WIMAX16d網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及規(guī)劃要點分析

1.前言

　　隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是無線通信和寬帶通信的技術(shù)的迅速發(fā)展，激發(fā)了寬帶接入網(wǎng)絡(luò)向無線化方向的演進(jìn)。值得注意的是，近年來“WiMAX”一詞的點擊率日益增高，它作為IEEE802.16無線城域網(wǎng)的空口標(biāo)準(zhǔn)，引起了廣泛關(guān)注，并逐漸為業(yè)界熟知。

　　WiMAX技術(shù)的發(fā)展過程基本可以分為四個階段，即：固定接入業(yè)務(wù)階段、游牧式業(yè)務(wù)階段、便攜式業(yè)務(wù)階段和全移動業(yè)務(wù)階段。2006年國內(nèi)外各大運營商業(yè)務(wù)拓展的需求推動了第一代WiMAX技術(shù)和產(chǎn)品逐漸走向成熟，固定接入式的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)一時風(fēng)生云起。在此，本文對就WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、規(guī)劃、建設(shè)和維護(hù)的經(jīng)驗略作回顧和小結(jié)，以期拋磚引玉之效用。

　　2.WiMAX802.16d的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和特點

　　IEEE802.16協(xié)議族定義了WiMAX網(wǎng)絡(luò)的空中物理層和MAC層接口，旨在為城域網(wǎng)的接入層提供基于IP的、具備端到端QoS保障的無線接入。目前已定制的兩大系列標(biāo)準(zhǔn)包括802.16-2004(即802.16d)和802.16-2005(即802.16e)，前者面向固定式寬帶無線接入，后者側(cè)重于移動性和便攜性。

　　從固定式WiMAX系統(tǒng)主體來看，它包括基站(BaseStation，簡稱BS)、用戶站(CustomerPremiseEquipment，簡稱CPE)以及網(wǎng)管等主要部分，構(gòu)成點到多點的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；竞陀脩粽局g的空口遵循IEEE802.16d規(guī)范，定位于最后一公里的接入，結(jié)構(gòu)簡潔、標(biāo)準(zhǔn)清晰。網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖如下：

　　WiMAX16d的標(biāo)準(zhǔn)定義和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，決定了它具有以下一些突出的優(yōu)勢和特點：

　　可完全融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。作為IP系統(tǒng)的二層接入部分，WiMAX以其全I(xiàn)P化的設(shè)計，可以完全融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，充分利用已有的傳輸網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)。WiMAX基站向上提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，可以方便得融入IP城域網(wǎng)和核心網(wǎng)，為缺乏管線資源的地區(qū)提供迅速系統(tǒng)部署以及各類應(yīng)用服務(wù);用戶站可以直接下聯(lián)二層交換機(jī)、IAD、WLAN等設(shè)備，或者直接與終端連接，提供數(shù)據(jù)、語音等豐富的業(yè)務(wù)內(nèi)容。

　　IPQoS機(jī)制植入于MAC層。在這種QoS機(jī)制的保障下，WiMAX能夠真正的合理分配資源，既滿足公平性原則，也能平衡不同用戶的業(yè)務(wù)容量需求，從而最大程度得利用有限頻譜資源。MAC層QoS面向每個連接，可以獨立定制其帶寬門限、時延和QoS等級，使其能夠真正確保端到端的QoS的實現(xiàn)。QoS包括四個等級：非請求的帶寬分配業(yè)務(wù)(UGS)、實時輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)、非實時輪詢業(yè)務(wù)(nrtPS)和盡力而為業(yè)務(wù)(BE)。

　　傳輸和業(yè)務(wù)安全性有保障。從安全性角度來說，WiMAX空中接口具備了認(rèn)證加密的功能以及其他各種準(zhǔn)入手段，可以確保數(shù)據(jù)的安全傳送。對于WiMAX網(wǎng)絡(luò)本身來說，能夠完全兼容于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各種認(rèn)證計費手段，所以一般沒有也不需要專配計費功能。因而，在發(fā)展部署新用戶時，無需對業(yè)務(wù)控制層面進(jìn)行改動，非常靈活。

