無線城域網

一、IEEE802.16標準

最早的IEEE802.16標準是在2001年12月獲得批准的，是針對10～66GHz高頻段視距(LOS)環境而制定的無線城域網標準。但目前所說的802.16標準主要包括802.16a、802.16RevD和802.16e三個標準。802.16a是為工作在2～11GHz頻段的非視距(NLOS)寬頻固定接入系統而設計的，在2003年1月被IEEE批准通過；802.16RevD是802.16a的增強型，主要目的是支持室內用戶駐地設備(CPE)，預期將在2004年第三季度得到批准；802.16e是IEEE802.16a/d的進一步延伸，其目的是在已有標準中增加數據移動性，估計要到2005年下半年才能被批准。

有了這樣一個全球標準，就能使通信公司和服務提供商通過建設新的無線城域網來為目前仍然缺少寬頻服務的企業與住宅提供服務。

符合802.16標準的設備可以在“最後一英里”寬頻接入領域替代Cable Modem、DSL和T1/E1，也可以為802.11熱點提供回傳。新標準規範了一個支持諸如話音和視像等低時延應用的協議，在用戶終端和基站(BTS)之間允許非視距的寬頻連接，一個基站可支持數百上千個用戶，在可靠性和QoS方面提供電信級的性能。總之，它充分考慮了為全世界通信公司和服務提供商設計一個可擴展、長距離、大容量“最後一英里”無線通信系統的需要，可支持一整套的服務，從而使服務提供商能夠在降低設備成本和投資風險的同時提高系統性能和可靠性，有助於加速無線寬頻設備向市場的投放以及“最後一英里”寬頻在世界各地的部署。BWA應用包括住宅寬頻接入、用於SOHO和小企業的DSL級業務、用於企業的T1/E1級業務(所有這些不僅支持數據，而且還支持話音和視像)，還包括用於熱點的無線回傳和蜂窩小區基站回傳業務等。

802.16a、802.16RevD和802.16e這三個標準的物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)是相同的。目前它們所選定的物理層規範是256點FFT OFDM PHY(與ETSI NiperMAN相同)。其他物理層規範將在今後市場需要時再制定。

選用OFDM是由於它在保持高頻譜效率、最大限度利用可用頻譜的同時還具備支持非視距性能的能力。在CDMA的情況下，為了保證處理增益能夠克服干擾，射頻帶寬必須比數據吞吐量大許多。這對低於11GHz的寬頻無線顯然是不切實際的，因為如果數據速率高達70Mbit/s，就需要射頻帶寬超過200MHz才能提供相應的處理增益和非視距能力。

為了在各種通道環境下提供可靠的性能，802.16物理層還具備以下一些特點：靈活的通道寬度、自適應突發信號輪廓、採用Reed－Solomon與卷積級聯碼的前向糾錯、任選的先進天線系統(AAS)(可改善距離/容量)、動態頻率選擇(DFS)(可幫助減小干擾)、空時編碼(STC)(通過空間分集提高在衰落環境下的性能)。表1給出了IEEE802.16標準的一些物理層特點。

上述特點對室外BWA的基本運行是必要的要求，特別是一個標準要想真正適應世界各國的情況，就需要靈活的通道寬度。這是因為對設備可以工作在什麼頻率以及使用什麼寬度的通道各國的管理辦法並不相同。在需要牌照的頻譜上，運營商必須為每一MHz付錢，因此所建的系統一定要把所分配的頻譜用足，並具有適應蜂窩結構或單基站結構的靈活性。如果運營商獲得14MHz頻譜，並為此付了錢，它們就不希望系統的通道寬度為6MHz，因為這將浪費2MHz的頻譜。它們希望系統可以採用7MHz、3.5MHz，甚至1．75MHz的通道來建網。

