固定WiMAX网络的部署分析

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摘要　文章首先对WiMAX的发展背景和主要空口协议进行了介绍，并且通过与其他技术的比较，定量说明了WiMAX技术在固定无线接入方面的优势；然后通过SUI模型对运行在3.5GHz频段上的固定WiMAX网络的覆盖和容量进行了分析计算，并以此为基础，对固定WiMAX在国内的应用场景和模式进行了讨论和总结。
1、前言
WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）是一项基于IEEE 802.16标准的宽带无线城域网接入技术，为了提高频谱资源利用率以适应各类宽带多媒体应用，而采用了大量新技术（如OFDM/OFDMA、MIMO、自适应编码调制等）。WiMAX同时也是一种互联网阵营提出的未来公共无线宽带数据网的技术体制，代表着未来无线通信系统的宽带和智能特征，例如协议结构和网络结构扁平化、支持高速数据传输和无缝漫游、支持各种类型的业务并在MAC层和物理层保障其QoS等。
与WiMAX密切相关的两个组织是IEEE的802.16和WiMAX论坛，前者制定了以802.16d和802.16e为代表的无线宽带城域网（WMAN）空中接口标准，后者则是整个WiMAX技术体系和网络模型的完善者，以及产业链的推动者。截至目前，WiMAX论坛成员已经超过了410名，全球认证的产品超过了28种。全球WiMAX实验网数量超过200个试验网，分别部署在65个国家。WiMAX已经是一项较为成熟的宽带无线接入技术，其中固定宽带无线接入（802.16d）技术已经具备了大规模商用部署的条件。
WiMAX于2004年进入我国，由最初高歌猛进高举3G终结者大旗，到后来曲高和寡甘作3G“有效补充”，再到近期与WLAN技术共同被采用组建奥运高速无线网络，WiMAX技术在中国的发展经历了大起大落的2年多时光。值得注意的是，当全球都看好802.16e，期望WiMAX能在移动领域有所突破的时候，WiMAX在中国的正式商用却是采用2004年就已经发布的基于802.16d的固定接入模式，这个现象印证了“没有最好的接入方式，只有最合适的接入方式”那句老话，同时也体现出在3G发展势不可挡的情况下，WiMAX在中国的发展回归到了一条冷静而务实的道路上。
市场研究公司TelecomView预测，到2009年，亚太地区将占WiMAX市场总额的45%，有关设备开支将达19.882亿美元，用户数将达300万。那么WiMAX空口标准在固定宽带无线接入方面究竟有哪些特点，在国内电信运营商现有的3.5GHz频段下的3个3.5MHz频段范围内，其覆盖效果和可提供的容量究竟能达到怎样的水平，针对这样的水平，国内固定WiMAX将如何确定自己的应用场景和目标用户群体，本文将围绕以上议题展开讨论。
2、WiMAX技术特点
2.1　固定WiMAX的技术特点
802.16规范发展至今，空口标准主要经历了4个版本——16、16a、16d、16e。其中，16d是目前最成熟和具备商用条件的802.16规范，它对前几个标准进行了整合和修订，对2到66GHz频段固定宽带无线接入的空中接口物理层和MAC层做了详细规定，保持了802.16、802.16a等标准中的所有模式和主要特性，提高系统性能和简化部署。与现有的固定宽带无线接入技术相比，802.16d在标准化、频率利用率、QoS、安全性等方面有明显的优势。
2.2　固定WiMAX与MMDS/LMDS
固定WiMAX技术在标准化和技术先进性方面较固定无线接入有较大优势。首先，LMDS/MMDS没有统一的全球性接入标准，这就制约了它在全球范围内的大规模商用布署；其次，LMDS/MMDS在覆盖范围、是否支持游牧和便携应用场景方面较WiMAX相比，有明显劣势，且高频段26GHz的LMDS技术受天气影响较大。因此，可以说WiMAX对LMDS/MMDS具有替代意义。
2.3　WiMAX与Wi-Fi
严格的讲，WiMAX与Wi-Fi的关系是互补而非竞争。与Wi-Fi相比，WiMAX具有下述技术优势：
（1）WiMAX频段使用适应面更广
WiMAX既可采用许可证也可采用免许可证频段，Wi-Fi只使用免许可证频段。
（2）WiMAX伸缩性更强
WiMAX运营商可以灵活分配信道带宽，媒体访问控制（MAC）协议可以支持上千个用户；Wi-Fi带宽固定，MAC协议只能支持数十个用户。
（3）WiMAX的QoS和安全性能更优
WiMAX的频谱效率、数据传输速率、小区覆盖范围、MAC协议对服务质量（QoS）的支持和安全性能等方面均优于Wi-Fi。虽然Wi-Fi可以通过高增益天线和Mesh网络提供与WiMAX相似的服务，但这些技术尚未标准化，设备的成本和设备间的互操作性不如WiMAX。
从应用和市场的角度而言，WiMAX可以用于Wi-Fi热点之间的数据传输，但WiMAX在家庭和办公室尚无法替代灵活的、低成本的Wi-Fi。
总之，WiMAX为工作于许可证频段和免许可证频段的城域网（MAN）优化设计；Wi-Fi为只工作于免许可证频段的局域网（LAN）优化设计；WiMAX和Wi-Fi可以相互补充，构成完整的MAN/LAN解决方案。WiMAX与固定无线接入主要技术参数对比如表1所示。

表1　WiMAX与固定无线接入主要技术参数对比

3、固定WiMAX容量覆盖分析
同其他固定无线网络一样，固定WiMAX网络要基于一定的网络质量，平衡网络容量和覆盖之间的关系，使得网络性能和建设成本达到最佳。需要分析核心问题主要是：频率资源和覆盖质量，以及在特定信噪比条件下网络能提供的容量和达到的覆盖水平。
3.1　频率资源和覆盖质量分析
无线通信标准的频率复用方式，是将一定数目的基站（例如4个基站或7个基站）组成一簇，基站天线采用定向天线，在满足同频干扰保护比的情况下，一个簇一个簇地配置频率，从而实现频率的多次复用。然后，随着设备的功能和天线的性能的不断改善，基站又可进一步分裂为1～3个小区，进一步提高频率的复用次数，提高系统的容量。
目前无线网络覆盖常用的频率复用方案如图1所示：

图1　无线网络覆盖常用的频率复用方案

频率复用程度越高，系统容量越大，复用程度越低，系统容量越小；
频率复用程度越高，同频干扰和通信链路质量越差，复用程度越低，同频干扰和通信链路质量越好；
当频谱复用程度过大时，因为质量的恶化，会使得系统容量反而降低。
对于以上四种频率复用方案的比较如表2所示。

表2　四种频率复用方案的比较

由以上分析可知，要实现连续覆盖，至少需要的频点数为12个，对基于802.16-2004固定接入标准的WiMAX网络，FDD双工方式下，3.5MHz的信道带宽，需要频率资源为42MHz×2；TDD双工方式下，信道带宽考虑5MHz，需要频率资源至少为60MHz。