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一、引言
近几年IEEE802.16系列宽带无线接入技术标准受到业界的广泛关注，Intel等世界大型电信设备制造商成立了WiMAX论坛旨在协调网络设备的互操作性以及推动WiMAX的发展和普及。 作为定位于户外应用的宽带无线接入技术WiMAX，无论从技术角度上还是从应用角度上看都有着一系列显著的特点。因此，无论对于用户还是对于电信运营商都有着极大的吸引力。
然而，IEEE 802.16系列标准只定义了空中无线接口，这也就为上层应用提供了灵活性。同时，作为解决“最后一公里”问题的无线城域网技术，如何在未来城域网接入应用中与目前广为使用的线缆方式竞争，充分发挥无线方式的特长，这也是一个值得研究的问题。因此，就这个意义而言，确定其具有竞争力的应用模式具有重要价值。在此，首先对WiMAX宽带无线接入的技术以及应用特点进行分析，并以此为依据对其应用模式进行初步的探讨。
二、WiMAX宽带无线接入的特点分析
作为一种户外应用的无线接入方式，WiMAX除了具有一般无线接入所具有的特点外，特别在技术方面还具有一些其他特色。
1.应用特点
首先，作为宽带无线接入应用的WiMAX具有逐步投资和弹性部署的特点，网络运营商可以根据用户容量增长的需要，逐步增加投入，逐步扩容到位，实现基本平坦的成本曲线。其次，网络的规划可以不受地形地貌的限制，部局灵活，同时用户密度较低的地区仍可以较低的成本实现覆盖，减小初期投资的风险。再次，网络部署快速，安装和扩容方便，不需要复杂的网络规划，网络结构灵活，尤其在临时性和突发性应急通信中能发挥巨大作用。最后，作为一种小区半径可达50km，接入速率可达70Mbit/s的宽带无线接入技术，既可作为城域网有线方式的无线延伸，亦可作为线缆方式的替代方案。特别地，对于用户密度或业务量不高且分布分散的地区比线缆方式更具竞争力。
2.物理层特点
WiMAX工作频段可从2-66GHz(对于IEEE802.16标准:2-11GHz;对于IEEE802.16a标准:10-66GHz)，信道带宽可在1.5-20MHz范围内灵活调整，有利于在所分配的信道带宽内充分利用频谱资源。
WiMAX采用宏小区方式，最大覆盖范围达50km，当在20MHz信道带宽时，支持高达70Mbit/s的共享数据传输速率(此时，最大覆盖范围为3-5km)。可采用多扇区技术来提高系统容量，一个扇区可同时支持60多个采用E1/T1的企业用户或数百个家庭用户。
WiMAX采用了OFDM、收/发分集、自适应调制等多种先进技术实现非视距NLOS和阻挡视距ONLOS传输，有效提高了城市内无线传输的效能。
物理层支持TDD/DMTA和FDD/TDMA两种无线双工多址方式，以适应不同国家或地区电信体制要求。支持单载波(SC)、OFDM(256点)、OFDMA(2048点)三种调制方式，可根据需要灵活选择。物理层可以根据传输信道性能变化，动态调整调制方式和物理层参数(例如:调制参数、FEC参数、功率电平、极化方式等)，以保证较好的传输质量。
3.MAC层特点
支持QoS管理，满足对不同业务质量的要求。MAC层根据业务QoS要求和业务参数，以轮询方式请求连接带宽或进行带宽调整，以保证语音和视频等实时业务的低延迟要求。同时，针对无线信道环境下，较高的误码率和丢包率，定义了基于每个应用流的ARQ，保证MAC层业务数据单元MSDU的自动重发，确保端到端包的传输质量。
MAC层具有ATM业务和分组业务汇聚子层CS，能方便地实现与ATM业务或IP业务为特征的网络应用。同时，MAC层具有安全子层，支持MAC层安全机制，实现鉴权、加密等安全管理。
4.业务能力
WiMAX采用面向连接的方式，可以向用户提供具有QoS性能的数据、视频和语音(VoIP)业务。在IEEE802.16标准中，MAC层定义了较为完整的QoS机制，还定义了四种不同的业务，分别为: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)、尽力而为业务(BE)，分别可以用来向用户提供高质量的视频和语音业务、普通质量的视频和语音业务，以及质量无保证的诸如Internet等业务。可以根据业务的实际需要来动态分配带宽，具有较大的灵活性。因此，WiMAX可为不同业务提供不同的服务质量QoS。
