WiMAX寬帶無線接入的頻譜利用及接口分析

文章探討了IEEE 802.16a/d/e WirelessMAN的實現(xiàn)，全球的頻譜管理組織已經(jīng)指定了用于寬帶部署的頻段，包括得到許可的和未得到許可的頻段。在討論功率問題以及未來頻譜分配的同時，本文還討論了射頻前端到基帶(SoC)的接口問題。

就在Wi-Fi無線局域網(wǎng)(WLAN)借助IEEE 802.11標準快速起飛的時候，新近出現(xiàn)的基于IEEE 802.16無線城域網(wǎng)(MAN)標準的MAN也即將快速啟動。就頻譜而言，IEEE 802.16a/d/e WirelessMAN也稱為WiMAX(微波接入的全球互操作性)。盡管802.16x設置了標準化和互操作性規(guī)范，WiMAX論壇，這個全球寬帶無線接入(BWA)產(chǎn)業(yè)協(xié)會提供了質(zhì)量控制和認證以保證成功的標準化部署。WiMAX論壇的首要任務是聯(lián)合全球大量的參與者，包括芯片生產(chǎn)商、軟件開發(fā)商、設備生產(chǎn)商和服務提供商來支持IEEE WirelessMAN/ETSI HyperMAN標準，并保證全球性的兼容性和互操作性，但同時還創(chuàng)建一個競爭性的領域以降低服務提供商和用戶的成本。IEEE 802.16 和 WiMAX將推進BWA以加速成本可接受的全球寬帶網(wǎng)絡部署。

然而，標準化并不意味全球的“一致”以及“所有”已部署的經(jīng)認證的WiMAX設備的自動互操作性。標準定義和建議了媒體訪問控制(MAC)層和物理層(PHY)的關(guān)鍵框架，MAC層根據(jù)標準協(xié)議對原始數(shù)據(jù)進行打包或解包以提供數(shù)據(jù)、語音和視頻， PHY層根據(jù)用戶需求和射頻(RF)連接質(zhì)量處理空中接口和調(diào)制方案。IEEE 802.16標準產(chǎn)生了各種框架，但也允許提供商進行定制以滿足特定的或區(qū)域性的市場需求，或者允許提供商通過增加增值特性來使自己區(qū)別于競爭者。

更甚者，在全球范圍內(nèi)，不同區(qū)域的射頻接口存在變化。在這個方面，頻譜管理者在決定針對不同，甚至有時是競爭業(yè)務的頻譜分配上扮演關(guān)鍵角色，如美國的聯(lián)邦通信委員會(FCC)。通過這些管理者，政府可以使某些與世界其他地方一致或不一致的頻譜為某個指定的業(yè)務所用。對于WiMAX的全球部署來說也是這樣，盡管確實存在一些非常共同的RF問題，但是在頻譜的分配和管理上也存在大量的差異性。

但是，并不僅僅是管理的問題造成在WiMAX無線MAN全球部署上的RF頻段差異性，在一個區(qū)域內(nèi)的服務承載商和無線互聯(lián)網(wǎng)服務提供商(WISP)也具有頻段的選擇問題?？捎玫暮鸵逊峙涞念l譜包括不同的已授權(quán)的和未授權(quán)(免授權(quán))的頻段，業(yè)務承載商可以選擇利用它獲得授權(quán)的頻譜來提供業(yè)務并/或選擇使用未授權(quán)頻譜。大多數(shù)WISP選擇使用未授權(quán)頻譜，因為這些頻譜免費使用，大大降低最終用戶的成本。

圖1：WiMAX用戶站的基本框圖- 不同的RF前端提供頻段靈活性。

WiMAX無線城域網(wǎng)部署的頻譜差異性導致了對具有不同RF的基站(BS)和用戶站(SS)的需求。如圖1中所展示，一個典型的WiMAX SS系統(tǒng)包括一個控制處理器、一個MAC單元、一個基帶處理器(BBP)和一個模擬RF前端，這個RF前端的作用是將802.16x放入到一個授權(quán)的或未授權(quán)的頻段中。設備提供商期望芯片制造商來提供完整的參考設計、材料清單、元件、軟件/固件以及技術(shù)支持，以便他們能快速地生產(chǎn)WiMAX設備以滿足這些RF差異化的市場需求。這種服務于某種特定頻段的接口就是RF前端。

關(guān)注802.16d-提供PMP寬帶網(wǎng)絡連接的超視距點到多點頻譜

得到WiMAX認證的BWA應用包括蜂窩網(wǎng)絡回程(backhauling)、有線和無線LAN回程、無線MAN將BWA帶入到家庭或商業(yè)中，作為DSL或有線接入之外的一個選擇。然而，最大的爆發(fā)性市場增長將在802.16x未來版本解決了便攜性和移動性問題，將BWA直接帶入到終端用戶的時候。這個“最后一英里”必然是利用超視距(NLOS)RF傳播的點對多點的結(jié)構(gòu)。在這個領域，WiMAX網(wǎng)絡將以授權(quán)和免授權(quán)頻段出現(xiàn)在全世界，在很多情況下代替802.16之前的已有業(yè)務。

