WiMAX技術(shù)——實現(xiàn)無線寬帶業(yè)務承諾

技術(shù)規(guī)范解讀

IEEE 802.16標準規(guī)定了一個包含兩個核心組件的系統(tǒng)：用戶站點（SS）或用戶端設備（CPE）和基站（BS）。一個基站和一個或多個用戶站點可以構(gòu)成一個點到多點（P2MP）結(jié)構(gòu)的小區(qū)。在無線通信過程中，基站控制小區(qū)內(nèi)部的所有通信活動，包括任何用戶站點接入無線通信網(wǎng)絡、指配相應的服務質(zhì)量（QoS）等級和根據(jù)網(wǎng)絡安全機制管理網(wǎng)絡。

利用多個基站，可以配置一個無線通信網(wǎng)絡。采用正交頻分復用（OFDM）技術(shù)，這個小區(qū)的覆蓋范

802.16 MAC協(xié)議是專門針對P2MP無線接入環(huán)境而設計的，可以支持諸如ATM、以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）等傳輸協(xié)議，并且可以通過特定的匯聚層（如圖1所示），適應未來的技術(shù)發(fā)展。MAC層還可以利用物理層來實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)吞吐量，同時提供符合ATM標準的服務質(zhì)量（QoS），如UGS、rtPS、nrtPS和盡高帶寬（BE）（如圖2所示）。

在802.16網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)中，可以根據(jù)鏈路狀況，向用戶終端動態(tài)分配上行和下行突發(fā)配置，從而實時地為用戶終端折衷選擇通信容量和強健性。此外，相比于非自適應系統(tǒng)，802.16網(wǎng)絡實現(xiàn)了2倍（平均值）的通信容量。

802.16 MAC采用了一個可變長度協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）和其他創(chuàng)新概念，顯著提高了網(wǎng)絡效率。例如，可以將多個MAC PDU并置到一個SINGLE BURST（單次突發(fā)中），從而節(jié)省物理層（PHY）開銷。也可以將多個業(yè)務數(shù)據(jù)單元（SDU）并置到一個MAC PDU中，以節(jié)省MAC報頭開銷。通過數(shù)據(jù)包分段，可以利用多個幀來發(fā)送很大的SDU，確保服務質(zhì)量。此外，可以利用有效負載報頭壓縮，降低SDU報頭冗余造成的開銷。

802.16 MAC協(xié)議采用自矯正帶寬請求/授予機制，消除了確認延遲，并且實現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)確認機制的服務質(zhì)量。取決于各種業(yè)務的服務質(zhì)量和流量參數(shù)，用戶終端可以選擇請求不同的帶寬。

　　圖1——802.16協(xié)議堆棧

　　圖2——各類業(yè)務的服務質(zhì)量等級

802.16協(xié)議中的保密層采用了與DOCSIS標準相同的模型。利用密碼塊鏈接（CBC）模型中實現(xiàn)的數(shù)據(jù)加密標準（DES），加密需要傳輸?shù)挠行ж撦d和輔助管理連接。利用個人知識管理（PKM）協(xié)議，對用戶站點進行基于認證的鑒權(quán)。利用RSA公共密鑰方法和x.509認證，在基站和用戶站點之間傳遞密鑰。

任何SS器件接入網(wǎng)絡都要執(zhí)行一系列任務，以進行鑒別和同步基站和用戶站點。當基站下行信號實現(xiàn)同步后，上行信道描述符（UCD）將提供定時參數(shù)和初始測距連接時隙數(shù)據(jù)。在用戶站點測距的過程中，基站將在用戶站點登錄后，為協(xié)商性能分配各種管理消息。利用PKM，可以為鑒權(quán)建立一個安全的輔助管理連接?，F(xiàn)在，這個系統(tǒng)可以部署各種MAC業(yè)務，通過采用各種IP協(xié)議的用戶連接進行通信。通過常規(guī)測距和信道狀況監(jiān)視，管理信道資源。