5.网络结构特点
支持的点到多点(PMP，PointtoMultipoint)体系结构，可构建以WiMAX基站为中心的星形接入网结构。最新颁布的IEEE802.16a同时也支持网状网Mesh体系结构，该结构中允许多个WiMAX节点采用无线互连方式构建网状网。这意味着可以灵活地拓展接入网的结构，在骨干网覆盖不到的地方，采用WiMAX网状网覆盖，实现城域网的弹性延伸。
三、WiMAX宽带无线接入应用模式
WiMAX的技术特性和应用特点决定了其能适应各种的应用环境，具有不同的应用模式，下面对WiMAX宽带无线接入的应用模式进行初步的分析和探讨。
1.PMP应用模式
如图1所示，PMP应用模式以基站（BS）为核心，采用点到多点的连接方式，构建星形结构的WiMAX接入网络。基站（BS）扮演业务接入点（SAP，ServiceAccessPoint）的角色，通过动态带宽分配技术，基站（BS）可以根据覆盖区用户的情况，灵活选用定向天线、全向天线以及多扇区技术满足大量的用户站（SS，SubscriberStation）设备接入核心网的需求。必要时，可以通过中继站（RS，RepeatStation）扩大无线覆盖范围。还可以根据用户群数量的变化，灵活划分信道带宽，对网络扩容，实现效益与成本的协调。
PMP应用模式是一种常用的接入网应用形式，其特点在于网络结构简洁，应用模式与xDSL等线缆接入形式相似，因此，是一种线缆替代的理想选用方案。
2.Mesh应用模式
如图2所示，Mesh应用模式采用多个基站（BS）以网状网方式扩大无线覆盖区。其中，有一个基站作为业务接入点（SAP）与核心网相连，其余基站（BS）以无线链路与该SAP相连。因此，作为SAP的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点，而其余基站并非简单的中继站（RS）功能，而是业务的接入点。
Mesh应用模式的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸。对于市郊等远离骨干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围，其规摸取决于基站半径、覆盖区大小等因素。
3.热点回传模式
如图3所示，热点回传（backhaul）模式采用WiMAX无线接入网络把远端WiFi热点Hotspot业务回送到核心网，WiMAX基站（BS）的作用仍为业务接入点（SAP），而WiMAX用户站（SS）是热点侧的无线接入设备，提供标准接口与热点相连，作为WLAN接入点（AP，AccessPoint）的热点设备再通过IEEE802.11a/b/g无线链路与无线终端连接。
WiMAX接入网络可根据实际情况灵活采用PMP或Mesh结构形式。对于移动运营商也可以采用该应用模式，把各小区移动基站业务回传到移动交换中心。
WiMAX热点回传模式的主要特点在于作为业务回传应用，采用无线传输方式，与传统有线回传模式相比，其特点显而易见，可作为传统回传模式的补充或替代方案。
4.终端接入模式
如图4所示，在终端接入模式下，用户终端设备（TE，Terminal Equipment）直接通过作为SAP的WiMAX基站（BS）接入核心网。而用户终端设备（TE）若要直接接入WiMAX网络，则必须配置符合WiMAX标准的用户单元（SU，Subscriber Unit），用户单元（SU）一般是WiMAX无线网卡或无线模块形式。
由于WiMAX接入速率很高，而且支持城域内终端设备的移动性（对于即将颁布的IEEE 802.16e），因此特别适合于接入速率要求高并且有移动性要求的终端应用。
该模式的特点在于允许用户终端直接高速接入网络，并支持便携式终端在城域范围内的移动和漫游。从技术和业务的角度看，只要再增加支持VoIP语音业务功能，就可成为名副其实的下一代移动通信网络。
5.驻地网接入模式
