WiMAX 技术及其混合组网.doc

目 录1、WiMAX技术概述：12、WiMAX 系统网络架构：23、WiMAX网络参考点：44、WiMAX组网应考虑问题：55、WiMAX与3GPP网络的融合：56、WiMAX与Wi-Fi的联合组网：67、WiMAX和DSL的联合组网：68、小结：7参考文献：78WiMAX技术及其混合组网摘要：WiMAX作为新兴的无线网络接入技术，具有高数据传输速度，支持多媒体传输，成本低，组网方式灵活，覆盖范围广等优点。本文探讨了WiMAX技术的概括，组网方式等，提出了WiMAX与3G，Wi-Fi和DSL的融合，并给出了相应的联合组网模式。关键词：WiMAX、NAP、NSP、ASP、CSN、3G、Wi-Fi正当3G、HSDPA等技术方兴未艾之时，WiMax作为一种“宽带无线化”技术，被ITUT托出水面，它的出现引起了众多通信专家的关注，尤其在我国3G网络正准备大规模建设之际，它的问世将对现有无线网络产生深远的影响。1、WiMAX技术概述：WiMAX (World Interoperability for Microwave Access)意即全球微波接入互操作性，是基于IEEE80216标准的无线城域网技术。与3G所不同的是，WiMax是在宽带接入无线化背景产生的，是一种宽带无线接入技术。WiMAX是一项基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入城域网（BWA-MAN）技术，也可以称为IEEE Wireless MAN。该技术是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准，其主要目标是提供一种在城域网一点对多点的多厂商环境下，可有效地互操作的宽带无线接入手段。WiMAX具有如下特点： a、传输距离远：无线信号传输距离最远可达50km，并能覆盖半径达1.6公里的范围，是3G基站的10倍。b、传输速率高：可实现高达74.81Mb/s的传输速度，在3.5MHz带宽下，WiMax基站每载波扇区下行支持1.5M10Mbps的接入速率，远远高于目前2.5G移动通信系统所支持的接入速率，超过WCDMA R4版本。c、容量高：WiMAX中采用mesh、beam-forming、 MIMO等先进的技术改善非视距性能，出众的系统增益提供更强的远距离穿透阻挡物能力。WiMAX基站可以提供最高每扇区74.81Mb/s的吞吐量，可以同时为超过60个T1级别的商业用户和上百个DSL数据速率的家庭用户提供接入服务。d、灵活的信道宽度：WiMAX支持自适应调制和可变纠错码技术，基站可以根据信号的强弱在吞吐量和覆盖范围之间进行权衡。WiMAX信道带宽可以根据实际的需求进行调整，从而更有利于抵抗干扰、节省频谱资源和频谱规划。WiMAX能在信道宽度和连接用户数量之间取得平衡，其信道宽度由1.5MHz到20MHz不等。e、QoS性能：可向用户提供具有QoS性能的数据、视频、话音业务。WiMAX中动态TDMA多址方式及(Grant/Request) MAC支持数据、话音（VoIP）以及视频等对时延敏感的业务。根据业务的分级不同，带宽进行按需分配（on-demand bandwidth allocation）。f、保密性：支持安全传输，并提供鉴权与数字加密等功能。2、WiMAX 系统网络架构：一个WiMAX网络典型的由NAP、NSP和ASP组成，在有些应用场合，网络也可以简化，由NSP的CSN直接与Internet连接，提供Internet接入。a、网络接入提供者NAP（Network Access Provider）NAP是一种运营实体，为一个或者多个WiMAX网络业务提供者（NSPs）提供WiMAX无线接入设备。一个NAP可以拥有一个或者多个ASN。b、网络服务提供者NSP（Network Service Provider）NSP是一种运营实体，为用户提供IP连接和WiMAX业务，这些服务是满足事先与用户建立的服务协定的。为了提供这些服务，一个NSP需要与一个或者多个NAP签约，以使用接入网设备。