服務質(zhì)量（QoS）和信道資源調(diào)度

WiMAX標準包括許多值得關(guān)注的特性，其中之一就是能夠?qū)崿F(xiàn)很高的服務質(zhì)量和支持信道資源調(diào)度。對于服務提供商而言，這些特性尤為重要，因為這些特性能夠最大限度地提高無線信道利用率和系統(tǒng)吞吐量，并且能夠確保達到服務級別協(xié)議（SLA）中規(guī)定的要求（如圖3所示）。

          圖3——802.16標準中規(guī)定的數(shù)據(jù)包調(diào)度，實現(xiàn)了資源最大化。

基于MAC實現(xiàn)的基礎設施能夠支持各種業(yè)務類型。各個用戶站點和基站之間的帶寬請求和授予機制則實現(xiàn)了服務質(zhì)量特性。當前的服務質(zhì)量機制主要包含四種業(yè)務：UGS（主動授予業(yè)務）、rtPS（實時輪詢業(yè)務）、nrtPS（非實時輪詢業(yè)務）和BE（盡高帶寬業(yè)務），可以為視頻、音頻和數(shù)據(jù)業(yè)務等提供其需要的服務質(zhì)量等級。由數(shù)據(jù)包調(diào)度程序(Packet Scheduler)負責為一個用戶的各種不同業(yè)務類型調(diào)度相應的資源。也就是說，到達用戶實現(xiàn)SLA的要求?？梢詫⒂脩魟澐譃楦鞣N不同的優(yōu)先級，如標準和高級（如圖4所示）。

在IEEE 802.16-2005系統(tǒng)中管理移動性

IEEE 802.16-2005系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要求就是在高速移動中實現(xiàn)越區(qū)切換并且保持很低的丟包率。雖然大多數(shù)越區(qū)切換都可以通過軟件來完成，但是，要實現(xiàn)高性能越區(qū)切換就必須由硬件來執(zhí)行部分處理任務。

為了識別相鄰網(wǎng)絡并確定該網(wǎng)絡相對于相關(guān)移動終端（MSS）的特性，基站將定期廣播一條相鄰節(jié)點通告管理消息。所有MSS都要掃描相鄰的基站，并測量信號強度，然后通過執(zhí)行測距和相關(guān)步驟，選擇適當?shù)南噜徎荆瑴蕚溥M行越區(qū)切換。

越區(qū)切換的性能主要體現(xiàn)在用戶從一個小區(qū)進入另一個小區(qū)時的鑒權(quán)速度。區(qū)別在于是否能夠快速適應在移動中不斷變化的服務質(zhì)量要求。MSS可以是固定的，也可以是移動的，服務質(zhì)量配置也可以變化。SLA甚至可以針對移動用戶終端和固定用戶終端采用不同的策略。

　　圖4——數(shù)據(jù)包調(diào)度程序的功能及其為不同用戶類型調(diào)度相應的資源

分配子信道，實現(xiàn)MAC層/物理層交互

隨著用戶數(shù)量日益增加，多徑衰落和路徑損耗變得更加顯著?；谡活l分復用（OFDM）技術(shù)的正交頻分復用多址（OF

雖然關(guān)于WiMAX標準及其相對于傳統(tǒng)無線通信標準的優(yōu)越性的討論始終沸沸揚揚，但是，當前的發(fā)展趨勢表明，WiMAX標準非常適于在無線通信網(wǎng)絡上實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務。

伸縮自如的OFDMA

IEEE 802.16無線城域網(wǎng)標準中的OFDMA物理層模型提出了“靈活伸縮性”這個概念。一個伸縮自如的物理層允許基于標準的解決方案在從1.25MHz至20 MHz的信道帶寬上，以固定的副載波間隔，向固定用戶終端和便攜式/移動用戶終端，提供最優(yōu)網(wǎng)絡性能，并且保持很低的系統(tǒng)成本。這種靈活伸縮性主要歸功于每個信道帶寬具備不同的FFT樣本數(shù)的子信道結(jié)構(gòu)。

WiMAX技術(shù)規(guī)范還支持高級調(diào)制和編碼（AMC）子信道、混合自動重復請求（HARQ）、高效率上行子信道結(jié)構(gòu)、多入多出（MIMO）、覆蓋增強安全信道、不同的副載波分配技術(shù)和多樣化機制。WiMAX MAC層利用CQI和HARQ請求的反饋信息，實現(xiàn)了靈活伸縮性。