由於各種無線網基本上都是工作在共享媒體上，必然需要一種控制用戶單元接入媒體的機制。802.16的MAC層使用由基站安排的TDMA協議在點到多點的網路拓撲中給用戶分配容量。採用這種TDMA接入機制以後，802.16系統不僅能夠提供具有服務水平協定(SLA)的高速數據業務，而且還能提供對時延敏感的業務(如話音、視像或資料庫訪問等)，並具備QoS控制能力，不僅僅是控制優先等級，而且所設計的MAC層還能適應雜亂的物理層環境，即在室外工作時遇到的干擾、快衰落和其他現象。

二、IEEE802.16與IEEE802.11的比較

1．覆蓋

802.16標準是為在各種傳播環境(包括視距、近視距和非視距)中獲得最優性能而設計的。即使在鏈路狀況最差的情況下，也能提供可靠的性能。OFDM波形在2～40km的通信距離上支持高頻譜效率(bit/s/Hz)，在一個射頻內速率可高達70Mbit/s。可以採用先進的網路拓撲(網狀網)和天線技術(波束成形、STC、天線分集)來進一步改善覆蓋。這些先進技術也可用來提高頻譜效率、容量、復用以及每射頻通道的平均與峰值吞吐量。此外，不是所有的OFDM都是相同的。為BWA設計的OFDM具有支持較長距離傳輸和處理多徑或反射的能力。

相反，WLAN和802.11系統在它們的核心不是採用基本的CDMA，就是使用設計大不相同的OFDM。它們的設計要求是低功耗，因此必然限制了通信距離。WLAN中的OFDM是按照系統覆蓋數十米或幾百米設計的，而802.16被設計成高功率，OFDM可覆蓋數十公里。

2．可擴展性

在物理層，802.16支持靈活的射頻通道帶寬和通道復用(頻率復用)，當網路擴展時，可以作為增加小區容量的一種手段。此標準還支持自動發送功率控制和通道質量測試，可以作為物理層的附加工具來支持小區規劃和部署以及頻譜的有效使用。當用戶數增加時，運營商可通過扇形化和小區分裂來重新分配頻譜。還有，此標準對多通道帶寬的支持使設備製造商能夠提供一種手段，以適應各國政府對頻譜使用和分配的獨特管制辦法，這是世界各地的運營商都面臨的一個問題。IEEE802.16標準規定的通道寬度為1．75～20MHz，在這中間還可以有許多選擇。

但是，基於WiFi的產品要求每一通道至少為20MHz(802.11b中規定在2．4GHz頻段為22MHz)，並規定只能工作在不需牌照的頻段上，包括2．4GHz ISM、5GHz ISM和5GHz UNII。

在MAC層，802.11的基礎是CaMa/Ca，基本上是一個無線乙太網協議，其擴展能力較差，類似於乙太網。當用戶增加時，吞吐量就明顯減小。而802.16標準中的MAC層卻能在一個射頻通道內從一個擴展到數百個用戶。這是802.11MAC不可能做到的。

3.QoS

802.16的MAC層是靠同意/請求協議來接入媒體的，它支持不同的服務水平(如專用於企業的T1/E1和用於住宅的儘力而為服務)。此協議在下行鏈路採用TDM數據流，在上行鏈路採用TDMA，通過集中調度來支持對時延敏感的業務，如話音和視像等。由於確保了無碰撞數據接入，802.16的MAC層改善了系統總吞吐量和帶寬效率，並確保數據時延受到控制，不致太大(相反，CaMa/Ca沒有這種保證)。TDM/TDMA接入技術還使支持多播和廣播業務變得更容易。

