無線WiMAX技術(shù)的特點與應(yīng)用研究

段靜波

（廣東工商職業(yè)學(xué)院，廣東 肇慶 526000）

0 引 言

WiMAX技術(shù)指全球互通微波訪問技術(shù)，是基于微波與毫米波頻段的空中接口標(biāo)準(zhǔn)的無線城域網(wǎng)技術(shù)。WiMAX技術(shù)通過802.16標(biāo)準(zhǔn)的無線接入熱點與互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)有效連接，也能與企業(yè)、單位的骨干線路進(jìn)行連接，為無線網(wǎng)絡(luò)提供高質(zhì)、高效的數(shù)據(jù)服務(wù)與音視頻服務(wù)。因此，加強對無線WiMAX技術(shù)特點與應(yīng)用的分析和研究，有助于進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

1 無線WiMAX技術(shù)的特點

1.1 無線WiMAX技術(shù)的接入層特點

第一，無線WiMAX技術(shù)的QoS服務(wù)。如果信道上下行容量不一致，并且無科學(xué)的資源分配機制，那么無線WiMAX提供的數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用具有QoS保障，可按照需求狀況為用戶端提供合理的QoS服務(wù)。

第二，管理機制方面。電池壽命及越區(qū)切換對移動通信有非常重要的影響。首先，WiMAX擁有高效的功率管理功能，不僅能夠支持睡眠模式，而且能有效支持空閑模式，從而為通信設(shè)備節(jié)約一定電量。如果移動臺無法有效聯(lián)系基站方面，通信設(shè)備就可打開睡眠模式，在此模式下，移動臺自身功率會降到最低，同時最小化使用基站空中接口資源。移動臺穿越多個基站交互覆蓋范圍的過程中，空閑模式開啟，能夠定時接收廣播信道的消息，不用通過基站進(jìn)行注冊，有效降低移動臺越區(qū)切換頻率，減少基站的空中接口資源與越區(qū)切換通信量[1]。其次，IEEE802.16e涵蓋了硬切換模式、快速基站切換模式以及宏分集切換模式等。硬切換模式是切換過程中必須采用的方式，其他兩種切換模式是可以自主選擇的切換方式。移動臺能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有服務(wù)基站廣播消息的作用，獲取相鄰小區(qū)的數(shù)據(jù)信息。移動臺還能在請求分配掃描間隔的基礎(chǔ)上，掃描鄰近基站，從而獲取相鄰小區(qū)的數(shù)據(jù)信息。

第三，安全性方面。首先，IEEE802.16e以碼字管理協(xié)議版本2作為加密基礎(chǔ)，也是其他加密策略的基本保障。其次，通信量加密編碼能夠定期更新碼字，系統(tǒng)在持續(xù)轉(zhuǎn)換碼字的保護下，進(jìn)一步增強安全性；同時，在無線WiMAX的MAC層接口處，應(yīng)用計數(shù)器模式，能夠全面保護用戶數(shù)據(jù)。再次，無線WiMAX可利用以移動衰減碼控制為基礎(chǔ)的高級加密標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)。最后，無線WiMAX可為三種握手算法提供支持，優(yōu)化重新驗證機制，從而為快速切換提供保障。

1.2 無線WiMAX技術(shù)的物理層特點

第一，使用頻段方面。了解和分析無線電頻譜的具體占用情況后，為了充分滿足移動船舶的需求和非視距傳播的實際需求，IEEE802.16d主張使用2～11 GHz的頻段；同時，為了確保移動性，IEEE802.16e主張使用不超過6 GHz的頻率范圍。從國內(nèi)2～6 GHz頻率的具體使用情況來看，3.3 GHz與3.5 GHz是無線WiMAX最可能采用的頻率。

