WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用模式探討

摘要　文章介紹了WiMAX的概念及其特點(diǎn)，對(duì)WiMAX的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，包括體系架構(gòu)、端到端參考模型、網(wǎng)絡(luò)實(shí)體、網(wǎng)絡(luò)接口及其協(xié)議棧模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后探討了WiMAX的應(yīng)用模式及其商業(yè)發(fā)展路線，對(duì)WiMAX的研究和應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1、WiMAX的概念及其特點(diǎn)

隨著通信網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，WiMAX作為一種面向“最后一公里”接入的標(biāo)準(zhǔn)，尤其在目前全球缺乏統(tǒng)一寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)之際，有重要現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。該標(biāo)準(zhǔn)大體可以分為兩種，一種是IEEE 802.16d標(biāo)準(zhǔn)，支持固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)空中接口；另外一種就是目前正在制定中的IEEE 802.16e、支持固定和移動(dòng)性的寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)空中接口標(biāo)準(zhǔn)。

全球微波接入互操作性（WiMAX，World Interopera-bility for Microwave Access）是一項(xiàng)基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入城域網(wǎng)（BWA-MAN）技術(shù)，也可以稱(chēng)為IEEE Wireless MAN。該技術(shù)是針對(duì)微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，其主要目標(biāo)是提供一種在城域網(wǎng)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多廠商環(huán)境下，可有效地互操作的寬帶無(wú)線接入手段。WiMAX具有如下特點(diǎn)：

（1）傳輸距離遠(yuǎn)：無(wú)線信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50km，并能覆蓋半徑達(dá)1.6公里的范圍，是3G基站的10倍。

（2）傳輸速率高：可實(shí)現(xiàn)高達(dá)74.81Mb/s的傳輸速度。

（3）容量高：WiMAX的一個(gè)基站可以同時(shí)接入數(shù)百個(gè)遠(yuǎn)端用戶站。

（4）靈活的信道寬度：WiMAX能在信道寬度和連接用戶數(shù)量之間取得平衡，其信道寬度由1.5MHz到20MHz不等。

（5）QoS性能：可向用戶提供具有QoS性能的數(shù)據(jù)、視頻、話音業(yè)務(wù)。

（6）豐富的多媒體通信服務(wù)：能夠?qū)崿F(xiàn)電信級(jí)的多媒體通信服務(wù)。

（7）保密性：支持安全傳輸，并提供鑒權(quán)與數(shù)字加密等功能。

由于上述特點(diǎn)及其建網(wǎng)快、見(jiàn)效早的優(yōu)點(diǎn)，WiMAX具有重要現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。而且就覆蓋環(huán)境限制及部屬成本考慮，對(duì)于用xDSL、CableModem方式不能有效覆蓋、不便于和不值得部署有線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，WiMAX更是大有用武之地。

2、WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.1　網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系如圖1所示，包括：核心網(wǎng)、用戶基站（SS）、基站（BS）、接力站（RS）、用戶終端設(shè)備（TE）和網(wǎng)管。

圖1　WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

（1）核心網(wǎng)絡(luò)：WiMAX連接的核心網(wǎng)絡(luò)通常為傳統(tǒng)交換網(wǎng)或因特網(wǎng)。WiMAX提供核心網(wǎng)絡(luò)與基站間的連接接口，但WiMAX系統(tǒng)并不包括核心網(wǎng)絡(luò)。

（2）基站：基站提供用戶基站與核心網(wǎng)絡(luò)間的連接，通常采用扇形/定向天線或全向天線，可提供靈活的子信道部署與配置功能，并根據(jù)用戶群體狀況不斷升級(jí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。

（3）用戶基站：屬于基站的一種，提供基站與用戶終端設(shè)備間的中繼連接，通常采用固定天線，并被安裝在屋頂上�；�站與用戶基站間采用動(dòng)態(tài)適應(yīng)性信號(hào)調(diào)制模式。

（4）接力站：在點(diǎn)到多點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)中，接力站通常用于提高基站的覆蓋能力，也就是說(shuō)充當(dāng)一個(gè)基站和若干個(gè)用戶基站（或用戶終端設(shè)備）間信息的中繼站。接力站面向用戶側(cè)的下行頻率可以與其面向激戰(zhàn)的上行頻率相同，當(dāng)然也可以采用不同的頻率。

（5）用戶終端設(shè)備：WiMAX系統(tǒng)定義用戶終端設(shè)備與用戶基站間的連接接口，提供用戶終端設(shè)備的接入。但用戶終端設(shè)備本身并不屬于WiMAX系統(tǒng)。