當前，人們關(guān)注2GHz到6GHz的頻段。這些是已分配的帶寬，相對于10GHz到66GHz的可用帶寬來說很窄。10GHz以下的微波頻段被稱為厘米波段，10GHz以上的為毫米波段。毫米波段具有很寬的信道帶寬，提供很大的數(shù)據(jù)容量，因此通常非常適合非常高數(shù)據(jù)速率視距回程應用(主要管線)，而厘米波段非常適合于多點、超視距、支線和最后一英里分布應用。

IEEE 802.16d支持固定NLOS BWA來替代或作為對DSL和線纜接入在最后一英里的補充，這是WiMAX部署的第一波。進一步，IEEE 802.16e將在2005年被批準，將加入移動和便攜特性以支持像筆記本和PDA在6GHz以下頻率的應用。在這些部署中，授權(quán)和免授權(quán)頻譜都將被利用到。

授權(quán)和免授權(quán)頻譜

圖2顯示了2GHz到6GHz頻率范圍內(nèi)BWA可用的頻段。注意這些頻段是以授權(quán)或免授權(quán)來標示的，授權(quán)頻段是指那些被承運商所有的，它們已經(jīng)為用這些頻段支付費用，免授權(quán)頻段是免費給任何試驗或企業(yè)應用的?；贗EEE 802.11a/b/g的Wi-Fi占用免授權(quán)頻段，盡管在這些頻段中存在相競爭的技術(shù)，但已經(jīng)經(jīng)驗證非常穩(wěn)定。在每個頻段內(nèi)，信道間距相對較窄，因此相對于高頻率的微米波段的信道來說限制了數(shù)據(jù)率。

很多無線ISP尋求利用免授權(quán)頻段，因為這是免費的，不僅節(jié)省局域網(wǎng)絡部署的成本還節(jié)省時間，這同樣也節(jié)省用戶的成本，并提供了DSL和電纜調(diào)制解調(diào)器服務以外的選擇。在美國，免授權(quán)頻段同樣具有吸引力，因為在2GHz-6GHz的頻率范圍內(nèi)沒有多少授權(quán)頻譜可用。另外一方面，擁有授權(quán)頻段的主要承載商可以推銷他們的服務為“商業(yè)級”的服務，因為他們被認為是穩(wěn)定而可靠的，享有主要品牌的聲譽。

頻段分配

3.5GHz -- 3.5GHz頻段是一段已授權(quán)頻譜，在很多歐洲和亞洲國家可以用在BWA上，但在美國卻不行。這個頻段是最擁擠的，代表最大的全球BWA市場，覆蓋了從3.3GHz-3.6GHz的300MHz帶寬，這個頻段為大管線回程到廣域網(wǎng)(WAN)業(yè)務提供了非常大的靈活性。主要的承載商采用這個授權(quán)頻譜可以通過規(guī)模經(jīng)濟和WiMAX設備的低成本為用戶提供具有競爭性的收費。

5GHz U-NII WRC頻段 - 免授權(quán)國家信息基礎設施(U-NII)頻段擁有三個主要的頻段：低和中U-NII頻段(5,150-5,350)(802.11a)、WRC(新)(5,470-5,725)以及上端U-NII / ISM頻段(5,725-5,850)。Wi-Fi存在于低和中U-NII頻段，這已經(jīng)得到證實可以適用于BWA。很多重疊的5GHz頻段標志著BWA在全球的增長。最新分配的世界無線電大會(WRC) 5,470-5,725MHz頻段大大增加了免授權(quán)頻段帶寬。大多數(shù)WiMAX運行在U-NII 5,725-5,850MHz頻段的上端，因為在這個頻段很少有競爭性業(yè)務和干擾，也就是Wi-Fi和室外功率允許在2到4瓦的范圍，而在低和中U-NII頻段的功率只有1W。分析家和商業(yè)人士認為WiMAX在免授權(quán)頻率內(nèi)將有強勁的增長。

WCS - 兩個無線通信業(yè)務(WCS)頻段是兩個15MHz的頻率片斷，分別為2,305MHz到2,320MHz和2,345MHz到2,360MHz。兩者之間的25MHz頻率間隙分配用來作為數(shù)字音頻無線業(yè)務(DARS)，這產(chǎn)生了由DARS地面中繼器導致的潛在干擾問題。在這些頻段的成功部署將要求非常高的頻率效率，例如Wi-Fi和WiMAX都采用正交頻分復用(OFDM)。

圖2：2GHz到6GHz厘米波段可以用在BWA。

2.4GHz ISM - 2.4GHz工業(yè)、科技和醫(yī)學(ISM)頻段為免授權(quán)的，為BWA的部署提供了大約80MHz的帶寬。當前的Wi-Fi就存在于這個頻段，已經(jīng)證明能為WLAN提供穩(wěn)定的服務。未來規(guī)定可以互操作的MAC和BBP要求的WiMAX類(profile)將同時帶來這兩種業(yè)務，為用戶提供大范圍移動性的互補操作。

