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面向最后一英里无线宽带接入和回程应用的WiMAX标准及实施

菜鸟
2005-12-28 20:32:00    评分
虽然无线连接技术在最近几年得到了迅猛发展,但是无线网络接入仍局限于一定的物理范围内。互联网和企业网用户需要可以覆盖长距离和多个位置的宽带接入方案。全球微波接入互操作性(简称WiMAX)标准即是针对这一需求而提出的可行方案,该标准旨在确保各家供应商的产品都是经过认证的标准产品。 WiMAX标准可让系统设备供应商开发各种不同类型的WiMAX产品,包括基站和客户端设备(CPE)的不同配置。WiMAX可支持多种无线宽带连接,包括: 1) 面向家庭和小型商业用户的高带宽城域网(MAN); 2) 用于蜂窝基站且绕过公共电话网的回程网络; 3)为WiFi热点提供与互联网的回程连接。 当前,宽带无线连接均采用昂贵的专有技术来实现。而如果采用基于IEEE 802.16d标准、经过互操作性测试的WiMAX芯片方案可大大降低成本。富士通微电子美国公司等半导体技术的领导者将与基础设施和设备制造商通力合作以扩展宽带无线连接功能。 WiMAX论坛通过采用全球标准并对产品和技术进行互操作性认证来推广宽带无线网络的实施和部署。该论坛创建于2002年,现有150多个会员。像先前的WiFi (IEEE 802.11)一样,WiMAX的增长将是爆炸性的。要充分利用WiMAX所带来的商机,就要对该技术的发展及其实施有所了解。 WiMAX是一种大范围无线宽带技术 与WiFi相比,WiMAX可在更大的范围内提供宽带无线连接,而且并不要求用户终端和接入点必须保持在可视范围内。WiMAX的有效范围是以英里计的,而不是英尺。WiFi和WiMAX两个标准之间的最大区别在于:WiFi是一种局域网(LAN)技术,而WiMAX是MAN技术。“城域网”中的“城”字并不意味着WiMAX仅能用于城市。事实上,在DSL或线缆接入方式无法实现的偏远地区,WiMAX是一种理想的宽带接入服务方式。 WiMAX的信道容量从1.5至20MHz,使得WiMAX网络具有支持多种数据传输率的灵活性,比如T1 (1.5Mbps)和超过70Mbps的高速传输率。这种灵活性可让WiMAX适用于不同国家或服务提供商的可用频谱和信道宽度。同样重要的是,其定义的服务质量可确保高性能的语音和视频信号传输。 WiMAX、802.16和国际互操作性 IEEE 802.16标准起初规定了一个从10至66 GHz的工作频带。而802.16d修订标准扩展到支持基于2-11 GHz频带内许可或非许可频谱的固定宽带无线接入(见图1)。该修订标准已于2004年6月获得通过,技术规范现已公布。但是,针对移动无线接入应用的802.16e修订标准正在开发中。 除支持2-11 GHz频率范围外,802.16d标准也支持三个物理层(PHY)模式。强制实施的PHY模式是256点FFT直角频分复用(OFDM)。另外两个PHY模式分别是单载波(SC)和2048OFDMA。相应的欧洲标准ETSI HiperMAN只定义了单个PHY模式,与802.16d标准中256 OFDM模式相同。 因为WiMAX的目标是推广基于802.16d或HiperMAN标准的设备互操作性,所以该论坛决定选择256 OFDM模式作为强制实施的PHY模式。为确保全球互操作性,WiMAX论坛仅认证支持这一特定PHY模式的设备。 WiFi 802.11a和802.11g标准也采用OFDM模式,并已创下了无线网络的良好性能纪录。但WiFi采用的是64 OFDM。“OFDM”前面的数字代表可用于整体调制方案的载波数。WiMAX的大载波数有助于获得更大的有效范围,因为采用256 OFDM的接收器所能承受的延迟要比64 OFDM系统高达10倍。