（6）網(wǎng)管系統(tǒng)：用于監(jiān)視和控制網(wǎng)內(nèi)所有的基站和用戶基站，提供查詢(xún)、狀態(tài)監(jiān)控、軟件下載、系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。

2.2　端到端的參考模型

WiMAX網(wǎng)絡(luò)的參考模型分為非漫游模式和漫游模式，分別如圖2和圖3所示。其功能邏輯組，包括移動(dòng)用戶臺(tái)（MSS）、接入網(wǎng)絡(luò)（ASN）、連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（CSN）和應(yīng)用服務(wù)提供商（ASP）網(wǎng)絡(luò)。與圖2相比，圖3主要增加了CSN之間的R5參考點(diǎn)。另外，WiMAX NWG規(guī)范不定義CSN和ASP之間的接口。

圖2　非漫游模式端到端參考模型

圖3　漫游模式端到端參考模型

2.3　網(wǎng)絡(luò)實(shí)體

（1）接入網(wǎng)絡(luò)

接入網(wǎng)絡(luò)（ASN）由BS和接入網(wǎng)關(guān)（ASN GW）組成（如圖4所示），可以連接到多個(gè)CSN，為不同NSP的CSN提供無(wú)線接入服務(wù)。其中，BS用于處理IEEE 802.16空中接口，包括BS和SS兩種；ASN GW主要處理到CSN的接口功能和ASN的管理。ASN管理IEEE 802.16空中接口，為WiMAX用戶提供無(wú)線接入，主要功能有：發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；在BS和MSS之間建立兩層連接，協(xié)助高層與MSS建立三層連接；ASN內(nèi)尋呼和移動(dòng)性管理；ASN和CSN之間隧道建立和管理；無(wú)線資源管理；存儲(chǔ)臨時(shí)用戶信息列表。

圖4　ASN參考模型

（2）連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)

連接服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)（CSN）可以由路由器、AAA代理或服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備等組成，CSN可作為全新的WiMAX系統(tǒng)的一個(gè)新建網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，也可利用部分現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)CSN功能。CSN為WiMAX用戶提供IP連接，主要功能有：因特網(wǎng)接入，為用戶會(huì)話連接，給終端分配IP地址；AAA代理或者服務(wù)器，用戶計(jì)費(fèi)以及結(jié)算；基于用戶系統(tǒng)參數(shù)的QoS及許可控制；ASN之間的移動(dòng)性管理，ASN和CSN之間的隧道建立和管理；WiMAX服務(wù)，如基于位置的服務(wù)、組播服務(wù)等。

2.4　網(wǎng)絡(luò)接口

WiMAX網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放接口如圖5所示。接口R1至R5為網(wǎng)絡(luò)工作組初步確定了在Release 1規(guī)范中定義的開(kāi)放接口，接口R6至R8為后續(xù)版本中考慮開(kāi)放的接口。各個(gè)接口的定義和功能如圖6所示。

圖5　WiMAX網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放接口

圖6　IEEE 802.16空中接口協(xié)議棧模型

（1）R1：MSS與ASN之間的接口，可能包含管理平面的功能。

（2）R2：MSS與CSN之間的邏輯接口，提供鑒權(quán)、業(yè)務(wù)授權(quán)和IP主機(jī)配置等服務(wù)。此外，可能還包含管理和承載平面的移動(dòng)性管理。

（3）R3：ASN和CSN之間互操作的接口，包括一系列控制和承載平面的協(xié)議。

（4）R4：用于處理ASN GW間移動(dòng)性相關(guān)的一系列控制和承載平面協(xié)議。

（5）R5：拜訪CSN與歸屬CSN之間互操作的一系列控制和承載平面協(xié)議。

（6）R6：BS和ASN GW間的互操作接口，屬于ASN內(nèi)的接口，由一系列控制和承載平面協(xié)議構(gòu)成。

（7）R7：該接口屬于ASN GW內(nèi)部接口，圖5中沒(méi)有標(biāo)注，具體定義還在討論之中。

（8）R8：BS之間的接口，用于快速無(wú)縫切換功能，由一系列控制和承載平面協(xié)議組成。

2.5　協(xié)議棧參考模型

IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)描述了一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)的固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的空中接口�？罩薪涌谟晌锢韺雍蚆AC層組成，見(jiàn)圖6。IEEE 802.16 MAC層能支持多種物理層規(guī)范，以適合各種應(yīng)用環(huán)境。

