Wi-Fi与WiMAX在宽带无线接入方面的对比分析
时间：2007-12-03 10:48:00
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[导读]通过对现有的主流技术 Wi-Fi和 WiMAX在宽带无线接入方面的比较分析，找出其各自的优缺点，从而得出Wi-Fi与WiMAX相互配合成为“最后一公里”问题的解决方案。
通过对现有的主流技术 Wi-Fi和 WiMAX在宽带无线接入方面的比较分析，找出其各自的优缺点，从而得出Wi-Fi与WiMAX相互配合成为“最后一公里”问题的解决方案。
当前有线接入技术主要有高速数字环路(xDSL)、光纤接入方式、双向混合光纤/同轴电缆(HFC)等，这些技术在面临一些边远地区时无不面临着距离太远难于部署，或者部署起来太困难以致代价过于昂贵等诸多困难。与此相比，目前主流的宽带无线接入(BWA)技术Wi-Fi与WiMAX就恰好可以解决这样的问题。下面主要讨论Wi-Fi与WiMAX在技术上的不同以及两者如何配合来形成一个良好地“最后一公里”问题的解决方案。
1、现状
宽带无线接入主要面临三方面的问题，即回程、接入和覆盖。如果说具有高增益天线的Wi-Fi网络可以解决接入问题，以Mesh网形式部署的IEEE 802.11热区可以解决覆盖问题，那么回程问题该如何解决呢?一是采用传统的有线回程，但这种方法成本很高，而且目前还没有统一的标准可以实施，其回程的具体实施形式也是五花八门;二是采用WiMAX技术。
Wi-Fi，也就是IEEE 802.11，由于最初是为无线局域网而设计的，所以在面对宽带无线接入上会有一些问题，例如AP间的通讯缺乏统一的标准，昂贵的回程消耗，在缺少QoS的情况下不能提供优质的VoIP服务等等。根据物理层的不同，目前广泛使用的有三个版本的802.11协议，分别是802.11a、802.11b和802.11g。在实施形式上主要有两种，一是具有定向天线的Wi-Fi，一是具有Mesh网络拓扑结构的Wi-Fi。前者用作解决DSL(Digital Subscriber Line)和DOCSIS(Data Over Cable Interface Specification)的接入问题，但仍受限于距离不能过长，而且缺乏QoS和统一的设备标准也限制了这种方式的可扩展性。后者解决了覆盖问题，并且Mesh网络拓扑结构较定向天线的结构具有更好的可扩展性，但是缺乏QoS和内部AP缺乏统一标准也限制了Mesh网络拓扑结构更进一步的发展。这两种Wi-Fi的部署形式最高可以提供54Mbps的传输速率，覆盖范围可以超过10公里。
WiMAX，也就是IEEE 802.16，目前具有两种形式，一是解决固定接入的802.16-2004，一是解决移动接入的802.16e。虽然WiMAX出现的时间不长，但发展态势良好，最近又被ITU接受为3G标准之一，解决了无固定频率问题，为WiMAX的进一步发展奠定了基础。
2、Wi-Fi在宽带无线接入方面的方案
Wi-Fi的宽带无线接入方面主要有两种方案：具有高增益定向天线的固定式接入和具有Mesh网络的热区式接入。在频率方面，802.11a在AP到AP的通讯间采用5GHz频率，802.11b和802.11g在热区内采用2.4GHz频率。在调频模块上三者也有不同，802.11b采用DSSS(直接序列扩展频谱)，支持带宽最高可达11Mbps;802.11a和802.11g采用OFDM(正交频分复用技术)，支持带宽最高可达54Mbps，而且OFDM这种调制方式更加适合室外的环境。
802.11标准提供64个子载波，这些子载波从BS(base station)或AP发出，在SS(subscriber station)或client重新组合，采用DSSS技术的802.11b，在非视距情况下(NLOS：non-line-of-sight)下，载波由于被障碍物反射而造成多路干扰(MPI:multi-path interference)，而采用OFDM技术的802.11a和802.11g可以避免大的时延，从而对MPI有良好的抗性。
