WiMAX组网方案研究

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1、概述    WiMAX的全名是微波接入全球互通(worldwideinteroperabilityformicrowave access)，用于推广基于IEEE 802.16和ETSI HiperMAN协议的无线宽带接入设备，目的是确保不同无线宽带接入设备之间的兼容性和互操作性。由于ETSI HiperMAN协议物理层采用OFDM技术，其技术规范完全和IEEE802.16协议中规定的OFDM物理层规范类似，所以目前的研究重点和设备实现都集中于IEEE 802.16协议。
    802.16标准只定义了空中接口规范，WiMAX如何组网是未来商用的关键问题之一，需要仔细研究。WiMAX组网牵涉到以下几方面的问题：基于OFDM技术的WiMAX网络规划，如何提高频率复用率是规划的关键；WiMAX无线空中接口网与现有核心网的互联，如何把WiMAX系统的空中接口网络和基于IP技术的核心网络有机结合在一起，支持无缝的移动性管理，保证用户的QoS要求，同时便于计费、认证和鉴权等，是研究的重点。
    2、基于OFDM技术的WiMAX小区规划方案
    基于OFDM技术带来的高频谱利用率及抗多径干扰能力，IEEE802.16标准规定了在非视距传播的2-11GHz频段下，可以采用OFDM、OFDMA(正交频分多址)及其他先进技术来对抗较差的无线传播环境。
    但是，采用OFDM/OFDMA技术设计的点对多点(PMP)无线系统将在网络规划上面临较大的问题。在CDMA网络中，用户通过扩频码来区分，可以达到小区频率复用率近似为100%，从而简化甚至不需要频率规划技术；而在基于OFDM/OFDMA的WiMAX系统中，用户只能通过时间(TDMA)或子信道(0FDMA)来区分，使用相同频率的相邻小区将会对本小区的通信产生严重的干扰。因此基于OFDM/OFDMA技术的网络规划应基于频率分配，如何合理分配和复用有限的频段，而达到减少小区间、信道间的干扰是一个非常值得深入研究的问题。
    如何提高WiMAX系统的频谱效率，是研究的热点问题。可以采用高效的无线资源管理技术、先进天线技术(如智能天线和多输入多输出(MIMO))、扇区化技术来提高系统频谱效率，使小区间的频率复用因子尽量为1。
    2.1基于小区簇的频率规划
    基于小区簇的频率复用技术可以在不牺牲覆盖面积的前提下提高系统容量。将可使用的频点分成几组然后分配给小区簇中的小区使用，保证相邻小区间不使用同一组频点。如图1所示，某小区使用频点组A，它的相邻小区都不能使用频点组A。在图1所示的实例中，一小区簇中有4个小区，对于WiMAX系统来说同频干扰仍较严重，需要采取更加先进的机制来保证小区之间的干扰在可以容忍的限度内。如果使采用同一频点组的小区的间隔距离更远，就需要更多的频率资源，但是目前留给WiMAX系统的频率资源较少，只能通过扇区技术、无线资源管理机制和先进天线技术来减少同频干扰。

    图1  频率复用因子为4时的小区规划

    通过扇区技术提高系统容量的方法如图2所示。在网络建设初期，基站使用四个90°的扇区天线，每个天线覆盖一个扇区。小区可以通过分裂成更多扇区的方式，使每个扇区的可用子信道数量增加，以此支持更高的数据速率。当扇区数量由四个变为八个的时候，小区的容量近似翻了一倍。然而扇区的数量每增加一倍，小区的覆盖面积会减少33%。这时就需要更多的发射机和接收机来完成相同的覆盖，这样每个BS的覆盖面积减少了，其需要的带宽也随之减少，但设备的成本却会增加。如果在系统中增加更多的载频，就可以进一步使用频率分集来减小同信道之间的干扰。

