淺談WiMAX技術(shù)及其應(yīng)用

0 引言

　　隨著無(wú)線通信的發(fā)展及用戶需求的變化，固定寬帶接入服務(wù)和移動(dòng)服務(wù)在技術(shù)和業(yè)務(wù)上呈現(xiàn)融合的趨勢(shì)，寬帶移動(dòng)化和移動(dòng)寬帶化逐漸成為這兩個(gè)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

　　在移動(dòng)寬帶化方面，3GPP/3GPP2已經(jīng)制訂了1xEV-DO、HSDPA/HSUPA等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在移動(dòng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在寬帶移動(dòng)化方面，IEEE802工作組先后制訂了WLAN和WiMAX等技術(shù)規(guī)范，沿著固定、游牧/便攜、移動(dòng)這樣的演進(jìn)路線前進(jìn)，其中 WiMAX是寬帶移動(dòng)化的重要里程碑。

1 WiMAX標(biāo)準(zhǔn)

　　WiMAX全稱(chēng)為World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性，是一項(xiàng)基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入城域網(wǎng)技術(shù)（Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network），該標(biāo)準(zhǔn)僅僅制訂了物理層（PHY）和媒質(zhì)接入層（MAC）的規(guī)范，是針對(duì)微波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。

　　WiMAX的基本目標(biāo)是在城域網(wǎng)接入環(huán)境下，確保不同廠商的無(wú)線設(shè)備互連互通，主要用于為家庭、企業(yè)以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供“最后一公里”的高速寬帶接入，以及將來(lái)的個(gè)人移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。

　　目前，業(yè)界關(guān)心最多的是IEEE802.16e，它與802.16前幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的最大區(qū)別在于其對(duì)移動(dòng)性的支持。制訂802.16e標(biāo)準(zhǔn)的目的，是希望能夠提出一種既能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)又使用戶具有移動(dòng)性的寬帶無(wú)線接入解決方案。它在固定的空中接口802.16d的技術(shù)基礎(chǔ)上，增加了切換支持、可節(jié)電的睡眠模式、尋呼以及增強(qiáng)的安全能力等一些重要特性，使得終端的漫游和切換成為可能（見(jiàn)表1）。

　　表1 802.16系列各空中接口標(biāo)準(zhǔn)特征的比較

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2 WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)

　　* OFDM／OFDMA

　　OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它具有較高的頻譜利用率，且在抵抗多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。而OFDMA是利用OFDM的概念實(shí)現(xiàn)上行多址接入，每個(gè)用戶占用不同的子載波，通過(guò)子載波將用戶分開(kāi)。OFDMA允許單個(gè)用戶僅在部分子載波發(fā)送，降低了對(duì)發(fā)送功率的要求。

　　在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)為物理層技術(shù)，主要應(yīng)用的方式有兩種：OFDM物理層和OFDMA物理層。OFDM物理層采用OFDM調(diào)制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產(chǎn)生，為單一用戶并行傳送數(shù)據(jù)流。它支持TDD和FDD雙工方式，上行鏈路采用TDMA多址方式，下行鏈路采用TDM復(fù)用方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS自適應(yīng)天線系統(tǒng)。OFDMA物理層采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD雙工方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS。通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)制及編碼方式以及以不同信號(hào)功率接入不同信道特征的用戶端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過(guò)下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議（MAP）分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。雖然OFDM技術(shù)對(duì)相位噪聲非常敏感，但是標(biāo)準(zhǔn)定義了ScalableFFT，可以根據(jù)不同的無(wú)線環(huán)境選擇不同的調(diào)制方式，以保證系統(tǒng)能夠以高性能的方式工作。

　　* HARQ

　　HARQ（混合自動(dòng)重傳要求）技術(shù)因?yàn)樘岣吡祟l譜效率，所以可以明顯提高系統(tǒng)吞吐量，同時(shí)因?yàn)橹貍骺梢詭?lái)合并增益，所以間接擴(kuò)大了系統(tǒng)的覆蓋范圍。在WiMAX技術(shù)的應(yīng)用條件下（室外遠(yuǎn)距離），無(wú)線信道的衰落現(xiàn)象非常明顯，在質(zhì)量不穩(wěn)定的無(wú)線信道上運(yùn)用TCP、IP協(xié)議，其效率十分低。WiMAX技術(shù)在鏈路層加入了HARQ機(jī)制，減少了到達(dá)網(wǎng)絡(luò)層的信息差錯(cuò)，可大大提高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)吞吐量。