此外,256 OFDM也具有良好的非视距功能。 在安全方面,802.16d标准指定数据加密标准(DES)作为必须的数据加密机制,3DES作为钥匙加密标准。所容许的加密方案包括: 1)CBC-模式56位 DES,无数据认证及3-DES,128位 2)CBC-模式56位 DES,无数据认证及RSA,1024位 3)CBC-模式AES,无数据认证及AES,128位 WiMAX论坛现正结合最新的加密技术来评估这些方案。特别指出的是,WiMAX论坛在考虑是否将美国国家标准协会的先进加密系统(AES)指定为替代加密方案。AES可能成为服务提供商的首选加密方案。 QoS:WiMAX的一个强大优势 WiMAX协议的几个特性可为音视频流等业务提供强健的服务质量(QoS)保护。跟其它网络一样,用户不得不共享WiMAX网络的数据容量。但WiMAX的QoS特性可让服务提供商根据每个用户所签订的服务协定,按不同链接来管理网络流量。因此,服务提供商可以对超出用户链接平均数据传输率之上的音视频QoS收取额外费用。 WiMAX QoS的一个优点是采用准许-请求机制让用户接入网络。与802.11等LAN技术所用的CSMA/CD或CSMA/CA机制相比,WiMAX的这种机制在工作原理及所提供价值上具有明显的优势。当一个基于CSMA/CA的无线LAN的每个接入点少于10个用户,该网络不会有太多的冲突。虽然数据包碰撞偶有发生并需要重发,但所造成的重复并不会浪费太多的带宽资源。然而,如果每个CSMA/CA接入点的用户数超过10个,甚至达到数百个,用户数据包碰撞和重发现象就会频繁地发生。在这种情况下,平均网络负载系数很容易就会上升20-30%,用户会感觉到明显的延迟,在媒体流业务中延迟尤其明显。 WiMAX的准许-请求机制分配每个传输数据帧的一小部分作为冲突时隙,从而避免了这种现象的发生。有了冲突时隙,一个用户站就可请求基站分配一个上连(UL)时隙以进入网络。基站根据该用户的服务级别协议来评估用户站的请求,并分配给该用户一个时隙以便发送UL数据包。 WiMAX的准许-请求机制可以限定无线网络冲突的重复,从而阻止了大量用户间的相互干扰。总体来说,该机制可以更有效地利用现有信道资源。即便一个基站有数千个用户及较高的负载系数,网络也不会因为数据包冲突和重发而瘫痪。随着更多的用户加入WiMAX网络,基站将可采用由服务提供商定义和修改的动态调度算法来调度用户,以便每个用户都可获得所保证的服务质量。 WiMAX QoS协定的另一优点在于它可按链接控制数据传输率。基站和用户站之间的信号强度会影响无线链接的传输率,以及在256 OFDM框架内使用不同调制方案的能力。信号强度主要依赖于两站之间的距离。如果网络被限定为每个载波只能使用一种调制方案,那么离基站远的用户就无法使用最为有效的调制方案。 WiMAX允许基站根据链接的不同设定不同的调制方案,从而可使每个用户的数据传输率得到优化。例如,靠近基站的用户站可以使用64QAM调制,而远离基站的用户由于信号弱而只使用16QAM或QPSK调制。802.16 MAC甚至可以为每个用户突发的下连(DL)和上连(UL)而采用不同的调制方式。对整体带宽使用率进行优化和使每个用户的数据传输率最大化是高服务质量的基础。除了这些通用的QoS特性外,WiMAX还为语音和视频业务提供了特别的QoS支持。 基站和用户站设备 WiMAX基站小至仅支持几个用户,大致可支持数千用户并提供网络运营级性能。无论支持多少用户,基站都必须提供各种用户端设备所不具备的功能。比如,有些基站要支持复杂的天线功能,并实现有效的频率复用。 结果,WiMAX基站具有很多各不相同的配置,从仅支持几个用户的简单独立设备,到与有线网络设备并行的冗余、大型系统和服务器群。