第二，無線WiMAX系統(tǒng)中的OFDM/OFDMA技術(shù)。OFDM的中文名稱為正交頻分復(fù)用技術(shù)，其能夠在無線環(huán)境中高速傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，能在頻域范圍內(nèi)促使頻率衰落信道有效轉(zhuǎn)變?yōu)槠教剐诺?，從而大大降低多徑衰落對傳輸過程的影響。OFDM歸屬于WiMAX系統(tǒng)的物理層，又可分成OFDM方式與OFDMA方式。OFDM物理層通過OFDM調(diào)制為TDD與FDD雙工方式提供有效支持，其上、下行鏈路分別采用TDMA多址、TDM復(fù)用等方式，不僅能使用時空編碼發(fā)射分集，而且能使用自適應(yīng)天線系統(tǒng)。應(yīng)用OFDM的過程中，其正交載波集都來自于單一用戶，并將數(shù)據(jù)流并行傳送給單一用戶。應(yīng)用OFDMA物理層的過程中，常常采用OFDMA多址接入方式，為TDD和FDD雙工方式提供有效支持，不僅能使用時空編碼發(fā)射分集，而且能使用自適應(yīng)天線系統(tǒng)。通常情況下，其下行數(shù)據(jù)流會被轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫈?shù)據(jù)流，并在多種調(diào)制與編碼后，利用不同功率的信號實現(xiàn)與相應(yīng)信道用戶端連接的目的。

2 無線WiMAX技術(shù)的應(yīng)用場景

2.1 無線WiMAX技術(shù)的便攜應(yīng)用場景

無線WiMAX技術(shù)的便攜應(yīng)用場景中，用戶可在自行移動過程中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的目的，并且這種連接只進(jìn)行小區(qū)切換，不會產(chǎn)生連接中斷現(xiàn)象。此外，便攜式業(yè)務(wù)終端還能在諸多基站之間實現(xiàn)快速切換。在終端靜止的情況下，便攜式業(yè)務(wù)與固定式業(yè)務(wù)應(yīng)用模型相同。終端切換過程中，業(yè)務(wù)會出現(xiàn)短時中斷延遲的現(xiàn)象。完成切換后，TCP/IP應(yīng)用會刷新現(xiàn)有IP地址或重新獲取IP地址。

2.2 固定應(yīng)用場景

802.16 運營網(wǎng)絡(luò)中最基本的業(yè)務(wù)種類是固定接取業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)內(nèi)容主要包括無線熱點回程、用戶因特網(wǎng)接取和傳輸承載業(yè)務(wù)等。

2.3 簡單移動應(yīng)用場景

簡單移動應(yīng)用場景中，用戶利用寬帶無線接取業(yè)務(wù)時，可通過步行或慢速移動實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。如果終端移動速度超過60 km/h，將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速度下降的情況。簡單移動應(yīng)用場景是可以在相鄰基站之間進(jìn)行切換的首個場景。當(dāng)切換時，能夠有效控制數(shù)據(jù)包的丟失范圍，至少不會出現(xiàn)TCP/IP會談層中斷現(xiàn)象，但應(yīng)用層業(yè)務(wù)可能會發(fā)生中斷。切換結(jié)束后，QoS將進(jìn)行重建，從而恢復(fù)到初始級別。

2.4 完全移動應(yīng)用場景

完全移動應(yīng)用場景下，用戶能夠在高達(dá)120 km/h的移動速度環(huán)境中順利實現(xiàn)無線接取業(yè)務(wù)且不會發(fā)生中斷。無網(wǎng)絡(luò)連接的情況下，用戶終端模塊始終保持在低功耗狀態(tài)。

3 無線WiMAX技術(shù)的組網(wǎng)應(yīng)用策略

3.1 接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

WiMAX接入網(wǎng)設(shè)計過程中，設(shè)計人員可有效利用OFDM與OFDMA技術(shù)應(yīng)對不良的無線傳播環(huán)境。如果相鄰小區(qū)采用同一頻率，將會造成頻率資源緊張和同頻干擾問題，針對這種情況，設(shè)計人員可合理進(jìn)行頻率復(fù)用與分配。若頻率復(fù)用因子為1，則應(yīng)通過扇區(qū)化技術(shù)進(jìn)行頻率復(fù)用，以有效控制干擾問題。使用相同扇區(qū)結(jié)構(gòu)的過程中，如果系統(tǒng)的頻率復(fù)用因子為4，那么其網(wǎng)絡(luò)容量與傳輸速率等性能都非常良好，比頻率復(fù)用因子為1的系統(tǒng)更加優(yōu)質(zhì)。因此，可利用扇區(qū)化小區(qū)結(jié)構(gòu)，同時采用頻率復(fù)用因子大于1的小區(qū)規(guī)劃方式。

