WiMAX组网技术与解决方案

随着近年来宽带无线市场需求的扩大和技术水平的提高，标准化组织IEEE在数百名来自政府、运营商、研究机构和设备制造商的技术专家共同努力下，制定了IEEE 802.16无线城域网协议[1]，受到业界广泛关注。为了推进设备的一致性、标准化和互操作性，来自工业界、制造业、运营商的代表共同组建了WiMAX 组织，旨在推动基于IEEE 802.16宽带无线设备的兼容性测试[2]，保障不同厂商设备之间的互操作性。

WiMAX技术可以覆盖几十公里，提供近70 Mb/s的单载波速率，并且具备支持漫游、移动的潜力，具有广泛的应用前景。就目前来看，WiMAX面向的市场应用包括：传输承载、数据接入和漫游移动。

传输承载接入市场主要业务特征是点对点模式下的固定分配方式。对应的有线接入市场就是E1/T1接口点对点光传输设备的业务市场。

数据接入市场主要业务特征是基于IP平台的多种宽带数据接入，特别是以IP数据上网业务为主。与该部分市场对应的有线接入市场就是数字用户线(DSL)和电缆调制解调器(Cable Modem)业务市场。
漫游移动数据接入市场主要业务特征是支持便携式终端的数据接入。运营商利用宽带无线设备开展业务主要是笔记本电脑、个人数字助理(PDA)、手机等便携式电子设备的数据业务。基WiMAX/IEEE 802.16的系统将获得广泛应用，成为宽带无线行业内的主流设备。

目前，IEEE 802.16标准及相应的WiMAX测试规范主要还是针对无线空中接口技术，所明确内容也只是涉及开放系统互连(OSI)模型中的物理层、媒体访问控制 (MAC)层，并没有明确WiMAX网络的组网技术和方案。因此，WiMAX未来如何发展就有了多种多样的看法，如有些人认为是与DSL产品竞争，有些人认为是与3G竞争。这实际就涉及到了WiMAX组网技术和业务应用的问题，特别是组网方案中WiMAX与现有设备之间的关系是革命性替代还是融合演进，需要进行深入研究。

1 组网关键技术
参考通用的无线通信体系结构，WiMAX网络参考架构可以分成终端、接入网和核心网3个部分，如图1所示。图1中，WiMAX终端包括固定、漫游和移动3 种类型终端；WiMAX接入网主要为无线基站，支持无线资源管理等功能；WiMAX核心网主要是解决用户认证、漫游等功能及WiMAX网络与其他网络之间的接口关系。WiMAX网络组网关键技术包括频率复用方案、认证计费和移动性管理。

1.1 频率复用
由于频率资源是一种稀缺资源，因此各国政府对于频率资源管理都非常重视。WiMAX网络可以使用的频率资源比较有限，因此在考虑运营业务容量、频率干扰的前提下，运营商需要对WiMAX网络频率资源进行全面规划。WiMAX网络频率规划遵循通用的无线网络规划模型，但考虑到不同应用场合，实际上存在不同的方案。以WiMAX网络在固定接入方式应用场合为例，固定接入可以充分利用极化隔离和定向天线，其网络频率规划原则为：


(1)除非距离达到5到7个倍程，或者两者之间有较好的阻挡物，相邻站点不允许出现相同方向的同频复用。如果要复用，可以采用不同的极化方向以获得20 dB的额外隔离度。


(2)同一站点，同一扇区，尽可能不使用邻频进行组网，尽可能地使其错开一个角度，以保证服务扇区内的注册频点为最佳。


(3)同一站点，同一扇区，不可以使用同频。


(4)同一站点，相邻扇区，不可以使用同频。在高性能天线的情况下，如果终端(SU)的位置不在相邻两个扇区交叠边缘的前提下，可以使用同频交叉极化的方式。


(5)同一站点，相背扇区，在基站天线前后隔离度满足30 dB的要求时，可以使用相同极化的同频。
针对免许可证频段，IEEE 802.16协议还规定了动态频率选择方案，同时，WiMAX系统可以支持多输入多输出(MIMO)、智能天线、正交频分多址(OFDMA)等技术，以降低频率干扰、增加网络容量。

