802.16无线城域网技术综述

  在无线局域网(WLAN)势头正劲之际,最近又出现了无线城域网(MAN)技术。与为无线局域网制定802.11标准一样,IEEE为无线城域网推出了802.16标准,同时业界也成立了类似WiFi联盟的WiMAX论坛。无线城域网技术为何会紧跟WLAN之后出现?802.16是一个什么样的标准?WiMAX的使命又是什么?这些就是本文所关注的要点。
  
  一、IEEE 802.16标准
  最早的IEEE 802.16标准是在2001年12月获得批准的,是针对10~66 GHz高频段视距(LOS)环境而制定的无线城域网标准。但目前所说的802.16标准主要包括802.16a、802.16RevD和802.16e三个标准。802.16a是为工作在2~11 GHz频段的非视距(NLOS)宽带固定接入系统而设计的,在2003年1月被IEEE批准通过;802.16RevD是802.16a的增强型,主要目的是支持室内用户驻地设备(CPE),预期将在2004年第三季度得到批准;802.16e是IEEE 802.16 a/d的进一步延伸,其目的是在已有标准中增加数据移动性,估计要到2005年下半年才能被批准。
  
  无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入(BWA)市场需求。虽然多年来802.11x技术一直与许多其他专有技术一起被用于BWA,并获得很大成功,但是WLAN的总体设计及其提供的特点并不能很好地适用于室外的BWA应用。当其用于室外时,在带宽和用户数方面将受到限制,同时还存在着通信距离等其他一些问题。基于上述情况,IEEE决定制定一种新的、更复杂的全球标准,这个标准应能同时解决物理层环境(室外射频传输)和QoS两方面的问题,以满足BWA和“最后一英里”接入市场的需要。有了这样一个全球标准,就能使通信公司和服务提供商通过建设新的无线城域网来为目前仍然缺少宽带服务的企业与住宅提供服务。
  
  符合802.16标准的设备可以在“最后一英里”宽带接入领域替代Cable Modem、DSL和T1/E1,也可以为802.11热点提供回传。新标准规范了一个支持诸如话音和视像等低时延应用的协议,在用户终端和基站(BTS)之间允许非视距的宽带连接,一个基站可支持数百上千个用户,在可靠性和QoS方面提供电信级的性能。总之,它充分考虑了为全世界通信公司和服务提供商设计一个可扩展、长距离、大容量“最后一英里”无线通信系统的需要,可支持一整套的服务,从而使服务提供商能够在降低设备成本和投资风险的同时提高系统性能和可靠性,有助于加速无线宽带设备向市场的投放以及“最后一英里”宽带在世界各地的部署。BWA应用包括住宅宽带接入、用于SOHO和小企业的DSL级业务、用于企业的T1/E1级业务(所有这些不仅支持数据,而且还支持话音和视像),还包括用于热点的无线回传和蜂窝小区基站回传业务等,如图1所示。
  


  
图1 802.16的BWA应用

  802.16a、802.16RevD和802.16e这三个标准的物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)是相同的。目前它们所选定的物理层规范是256点FFT OFDM PHY(与ETSI NiperMAN相同)。其他物理层规范将在今后市场需要时再制定。
  
  选用OFDM是由于它在保持高频谱效率、最大限度利用可用频谱的同时还具备支持非视距性能的能力。在CDMA的情况下,为了保证处理增益能够克服干扰,射频带宽必须比数据吞吐量大许多。这对低于11 GHz的宽带无线显然是不切实际的,因为如果数据速率高达70 Mbit/s,就需要射频带宽超过200 MHz才能提供相应的处理增益和非视距能力。
  
  为了在各种信道环境下提供可靠的性能,802.16物理层还具备以下一些特点:灵活的信道宽度、自适应突发信号轮廓、采用Reed-Solomon与卷积级联码的前向纠错、任选的先进天线系统(AAS)(可改善距离/容量)、动态频率选择(DFS)(可帮助减小干扰)、空时编码(STC)(通过空间分集提高在衰落环境下的性能)。表1给出了IEEE 802.16标准的一些物理层特点。
  上述特点对室外BWA的基本运行是必要的要求,特别是一个标准要想真正适应世界各国的情况,就需要灵活的信道宽度。这是因为对设备可以工作在什么频率以及使用什么宽度的信道各国的管理办法并不相同。在需要牌照的频谱上,运营商必须为每一MHz付钱,因此所建的系统一定要把所分配的频谱用足,并具有适应蜂窝结构或单基站结构的灵活性。如果运营商获得14 MHz频谱,并为此付了钱,它们就不希望系统的信道宽度为6 MHz,因为这将浪费2 MHz的频谱。它们希望系统可以采用7 MHz、3.5 MHz,甚至1.75 MHz的信道来建网。
  