802.11采用载波监听多路复用/冲突避免(CSMA/CA：carrier-sense,multiple-access/collision-avoidance)协议来解决网络冲突。CSMA/CA的工作机制是在真实数据在网络上发送之前首先由CSMA/CA广播一个信号来监听网络上是否有冲突的情形，并且告诉其他设备不要进行广播。这种协议的弊端是在一个802.11网络中，随着订户数的不断增加，维护每一个订户的开销也不断增大，最终导致网络速度急剧下降。
增加覆盖可以采用定向天线或是全向天线，定向天线只在一个方向发送和接收信号，较适用于点对点的连接;而全向天线是全方位的发送和接收信号，较适用于Mesh网络的情况。
Mesh网络的拓扑结构扩展了传统的有线和无线局域网的范围。在Mesh网络拓扑结构中，每个节点互通互联，并且每个节点间共享通讯协议，Mesh网络基础架构将基于802.11a,802.11b,802.11g协议的节点互相连接起来。由于802.11a采用5GHz频率，不会与适用2.4GHz频率的802.11b和802.11g相互叠加，所以用于AP与AP之间的连接，而AP与客户端的连接通常使用802.11b或802.11g。Mesh网络有时也被称作“多跳”网络，数据可以在多个节点间有效地传递，当一个节点受阻时，数据可以选择从其他的路径传递下去，而且随着节点的增减或已有节点位置的改变，Mesh网络还具有自适应性。
相对于单跳的802.11网络，Mesh网络有其自身的特点：
1、平衡负载，Mesh网络可以提供更大的冗余度以利负载平衡。在比较繁忙的网络，例如有两台设备进行大数据量的通讯，每台设备附近都有许多节点可供选择，创建多条路径来平衡负载。而单跳网络则没有动态调整的能力。
1、健壮性，因为Mesh网络不像单跳网络，仅仅依靠一个节点，一旦某个节点出现故障或者有冲突发生，Mesh网络可以继续工作，数据也可选择替代路径继续传递。
2、空间的复用性，Mesh网络可以充分地利用带宽。在一个单跳环境中，所有设备不得不共享一个节点，如果多台设备同时要求接入网络，那么必然导致速度变慢;而Mesh网络，多设备可以同时接入网络，却通过不同的节点。
总之，Mesh网络的优缺点如下：
优点：满足802.11标准的产品已经广泛使用、对于小范围的部署初始投资有限、不局限于有线网的灵活性
缺点：为了覆盖更大的地区需要建立更多的订阅基站(subscriber base)、共享带宽、延时、外围设备的投入、隐藏节点问题
3、WiMAX在宽带无线接入方面的方案
IEEE 802.16-2004标准的设计初衷是解决固定接入的问题，而IEEE 802.16e则面向移动设备如何接入WiMAX网络而设计的。前者的调制方式时OFDM，后者的调制方式是OFDMA,与OFDM的相同之处在于都把载波分割为多个子载波，不同之处在于OFDMA比OFDM更进一步，经多个子载波再合并为子信道。
802.16-2004 媒体接入控制层(MAC)为长距离的连接做过优化，可以容忍更长的时延以及时延的变化。在无需照牌频率范围内WiMAX设备使用时分双工通讯模式(TDD)，在需牌照频率范围内可以使用时分双工通讯模式(TDD) ，也可以使用频分双工模式(FDD)。
在802.16-2004标准下，OFDM信号分为256个子载波，而不想802.11那样分成64个。
802.16-2004和802.11的物理层(PHY)都做出了容忍延时的设计，由于802.11标准设计传送距离是100米，所以它仅仅能够容忍900纳秒的时延，而802.16-2004则可以容忍10毫秒的时延，几乎是802.11标准的1000倍。
与802.11不同，802.16采用一种称为授权请求接入的协议，这种协议不会允许数据冲突，因此可以更加有效地利用带宽，除此之外，802.16较802.11的优越之处还包括：
1、改进用户的连接，凭借802.16-2004标准灵活的带宽设置，比起固定为20MHz的信道宽的802.11标准，802.16-2004可以服务更多的低速率用户而无需浪费带宽。这样可以比802.11明显提高用户的在线率。
2、高质量的服务，802.16-2004既可以为商业客户提供更高的带宽、为语音和视频应用提供低延时，也可以为家庭用户提供便宜的低速接入服务。
3、802.16-2004的设计初衷就是满足无线城域网的要求，所以对WMAN提供全力支持。
4、健壮的载波级操作，随着用户数量的增减，线性地影响上网速度，而不像802.11那样会有剧烈地变化。
