[編者按] 作為一種新興的寬帶無(wú)線接入技術(shù)，WiMAX近年來(lái)受到了業(yè)界的普遍關(guān)注。它的主要技術(shù)特點(diǎn)是傳輸速率高、覆蓋范圍大、支持移動(dòng)性、提供QoS保證并采用基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分組化、接入寬帶化和終端移動(dòng)化三者合一，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。本講座分3期對(duì)該技術(shù)進(jìn)行介紹：第1期介紹了WiMAX及IEEE 802.16系列協(xié)議的基本特點(diǎn)、協(xié)議結(jié)構(gòu)和物理層基本特性及關(guān)鍵技術(shù)；第2期講述了WiMAX技術(shù)的MAC層特性及其QoS機(jī)制；本期將介紹WiMAX技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其主要應(yīng)用，并分析其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

6 WiMAX的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

IEEE 802.16只定義了WiMAX系統(tǒng)的物理層和媒體接入控制(MAC)層規(guī)范，作為一種支持移動(dòng)性的寬帶無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)功能的完善對(duì)WiMAX的成功部署和商用來(lái)說(shuō)是不可或缺的。WiMAX需要提供對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)功能的支持，例如移動(dòng)性管理、無(wú)線資源管理、安全和服務(wù)質(zhì)量(QoS)等。為此，WiMAX于2004年底成立了網(wǎng)絡(luò)工作組(NWG)，旨在開(kāi)發(fā)支持IEEE 802.16的端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議。以下將主要介紹已發(fā)布的Release 1版本。

6.1 WiMAX的網(wǎng)絡(luò)參考模型

NWG定義的端到端WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型如圖7所示。作為對(duì)WiMAX網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一種邏輯表示，該模型定義了若干邏輯功能實(shí)體和在各實(shí)體之間實(shí)現(xiàn)互連的參考點(diǎn)，以同時(shí)滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的要求。這些功能實(shí)體包括移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)(MS)、接入服務(wù)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)。每個(gè)實(shí)體都代表了若干功能的一個(gè)集合。具體實(shí)施中，這些功能可以集中在一個(gè)物理設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，也可以分散在多個(gè)物理設(shè)備中。標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵參考點(diǎn)包括空中接口R1到空中接口R5，但規(guī)范中沒(méi)有定義CSN和ASP之間的接口。

6.2 網(wǎng)絡(luò)實(shí)體ASN和CSN

ASN定義了為WiMAX用戶(hù)提供無(wú)線接入的一整套網(wǎng)絡(luò)功能集合，其中主要包括：

與WiMAX MS建立第二層連接；

向WiMAX用戶(hù)的歸屬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商(NSP)傳送認(rèn)證、鑒權(quán)和計(jì)費(fèi)(AAA)消息以完成對(duì)用戶(hù)會(huì)話的認(rèn)證、鑒權(quán)和計(jì)費(fèi)；

發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，為WiMAX 用戶(hù)選擇最佳NSP；

協(xié)助與WiMAX MS建立第三層連接(即IP地址分配)的中繼功能；

無(wú)線資源管理；

ASN內(nèi)的移動(dòng)性管理，例如切換、尋呼和位置管理等；

ASN與CSN之間的隧道功能。

ASN可以分解為一個(gè)或多個(gè)基站(BS)和一個(gè)或多個(gè)ASN網(wǎng)關(guān)，其中BS的主要功能是為MS提供空中接口；ASN網(wǎng)關(guān)則用作ASN內(nèi)的第二層業(yè)務(wù)匯聚點(diǎn)。一個(gè)ASN可以由多個(gè)CSN共享，即能夠同時(shí)為不同NSP的CSN提供無(wú)線接入服務(wù)。

CSN定義了為WiMAX用戶(hù)提供IP連接服務(wù)的一套網(wǎng)絡(luò)功能集合，其中主要包括：

為MS分配IP地址和終端參數(shù)；

Internet接入；

AAA代理或服務(wù)器；

基于用戶(hù)屬性的準(zhǔn)入控制；

支持ASN與CSN間的隧道功能；

用戶(hù)計(jì)費(fèi)及結(jié)算；

CSN間用于漫游的隧道功能；

ASN間的移動(dòng)性管理；

WiMAX服務(wù)，例如基于位置的服務(wù)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)、廣播多播服務(wù)、IP多媒體服務(wù)、緊急呼叫等等。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，CSN可能包括路由器、AAA代理/服務(wù)器、用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)以及互連網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