WLAN由於在其核心採用CaMa/Ca，故其目前已實施的系統無法提供802.16系統的QoS。

三、WiMAX論壇

1．成立的目的

雖然標準的制定是某項技術被廣泛接納的關鍵，但事實表明，一個標準的通過並不意味著這項技術就一定會被市場所接納。要被市場廣泛接納，就必須克服諸如互操作性和部署成本等障礙，其中互操作性尤其重要。互操作性意味著最終用戶可以購買自己偏好的品牌，擁有他們想要的特點，並知道它怎麼與其他認證過的類似產品一起工作。要真正獲得市場，產品必須首先被認證是符合標準的，然後還必須證明它們是可以互操作的。但克服上述障礙並不是IEEE的職能，需要由業界來做。WLAN就是一個很好的例子。802.11b標準是在1999年得到批准的，但是在WiFi聯盟引入互操作性認證之前，並沒有被廣泛接納，可互操作的802.11b設備直到2001年才面世。出於同樣的原因，在2001年4月成立了世界微波接入互操作性論壇(WiMAX：World Wide Interoperability for Microwave Access)，當時是為了10～66GHz頻段的IEEE802.16原始規範而成立的。WiMAX是一個非贏利的工業貿易組織，主要由領先的通信元器件公司和通信設備公司所組成(WiMAX成員表)。

2．主要職能

WiMAX的主要職能是根據IEEE802.16和ETSIＨＩＰeＲMAN標準形成一個可互操作的全球統一標準，保證設備商開發的系統構件之間具有可認證的互操作性。隨著802.16a標準的推出，WiMAX決定把重點放在256OFDM物理層上，並與無任選項目的MAC結合，以保證所有的WiMAX實施項目有一個統一的基礎。WiMAX將制定一致性測試和互操作性測試的計劃，選擇認證實驗室並為IEEE802.16設備供應商主持有關互操作性的活動，採用早先由WiFi倡導的方法，通過定義和開展互操作性測試以及授予供應商“WiMAX Certified”標籤，把相同的好處帶給BWA市場。WiMAX將有助於無線城域網產業的形成。

為了把可互操作性引入BWA市場，WiMAX論壇把重點放在建立一套獨特的基本特點子集，可以在所謂的“系統輪廓”(sysytem profile)中加以分類。系統輪廓是所有合格系統必須滿足的。這些系統輪廓結合一套測試協議將形成一個基本的可互操作的協議，允許多個供應商的設備互操作。初期有三個系統輪廓，包括不需牌照的5．8GHz頻段以及需要牌照的2．5GHz和3.5GHz頻段。現在還打算包括更多的系統輪廓，包括2．3GHz頻段等。系統輪廓可以使系統適應各地運營商所面臨的在頻譜管理方面的限制。例如，若歐洲一個工作在3.5GHz頻段的服務提供商分配到14MHz的頻譜，它就很可能希望設備能支持3.5和(或)7MHz的通道帶寬，採用Ｔdd或Ｆdd工作方式，視管制需要而定。類似地，美國一個使用不需牌照的5．8GHz UNII頻段的無線ISP(WISP)就可能希望設備支持Ｔdd和10MHz帶寬。

目前，基於ISO/IEC9646規定的測試方法，WiMAX正在制訂一套結構式合格程序。其最終結果是一整套測試工具。WiMAX將把它們提供給設備開發商，使其在早期產品開發階段把一致性和互操作性考慮進去。最終，WiMAX論壇的一整套一致性測試和互操作性測試方法將使服務提供商能夠從多個生產符合IEEE802.16標準的BWA設備的供應商那裡選購最適合它們獨特環境的設備。

3.WiMAX的好處

WiMAX對元器件製造商的好處是給矽片供應商創造了一個巨大商機。對設備製造商的好處是由於存在一個基於標準的平台，在此平台上可以迅速增加新功能，故而使創新更快。對運營商的好處就更多了，包括：因為有一個公共平台，能使設備成本很快下降，性價比迅速提高；能通過填補寬頻接入空白地區產生新的收入；迅速提供T1/E1級的、“按需”的高利潤寬頻業務；因規模經濟而降低建設投資風險；不再鎖定於一個供應商，因為基站與多家供應商的CPE可以互操作。對消費者的好處是多一種寬頻接入的選擇，有利於促進競爭，降低服務費，尤其能促進在缺少服務地區的寬頻接入建設，例如，在建設接入很困難的世界城市中心；在用戶離中心局太遠的郊區；在基礎設施薄弱的農村地區和人口稀少地區。