当SS与BS之间的距离增加时，或者SS开始移动时，在SS和BS之间的数据传输就可能失败。尤其像那种功率很小的笔记本电脑在宽频条件下很难在较远距离处与BS进行通信。例如802.11的信道就带宽固定为20MHz，而与此相对第三代移动通讯限制带宽大概在1.5MHz。802.16-2004和802.16e则有着灵活的信道带宽，范围在1.5-20MHz之间。利用智能天线的帮助，还可以提高频普密度和信噪比，前景广阔。
总之，WiMAX的优缺点如下：
优点：内建的QoS、高性能、标准统一、有智能天线支持
缺点：新技术，还不成熟
4、结论
在Wi-Fi Mesh网络的基础上，WiMAX能够允许更多的无线接入的数量、更加经济的回程方式和更快的接入性能，有望融合Wi-Fi网络，与其相互配合成为“最后一公里”的解决方案。
参考文献:
[1] 马建峰，朱建明，等.无线局域网安全——方法与技术[M]. 北京：机械工业出版社 2005
[2] IEEE 802.11a Supplement to IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 1999
[3] IEEE 802.11b Supplement to IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 1999
[4] IEEE 802.11g IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information
exchange between systems - Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 2003
[5] IEEE 802.16-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 2004
[6] IEEE 802.16e IEEE Standard for Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 2005
[7] Intel Understanding Wi-Fi and WiMAX as MetroAccess Solutions[R] 美国 Intel 2005
当前有线接入技术主要有高速数字环路(xDSL)、光纤接入方式、双向混合光纤/同轴电缆(HFC)等，这些技术在面临一些边远地区时无不面临着距离太远难于部署，或者部署起来太困难以致代价过于昂贵等诸多困难。与此相比，目前主流的宽带无线接入(BWA)技术Wi-Fi与WiMAX就恰好可以解决这样的问题。下面主要讨论Wi-Fi与WiMAX在技术上的不同以及两者如何配合来形成一个良好地“最后一公里”问题的解决方案。
1、现状
宽带无线接入主要面临三方面的问题，即回程、接入和覆盖。如果说具有高增益天线的Wi-Fi网络可以解决接入问题，以Mesh网形式部署的IEEE 802.11热区可以解决覆盖问题，那么回程问题该如何解决呢?一是采用传统的有线回程，但这种方法成本很高，而且目前还没有统一的标准可以实施，其回程的具体实施形式也是五花八门;二是采用WiMAX技术。
Wi-Fi，也就是IEEE 802.11，由于最初是为无线局域网而设计的，所以在面对宽带无线接入上会有一些问题，例如AP间的通讯缺乏统一的标准，昂贵的回程消耗，在缺少QoS的情况下不能提供优质的VoIP服务等等。根据物理层的不同，目前广泛使用的有三个版本的802.11协议，分别是802.11a、802.11b和802.11g。在实施形式上主要有两种，一是具有定向天线的Wi-Fi，一是具有Mesh网络拓扑结构的Wi-Fi。前者用作解决DSL(Digital Subscriber Line)和DOCSIS(Data Over Cable Interface Specification)的接入问题，但仍受限于距离不能过长，而且缺乏QoS和统一的设备标准也限制了这种方式的可扩展性。后者解决了覆盖问题，并且Mesh网络拓扑结构较定向天线的结构具有更好的可扩展性，但是缺乏QoS和内部AP缺乏统一标准也限制了Mesh网络拓扑结构更进一步的发展。这两种Wi-Fi的部署形式最高可以提供54Mbps的传输速率，覆盖范围可以超过10公里。