　　除了架構(gòu)上的優(yōu)勢之外，WiMAX面向4G的無線技術(shù)和傳輸穩(wěn)定性也為人津津樂道。作為接入技術(shù)，除了數(shù)據(jù)吞吐量外，其穩(wěn)定性和可靠性是運營商和終端用戶關(guān)注的焦點問題。事實表明，WiMAX先進(jìn)的無線技術(shù)特性，能適合于大部分應(yīng)用的需求，這主要歸功于WiMAX16d的以下無線特性：

　　支持非視距傳播。從固定無線寬帶接入的發(fā)展來看，原先的3.5GHz的MMDS在解決非視距傳播方面，始終未能盡如人意。而WiMAX技術(shù)在物理層引入了OFDM調(diào)制技術(shù)，使其對非視距環(huán)境中的寬帶數(shù)據(jù)傳播有較強(qiáng)的抗多徑能力。作為OFDM技術(shù)本身，其出彩之處在于：高頻譜利用率、抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾能力。從實踐經(jīng)驗上來看，16d技術(shù)在城市非視距環(huán)境中，小區(qū)覆蓋半徑可以達(dá)到3公里左右，足以滿足一般業(yè)務(wù)的運營需求。

　　頻譜利用率高。IEEE802.16d的規(guī)范定義了無線鏈路上下行至少需達(dá)到16QAM的調(diào)制解調(diào)能力，而部分廠家的設(shè)備甚至能夠支持到64QAM的調(diào)制解調(diào)。這意味著，在良好的無線環(huán)境下，空中信道中的每個符號可以攜帶6個比特;在3.5Mhz的物理帶寬下，采用OFDM512技術(shù)，MAC層數(shù)據(jù)傳輸能力就可至12Mbps左右的水平。外場FTP測試表明，WiMAXBS端到CPE端的應(yīng)用速率可以輕松得達(dá)到9～10Mbps，完全能夠滿足一般個人用戶和中小企業(yè)用戶的需求。

　　自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。通過此項技術(shù)，系統(tǒng)能夠自主得統(tǒng)計測量無線鏈路質(zhì)量水平，并根據(jù)系統(tǒng)定義的算法，將信號調(diào)制到與之適應(yīng)的編碼方式上。在高質(zhì)量的信號水平下，遠(yuǎn)端站能夠適配至較高的調(diào)制方式下工作;反之，則適配至低調(diào)制方式，提高鏈路的穩(wěn)健性。如此便能兼顧帶寬和穩(wěn)定兩方面的要求，使整個系統(tǒng)工作于均衡的狀態(tài)下，最大程度地利用頻譜資源。

　　當(dāng)然，規(guī)范本身所定義的技術(shù)細(xì)節(jié)還更加先進(jìn)廣泛，包括上行信道的子信道化，AAS的應(yīng)用等等，但是從市場定位、業(yè)務(wù)需求和成本定位來綜合考慮，各個廠家的第一代WiMAX產(chǎn)品都只是實現(xiàn)了到規(guī)范中的部分功能。即便如此，實際網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗已足以證明WiMAX16d系統(tǒng)無愧于無線DSL的美譽(yù)。

　　3.WiMAX802.16d網(wǎng)絡(luò)部署

　　2006年，國內(nèi)運營商對WiMAX從關(guān)注、測試，迅速走向了實際商用階段。數(shù)個運營商根據(jù)自身特點和市場狀況，應(yīng)用WiMAX開發(fā)出了切合其自身特點的業(yè)務(wù)模式，并將其推向了市場。作為參與者之一，我們在這個過程中注意到了種種有意思的現(xiàn)象，積累了些許經(jīng)驗，與諸位共享和探討。

　　以下的討論將圍繞網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)三部分展開。

　　3.1.WiMAX16d系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和規(guī)劃

　　和其它無線網(wǎng)絡(luò)類似，WIMAX網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重點和難點在于滿足覆蓋和容量的同時，保證QoS和系統(tǒng)的資源能夠得到最大程度的利用。從我國現(xiàn)在3.5GHz頻段規(guī)劃來看，同城內(nèi)的每個運營商一般都只能擁有10.5MHz帶寬，即為三個3.5MHz的WiMAX載波帶寬。頻譜資源的稀缺使組網(wǎng)設(shè)計受到很大程度的局限，因此，找出合理的站間距以消除同頻干擾現(xiàn)象對組網(wǎng)的影響非常重要。通過系統(tǒng)仿真的理論計算和外場實測認(rèn)證，所得結(jié)果表明：在大中型城市中，同頻復(fù)用距離2至3公里時的條件下，通常干擾最為惡劣的主瓣連線上的測試點基本沒有發(fā)現(xiàn)干擾現(xiàn)象。此數(shù)據(jù)即可成為WiMAX16d網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基本模型參數(shù)，用來確立投資規(guī)模、業(yè)務(wù)分布和頻率規(guī)劃。

