WIMAX16d网络的架构和规划要点

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两条原则：第一，尽最大能力避免干扰，为后期发展留出余地;第二，随着用户容量的增加，需要在建设中调整基站的有效覆盖区域，使网络跟随业务发展而健康成长。

3.2.WiMAX16d系统的网络工程

根据我们的经验，尽管WIMAX产品结构简洁紧凑为工程实施带来便利，但是我们不能因此忽略其工程实施质量。WiMAX的显著优点是结构简单，部署灵活迅速。事实上，第一代16d的产品普遍没有引入智能天线，MIMO等更为先进的无线技术，所以CPE基本还是室外型的，也就是说，终端设备仍然离不开室外的工程安装。从某种角度来看，用户取得链路质量的优劣，不仅取决于基站周边的无线环境，在很大程度上还依赖于客户端设备的安装质量。所以，我们认为有必要着重讨论一下WiMAXCPE的工程建设。

经为期一年的观察，我们发现WiMAX的建设者往往比较重视WiMAX系统和上层核心网设备的互连互通问题，重视基站的工程安装问题，却有些忽视CPE部署的工程质量要求。现网的部分CPE安装比较简陋，存在着诸多隐患。这些隐患除了会直接对系统造成硬件损伤之外，也会给客户带来不佳的体验，直接或间接地影响WiMAX的业务拓展。因此，这里有必要对业已察觉的一些问题进行归纳，以期引起各位建设者的重视：

CPE安装高度不理想，影响业务稳定性。如前所述，在基站位置已经固定了的情况下，CPE安装高度往往就决定了无线链路的优劣。一方面，CPE天线不能高于基站天线的高度。通常情况下，基站天线的俯仰角一般为0度，而且CPE天线的垂直半功率角一般都比较小。如果CPE高于基站，通信双方就不能良好的接收对方的发射信号，从而影响通信质量。另一方面，CPE不建议安装在严重的非视距环境下，也就是说，不建议将CPE安装在无线传输路径的第一菲涅尔区内有严重阻挡的环境下，否则接收信号有很大比例是靠绕射和反射取得的，多径信号的路径复杂程度大大提高，每径受到影响的因素也会增多，信号质量不可避免地会比视距情况下有更大的波动。虽然在给终端用户交付业务时，测试得到的信号和带宽都不错，但是这样的链路对干扰的抵抗力比较弱，信号会时好时差，甚至在无线链路恶化时会发生信号中断的情况。这会对实时性要求高业务(例如VoIP，VideoStreaming等)产生尤为不良影响。

CPE缺乏可靠接地，增加了系统的不安全性。如果说CPE并不安装在建筑物的最高处，接地省略的风险性可能还小些，那么将其安装于屋顶的时候，没有接地在夏季雷雨时节就是一个巨大的隐患了。而我们发现，现网中有为数不少的CPE其实并没有做好接地，更不要说是避雷防范了，这确实是非常危险的现象。假设设备的室外部分遇到雷击，浪涌电流若不能导入大地，那么很容易地就会通过馈线引入室内单元及其连接的下端设备，一旦此类事故发生，遭受损失的可能就远不止是WiMAX设备本身，而将包括与之相连的所有设备(包括二层交换机、IAD、WiFiAP，话机和电脑等)以及电源系统。

CPE抱杆过细或者对地未能妥善加固，也会影响用户的长期使用感受。我们曾观察到，抱杆如果太细，或者底部不稳，其上端由于受到设备单向重力会使抱杆向设备一侧略微倾斜，导致CPE天线俯仰角的改变，从而影响收发信号的质量。常见的情况是在系统开通初期用户能够取得理想的数据带宽，而一段时间之后，发现带宽变小了，而经现场检查才发现正是由于这些细小的原因致使的。

所以，网络建设过程中，我们除了关注设备本身的性能和稳定程度之外，还应当对工程中的各个环节严格把控。WiMAX系统有其简洁易用的一面，也存在着众多细节方面有待我们去关注和完善，这样才能将WiMAX的优势充分体现。

3.3.WiMAX16d系统的维护

与任何无线网络相仿，WiMAX系统建成开通后，需要坚持不懈的维护和优化，保障系统的良好运行状况，并为网络发展提供可借鉴的依据。一般来说，除了设备运行状态之外，最需要关注的是无线链路和容量两方面的问题，以下作些简单的经验介绍。

无线链路监测和优化。从WiMAX自带的网管上，可以对每个远端站的无线链路状况进行观测，包括上下行的RSSI，SNR以及调制方式等信息。通过这些基本数据，我们可以做出每日报表和曲线图，掌握无线链路的变化情况，并为规划和优化提供依据。由于WiMAX16d是一个动态发展的网络，无线网络规划与优化并进，因此在建设新基站，发展新用户的时候，必须同时考虑现有网络上的拓扑结构和频率资源利用情况，避免干扰情况出现。

容量监测和优化。与无线链路相仿，基站容量和每个用户的吞吐量也是可以通过网管进行监测的，这些数据对网络建设和发展尤为重要。一方面，根据资源的统计使用情况，运营商可以灵活调整客户QoS等级，在公平发展的原则下，重点保障大客户的利益;另一方面，对流量的监测可以更准确地掌握用户的增长率，避免设备过载现象的产生，同时指导后期的网络规划和工程预算工作。

对系统的维护和优化，其主旨是依然提高设备的稳定性和利用率，使动态的网络能够均衡发展，为终端用户提供业务保障。由于WiMAX还处于建设阶段，对于如何维护优化WiMAX16d网络，还有待更多时日的探索和积累。

4.结束语