如图5所示，驻地网接入模式主要针对集团用户，其目标是把诸如企业、校园和SOHO（Smalloffice Home Office）等用户驻地网通过WiMAX接入城域网。与其他应用模式相同，基站（BS）还是作为SAP与核心网相连提供无线接入服务。在用户侧，用户无线接入设备SS，其一侧通过无线接口上联基站（BS），另一侧通过标准接口（例如以太网接口、E1等）与用户驻地网CPN设备相连。一般用户站（SS）采用定向天线，以及各种自适应技术，灵活调整工作方式，保证用户的正常接入。
用户侧驻地网CPN设备可以是用户路由器、交换机、集线器等网络设备，甚至可以是另一种无线接入点（例如WiFi热点），用于组成用户专用局域网，其典型实例是目前广泛存在的校园网、企业网、政府网或SOHO等形式。
驻地网接入模式特别适合于线缆接入不方便，对接入带宽要求不高的驻地间接入应用。与线缆接入方式相比，部署快捷是该模式的竞争优势。
6.无线桥接模式
如图6所示，无线桥接模式是一种点到点无线链接方式，与远程网桥的作用相似，其目的是把地理位置分离的两个子网络通过WiMAX无线链路连接在一起。由于无线桥接采用点对点方式，两端WiMAX无线网桥设备天线的方向可以彼此对准固定，因此传输性能相对稳定，部署也相对简单。
显然，采用WiMAX无线桥接方式，可以避免困难的专线铺设或缴纳昂贵的线缆租金，并能迅速开通使用，连接距离远，连接带宽完全能满足一般应用需要。在用户专网建设方面，比有线桥接方式更具竞争力。
四、结论
从网络结构和应用角度看，WiMAX无线接入技术具有无线技术带来的所有优势，同时从技术上看，高效调制技术提高了频谱利用率；QoS机制提高了业务能力；宏小区覆盖方式，特别适合户外应用；并且其以较高的接入速率，克服了无线技术的带宽瓶颈，成为今后线缆传输方式的补充或替代方式。可以预见，随着WiMAX技术的普及，设备成本的下降，其完全可能成为解决信息高速公路“最后一公里”极具竞争力的手段。本文讨论的WiMAX应用模式把网络应用环境与WiMAX特点相结合，既可以满足网络应用需求，又可以充分发挥WiMAX的性能优势，因此，WiMAX应用模式的确定对今后其应用和发展具有现实意义。
近几年IEEE802.16系列宽带无线接入技术标准受到业界的广泛关注，Intel等世界大型电信设备制造商成立了WiMAX论坛旨在协调网络设备的互操作性以及推动WiMAX的发展和普及。 作为定位于户外应用的宽带无线接入技术WiMAX，无论从技术角度上还是从应用角度上看都有着一系列显著的特点。因此，无论对于用户还是对于电信运营商都有着极大的吸引力。
然而，IEEE 802.16系列标准只定义了空中无线接口，这也就为上层应用提供了灵活性。同时，作为解决“最后一公里”问题的无线城域网技术，如何在未来城域网接入应用中与目前广为使用的线缆方式竞争，充分发挥无线方式的特长，这也是一个值得研究的问题。因此，就这个意义而言，确定其具有竞争力的应用模式具有重要价值。在此，首先对WiMAX宽带无线接入的技术以及应用特点进行分析，并以此为依据对其应用模式进行初步的探讨。
二、WiMAX宽带无线接入的特点分析
作为一种户外应用的无线接入方式，WiMAX除了具有一般无线接入所具有的特点外，特别在技术方面还具有一些其他特色。
1.应用特点
首先，作为宽带无线接入应用的WiMAX具有逐步投资和弹性部署的特点，网络运营商可以根据用户容量增长的需要，逐步增加投入，逐步扩容到位，实现基本平坦的成本曲线。其次，网络的规划可以不受地形地貌的限制，部局灵活，同时用户密度较低的地区仍可以较低的成本实现覆盖，减小初期投资的风险。再次，网络部署快速，安装和扩容方便，不需要复杂的网络规划，网络结构灵活，尤其在临时性和突发性应急通信中能发挥巨大作用。最后，作为一种小区半径可达50km，接入速率可达70Mbit/s的宽带无线接入技术，既可作为城域网有线方式的无线延伸，亦可作为线缆方式的替代方案。特别地，对于用户密度或业务量不高且分布分散的地区比线缆方式更具竞争力。
2.物理层特点
WiMAX工作频段可从2-66GHz(对于IEEE802.16标准:2-11GHz;对于IEEE802.16a标准:10-66GHz)，信道带宽可在1.5-20MHz范围内灵活调整，有利于在所分配的信道带宽内充分利用频谱资源。
