1、概述

WiMAX的全名是微波接入全球互通(worldwideinteroperabilityformicrowave access)，用于推广基于IEEE 802.16和ETSI HiperMAN协议的无线宽带接入设备，目的是确保不同无线宽带接入设备之间的兼容性和互操作性。由于ETSI HiperMAN协议物理层采用OFDM技术，其技术规范完全和IEEE802.16协议中规定的OFDM物理层规范类似，所以目前的研究重点和设备实现都集中于IEEE 802.16协议。

802.16标准只定义了空中接口规范，WiMAX如何组网是未来商用的关键问题之一，需要仔细研究。WiMAX组网牵涉到以下几方面的问题：基于OFDM技术的WiMAX网络规划，如何提高频率复用率是规划的关键;WiMAX无线空中接口网与现有核心网的互联，如何把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，支持无缝的移动性管理，保证用户的QoS要求，同时便于计费、认证和鉴权等，是研究的重点。

2、基于OFDM技术的WiMAX小区规划方案

基于OFDM技术带来的高频谱利用率及抗多径干扰能力，IEEE802.16标准规定了在非视距传播的2-11GHz频段下，可以采用OFDM、OFDMA(正交频分多址)及其他先进技术来对抗较差的无线传播环境。

但是，采用OFDM/OFDMA技术设计的点对多点(PMP)无线系统将在网络规划上面临较大的问题。在CDMA网络中，用户通过扩频码来区分，可以达到小区频率复用率近似为100%，从而简化甚至不需要频率规划技术;而在基于OFDM/OFDMA的WiMAX系统中，用户只能通过时间(TDMA)或子信道(0FDMA)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干扰。因此基于OFDM/OFDMA技术的网络规划应基于频率分配，如何合理分配和复用有限的频段，而达到减少小区间、信道间的干扰是一个非常值得深入研究的问题。

如何提高WiMAX系统的频谱效率，是研究的热点问题。可以采用高效的无线资源管理技术、先进天线技术(如智能天线和多输入多输出(MIMO))、扇区化技术来提高系统频谱效率，使小区间的频率复用因子尽量为1。

2.1基于小区簇的频率规划

基于小区簇的频率复用技术可以在不牺牲覆盖面积的前提下提高系统容量。将可使用的频点分成几组然后分配给小区簇中的小区使用，保证相邻小区间不使用同一组频点。如图1所示，某小区使用频点组A，它的相邻小区都不能使用频点组A。在图1所示的实例中，一小区簇中有4个小区，对于WiMAX系统来说同频干扰仍较严重，需要采取更加先进的机制来保证小区之间的干扰在可以容忍的限度内。如果使采用同一频点组的小区的间隔距离更远，就需要更多的频率资源，但是目前留给WiMAX系统的频率资源较少，只能通过扇区技术、无线资源管理机制和先进天线技术来减少同频干扰。

图1 频率复用因子为4时的小区规划

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，基站使用四个90°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。当扇区数量由四个变为八个的时候，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。

图2 通过扇区技术提高系统容量

2.2基于无线资源管理的小区规划

无线资源管理主要包含功率控制、无线资源分配、自适应控制、分组调度技术等，其目的在于减少系统间干扰，提高系统容量，增强链路的服务质量等。实际系统的小区是不规则的，在有些地方同频干扰较大，这时可以通过无线资源管理机制来减小同频干扰基站的发射功率，或者结合TDMA机制分配干扰较小的时隙资源给边缘小区用户从而减少同频干扰。由于无线资源管理机制对WiMAX系统来说是一个较大的范畴，不同功能实体之间关系较复杂，下面以其中功能相对独立的自适应控制机制为例阐述WiMAX系统的小区规划。

高阶的调制方式具有更高的频谱效率，因此可以采用高阶调制来提高系统的容量。但随着调制阶数的增加，接收机的复杂度也要随之增加，而且小区间干扰也越来越严重(不同调制方式之间目标SIR(信干比)变化达到16dB)，这也对接收设备提出了更高的要求。另外，随着调制阶数的增加，小区的覆盖面积大幅缩小，从BPSK到QPSK到16-QAM再到64-QAM，调制阶数每增加一步，会使小区半径缩短为原来的一半左右。总之，当系统需要扩容的时候，高阶的QAM调制是需要的，但这会带来覆盖面积减小和系统干扰增加等问题，这些问题可以通过将小区规划和调制体制规划相结合的方法来解决。如图3所示，在原有扇区划分和单一调制BPSK方式的基础上，根据所处地域不同，采用不同的调制方式，越靠近基站，则使用的调制方式越高。离基站最近的区域采用最高阶64-QAM调制方式，然后是16-QAM，再是QPSK，最外圈的区域使用BPSK。