物理層由傳輸匯聚子層（TCL）和物理媒質(zhì)依賴(lài)子層（PMD）組成，通常說(shuō)的物理層主要是指PMD。物理層定義了兩種雙工方式：時(shí)分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD），這兩種方式都使用突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式，這種傳輸機(jī)制支持自適應(yīng)的突發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，傳輸參數(shù)（調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)射功率等）可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，但是需要MAC層協(xié)助完成。

MAC層分成三個(gè)子層：特定服務(wù)匯聚子層（CS，Service Specific Convergence Sublayer）、公共部分子層（CPS，Common Part Sublayer）、安全子層（PS，Privacy Sublayer）。

（1）CS子層主要功能是負(fù)責(zé)將其業(yè)務(wù)接入點(diǎn)（SAP）收到的外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和映射到MAC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU），并傳遞到MAC層的SAP。協(xié)議提供多個(gè)CS規(guī)范作為與外部各種協(xié)議的接口。

（2）CPS是MAC的核心部分，主要功能包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接建立和連接維護(hù)等。它通過(guò)MAC SAP接收來(lái)自各種CS層的數(shù)據(jù)并分類(lèi)到特定的MAC連接，同時(shí)對(duì)物理層上傳輸和調(diào)度的數(shù)據(jù)實(shí)施QoS控制。

（3）安全子層的主要功能是提供認(rèn)證、密鑰交換和加解密處理。

3、WiMAX的應(yīng)用模式

從技術(shù)特點(diǎn)分析，WiMAX不適合單獨(dú)組網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，從目前運(yùn)營(yíng)商的情況來(lái)看，WiMAX的應(yīng)用模式主要有以下場(chǎng)景。

3.1　固網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)的接入

WiMAX固定應(yīng)用模式采用符合IEEE 802.16d標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，工作頻段根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和國(guó)家的頻率劃分可以為3.5GHz頻段，載波帶寬為3.5MHz。由于技術(shù)的限制，網(wǎng)絡(luò)不支持小區(qū)間的用戶數(shù)據(jù)的切換。終端設(shè)備的形式為固定安裝在室內(nèi)的或可攜帶的調(diào)制解調(diào)器形式。在WiMAX固定應(yīng)用模式中，WiMAX網(wǎng)絡(luò)主要作為IP/E1的承載。在光纖或其他有線資源到位后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以移到其他地方布網(wǎng)。

WiMAX的固定應(yīng)用模式主要包括兩個(gè)方面，如圖7所示：

圖7　WiMAX作為固網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)的接入

（1）家庭寬帶接入市場(chǎng)

作為xDSL方式的互補(bǔ)。由于WiMAX設(shè)備成本呈現(xiàn)逐漸下滑的趨勢(shì)，且用戶峰值接入速率較高，安裝方便，同時(shí)具有一定的便攜能力，因此運(yùn)營(yíng)商可利用WiMAX技術(shù)，在客戶端采用室內(nèi)型CPE，快速進(jìn)入個(gè)人寬帶接入市場(chǎng)，提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（2）商企等大客戶接入市場(chǎng)

大客戶接入主要實(shí)現(xiàn)基于IP和電路業(yè)務(wù)的綜合接入。運(yùn)營(yíng)商可利用WiMAX作為數(shù)字分組網(wǎng)（DDN）、幀中繼（FR）網(wǎng)絡(luò)等有線接入平臺(tái)的補(bǔ)充，在客戶端采用室內(nèi)型或室外型CPE。而新興運(yùn)營(yíng)商或移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可利用寬帶無(wú)線設(shè)備迅速開(kāi)展業(yè)務(wù)，抓住重要客戶，彌補(bǔ)其固網(wǎng)資源的不足。

3.2　NGN網(wǎng)絡(luò)的接入

WiMAX可用作NGN網(wǎng)絡(luò)的接入，如圖8所示。利用IP語(yǔ)音業(yè)務(wù)可實(shí)時(shí)帶寬分配、占用空中無(wú)線資源少的特點(diǎn)進(jìn)行語(yǔ)音業(yè)務(wù)的接入。對(duì)于新興運(yùn)營(yíng)商，可利用WiMAX設(shè)備取代光纜和銅纜，在客戶端配合IAD、綜合AG等設(shè)備快速布局，打破傳統(tǒng)固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的壟斷。

圖8　WiMAX作為NGN網(wǎng)絡(luò)的接入

3.3　數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入補(bǔ)充

目前，移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要指移動(dòng)增值數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、消息類(lèi)、游戲、企業(yè)應(yīng)用、視頻等多種業(yè)務(wù)。隨著短信和移動(dòng)游戲類(lèi)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，用戶對(duì)移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)提出了更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求。WiMAX可以作為數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)的一個(gè)有力的補(bǔ)充手段。