  由于各种无线网基本上都是工作在共享媒体上,必然需要一种控制用户单元接入媒体的机制。802.16的MAC层使用由基站安排的TDMA协议在点到多点的网络拓扑中给用户分配容量。采用这种TDMA接入机制以后,802.16系统不仅能够提供具有服务水平协定(SLA)的高速数据业务,而且还能提供对时延敏感的业务(如话音、视像或数据库访问等),并具备QoS控制能力,不仅仅是控制优先等级,而且所设计的MAC层还能适应杂乱的物理层环境,即在室外工作时遇到的干扰、快衰落和其他现象。
  
  二、IEEE 802.16与IEEE 802.11的比较
  1. 覆盖
  
  802.16标准是为在各种传播环境(包括视距、近视距和非视距)中获得最优性能而设计的。即使在链路状况最差的情况下,也能提供可靠的性能。OFDM波形在2~40 km的通信距离上支持高频谱效率(bit/s/Hz),在一个射频内速率可高达70 Mbit/s。可以采用先进的网络拓扑(网状网)和天线技术(波束成形、STC、天线分集)来进一步改善覆盖。这些先进技术也可用来提高频谱效率、容量、复用以及每射频信道的平均与峰值吞吐量。此外,不是所有的OFDM都是相同的。为BWA设计的OFDM具有支持较长距离传输和处理多径或反射的能力。
  
  相反,WLAN和802.11系统在它们的核心不是采用基本的CDMA,就是使用设计大不相同的OFDM。它们的设计要求是低功耗,因此必然限制了通信距离。WLAN中的OFDM是按照系统覆盖数十米或几百米设计的,而802.16被设计成高功率,OFDM可覆盖数十公里。
  
  2. 可扩展性
  
  在物理层,802.16支持灵活的射频信道带宽和信道复用(频率复用),当网络扩展时,可以作为增加小区容量的一种手段。此标准还支持自动发送功率控制和信道质量测试,可以作为物理层的附加工具来支持小区规划和部署以及频谱的有效使用。当用户数增加时,运营商可通过扇形化和小区分裂来重新分配频谱。还有,此标准对多信道带宽的支持使设备制造商能够提供一种手段,以适应各国政府对频谱使用和分配的独特管制办法,这是世界各地的运营商都面临的一个问题。IEEE 802.16标准规定的信道宽度为1.75~20 MHz,在这中间还可以有许多选择。
  
  但是,基于WiFi的产品要求每一信道至少为20 MHz(802.11b中规定在2.4 GHz频段为22 MHz),并规定只能工作在不需牌照的频段上,包括2.4 GHz ISM、5 GHz ISM和5 GHz UNII。
  
  在MAC层,802.11的基础是CSMA/CA,基本上是一个无线以太网协议,其扩展能力较差,类似于以太网。当用户增加时,吞吐量就明显减小。而802.16标准中的MAC层却能在一个射频信道内从一个扩展到数百个用户。这是802.11 MAC不可能做到的。
  
  3. QoS
  
  802.16的MAC层是靠同意/请求协议来接入媒体的,它支持不同的服务水平(如专用于企业的T1/E1和用于住宅的尽力而为服务)。此协议在下行链路采用TDM数据流,在上行链路采用TDMA,通过集中调度来支持对时延敏感的业务,如话音和视像等。由于确保了无碰撞数据接入,802.16的 MAC层改善了系统总吞吐量和带宽效率,并确保数据时延受到控制,不致太大(相反,CSMA/CA没有这种保证)。TDM/TDMA接入技术还使支持多播和广播业务变得更容易。
  
  WLAN由于在其核心采用CSMA/CA,故其目前已实施的系统无法提供802.16系统的QoS。
  
  三、WiMAX论坛
  1. 成立的目的
  
  虽然标准的制定是某项技术被广泛接纳的关键,但事实表明,一个标准的通过并不意味着这项技术就一定会被市场所接纳。要被市场广泛接纳,就必须克服诸如互操作性和部署成本等障碍,其中互操作性尤其重要。互操作性意味着最终用户可以购买自己偏好的品牌,拥有他们想要的特点,并知道它怎么与其他认证过的类似产品一起工作。要真正获得市场,产品必须首先被认证是符合标准的,然后还必须证明它们是可以互操作的。但克服上述障碍并不是IEEE的职能,需要由业界来做。WLAN就是一个很好的例子。802.11b标准是在1999年得到批准的,但是在WiFi联盟引入互操作性认证之前,并没有被广泛接纳,可互操作的802.11b设备直到2001年才面世。出于同样的原因,在2001年4月成立了世界微波接入互操作性论坛(WiMAX:Worldwide Interoperability for Microwave Access),当时是为了10~66 GHz 频段的IEEE 802.16原始规范而成立的。WiMAX是一个非赢利的