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摘 要 近几年刚兴起的WiMAX/802.16无线宽带接入技术兼具了移动化、宽带化、IP化等特点，被认为是一项极具发展潜力的无线接入技术，已经成为通信领域的研究热点。WiMAX/802.16技术传输距离远、数据传输速率高、服务质量（QoS）机制完善、数据安全性更高等优势，IEEE 802.16d/e支持固定、游牧、便携、简单移动和全移动场景。WiMAX/802.16技术具体应用领域广阔，具有巨大市场发展前景。
关键词 WiMAX/802.16 IEEE 802.16d/e 无线城域网 移动化 宽带化
随着通信领域新业务需求的不断增长及通信技术的迅速发展，全球通信产业呈现出移动化、宽带化、IP化的发展趋势。
目前，传统宽带固定接入用户已不满足于仅在固定环境内使用宽带业务，迫切希望能够使用移动化的宽带接入服务；对移动用户而言，不仅希望得到简单的语音、短信和低速数据业务服务，更希望能使用宽带化的数据业务；同时，随着IP通信需求不断涌现和IP通信技术的成熟，用户的通信方式已经开始向IP通信进化。
用户需求的变化使宽带移动化、移动宽带化及通信IP化逐渐成为通信领域技术发展的趋势，并互为补充、互相促进。而近几年刚兴起的WiMAX/802.16无线宽带接入技术正好兼具了移动化、宽带化、IP化等特点，是一项十分有发展潜力的无线接入技术，已经成为通信领域的研究热点。
1 WiMAX/802.16技术简介
WiMAX是“World Interoperability for Microwave Access”的缩写，中文名称为“全球微波接入互操作性”，属于新一代宽带无线城域网（WMAN）接入技术，特指以IEEE 802.16系列宽带无线标准为基础的宽带无线接入技术。
IEEE 802.16标准又称为IEEE Wireless MAN空中接口标准，是适用于2~66 GHz的空中接口规范。它所规定的无线接入系统覆盖范围可达50km，因此802.16系统主要应用于城域网，是“最后一公里”宽带接入解决方案。根据使用频段高低的不同，802.16系统可分为应用于视距和非视距两类，其中使用2~11GHz频段的系统应用于非视距（NLOS）范围，而使用10~66GHz频段的系统应用于视距（LOS）范围。根据是否支持移动特性，IEEE 802.16标准系列又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准，其中的802.16、802.16a、802.16d属于固定无线接入空中接口标准，而802.16e以后的属于移动宽带无线接入空中接口标准。IEEE 802.16标准系列到目前为止包括802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e、802.16f、802.16g、802.16h、802.16i和802.16k 10个标准。
2 WiMAX/802.16技术优势与特点分析
2.1 WiMAX/802.16技术优势
（1）提供广泛的多媒体通信服务：能够实现电信级的多媒体通信服务,支持语音、视频和Internet。
（2）设备标准化，投资成本低：由于采用同一技术标准，不同厂商设备可在同一系统中工作，运营商可以自主选择设备，降低成本；另外，稳定的基于标准的平台将激发各层、网络管理、天线等技术的创新，改善运营费用问题。
（3）传输距离远、数据传输速率高：在信息传播方式上，WiMAX技术借助无线基站进行数据传输。当频宽为20MHz时，数据传输速率最高可以达到75Mbit/s，是3G所能提供的宽带速度的30倍，目前实际应用时每3.5MHz载波可传输净速率为18Mbit/s，频率利用系数高。高达50km的覆盖范围，只要建设少数基站就能实现全城覆盖，无线网络的应用范围大大扩展。
（4）服务质量（QoS）机制完善、数据安全性更高：为改进通讯服务质量，IEEE 802.16对介质访问层（MAC）进行了诸多改进，引入了TDMA上行/下行协议，可以对用户接入网络进行智能控制，既改善了系统的时延特性，又提高了服务的可靠性，还可以提供优质的语音和图像服务。为了让运营商对服务拥有更多的控制权，WiMAX允许对通讯带宽的频率分布进行调整，根据用户需求提供速度和服务范围。 WiMAX提供了完善的加密机制，它在介质访问层（MAC）中定义了一个加密子层，支持128bit、192bit及256bit加密系统，通过使用数字证书的认证方式，确保了无线网络内传输的信息得到完善的安全保护。
（5）系统部署灵活，容量升级方便：根据业务需求区域灵活部署基站设备增加方便、扇区增加简易，允许运营商根据用户的发展来逐渐升级扩大网络。信道带宽规划灵活能使容量最大化，并适应多种频率分配情况。
（6）非视距传输，无“最后一公里”瓶颈限制：采用OFDM/OFDMA技术，具备非视距传输能力，可方便更多用户接入基站；作为一种无线城域网技术，它可以将Wi-Fi热点连接到互联网，也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。
2.2 IEEE 802.16d/e主要技术特征
IEEE 802.16标准体系中目前获得商用的主要有两种标准，包括IEEE 802.16d和IEEE 802.16e。802.16d是固定无线接入的空中接口，应用于2~11GHz非视距（NLOS）传输和10~66GHz视距（LOS）传输，对2~66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相应的多个物理层。同时，为了能够向后平滑过渡到支持移动性的IEEE 802.16e标准，IEEE 802.16d增加了部分功能与支持用户移动性相关的功能，如H-ARQ。IEEE 802.16e是IEEE 802.16d的进一步延伸，目的是为了对用户移动性的支持，在IEEE 802.16d的基础上加入了切换、QoS、安全等新特性。IEEE 802.16d用于固定和游牧应用场景，IEEE 802.16e用于便携和移动场景，同时支持固定场景。
表1是802.16d/e的主要技术特征。802.16d/e的物理层可选用单载波、OFDM和OFDMA共3种技术。802.16d的典型物理层技术是OFDM，802.16e的典型物理层技术是0FDMA。
2.3 WiMAX/802.16技术网络架构