實現(xiàn)WiMAX系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)

在實現(xiàn)WiMAX系統(tǒng)時，面臨的最為嚴峻的挑戰(zhàn)大概是確定處理器應當執(zhí)行哪些任務以及硬件或者更確切的說，基于FPGA的加速器應當執(zhí)行哪些任務。確定這種硬件和軟件分工的關(guān)鍵是找到系統(tǒng)性能和處理要求以及產(chǎn)品上市速度之間的最佳平衡點。取決于實現(xiàn)這種折衷的方式，可以產(chǎn)生不同的用戶端設備和基站實現(xiàn)。

WiMAX用戶端設備必須采用一個處理器，并且借助硬件加速器，實現(xiàn)諸如循環(huán)冗余碼校驗（CRC）和加密/解密等比較低級的MAC功能。另一方面，基站則需要從比較低級的MAC加速器，升級為通過慢速通道/快速通道處理數(shù)據(jù)包。要在硬件中實現(xiàn)這個功能，基站的MAC層利用處理器（FPGA上的嵌入式處理器或外接處理器）實現(xiàn)了速度較慢的管理和控制功能，同時利用支持硬件加速的FPGA邏輯結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了速度較快的數(shù)據(jù)通道功能。

MAC層實現(xiàn)的關(guān)鍵在于利用適當?shù)年犃泻驼{(diào)度機制，實現(xiàn)處理“三網(wǎng)融合”的語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務。雖然IEEE 802.16標準對此類功能做出了明確規(guī)定，但是各種競爭性解決方案實現(xiàn)這種特性的具體方式卻各不相同,有了Xilinx? FPGA，設備制造商可以針對這個要求苛刻的系統(tǒng)設計領域，提供靈活的平臺，開發(fā)、實現(xiàn)新的MAC層功能。

最新推出的Virtex-4 FX平臺FPGA包含了一個短時延輔助處理器接口（APU）。通過這個接口，可以將自定義指令整合到軟件代碼中，再通過執(zhí)行這些指令，改變邏輯結(jié)構(gòu)，從而簡化了硬件/軟件劃分過程。

Xilinx平臺FPGA還可以支持諸如高性能前向糾錯（FEC）等先進的數(shù)字信號處理（DSP）功能，有助于實現(xiàn)高級功能和產(chǎn)品差異化。得益于Xilinx推出的包含在低成本W(wǎng)iMAX FEC包中的優(yōu)化Turbo Convolutional編解碼器，系統(tǒng)設計師可以快速部署這些高效率的FPGA核心，在WiMAX基帶芯片中實現(xiàn)靈活的FEC解決方案。

當然，WiMAX基站設計還包含許多其他方面，Xilinx技術(shù)也可以有所貢獻，但限于篇幅，本文暫不討論。目前，Xilinx器件通常用于實現(xiàn)射頻卡中的高級DSP糾錯算法，以及振幅因素縮小（CFR）、數(shù)字預矯正（DPD）和數(shù)字上變頻器（DUC）和數(shù)字下變頻器（DDC）等應用。通過以數(shù)字化方式矯正功率放大器（PA）的特性，可以利用更加經(jīng)濟劃算的模擬射頻電路，從而節(jié)省大量元件成本，并大幅降低基站的總成本。關(guān)于這方面的詳細信息，請登錄：www.xilinx.com/cn/esp/wireless。 

結(jié)束語

雖然關(guān)于WiMAX標準及其相對于傳統(tǒng)無線通信標準的優(yōu)越性的討論始終沸沸揚揚，但是，當前的發(fā)展趨勢表明，WiMAX標準非常適于在無線通信網(wǎng)絡上實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務。早在WiMAX標準化進程的最初階段，Xilinx就已積極參與其中。我們的產(chǎn)品擁有獨特的特性組合，能夠幫助我們的客戶迅速推出WiMAX產(chǎn)品，占領市場先機。