图3 自适应调制方式的使用示例

2.3基于极化天线的小区规划

使用极化天线的方法可以进一步优化频率复用机制，水平极化和垂直极化交替模式可以使相邻小区得到较好的干扰隔离，从而可以将系统容量提高近一倍。交替极化在系统中的应用如图4所示，如果只采用一个载频，考虑到实际地形的不规则，很容易存在较严重的同频干扰，而使用两个载频的交替极化模式，可以得到四组可用信道，从而大幅度减小干扰。联合采用两载频和极化天线技术，在不需要对现有网络进行较大改动的情况下，就可使系统获得更多的可用信道。

图4 极化天线技术与网络拓扑结构

根据以上各种提高系统频谱效率技术的描述可知，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20dB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30dB的要求时，可以使用相同极化的同频。

针对免许可证频段，802.16协议还规定了动态频率选择方案，同时，WiMAX系统可以支持多输入多输出、智能天线、OFDMA等技术，可降低频率干扰、增加网络容量。

3、WiMAX系统的核心网策略

WiMAX系统的网络结构包括WiMAX终端、WiMAX无线接入网和WiMAX核心网3部分，如图5所示。根据所采用的标准以及应用场景不同，WiMAX终端包括固定(802.16-2004)、便携和移动(802.16e)三种类型。而WiMAX接入网主要指基站，需要支持无线资源管理等功能，有时为方便和其他网络互联互通，还需要包含认证和业务授权(ASA)服务器。而核心网主要用于解决用户认证、漫游等功能及作为与其他网络之间的接口。

图5 WiMAX网络结构

3.1WiMAX和其他现有网络的互联互通

由于802.16系列协议只定义了无线空中接口标准，对于WiMAX的核心网没有涉及。作为一种新兴网络，802.16首先是对现有无线网络的一种补充，用于满足高速数据传输的需求，所以和现有无线网络互联互通，充分利用现有无线网络的核心网是WiMAX发展的重要一步，这样可以减少WiMAX系统核心网的投资，实现网络间的无缝切换;同时可以充分挖掘现有网络的用户信息，共用现有网络的计费、鉴权和加密机制;并且充分依托现有网络和业务平台的资源，开展新业务等。

如果混合组网，WiMAX可以通过两种方式和现有无线通信网络互联：紧耦合和松耦合。松耦合对现有网络改造较小，WiMAX直接利用现有网络的AAA(认证，授权和计费)服务器，避免WiMAX数据流经过现有网络的核心网。这种方式保证了WiMAX和现有网络相互独立，并且可以使用移动IP支持网间的移动性，但这会导致较高的延时。在WiMAX中建议采用跨层路由协议(在IEEE802.21协议中称为2.5层路由协议，位于传统路由层和MAC层之间)来减少WiMAX不同基站切换时的延时，但是无法减少网间的切换延时，所以这种模式对实时性要求非常高的业务来说是一大挑战。松耦合模式下两种网络共享AAA服务器，使得不同网络在混合的网络环境下使用一致的用户鉴权机制，从而可以使运营商更好地建立独有的业务模式，充分利用原有计费系统和客户关系。图6所示为WiMAX和WCDMA在松耦合模式下的组网结构。

图6 WiMAX和WCDMA在松耦合模式下的组网结构

紧耦合模式下WiMAX的数据流需要经过现有网络的无线网络控制器(RNC)和核心网，所以这需要对现有网络进行改造。这种模式的优点是充分利用现有网络对移动性管理的强有力支持，减少了切换延时，和松耦合模式相比，其切换时延有大幅度改进，保证了网络的无缝切换。图7所示为WiMAX与WCDMA紧耦合时的网络组成，WiMAX的基站直接和WCDMA的RNC或者SGSN相连。

图7 WiMAX和WCDMA在紧耦合模式下的组网结构