6.3 網(wǎng)絡(luò)參考點(diǎn)

WiMAX網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中定義了5個(gè)開(kāi)放接口——R1-R5，其功能如下：

R1：MS與ASN之間的空中接口，包含IEEE 802.16的所有物理層和MAC層特性。R1同時(shí)承載用戶(hù)業(yè)務(wù)和控制平面的消息。

R2：MS與CSN之間的邏輯接口，包含所有進(jìn)行用戶(hù)和設(shè)備認(rèn)證、業(yè)務(wù)鑒權(quán)以及IP主機(jī)配置管理的相關(guān)協(xié)議和規(guī)程。

R3：ASN與CSN之間的邏輯接口，它通過(guò)ASN與CSN之間的隧道傳遞控制平面消息(例如AAA、端到端QoS控制、移動(dòng)性管理消息等)和數(shù)據(jù)平面的信息。

R4：在兩個(gè)ASN或網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行互連，主要用于傳遞與移動(dòng)性管理相關(guān)的一系列控制和數(shù)據(jù)平面消息。

R5：互連兩個(gè)CSN的接口，包含在拜訪CSN和歸屬CSN之間的一系列控制和數(shù)據(jù)平面協(xié)議。

6.4 WiMAX端到端的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖8給出了對(duì)WiMAX網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更為具體直觀的一種描述，該架構(gòu)大體劃分為終端、ASN和CSN三大部分。

上述WiMAX端到端的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立在全I(xiàn)P平臺(tái)之上，完全采用分組交換技術(shù)。全I(xiàn)P帶來(lái)的好處是成本的降低，因?yàn)楹诵木W(wǎng)無(wú)需同時(shí)支持分組交換和電路交換兩種技術(shù)，開(kāi)銷(xiāo)由此得以減少。

此外，在網(wǎng)絡(luò)互連和漫游方面，該架構(gòu)可支持以下方式：

與現(xiàn)有有線(例如DSL)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(例如3GPP或3GPP2移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))的松耦合；

WiMAX運(yùn)營(yíng)商間的全球漫游；

各種類(lèi)型的用戶(hù)認(rèn)證方式，例如用戶(hù)名/口令、數(shù)字認(rèn)證、SIM卡等。

7 WiMAX的應(yīng)用

WiMAX論壇定義了WiMAX網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可支持的5種應(yīng)用場(chǎng)景，分別為固定、游牧、便攜、簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)。圖9給出了一些典型的應(yīng)用實(shí)例。

(1)固定場(chǎng)景：固定接入業(yè)務(wù)是WiMAX運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中最基本的業(yè)務(wù)模型，主要應(yīng)用包括用戶(hù)駐地網(wǎng)接入、局域網(wǎng)互連和基站互連等。

用戶(hù)駐地網(wǎng)接入：對(duì)于企業(yè)、校園等集團(tuán)用戶(hù)或個(gè)人用戶(hù)，可通過(guò)用戶(hù)臺(tái)(SS)連接其用戶(hù)駐地網(wǎng)，利用WiMAX無(wú)線空中接口提供寬帶上網(wǎng)服務(wù)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)或一次群(E1)等接口與SS連接的用戶(hù)駐地網(wǎng)設(shè)備可以是用戶(hù)路由器、交換機(jī)、集線器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也可以是另一種無(wú)線接入點(diǎn)，例如Wi-Fi熱點(diǎn)。此種方式與數(shù)字用戶(hù)線(xDSL)等線纜接入形式相似，因此是進(jìn)行線纜替代的一種理想方案。

LAN局域網(wǎng)互連：對(duì)于在某個(gè)城域范圍內(nèi)有多個(gè)分部的大型企業(yè)，利用WiMAX寬帶固定無(wú)線接入系統(tǒng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)總部和各個(gè)分部局域網(wǎng)之間的無(wú)線連接。此種方式避免了鋪設(shè)專(zhuān)線的麻煩，并能迅速開(kāi)通使用。在用戶(hù)專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)方面，比有線連接方式更具競(jìng)爭(zhēng)力。