此外，在具體規(guī)劃的時候，不同的地理地貌環(huán)境還需要進(jìn)行經(jīng)驗參數(shù)調(diào)整，以使業(yè)務(wù)覆蓋率最大化。另外，部署規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時，為降低或避免系統(tǒng)內(nèi)干擾，應(yīng)該靈活選用各種方法來調(diào)整小區(qū)覆蓋區(qū)域，例如：選擇合理的基站天線高度，充分利用不同天線極化方式，調(diào)節(jié)天線俯仰角，減小基站天線的水平半功率角度等常規(guī)手段。

　　同樣是無線網(wǎng)絡(luò)，WIMAX的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與我們傳統(tǒng)的GMS或UMTS建設(shè)有所區(qū)別，不能完全照抄以前的經(jīng)驗。這是由不同的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)所決定了的，WiMAX是固定通信無線網(wǎng)，而GSM/UMTS是移動通信網(wǎng)絡(luò)，二者有著不同的用戶行為、覆蓋要求和話務(wù)模型。其中，我們注意到了一個比較典型的現(xiàn)象：在建設(shè)初期，大家都習(xí)慣性地考慮“全覆蓋”的概念，即按照理論的覆蓋半徑，在地圖上標(biāo)注出若干個基站站點，認(rèn)為這些站點建成之后即可實現(xiàn)無縫覆蓋或者是基本覆蓋這片區(qū)域，剩余的工作就是輕松放號，業(yè)務(wù)開通。而事實上，要用WiMAX16d實現(xiàn)全覆蓋很困難，這是由其本身特點決定，也是為我們經(jīng)驗證明的。

　　根據(jù)無線傳播理論，基站和遠(yuǎn)端站所能接收信號的強(qiáng)度及質(zhì)量與其天線高度以及傳播路徑上的阻擋情況密切相關(guān)。在二維地圖的同一點上，用戶站的接收信號很大程度上取決于CPE天線的放置高度，比如說，離開基站2公里處，運營商發(fā)掘出一片用戶群體，分布于高新區(qū)的一幢15層樓的大廈內(nèi)。這些用戶有些在14樓，有些在7樓，而有些在2樓。那么對于14樓的用戶，由于其高度高于周圍平均建筑物的高度，所以可以輕松的實現(xiàn)信號收發(fā)，調(diào)制方式可以達(dá)到64QAM，獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);對于7樓的用戶，高度低于與周圍建筑物的平均高度，但依然能夠依靠信號的折射和反射獲得16QAM的信號，相當(dāng)于數(shù)據(jù)帶寬能夠達(dá)到4Mbps左右;而2樓的用戶則不那么幸運了，在高樓林立的環(huán)境下，CPE天線被群樓阻擋，無法接收WiMAX信號。(當(dāng)然通過樓內(nèi)垂直布線，將CPE天線安裝于高處并將數(shù)據(jù)信號引入至2樓辦公室的CPE室內(nèi)單元，也可以實現(xiàn)接入)此例表明，WiMAX網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是CPE天線的位置，這些數(shù)據(jù)很難在規(guī)劃期能夠一一確定，而是隨著業(yè)務(wù)發(fā)展而逐步明晰的。由此我們可以看出，在現(xiàn)有固網(wǎng)運營商“按需接入”的發(fā)展模式下，要做出一個類似于GSM或者UMTS一樣的無縫覆蓋的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是非常困難的。

　　基于此現(xiàn)象，我們持如下觀點：固定接入式WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò)呈點到多點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般而言，用戶端數(shù)量在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)動態(tài)發(fā)展，有增有減。用戶端設(shè)備沒有切換和漫游的需求，與需要連續(xù)分布的移動網(wǎng)絡(luò)有本質(zhì)上的區(qū)別。因此，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計期間，無需強(qiáng)調(diào)“全覆蓋”或者是“無縫覆蓋”的概念，否則反而會給后期發(fā)展引入干擾問題。

