WIMAX16d网络的架构和规划要点

2011-04-15 11:13:43来源: 互联网 关键字:网络  架构  规划  要点
1.前言

  随着通信产业的发展,尤其是无线通信和宽带通信的技术的迅速发展,激发了宽带接入网络向无线化方向的演进。值得注意的是,近年来“WiMAX”一词的点击率日益增高,它作为IEEE802.16无线城域网的空口标准,引起了广泛关注,并逐渐为业界熟知。

  WiMAX技术的发展过程基本可以分为四个阶段,即:固定接入业务阶段、游牧式业务阶段、便携式业务阶段和全移动业务阶段。2006年国内外各大运营商业务拓展的需求推动了第一代WiMAX技术和产品逐渐走向成熟,固定接入式的宽带无线网络一时风生云起。在此,本文对就WiMAX16d的网络结构、规划、建设和维护的经验略作回顾和小结,以期抛砖引玉之效用。

  2.WiMAX802.16d的网络架构和特点

  IEEE802.16协议族定义了WiMAX网络的空中物理层和MAC层接口,旨在为城域网的接入层提供基于IP的、具备端到端QoS保障的无线接入。目前已定制的两大系列标准包括802.16-2004(即802.16d)和802.16-2005(即802.16e),前者面向固定式宽带无线接入,后者侧重于移动性和便携性。

  从固定式WiMAX系统主体来看,它包括基站(BaseStation,简称BS)、用户站(CustomerPremiseEquipment,简称CPE)以及网管等主要部分,构成点到多点的星型拓扑结构。基站和用户站之间的空口遵循IEEE802.16d规范,定位于最后一公里的接入,结构简洁、标准清晰。网络总体结构图如下:

  


  WiMAX16d的标准定义和网络结构体系,决定了它具有以下一些突出的优势和特点:

  可完全融入现有网络架构。作为IP系统的二层接入部分,WiMAX以其全IP化的设计,可以完全融入现有网络架构,充分利用已有的传输网络和核心网。WiMAX基站向上提供标准的以太网接口,可以方便得融入IP城域网和核心网,为缺乏管线资源的地区提供迅速系统部署以及各类应用服务;用户站可以直接下联二层交换机、IAD、WLAN等设备,或者直接与终端连接,提供数据、语音等丰富的业务内容。

  IPQoS机制植入于MAC层。在这种QoS机制的保障下,WiMAX能够真正的合理分配资源,既满足公平性原则,也能平衡不同用户的业务容量需求,从而最大程度得利用有限频谱资源。MAC层QoS面向每个连接,可以独立定制其带宽门限、时延和QoS等级,使其能够真正确保端到端的QoS的实现。QoS包括四个等级:非请求的带宽分配业务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrtPS)和尽力而为业务(BE)。

  传输和业务安全性有保障。从安全性角度来说,WiMAX空中接口具备了认证加密的功能以及其他各种准入手段,可以确保数据的安全传送。对于WiMAX网络本身来说,能够完全兼容于现有网络的各种认证计费手段,所以一般没有也不需要专配计费功能。因而,在发展部署新用户时,无需对业务控制层面进行改动,非常灵活。

  除了架构上的优势之外,WiMAX面向4G的无线技术和传输稳定性也为人津津乐道。作为接入技术,除了数据吞吐量外,其稳定性和可靠性是运营商和终端用户关注的焦点问题。事实表明,WiMAX先进的无线技术特性,能适合于大部分应用的需求,这主要归功于WiMAX16d的以下无线特性:

  支持非视距传播。从固定无线宽带接入的发展来看,原先的3.5GHz的MMDS在解决非视距传播方面,始终未能尽如人意。而WiMAX技术在物理层引入了OFDM调制技术,使其对非视距环境中的宽带数据传播有较强的抗多径能力。作为OFDM技术本身,其出彩之处在于:高频谱利用率、抗频率选择性衰落和抗窄带干扰能力。从实践经验上来看,16d技术在城市非视距环境中,小区覆盖半径可以达到3公里左右,足以满足一般业务的运营需求。

  频谱利用率高。IEEE802.16d的规范定义了无线链路上下行至少需达到16QAM的调制解调能力,而部分厂家的设备甚至能够支持到64QAM的调制解调。这意味着,在良好的无线环境下,空中信道中的每个符号可以携带6个比特;在3.5Mhz的物理带宽下,采用OFDM512技术,MAC层数据传输能力就可至12Mbps左右的水平。外场FTP测试表明,WiMAXBS端到CPE端的应用速率可以轻松得达到9~10Mbps,完全能够满足一般个人用户和中小企业用户的需求。

  自适应调制技术。通过此项技术,系统能够自主得统计测量无线链路质量水平,并根据系统定义的算法,将信号调制到与之适应的编码方式上。在高质量的信号水平下,远端站能够适配至较高的调制方式下工作;反之,则适配至低调制方式,提高链路的稳健性。如此便能兼顾带宽和稳定两方面的要求,使整个系统工作于均衡的状态下,最大程度地利用频谱资源。