从硬件的角度来看,这种基站设备往往采用现成的微处理器和分立的射频(RF)器件。所需软件包括802.16媒体访问控制器(MAC)、调度程序,以及网络管理服务和协议栈等应用软件。 如果用定制软件和硬件来实现用户站功能就会特别昂贵,这也是早期专用无线系统无法普及的原因。采用像WiMAX这样的行业标准的一个好处就是半导体公司可以提供大批量、低成本的标准芯片方案。富士通微电子正在开发高度集成的单芯片方案,包含了除射频之外的大部分必需功能模块。 与此同时,标准产品带来的问题是如何与其它竞争产品区分开来。WiMAX设备供应商可能采用各种RF方案以针对不同的频带。此外,如果用户站设备的核心芯片容许供应商部分采用他们自己的软件(如MAC软件),那么用户端设备供应商就可以提供独特的功能特性以让他们的产品有一些差异化。 标准的互操作性和升级 WiMAX论坛在WiMAX标准开发的早期就强调不同系统供应商设备间的互操作性。WiFi联盟在802.11标准上所作出的努力表明,重点强调产品互操作性的认证将有助于该标准在市场上的普及。另一方面,WiFi互操作性项目启动得相对较晚,使得标准的广泛认可有所延迟。WiMAX论坛吸取了这一教训,并决定尽早开始互操作性测试项目。表-1列出了互操作性测试和认证时间表。随著IEEE 802.16标准的不断发展,WiMAX论坛将采用最新版的标准进行互操作性测试。同时,该论坛还设法维持经WiMAX认证的设备的后向兼容性。 802.16标准的继续发展将为WiMAX技术添加更多新的功能特性。例如,802.16e标准将制定便携性和移动漫游规范以实现无处不在的无线连接。 为进一步支持实现无处不在的无线连接目标,IEEE正在制定802.11和802.16设备之间的互通机制。利用该机制,一台笔记本电脑就可从WiFi节点或企业WiFi WLAN过渡到本地服务提供商的WiMAX网络。无需用户干预即可实现无缝转接,而且始终保持网络连接。 WiMAX的实施前景 WiMAX标准的第一种形式主要支持固定无线接入,因此最初的实施将主要针对非蜂窝数据网络应用。那些已经销售专有OFDM系统的公司可以在小的城镇部署经WiMAX认证的基站。大城市的服务提供商也可部署WiMAX网络以替代DSL和线缆调制解调技术。偏远地区的服务提供商,无论是发达国家还是发展中国家,都可部署WiMAX基站,推出有吸引力打包的服务,通过邮寄或到商店提取的方式为用户提供CPE设备。 其它WiMAX参与者还包括WiFi产品供应商、纯CPE产品公司及传统的网络设备制造商。WiFi产品供应商可将WiMAX集成进其现有产品作为缓解公共WAN通信流量的一种途径,并可利用已有的销售渠道销售WiMAX产品。 因为WiMAX的实施需要服务提供商协助推广,WiFi产品供应商必须与这些服务商协作以促销WiMAX产品。纯CPE公司要么与基站供应商合作(因为后者跟服务提供商有密切关系),要么直接恳求服务提供商帮助促销其产品。 网络设备制造商已经意识到固定无线网络市场的巨大潜力,因此对WiMAX也表现出了极大的兴趣。跟WiFi产品供应商一样,他们必须跟服务提供商合作来实施和部署WiMAX系统。 随着802.16d 标准的发展,各种各样的无线产品也会应运而生,比如具有WiMAX功能的互联网接入卡。同样地,随着802.16e标准成为无线MAN的移动标准,笔记本电脑、PDA和移动电话等产品将成为WiMAX市场的强大驱动力。 在早期的WiMAX网络实施过程中,试验网络将散乱于全球各地。一旦用户体验到WiMAX的好处,WiMAX网络将会像野火一样迅速蔓延,这一场景有望于2006年之后出现。 富士通微电子美国公司



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