超长距离无线网络技术——WiMAX

  设想一下在类固醇上实现Wi-Fi;再设想一下无线数据技术可以跨越长达50公里的距离,而不是仅局限于区区100米;不妨再进一步设想一下,数据传输率是Wi-Fi 802.11b技术的若干倍——甚至高出新的802.11a 和802.11g。
  
  这种新技术,具有更多的安全特性以实现对用户敏感数据的保护,并为不间断的关键性语音和视频数据传输提供Wi-Fi技术中所欠缺的低延迟和有保证的QoS,而且与仅能连接几十个用户的Wi-Fi技术不同,它能同时接入成百上千的无线用户。
  
  上文所述及的结果,凭借IEEE标准802.16a即可实现,这便是越来越多地被提及的WiMAX技术。如今,802.16a或WiMAX已成现实。仅一年前才获得批准的802.16a标准,很快将在过去或者由于距离太远、或者由于布线困难、或者由于花费过大而以电线或光纤无法实现连网的区域,实现“最后一公里”的宽带无线接入;它同时也可作为Wi-Fi的回程(backhaul)线路,当没有方便的Wi-Fi连接时,可以利用它快速、容易地通过Wi-Fi热点登录到互联网(如图1);而笔记本电脑和PDA亦可借助它直接连入城域网(MAN)。
  

 

  802.16a由于其技术的优越性,获得了强大的商业支持。作为推进802.16a技术的非营利性组织,WiMAX论坛对不同厂商的802.16a产品进行互操作性认证。在这方面,他们又在致力于802.11技术的普及和商业化的Wi-Fi联盟的基础上前进了一大步。WiMAX论坛由英特尔、诺基亚以及其他几家无线设备制造商于去年共同创建,如今拥有近70个成员。其中一些成员期望今年晚些时候经认证的WiMAX产品能推向市场。
  
  这一大手笔的商业行动始于去年1月。与802.16相比,802.16a规范有了极大的改进(见表1),它能提供非视距(non-line-of-sight,NLOS)数据传输,并且可以同时接入多个用户。此外,802.16a还在其他一些参数上拥有优势,如传输范围、数据传输率、同时接入用户的数量等,凭借这一点,此技术的实施者在为特殊的客户、在特别的操作条件下或特殊的业务模式下创建系统时可拥有极大的灵活性。
  
 

  灵活性:WiMAX的最大优势
  
  802.16a规范覆盖的范围最大可达50公里,可提供最高达70Mbps的数据传输率,但两者不能同时实现。位于基站附近的无线用户可以利用有效的调制方案,如64位 QAM调制解调方式接收较强的信号,并且尽可能地获取最高数据传输率;而较远的用户,则很可能采用一个可靠性较高、但效率较低的调制方案,如16位QAM,提供较低的传输率,但至少可以使该用户始终保持接入状态。此外,802.16a的调制方式可以实时变化,这种变化既可以在不同用户间切换,甚至还可以针对单一用户进行以秒为单位的调整。一个802.16a系统可在任何条件下连续提供最高数据传输率。
  
  802.16a也能在信道宽度和连接用户数量之间取得平衡。与固定于20MHz信道宽度的Wi-Fi不同,WiMAX的信道宽度由1.5MHz到20MHz不等。在用户数量极少的地区,用户可开始于一个较窄的信道,然后逐渐增加信道,或者当其客户增加时使用一个较宽的信道。与此近似,也可以使用一个窄信道提供宽带无线接入到客户较少的农村用户家中,而以一个宽信道同时提供T1连接到多个商业用户。
  
  灵活的信道宽度还有其他的一些优势,并有能力满足位于不同地域分支机构的不同需要。例如,802.16a可以满足位于3.5GHz的频带中,提供带宽为14MHz、7MHz或3.5MHz的信道带宽。同时,在许可的宽带范围内(802.16a拥有许可的和不经许可的宽带频谱),灵活的信道宽度还可减少购买带宽的费用。支付14MHz带宽的用户不会选择一个信道带宽为6MHz的系统,这样会浪费2MHz的频谱。
  
  此外,802.16a还有一个长处就是它可以为延迟敏感应用程序如语音和视频提供有保证的 QoS。它的MAC层通过使用“请求/准予”接入机制,可防止与802.11的竞争式接入方案同时出现的数据冲突及相关的数据转播方面的浪费。凭借QoS,802.16a能保证无线服务提供商为不同客户根据其签订的服务水平协议提供不同等级的服务。例如,它既可向商业客户保证高带宽,或者是语音或视频应用的低延迟,又可以向互联网住宅用户提供最高速率以及低成本的服务。
  
  欲实现上述这些性能,802.16a就与最初的802.16标准有了很大的不同。例如,与802.16的10~66GHz频率范围不同,802.16a主要在2~11GHz的频率范围内工作,以能更好地适应非视距传输(许多应用程序首选的频率一般低于6GHz)。此外,802.16a还增加了一个新的PHY层(见表2),它采用256OFDM(orthogonal frequency division multiplexing,正交频分复用)技术,而这对于长距离、非视距传输中出现的长多路延迟具有极大的包容性。
  
 

