無線城域網(wǎng)（WMAN）下兩種接入技術(shù)的分析比較

申 京， 苗建松， 黃耿生

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

0 引言

無線寬帶接入技術(shù)是未來通信網(wǎng)發(fā)展的主要方向之一。無線寬帶接入技術(shù)以其成本低廉、不受地理環(huán)境的約束、支持用戶的移動性等優(yōu)點(diǎn)，將成為光纖接入技術(shù)的重要補(bǔ)充，其受到業(yè)界越來越多的關(guān)注。目前WMAN環(huán)境下比較熱門的技術(shù)是全球微波接入互操作（WiMAX）技術(shù)以及中國自主開發(fā)的多載波無線信息本地環(huán)（McWiLL）技術(shù)。

1 WiMAX和McWiLL技術(shù)簡介

WiMAX是一項(xiàng)新興的基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的無線寬帶接入城域網(wǎng)技術(shù)。WiMAX具有QoS保障、熱點(diǎn)覆蓋、數(shù)據(jù)傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富等優(yōu)點(diǎn)，它可以提供最后一公里無線寬帶接入，是作為電纜和 DSL之外的選擇。WiMAX的應(yīng)用場景非常廣泛，主要應(yīng)用是基于 IP數(shù)據(jù)的綜合業(yè)務(wù)寬帶接入，其對于全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)和下一代核心網(wǎng)有著良好的支持，隨著IMS的出現(xiàn)和部署，WiMAX必然成為下一代無線網(wǎng)絡(luò)中極具競爭力的技術(shù)。在接入端的組織方式上，WiMAX支持點(diǎn)對點(diǎn)無線寬帶接入，點(diǎn)對多點(diǎn)寬帶無線接入，Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，蜂窩狀組網(wǎng)方式。這樣在組網(wǎng)上可以靈活地選擇接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，在骨干網(wǎng)覆蓋不到的地方采用WiMAX組網(wǎng)覆蓋，以實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)的彈性延伸。

McWiLL技術(shù)是中國自主創(chuàng)新的同步碼分多址（SCDMA）技術(shù)的演進(jìn)和革新—SCDMA V5的俗稱。McWiLL系統(tǒng)具有靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是完全基于IP分組交換的寬帶無線系統(tǒng)，采用了全I(xiàn)P的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，把數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平面的接入網(wǎng)架構(gòu)壓縮為單層結(jié)構(gòu)。同時充分利用智能天線的優(yōu)勢，采用零陷增強(qiáng)技術(shù)和動態(tài)信道分配技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高效率的1×1同頻組網(wǎng)。通過宏蜂窩同頻組網(wǎng)，覆蓋半徑可達(dá)10～50 km，典型市內(nèi)覆蓋半徑為1～3 km，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的非視距傳輸。通過基站之間的二層隧道協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動性管理，語音業(yè)務(wù)利用業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)（SAG）實(shí)現(xiàn)移動性管理并與NGN軟交換核心網(wǎng)對接。

2 WiMAX和McWiLL的對比分析

WiMAX和McWiLL既有很多相似點(diǎn)，又存在差異。在技術(shù)特征上存在著差異[1]?，F(xiàn)主要對兩類技術(shù)在組網(wǎng)方式以及與現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)之間的融合方面做一定的分析比較。

（1）組網(wǎng)方式

由于McWiLL采用了智能天線、CS-OFDMA、TDD、自適應(yīng)調(diào)制、動態(tài)信道分配、MIMO和SDMA、先建后拆切換、安全和欺詐保護(hù)以及基于智能天線的干擾抵消和零險等專利技術(shù)，可以支持同頻組網(wǎng)，能夠利用有限的頻率資源規(guī)模組網(wǎng)[2]。

圖1給出了頻率復(fù)用系數(shù)N=1,2,3的組網(wǎng)方式，有效的同頻組網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該在N=1的情況下滿足用戶在大概率使用環(huán)境中達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的最好性能。

