)確立投資規模、業(yè)務(wù)分布和頻率規劃。

    此外，在具體規劃的時(shí)候，不同的地理地貌環(huán)境還需要進(jìn)行經(jīng)驗參數調整，以使業(yè)務(wù)覆蓋率最大化。另外，部署規劃網(wǎng)絡(luò )時(shí)，為降低或避免系統內干擾，應該靈活選用各種方法來(lái)調整小區覆蓋區域，例如：選擇合理的基站天線(xiàn)高度，充分利用不同天線(xiàn)極化方式，調節天線(xiàn)俯仰角，減小基站天線(xiàn)的水平半功率角度等常規手段。

    同樣是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，WIMAX的網(wǎng)絡(luò )建設與我們傳統的GMS或UMTS建設有所區別，不能完全照抄以前的經(jīng)驗。這是由不同的網(wǎng)絡(luò )性質(zhì)所決定了的，WiMAX是固定通信無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，而GSM/UMTS是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，二者有著(zhù)不同的用戶(hù)行為、覆蓋要求和話(huà)務(wù)模型。其中，我們注意到了一個(gè)比較典型的現象：在建設初期，大家都習慣性地考慮“全覆蓋”的概念，即按照理論的覆蓋半徑，在地圖上標注出若干個(gè)基站站點(diǎn)，認為這些站點(diǎn)建成之后即可實(shí)現無(wú)縫覆蓋或者是基本覆蓋這片區域，剩余的工作就是輕松放號，業(yè)務(wù)開(kāi)通。而事實(shí)上，要用WiMAX16d實(shí)現全覆蓋很困難，這是由其本身特點(diǎn)決定，也是為我們經(jīng)驗證明的。

    根據無(wú)線(xiàn)傳播理論，基站和遠端站所能接收信號的強度及質(zhì)量與其天線(xiàn)高度以及傳播路徑上的阻擋情況密切相關(guān)。在二維地圖的同一點(diǎn)上，用戶(hù)站的接收信號很大程度上取決于CPE天線(xiàn)的放置高度，比如說(shuō)，離開(kāi)基站2公里處，運營(yíng)商發(fā)掘出一片用戶(hù)群體，分布于高新區的一幢15層樓的大廈內。這些用戶(hù)有些在14樓，有些在7樓，而有些在2樓。那么對于14樓的用戶(hù)，由于其高度高于周?chē)骄ㄖ锏母叨?，所以可以輕松的實(shí)現信號收發(fā)，調制方式可以達到64QAM，獲取高質(zhì)量的數據業(yè)務(wù)；對于7樓的用戶(hù)，高度低于與周?chē)ㄖ锏钠骄叨?，但依然能夠依靠信號的折射和反射獲得16QAM的信號，相當于數據帶寬能夠達到4Mbps左右；而2樓的用戶(hù)則不那么幸運了，在高樓林立的環(huán)境下，CPE天線(xiàn)被群樓阻擋，無(wú)法接收WiMAX信號。（當然通過(guò)樓內垂直布線(xiàn)，將CPE天線(xiàn)安裝于高處并將數據信號引入至2樓辦公室的CPE室內單元，也可以實(shí)現接入）此例表明，WiMAX網(wǎng)絡(luò )設計的關(guān)鍵數據是CPE天線(xiàn)的位置，這些數據很難在規劃期能夠一一確定，而是隨著(zhù)業(yè)務(wù)發(fā)展而逐步明晰的。由此我們可以看出，在現有固網(wǎng)運營(yíng)商“按需接入”的發(fā)展模式下，要做出一個(gè)類(lèi)似于GSM或者UMTS一樣的無(wú)縫覆蓋的網(wǎng)絡(luò )規劃是非常困難的。

    基于此現象，我們持如下觀(guān)點(diǎn)：固定接入式WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò )呈點(diǎn)到多點(diǎn)的拓撲結構，一般而言，用戶(hù)端數量在基站覆蓋區域內動(dòng)態(tài)發(fā)展，有增有減。用戶(hù)端設備沒(méi)有切換和漫游的需求，與需要連續分布的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )有本質(zhì)上的區別。因此，在網(wǎng)絡(luò )規劃設計期間，無(wú)需強調“全覆蓋”或者是“無(wú)縫覆蓋”的概念，否則反而會(huì )給后期發(fā)展引入干擾問(wèn)題。

