IEEE802.16宽带WMAN技术

摘　要: 在详细阐述IEEE 802. 16 系列标准的基础上,介绍了基于这一标准体系的宽带WMAN 技术WiMax 及其最新进展,并讨论了其应用状况。

关键词: IEEE 802.16; IEEE 802.16a; WMAN; WiMax; 宽带无线

随着计算机和通信技术的迅猛发展,全球信息网络正在快速向以IP 为基础的下一代网络(N GN)演进。结合未来全球个人多媒体通信的全面覆盖要求及下一代宽带无线(N GBW) 的概念与发展趋势看,宽带无线接入技术已日益呈现出其重要性。运用宽带无线接入技术,可以将数据、Internet 、话音、视频和多媒体应用传送到商业和家庭用户。其中基于IEEE 802. 16 系列标准的宽带无线城域网技术(WMAN ,Wireless Met ropolitan Area Networks) 又以其能够提供高速数据无线传输乃至于实现移动多媒体宽带业务等优势,引起广泛关注。本文在详细阐述IEEE 802. 16 系列标准的基础上,介绍了基于这一标准体系的宽带WMAN 技术WiMax 及其进展,并讨论了其应用状况。

IEEE 802. 16 系列标准介绍

WMAN 标准的开发主要有两大组织机构:一是IEEE 的802. 16 工作组,开发的主要是IEEE 802.16 系列标准; 二是欧洲的ETSI , 开发的主要是HiperAccess。因此, IEEE 802. 16 和HiperAccess 构成了宽带MAN 的无线接入标准。本文主要考虑基于IEEE 802. 16 系列标准的WMAN 技术。

IEEE 802. 16 标准的研发初衷是在MAN 领域提供高性能的、工作于10～66GHz 频段的最后一公里宽带无线接入技术,正式名称是"固定宽带无线接入系统空中接口(Air Interface for Fixed BroadbandWireless Access Systems) ", 又称为IEEE WirelessMAN 空中接口,是一点对多点技术,其工作原理如图1 所示。主要包括空中接口标准: 802. 16-2001(即通常所说的802.16 标准) 、802.16a 、802.16c、802.16d 与802.16e ; 共存问题标准: 802.16.2-2001 、802.16.2a ; 一致性标准: 1802.16.1 、1802.16.2 。这些标准有的已正式发布,有的正在开发制定当中, 如表1 所示。

上述标准中,起基础性作用的是空中接口IEEE802. 16 与802. 16a ,主要区别如表2 所示。802. 16主要用于大业务量的业务接入,但由于设备成本高,其市场推广工作较迟缓。为了在业已广泛使用的11GHz 以下频带开发市场,而且由于这一频段范围的非视距特性较理想,树木与建筑物等对信号传输的影响较小,基站可直接安装于建筑物顶部而不需要架设高大的信号传输塔, 且工作于2GHz 至11GHz 的系统基本上可以满足大多数宽带无线接入需求,因而更适于最后一公里接入领域。IEEE于2003 年1 月29 日推出了运行于2～11GHz 的扩展版本标准———IEEE 802. 16a ,新标准可适用于特许频段和2. 4GHz、5. 8GHz 等无须许可的频段。

基于IEEE802. 16 系列标准的WMAN技术WiMax

为确保不同供应商产品与解决方案的兼容性,802. 16 技术的部分领先供应商于2003 年4 月发起并成立了旨在推进无线宽带接入的WiMax 论坛。WiMax 全称为World Interoperability for MicrowaveAccess ,即全球微波接入互操作系统,其技术标准为IEEE 802. 16 系列。如同Wi-Fi 联盟的强大促进了WLAN 的快速发展一样,WiMax 联盟的目标也是促进IEEE 802. 16 的应用。该联盟由Intel 牵头,包括西门子、富士通、AT &T、Covad 通讯等,我国中兴通讯也名列其中,近期,英国电信(BT) 、法国电信、Qwest 通信公司、Reliance 电信和XO 通信也加入了WiMax 论坛。目前WiMax 论坛已经拥有约100 个成员,运营商占25 %。自今年初Intel 宣布下半年开始将会在其生产的芯片中部分采用WiMax 标准以来,西门子、阿尔卡特等部分移动设备制造商也相继宣布将推出支持WiMax 标准的设备。当前,WiMax 正在成为继Wi-Fi 之后最受业界关注的宽带无线接入技术。