　　簡而言之，我們認(rèn)為WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃可以遵循以下兩條原則：第一，盡最大能力避免干擾，為后期發(fā)展留出余地;第二，隨著用戶容量的增加，需要在建設(shè)中調(diào)整基站的有效覆蓋區(qū)域，使網(wǎng)絡(luò)跟隨業(yè)務(wù)發(fā)展而健康成長。

　　3.2.WiMAX16d系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程

　　根據(jù)我們的經(jīng)驗，盡管WIMAX產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡潔緊湊為工程實施帶來便利，但是我們不能因此忽略其工程實施質(zhì)量。WiMAX的顯著優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，部署靈活迅速。事實上，第一代16d的產(chǎn)品普遍沒有引入智能天線，MIMO等更為先進(jìn)的無線技術(shù)，所以CPE基本還是室外型的，也就是說，終端設(shè)備仍然離不開室外的工程安裝。從某種角度來看，用戶取得鏈路質(zhì)量的優(yōu)劣，不僅取決于基站周邊的無線環(huán)境，在很大程度上還依賴于客戶端設(shè)備的安裝質(zhì)量。所以，我們認(rèn)為有必要著重討論一下WiMAXCPE的工程建設(shè)。

　　經(jīng)為期一年的觀察，我們發(fā)現(xiàn)WiMAX的建設(shè)者往往比較重視WiMAX系統(tǒng)和上層核心網(wǎng)設(shè)備的互連互通問題，重視基站的工程安裝問題，卻有些忽視CPE部署的工程質(zhì)量要求?，F(xiàn)網(wǎng)的部分CPE安裝比較簡陋，存在著諸多隱患。這些隱患除了會直接對系統(tǒng)造成硬件損傷之外，也會給客戶帶來不佳的體驗，直接或間接地影響WiMAX的業(yè)務(wù)拓展。因此，這里有必要對業(yè)已察覺的一些問題進(jìn)行歸納，以期引起各位建設(shè)者的重視：

　　CPE安裝高度不理想，影響業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。如前所述，在基站位置已經(jīng)固定了的情況下，CPE安裝高度往往就決定了無線鏈路的優(yōu)劣。一方面，CPE天線不能高于基站天線的高度。通常情況下，基站天線的俯仰角一般為0度，而且CPE天線的垂直半功率角一般都比較小。如果CPE高于基站，通信雙方就不能良好的接收對方的發(fā)射信號，從而影響通信質(zhì)量。另一方面，CPE不建議安裝在嚴(yán)重的非視距環(huán)境下，也就是說，不建議將CPE安裝在無線傳輸路徑的第一菲涅爾區(qū)內(nèi)有嚴(yán)重阻擋的環(huán)境下，否則接收信號有很大比例是靠繞射和反射取得的，多徑信號的路徑復(fù)雜程度大大提高，每徑受到影響的因素也會增多，信號質(zhì)量不可避免地會比視距情況下有更大的波動。雖然在給終端用戶交付業(yè)務(wù)時，測試得到的信號和帶寬都不錯，但是這樣的鏈路對干擾的抵抗力比較弱，信號會時好時差，甚至在無線鏈路惡化時會發(fā)生信號中斷的情況。這會對實時性要求高業(yè)務(wù)(例如VoIP，VideoStreaming等)產(chǎn)生尤為不良影響。

　　CPE缺乏可靠接地，增加了系統(tǒng)的不安全性。如果說CPE并不安裝在建筑物的最高處，接地省略的風(fēng)險性可能還小些，那么將其安裝于屋頂?shù)臅r候，沒有接地在夏季雷雨時節(jié)就是一個巨大的隱患了。而我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)網(wǎng)中有為數(shù)不少的CPE其實并沒有做好接地，更不要說是避雷防范了，這確實是非常危險的現(xiàn)象。假設(shè)設(shè)備的室外部分遇到雷擊，浪涌電流若不能導(dǎo)入大地，那么很容易地就會通過饋線引入室內(nèi)單元及其連接的下端設(shè)備，一旦此類事故發(fā)生，遭受損失的可能就遠(yuǎn)不止是WiMAX設(shè)備本身，而將包括與之相連的所有設(shè)備(包括二層交換機(jī)、IAD、WiFiAP，話機(jī)和電腦等)以及電源系統(tǒng)。