基站互連：通過(guò)WiMAX寬帶固定無(wú)線接入系統(tǒng)提供E1接口，實(shí)現(xiàn)GSM移動(dòng)基站或3G網(wǎng)絡(luò)基站之間的互連，或把各小區(qū)移動(dòng)基站業(yè)務(wù)回傳到移動(dòng)交換中心。

(2) 游牧場(chǎng)景：游牧式業(yè)務(wù)是固定接入方式發(fā)展的下一個(gè)階段。終端可以從不同的接入點(diǎn)接入到一個(gè)運(yùn)營(yíng)商的WiMAX網(wǎng)絡(luò)中。但是在每次會(huì)話連接中，用戶(hù)終端只能進(jìn)行站點(diǎn)式的接入，而無(wú)法在不同基站之間實(shí)現(xiàn)切換。游牧式及之后的應(yīng)用場(chǎng)景中均支持終端在不同運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)之間的漫游，并且具備終端電源管理功能。例如，在用戶(hù)筆記本電腦上配置WiMAX無(wú)線網(wǎng)卡后，可于不同的場(chǎng)所訪問(wèn)因特網(wǎng)，但會(huì)話持續(xù)期間不支持終端的移動(dòng)。

(3) 便攜場(chǎng)景：此種場(chǎng)景允許會(huì)話過(guò)程中終端在不同基站之間進(jìn)行切換。當(dāng)切換發(fā)生時(shí)，用戶(hù)可能經(jīng)歷最長(zhǎng)為2 s的業(yè)務(wù)中斷、延遲或服務(wù)質(zhì)量下降，切換質(zhì)量屬于盡力而為式。切換結(jié)束后，TCP/IP應(yīng)用對(duì)當(dāng)前IP地址進(jìn)行刷新，或者重建IP地址。以筆記本電腦為例，便攜場(chǎng)景支持用戶(hù)在速度約為5 km/h的步行狀態(tài)下維持與網(wǎng)絡(luò)的通信。

(4) 簡(jiǎn)單移動(dòng)場(chǎng)景：簡(jiǎn)單移動(dòng)業(yè)務(wù)是對(duì)便攜式應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)展。用戶(hù)可在步行、駕駛或者乘坐汽車(chē)的同時(shí)使用WiMAX終端進(jìn)行高速無(wú)線數(shù)據(jù)通信。當(dāng)終端移動(dòng)速度達(dá)到60 km/h～120 km/h時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速度將有所下降。該場(chǎng)景對(duì)切換性能有明確控制，IP子網(wǎng)間切換時(shí)延小于1 s，IP子網(wǎng)內(nèi)切換時(shí)延小于150 ms，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛鄷r(shí)間不超過(guò)150 ms。切換完成后，QoS將重建到初始級(jí)別。該場(chǎng)景需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼。

(5) 全移動(dòng)場(chǎng)景：此場(chǎng)景下用戶(hù)可以在移動(dòng)速度為120 km/h甚至更高的情況下無(wú)中斷地使用寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)。當(dāng)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，用戶(hù)終端模塊處于低功耗模式。該場(chǎng)景對(duì)切換性能的要求更為嚴(yán)格，總切換時(shí)延應(yīng)低于50 ms，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛鄷r(shí)間不超過(guò)5 ms。同樣，全移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼。

移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)兩種場(chǎng)景下的主要應(yīng)用，同時(shí)也是占用無(wú)線資源較多的業(yè)務(wù)。其業(yè)務(wù)類(lèi)型及主要特點(diǎn)如表1所示。

8 WiMAX熱點(diǎn)展望

8.1 頻譜分配問(wèn)題

WiMAX目前已經(jīng)進(jìn)入商用階段，至2007年底全球獲得WiMAX許可的企業(yè)已有七百余家，正在試點(diǎn)WiMAX的運(yùn)營(yíng)商達(dá)到275個(gè)。其中，韓國(guó)電信KT率先于2004年推出了韓國(guó)版的移動(dòng)WiMAX——WiBro服務(wù)，美國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商Sprint則于去年宣布投入50億美元建設(shè)WiMAX寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。此外，巴基斯坦、印度、俄羅斯、澳大利亞等國(guó)也開(kāi)始嘗試?yán)肳iMAX實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)的寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋及城區(qū)的無(wú)線寬帶服務(wù)。