    图2  通过扇区技术提高系统容量

    2.2基于无线资源管理的小区规划
    无线资源管理主要包含功率控制、无线资源分配、自适应控制、分组调度技术等，其目的在于减少系统间干扰，提高系统容量，增强链路的服务质量等。实际系统的小区是不规则的，在有些地方同频干扰较大，这时可以通过无线资源管理机制来减小同频干扰基站的发射功率，或者结合TDMA机制分配干扰较小的时隙资源给边缘小区用户从而减少同频干扰。由于无线资源管理机制对WiMAX系统来说是一个较大的范畴，不同功能实体之间关系较复杂，下面以其中功能相对独立的自适应控制机制为例阐述WiMAX系统的小区规划。
    高阶的调制方式具有更高的频谱效率，因此可以采用高阶调制来提高系统的容量。但随着调制阶数的增加，接收机的复杂度也要随之增加，而且小区间干扰也越来越严重(不同调制方式之间目标SIR(信干比)变化达到16dB)，这也对接收设备提出了更高的要求。另外，随着调制阶数的增加，小区的覆盖面积大幅缩小，从BPSK到QPSK到16-QAM再到64-QAM，调制阶数每增加一步，会使小区半径缩短为原来的一半左右。总之，当系统需要扩容的时候，高阶的QAM调制是需要的，但这会带来覆盖面积减小和系统干扰增加等问题，这些问题可以通过将小区规划和调制体制规划相结合的方法来解决。如图3所示，在原有扇区划分和单一调制BPSK方式的基础上，根据所处地域不同，采用不同的调制方式，越靠近基站，则使用的调制方式越高。离基站最近的区域采用最高阶64-QAM调制方式，然后是16-QAM，再是QPSK，最外圈的区域使用BPSK。

    图3  自适应调制方式的使用示例

    2.3基于极化天线的小区规划
    使用极化天线的方法可以进一步优化频率复用机制，水平极化和垂直极化交替模式可以使相邻小区得到较好的干扰隔离，从而可以将系统容量提高近一倍。交替极化在系统中的应用如图4所示，如果只采用一个载频，考虑到实际地形的不规则，很容易存在较严重的同频干扰，而使用两个载频的交替极化模式，可以得到四组可用信道，从而大幅度减小干扰。联合采用两载频和极化天线技术，在不需要对现有网络进行较大改动的情况下，就可使系统获得更多的可用信道。

    图4  极化天线技术与网络拓扑结构

    根据以上各种提高系统频谱效率技术的描述可知，为了减小干扰，尽量保证小区的频率复用因子为1，其网络频率规划方案应该服从如下原则：
    ●除非距离达到5-7个倍程，或者两者之间有较好的阻挡物，否则相邻站点不允许出现相同方向的同频复用。如果要复用，可以采用不同的极化方向以获得20dB的额外隔离度。
    ●同一站点，同一扇区，尽可能不使用邻频进行组网，尽可能地使其错开一个角度，以保证服务扇区内的注册频点为最佳。
    ●同一站点，同一扇区，不可以使用同频。
    ●同一站点，相邻扇区，不可以使用同频。在采用高性能天线的情况下，如果终端的位置不在相邻两个扇区交叠边缘，可以使用同频交叉极化的方式。
    ●同一站点，相背扇区，在基站天线前后隔离度满足30dB的要求时，可以使用相同极化的同频。
    针对免许可证频段，802.16协议还规定了动态频率选择方案，同时，WiMAX系统可以支持多输入多输出、智能天线、OFDMA等技术，可降低频率干扰、增加网络容量。
    3、WiMAX系统的核心网策略
    WiMAX系统的网络结构包括WiMAX终端、WiMAX无线接入网和WiMAX核心网3部分，如图5所示。根据所采用的标准以及应用场景不同，WiMAX终端包括固定(802.16-2004)、便携和移动(802.16e)三种类型。而WiMAX接入网主要指基站，需要支持无线资源管理等功能，有时为方便和其他网络互联互通，还需要包含认证和业务授权(ASA)服务器。而核心网主要用于解决用户认证、漫游等功能及作为与其他网络之间的接口。