WiMAX，也就是IEEE 802.16，目前具有两种形式，一是解决固定接入的802.16-2004，一是解决移动接入的802.16e。虽然WiMAX出现的时间不长，但发展态势良好，最近又被ITU接受为3G标准之一，解决了无固定频率问题，为WiMAX的进一步发展奠定了基础。
2、Wi-Fi在宽带无线接入方面的方案
Wi-Fi的宽带无线接入方面主要有两种方案：具有高增益定向天线的固定式接入和具有Mesh网络的热区式接入。在频率方面，802.11a在AP到AP的通讯间采用5GHz频率，802.11b和802.11g在热区内采用2.4GHz频率。在调频模块上三者也有不同，802.11b采用DSSS(直接序列扩展频谱)，支持带宽最高可达11Mbps;802.11a和802.11g采用OFDM(正交频分复用技术)，支持带宽最高可达54Mbps，而且OFDM这种调制方式更加适合室外的环境。
802.11标准提供64个子载波，这些子载波从BS(base station)或AP发出，在SS(subscriber station)或client重新组合，采用DSSS技术的802.11b，在非视距情况下(NLOS：non-line-of-sight)下，载波由于被障碍物反射而造成多路干扰(MPI:multi-path interference)，而采用OFDM技术的802.11a和802.11g可以避免大的时延，从而对MPI有良好的抗性。
802.11采用载波监听多路复用/冲突避免(CSMA/CA：carrier-sense,multiple-access/collision-avoidance)协议来解决网络冲突。CSMA/CA的工作机制是在真实数据在网络上发送之前首先由CSMA/CA广播一个信号来监听网络上是否有冲突的情形，并且告诉其他设备不要进行广播。这种协议的弊端是在一个802.11网络中，随着订户数的不断增加，维护每一个订户的开销也不断增大，最终导致网络速度急剧下降。
增加覆盖可以采用定向天线或是全向天线，定向天线只在一个方向发送和接收信号，较适用于点对点的连接;而全向天线是全方位的发送和接收信号，较适用于Mesh网络的情况。
Mesh网络的拓扑结构扩展了传统的有线和无线局域网的范围。在Mesh网络拓扑结构中，每个节点互通互联，并且每个节点间共享通讯协议，Mesh网络基础架构将基于802.11a,802.11b,802.11g协议的节点互相连接起来。由于802.11a采用5GHz频率，不会与适用2.4GHz频率的802.11b和802.11g相互叠加，所以用于AP与AP之间的连接，而AP与客户端的连接通常使用802.11b或802.11g。Mesh网络有时也被称作“多跳”网络，数据可以在多个节点间有效地传递，当一个节点受阻时，数据可以选择从其他的路径传递下去，而且随着节点的增减或已有节点位置的改变，Mesh网络还具有自适应性。
相对于单跳的802.11网络，Mesh网络有其自身的特点：
1、平衡负载，Mesh网络可以提供更大的冗余度以利负载平衡。在比较繁忙的网络，例如有两台设备进行大数据量的通讯，每台设备附近都有许多节点可供选择，创建多条路径来平衡负载。而单跳网络则没有动态调整的能力。
1、健壮性，因为Mesh网络不像单跳网络，仅仅依靠一个节点，一旦某个节点出现故障或者有冲突发生，Mesh网络可以继续工作，数据也可选择替代路径继续传递。
2、空间的复用性，Mesh网络可以充分地利用带宽。在一个单跳环境中，所有设备不得不共享一个节点，如果多台设备同时要求接入网络，那么必然导致速度变慢;而Mesh网络，多设备可以同时接入网络，却通过不同的节点。
总之，Mesh网络的优缺点如下：
优点：满足802.11标准的产品已经广泛使用、对于小范围的部署初始投资有限、不局限于有线网的灵活性
缺点：为了覆盖更大的地区需要建立更多的订阅基站(subscriber base)、共享带宽、延时、外围设备的投入、隐藏节点问题
3、WiMAX在宽带无线接入方面的方案