但是，WiMAX近年來(lái)在全球的推廣應(yīng)用一直受困于頻譜分配的問(wèn)題。IEEE 802.16支持的頻段有10~66 GHz頻段以及11 GHz以下頻段。10~66 GHz頻段由于受到視距傳播的限制，終端需要安裝室外天線，因此應(yīng)用范圍有限，主要面向企業(yè)用戶(hù)及提供固定無(wú)線接入。11 GHz以下的非視距傳播頻段可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋，終端無(wú)需安裝室外天線，移動(dòng)性增強(qiáng)，此時(shí)方可提供移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。另外，雖然WiMAX可以在非授權(quán)頻段下工作，但是要實(shí)現(xiàn)電信級(jí)的運(yùn)營(yíng)仍然需要獲得頻率授權(quán)。因此，WiMAX正在試圖尋找2 GHz~6 GHz之間，特別是3 GHz以下的頻率資源。但是目前各個(gè)國(guó)家可用的頻段都不一致，而且按現(xiàn)有頻率分配方式，每個(gè)運(yùn)營(yíng)商所能獲得的頻點(diǎn)距大規(guī)模蜂窩組網(wǎng)要求還有較大差距。WiMAX論壇期望在2.5 GHz或3.5 GHz頻段上統(tǒng)一全球頻譜，但最終是否能夠獲得足夠的頻譜資源尚存在一定變數(shù)。

8.2 WiMAX與3G

就全移動(dòng)場(chǎng)景而言，WiMAX與下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)已無(wú)本質(zhì)區(qū)別。而且從技術(shù)上來(lái)看，移動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)相比速度更快、成本更低。因此自WiMAX發(fā)展之初，業(yè)界便一直在討論WiMAX與3G之間是否存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。不過(guò)為了獲得更大的生存和發(fā)展空間，WiMAX一直以來(lái)定位在寬帶無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)上。作為3G的補(bǔ)充，它與3G的關(guān)系是融合而不是代替，這一觀點(diǎn)也得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同。但是缺乏全球統(tǒng)一頻譜越來(lái)越嚴(yán)重地制約了WiMAX的下一步發(fā)展，因此，2007年年初在美國(guó)政府的支持下WiMAX開(kāi)始改變策略，申請(qǐng)加入3G家族，以分享國(guó)際電聯(lián)(ITU)分配給3G的頻譜資源。2007年10月，WiMAX以“OFDMA WMN TDD”的名義正式成為了繼歐洲WCDMA、美國(guó)CDMA2000和中國(guó)TD－SCDMA之后的第四個(gè)全球3G標(biāo)準(zhǔn)。

CDMA2000和WCDMA都是頻分復(fù)用(FDD)技術(shù)，TD-SCDMA是時(shí)分復(fù)用(TDD)技術(shù)。國(guó)際電聯(lián)將WiMAX列為了TDD技術(shù)，顯然，WiMAX可能會(huì)與TD-SCDMA共同占有TDD頻段。除中國(guó)之外，目前絕大多數(shù)國(guó)家的3G TDD頻譜都處于相對(duì)閑置狀態(tài)。因此，WiMAX成功加入3G陣營(yíng)，對(duì)于解決其頻譜資源的瓶頸問(wèn)題將會(huì)大有幫助。同時(shí)，這也意味著中國(guó)的3G標(biāo)準(zhǔn)多了一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而且將不僅僅是市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，還有頻譜資源的競(jìng)爭(zhēng)。

目前WiMAX還不能視為一種真正意義上的移動(dòng)通信技術(shù)，它在切換、漫游等方面的性能比3G系統(tǒng)要差，例如尚不能支持移動(dòng)過(guò)程中的無(wú)縫切換。另外，WiMAX芯片、終端和設(shè)備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的支持能力還顯不足。為此，WiMAX還需加快其技術(shù)演進(jìn)和終端開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，方有可能在各種同類(lèi)技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的規(guī)模化應(yīng)用。

