无线宽带“最后一公里”接入技术一WiMAX

摘要：WiMAX作为一种“最后一公里”无线宽带接入的网络解决方案已得到很多认可。为了深入理解WIMAX(IEEE 802．16)在解决“最后一公里”接入问题上的优势，将对现有的主流宽带接入技术进行分析比较，并展望了WiMAX未来所面临的问题。
关键词：全球微波接入互操作性；IEEE 802．16；“最后一公里”；QoS

0 引言
    随着Internet的爆炸式发展，互联网上的商业应用和多媒体等服务也得以迅猛推广。占用大量带宽资源的业务不断开展，导致对接入网的部署提出了更高的要求，实现接入高速化、宽带化，解决网络瓶颈问题也就成了当务之急。“最后一公里”的接入目前仍是骨干网与城域网的瓶颈，不断寻求大容量、高性价比的宽带接入技术一直是各方的关注焦点。WiMAX(IEEE 802．16)作为面向“最后一公里”接入技术的出现，以其高带宽，低成本，部署灵活等优势，受到业界的追捧，有着重要的现实意义与战略价值。
    为了深入理解WIMAX(IEEE 802．16)在解决“最后一公里”接入问题上的优势，本文将对现有的主流宽带接入技术进行分析比较，并展望了WiMAX的未来所面临的问题。

1 目前主流的宽带接入方式
1．1 ADSL
    ADSI(Asymmetrical IDigital Subscriber Line，非对称数字用户环路)是一种能够通过普通电话线提供宽带数据业务的技术。ADSL方案的最大特点是不用改造传输线路，完全可以利用普通铜质电话线作为传输介质，有效的传输距离在3～5公里范围以内，理论上支持上行速率640kbps到lMbps、下行速率1Mbps到8Mbps的高速数据传输。ADSL标准完善，产品互通性好，能提供QoS保证。
    但由于受骨干网带宽、网站服务器速度以及线路状况的限制并基于经济性等方面的考虑，现阶段运营商在开放AD—SL接入业务时提供的下行带宽一般限制在512kMbps～2Mbps范围内。ADSL的非对称性和带宽可扩展能力差也会严重制约网络多媒体业务的开展。
1．2 FTTX+LAN
    FTTX+LAN接入是采用光纤以太网技术，先铺设光纤到楼或是到小区，而后网线入户。由于采用光纤接入，在抗干扰方面较ADSL方式更加出色，同时LAN接入的上下行速率是相同的，所以不会产生由于上行速率的限制导致干扰的情况。因而具有带宽高、稳定性好、技术成熟等优势，是目前网络技术中性能最佳的接入技术。
    不过，LAN接入无法像ADSL一样，单独为某个用户开通，它需要铺设光纤接入城域网，需要小区综合布线，所以在选择这种接入方式时要考虑所在地是否具备开通条件。

2 无线宽带接入的需求
    在实现“最后一公里”宽带接入方面，多种宽带接入技术可供网络运营商选择。每一项技术都有其优点，并不是在所有市场中都适用，在某些情况下使用这些技术会很不经济。例如，在城市中心区和无光纤资源的小区，若采用FTTX宽带接入方式，网络建设费用和开通成本将会很高；又如采用ADSL作为宽带接入方式，只适用于拥有铜线资源的传统电信运营商，而新兴的电信运营商将受到资源短缺的限制。因而，无线接入以其自由度高、开通快、地理环境适应性强、维护简便和维护费用低等有线接入无法替代的优势，在接入网中的地位越来越高，并已渐渐成为接入市场上的热点技术。
    宽带无线接入的网络架构由无线个域网(WPAN)、无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)、无线广域网(WWAN)等共同组成。其中，IEEE 802．16标准制定了WMAN的技术规范，主要解决“最后一公里”的接入需求。

3 WiMAX协议体系
    WiMAX是IEEE 802．16的代名词，它的全称为全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，适用于2～66GHz频段的空中接口规范，覆盖范围可达50kin，每基站提供的总数据速率最高可达280Mb／s。目前802．16系列标准中，802．16d和802．16e是两个主流的空中接口标准。IEEE 802．16d是固定宽带无线接入系统空中接口规范，不支持移动通信环境；IEEE 802．16e是802．16d的进一步延伸，是固定和移动宽带无线接入系统空中接口规范，支持便携和移动环境，最终支持的移动速度可达．120km/h。
    IEEE802．16协议中定义了两种网络结构：点对多点(PMP)结构和网格(mesh)结构。点对多点结构即一个基站(BS)为多个用户站(SS)提供服务，从基站到用户站的链路称为下行链路，从用户站到基站的链路称为上行链路。业务仅在基站和用户站之间传送。而网格结构与点对多点结构最主要的不同在于，在网格结构中业务可以通过其他用户站转发，也就是说在网格结构中业务可以不通过基站可以直接在用户站之间传送。
    一个完整的802．16系统应包括的网络实体有：用户设备(UE)、用户站(SS)、基站(BS)和核心网(CN)。系统的框架如图l所示。

