基于WiMAX的混合组网技术研究

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随着多媒体通信的发展，人们需要一种更高速率、更大覆盖率以及具有移动性的无线宽带接入方式，WiMAX技术的出现正好满足了人们对于无线Internet的需求。如果说无线局域网技术解决了“最后一百米”的接入问题，那么WiMAX技术则是“最后一公里”接入的最佳解决方案。
1、WiMAX技术
全球微波接入互操作性（WiMAX）是一项无线城域网（WMAN）技术，有着数据传输速率更高，部署更灵活，配置伸缩性更强更安全，覆盖面积更广等特点。WiMAX网络的优势决定了它将是未来无线通信网的重要组成部分。
未来WiMAX与其他无线网络技术很可能是共存于市场，就如同今天移动通信的GSM和CDMA制式共存一样。WiMAX在组网结构上可以采用与Wi-Fi/3G相同的组网模式，可以采用分等级的、扁平的、Mesh网络结构以及三者结合的灵活的组网方式。在未来无线通信领域，必将是各种无线接入技术并存，各种移动通信系统互相兼容和合作的格局。
2、TD-SCDMA与WiMAX的混合组网
第三代移动通信技术主要有WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等，以语音通信为主，虽然可以在高速移动下保持通信，但最高数据传输率只有2 Mbit/s，无法满足移动城市的要求。WiMAX适合在局部热点地区提供高数据速率，而3G能实现广域覆盖。因此，3G和WiMAX注定是两类互补的技术，它们的融合具有十分重要的意义。
WiMAX移动通信系统主要定位于分组数据的业务传输，其峰值数据传输速率可达到75 Mbit/s，比3G系统要高出很多，但其主要应用为固定、便携或者低速移动的用户接入，在网络建设初期和中期阶段并不支持高速移动下的无缝漫游。而3G移动通信系统具有支持快速漫游以及可以提供全网覆盖的通话业务功能的优点。如果在组网时将WiMAX和3G两大系统结合起来，WiMAX重点实现宽带无线化，满足热点地区的高速数据业务的需求，而3G重点实现移动通信的语音通信高质量和无缝漫游要求，可以实现两大系统的取长补短、优势互补。从而能节省二者的投资成本，达到共赢的局面，并且能满足用户一卡多用的需求[1]。虽然两者在技术上有较大的差异，但是在空中接口部分TD和WiMAX都是利用TDD方式，这就给TD借鉴WiMAX空中接口技术提供了可能，TD可以在保持自己优势的同时，借鉴WiMAX空中接口的技术发展TDD-OFDM技术，使自身能更好的向B3G甚至未来的4G演进。因此3G和WiMAX联合组网是可行的，而且是一种很有优势的混合组网体制。
TDD（TD-SCDMA）单独组网存在的弱点：
（1）收发信道同频，无法借助频率选择性进行干扰隔离。
（2）为实施与FDD不同网络间共存电磁兼容，一般需预留的较大保护带影响了整体频谱的利用效率。
（3）尚无全球TDD大规模组网经验。
（4）全球漫游服务仍面临较大的挑战[4]。
也就是说TD从信道计算和基站建设方面考虑，要建设高质量高速率的数据无缝覆盖要求小区半径不能太大，否则投资规模太大，并且从经济效益上来说也不适合支持热点地区的数据业务覆盖。而WiMAX技术正好能解决这些问题。理想的联合组网方案是：利用WiMAX对高速数据业务的支持能力，用WiMAX覆盖高速数据业务密集城区，而利用TD-SCDMA支持快速漫游以及可提供全网覆盖的通话业务的优势实现语音和低速数据的连续覆盖，并且还可以利用WiMAX系统提供E1接口实现TD基站的互联，见图1。如此则可以实现两大系统的优势互补。具体来说则是，对于3G的用户，WiMAX与3G的联合组网可以提供更高速的宽带数据业务以及更为便宜的宽带接入价格；对于WiMAX用户，WiMAX与3G的联合组网则可以提供更广域的无线接入服务，以及更好的移动性能。另外，WiMAX技术与3G的融合有助于降低3G网络的建设和运营成本，并提高移动和无线宽带业务的服务质量。

图1　TD-SCDMA与WiMAX混合组网[4]