    簡(jiǎn)而言之，我們認為WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò )規劃可以遵循以下兩條原則：第一，盡最大能力避免干擾，為后期發(fā)展留出余地；第二，隨著(zhù)用戶(hù)容量的增加，需要在建設中調整基站的有效覆蓋區域，使網(wǎng)絡(luò )跟隨業(yè)務(wù)發(fā)展而健康成長(cháng)。

    3.2.WiMAX16d系統的網(wǎng)絡(luò )工程

    根據我們的經(jīng)驗，盡管WIMAX產(chǎn)品結構簡(jiǎn)潔緊湊為工程實(shí)施帶來(lái)便利，但是我們不能因此忽略其工程實(shí)施質(zhì)量。WiMAX的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，部署靈活迅速。事實(shí)上，第一代16d的產(chǎn)品普遍沒(méi)有引入智能天線(xiàn)，MIMO等更為先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，所以CPE基本還是室外型的，也就是說(shuō)，終端設備仍然離不開(kāi)室外的工程安裝。從某種角度來(lái)看，用戶(hù)取得鏈路質(zhì)量的優(yōu)劣，不僅取決于基站周邊的無(wú)線(xiàn)環(huán)境，在很大程度上還依賴(lài)于客戶(hù)端設備的安裝質(zhì)量。所以，我們認為有必要著(zhù)重討論一下WiMAXCPE的工程建設。

    經(jīng)為期一年的觀(guān)察，我們發(fā)現WiMAX的建設者往往比較重視WiMAX系統和上層核心網(wǎng)設備的互連互通問(wèn)題，重視基站的工程安裝問(wèn)題，卻有些忽視CPE部署的工程質(zhì)量要求?，F網(wǎng)的部分CPE安裝比較簡(jiǎn)陋，存在著(zhù)諸多隱患。這些隱患除了會(huì )直接對系統造成硬件損傷之外，也會(huì )給客戶(hù)帶來(lái)不佳的體驗，直接或間接地影響WiMAX的業(yè)務(wù)拓展。因此，這里有必要對業(yè)已察覺(jué)的一些問(wèn)題進(jìn)行歸納，以期引起各位建設者的重視：

    CPE安裝高度不理想，影響業(yè)務(wù)穩定性。如前所述，在基站位置已經(jīng)固定了的情況下，CPE安裝高度往往就決定了無(wú)線(xiàn)鏈路的優(yōu)劣。一方面，CPE天線(xiàn)不能高于基站天線(xiàn)的高度。通常情況下，基站天線(xiàn)的俯仰角一般為0度，而且CPE天線(xiàn)的垂直半功率角一般都比較小。如果CPE高于基站，通信雙方就不能良好的接收對方的發(fā)射信號，從而影響通信質(zhì)量。另一方面，CPE不建議安裝在嚴重的非視距環(huán)境下，也就是說(shuō)，不建議將CPE安裝在無(wú)線(xiàn)傳輸路徑的第一菲涅爾區內有嚴重阻擋的環(huán)境下，否則接收信號有很大比例是靠繞射和反射取得的，多徑信號的路徑復雜程度大大提高，每徑受到影響的因素也會(huì )增多，信號質(zhì)量不可避免地會(huì )比視距情況下有更大的波動(dòng)。雖然在給終端用戶(hù)交付業(yè)務(wù)時(shí)，測試得到的信號和帶寬都不錯，但是這樣的鏈路對干擾的抵抗力比較弱，信號會(huì )時(shí)好時(shí)差，甚至在無(wú)線(xiàn)鏈路惡化時(shí)會(huì )發(fā)生信號中斷的情況。這會(huì )對實(shí)時(shí)性要求高業(yè)務(wù)（例如VoIP，VideoStreaming等）產(chǎn)生尤為不良影響。

    CPE缺乏可靠接地，增加了系統的不安全性。如果說(shuō)CPE并不安裝在建筑物的最高處，接地省略的風(fēng)險性可能還小些，那么將其安裝于屋頂的時(shí)候，沒(méi)有接地在夏季雷雨時(shí)節就是一個(gè)巨大的隱患了。而我們發(fā)現，現網(wǎng)中有為數不少的CPE其實(shí)并沒(méi)有做好接地，更不要說(shuō)是避雷防范了，這確實(shí)是非常危險的現象。假設設備的室外部分遇到雷擊，浪涌電流若不能導入大地，那么很容易地就會(huì )通過(guò)饋線(xiàn)引入室內單元及其連接的下端設備，一旦此類(lèi)事故發(fā)生，遭受損失的可能就遠不止是WiMAX設備本身，而將包括與之相連的所有設備（包括二層交換機、IAD、WiFiAP，話(huà)機和電腦等）以及電源系統。