WiMax 采用IEEE 802. 16 系列标准尤其是802. 16a ,作为物理层及MAC 层技术,除最高可达百兆的速率外,WiMax 技术还可具备在2～66GHz频带范围内可利用所有需要或不需要许可的频带,以及确保服务质量(QoS) 等功能。WiMax 的工作原理如图1 所示。WiMax 设备通常由安装在建筑物上的基站或塔式基站和家庭或办公场所内的用户接入终端组成,用户在局域网内部可使用任意局域网技术传送语音、数据和多媒体信号,对外连接则通过定向天线向服务提供商的蜂窝塔发送信号在蜂窝塔接收基站接收到多个用户发来的信号后,进行处理(补偿信号失真和衰落等) 后,通过无线或有线信道将信号传送到满足802. 16 协议的交换中心,然后交换中心将数字信号流接入互联网或电话网进行传输。WiMax 技术极强的传输能力可使信号传输距离最高可达50 公里,通常情况下单一基站的有效覆盖范围也可达6～10 公里,在这一范围内,这一技术的非视距传输特性与穿透性都极为理想,可以提供高达75Mbps 的带宽。即使在传输过程中超出视距信号,经过反射后也能到达蜂窝塔被接收。与此同时, 802. 16a 还较好地实现与现有公共802. 11WLAN 及商用无线热点的互连互通,因而能够担当从核心网到家庭无线LAN 的桥接重任,进一步提高现行无线热点的利用效率。

WiMax 技术的新进展

在国际上, IEEE802 委员会目前正在制定名为"IEEE802. 16e"的新标准。2004 年5 月17～21日, IEEE 802. 16 工作组第31 次会议在深圳召开,会议的重点是802. 16e (Mobile Wireless MAN) 的标准化,这是IEEE 802 在中国召开的第一次会议。IEEE802. 15 已经制定了固定无线接入标准(FWA) ,为了实现用户终端的移动性, IEEE802. 16e 还将制定MAC层中的基站切换等功能。使用频带为6GHz 以下,而传输速度方面,使用20MHz 带宽时最大可达100Mbps。调制方式采用与原来的IEEE802. 16 相同的QPSK、16QAM、64QAM。预料,WiMax 的移动版本802. 16e 在移动性上将有较大进步,其日前完成的技术说明已经实现了时速60 公里移动下的平滑切换,且在频谱利用效率、误差修正、MIMO 天线支持、自适应调制等很多方面都表现卓著。另据报道,韩国已经建立了名为"HPi"的802. 16e 标准,并得到了SK电信、KTF 和Hanaro 电信等运营商以及三星等设备商的支持, 《韩国时报》称"HPi 标准将有可能获选成为802. 16e 国际标准"。依据WiMax论坛副主席Aditya Agrawal 在2004 年3 月8 日于美国圣地亚哥开幕的无线系统设计会议第12 届年会暨技术博览会(WSD) 上公布的标准化日程, IEEE802. 16e 规格约在2004 年第3 季度即可确定下来,计划2005 年最终完成, 配备该功能的产品预计2006 年前后即可亮相。WiMax 论坛今后将制定在IEEE 802. 16 系列标准上运行的上层协议,而且计划从2004 年第4 季度就将开始对符合WiMax 规格的产品进行认证作业,以及对认证产品进行互联试验。

在国内,中国通信标准化协会(CCSA) 无线技术委员会( TC5) 也非常重视IEEE 802. 16 的研究,在2004 年4 月的全会上已经确立了相应的标准研究课题,今后CCSA 将派固定代表参加会议,组织国内企业和会员参与IEEE 的标准化工作,并适时制定我国的相关标准。同时,经过批准, Intel 公司2004年开始在成都和大连两大城市进行WiMax 城域网技术的建设和应用试验。