1.2 认证计费
认证计费系统是WiMAX网络的重要组成部分，即认证、授权和计帐(AAA)是网络安全策略的一个组成部分。典型的宽带用户AAA接入控制的实现过程如下：用户端设备→AAA客户机→AAA服务器→计费系统。WiMAX网络用户认证过程也采取类似的方案。AAA客户机到AAA服务器之间通常采用远程拨号用户认证(RADIUS)协议；AAA服务器和计费系统一般集中建设，以支持用户漫游和减少建设成本；用户端设备和AAA客户机(如宽带接入服务器)之间多采用PPPoE、802.1X、Web认证。


目前，WiMAX网络组建可以采用单独建网、数据城域网叠加、移动蜂窝网叠加等几种方案，因此WiMAX网络的AAA客户机、AAA服务器和计费系统可以借用现有网络的实现技术或直接采用现有网络对应设备，以实现资源共享，降低网络设备投资。

1.3 移动性管理
WiMAX网络具备支持漫游、移动业务的能力，其移动性管理方式对于网络结构影响也是比较大的。移动管理主要功能就是在整个服务网络内有效地支持终端站的漫游和移动，涉及位置管理和切换管理两部分。其中，位置管理主要是确认合法终端所处网络位置，以便在业务启动时，迅速建立业务路由；切换管理则是在终端移动状态下，保障激活业务的服务和质量。

WiMAX终端在漫游、移动情况下实现移动性管理可以采用简单IP(Simple IP)或移动IP(Mobile IP)协议。在Simple IP网络结构下，终端分配的IP地址是动态可变的，但在跨域切换时业务要中断，必须通过应用层的专用协议实现再次连接，只适用于WWW、E-mail等对时间不敏感的业务，不适于大范围移动的实时业务，如IP语音等；在Mobile IP协议下，终端具备永久IP地址，可支持所有类型的IP业务。然而，Mobile IP也存在IPv4地址不足，切换过程中的时延和丢包率难以保障等问题，需要采用地址转换、IPv6、多层切换等方案来解决。

2 WiMAX组网方案

2.1 固定组网模式
在固定应用模式下，WiMAX网络可以叠加在宽带城域网上，核心网功能可以直接映射到现有IP网络的相关设备中，如宽带接入服务器等。网络组网方案涉及两方面：频率规划方案和终端计费认证方案。

由于运营商频率资源有限，因此同样频率资源可以按照波道宽度不同划分出数量不同的独立载波。频率规划方案直接影响系统用户峰值速率、规划地区网络容量，因此需要慎重考虑。以3.5 GHz频段为例，典型载波带宽划分方式是1.75 MHz、3.5 MHz和7 MHz。考虑到多种因素，建议采用3.5 MHz为主来进行频率规划[3]。典型3频点多基站的固定组网方式如图2所示，其中H、V分别表示水平极化和垂直极化。

目前，业内主流认证计费组网方案有3种：PPPoE认证、Web认证和802.1X认证。


(1)基于以太网的点到点协议(PPPoE)，即国际标准RFC2516，是从基于ATM的窄带网引入到宽带以太网，可以应用在xDSL和局域网 (LAN)环境中。PPPoE优点是易管理、支持多种服务、易于流量控制，缺点是效率低、以太网环境下隔离成本高。


(2)Web认证方式需要与动态主机配置协议(DHCP)服务器和门户(Portal)服务器配合使用，优点是无需安装软件、支持门户服务器增值业务、网络成本低，缺点是安全性差。


(3)IEEE 802.1x是基于端口的网络访问控制的标准，如果认证过程失败，端口接入将被阻止。IEEE 802.1x的优点是安全、简洁、易于运营。WiMAX网络在认证计费组网方案上可以优先采用IEEE 802.1x协议。