　　在802.16e的協(xié)議中雖然規(guī)定了信道編碼方式有卷積碼（CC）、卷積Turbo碼（CTC）和低密度校驗(yàn)碼（LDPC）編碼，但是對(duì)于HARQ方式，根據(jù)目前的協(xié)議，16e中只支持CC和CTC的HARQ方式。具體規(guī)定為：在16e協(xié)議中，混合自動(dòng)重傳要求（HARQ）方法在MAC部分是可選的。HARQ功能和相關(guān)參數(shù)是在網(wǎng)絡(luò)接入過(guò)程或重新接入過(guò)程中，用消息SBC被確定和協(xié)商的。HARQ是基于每個(gè)連接的，它可以通過(guò)消息DSA／DSC確定每個(gè)服務(wù)流是否有HARQ的功能。{{分頁(yè)}}

　　* AMC

　　AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）在WiMAX的應(yīng)用中有其特有的技術(shù)要求，由于AMC技術(shù)需要根據(jù)信道條件來(lái)判斷將要采用的編碼方案和調(diào)制方案，所以AMC技術(shù)必須根據(jù)WiMAX的技術(shù)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)AMC功能。與CDMA技術(shù)不同的是，由于WiMAX物理層采用的是OFDM技術(shù)，所以時(shí)延擴(kuò)展、多普勒頻移、PAPR值、小區(qū)的干擾等對(duì)于OFDM解調(diào)性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用于調(diào)整系統(tǒng)編碼調(diào)制方式，達(dá)到系統(tǒng)瞬時(shí)最優(yōu)性能。WiMAX標(biāo)準(zhǔn)定義了多種編碼調(diào)制模式，包括卷積編碼、分組Turbo編碼（可選）、卷積Turbo碼（可選）、零咬尾卷積碼（ZeroTailbaitingCC）（可選）和LDPC（可選），并對(duì)應(yīng)不同的碼率，主要有：1／2、3／5、5／8、2／3、3／4、4／5、5／6等碼率。

　　* MIMO

　　MIMO（多進(jìn)多出）是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)主要有兩種表現(xiàn)形式，即空間復(fù)用和空時(shí)編碼。這兩種形式在WiMAX協(xié)議中都得到了應(yīng)用。WiMAX相關(guān)協(xié)議還給出了同時(shí)使用空間復(fù)用和空時(shí)編碼的形式。支持MIMO是協(xié)議中的一種可選方案，結(jié)合自適應(yīng)天線陣（AAS）和MIMO技術(shù)，能顯著提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，可以大大提高覆蓋范圍并增強(qiáng)應(yīng)對(duì)快衰落的能力，使得在不同環(huán)境下能夠獲得最佳的傳播性能。

　　* QoS機(jī)制

　　在WiMAX標(biāo)準(zhǔn)中，MAC層定義了較為完整的QoS機(jī)制。MAC層針對(duì)每個(gè)連接可以分別設(shè)置不同的QoS參數(shù)，包括速率、延時(shí)等指標(biāo)。WiMAX系統(tǒng)所定義的4種調(diào)度類(lèi)型，只針對(duì)上行的業(yè)務(wù)流，分別為非請(qǐng)求的帶寬分配業(yè)務(wù)（UGS.UnsolicitedGrantService）、實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)（rtPS.RealTime Polling Service）、非實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)（nrtPS.Non Real Time Polling Service）、盡力而為業(yè)務(wù)（BE.Best effort）。對(duì)于下行的業(yè)務(wù)流，根據(jù)業(yè)務(wù)流的應(yīng)用類(lèi)型只有QoS參數(shù)的限制（即不同的應(yīng)用類(lèi)型有不同的QoS參數(shù)限制）而沒(méi)有調(diào)度類(lèi)型的約束，因?yàn)橄滦械膸挿峙涫怯?SPAN lang=EN-US>BS中的Buffer中的數(shù)據(jù)觸發(fā)的。這里定義的QoS參數(shù)都是針對(duì)空中接口的，而且是這4種業(yè)務(wù)的必要參數(shù)。

