WiMAX无线网络组网方案

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WiMAX是一种基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入城域网技术，使用10-66 GHz频段，最高可以提供75 Mbit/s的传输速率，单基站覆盖范围最大可达到48 km。WiMAX能应用于很多领域，包括“最后一公里”接入、热点、蜂窝回程技术以及商业用户的企业级连接。
目前所说的IEEE 802.16标准主要包括IEEE 802.16a、IEEE 802.16d和IEEE 802.16e三个标准。其中IEEE 802.16a和IEEE 802.16d是固定无线接入的空中接口标准。而IEEE 802.16e的目标是在IEEE 802.16d固定无线接入标准的基础上加入了新的特性，如切换、安全等，使其支持移动特性，该标准于2005年12月正式批准。
一、WiMAX的技术特点
WiMAX采用波束赋形、MIMO、Mesh、OFDMA等后3G的先进技术改善非视距性能，更高的系统增益也提供了更强的远距离穿透阻挡物的能力。和当前其他技术相比，WiMAX具有以下技术特点：
●标准化，成本低：由于使用同一技术标准，不同厂商的设备可在同一系统中工作，增加了运营商选择设备时的自主权，降低了成本;
●数据传输速率更高：WiMAX所能提供的最高接入速率是75 Mbit/s，目前，实际应用时每3.5 MHz载波可传输的净速率为18 Mbit/s，频率利用系数高;
●非视距传输(NLOS)：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，大大减少基础建设投资;
●传输距离远：最大传输半径为50 km，是无线局域网所不能比拟的;
●部署灵活，配置伸缩性强，可平滑升级：根据业务需求区域灵活部署基站，网络建设初期，可选用最小配置，根据业务增长，逐步增加设备;
●无“最后一公里”瓶颈限制：作为一种无线城域网技术，可以将WiFi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;
●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。
二、WiMAX的组网方式
中国幅员辽阔，无线传播环境和业务需求多种多样，针对WiMAX具有数据速率高和覆盖范围广的特点，有机地将WiMAX技术融合到现有和即将建设的WiFi、3G、有线接入网中，根据优势互补的原则，全面考虑。具体来说：
(1)WiFi网络可以与WiMAX网络同步建设，减少有线线路的投入;由于WiFi和WiMAX技术分别解决“最后100米”和“最后一公里”问题，因而具有不同的定位和用途。在没有WiFi网络的地区，用户可以直接接入WiMAX网络开展数据业务。但是另一方面，WiFi也可以通过室外天线，利用WiMAX技术直接与骨干网相联，不通过有线网络与骨干网相连，从而可以大大减少敷设有线网络的成本。因此，针对WiMAX和WiFi技术的不同定位和优势，两者可以互为补充，共同发展。
(2)对电话双绞线和同轴电缆难以覆盖的地区，利用WiMAX技术建设无线网络，针对不同运营商的网络基础，在骨干网薄弱的地区，可以利用WiMAX快速开展宽带接入业务或成为有线宽带接入的补充;
(3)当WiMAX技术中的IEEE 802.16e标准成熟之后，WiMAX技术可以保证用户在低速移动中进行高速数据接入，从而与3G网络相融合，并成为其有力的补充;
(4)对临时通信需要以及较大范围的无线接入场合，如展会等，WiMAX可以作为一种有力的保障方式。
以应用到固定应用场景的IEEE 802.16d为例，基于WiMAX的无线城域网接口标准与传统的基站式小区网络非常类似。参考通用的无线通信体系结构，WiMAX的网络参考架构可以分成终端、接入网和核心网三个部分。WiMAX终端包括固定、漫游和移动三类终端，WiMAX接入网主要为无线基站，支持无线资源管理等功能，WiMAX核心网主要是解决用户认证、漫游等功能及WiMAX网络与其他网络之间的接口关系。这是典型的点到多点(PMP)的组网方式。
在这种方式下的典型应用主要有以下三种：
(1)面向居住区和SOHO的高速互联网接入：在某些区域，目前的数字用户线(DSL)或有线连接方式已经不能满足顾客对于性能、灵活性和成本的期望，而WiMAX是最佳的替代技术;
(2)中小型企业：对于集团应用，WiMAX可以降低成本，提供灵活的接入方式，是最佳的方案;
(3)WiFi热点回程：随着WiFi热点大范围地布置，高容量、低成本的回程解决方案成为WiFi热点数量不断增长的一个障碍。这一问题可以通过WiMAX有效地加以解决。由于具备游牧容量，WiMAX可以有效地填充WiFi热点之间的空白区域。
三、 WiMAX网络规划的关键问题
基于IEEE 802.16e协议的WiMAX网络支持移动性，其规划流程也类似移动通信网，可分为以下四个步骤：
(1)定义设计要求：包括对不同区域类型(如可分为市区、郊区、农村等)的覆盖、容量及服务要求(如数据业务的QoS等);
(2)传播模型调校：为了使规划结果与实际更加接近，必须对规划软件的传播模型进行调校;
(3)预规划：基于规划软件，进行小区规划，以满足输入的设计要求，包括基站的数量、规划站址、基站技术条件要求、设备配置等参数;
(4)详细规划：根据规划结果，进行基站选择及站址勘查等，确定方案。
在网络建设前期，用户通常会比较少，一般优先考虑的是网络覆盖问题。由于网络容量受市场和业务发展的影响比较大，所以文章将主要从前期覆盖的角度去考虑网络规划。
1.无线传播模型的选择
由于各地区的无线传播环境千差万别，因此经验公式并不能真实地代表当地的电磁波传播环境。为了使规划结果与实际更加接近，必须对电磁波传播模式进行调校。
对于固定无线接入而言，由于WiMAX系统使用的频段比较高，目前WiMAX论坛推荐的 无线传播模型为修正的SUI模型，该模型是在Erceg模型和COST231-WI模型的基础上修正而来。下面主要以Erceg模型为例进行详细说明。
Erceg模型主要针对郊区而言，并按传播环境的特性，将模型分成A、B、C三类，其中A模型适用于山区或市区环境(路径损耗大)，C模型适用于平地或农村环境(路径损耗小)，B模型的路径损耗介于A、C两者之间(郊区)。在1.9 GHz频段，其典型参数如下所示：