2.2 移动组网模式
在移动应用模式下，WiMAX网络可以采用叠加于宽带城域网或移动蜂窝网两种方式。网络组网方案需要重点考虑：频率规划方案、终端计费认证方案和移动性管理方案。其中，典型3频点多基站的移动组网方式如图3所示。f1、f2、f3分别表示3个频点。为了实现蜂窝组网，单扇区需要支持MIMO和OFDMA技术。

由于WiMAX网络叠加在宽带城域网实现移动应用可以作为WiMAX网络和移动蜂窝网组网方案的一种特例，因此下面重点讨论WiMAX网络和移动蜂窝网组网方案的网络架构。依据与移动蜂窝系统结合的紧密程度，移动蜂窝网络和WiMAX网络组网方案可以分成松耦合和紧耦合两大类。考虑耦合程度从浅到深，移动蜂窝网络和 WiMAX网络可以有6个工作模式：

(1)统一计费和用户管理模式。
(2)基于移动蜂窝网络的WiMAX网络认证和计费模式。
(3)WiMAX网络接入移动蜂窝网络的标准分组域业务模式。
(4)业务一致性和连续性的模式。
(5)无缝的分组域业务切换模式。
(6)WiMAX接入到移动蜂窝标准电路域模式。

前两种模式属于松耦合，后4种模式属于紧耦合(WiMAX和3G融合组网图如图4所示)。

在模式(1)中，在两个系统间外挂一个附加的网络，AAA在附加网络中实现，完成鉴权和计费的功能；在模式(2)中，WiMAX作为移动蜂窝网络互补网络，其认证和计费需要用移动蜂窝网络的归属位置寄存器(HLR)和AAA等，WiMAX流量出口直接连接到城域网；在模式(3)中，WiMAX认证和计费与模式(2)类似，其业务流量出口将由移动蜂窝网络的分组域网关负责；在模式(4)中，WiMAX网络可以直接访问移动蜂窝网络所有业务；在模式(5)中，WiMAX网络切换要受移动蜂窝网络的控制，其VoIP语音业务可以切换到移动蜂窝网络中；在模式(6)中，WiMAX网络无线资源和移动蜂窝网络中无线资源将被统一调度。


从上述情况看，WiMAX组网可以先期考虑采用模式(1)，再通过移动蜂窝网络升级，逐步演进到模式(4)、模式(5)，模式(6)是终极发展目标。 WiMAX终端认证计费功能都在移动蜂窝系统中相应的设备中实现。在松耦合场景下，WiMAX移动性管理由WiMAX专有设备实现，而在紧耦合场景下，移动蜂窝中的设备也要参与WiMAX终端的移动性管理。


3 WiMAX无线组网方式的演进
WiMAX技术处于发展过程中，其无线组网方式预计将经过4个阶段：室外接入、室内接入、有缝漫游、无缝移动。

(1)室外接入
由于基于统一空中标准的解决方案推出时间不长，利用室外接入设备来覆盖大范围的商业用户是一种比较好的运营模式。此时，室外接入系统典型特征是采用 15～23 dBi定向天线技术；基站覆盖范围3～10 km。系统第一阶段的终端接口是10BaseT/RJ11，第二阶段的终端接口是V.35、E1/T1和RS530。

(2)室内接入
在标准设备推出一段时间后，室内接入设备将逐渐开拓居民固定数据接入市场。此时，室内接入系统典型特征是采用5～15 dBi全向或定向天线技术，基站覆盖范围1～3 km，终端接口采用10/100BaseT、USB等接口。

(3)有缝漫游
基于标准协议的基站采用更新的无线技术提高无线覆盖能力。有缝移动宽带无线接入系统典型特征是：终端采用3～7 dBi全向天线；网络存在集中鉴权认证中心；终端服务对象以便携式计算机为主，业务则支持Internet数据接入和少量视讯业务。

(4)无缝移动
无缝移动宽带无线接入系统典型特征是采用基站+基站控制器的方式实现支持无线资源集中管理，另一种组网模式是采用微蜂窝状态下动态频率选择(DFS)机制，充分利用频谱资源。