無線城域網技術中的IEEE802.16和WiMAX

2019-11-05 02:42:27

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　　摘要：無線城域網技術是繼無線局域網之后出現的又一項寬帶無線接入技術。就無線城域網技術為何會緊跟無線局域網技術之后出現，８０２．１６標準的基本內容，以及ＷｉＭＡＸ論壇的使命等問題展開深入討論。首先具體介紹了ＩＥＥＥ８０２．１６標準的由來、應用范圍、物理層特點以及ＭＡＣ層特點等，然后從覆蓋、可擴展性和ＱｏＳ三個方面與８０２．１１標準做了比較。在對ＷｉＭＡＸ論壇進行了詳盡的介紹后，從多個角度分析了８０２．１６標準的應用前景。
　　
　　要害詞：８０２．１６，ＷｉＭＡＸ，８０２．１１，互操作，ＢＷＡ
　　
　　在無線局域網（ＷＬＡＮ）勢頭正勁之際，最近又出現了無線城域網（ＭＡＮ）技術。與為無線局域網制定８０２．１１標準一樣，ＩＥＥＥ為無線城域網推出了８０２．１６標準，同時業界也成立了類似ＷｉＦｉ聯盟的ＷｉＭＡＸ論壇。無線城域網技術為何會緊跟ＷＬＡＮ之后出現？８０２．１６是一個什么樣的標準？ＷｉＭＡＸ的使命又是什么？這些就是本文所關注的要點。
　　
　　一、IEEE 802.16標準
　　最早的ＩＥＥＥ８０２．１６標準是在２００１年１２月獲得批準的，是針對１０～６６ＧＨｚ高頻段視距（ＬＯＳ）環境而制定的無線城域網標準。但目前所說的８０２．１６標準主要包括８０２．１６ａ、８０２．１６ＲｅｖＤ和８０２．１６ｅ三個標準。８０２．１６ａ是為工作在２～１１ＧＨｚ頻段的非視距（ＮＬＯＳ）寬帶固定接入系統而設計的，在２００３年１月被ＩＥＥＥ批準通過；８０２．１６ＲｅｖＤ是８０２．１６ａ的增強型，主要目的是支持室內用戶駐地設備（ＣＰＥ），預期將在２００４年第三季度得到批準；８０２．１６ｅ是ＩＥＥＥ８０２．１６ａ／ｄ的進一步延伸，其目的是在已有標準中增加數據移動性，估計要到２００５年下半年才能被批準。
　　
　　無線城域網的推出是為了滿足日益增長的寬帶無線接入（ＢＷＡ）市場需求。雖然多年來８０２．１１ｘ技術一直與許多其他專有技術一起被用于ＢＷＡ，并獲得很大成功，但是ＷＬＡＮ的總體設計及其提供的特點并不能很好地適用于室外的ＢＷＡ應用。當其用于室外時，在帶寬和用戶數方面將受到限制，同時還存在著通信距離等其他一些問題?；谏鲜銮闆r，ＩＥＥＥ決定制定一種新的、更復雜的全球標準，這個標準應能同時解決物理層環境（室外射頻傳輸）和ＱｏＳ兩方面的問題，以滿足ＢＷＡ和“最后一英里”接入市場的需要。有了這樣一個全球標準，就能使通信公司和服務提供商通過建設新的無線城域網來為目前仍然缺少寬帶服務的企業與住宅提供服務。
　　
　　符合８０２．１６標準的設備可以在“最后一英里”寬帶接入領域替代ＣａｂｌｅＭｏｄｅｍ、ＤＳＬ和Ｔ１／Ｅ１，也可以為８０２．１１熱點提供回傳。新標準規范了一個支持諸如話音和視像等低時延應用的協議，在用戶終端和基站（ＢＴＳ）之間答應非視距的寬帶連接，一個基站可支持數百上千個用戶，在可靠性和ＱｏＳ方面提供電信級的性能。總之，它充分考慮了為全世界通信公司和服務提供商設計一個可擴展、長距離、大容量“最后一英里”無線通信系統的需要，可支持一整套的服務，從而使服務提供商能夠在降低設備成本和投資風險的同時提高系統性能和可靠性，有助于加速無線寬帶設備向市場的投放以及“最后一英里”寬帶在世界各地的部署。ＢＷＡ應用包括住宅寬帶接入、用于ＳＯＨＯ和小企業的ＤＳＬ級業務、用于企業的Ｔ１／Ｅ１級業務（所有這些不僅支持數據，而且還支持話音和視像），還包括用于熱點的無線回傳和蜂窩小區基站回傳業務等，如圖１所示。
　　
　　圖1 802.16的BWA應用
　　　無線城域網技術中的IEEE802.16和WiMAX（圖一）