3.4　移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站傳輸

WiMAX移動(dòng)應(yīng)用模式如圖9所示，其采用符合IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)其工作頻段應(yīng)在6GHz以下。WiMAX移動(dòng)應(yīng)用模式是面向個(gè)人用戶的，提供支持切換和QoS機(jī)制的無(wú)線數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)同WLAN、3G無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)相似，可以通過(guò)蜂窩組網(wǎng)方式覆蓋較大區(qū)域。在這種應(yīng)用模式下，可以將WiMAX看作一種無(wú)線城域網(wǎng)、多點(diǎn)基站互聯(lián)和回運(yùn)的支持手段；同時(shí)，由于WiMAX的非視距特性，能夠在城市中提供很好的應(yīng)用，配合運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)快速建網(wǎng)的目的，如針對(duì)我國(guó)城域網(wǎng)建設(shè)的實(shí)際情況，可建立采用WiMAX接入技術(shù)的寬帶SDH城域網(wǎng)。

圖9　WiMAX作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站傳輸

3.5　WiMAX與3G融合組網(wǎng)方案

WiMAX網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖10所示：

圖10　WiMAX與3G融合組網(wǎng)

依據(jù)與移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)結(jié)合的緊密程度，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WiMAX網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案可以分成松耦合和緊耦合兩大類(lèi)�？紤]耦合程度從淺到深，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WiMAX網(wǎng)絡(luò)可以有六個(gè)工作模式：

（1）統(tǒng)一計(jì)費(fèi)和用戶管理模式。

（2）給予蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證和計(jì)費(fèi)模式。

（3）WiMAX網(wǎng)絡(luò)接入移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)分組域業(yè)務(wù)模式。

（4）業(yè)務(wù)一致性和連續(xù)性的模式。

（5）無(wú)縫的分組域業(yè)務(wù)切換模式。

（6）WiMAX接入到移動(dòng)蜂窩標(biāo)準(zhǔn)電路域模式。

前兩種模式屬于松耦合，后四種模式屬于緊耦合。在模式（1）中，在兩個(gè)系統(tǒng)間外掛一個(gè)附加的網(wǎng)絡(luò)，AAA在附加網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，完成鑒權(quán)和計(jì)費(fèi)功能；在模式（2）中，WiMAX作為移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)，其認(rèn)證和計(jì)費(fèi)需要用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的歸屬位置寄存器（HLR）和AAA等，WiMAX流量出口直接連接到城域網(wǎng)；在模式（3）中，WiMAX認(rèn)證和計(jì)費(fèi)方式與模式類(lèi)似，其業(yè)務(wù)流量出口將由移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的分組域網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)；在模式（4）中，WiMAX網(wǎng)絡(luò)可以直接訪問(wèn)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)所有業(yè)務(wù)；在模式（5）中，WiMAX網(wǎng)絡(luò)切換要受蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的控制，其VoIP語(yǔ)音業(yè)務(wù)可以切換到移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中；在模式（6）中，WiMAX網(wǎng)絡(luò)無(wú)線資源和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線資源將被統(tǒng)一調(diào)度。

WiMAX組網(wǎng)可以先考慮采用模式（1），再通過(guò)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，逐步演進(jìn)到模式（4）和（5），模式（6）是終極發(fā)展目標(biāo)。WiMAX終端認(rèn)證計(jì)費(fèi)功能都在移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)中相應(yīng)的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。在松耦合場(chǎng)景下，WiMAX移動(dòng)性管理由WiMAX專(zhuān)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)，而在緊耦合場(chǎng)景下，移動(dòng)蜂窩中的設(shè)備也要參與WiMAX終端的移動(dòng)性管理。

4、WiMAX的商業(yè)發(fā)展路線

從WiMAX的技術(shù)特點(diǎn)分析，WiMAX市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)和商業(yè)模式需要分三步走，即發(fā)展的三個(gè)階段：

（1）室外型固定寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)：基于802.16d的室外固定終端作為建筑物的接入手段，作為固定網(wǎng)絡(luò)的輔助，以企業(yè)用戶為主。

（2）室內(nèi)型固定寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)：用戶可以自行安裝的基于802.16d室內(nèi)固定終端上市，降低運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)成本，向家庭用戶提供接入業(yè)務(wù)。

（3）便攜移動(dòng)模式應(yīng)用市場(chǎng)：基于802.16e的芯片內(nèi)置筆記本、PDA等可攜帶終端，提供移動(dòng)性，針對(duì)個(gè)人用戶提供移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。