圖1 多載波無線信息本地環(huán)組網(wǎng)

McWiLL系統(tǒng)端到端的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 多載波無線信息本地環(huán)系統(tǒng)端到端的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

McWiLL系統(tǒng)由終端設(shè)備、無線系統(tǒng)以及支撐系統(tǒng)（OSS）三部分組成。其中， 用戶端設(shè)備與無線網(wǎng)絡(luò)的連接由CPE、M- IAD、PCMCIA卡、寬帶手機(jī)等終端完成，用戶終端與骨干網(wǎng)絡(luò)的連接則由基站系統(tǒng)完成。 OSS實(shí)現(xiàn)對用戶簽約信息和網(wǎng)元設(shè)備的管理，以及計費(fèi)等功能。

WiMAX不支持同頻組網(wǎng)，而且在頻段問題上WiMAX存在著先天不足，尤其在中國。WiMAX系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括WiMAX終端、WiMAX無線接入網(wǎng)和WiMAX核心網(wǎng)三部分[3]，如圖3所示。

圖3 全球微波接入互操作網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WiMAX論壇給出WiMAX技術(shù)的5種應(yīng)用場景定義，即固定、游牧、便攜、簡單移動和全移動[4]。WIMAX 業(yè)務(wù)的目標(biāo)客戶主要是：普通終端用戶：提供網(wǎng)頁瀏覽和視頻電話業(yè)務(wù)；商務(wù)人士等高端用戶：提供較高性能保障的個性化業(yè)務(wù)；大型企業(yè)：提供電視會議等業(yè)務(wù)；集團(tuán)用戶：提供類似專線的業(yè)務(wù)[5]。根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用場景不同，WiMAX終端包括固定、便攜和移動三種類型[6]。WiMAX無線接入網(wǎng)主要指基站與用戶終端之間的無線網(wǎng)絡(luò)，需要支持無線資源管理等功能，有時為方便和其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，還需要包含認(rèn)證和業(yè)務(wù)授權(quán)（ASA）服務(wù)器。WiMAX核心網(wǎng)主要指傳統(tǒng)的交換網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，主要解決用戶認(rèn)證、漫游等功能及作為與其他網(wǎng)絡(luò)之間的接口。網(wǎng)管系統(tǒng)用于監(jiān)視和控制網(wǎng)內(nèi)的基站，提供查詢、狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。

根據(jù)IEEE 802.16協(xié)議規(guī)定的動態(tài)頻率選擇方案，可以采用如下組網(wǎng)方案[7,8]。

固定組網(wǎng)方案。由于運(yùn)營商頻率資源有限，因此對于同樣的頻率資源，可以按照波道寬度不同劃分出數(shù)量不同的獨(dú)立載波。從頻率規(guī)劃和蜂窩組網(wǎng)角度來看，信道越多越好，這樣可以很好地避免干擾；但如果信道帶寬太小，在相同調(diào)制方式下，業(yè)務(wù)帶寬就會比較小。因此需要從頻率規(guī)劃和業(yè)務(wù)帶寬綜合考慮，既要能很好進(jìn)行頻率規(guī)劃又要有較寬的業(yè)務(wù)帶寬。典型的3頻點(diǎn)多基站固定組網(wǎng)模式如圖4所示。

圖4 典型3頻點(diǎn)多基站固定組網(wǎng)模式H--水平極化 V--垂直極化

移動組網(wǎng)模式。在移動組網(wǎng)模式下，WiMAX網(wǎng)絡(luò)可以采用疊加于寬帶城域網(wǎng)或者移動蜂窩網(wǎng)兩種方式。此時，頻率規(guī)劃方案，終端計費(fèi)認(rèn)證方案以及移動性管理方案應(yīng)重點(diǎn)考慮。典型的3頻點(diǎn)多基站移動組網(wǎng)模式如圖5所示。為了實(shí)現(xiàn)蜂窩組網(wǎng)，單個扇區(qū)需要支持MIMO和OFDMA技術(shù)。

