无线城域网技术中的IEEE802.16和WiMAX

摘要：无线城域网技术是继无线局域网之后出现的又一项宽带无线接入技术。就无线城域网技术为何会紧跟无线局域网技术之后出现，８０２．１６标准的基本内容，以及ＷｉＭＡＸ论坛的使命等问题展开深入讨论。首先具体介绍了ＩＥＥＥ８０２．１６标准的由来、应用范围、物理层特点以及ＭＡＣ层特点等，然后从覆盖、可扩展性和ＱｏＳ三个方面与８０２．１１标准做了比较。在对ＷｉＭＡＸ论坛进行了详尽的介绍后，从多个角度分析了８０２．１６标准的应用前景。
要害词：８０２．１６，ＷｉＭＡＸ，８０２．１１，互操作，ＢＷＡ
在无线局域网（ＷＬＡＮ）势头正劲之际，最近又出现了无线城域网（ＭＡＮ）技术。与为无线局域网制定８０２．１１标准一样，ＩＥＥＥ为无线城域网推出了８０２．１６标准，同时业界也成立了类似ＷｉＦｉ联盟的ＷｉＭＡＸ论坛。无线城域网技术为何会紧跟ＷＬＡＮ之后出现？８０２．１６是一个什么样的标准？ＷｉＭＡＸ的使命又是什么？这些就是本文所关注的要点。
一、IEEE 802.16标准
最早的ＩＥＥＥ８０２．１６标准是在２００１年１２月获得批准的，是针对１０～６６ＧＨｚ高频段视距（ＬＯＳ）环境而制定的无线城域网标准。但目前所说的８０２．１６标准主要包括８０２．１６ａ、８０２．１６ＲｅｖＤ和８０２．１６ｅ三个标准。８０２．１６ａ是为工作在２～１１ＧＨｚ频段的非视距（ＮＬＯＳ）宽带固定接入系统而设计的，在２００３年１月被ＩＥＥＥ批准通过；８０２．１６ＲｅｖＤ是８０２．１６ａ的增强型，主要目的是支持室内用户驻地设备（ＣＰＥ），预期将在２００４年第三季度得到批准；８０２．１６ｅ是ＩＥＥＥ８０２．１６ａ／ｄ的进一步延伸，其目的是在已有标准中增加数据移动性，估计要到２００５年下半年才能被批准。
无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入（ＢＷＡ）市场需求。虽然多年来８０２．１１ｘ技术一直与许多其他专有技术一起被用于ＢＷＡ，并获得很大成功，但是ＷＬＡＮ的总体设计及其提供的特点并不能很好地适用于室外的ＢＷＡ应用。当其用于室外时，在带宽和用户数方面将受到限制，同时还存在着通信距离等其他一些问题。基于上述情况，ＩＥＥＥ决定制定一种新的、更复杂的全球标准，这个标准应能同时解决物理层环境（室外射频传输）和ＱｏＳ两方面的问题，以满足ＢＷＡ和“最后一英里”接入市场的需要。有了这样一个全球标准，就能使通信公司和服务提供商通过建设新的无线城域网来为目前仍然缺少宽带服务的企业与住宅提供服务。
符合８０２．１６标准的设备可以在“最后一英里”宽带接入领域替代ＣａｂｌｅＭｏｄｅｍ、ＤＳＬ和Ｔ１／Ｅ１，也可以为８０２．１１热点提供回传。新标准规范了一个支持诸如话音和视像等低时延应用的协议，在用户终端和基站（ＢＴＳ）之间答应非视距的宽带连接，一个基站可支持数百上千个用户，在可靠性和ＱｏＳ方面提供电信级的性能。总之，它充分考虑了为全世界通信公司和服务提供商设计一个可扩展、长距离、大容量“最后一英里”无线通信系统的需要，可支持一整套的服务，从而使服务提供商能够在降低设备成本和投资风险的同时提高系统性能和可靠性，有助于加速无线宽带设备向市场的投放以及“最后一英里”宽带在世界各地的部署。ＢＷＡ应用包括住宅宽带接入、用于ＳＯＨＯ和小企业的ＤＳＬ级业务、用于企业的Ｔ１／Ｅ１级业务（所有这些不仅支持数据，而且还支持话音和视像），还包括用于热点的无线回传和蜂窝小区基站回传业务等，如图１所示。
图1 802.16的BWA应用
　
８０２．１６ａ、８０２．１６ＲｅｖＤ和８０２．１６ｅ这三个标准的物理层（ＰＨＹ）和媒体接入控制层（ＭＡＣ）是相同的。目前它们所选定的物理层规范是２５６点ＦＦＴＯＦＤＭＰＨＹ（与ＥＴＳＩＮｉｐｅｒＭＡＮ相同）。其他物理层规范将在今后市场需要时再制定。
选用ＯＦＤＭ是由于它在保持高频谱效率、最大限度利用可用频谱的同时还具备支持非视距性能的能力。在ＣＤＭＡ的情况下，为了保证处理增益能够克服干扰，射频带宽必须比数据吞吐量大许多。这对低于１１ＧＨｚ的宽带无线显然是不切实际的，因为假如数据速率高达７０Ｍｂｉｔ／ｓ，就需要射频带宽超过２００ＭＨｚ才能提供相应的处理增益和非视距能力。
为了在各种信道环境下提供可靠的性能，８０２．１６物理层还具备以下一些特点：灵活的信道宽度、自适应突发信号轮廓、采用Ｒｅｅｄ－Ｓｏｌｏｍｏｎ与卷积级联码的前向纠错、任选的先进天线系统（ＡＡＳ）（可改善距离／容量）、动态频率选择（ＤＦＳ）（可帮助减小干扰）、空时编码（ＳＴＣ）（通过空间分集提高在衰落环境下的性能）。表１给出了ＩＥＥＥ８０２．１６标准的一些物理层特点。