　　* 睡眠模式

　　802.16e協(xié)議為適應(yīng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，增加了終端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于減少MS的能量消耗并降低對(duì)ServingBS空中資源的使用。Sleep模式是MS在預(yù)先協(xié)商的指定周期內(nèi)暫時(shí)中止ServingBS服務(wù)的一種狀態(tài)。從ServingBS的角度觀察，處于這種狀態(tài)下的MS處于不可用（unavailability）狀態(tài)。Idle模式為MS提供了一種比Sleep模式更為省電的工作模式，在進(jìn)入Idle模式后，MS只是在離散的間隔，周期性地接收下行廣播數(shù)據(jù)（包括尋呼消息和MBS業(yè)務(wù)），并且在穿越多個(gè)BS的移動(dòng)過(guò)程中，不需要進(jìn)行切換和網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入的過(guò)程。Idle模式與Sleep模式的區(qū)別在于：Idle模式下MS沒(méi)有任何連接，包括管理連接，而Sleep模式下MS有管理連接，也可能存在業(yè)務(wù)連接；Idle模式下MS跨越BS時(shí)不需要進(jìn)行切換，Sleep模式下MS跨越BS需要進(jìn)行切換，所以Idle模式下MS和基站的開(kāi)銷(xiāo)都比Sleep??；Idle模式下MS定期向系統(tǒng)登記位置，Sleep模式下MS始終和基站保持聯(lián)系，不用登記。{{分頁(yè)}}

　　* 切換技術(shù)

　　802.16e標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種必選的切換模式，在協(xié)議中簡(jiǎn)稱(chēng)為HO（handover），實(shí)際上就是我們通常所說(shuō)的硬切換。除此以外還提供了兩種可選的切換模式：MDHO（宏分集切換）和FBSS（快速BS切換）。移動(dòng)臺(tái)可以通過(guò)當(dāng)前的服務(wù)BS廣播的消息獲得相鄰小區(qū)的信息，或者通過(guò)請(qǐng)求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來(lái)對(duì)鄰近的基站進(jìn)行掃描和測(cè)距的方式獲得相鄰小區(qū)信息，對(duì)其評(píng)估，尋找潛在的目標(biāo)小區(qū)。切換既可以由MS決策發(fā)起也可以由BS決策發(fā)起。在進(jìn)行快速基站切換（FBSS）時(shí)，MS只與AnchorBS進(jìn)行通信；所謂快速是指不用執(zhí)行HO過(guò)程中的步驟就可以完成從一個(gè)AnchorBS到另一個(gè)AnchorBS的切換。支持FBSS對(duì)于MS和BS來(lái)說(shuō)是可選的。進(jìn)行宏分集切換（MDHO）時(shí)，MS可以同時(shí)在多個(gè)BS之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這樣可以獲得分集合并增益以改善信號(hào)質(zhì)量。是否支持MDHO對(duì)于MS和BS來(lái)說(shuō)是可選的。

3 WiMAX的應(yīng)用場(chǎng)景

　　基于以上特點(diǎn)。WiMAX論壇給出了WiMAX技術(shù)的5種應(yīng)用場(chǎng)景定義，即固定、游牧、便攜、簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)。

　　（1）固定應(yīng)用場(chǎng)景：固定接入業(yè)務(wù)是802.16運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中最基本的業(yè)務(wù)模型，包括用戶因特網(wǎng)接入、傳輸承載業(yè)務(wù)及Wi-Fi熱點(diǎn)回程等。

　?。?SPAN lang=EN-US>2）游牧應(yīng)用場(chǎng)景：游牧式業(yè)務(wù)是固定接入方式發(fā)展的下一個(gè)階段。終端可以從不同的接入點(diǎn)接入到一個(gè)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)中；在每次會(huì)話連接中，用戶終端只能進(jìn)行站點(diǎn)式的接入；在兩次不同網(wǎng)絡(luò)的接入中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將不被保留。在游牧式及其以后的應(yīng)用場(chǎng)景中均支持漫游，并應(yīng)具備終端電源管理功能。

　?。?SPAN lang=EN-US>3）便攜應(yīng)用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶可以步行連接到網(wǎng)絡(luò)，除了進(jìn)行小區(qū)切換外，連接不會(huì)發(fā)生中斷。便攜式業(yè)務(wù)在游牧式業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)展，從這個(gè)階段開(kāi)始，終端可以在不同的基站之間進(jìn)行切換。當(dāng)終端靜止不動(dòng)時(shí)，便攜式業(yè)務(wù)的應(yīng)用模型與固定式業(yè)務(wù)和游牧式業(yè)務(wù)相同。當(dāng)終端進(jìn)行切換時(shí)，用戶將經(jīng)歷短時(shí)間（最長(zhǎng)為2s）的業(yè)務(wù)中斷或者感到一些延遲。切換過(guò)程結(jié)束后，TCP/IP應(yīng)用對(duì)當(dāng)前IP地址進(jìn)行刷新，或者重建IP地址。