其中a、b、c参数在不同模型中的取值见表1。hb为基站天线的高度，取值10～80 m;d0=100;s表示衰落因子，一般取值在8.2～10.6 dB之间。
表1　a、b、c参数在不同模型中的取值
模型参数 A模型 B模型 C模型
a 4.6 4 3.6
b 0.0 075 0.0 065 0.005
c 12.6 17.1 20

对WiMAX系统而言，由于基频段更高，需要对上面的公式进行修正，如下所示：

注：为方便计算和表述，表中备注栏用字母代替部分参数，并附有部分计算公式。
多载波的WiMAX系统的下行链路预算详细过程如下表3所示。
表3　下行链路预算

以上计算基于IEEE 802.16e协议。如果是基于IEEE802.16d协议的WiMAX系统，由于不支持移动性，则不需要考虑相应的衰落余量。
同样，如果采用了智能天线，其波瓣赋形技术也会相应地增大最大允许路径损耗，会带来更大的单站覆盖范围。
在进行了链路预算以后，可以根据无线传播模型得到每个扇区的覆盖半径，进而求出每个基站的覆盖面积，对随后进行的网络规划具有很好的指导作用。
四、结语
对于正在蓬勃发展的中国信息产业而言，WiMAX技术的出现与发展是机遇也是挑战，如何充分发挥WiMAX的特点，结合中国无线网络的现状，更好地发挥其自身的优势，为用户提供更加便捷和优质的服务，创造新的业务增长点，是目前需要迫切研究解决的问题。