3.2 骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

骨干網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目的是解決漫游、用戶認(rèn)證以及其他網(wǎng)絡(luò)接口等方面的問題。這種骨干網(wǎng)仍以當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)有效耦合的前提下，滿足具體設(shè)計需求。如果采用松耦合方式，設(shè)計人員可直接通過當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證與網(wǎng)絡(luò)授權(quán)等方式，促使數(shù)據(jù)流避開當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)。如果采用緊耦合方式，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流需要經(jīng)過當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)，從而大大減少切換時延，確保網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)無縫切換。

3.3 基站互聯(lián)設(shè)計

WiMAX組網(wǎng)過程中，中心基站是最核心的單元，只有通過它才能接入到因特網(wǎng)，其他基站則附屬于中心基站，利用無線通信方式實現(xiàn)因特網(wǎng)連接，無法直接進(jìn)行接入。非中心基站的上行數(shù)據(jù)會匯聚到中心基站，并通過中心基站發(fā)送到因特網(wǎng)。因特網(wǎng)發(fā)往所有基站的下行數(shù)據(jù)會先發(fā)送至中心基站，然后從中心基站轉(zhuǎn)發(fā)到各個非中心基站。

4 無線WiMAX技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 因特網(wǎng)接入

對需要綜合布線的小區(qū)而言，可將WiMAX用戶端的室外單元裝置到小區(qū)樓頂，并在室內(nèi)裝置室內(nèi)單元、以太網(wǎng)交換機等設(shè)備，通過綜合布線與用戶相連，利用無線空中接口為終端用戶提供寬帶服務(wù)[2]。WiMAX使互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)不再局限于網(wǎng)線傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸，且WiMAX可以按照用戶實際需要提供相應(yīng)的帶寬，為終端用戶營造極速上網(wǎng)體驗。

4.2 農(nóng)村通信工程

對廣大農(nóng)村地區(qū)和相對偏遠(yuǎn)山區(qū)的通信服務(wù)來講，要求系統(tǒng)必須具有較大的覆蓋面積，不需要架設(shè)線纜，具有較快的接入速度和較低的成本。WiMAX技術(shù)十分適用于這類工程，不僅能提升農(nóng)村通信服務(wù)質(zhì)量，而且能迅速縮小這些地區(qū)與城市的通信水平差距。

4.3 視頻實時監(jiān)控

以往的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常采用現(xiàn)場模擬監(jiān)視的方式，傳輸?shù)谋O(jiān)控信息較為簡單，無法實時傳輸大流量的高清圖像，監(jiān)控質(zhì)量相對較差?；赪iMAX的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大信息量視頻的傳輸，通過基于WiMAX的無線寬帶進(jìn)一步延伸視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)擁有十分廣泛的實時監(jiān)控業(yè)務(wù)范圍，可適用于絕大多數(shù)行業(yè)[3]。

4.4 LAN局域網(wǎng)互聯(lián)

對于在同一區(qū)域內(nèi)有較多部門的企業(yè)或單位，可通過WiMAX寬帶固定無線接入系統(tǒng)，為企業(yè)單位與各部門實現(xiàn)局域網(wǎng)連接提供有效支持。

5 結(jié) 論

無線WiMAX技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，不僅有利于提高該技術(shù)的服務(wù)水平，而且對進(jìn)一步滿足廣大用戶對高速、高質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的具體需求等方面，具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，技術(shù)人員必須充分把握無線WiMAX技術(shù)的特點，全面了解無線WiMAX技術(shù)的應(yīng)用場景，合理開展無線WiMAX的組網(wǎng)工作，并根據(jù)實際應(yīng)用領(lǐng)域采用適當(dāng)?shù)膽?yīng)用策略，從而為無線網(wǎng)絡(luò)用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。