淺析移動WiMAX技術的特點與應用

　　1、WiMAX簡介

　　WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)基于IEEE 802.16標準，它正迅速發(fā)展并將在無線城域網中扮演重要角色。WiMAX技術作為世界無線通信協(xié)議家庭中的重要一員，在整個無線通信標準中所處位置如圖1所示。

　　圖1　全球不同覆蓋范圍的主要無線通信標準

　　WiMAX支持非視距傳播條件下的無線寬帶接入，它致力于為無線網絡提供低時延、高質量的語音和數據服務。近兩年來，WiMAX技術正在迅速發(fā)展，其發(fā)展進程如圖2所示。

　　圖2　WiMAX技術發(fā)展的時間表

　　從2001年10月IEEE制定第一個版本的802.16標準到2004年6月的802.16d(現稱為IEEE802.16-2004)均為固定的無線接入方式，不支持移動性。直到2005年底IEEE發(fā)布802.16e標準，WiMAX才擁有性能比較好的移動性，移動WiMAX也因此引起了更多制造商和運營商的興趣和關注。

　　2、移動WiMAX技術的特點

　　2.1　移動WiMAX技術物理層特點

　　為了使移動WiMAX技術具有更好的性能和更廣闊的應用前景，其物理層設計頗具特點，其主要特點具體如下：

　　(1)所使用的頻段

　　IEEE 802.16d所推薦使用的頻段是2～11 GHz，它綜合考慮了世界無線電頻譜占用情況和移動及非視距傳播需求，802.16e為了支持移動性推薦其頻率范圍為6GHz以下。鑒于我國2-6GHz 頻率的使用情況，移動WiMAX使用3.3GHz和3.5GHz的可能性較大，不過國家無線電管理部門還未正式對其分配頻段。

　　(2)OFDM/OFDMA

　　OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交頻分復用技術是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術，適合在多徑衰落和多普勒頻移的無線信道中傳輸高速數據，它將是以后4G 中的核心技術之一。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內轉換為平坦信道，減小了多徑衰落的影響。

　　在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM技術為物理層技術，主要應用的方式有兩種，即OFDM物理層和OFDMA物理層。WiMAX的OFDM物理層采用 OFDM調制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產生，為單一用戶并行傳送數據流。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復用方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS自適應天線系統(tǒng)。

　　WiMAX的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。OFDMA系統(tǒng)可以支持長度為2048，1024，512和128的FFT點數，通常向下數據流被分為邏輯數據流。這些數據流可以采用不同的調制及編碼方式以及以不同信號功率接入不同信道特征的用戶端。向上數據流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質接入協(xié)議(MAP)分配子信道傳輸上行數據流。

　　2.2　移動WiMAX技術接入層特點

　　IEEE 802.16標準可以在同一信道中支持視頻、音頻數據流，同時支持突發(fā)性的高速率數據需求。MAC算法分配給單個終端用戶的資源可以從一個時隙到整個幀，這樣在任何時間都可以根據需求向某一個特定的用戶終端提供動態(tài)范圍非常大的吞吐量。

　　移動WiMAX接入層的特點主要表現在以下3個方面：

　　(1)QoS

　　在不對稱的上下行容量、良好的資源劃分方式和靈活的資源分配機制下，移動WiMAX可以提供有QoS保障的數據服務和應用。移動WiMAX根據需求不同提供不同QoS的服務，詳細情況參見表1。

　　表1　移動WiMAX技術的QoS服務及其應用場合

　　(2)移動性管理

　　對于移動通信而言，電池的壽命和越區(qū)切換是兩個關鍵的因素。移動WiMAX在這兩方面都做了精心設計。

　　首先，移動WiMAX有良好的功率管理機制。移動WiMAX技術支持睡眠和空閑兩種省電模式：睡眠模式在移動臺與基站失去聯(lián)系的情況下啟用，在睡眠模式下移動臺的功率和對基站空中接口資源地使用都將最小化;空閑模式是指在移動臺穿越被多個基站重疊覆蓋的區(qū)域時周期性的接收廣播信道的消息而不在某個基站進行注冊，這樣對于移動臺可以避免進行頻繁越區(qū)切換而對于基站可以減少空中接口資源和越區(qū)切換通信量。