　　
　　８０２．１６ａ、８０２．１６ＲｅｖＤ和８０２．１６ｅ這三個標準的物理層（ＰＨＹ）和媒體接入控制層（ＭＡＣ）是相同的。目前它們所選定的物理層規范是２５６點ＦＦＴＯＦＤＭＰＨＹ（與ＥＴＳＩＮｉｐｅｒＭＡＮ相同）。其他物理層規范將在今后市場需要時再制定。
　　
　　選用ＯＦＤＭ是由于它在保持高頻譜效率、最大限度利用可用頻譜的同時還具備支持非視距性能的能力。在ＣＤＭＡ的情況下，為了保證處理增益能夠克服干擾，射頻帶寬必須比數據吞吐量大許多。這對低于１１ＧＨｚ的寬帶無線顯然是不切實際的，因為假如數據速率高達７０Ｍｂｉｔ／ｓ，就需要射頻帶寬超過２００ＭＨｚ才能提供相應的處理增益和非視距能力。
　　
　　為了在各種信道環境下提供可靠的性能，８０２．１６物理層還具備以下一些特點：靈活的信道寬度、自適應突發信號輪廓、采用Ｒｅｅｄ－Ｓｏｌｏｍｏｎ與卷積級聯碼的前向糾錯、任選的先進天線系統（ＡＡＳ）（可改善距離／容量）、動態頻率選擇（ＤＦＳ）（可幫助減小干擾）、空時編碼（ＳＴＣ）（通過空間分集提高在衰落環境下的性能）。表１給出了ＩＥＥＥ８０２．１６標準的一些物理層特點。
　　表1 802.16的物理層特點
　　　無線城域網技術中的IEEE802.16和WiMAX（圖二）

　　上述特點對室外ＢＷＡ的基本運行是必要的要求，非凡是一個標準要想真正適應世界各國的情況，就需要靈活的信道寬度。這是因為對設備可以工作在什么頻率以及使用什么寬度的信道各國的治理辦法并不相同。在需要牌照的頻譜上，運營商必須為每一ＭＨｚ付錢，因此所建的系統一定要把所分配的頻譜用足，并具有適應蜂窩結構或單基站結構的靈活性。假如運營商獲得１４ＭＨｚ頻譜，并為此付了錢，它們就不希望系統的信道寬度為６ＭＨｚ，因為這將浪費２ＭＨｚ的頻譜。它們希望系統可以采用７ＭＨｚ、３．５ＭＨｚ，甚至１．７５ＭＨｚ的信道來建網。
　　
　　由于各種無線網基本上都是工作在共享媒體上，必然需要一種控制用戶單元接入媒體的機制。８０２．１６的ＭＡＣ層使用由基站安排的ＴＤＭＡ協議在點到多點的網絡拓撲中給用戶分配容量。采用這種ＴＤＭＡ接入機制以后，８０２．１６系統不僅能夠提供具有服務水平協定（ＳＬＡ）的高速數據業務，而且還能提供對時延敏感的業務（如話音、視像或數據庫訪問等），并具備ＱｏＳ控制能力，不僅僅是控制優先等級，而且所設計的ＭＡＣ層還能適應雜亂的物理層環境，即在室外工作時碰到的干擾、快衰落和其他現象（見表２）。
　　表2 802.16的MAC層特點
　　　無線城域網技術中的IEEE802.16和WiMAX（圖三）