四、結語

802.16標準是一種無線城域網技術，它能向固定、攜帶和游牧的設備提供寬頻無線連接，還可用來連接802.11熱點與網際網路，提供校園連接，以及在“最後一英里”寬頻接入領域作為Cable Modem和DSL的無線替代品。它的服務區範圍高達50km，用戶與基站之間不要求視距傳播，每基站提供的總數據速率最高為280Mbit/s，這一帶寬足以支持數百個採用T1/E1型連接的企業和數千個採用DSL型連接的家庭。802.16標準得到了領先設備製造商的廣泛支持。許多WiMAX的成員公司同時參與IEEE802.16和IEEE802.11標準的制定，可以預料802.16和802.11的結合將形成一個完整的無線解決方案，為企業、住宅和WiFi熱點提供高速網際網路接入。估計WiMAX的商用產品至少要到2005年才能投放市場。

目前，多數運營商對WiMAX還在觀望，要等所有技術問題都得到解決、設備價格有競爭性之後才會真正行動起來。WiMAX的成員公司佔全世界所有11GHz以下的BWA設備出貨量的75％以上，在有些地區比重更高。故將來運營商如果採用WiMAX成員公司的設備，就能保證有一個符合WiMAX設備的發展路標和升級途徑。

將來這些產品的推出會不會影響3G的發展？筆者的看法是，20世紀90年代以來，隨著移動通信的大發展，無線通信日益受到重視，其地位變得越來越重要，其應用也越來越廣泛。大到衛星網，小到無線個人域網(WPAN)甚至人體域網(BAN)，中間除了蜂窩移動通信外，還有固定無線接入(ＦWa)系統、WLAN、無線城域網、自由空間光(FSO)通信系統、平流層氣球通信等寬頻系統。它們各占各的頻段，各有各的定位，各有各的設計目的，各有各的用武之地，各有各的市場空間。今後這些五光十色的寬頻無線網將彼此相連，互為補充，並與固定網路融合在一起，為人類提供從窄帶到寬頻的各種無線服務。當然，這些無線寬頻網在覆蓋和服務方面免不了會有一些重疊，在經營上也必然會有競爭。

3G與WiFi/WiMAX的關係也基本如此。人們開發3G或WiFi/WiMAX都是因為看到了市場對移動性日益高漲的需求，因為移動性是人類提高勞動生產率的下一個浪潮，人們希望在任何地方都能上網通信、做事、辦公、娛樂和獲取信息。但是，3G和WiFi/WiMAX的著眼點不同。3G著眼於手機，數據速率相對較低，但在話音和手機應用方面將做得比較出色。而WiFi/WiMAX著眼於筆記本電腦。有人預計在今後5～10年中，各行各業將紛紛轉向無線。一旦人們用上了無線，使用筆記本電腦的時間將增加30％，因為無線可使人們隨身帶著電腦隨時隨地使用。WiFi和WiMAX主要針對高速數據，話音是附帶的。雖然WiMAX最終將能移動，但在話音上不會喧賓奪主。如果用戶想要DSL水平的無線接入，他可能會選WiMAX(這是它的定位)，而不會選EV-DO。但是，世界上想隨時隨地使用電腦的人畢竟只是一部分，還有許多人仍熱衷於手機，故3G不會因為WiMAX的出現而死亡。即便在WiMAX與WiFi之間同樣也存在著互補與競爭的關係，不可能有一統天下的無線網路。因此，3G發展比較好的日本和韓國現在也準備引入WiMAX，因為只有這樣它們才可能提供所有它們想提供的業務。又譬如，在2004年末或2005年初，美國將實現WiFi/蜂窩漫遊，系統將使用蜂窩/WiFi無縫漫遊技術對用戶進行跟蹤，使無線用戶不用更換手機即可從窄帶蜂窩網移至寬頻WiFi網。當用戶從蜂窩網移至WiFi服務區時，系統將告知移動通信公司，使信號從蜂窩天線塔轉移至WiFi接入點，啟動手機的寬頻功能，同時保持話音通信。這種漫遊技術首先應用於“數據使能”的話音手機，以後還可用於筆記本電腦、PDA或其他移動設備。這個例子也說明了移動網與WiFi之間的互補關係。