WiMAX采用宏小区方式，最大覆盖范围达50km，当在20MHz信道带宽时，支持高达70Mbit/s的共享数据传输速率(此时，最大覆盖范围为3-5km)。可采用多扇区技术来提高系统容量，一个扇区可同时支持60多个采用E1/T1的企业用户或数百个家庭用户。
WiMAX采用了OFDM、收/发分集、自适应调制等多种先进技术实现非视距NLOS和阻挡视距ONLOS传输，有效提高了城市内无线传输的效能。
物理层支持TDD/DMTA和FDD/TDMA两种无线双工多址方式，以适应不同国家或地区电信体制要求。支持单载波(SC)、OFDM(256点)、OFDMA(2048点)三种调制方式，可根据需要灵活选择。物理层可以根据传输信道性能变化，动态调整调制方式和物理层参数(例如:调制参数、FEC参数、功率电平、极化方式等)，以保证较好的传输质量。
3.MAC层特点
支持QoS管理，满足对不同业务质量的要求。MAC层根据业务QoS要求和业务参数，以轮询方式请求连接带宽或进行带宽调整，以保证语音和视频等实时业务的低延迟要求。同时，针对无线信道环境下，较高的误码率和丢包率，定义了基于每个应用流的ARQ，保证MAC层业务数据单元MSDU的自动重发，确保端到端包的传输质量。
MAC层具有ATM业务和分组业务汇聚子层CS，能方便地实现与ATM业务或IP业务为特征的网络应用。同时，MAC层具有安全子层，支持MAC层安全机制，实现鉴权、加密等安全管理。
4.业务能力
WiMAX采用面向连接的方式，可以向用户提供具有QoS性能的数据、视频和语音(VoIP)业务。在IEEE802.16标准中，MAC层定义了较为完整的QoS机制，还定义了四种不同的业务，分别为: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)、尽力而为业务(BE)，分别可以用来向用户提供高质量的视频和语音业务、普通质量的视频和语音业务，以及质量无保证的诸如Internet等业务。可以根据业务的实际需要来动态分配带宽，具有较大的灵活性。因此，WiMAX可为不同业务提供不同的服务质量QoS。
5.网络结构特点
支持的点到多点(PMP，PointtoMultipoint)体系结构，可构建以WiMAX基站为中心的星形接入网结构。最新颁布的IEEE802.16a同时也支持网状网Mesh体系结构，该结构中允许多个WiMAX节点采用无线互连方式构建网状网。这意味着可以灵活地拓展接入网的结构，在骨干网覆盖不到的地方，采用WiMAX网状网覆盖，实现城域网的弹性延伸。
三、WiMAX宽带无线接入应用模式
WiMAX的技术特性和应用特点决定了其能适应各种的应用环境，具有不同的应用模式，下面对WiMAX宽带无线接入的应用模式进行初步的分析和探讨。
1.PMP应用模式
如图1所示，PMP应用模式以基站（BS）为核心，采用点到多点的连接方式，构建星形结构的WiMAX接入网络。基站（BS）扮演业务接入点（SAP，ServiceAccessPoint）的角色，通过动态带宽分配技术，基站（BS）可以根据覆盖区用户的情况，灵活选用定向天线、全向天线以及多扇区技术满足大量的用户站（SS，SubscriberStation）设备接入核心网的需求。必要时，可以通过中继站（RS，RepeatStation）扩大无线覆盖范围。还可以根据用户群数量的变化，灵活划分信道带宽，对网络扩容，实现效益与成本的协调。
PMP应用模式是一种常用的接入网应用形式，其特点在于网络结构简洁，应用模式与xDSL等线缆接入形式相似，因此，是一种线缆替代的理想选用方案。
2.Mesh应用模式
如图2所示，Mesh应用模式采用多个基站（BS）以网状网方式扩大无线覆盖区。其中，有一个基站作为业务接入点（SAP）与核心网相连，其余基站（BS）以无线链路与该SAP相连。因此，作为SAP的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点，而其余基站并非简单的中继站（RS）功能，而是业务的接入点。