    图5  WiMAX网络结构

    3.1WiMAX和其他现有网络的互联互通
    由于802.16系列协议只定义了无线空中接口标准，对于WiMAX的核心网没有涉及。作为一种新兴网络，802.16首先是对现有无线网络的一种补充，用于满足高速数据传输的需求，所以和现有无线网络互联互通，充分利用现有无线网络的核心网是WiMAX发展的重要一步，这样可以减少WiMAX系统核心网的投资，实现网络间的无缝切换；同时可以充分挖掘现有网络的用户信息，共用现有网络的计费、鉴权和加密机制；并且充分依托现有网络和业务平台的资源，开展新业务等。
    如果混合组网，WiMAX可以通过两种方式和现有无线通信网络互联：紧耦合和松耦合。松耦合对现有网络改造较小，WiMAX直接利用现有网络的AAA(认证，授权和计费)服务器，避免WiMAX数据流经过现有网络的核心网。这种方式保证了WiMAX和现有网络相互独立，并且可以使用移动IP支持网间的移动性，但这会导致较高的延时。在WiMAX中建议采用跨层路由协议(在IEEE802.21协议中称为2.5层路由协议，位于传统路由层和MAC层之间)来减少WiMAX不同基站切换时的延时，但是无法减少网间的切换延时，所以这种模式对实时性要求非常高的业务来说是一大挑战。松耦合模式下两种网络共享AAA服务器，使得不同网络在混合的网络环境下使用一致的用户鉴权机制，从而可以使运营商更好地建立独有的业务模式，充分利用原有计费系统和客户关系。图6所示为WiMAX和WCDMA在松耦合模式下的组网结构。

   图6  WiMAX和WCDMA在松耦合模式下的组网结构

    紧耦合模式下WiMAX的数据流需要经过现有网络的无线网络控制器(RNC)和核心网，所以这需要对现有网络进行改造。这种模式的优点是充分利用现有网络对移动性管理的强有力支持，减少了切换延时，和松耦合模式相比，其切换时延有大幅度改进，保证了网络的无缝切换。图7所示为WiMAX与WCDMA紧耦合时的网络组成，WiMAX的基站直接和WCDMA的RNC或者SGSN相连。