　　二、IEEE 802.16與IEEE 802.11的比較
　　表３列出了ＩＥＥＥ８０２．１６與ＩＥＥＥ８０２．１１的比較。從中可以看出，其最大差別在于覆蓋、可擴展性和ＱｏＳ。下面分別加以敘述。
　　
　　表3 IEEE 802.16與IEEE 802.11的比較
　　　無線城域網技術中的IEEE802.16和WiMAX（圖四）

　　１．覆蓋
　　
　?。福埃玻保稑藴适菫樵诟鞣N傳播環境（包括視距、近視距和非視距）中獲得最優性能而設計的。即使在鏈路狀況最差的情況下，也能提供可靠的性能。ＯＦＤＭ波形在２～４０ｋｍ的通信距離上支持高頻譜效率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ），在一個射頻內速率可高達７０Ｍｂｉｔ／ｓ。可以采用先進的網絡拓撲（網狀網）和天線技術（波束成形、ＳＴＣ、天線分集）來進一步改善覆蓋。這些先進技術也可用來提高頻譜效率、容量、復用以及每射頻信道的平均與峰值吞吐量。此外，不是所有的ＯＦＤＭ都是相同的。為ＢＷＡ設計的ＯＦＤＭ具有支持較長距離傳輸和處理多徑或反射的能力。
　　
　　相反，ＷＬＡＮ和８０２．１１系統在它們的核心不是采用基本的ＣＤＭＡ，就是使用設計大不相同的ＯＦＤＭ。它們的設計要求是低功耗，因此必然限制了通信距離。ＷＬＡＮ中的ＯＦＤＭ是按照系統覆蓋數十米或幾百米設計的，而８０２．１６被設計成高功率，ＯＦＤＭ可覆蓋數十公里。
　　
　?。玻?可擴展性
　　
　　在物理層，８０２．１６支持靈活的射頻信道帶寬和信道復用（頻率復用），當網絡擴展時，可以作為增加小區容量的一種手段。此標準還支持自動發送功率控制和信道質量測試，可以作為物理層的附加工具來支持小區規劃和部署以及頻譜的有效使用。當用戶數增加時，運營商可通過扇形化和小區分裂來重新分配頻譜。還有，此標準對多信道帶寬的支持使設備制造商能夠提供一種手段，以適應各國政府對頻譜使用和分配的獨特管制辦法，這是世界各地的運營商都面臨的一個問題。ＩＥＥＥ８０２．１６標準規定的信道寬度為１．７５～２０ＭＨｚ，在這中間還可以有許多選擇。
　　
　　但是，基于ＷｉＦｉ的產品要求每一信道至少為２０ＭＨｚ（８０２．１１ｂ中規定在２．４ＧＨｚ頻段為２２ＭＨｚ），并規定只能工作在不需牌照的頻段上，包括２．４ＧＨｚＩＳＭ、５ＧＨｚＩＳＭ和５ＧＨｚＵＮＩＩ。
　　
　　在ＭＡＣ層，８０２．１１的基礎是ＣＳＭＡ／ＣＡ，基本上是一個無線以太網協議，其擴展能力較差，類似于以太網。當用戶增加時，吞吐量就明顯減小。而８０２．１６標準中的ＭＡＣ層卻能在一個射頻信道內從一個擴展到數百個用戶。這是８０２．１１ＭＡＣ不可能做到的。
　　
　　３．ＱｏＳ
　　
　?。福埃玻保兜模停粒脤邮强客猓埱髤f議來接入媒體的，它支持不同的服務水平（如專用于企業的Ｔ１／Ｅ１和用于住宅的盡力而為服務）。此協議在下行鏈路采用ＴＤＭ數據流，在上行鏈路采用ＴＤＭＡ，通過集中調度來支持對時延敏感的業務，如話音和視像等。由于確保了無碰撞數據接入，８０２．１６的ＭＡＣ層改善了系統總吞吐量和帶寬效率，并確保數據時延受到控制，不致太大（相反，ＣＳＭＡ／ＣＡ沒有這種保證）。ＴＤＭ／ＴＤＭＡ接入技術還使支持多播和廣播業務變得更輕易。

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