3、Wi-Fi与WiMAX的混合组网
Wi-Fi是目前发展很快的基于IP的无线网络技术，它的特点是带宽较高但通讯范围小，因此主要用于小范围的无线通讯，被定义为无线局域网，能在一定程度和范围内满足移动城市的要求。但Wi-Fi技术也存在着以下不足之处：
（1）Wi-Fi的特点决定了一个区域只能有一套系统，否则会产生干扰。而多个运营商之间的计费、漫游也成为了发展的制约因素。
（2）受传输距离小的限制，每个Wi-Fi接入点成为网络孤岛，很难覆盖整个城市范围。
（3）无法在高速移动下使用，使城铁和公共汽车等公交系统成为了网络盲区，无法真正实现移动城市。
WiMAX与Wi-Fi联合组网，可以解决上述Wi-Fi存在的问题。WiMAX与Wi-Fi的发展是互补的趋势，在很长的时间内两者是共存并相互配合，并和3G协调发展的技术。
WiMAX和Wi-Fi的联合组网的切实可行的方式是利用WiMAX把Wi-Fi热点连接起来，为WLAN AP提供E1/T1和IP双通道无线传输，实现更广范围的高速无线接入，使Wi-Fi摆脱地域空间的限制，更好地给用户提供数据服务。
WiMAX，Wi-Fi和3G联合组网，利用统一的管理平台实现用户信息的共享，可以大大提高现有网络的性能。模型如图2。

图2　Wi-Fi与WiMAX混合组网[4]

4、NGN与WiMAX的混合组网
NGN是当前通信界、计算机界、广播电视界都十分关注的热点。它是一个关系到业务、功能体系、QoS、安全、计算等多个方面的复杂体系。IP多媒体子系统（IMS）是业界公认的NGN的核心组成部分，IMS是移动网络向全IP发展的一个重要里程碑，由3GPP在Release 5版本及其以上版本中提出支持IP多媒体业务的子系统，其核心特点是采用SIP协议和接入的无关性。3GPP和WiMAX网络之间的互连必须基于IMS功能实体。IMS可向用户提供丰富的多媒体宽带业务，向用户提供QoS保证。
将IMS与WiMAX进行互联，从而向用户提供丰富的业务，是十分具有吸引力的。
图3为WiMAX与IMS的互联方式。P-CSCF和策略客户端往往处于同一设备中。
P-CSCF接收用户通过SIP发起的服务请求。
通知策略客户端，根据SIP消息中的QoS信息，发起资源预留和授权，建立端到端的QoS。

图3　WiMAX与IMS的互联[7]

5、无线网状网络与WiMAX的混合组网
无线网状网络（WMN）是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络。作为一种新型网络结构形态，Mesh结构已被纳入2004年的802.16.802.16e以及即将制定的802.11s标准。
WiMAX为了扩展覆盖范围、增强远离基站的终端通话质量和提高数据吞吐量，将Mesh结构纳入到802.16系列标准中，作为对传统点对点结构的增强和扩展。工作在高频段上的固定宽带无线接入系统受视距传输的限制，无法直接面向许多终端用户，但却能实现较高的系统容量。Mesh网中众多的网关节点则需要一个连接到骨干网的接口，这一接口如果采用光纤等有线技术，在网络规划和网络实施时将受到极大的限制。因此将WiMAX无线接入系统和Mesh网络结构结合起来，模型如图4所示，通过WiMAX无线宽带接入基站，实现Mesh网络中的网关节点到骨干网的接入。另一方面，基于Mesh网络的特点，IEEE 802.16标准在2～11 GHz频段范围内规定在MAC层采用Mesh网络拓扑结构进行覆盖距离的扩展。Mesh通过基于分组数据的多跳路由技术绕过障碍、干扰和拥塞，很好的支持非视距传输，使得传统的WiMAX系统得到增强。

图4　WiMAX与Mesh混合组网[9]

6、结语
WiMAX是一种新兴的却极具竞争力的无线宽带接入技术，但目前而言，在中国的发展前景还是未为可知的。特别是在我国单独组网是不可行的，只能利用其传输速率高的特点和目前的组网技术充分融合，混合组网，作为移动或固定运营商分组业务的补充，才能充分体现覆盖范围广，系统容量高，组网灵活，网络健壮性高的优势。随着WiMAX技术的逐步完善，它一定能在未来的高速无线通信领域做出卓越的贡献。