  当然,规范本身所定义的技术细节还更加先进广泛,包括上行信道的子信道化,AAS的应用等等,但是从市场定位、业务需求和成本定位来综合考虑,各个厂家的第一代WiMAX产品都只是实现了到规范中的部分功能。即便如此,实际网络经验已足以证明WiMAX16d系统无愧于无线DSL的美誉。

  3.WiMAX802.16d网络部署

  2006年,国内运营商对WiMAX从关注、测试,迅速走向了实际商用阶段。数个运营商根据自身特点和市场状况,应用WiMAX开发出了切合其自身特点的业务模式,并将其推向了市场。作为参与者之一,我们在这个过程中注意到了种种有意思的现象,积累了些许经验,与诸位共享和探讨。

  以下的讨论将围绕网络规划设计,网络建设部署和网络维护三部分展开。

  3.1.WiMAX16d系统的无线网络设计和规划

  和其它无线网络类似,WIMAX网络规划的重点和难点在于满足覆盖和容量的同时,保证QoS和系统的资源能够得到最大程度的利用。从我国现在3.5GHz频段规划来看,同城内的每个运营商一般都只能拥有10.5MHz带宽,即为三个3.5MHz的WiMAX载波带宽。频谱资源的稀缺使组网设计受到很大程度的局限,因此,找出合理的站间距以消除同频干扰现象对组网的影响非常重要。通过系统仿真的理论计算和外场实测认证,所得结果表明:在大中型城市中,同频复用距离2至3公里时的条件下,通常干扰最为恶劣的主瓣连线上的测试点基本没有发现干扰现象。此数据即可成为WiMAX16d网络设计的基本模型参数,用来确立投资规模、业务分布和频率规划。

  此外,在具体规划的时候,不同的地理地貌环境还需要进行经验参数调整,以使业务覆盖率最大化。另外,部署规划网络时,为降低或避免系统内干扰,应该灵活选用各种方法来调整小区覆盖区域,例如:选择合理的基站天线高度,充分利用不同天线极化方式,调节天线俯仰角,减小基站天线的水平半功率角度等常规手段。

  同样是无线网络,WIMAX的网络建设与我们传统的GMS或UMTS建设有所区别,不能完全照抄以前的经验。这是由不同的网络性质所决定了的,WiMAX是固定通信无线网,而GSM/UMTS是移动通信网络,二者有着不同的用户行为、覆盖要求和话务模型。其中,我们注意到了一个比较典型的现象:在建设初期,大家都习惯性地考虑“全覆盖”的概念,即按照理论的覆盖半径,在地图上标注出若干个基站站点,认为这些站点建成之后即可实现无缝覆盖或者是基本覆盖这片区域,剩余的工作就是轻松放号,业务开通。而事实上,要用WiMAX16d实现全覆盖很困难,这是由其本身特点决定,也是为我们经验证明的。

  根据无线传播理论,基站和远端站所能接收信号的强度及质量与其天线高度以及传播路径上的阻挡情况密切相关。在二维地图的同一点上,用户站的接收信号很大程度上取决于CPE天线的放置高度,比如说,离开基站2公里处,运营商发掘出一片用户群体,分布于高新区的一幢15层楼的大厦内。这些用户有些在14楼,有些在7楼,而有些在2楼。那么对于14楼的用户,由于其高度高于周围平均建筑物的高度,所以可以轻松的实现信号收发,调制方式可以达到64QAM,获取高质量的数据业务;对于7楼的用户,高度低于与周围建筑物的平均高度,但依然能够依靠信号的折射和反射获得16QAM的信号,相当于数据带宽能够达到4Mbps左右;而2楼的用户则不那么幸运了,在高楼林立的环境下,CPE天线被群楼阻挡,无法接收WiMAX信号。(当然通过楼内垂直布线,将CPE天线安装于高处并将数据信号引入至2楼办公室的CPE室内单元,也可以实现接入)此例表明,WiMAX网络设计的关键数据是CPE天线的位置,这些数据很难在规划期能够一一确定,而是随着业务发展而逐步明晰的。由此我们可以看出,在现有固网运营商“按需接入”的发展模式下,要做出一个类似于GSM或者UMTS一样的无缝覆盖的网络规划是非常困难的。

  基于此现象,我们持如下观点:固定接入式WiMAX16d的网络呈点到多点的拓扑结构,一般而言,用户端数量在基站覆盖区域内动态发展,有增有减。用户端设备没有切换和漫游的需求,与需要连续分布的移动网络有本质上的区别。因此,在网络规划设计期间,无需强调“全覆盖”或者是“无缝覆盖”的概念,否则反而会给后期发展引入干扰问题。

简而言之,我们认为WiMAX16d的网络规划可以遵循以下

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关键字:网络  架构  规划  要点

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0415/article_7011.html
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