WiMAX/802.16网络架构的构建基于全IP的WiMAX端到端的网络架构，网络分为连接业务网CSN和接入业务网ASN 两部分，R1～R5是标准的参考点。WiMAX网络架构如图1所示。
接入网ASN，ASN作为一个逻辑实体，管理IEEE 802.16空中接口，为WiMAX用户提供无线接入；连接服务网络CSN，CSN是一套网络功能的组合，为WiMAX用户提供IP连接，可以由路由器、AAA代理或服务器、用户数据库、Internet网关设备等组成；网络接入提供商NAP和网络服务提供商NSP，支持多个NSP共享同一个NAP内的一个或者多个ASN网络，支持一个NSP与多个NAP管理的多个ASN连接。
R1～R5参考点具体定义如下：R1：移动用户台MSS与接入网ASN之间的接口；R2：移动用户台MSS与连接服务网络CSN之间的逻辑接口；R3：接入网络ASN和连接服务网络CSN之间互操作的接口；R4：用于处理接入网络网关ASN GW间移动性相关的一系列控制和承载平面协议；R5：拜访CSN与归属CSN之间互操作的一系列控制和承载平面协议。
3 WiMAX/802.16技术应用
WiMAX/802.16技术，通过基于IP协议的核心网向用户提供业务，有其显著优点：（1）支持FDD和TDD方式，当工作在TDD方式时，能够根据上下行数据量灵活分配带宽，对于上下行不对称业务具有较高的资源利用率。（2）采用OFDM/OFDMA方式使其具有较高的频谱利用率，提供更高的数据带宽。（3）采用按需分配带宽资源的方式，可以支持不同等级的业务需求，如：实时固定速率业务（UGS）、实时可变速率业务（rtPS）、非实时可变速率业务（nrtPS）、尽力而为业务（BE）。
根据技术特性，WiMAX/802.16宽带无线接入技术有5种典型应用场景：固定、游牧、便携、简单移动和全移动。
（1）固定接入应用场景：固定接入业务是宽带无线接入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。该场景下，终端可以根据基站信号质量选择和偶尔改变其连接，切换到信号覆盖更好的基站上，IP连接之前，必须对用户进行授权或鉴权。
（2）游牧接入应用场景：用户终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中，但是每次会话连接中，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。在此应用场景中，需进行交互的鉴权，若归属运营商和拜访运营商具相同的鉴权数据，用户便可以在这两个不同运营网络之间进行漫游，但是不支持不同基站之间的切换。
（3）便携接入应用场景：在该场景下，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。从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换，切换可以由基站或终端触发。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。切换过程结束后，TCP/IP应用能对当前IP地址进行刷新，或者重建IP地址。网络能够支持在多个基站中的连续预置QoS级别。
（4）简单移动接入应用场景：在该场景下，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60~120km/h时，数据传输速度将会有所下降。简单移动接入是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。切换可以由基站或者移动终端触发，当用户处于固定接入和漫游状态时，使用模式和固定接入和漫游是没有任何区别的。在切换过程中，连接采用尽力而为的方式，数据包的丢失将控制在一定范围。切换完成后，可容忍延迟的TCP/IP应用能在它当前的IP地址上刷新，或者在一个新的绑定IP地址上重新连接，QoS将重建到初始级别。简单移动需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。
（5）全移动接入应用场景：在该场景下，用户终端可以在移动速度为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。该场景对延迟敏感的业务、终端低功耗运行、切换时延、切换期间分组丢失率等方面进行了优化以支持车辆速度移动下无中断的应用，且能够实行漫游，漫游可以使用户在归属网络得到的标识在拜访网络中得到重用，最终形成同业的业务计费。
除了上述5种典型应用场景外，WiMAX/802.16技术还将应用于IPTV传输、家庭网络等场合。
4 WiMAX/802.16技术市场前景展望
由于WiMAX/802.16技术实现了数据分组化、接入宽带化、终端移动化这三大发展方向的统一，因此一起步便受到了极大的重视。近几年以来，WiMAX/802.16在美国、欧洲、亚太甚至南美和阿拉伯等国家和地区逐渐升温，各政府、机构、运营商都采取积极的动作。截至2006年6月底，全球得到WiMAX许可的企业已达到721家，进行WiMAX试验和提供商用的运营商全球已超过150个，在韩、日、美、英、法、意、西班牙、新西兰、阿根廷和瑞典等国共有24个网进入商用阶段，对WiMAX/802.16技术的研究和商业应用竞争进入白热化阶段。SemicoResearch作出大胆预测，到2010年，WiMAX的市场规模将会由2005年的2160万美元成长至33亿美元。In-Stat也预测，随着开放频谱增加，越来越多的设备可用于互操作，并且随着CPE的价格下降，预计到2009年全世界花费在WiMAX设备上的费用将上升到20亿美元。随着WiMAX技术与WiFi、3G等无线技术相结合，商机将更加庞大。
5 总结
全球通信产业呈现出移动化、宽带化、IP化的发展趋势，在这种大的产业背景下，WiMAX/802.16的推进与发展已成为大势所趋。但是，在发展的同时，还有许多问题亟待解决或改善，如技术标准的进一步完善、频谱资源的分配、与WiFi、3G等技术的互联互通等。我们相信随着技术标准的逐步完善及其他一系列问题的逐步解决，WiMAX/802.16在第四代移动通信中的技术应用将有着更加广阔的前景。
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作者
赵新建 梁国勇 晁岳磊（浙江工业大学 信息工程学院 杭州 310032）