NSP的设备都在一个CSN内。一个NSP可以与其他的NSP建立漫游协定，也可以与第三方的业务提供者签订协约，为用户提供WiMAX服务。从WiMAX用户的角度来看，NSP可以分成归属NSP（H-NSP）和拜访NSP（V-NSP）。c、应用服务提供者ASP (Application Service Provider)ASP主要的功能是提供增值业务以及三层之上的业务，例如IMS、企业应用等等。并提供和管理IP层之上的应用。图1 WiMAX网络典型应用模式图中ASN是指接入服务网络ASN（Access Service Network），ASN是一套网络功能的集合，为WiMAX用户提供无线接入。图中CSN是指连接服务网络CSN（Connection Service Network），CSN被定义为一套网络功能的组合，为WiMAX用户提供IP连接。CSN可以由路由器、AAA代理/服务器、用户数据库、Internet网关设备等组成。CSN既可以作为全新的WiMAX系统的一个新建网元，也可以利用部分现有的网络设备实现CSN功能。由图1我们可以看到，一个NAP可以同时采用多个ASN和BS设备，不同的NAP的接入设备可以同时连接到一个CSN上，也就是说同一个NSP可以用不同NAP提供的接入设备。这样就使得WiMAX系统的运营和组网方式非常灵活，既可以是同一个运营商来提供所有的设备和服务，也可以是不同的运营商分别提供相应的设备和服务。 这是从应用的角度来看WiMAX系统。在从设备的角度来看，如图2所示，一个ASN由多个BS和一个ASN-GW网关组成，ASN与CSN的连接可以是网状连接，一个ASN可以与多个CSN相连，一个CSN也可以与多个ASN相连，这种灵活的组网方式，使得WiMAX系统无论是独立建网还是与其他网络互连互通，都奠定了良好的基础。图2 ASN和CSN的关系WiMAX网络的参考模型分为非漫游模式和漫游模式，分别如图3和图4所示。其功能逻辑组，包括移动用户台（MSS）、接入网络（ASN）、连接服务网络（CSN）和应用服务提供商（ASP）网络。与图3相比，图4主要增加了CSN之间的R5参考点。另外，WiMAXNWG规范不定义CSN和ASP之间的接口。图3 非漫游模式端到端参考模型图3是WiMAX网络在非漫游场景下的典型参考模型。如图所示，WiMAX终端通过空中接口R1接入ASN，ASN与ASN之间通过R4接口连接，ASN与CSN之间通过R3接口连接。终端与CSN之间的接口R2仅仅是逻辑接口，通过R1和R3接口作为实际的物理承载。图4 漫游模式端到端参考模型 图4是WiMAX网络在漫游场景下的典型参考模型。如图所示，对于WiMAX终端，通过逻辑的R2接口分别与拜访CSN（V-CSN）和归属CSN（H-CSN）通信，拜访CSN（V-CSN）和归属CSN（H-CSN）之间通过R5接口连接。网络为用户提供漫游服务。用户移动到异地后仍然可以享受WiMAX服务。3、WiMAX网络参考点：目前WiMAX网络共有8个参考点，分别记为：R1R8，其主要功能如下：R1：WiMAX终端与接入网络ASN之间的接口，与IEEE802.16的空中接口物理层和MAC层一致，根据需要可能增加管理面的功能。R2：在WiMAX终端与连接服务网CSN之间的逻辑接口，提供与鉴权，业务授权以及IP主机配置管理等等服务。该接口仅仅是一个逻辑的接口。通过其他的物理接口提供实质的连接。图5 NWG建立的开放接口R3：该接口包括控制面和承载面的协议栈，满足ASN与CSN之间的互联要求。其中承载面由ASN和CSN之间的IP隧道构成。IP隧道的粗细与不同的QoS类别以及不同的CSN相关（注意，在这里不同的CSN可以连接到同一个ASN，由同一个ASN提供无线接入服务）。控制面包括IP隧道建立以及由于终端的移动而产生的隧道释放等控制协议。除此之外，控制面还包括AAA、策略以及QoS执行等等协议。R4：主要定义与ASN之间移动性有关的控制面和承载面协议。R5：该接口包括控制面和承载面的协议栈，以满足拜访CSN与归属CSN之间互连需要。