　　CPE抱桿過細(xì)或者對地未能妥善加固，也會影響用戶的長期使用感受。我們曾觀察到，抱桿如果太細(xì)，或者底部不穩(wěn)，其上端由于受到設(shè)備單向重力會使抱桿向設(shè)備一側(cè)略微傾斜，導(dǎo)致CPE天線俯仰角的改變，從而影響收發(fā)信號的質(zhì)量。常見的情況是在系統(tǒng)開通初期用戶能夠取得理想的數(shù)據(jù)帶寬，而一段時間之后，發(fā)現(xiàn)帶寬變小了，而經(jīng)現(xiàn)場檢查才發(fā)現(xiàn)正是由于這些細(xì)小的原因致使的。

　　所以，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，我們除了關(guān)注設(shè)備本身的性能和穩(wěn)定程度之外，還應(yīng)當(dāng)對工程中的各個環(huán)節(jié)嚴(yán)格把控。WiMAX系統(tǒng)有其簡潔易用的一面，也存在著眾多細(xì)節(jié)方面有待我們?nèi)リP(guān)注和完善，這樣才能將WiMAX的優(yōu)勢充分體現(xiàn)。

　　3.3.WiMAX16d系統(tǒng)的維護(hù)

　　與任何無線網(wǎng)絡(luò)相仿，WiMAX系統(tǒng)建成開通后，需要堅持不懈的維護(hù)和優(yōu)化，保障系統(tǒng)的良好運行狀況，并為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供可借鑒的依據(jù)。一般來說，除了設(shè)備運行狀態(tài)之外，最需要關(guān)注的是無線鏈路和容量兩方面的問題，以下作些簡單的經(jīng)驗介紹。

　　無線鏈路監(jiān)測和優(yōu)化。從WiMAX自帶的網(wǎng)管上，可以對每個遠(yuǎn)端站的無線鏈路狀況進(jìn)行觀測，包括上下行的RSSI，SNR以及調(diào)制方式等信息。通過這些基本數(shù)據(jù)，我們可以做出每日報表和曲線圖，掌握無線鏈路的變化情況，并為規(guī)劃和優(yōu)化提供依據(jù)。由于WiMAX16d是一個動態(tài)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化并進(jìn)，因此在建設(shè)新基站，發(fā)展新用戶的時候，必須同時考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和頻率資源利用情況，避免干擾情況出現(xiàn)。

　　容量監(jiān)測和優(yōu)化。與無線鏈路相仿，基站容量和每個用戶的吞吐量也是可以通過網(wǎng)管進(jìn)行監(jiān)測的，這些數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和發(fā)展尤為重要。一方面，根據(jù)資源的統(tǒng)計使用情況，運營商可以靈活調(diào)整客戶QoS等級，在公平發(fā)展的原則下，重點保障大客戶的利益;另一方面，對流量的監(jiān)測可以更準(zhǔn)確地掌握用戶的增長率，避免設(shè)備過載現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時指導(dǎo)后期的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和工程預(yù)算工作。

　　對系統(tǒng)的維護(hù)和優(yōu)化，其主旨是依然提高設(shè)備的穩(wěn)定性和利用率，使動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)能夠均衡發(fā)展，為終端用戶提供業(yè)務(wù)保障。由于WiMAX還處于建設(shè)階段，對于如何維護(hù)優(yōu)化WiMAX16d網(wǎng)絡(luò)，還有待更多時日的探索和積累。

　　4.結(jié)束語

　　隨著WiMAX16d技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，系統(tǒng)的真實性能已經(jīng)越來越多的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)同了。通過以上篇幅，希望不僅能夠使讀者對這門技術(shù)有更多的了解，更重要的是，能令網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者們能夠得到些許啟發(fā)，更加有效得進(jìn)行WiMAX網(wǎng)絡(luò)的拓展和管理，最大程度得實現(xiàn)業(yè)務(wù)價值。