  WiMAX与Wi-Fi:冲撞与协作
  
  WiMAX 技术所强调的一个特性是容量——即以足够的带宽,同时支持60多个以T1速率实现的商业连接,或者几百个具有单一的基站扇区(sector of a base station)实现DSL连接的家庭。目前来看,其他任何无线技术都不能提供这种容量。毕竟,一个通信信道上的总数据传输率仅与信道带宽(Hz)和其采用调制方式的效率(bps/Hz)有关。与其他一些技术相比,802.16a的调制方式要有效得多。
  
  但与802.11相比,802.16a确实可允许同时接入多得多的用户。正像富士通微电子公司高级市场经理同时也身兼WiMAX副会长的Aditya Agrawal所指出的那样,并非网络中的所有用户都同时工作。但是,Aditya Agrawal进一步指出,如果网络可以很好地管理用户,那么用户都可以顺利地接入以及根据其服务水平协议向他们提供承诺的带宽。802.16a的关键优势是在其独特的MAC层。
  
  与802.11的竞争式接入相反,802.16a的MAC层提供请求/准予接入方式。这意味着来自采用802.16a接入的用户数据不会与其他用户的数据产生冲突,而根据数据转播的特性,无冲突也就意味着没有带宽的浪费。Agrawal还指出,仅当用户数量很小——低于约10个(如802.11)接入点时,由于竞争式接入产生的管理费用的增加才会比较小。当平均网络负载超过20%~30%时,由于冲突导致的转播数量会急剧增加。而802.16a仅凭避免冲突即避开了这一难题。
  
  802.16a还通过其灵活的信道宽度和自适应调制将更多的用户连在一起。因其信道窄于Wi-Fi的固定20MHz信道,因而可锁定低数据传输率用户市场,同时也不浪费带宽。当用户在嘈杂的条件下或低信号强度时,自适应调制可令其仍然保持连网状态而不致离线。
  
  但是,WiMAX并不提供Wi-Fi的便携性。最初的802.16a客户终端设备(customer premise units,CPE)的大小可与卫星电视天线相提并论,且价格为几百美元。来自WiMAX CPE的信号既可连入有线以太网,也可直接接入计算机中。当笔记本电脑用于802.11回程时,它也可以从WiMAX应用中获益,但其连接仍然需通过Wi-Fi技术。802.16a调制解调器最终也会用于笔记本电脑和PDA,但预计进程不会很快。
  
  WiMAX也确实限制了一项未来可能极具吸引力性能的发展,这就是可移动性。已经提议的IEEE802.16e标准在由半径为2~5公里范围蜂窝构成的城域网(MAN)内增加可移动性工作特性。这种MAN的实现还需要几年时间,但是,对802.16e的规划已经进入早期阶段。同时,现在可以预见的是,802.16e不会令移动用户移动得像其一向所期望的那样快——比如,在一列快速行驶的火车上。现有的思考将可移动性限制在汽车速率甚至以下,并且当用户移动时,其数据传输率限制在约5Mbps左右。
  
  WiMAX技术未来另一个发展的可能性是网状网络(mesh network)。在网状网络中,用户服务站(subscriber stations)不仅可与基站通信,还可实现彼此间的通信。其优点之一是其越障能力,特别是当大型障碍,如山脉或山丘阻碍了由用户直接接入基站的时候。而被阻挡的用户可穿越其他用户单元间接抵达基站。甚至少量的网状网即可极大地提高基站的覆盖范围,但还是有赖于是否拥有足够的用户数量。“这是一个鸡与蛋的问题,”富士通的Agrawal表示,“除非拥有足够的部署基站,网状网络不会有效。”
  
 

  与其他无线技术相容?
  
  802.16a是否会与其他无线技术产生冲突仍然有待观察。但至少不久之后,它将是对802.11标准的补充,可令Wi-Fi用户极大地扩展其无线网络。例如,802.11设备的大型供应商、无线设备制造商Proxim,也是WiMAX论坛的早期成员之一,就对WiMAX设备表现出极大的热忱。Proxim的产品市场经理Jeff Orr表示,Proxim也需要提供802.11回程,并且它将802.16a视做实现这一目标的完美途径。“无论如何,WiMAX并非为替代802.11而设计。它是一个‘最后一公里’问题,而802.11面对的是最后100英尺的问题。”
  
  WiMAX系统最终是否会取代Wi-Fi?很可能。通过Wi-Fi接入WiMAX可能有些多余,而且现今的Wi-Fi缺少许多WiMAX的性能,如长距离和管理语音和视频应用的能力(见表3)。Wi-Fi将会实现与被提议的802.11e标准有关的语音及视频应用所必需的低延迟要求,但当前的努力仅是为了通过排列优先级而改善延迟,而不会得到有保证的QoS。“Wi-Fi并未解决争论的关键问题”,富士通的Agrawal表示,“这便是802.11的核心。当然,Wi-Fi热点会保留下来。”
  

  两者的竞争可能会集中于另一领域——可移动性。被包含在提议的802.16e标准之中的802.16的可移动性扩展标准,还处于发展早期,但依然比被提议的802.20标准前进了一步,而802.20是在广域网(WAN)中实现可移动性,如蜂窝手机领域的3G。
  
  严格说来,WiMAX论坛并不提倡竞争。“802.16e的目的是在当前仅支持固定操作的标准