4 WiMax的应用场景
    WiMAX论坛给出了WiMAX技术的5种应用场景定义，即固定、游牧、便携、简单移动和全移动。
    (1)固定应用场景：固定接入业务是802．16运营网络中最基本的业务模型，包括用户因特网接入、传输承载业务及Wi-Fi热点回程等。
    (2)游牧应用场景：游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中；在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入；在两次不同网络的接入中，传输的数据将不被保留。在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游，并应具备终端电源管理功能。
    (3)便携应用场景：在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小区切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展，从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。当终端进行切换时，用户将经历短时间(最长为2s)的业务中断或者感到一些延迟。切换过程结束后，TCP／IP应用对当前IP地址进行刷新，或者重建lP地址。
    (4)简单移动应用场景：在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到60km／h～120km／h时，数据传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程中，数据包的丢失将控制在一定范围内，在最差的情况下，TCP／IP会话不中断，但应用层业务可能有一定的中断。切换完成后，QoS将重建到初始级别。简单移动和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。移动数据业务是移动场景(包括简单移动和全移动)的主要应用，包括目前被业界广泛看好的移动E—mail、流媒体、可视电话、移动游戏、移动VoIP(MVoIP)等业务，同时它们也是占用无线资源较多的业务。
    (5)全移动应用场景：在这一场景下，用户可以在移动速度为120km／h甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。

5 WiMAX的QOS机制
    802．16x标准的MAC层支持不佳的用户环境，能够应用于在每个信道上可能有成百上千个用户的环境。802．16MAC具有带宽分配和QoS机制。802．16的MAC层是靠同意、请求协议接入媒体的，它支持不同档次的服务。WiMAX可以向用户提供具有QoS性能的数据、视频、话音(VoIP)业务。WiMAX可以提供三种等级的服务：CBR(ConstantBi—tRate)、CIR(CommittedRate)、BE(BestEffort)。CBR的优先级最高，任何情况下网络操作者与服务提供商以高优先级、高速率及低延时为用户提供服务，保证用户订购的带宽。CIR的优先级次之，网络操作者以约定的速率提供，但速率超过规定的峰值时，优先级会降低，还可以根据设备带宽资源情况向用户提供更大的传输带宽。BE的优先级更低，这种服务类似于传统IP网络的尽力而为的服务，网络不提供优先级与速率的保证。在系统满足其他用户较高优先级业务的条件下，尽力为用户提供传输带宽。

6 亟待解决的问题
6．1 如何与现有网络的相互融合问题
    目前WiMAX产品主要还是一种接入和传输手段，802．16—2004也只是规定空中的接口问题，对于业务、用户的认证、计费等在标准上还没有一个统一的考虑。在这种情况下，如何利用现有的核心网络完成用户认证管理、计费平台的统一是WiMAX产品作为一种新的“最后一公里”解决方案的一个关键问题。
6．2 如何解决室内覆盖问题
    作为一个无线系统，不能只实现室外覆盖，否则会产生极高的安装成本，这些成本包括直接的材料和安装费用成本，还包括其它的成本，如物业、安装位置的租赁费用等。另外，室外型的安装方式也大大地限制了潜在用户的范围，限制了运营商的客户发展。而要实现室内覆盖，需要有足够的链路余量，具体到WiMAX产品，就需要AAS、STC、子载波等技术能够快速地集成到WiMAX产品当中。
6．3 如何解决网络安全问题
    在安全性上，MAC层中有一个专用子层提供认证、保密和加密功能。但是要想真正保证WiMAX的安全性，还必须扩大安全子层，对管理信息进行加密；规范授权SA；规范随机数发生器；改善密钥管理；实现包括WLAN、WAPI等的无线多网互通安全机制报告，最后还要考虑与2G、3G系统共用AAA体系的过程。

7 结束语
    WiMAX作为一种“最后一公里”无线宽带接入的网络解决方案已得到很多运营商的认可。随着网上多媒体技术的日益应用发展，传输速率更高的无线网络设备将会涌现，无线宽带网设备和服务的投资前景将会非常乐观。在无线宽带网用户和国际众多运营商的推动下，未来几年内，高速WiMAX网络的应用将会成为未来网络的技术主流之一。