    图7  WiMAX和WCDMA在紧耦合模式下的组网结构

    3.2基于IPv6的WiMAX核心网
    基于802.16的无线城域网(WMAN)应用将基于IP分组数据，而目前采用的IP仍然是IPv4。随着业务的不断发展，未来的发展趋势是IPv6将代替IPv4以满足更高的要求。基于IPv6的无线城域网技术不但使用户能够无线上网，而且能够在移动的同时进行网络连接，它还能保证数据的不间断性，同时支持众多的下一代网络业务。在不久的将来，基于IPv6的无线城域网将形成网络运营商的新业务增长点，将给运营商带来巨大的经济利益和大大提高其市场竞争力。因此，需要研究结合IPv6核心网和WiMAX接入网的组网方案。
    基于IPv6的无线城域网分为两部分：接入网与核心网。其中接入网部分采用WiMAX技术，核心网部分则采用IPv6协议互连，内部路由器均支持MPLS，边缘路由器完成三层操作，核心路由器完成二层交换。用户接入核心网的过程为：用户数据经采用WiMAX技术的接入网的空中接口到达基站后，通过“WiMAX-IPv6核心”接口抵达WMAN核心网的边缘路由器，由该边缘路由器对其进行三层操作后，进入支持MPLS的IPv6网络传输，经标签交换后，抵达WMAN与核心网边缘网关，然后进入核心网。
    无线城域网中的BS需要提供对IPv6路由协议(包括MPLS)、自动配置、组播、QoS算法实现、移动性管理等的完整支持，这是研究的重点。这里的BS兼容了路由功能，所以必须支持核心网上使用的主要路由协议。同时由于MPLS能改善路由网络的效率和控制，对于实时业务应用以及与CNGI(ChinanextgenerationInternet)互连互通具有深刻意义，BS也必须支持此功能。对于RIPv6、OSPFv6、IDRPv2、MPLS协议，IETF都制定了相关的RFC规范，在BS中的实现应当符合规范规定。其中OSPFv6是可以用于IPv6的OSPF版本，它也是IPv6推荐的内部网关路由协议(IGP)，作为所有路由器的标准，适用于大型网络，所以需要优先考虑其如何应用于WiMAX的核心网中。
    4、基站无线互联方案
    在IEEE802.16d/e定义的BWA(宽带无线接入)系统中，并未定义基站接入互联网的方式。按传统方式，基站通过有线方式如光纤连接到集线器、路由器或网桥设备。但有线的有效传输距离一般是10km左右，虽然远大于WLAN的覆盖范围，但对于几十千米以外的区域是鞭长莫及。在有宽带接入需求的区域一般会选取一个最合适的位置来安装基站，但这个位置不一定有现成的有线接入点，很多情况下距离有线接入点还有较长距离。光纤无疑是目前宽带接入互联网最理想的载体，全光网络也是未来的发展趋势，但是相对宽带无线接入而言，光纤接入的成本相当高，建设周期也较长，如果最终客户的装机率不是很高，投资回报也就很难保证。尽管有一些运营商在尝试光纤接入网络建设，但是对于今天追求资本回报率，希望快速占领市场、快速赢利的运营商，很难说它就是最好的策略。而且，一旦网络建设完毕，一般很难重新调整。同时对于离互联网接入点较远的地区，如边远山区建立基站势必将投入较大的有线传输线路费用，以致基于成本的考虑对这些地区不能进行网络的覆盖。
    另一方面，当无线城域网由固定接入发展到支持移动性后，为了保证用户的无缝切换，基站间需要快速有效的通信。如果采用上述网络结构，BS与BS间的信息交互一定要经过边缘路由器、区域节点，然后再通过边缘路由器经过有线线路返回到BS。这个过程将受到多段通信信道状况的影响，尤其当网络拥塞时，将增加信息传递的延时，造成切换的不成功或通信中断。
    相对来说，无线传输手段具有快速灵活的优势，应用在基站互联上，具有投资少、见效快、组网灵活的特点，同时将扩大系统覆盖范围，解决更大范围的宽带无线接入问题，可以帮助运营商在激烈的宽带业务竞争中快速、有效地占领市场。对于基础网络资源缺乏的运营商，无线传输手段甚至将成为其WiMAX基站互联的主要手段。
    无线基站互联的结构可简单描述如下：中心基站惟一可以接入互联网，其他无线基站(非中心基站或远端基站)不能直接接入互联网，而是通过无线方式连接到中心基站。各非中心基站的上行数据将在中心基站处汇聚并发送到互联网；互联网将发向中心基站及相连的远端基站的下行业务数据合并发送到中心基站，由中心基站向各非中心基站转发，完成数据中继功能。非中心基站与中心基站的连接方式可以是多跳也可以是直接相联，视其服务区域与中心基站的远近而定。中心基站可以与非中心基站一样提供服务区用户(SS)直接接入，每个基站与用户间的空中接口规范遵循IEEE802.16-2004标准。
    同时，在支持802.16e中定义的移动性问题上，采用基站间无线互联方案的优势也是非常明显的。在用户预备或发生切换时，中心基站可以协助确定用户要切换到的目标基站，并保证用户切换前后业务状态的连续。下面介绍我们提出的两种组网方案供参考。
    4.1星型网络拓扑结构
    远端基站直接与中心基站无线连接，即经过一跳到达互联网；基站间通信采用5.8GHz频段，基站与用户间通信采用3.5GHz频段；每个基站服务区范围是5-7km，远端基站与中心基站间的距离可以为30-50km。网络拓扑如图8所示，中心基站直接与互联网相连并负责本小区的用户站接入；远端基站与中心基站无线连接并不直接与互联网相连。