此外,值得注意的是,802. 16 内部新近成立的Mesh Ad Hoc 委员会开始研究点到点数据传输的支持以及信号障碍穿越等问题,如果这些支持得到批准,诞生更为强大的802. 16f 标准,将推动WiMax获得更大的发展。

802. 16 WMAN技术的应用与发展

在网络构成上,以IEEE 802. 16 系列标准为代表的宽带WMAN 主要用于本地多点连接,既可将802. 11 系列无线接入热点等连接到互联网,也可连结企业与家庭等环境至有线骨干线路。如图2 所示。由于IEEE802. 16a 标准的实用性,一般预计它首先将在无线城域网上应用。Intel 正在大力推广WiMax ,日前该公司还和阿尔卡特宣布将联合提供WiMax 端到端解决方案。尤其是自2003 年7 月10日Intel 公司宣布将开发支持高速无线通信标准IEEE802. 16a 的芯片组以来,富士通等也已宣布开发相应的芯片组,并将于2004 年下半年投入市场,届时,有关WMAN 设备市场的价格将会有一个大幅度的下降,其市场推广力度将进一步加大。

在国内,信息产业部将3. 5 GHz (3400～3430MHz、3500 ～ 3530 MHz) 、5. 8 GHz ( 5725 ～ 5850MHz) 两个频带规划为城域网无线接入专用频带,截至2004 年上半年已进行过三轮频率评选招标。3. 5 GHz 城域网无线接入试验网已于两年前开通,目前已推广到国内几十个城市。5. 8 GHz 城域网无线接入试验网也已进入实施阶段。专家认为,随着WMAN 设备市场价格的下滑,国内几大电信运营商特别是新兴的宽带运营商将会加速对其宽带无线的建设投入。据估计,2006 年,我国对WMAN 市场的需求量将达到20 亿元。

由信息产业部无线电管理局、电信管理局、电信研究院共同组成的调研组发现,目前运营商运用宽带无线城域网技术倾向于提供的业务主要包括:语音接入业务(本地和IP 电话) 、数据专线业务、Internet 接入业务等。在商业领域,新兴运营商还可以将WiMax 作为在城市密集区提供宽带无线服务的首选标准,与传统大型运营商一争高下;在企业和家庭宽带无线接入领域,它可以作为xDSL 或光纤的延伸,成为提供"最后一公里"或"最初一公里"的优选技术。如图3 所示。当然,WiMax 也面临着传统运营商所提供的xDSL 、光纤或传统T1 线路的竞争。但随着WiMax 技术的日益完善,一旦得到广泛认可,网络效应将进一步加速该技术的普及。此外,考虑到Wi2Fi 解决的是宽带无线局域网的接入问题,而WiMax 解决的是宽带无线城域网的问题,一些专家已经把"WiMax + Wi2Fi"看作3G 的强大挑战者之一。因为在理想情况下,WiMax 比3G 网络的数据传输快30 倍以上,而覆盖范围也比3G大10 倍。虽然从总体上说,受其自身移动性和话音支持能力的限制,WiMax 不大可能完全取代3G,但WiMax在高速数据传输能力方面的优势仍是显而易见的,因而在公众移动通信网络领域,它可能成为未来3G网络的补充手段。而在面向IP 为主的高速数据业务领域潜力巨大,极具竞争力,有望得到广泛应用。

总之,全球通信发展的宽带化、无线化、个人化、分组化是大势所趋。当前,数据业务在电信总业务中的比例正不断扩大,特别是Internet 的迅猛发展,正推进城域网由面向话音业务到面向数据、多媒体业务的转变。随着无线技术的发展,移动办公的流行和手持设备的普及,以及宽带无线市场的日渐成熟,可以预见,基于IEEE 802. 16 系列标准的宽带WMAN 技术以其在覆盖范围、传输速度和综合成本等方面的优良特性,将获得巨大发展。