其中承载面由拜访CSN和归属CSN之间的IP隧道构成。IP隧道的粗细与不同的QoS等级以及归属CSN相关（注意，在这里不同的归属CSN可以连接到同一个拜访CSN，由同一个ASN提供无线接入服务）。控制面包括IP隧道建立以及由于终端的移动而产生的隧道释放等控制协议。除此之外，控制面还包括AAA，策略以及QoS执行等等拜访CSN和归属CSN之间的交互控制信息。R6：属于ASN内的接口，由承载面和控制面的协议栈构成，以满足BS和ASN-GW之间交互的需要。承载面由BS和ASN-GW之间的IP隧道构成。控制面包括隧道建立、释放控制协议。隧道的粗细与不同的BS、不同的QoS等级有关。控制面还包括AAA、带宽预留、策略协商、无线资源管理等等控制信息。R7：该接口在图中没有标出，属于ASN-GW内部接口，具体的定义还在讨论之中。R8：该接口属于BS之间的接口，由承载面和控制面协议栈组成，为了满足基站之间快速无缝切换的需要。承载面定义了一套协议，允许切换时在所有涉及到的BS之间传递数据。控制面包含了BS之间的通信协议，同时允许在切换时在所有涉及到的BS之间传递控制信息。4、WiMAX组网应考虑问题：WiMAX整个网络分为接入网（AN）和核心网（CSN）两大部分，在WiMAX网络单独建设时，CSN可以作为独立的网路进行建设，与3G混合组网时，也可以考虑与3G核心网公用一些功能实体。考虑到WiMAX网络与现有网络的互通方案时，我们需注意如下几点：a、WiMAX网络架构应该考虑与现有无线或者有线网路的协同性工作。如2.5G网络中（例如：GSM/GPRS）、3G网路（WCDMA、HSDPA、TD-SCDMA）、公众的Wi-Fi热点、DSL以及Cable modem等运营商网络。同时，在考虑与这些网络的协同性工作时，需要基于IP/IETF协议标准。b、WiMAX网络构架将支持全球漫游，公共的计费和结算系统；c、WiMAX网络架构将支持各种各样的用户鉴权认证，如基于用户名/密码、数字证书、SIM等。5、WiMAX与3GPP网络的融合：对于WiMAX与3GPP网络的互通融合，根据实际情况主要需要考虑两种形式的情况：a、核心网（CSN）的融合：此方案主要考虑在无线接口侧，WiMAX和3GPP不进行互操作，只是把WiMAX接入网接入到3GPP的PS核心网中，利用3GPP的PS核心网提供的业务和功能实现WiMAX网络的移动通信业务。b、接入网（AN）的融合：在以上方案的基础上，考虑两种接入技术在空中接口上的切换，以保证用户从WiMAX覆盖的网络移动到3GPP覆盖的网络时业务的连续性，但这种融合对现有3GPP和WiMAX的空中接口协议影响较大，风险较高。WiMAX可以以上两种方式和现有无线网络互连：紧耦合和松耦合。两者的区别主要是体现在认证，鉴权和计费的互连互通上面。松耦合对现有网络改造较小， WiMAX可以直接利用现有网络的AAA(认证,鉴权和计费)服务器，避免WiMAX数据流经过现有网络的核心网。这种方式保证了网络之间的独立性，但是移动性支持较差。紧耦合模式下WiMAX的数据流要经过现有网络的无线网络控制器(RNC)和核心网,所以对现有网络必须进行改造, WiMAX的基站直接和UMTS的RNC或者SGSN相连。该方式减少了切换时延,从而保证了网络的无缝切换。互联方案的紧密程度直接关系到融合的风险，紧耦合（b种方案）的方式可以带来充分的资源共享，但对现网造成的冲击也最大；松耦合的方式（a种方案）则对现网的影响相对较小，因此建议在组网融合时采用此中方式，与3G核心网共用一些功能实体。这种方式影响的网元主要包括HLR、SGSN、GGSN以及相应的AAA服务器。同时系统不进行漫游、切换，仅实现认证计费和PS域业务的融合，两网用户可实现统一管理，便于日后市场的需要。图6 WiMAX与3G混合组网模式6、WiMAX与Wi-Fi的联合组网：WiMAX适合传递高突发性的数据，MAC层的机制又使其能很好的支持多媒体应用，所以特别适合用来进行无线传输，解决“最后一公里”的宽带接入。