Mesh应用模式的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸。对于市郊等远离骨干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围，其规摸取决于基站半径、覆盖区大小等因素。
3.热点回传模式
如图3所示，热点回传（backhaul）模式采用WiMAX无线接入网络把远端WiFi热点Hotspot业务回送到核心网，WiMAX基站（BS）的作用仍为业务接入点（SAP），而WiMAX用户站（SS）是热点侧的无线接入设备，提供标准接口与热点相连，作为WLAN接入点（AP，AccessPoint）的热点设备再通过IEEE802.11a/b/g无线链路与无线终端连接。
WiMAX接入网络可根据实际情况灵活采用PMP或Mesh结构形式。对于移动运营商也可以采用该应用模式，把各小区移动基站业务回传到移动交换中心。
WiMAX热点回传模式的主要特点在于作为业务回传应用，采用无线传输方式，与传统有线回传模式相比，其特点显而易见，可作为传统回传模式的补充或替代方案。
4.终端接入模式
如图4所示，在终端接入模式下，用户终端设备（TE，Terminal Equipment）直接通过作为SAP的WiMAX基站（BS）接入核心网。而用户终端设备（TE）若要直接接入WiMAX网络，则必须配置符合WiMAX标准的用户单元（SU，Subscriber Unit），用户单元（SU）一般是WiMAX无线网卡或无线模块形式。
由于WiMAX接入速率很高，而且支持城域内终端设备的移动性（对于即将颁布的IEEE 802.16e），因此特别适合于接入速率要求高并且有移动性要求的终端应用。
该模式的特点在于允许用户终端直接高速接入网络，并支持便携式终端在城域范围内的移动和漫游。从技术和业务的角度看，只要再增加支持VoIP语音业务功能，就可成为名副其实的下一代移动通信网络。
5.驻地网接入模式
如图5所示，驻地网接入模式主要针对集团用户，其目标是把诸如企业、校园和SOHO（Smalloffice Home Office）等用户驻地网通过WiMAX接入城域网。与其他应用模式相同，基站（BS）还是作为SAP与核心网相连提供无线接入服务。在用户侧，用户无线接入设备SS，其一侧通过无线接口上联基站（BS），另一侧通过标准接口（例如以太网接口、E1等）与用户驻地网CPN设备相连。一般用户站（SS）采用定向天线，以及各种自适应技术，灵活调整工作方式，保证用户的正常接入。
用户侧驻地网CPN设备可以是用户路由器、交换机、集线器等网络设备，甚至可以是另一种无线接入点（例如WiFi热点），用于组成用户专用局域网，其典型实例是目前广泛存在的校园网、企业网、政府网或SOHO等形式。
驻地网接入模式特别适合于线缆接入不方便，对接入带宽要求不高的驻地间接入应用。与线缆接入方式相比，部署快捷是该模式的竞争优势。
6.无线桥接模式
如图6所示，无线桥接模式是一种点到点无线链接方式，与远程网桥的作用相似，其目的是把地理位置分离的两个子网络通过WiMAX无线链路连接在一起。由于无线桥接采用点对点方式，两端WiMAX无线网桥设备天线的方向可以彼此对准固定，因此传输性能相对稳定，部署也相对简单。
显然，采用WiMAX无线桥接方式，可以避免困难的专线铺设或缴纳昂贵的线缆租金，并能迅速开通使用，连接距离远，连接带宽完全能满足一般应用需要。在用户专网建设方面，比有线桥接方式更具竞争力。
四、结论
从网络结构和应用角度看，WiMAX无线接入技术具有无线技术带来的所有优势，同时从技术上看，高效调制技术提高了频谱利用率；QoS机制提高了业务能力；宏小区覆盖方式，特别适合户外应用；并且其以较高的接入速率，克服了无线技术的带宽瓶颈，成为今后线缆传输方式的补充或替代方式。可以预见，随着WiMAX技术的普及，设备成本的下降，其完全可能成为解决信息高速公路“最后一公里”极具竞争力的手段。本文讨论的WiMAX应用模式把网络应用环境与WiMAX特点相结合，既可以满足网络应用需求，又可以充分发挥WiMAX的性能优势，因此，WiMAX应用模式的确定对今后其应用和发展具有现实意义。
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