IEEE 802.16-2004标准的设计初衷是解决固定接入的问题，而IEEE 802.16e则面向移动设备如何接入WiMAX网络而设计的。前者的调制方式时OFDM，后者的调制方式是OFDMA,与OFDM的相同之处在于都把载波分割为多个子载波，不同之处在于OFDMA比OFDM更进一步，经多个子载波再合并为子信道。
802.16-2004 媒体接入控制层(MAC)为长距离的连接做过优化，可以容忍更长的时延以及时延的变化。在无需照牌频率范围内WiMAX设备使用时分双工通讯模式(TDD)，在需牌照频率范围内可以使用时分双工通讯模式(TDD) ，也可以使用频分双工模式(FDD)。
在802.16-2004标准下，OFDM信号分为256个子载波，而不想802.11那样分成64个。
802.16-2004和802.11的物理层(PHY)都做出了容忍延时的设计，由于802.11标准设计传送距离是100米，所以它仅仅能够容忍900纳秒的时延，而802.16-2004则可以容忍10毫秒的时延，几乎是802.11标准的1000倍。
与802.11不同，802.16采用一种称为授权请求接入的协议，这种协议不会允许数据冲突，因此可以更加有效地利用带宽，除此之外，802.16较802.11的优越之处还包括：
1、改进用户的连接，凭借802.16-2004标准灵活的带宽设置，比起固定为20MHz的信道宽的802.11标准，802.16-2004可以服务更多的低速率用户而无需浪费带宽。这样可以比802.11明显提高用户的在线率。
2、高质量的服务，802.16-2004既可以为商业客户提供更高的带宽、为语音和视频应用提供低延时，也可以为家庭用户提供便宜的低速接入服务。
3、802.16-2004的设计初衷就是满足无线城域网的要求，所以对WMAN提供全力支持。
4、健壮的载波级操作，随着用户数量的增减，线性地影响上网速度，而不像802.11那样会有剧烈地变化。
当SS与BS之间的距离增加时，或者SS开始移动时，在SS和BS之间的数据传输就可能失败。尤其像那种功率很小的笔记本电脑在宽频条件下很难在较远距离处与BS进行通信。例如802.11的信道就带宽固定为20MHz，而与此相对第三代移动通讯限制带宽大概在1.5MHz。802.16-2004和802.16e则有着灵活的信道带宽，范围在1.5-20MHz之间。利用智能天线的帮助，还可以提高频普密度和信噪比，前景广阔。
总之，WiMAX的优缺点如下：
优点：内建的QoS、高性能、标准统一、有智能天线支持
缺点：新技术，还不成熟
4、结论
在Wi-Fi Mesh网络的基础上，WiMAX能够允许更多的无线接入的数量、更加经济的回程方式和更快的接入性能，有望融合Wi-Fi网络，与其相互配合成为“最后一公里”的解决方案。
参考文献:
[1] 马建峰，朱建明，等.无线局域网安全——方法与技术[M]. 北京：机械工业出版社 2005
[2] IEEE 802.11a Supplement to IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 1999
[3] IEEE 802.11b Supplement to IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 1999
[4] IEEE 802.11g IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information
exchange between systems - Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 2003
[5] IEEE 802.16-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 2004
[6] IEEE 802.16e IEEE Standard for Local and metropolitan area networks[S] 美国 IEEE 2005
[7] Intel Understanding Wi-Fi and WiMAX as MetroAccess Solutions[R] 美国 Intel 2005
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