    CPE抱桿過(guò)細或者對地未能妥善加固，也會(huì )影響用戶(hù)的長(cháng)期使用感受。我們曾觀(guān)察到，抱桿如果太細，或者底部不穩，其上端由于受到設備單向重力會(huì )使抱桿向設備一側略微傾斜，導致CPE天線(xiàn)俯仰角的改變，從而影響收發(fā)信號的質(zhì)量。常見(jiàn)的情況是在系統開(kāi)通初期用戶(hù)能夠取得理想的數據帶寬，而一段時(shí)間之后，發(fā)現帶寬變小了，而經(jīng)現場(chǎng)檢查才發(fā)現正是由于這些細小的原因致使的。

    所以，網(wǎng)絡(luò )建設過(guò)程中，我們除了關(guān)注設備本身的性能和穩定程度之外，還應當對工程中的各個(gè)環(huán)節嚴格把控。WiMAX系統有其簡(jiǎn)潔易用的一面，也存在著(zhù)眾多細節方面有待我們去關(guān)注和完善，這樣才能將WiMAX的優(yōu)勢充分體現。

    3.3.WiMAX16d系統的維護

    與任何無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相仿，WiMAX系統建成開(kāi)通后，需要堅持不懈的維護和優(yōu)化，保障系統的良好運行狀況，并為網(wǎng)絡(luò )發(fā)展提供可借鑒的依據。一般來(lái)說(shuō)，除了設備運行狀態(tài)之外，最需要關(guān)注的是無(wú)線(xiàn)鏈路和容量?jì)煞矫娴膯?wèn)題，以下作些簡(jiǎn)單的經(jīng)驗介紹。

    無(wú)線(xiàn)鏈路監測和優(yōu)化。從WiMAX自帶的網(wǎng)管上，可以對每個(gè)遠端站的無(wú)線(xiàn)鏈路狀況進(jìn)行觀(guān)測，包括上下行的RSSI，SNR以及調制方式等信息。通過(guò)這些基本數據，我們可以做出每日報表和曲線(xiàn)圖，掌握無(wú)線(xiàn)鏈路的變化情況，并為規劃和優(yōu)化提供依據。由于WiMAX16d是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規劃與優(yōu)化并進(jìn)，因此在建設新基站，發(fā)展新用戶(hù)的時(shí)候，必須同時(shí)考慮現有網(wǎng)絡(luò )上的拓撲結構和頻率資源利用情況，避免干擾情況出現。

    容量監測和優(yōu)化。與無(wú)線(xiàn)鏈路相仿，基站容量和每個(gè)用戶(hù)的吞吐量也是可以通過(guò)網(wǎng)管進(jìn)行監測的，這些數據對網(wǎng)絡(luò )建設和發(fā)展尤為重要。一方面，根據資源的統計使用情況，運營(yíng)商可以靈活調整客戶(hù)QoS等級，在公平發(fā)展的原則下，重點(diǎn)保障大客戶(hù)的利益；另一方面，對流量的監測可以更準確地掌握用戶(hù)的增長(cháng)率，避免設備過(guò)載現象的產(chǎn)生，同時(shí)指導后期的網(wǎng)絡(luò )規劃和工程預算工作。

    對系統的維護和優(yōu)化，其主旨是依然提高設備的穩定性和利用率，使動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )能夠均衡發(fā)展，為終端用戶(hù)提供業(yè)務(wù)保障。由于WiMAX還處于建設階段，對于如何維護優(yōu)化WiMAX16d網(wǎng)絡(luò )，還有待更多時(shí)日的探索和積累。

    4.結束語(yǔ)

    隨著(zhù)WiMAX16d技術(shù)的發(fā)展和應用，系統的真實(shí)性能已經(jīng)越來(lái)越多的業(yè)內人士認同了。通過(guò)以上篇幅，希望不僅能夠使讀者對這門(mén)技術(shù)有更多的了解，更重要的是，能令網(wǎng)絡(luò )建設者們能夠得到些許啟發(fā)，更加有效得進(jìn)行WiMAX網(wǎng)絡(luò )的拓展和管理，最大程度得實(shí)現業(yè)務(wù)價(jià)值。