圖5 典型3頻點(diǎn)多基站移動組網(wǎng)模式f1、f2、f3—頻點(diǎn)

（2）網(wǎng)絡(luò)融合方面

McWiLL作為SCDMA技術(shù)體制的演進(jìn)版本之一，其基于SCDMA的平臺，沿用了時分雙工(TDD)的傳輸模式和智能天線、上行同步等核心技術(shù)。McWiLL可以與TD-SCDMA進(jìn)行互補(bǔ)發(fā)展，這也為網(wǎng)絡(luò)融合提出了一種思路。TD-SCDMA可以定位于寬帶無線移動通信系統(tǒng)，為公眾提供寬帶移動通信務(wù);McWiLL則定位于寬帶無線接入通信系統(tǒng)，立足于新型本地專網(wǎng)，為行業(yè)客戶提供多種滿足不同層次需求的行業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用。McWiLL與TD-SCDMA可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ),長期共存,互相促進(jìn)發(fā)展。

07年，移動WiMAX成為3G的標(biāo)準(zhǔn)之一，在與現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)融合方面，可以通過兩種方式：松耦合和緊耦合與寬帶碼分多址（WCDMA）網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)[8]。

松耦合相對來說對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)改造較小，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證，授權(quán)和計費(fèi)（AAA）服務(wù)器可被WiMAX直接利用，可以避免WiMAX數(shù)據(jù)流經(jīng)過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)。這種情況下既保證了WiMAX和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的相互獨(dú)立性，同時也可以使用移動IP來支持網(wǎng)絡(luò)間的移動性。但此時較高的時延不可避免，若采用跨層路由協(xié)議（在IEEE802.21協(xié)議中稱為2.5層路由協(xié)議，位于傳統(tǒng)路由層和MAC層之間）可減小WiMAX不同基站切換時的時延，但是無法減小網(wǎng)間的切換時延，所以對于實(shí)時性要求非常高的業(yè)務(wù)來說這種模式顯然是不合適的。松耦合模式下兩種網(wǎng)絡(luò)共享AAA服務(wù)器，使得不同網(wǎng)絡(luò)在混合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可以使用一致的用戶鑒權(quán)機(jī)制。對于運(yùn)營商來說，可以充分利用原有計費(fèi)系統(tǒng)和客戶關(guān)系，更好地建立獨(dú)有的業(yè)務(wù)模式。圖6所示為 WiMAX和WCDMA在松耦合模式下的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖6 全球微波接入互操作與寬帶碼分多址在松耦合方式下的融合組網(wǎng)

如圖 7所示，與松耦合相比，緊耦合模式下需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。這是因?yàn)?WiMAX的數(shù)據(jù)流需要經(jīng)過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）和核心網(wǎng)。此模式的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對移動性管理的強(qiáng)有力支持，大大減少了切換延時，可以保證兩種網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換。緊耦合模式下，WiMAX的基站直接和WCDMA的RNC或者SGSN相連。

圖7 全球微波接入互操作與寬帶碼分多址在緊耦合方式下的融合組網(wǎng)

3 結(jié)語

隨著產(chǎn)業(yè)鏈的迅速成長，WiMAX和McWiLL取得了長足的進(jìn)步，是現(xiàn)在無線城域網(wǎng)（WMAN）環(huán)境下最熱門和最具發(fā)展前景的兩種無線接入技術(shù)，可滿足用戶高速上網(wǎng)、視頻多播、VoIP、IPTV、網(wǎng)絡(luò)游戲及移動辦公等多種寬帶業(yè)務(wù)需求，有著良好的發(fā)展?jié)摿ΓS著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，兩者的市場發(fā)掘潛力巨大。分析研究了這兩種接入技術(shù)的特點(diǎn)以及這兩種接入技術(shù)與現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)融合，這些將為以后的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供一種思路。

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