現在一些大型製造商如阿爾卡特和西門子正在著手開發WiMAX設備，一些運營商也在進行WiMAX試驗。WiFi和WiMAX產品必須為運營商所用才能使產品成本降低，才能使用戶真正獲得高速連接。對電信運營商來說，採用WiMAX也是必然的，因為它們可以用高速數據來吸引更多的用戶。因此，在管制上，對現有的電信運營商而言，除了頻率與干擾以外，採用WiMAX不會引入額外問題，只是採用了一種新技術而已。對增值業務提供商而言，主要應把握好對基本業務和頻率使用的監管，不要讓新技術短路應有的監管。

LMDS是一種點到多點的寬頻固定無線接入技術，可提供非常高的帶寬以實現雙向數據傳輸，在此基礎上推廣多種寬頻互動式數據及多媒體業務，滿足用戶對高速數據和圖像通信的要求。通常系統工作頻率為10~43GHz，在26GHz頻段附近可用的頻譜帶寬最大可達1GHz以上。LMDS網路組織採用類似於蜂窩的服務區結構，即將一個需要提供業務服務的地區劃分為若干服務區，並可相互重疊。一個服務區又可進一步分為不同的扇區，根據需要為不同的扇區提供不同的服務。每個服務區內設置基站，經點到多點無線鏈路與服務區中的固定用戶進行通信。每個基站的覆蓋區域約5km。LMDS下行鏈路採用TDMA工作方式將信號向覆蓋區發射，各用戶終端在特定的頻段內接收屬於自己的信息。上行鏈路採用TDMA或FDMA方式。基站室外單元包括射頻收發器和射頻天線兩部分。射頻收發器負責將來自室內單元的中頻信號進行上變頻處理調製到射頻頻率，進行射頻信號發射，同時將接收到的射頻信號下變頻傳送至室內單元，從而實現中心基站與終端之間的雙向數據通信。因為LMDS採用26GHz頻段，因此其中心基站與終端之間的通信術語視距傳輸的範疇。

MMDS是近些年發展起來的通過無線微波傳送有線電視信號的一種新型無線接入技術。這種技術組成的系統重量輕、體積小，方便安裝調測，非常適合於中小城市或郊區有線電視覆蓋不到的地方。該系統使用的工作頻率一般為2.5~3.5GHz，這樣人們在發射天線周圍50km範圍內可將100套數字電視節目信號直接傳送至用戶，可見僅用一個發射塔就可以覆蓋一個中型城市。MMDS最顯著的一個特點就是下頻器的本振點可以不同，可由用戶進行選擇，因此經下變頻后的信號可分別落在電視標準頻道的VHFI、III頻段，增補A、B頻段，UHF的13~45CH（頻段），這樣便於避開當地的開路無線電視或CATV所佔用的頻段。

WiMAX（全球微波接入互操作性）是一種無線寬頻接入城域網的技術標準。該技術可以提供點到多點的環境下的互操作性，進而無線接入網際網路。WiMAX能夠提供固定、移動、攜帶型的無線連接，並能夠通過其他用戶站的轉接與基站實現高速信息交互。覆蓋範圍可達50km，最大數據速率可達75Mbit/s，可看做NGN的延伸，能夠通過一個基站同時支持六十多個採用TI連接的區域用戶，及數百個採用DSL連接的家庭用戶，通常一個基站最多可以分成6個區段。與Wi-Fi技術相比，可提供更好的可擴展性和安全性，從而實現電信級的多媒體服務，且建設成本低。