MMDS - 多信道多點分配業(yè)務(MMDS)頻譜包括在2,500MHz到2,690MHz范圍內(nèi)，間距為6MHz的31個信道，還包括教學電視固定服務(ITFS)。由于最初用作教育電視的目的，這個頻譜沒有得到充分的利用，美國FCC已經(jīng)將這個頻譜分配給BWA業(yè)務。BWA提供商通過FCC的拍賣和/或者向ITFS租用信道來獲得對這個頻譜的利用。在美國，Sprint和Nextel是這里主要的頻譜擁有者。分析家希望在未來的若干年內(nèi)，在這個頻段內(nèi)BWA市場有很大的增長。

由于高增長和應用的潛力，WiMAX論壇專注于其初始的MMDS的類建立和認證工作，3.5GHz已授權(quán)頻段和免授權(quán)U-NII 5GHz頻段較少干擾，能提供合理的功率水平以及足夠的帶寬。這有助于保證全球WiMAX BWA業(yè)務的高增長率，因為這些頻段代表著最大的潛在市場，而且由于規(guī)模經(jīng)濟而可以實現(xiàn)較低的成本。

發(fā)射和接收信號強度

發(fā)射和接收信號的功率水平和功率控制對于任何WiMAX中的系統(tǒng)效率來說都非常的重要，功率水平必須得到有效管理以保證穩(wěn)定的通信和減少潛在的干擾。此外，根據(jù)每個用戶的情況進行功率水平動態(tài)控制，決定于用戶的規(guī)格、到BS的距離。

正如WiMAX標準中所規(guī)定，2GHz到11GHz的厘米波段的接收功率水平是相同的。接收器必須能準確地解碼最低信道功率為-30dBm(1uW)的信號，并能承受0dBm(1mW)的強信號，而且不損壞前端電路。此外，Rx應該能夠提供最低60dB的鏡像抑制。WiMAX標準規(guī)定“鏡像抑制要求必須包含于產(chǎn)生在接收器射頻和其后的中頻的所有鏡像條件中”。堅持這些要求將保證在近距離和遠距離條件下可靠地工作。

傳輸要求

不利用子信道(單一載波)的用戶站必須提供30dB范圍的功率控制。對于利用子信道的SS(OFDM)(這種SS將包括所有2GHz到11GHz的經(jīng)認證的WiMAX SS)，發(fā)射器必須具有50dB的動態(tài)功率控制，控制步進不小于1-dB。功率控制精確度必須在高達30 dB范圍內(nèi)達到+/-1.5dB以內(nèi)，或者在30dB以上達到+/-3dB。

對于BS發(fā)射器，輸出功率電平控制必須不低于10dB。實際的發(fā)射功率取決于用戶的距離、傳輸特性、信道帶寬和調(diào)制方案(BPSK、QPSK、16QAM、64QAM)。BPSK是數(shù)據(jù)效率最低的調(diào)制方法，在SS與BS之間距離很遠的情況下采用，因此需要更高的發(fā)射功率。而64QAM提供非常高的數(shù)據(jù)效率(每個符號的位數(shù))，當SS與BS的距離相對較近的時候采用，因此需要較低發(fā)射功率。

SoC與RF接口

參照圖1，RF前端與SoC之間的接口涉及到用于處理操作和發(fā)射器和接收器的內(nèi)部管理功能，以及I/Q信號到A/D和D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接口控制信號。調(diào)制器電路發(fā)送到SoC的接收數(shù)據(jù)應該是差分的“I”和 “Q”信號。可以在接收端采用衰減器來處理校準和增益控制，以保證最大的位利用率、轉(zhuǎn)換效率以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換效率。

WiMAX未來的頻譜

當前全球在進行WiMAX和其他類似寬帶無線接入業(yè)務部署時，正在考慮額外的頻段。在日本，2007年后將用到4.9GHz-5.0GHz的頻段，同時也在考慮將來采用5.47GHz-5.725GHz頻段。前者在BS部署時需要得到授權(quán)，將支持5MHz、10MHz和20MHz帶寬，而后者有可能不需要授權(quán)，可能支持20MHz帶寬。

北美市場正顯示出在4.9GHz寬頻公共安全頻段部署WiMAX的興趣。甚至有興趣使用得到授權(quán)的800MHz和免授權(quán)的915MHz ISM頻段作為WiMAX和類似業(yè)務的部署。WiMAX標準將使期待已久的能滿足用戶移動性、語音服務和高數(shù)據(jù)速率應用的頻譜效率和吞吐量得以實現(xiàn)。由于其超視距特性，因此可以允許更多用戶接入，實現(xiàn)更低的部署成本、更大的容量，以及因為標準化和互操作性帶來的低CPE成本而滲透到大眾消費市場。更不用說，它是寬帶移動性實現(xiàn)的無障礙途徑，將成為“4G”的基礎，提供真正的自由移動性。