    图8  星型网络拓扑

    这种方案的思想为中心基站将远端基站当作第一级用户站，将远端基站的用户站及本服务区域的用户站当作第二级用户站。5.8GHz频段覆盖范围与3.5GHz频段覆盖范围部分重叠，但互不干扰，如同两个单独的宽带无线接入系统。但要求基站间的传输距离比用户站与基站间的传输距离大得多。假定每个非中心小区使用相同的频段，如果设置为相邻小区，则必定相互干扰难以利用全部带宽资源，所以我们假设远端基站间的距离较远，足以消除同频干扰对每个小区可用带宽的影响，使远端基站到用户站的传输成为资源受限而非干扰受限系统。
    这种方案的另外一种应用是在基站之间采用LMDS(本地多点分配业务)技术，在基站和用户终端之间采用IEEE802.16协议规范。这要求基站提供两套设备，一套供基站之间无线通信需要，另外一套供基站和用户站之间通信使用。
    4.2多跳中继网络拓扑结构
    图9所示为多跳中继方案下的基站互联结构，其中基站A作为中心基站通过有线链路与IP网相连，而远端基站C、D则需通过基站B的中继，然后再通过基站A来接入互联网。所有的基站都首先提供覆盖小区的用户接入，此外，基站B作为中继基站提供对远端基站C和D业务的汇聚，基站A则负责基站B-F的上下行数据调度。

    图9  多跳中继网络拓扑

    这里，对于远端基站C或D接入互联网的路径为：远端基站C或D具有动态选路能力，根据传播条件、基站负载等选择最佳中继基站和路径接入互联网。比如，基站C想通过基站B来转发，但获知基站B中继负载较重或基站C和基站B间信道条件较差的反馈后，可以选择更优基站G来进行中继，最后仍通过基站A接入互联网。
    一旦远端基站C或D需要通过中继基站B实现与中心基站A的通信，那么面临的问题是基站B如何能同时与基站A和基站C、D通信。一种方式为：在中继基站B内设置两套收发设备，分别与中心基站A和下游的远端基站C及D进行通信。A-B或B-C基站间基于TDD双工模式，上下行都采用TDMA接入方式。
    另外一种方式为：所有的基站仍都只采用一套收发设备，但采用Mesh组网机制，即中心基站A对所有远端基站进行统一调度，使得最终接入基站A的任意两基站间的通信在基站A的调度下不会干扰其他基站间通信。不同基站间通信采用IEEE802.16-2004定义的Mesh帧结构和通信信令，而基站与终端通信采用IEEE802.16-2004协议定义的PMP帧结构，Mesh帧结构和PMP帧结构之间采用时分复用机制。
    这种方案的主要优点在于能够通过类似基站B、E的中继，使基站C、D能够覆盖到离中心IP网接入点较远的地区，从而达到扩展基站覆盖的目的。但是其缺陷也是非常明显的：
    ●基站A、B、E不仅要处理本小区的接入，还需要考虑其他基站的上行和下行链路数据中继，因此要承担较重的负载，尤其是直接与IP网络通信的基站A，对其处理能力及无线资源管理要求很高。
    ●基站A的集中协调同步过程将大大增加基站间数据传输延时，并且传输效率也将明显降低，这对于需要保证延时的通信是非常敏感的，QoS得不到保证。
    ●随着网络规模的扩大，基站间的路由配置也会增大。尽管基站的位置固定，路由选择也近似固定，但是一旦无线信道的条件突然变化时，远端基站就需要重新从多条可选路由中选择最佳路由，增大了系统处理的开销。
    ●中心基站覆盖的远端基站数目过多时，系统的动态资源分配也将变得异常复杂。此外，如何在全网范围内分配频段，使不同层次的基站能同时通信，也是需要深入研究的问题。
    多跳方式虽然能使扩展覆盖范围变得相对简便，但是扩大覆盖范围不可避免地会引起安全问题，并且全网的配置、监控、计费等管理也会进一步复杂化。
    5、结束语
    从目前的无线通信系统发展来看，WiMAX在最近几年可以被移动或者固定运营商作为分组数据业务的补充网络，在第一阶段不支持用户终端的移动性。未来的IEEE802.16e标准对移动性将有较好的支持，可以单独组网实现全网覆盖，所以从技术的演进、支持用户移动性和全网覆盖角度来看，WiMAX组网是一个逐渐演化的过程，从补充网络到局部的单独网络再到最后的全覆盖网络。
    在组网过程中，始终要关心WiMAX的网络规划优化，为了减少网络规划优化的工作量，同时满足灵活组网的需要，建议基站之间采用无线互联方案。另外，要充分考虑WiMAX服务小区的频率复用因子以及和核心网的通信，以保证端到端的QoS以及移动终端的无缝切换。