　?。?SPAN lang=EN-US>4）簡(jiǎn)單移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶在使用寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)中能夠步行、駕駛或者乘坐公共汽車(chē)等，但當(dāng)終端移動(dòng)速度達(dá)到60km/h～120km/h時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速度將有所下降。這是能夠在相鄰基站之間切換的第一個(gè)場(chǎng)景。在切換過(guò)程中，數(shù)據(jù)包的丟失將控制在一定范圍內(nèi)，在最差的情況下，TCP/IP會(huì)話不中斷，但應(yīng)用層業(yè)務(wù)可能有一定的中斷。切換完成后，QoS將重建到初始級(jí)別。簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼模式。移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是移動(dòng)場(chǎng)景（包括簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)）的主要應(yīng)用，包括目前被業(yè)界廣泛看好的移動(dòng)E-mail、流媒體、可視電話、移動(dòng)游戲、移動(dòng)VoIP（MVoIP）等業(yè)務(wù)，同時(shí)它們也是占用無(wú)線資源較多的業(yè)務(wù)。{{分頁(yè)}}

　?。?SPAN lang=EN-US>5）全移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶可以在移動(dòng)速度為120km/h甚至更高的情況下無(wú)中斷地使用寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)，當(dāng)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，用戶終端模塊將處于低功耗模式。

4 寬帶移動(dòng)通信的前景及幾點(diǎn)思考

　　隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，WiFi(無(wú)線局域網(wǎng))，WiMax(無(wú)線城域網(wǎng))，3G(無(wú)線廣域網(wǎng))這三種技術(shù)將為我們隨時(shí)隨地提供高速無(wú)線連接。

　　WiFi技術(shù)可以提供高達(dá)54Mbit/s的無(wú)線接入速度，但是它的傳輸距離十分有限，僅限于半徑約為100米的范圍。3G移動(dòng)電話系統(tǒng)可以提供非常廣闊的傳輸范圍，但是它的接入速度卻相對(duì)緩慢。WiMAX能提供最高接入速度是70Mbit/s，其信號(hào)傳輸半徑可以達(dá)到50公里，剛好彌補(bǔ)了WiFi、3G的不足。在不久的將來(lái)，三者的結(jié)合將會(huì)為我們創(chuàng)造出一個(gè)完美的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

　　筆者一直在無(wú)線電管理部門(mén)工作，考慮到寬帶移動(dòng)通信時(shí)代到來(lái)后，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)寬帶化、頻譜噪聲化、覆蓋無(wú)縫化、臺(tái)站密集化等新情況，那時(shí)的人們不但要求隨時(shí)隨地接入寬帶網(wǎng)絡(luò)，而且對(duì)自身的健康更關(guān)注，對(duì)設(shè)臺(tái)地點(diǎn)的物權(quán)保護(hù)意識(shí)更強(qiáng)。因此，無(wú)線電管理工作者需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　（1）提高對(duì)3000 MHz以上頻段的頻譜監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析的能力。

　?。?SPAN lang=EN-US>2）提高對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行信號(hào)特征分析的能力。

　?。?SPAN lang=EN-US>3）加強(qiáng)對(duì)使用中的各種寬帶接入設(shè)備的發(fā)射指標(biāo)的監(jiān)督檢測(cè)。

　?。?SPAN lang=EN-US>4）建立對(duì)密集設(shè)置的寬帶接入設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射的告警機(jī)制。

　　（5）研究未來(lái)無(wú)線電臺(tái)站址成為緊缺資源時(shí)，對(duì)其如何進(jìn)行規(guī)劃管理的課題。

　　以上幾個(gè)問(wèn)題是擺在無(wú)線電管理者面前的新課題，應(yīng)盡早予以研究，以強(qiáng)有力的技術(shù)管理手段迎接寬帶移動(dòng)通信技術(shù)廣泛應(yīng)用時(shí)代的到來(lái)。