8.3 IEEE 802.16j與IEEE 802.16m

在IEEE 802.16e之后，WiMAX技術(shù)演進(jìn)的腳步并沒(méi)有停止。為了進(jìn)一步提升性能并向下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)軍，IEEE相繼開(kāi)始了空中接口技術(shù)IEEE 802.16j與IEEE 802.16m標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，并吸引了全球眾多著名廠商的關(guān)注和參與。

IEEE 802.16j可視為IEEE 802.16e的升級(jí)版，其核心是希望借助移動(dòng)多跳中繼(MMR)技術(shù)改善無(wú)線傳輸環(huán)境中的陰影衰落效應(yīng)，消除傳輸死角，進(jìn)而擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提高系統(tǒng)容量和均衡負(fù)載等。如圖10所示，MMR在BS和SS之間引入了成本較低的中繼站(RS)用于信號(hào)接力。如果RS位置合適，就能夠避開(kāi)不理想的傳輸路徑，進(jìn)而減少信號(hào)衰減。同時(shí)，RS可根據(jù)具體情況調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的功率，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。RS引入之后產(chǎn)生了一系列新的問(wèn)題，例如增加了媒體接入控制(MAC)調(diào)度復(fù)雜度、如何實(shí)現(xiàn)端到端QoS保證、如何選取最佳跳數(shù)等。而且，802.16j工作組確定的原則是不能修改原有的SS，這為標(biāo)準(zhǔn)的制定者們提出了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。2007年8月，IEEE 802.16j標(biāo)準(zhǔn)的第一版草案已獲得通過(guò)，目前正處于通信投票階段，預(yù)計(jì)最快有望在2008年下半年正式確立。

IEEE 802.16m是IEEE 802.16e的下一代，其目標(biāo)是要成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-Advanced的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)目標(biāo)速率設(shè)定為低速移動(dòng)時(shí)達(dá)1 Gb/s，高速移動(dòng)時(shí)達(dá)到100 Mb/s。標(biāo)準(zhǔn)將向下兼容，并增進(jìn)廣播、多媒體以及VoIP業(yè)務(wù)的性能。與IEEE 802.16不同的是，IEEE 802.16m可能用到和IEEE 802.16e不同的技術(shù)，并設(shè)計(jì)全新的SS。該工作組于2006年12月成立，目前僅初步完成技術(shù)需求定義，預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將在2009年推出。

9 結(jié)束語(yǔ)

WiMAX系統(tǒng)最先作為一項(xiàng)寬帶無(wú)線接入技術(shù)被推出，它在物理層采用了先進(jìn)的多輸入多輸出(MIMO)、正交頻分多址接入(OFDMA)、自適應(yīng)調(diào)制編碼等技術(shù)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率；在MAC層通過(guò)自適應(yīng)資源調(diào)度策略來(lái)最大化系統(tǒng)容量，并提供有QoS保證的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；在網(wǎng)絡(luò)層采用了全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持移動(dòng)、漫游以及端到端的QoS保證等。正式成為3G標(biāo)準(zhǔn)之后，WiMAX在進(jìn)一步完善其核心網(wǎng)技術(shù)的同時(shí)，將通過(guò)IEEE 802.16m的標(biāo)準(zhǔn)化工作繼續(xù)向下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)。鑒于該系統(tǒng)獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和業(yè)界持續(xù)升溫的研發(fā)活動(dòng)，我們有理由相信在不久的將來(lái)，WiMAX終端和手機(jī)就將出現(xiàn)在人們的視野之中，成為大眾接受普遍服務(wù)不可或缺的一種技術(shù)手段。(續(xù)完)

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收稿日期：2008-01-19

劉丹譜，北京郵電大學(xué)教授。博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)。主要研究方向包括寬帶無(wú)線通信技術(shù)、MIMO/OFDM、超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)物理層與MAC技術(shù)。發(fā)表論文30余篇。

郝建軍，北京郵電大學(xué)副教授。北京郵電大學(xué)在讀博士。主要研究方向包括協(xié)同通信、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)等。發(fā)表論文10余篇。

樂(lè)光新，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向包括寬帶無(wú)線通信與無(wú)線IP網(wǎng)等。已發(fā)表論文100余篇。