Wi-Fi最大的特点是便携，视距特性，主要解决用户最后“100m”的接入。它定位于热点地区的高速移动数据接入，但不支持高速移动性，主流应用是用户在酒店、机场等公共场合使用便携电脑接入互联网服务。WiMAX和Wi-Fi的联合组网，可以解决Wi-Fi的低速，支持移动性差，低安全性以及LOS等缺点。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协调发展，两者也是和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就是利用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。7、WiMAX和DSL的联合组网：DSL系列作为有线宽带接入应用的已经相当成熟和普遍，但是DSL的缺点是支持的数据速率不高， 传输距离近，不支持移动性的缺点，不能满足未来用户的高速率需求，以及郊区，偏远地区和农村的网络接入需求。利用WiMAX可以解决DSL的这些缺点，但是现在DSL使用模式已经比较固定，WiMAX完全替代DSL花费得成本很高，不切合实际，两者可以通过相互的融合的方式发挥彼此的优势，提供给用户方便的Internet接入服务。图7 WiMAX和DSL联合组网WiMAX具有覆盖的范围广，组网方便，不受有线的束服的优点。在郊区，农村以及其它光纤/DSL无法接入的地区提供WiMAX接入，安装WiMAX设备，可以给这些地方提供Internet的接入，满足这些地区的信息化需求。在这种模式下，WiMAX作为DSL的一种补充更好地完善了现有网络。 WiMAX和DSL网络构架可以融合在一起，通过两者联合组网实现更灵活的宽带接入。WiMAX论坛NWG工作组给出的两者融合的构架如图7所示，V点是DSL以太网聚合点，A10是接入网和服务提供网络的接口。WiMAX与DSL的联合组网有两种方式：一种是在V点融合，这种方式下，WiMAX的角色是充当以太网的桥接(bridging)功能，从而可以使DSL利用WiMAX的无线方式来覆盖更远的地区。另一种是在A10点融合，WiMAX利用DSL的ASP或者NSP提供固定或者移动的WiMAX接入8、小结：从目前国内的发展来看，WiMAX作为新一代的无线接入技术，随着产业链的完善，设备成本的降低，其自己的优势才能更充分的发挥出来。目前WiMAX单独组网在我国是不可行的，只能作为移动或者固定运营商分组业务的补充，与现有网络融合实现联合组网来发挥其优势。WiMAX可以工作在授权和非授权频段，给新型的运营无线网络的企业带来了一个机遇，利用它可以更好地实现和发展无线接入。随着WiMAX技术标准更加完善，设备更加成熟，WiMAX一定会给我们带来全新的高速宽带移动应用体验。参考文献：1 IEEE 802.16, “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for FixedBroadband Wireless Access Systems”, IEEE 802.16-2004.2 IEEE 802.16, “Draft Amendment to IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: AirInterface for Fixed Broadband Wireless Access Systems- Physical and Medium Access Control Layers forCombined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands”, IEEE P802.16e.3 ITU-R Document 8F/427, Chairmans Report on the 15th meeting of WP 8F (Geneva, 1-8 February 2005).4 Parsons D, “The Mobile Radio Propagation Cha