表1 802.16的物理层特点
　
上述特点对室外ＢＷＡ的基本运行是必要的要求，非凡是一个标准要想真正适应世界各国的情况，就需要灵活的信道宽度。这是因为对设备可以工作在什么频率以及使用什么宽度的信道各国的治理办法并不相同。在需要牌照的频谱上，运营商必须为每一ＭＨｚ付钱，因此所建的系统一定要把所分配的频谱用足，并具有适应蜂窝结构或单基站结构的灵活性。假如运营商获得１４ＭＨｚ频谱，并为此付了钱，它们就不希望系统的信道宽度为６ＭＨｚ，因为这将浪费２ＭＨｚ的频谱。它们希望系统可以采用７ＭＨｚ、３．５ＭＨｚ，甚至１．７５ＭＨｚ的信道来建网。
由于各种无线网基本上都是工作在共享媒体上，必然需要一种控制用户单元接入媒体的机制。８０２．１６的ＭＡＣ层使用由基站安排的ＴＤＭＡ协议在点到多点的网络拓扑中给用户分配容量。采用这种ＴＤＭＡ接入机制以后，８０２．１６系统不仅能够提供具有服务水平协定（ＳＬＡ）的高速数据业务，而且还能提供对时延敏感的业务（如话音、视像或数据库访问等），并具备ＱｏＳ控制能力，不仅仅是控制优先等级，而且所设计的ＭＡＣ层还能适应杂乱的物理层环境，即在室外工作时碰到的干扰、快衰落和其他现象（见表２）。
表2 802.16的MAC层特点
　
二、IEEE 802.16与IEEE 802.11的比较
表３列出了ＩＥＥＥ８０２．１６与ＩＥＥＥ８０２．１１的比较。从中可以看出，其最大差别在于覆盖、可扩展性和ＱｏＳ。下面分别加以叙述。
表3 IEEE 802.16与IEEE 802.11的比较
　
１．覆盖
８０２．１６标准是为在各种传播环境（包括视距、近视距和非视距）中获得最优性能而设计的。即使在链路状况最差的情况下，也能提供可靠的性能。ＯＦＤＭ波形在２～４０ｋｍ的通信距离上支持高频谱效率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ），在一个射频内速率可高达７０Ｍｂｉｔ／ｓ。可以采用先进的网络拓扑（网状网）和天线技术（波束成形、ＳＴＣ、天线分集）来进一步改善覆盖。这些先进技术也可用来提高频谱效率、容量、复用以及每射频信道的平均与峰值吞吐量。此外，不是所有的ＯＦＤＭ都是相同的。为ＢＷＡ设计的ＯＦＤＭ具有支持较长距离传输和处理多径或反射的能力。
相反，ＷＬＡＮ和８０２．１１系统在它们的核心不是采用基本的ＣＤＭＡ，就是使用设计大不相同的ＯＦＤＭ。它们的设计要求是低功耗，因此必然限制了通信距离。ＷＬＡＮ中的ＯＦＤＭ是按照系统覆盖数十米或几百米设计的，而８０２．１６被设计成高功率，ＯＦＤＭ可覆盖数十公里。
２．可扩展性
在物理层，８０２．１６支持灵活的射频信道带宽和信道复用（频率复用），当网络扩展时，可以作为增加小区容量的一种手段。此标准还支持自动发送功率控制和信道质量测试，可以作为物理层的附加工具来支持小区规划和部署以及频谱的有效使用。当用户数增加时，运营商可通过扇形化和小区分裂来重新分配频谱。还有，此标准对多信道带宽的支持使设备制造商能够提供一种手段，以适应各国政府对频谱使用和分配的独特管制办法，这是世界各地的运营商都面临的一个问题。ＩＥＥＥ８０２．１６标准规定的信道宽度为１．７５～２０ＭＨｚ，在这中间还可以有许多选择。
但是，基于ＷｉＦｉ的产品要求每一信道至少为２０ＭＨｚ（８０２．１１ｂ中规定在２．４ＧＨｚ频段为２２ＭＨｚ），并规定只能工作在不需牌照的频段上，包括２．４ＧＨｚＩＳＭ、５ＧＨｚＩＳＭ和５ＧＨｚＵＮＩＩ。
在ＭＡＣ层，８０２．１１的基础是ＣＳＭＡ／ＣＡ，基本上是一个无线以太网协议，其扩展能力较差，类似于以太网。当用户增加时，吞吐量就明显减小。而８０２．１６标准中的ＭＡＣ层却能在一个射频信道内从一个扩展到数百个用户。这是８０２．１１ＭＡＣ不可能做到的。
３．ＱｏＳ
８０２．１６的ＭＡＣ层是靠同意／请求协议来接入媒体的，它支持不同的服务水平（如专用于企业的Ｔ１／Ｅ１和用于住宅的尽力而为服务）。此协议在下行链路采用ＴＤＭ数据流，在上行链路采用ＴＤＭＡ，通过集中调度来支持对时延敏感的业务，如话音和视像等。由于确保了无碰撞数据接入，８０２．１６的ＭＡＣ层改善了系统总吞吐量和带宽效率，并确保数据时延受到控制，不致太大（相反，ＣＳＭＡ／ＣＡ没有这种保证）。ＴＤＭ／ＴＤＭＡ接入技术还使支持多播和广播业务变得更轻易。