802.16/WiMAX组网关键技术研究

一、引言

　　802.16/WiMAX如何组网是商用的关键问题之一。到目前为止，IEEE 802.16标准及相应的测试规范主要还是针对无线空中接口技术，所明确内容也只是涉及开放系统互连（OSI）模型中的物理层（PHY）、媒体访问控制（MAC）层，并没有明确802.16/WiMAX网络的组网技术和方案。就现在的情况，802.16/WiMAX组网牵涉到的问题主要有：如何通过网络和小区规划来提高频率复用率；如何把 802.16/WiMAX系统的空中接口网络和基于IP技术的核心网络有机结合在一起；如何更好地支持无缝移动性管理，保证用户的QoS要求，同时便于计费、认证和鉴权。

　　本文主要针对上述问题对802.16/WiMAX组网关键技术进行了讨论和分析，对组网的方案进行了分析和展望。

二、802.16/WiMAX组网关键技术

　　802.16/WiMAX作为分组数据的补充网络，随着它对移动性有较好的支持，可能会实现单独组网并全网覆盖。其网络参考架构可以分成终端、接入网和核心网3个部分，如图1所示。图1中，802.16/WiMAX终端包括固定、漫游和移动3种类型终端；802.16/ WiMAX接入网主要为无线基站，支持无线资源管理等功能；802.16/WiMAX核心网主要是解决用户认证、漫游等功能，网络与其他网络之间的接口关系。

图1　802.16/WiMAX网络参考架构 　　在802.16/WiMAX中提供的PMP（点到多点模式）工作模式是通信系统中的基础模式。整个小区由一个BS管理，所有的SS的通信都需要 BS的调度。况且由于移动性的引入，移动用户要在不同的BS覆盖区间移动并实施通信链路的切换，需要为移动用户提供无缝的网络覆盖以便保障用户的QoS。由此分析得出，802.16/WiMAX网络组网关键技术包括基于OFDM频率复用技术的小区规划方案、媒体访问机制、入网与初始化、资源分配策略、认证计费和移动性管理等方面。 1.基于OFDM频率复用技术的小区规划方案 　　对于频率资源比较紧缺的802.16/WiMAX组网而言，OFDM技术虽然具有高频谱利用率及抗多径干扰的能力，而且在NLOS环境下可以采用OFDM、OFDMA及其他先进技术来克服较差的无线传输环境。但是，用户只能通过时间（TDMA）或子信道（OFDMA）来区分，使用相同频率的相邻小区将会对本小区的通信产生严重的同频干扰。因此，网络规划应基于频率分配，合理分配并复用有限的频段，从而达到减少小区间、信道间的干扰，并且进一步提高802.16/WiMAX的频谱效率、增加网络的容量。 　　为了减小干扰，尽量保证小区的频率复用因子为1，其网络频率规划方案应该服从如下原则： 　　●除非距离达到5～7个倍程，或者两者之间有较好的阻挡物，否则相邻站点不允许出现相同方向的同频复用。如果要复用，可以采用不同的极化方向以获得20 dB的额外隔离度。 　　●同一站点，同一扇区，尽可能不使用邻频进行组网，尽可能地使其错开一个角度，以保证服务扇区内的注册频点为最佳。 　　●同一站点，同一扇区，不可以使用同频。 　　●同一站点，相邻扇区，不可以使用同频。在采用高性能天线的情况下，如果终端的位置不在相邻两个扇区交叠边缘，可以使用同频交叉极化的方式。 　　●同一站点，相背扇区，在基站天线前后隔离度满足30 dB的要求时，可用相同极化的同频。 　　联系802.16/WiMAX组网的频率资源较为紧缺的实际情况，通常采用扇区技术、无线资源管理机制和先进天线技术来减少同频干扰。 　　（1）基于微小区的频率规划　在传统的蜂窝系统中，为了减少同频干扰和增大网络的容量，常常采用相邻小区之间不使用相同频点的方法，而且要使具有相同频点的小区之间的距离尽量的远。但这样势必需要大量的频率资源，且会降低频谱的利用率。 在802.16/WiMAX系统中，为了提高网络的容量把每一个小区重新化分成多个微小区，每个微小区就有较小的覆盖范围，且每个相邻无线路由器的位置使小区之间的覆盖区域无信号盲区，从而增加了地理覆盖并减小了无线路由器间隔。此时，将可使用的频点分成几组然后分配给微小区中的小区使用，保证相邻小区间不使用同一组频点。而且，由于802.16/WiMAX系统的复杂性，还要使采用同一频点组的小区的间隔距离更远。通过扇区技术提高系统容量的方法如图2所示。在网络建设初期，基站使用4个的扇区天线，每个天线覆盖一个扇区。小区可以通过分裂成更多扇区的方式，使每个扇区的可用子信道数量增加，以此支持更高的数据速率。当扇区数量由4个变为8个的时候，小区的容量近似翻了一倍。然而扇区的数量每增加一倍，小区的覆盖面积会减少33%，这时就需要更多的发射机和接收机来完成相同的覆盖。这样，每个BS的覆盖面积减少了，其需要的带宽也随之减少，但设备的成本却会增加。如果在系统中增加更多的载频，就可以进一步使用频率分集来减小同信道之间的干扰。