　　其次，IEEE 802.16e定義了3種越區(qū)切換方式，即硬切換、快速BS切換和宏分集切換。其中，硬切換是必須支持的切換方式，快速BS切換和宏分集切換是兩種可選的模式。移動臺可以通過當前的服務BS廣播的消息獲得相鄰小區(qū)的信息，或者通過請求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來對鄰近的基站進行掃描和測距的方式獲得相鄰小區(qū)信息，對其評估，尋找 潛在的目標小區(qū)。切換既可以由MS決策發(fā)起，也可以由BS決策發(fā)起。在進行快速基站切換(FBSS)時，MS只與 AnchorBS進行通信。所謂快速是指不用執(zhí)行HO過程中的步驟就可以完成從一個AnchorBS到另一個AnchorBS的切換。支持FBSS對于 MS和BS來說是可選的。進行宏分集切換(MDHO)時，MS可以同時在多個BS之間發(fā)送和接收數據，這樣可以獲得分集合并增益以改善信號質量。支持 MDHO對于MS和BS來說是可選的。

　　(3)安全性

　　移動WiMAX使用了當今最為先進的安全性技術，因此它的安全性能也十分突出，它主要使用的技術包括以下幾個方面：

　　●碼字管理協(xié)議版本2(Privacy and Key Management Protocol)是IEEE 802.16e加密的基礎，其它諸如通信量加密編碼、切換鍵交換以及多播和廣播安全信息等加密措施均以它為基石。

　　●用戶和設備鑒權：移動WiMAX使用了IETF EAP協(xié)議來提供基于SIM卡、數字認證、用戶名/密碼等多種用戶和設備鑒權方式。

　　●通信量加密編碼：AES-CCM可以在移動WiMAX的MAC層接口保護所有的用戶數據。EAP鑒權系統(tǒng)產生碼字來開啟密碼。通信量加密編碼有周期性的碼字更新機制，系統(tǒng)能持續(xù)不斷地轉換碼字從而更加提高了系統(tǒng)的安全性。

　　●消息控制協(xié)議：通過基于CMAC的AES或是基于MD5的HMAC算法控制數據。

　　●快速切換支持：移動WiMAX支持3種握手算法來優(yōu)化重新驗證機制以達到支持快速切換的目的。

　　3、移動WiMAX與3G性能比較

　　3.1　移動WiMAX與3G系統(tǒng)參數的比較

　　1x EV DO和HSDPA/HSUPA是主流3G標準的演進方向，它們最初構想是以移動語音業(yè)務為主要的網絡提供數據服務。1x EV DO和HSPDA/HSPA在繼承3G標準優(yōu)點的同時也受到3G標準局限性的限制。而WiMAX最初是為固定寬帶無線接入和最優(yōu)化的寬帶數據服務而發(fā)展的，正因為如此WiMAX也曾面臨著不斷增加移動性需求的挑戰(zhàn)。表2對1x EV DO，HSPDA/HSPA以及移動WiMAX系統(tǒng)參數進行了比較。

　　表2　移動WiMAX和3G標準系統(tǒng)參數的比較

　　3.2　抗多徑干擾和自干擾性能的比較

　　在OFDMA系統(tǒng)中，子信道在循環(huán)前綴窗中保持了正交性，可以有效降低碼間干擾，因此多徑信號的數量不會影響系統(tǒng)的性能。

　　在CDMA系統(tǒng)中，通常使用RAKE接收機來抗多徑衰落。除了多徑衰落以外，頻點偏移、多普勒效應等都會使CDMA系統(tǒng)受到小區(qū)內其它用戶的干擾甚至是自干擾。這些干擾可以通過時域均衡器加以減弱，但CDMA系統(tǒng)不可能像OFDMA系統(tǒng)那樣完全消除這些干擾。因此，在無線通信系統(tǒng)多徑干擾十分普遍的情況下，OFDMA系統(tǒng)比CDMA系統(tǒng)具有更好的健壯性和更低的復雜性。

　　3.3　頻譜利用率的比較

　　當今世界無線頻率無疑是非常寶貴的資源，3G標準和WiMAX技術都十分關注本系統(tǒng)的頻譜利用效率，它們都使用了頻率重用技術。為了更為直觀地比較移動WiMAX，1x EV DO和HSDPA頻譜利用率，可作以下幾點假設：第一，所有系統(tǒng)每個群只有1個基站，只有1個頻率需要被重用，每個基站有3個扇區(qū);第二，每個扇區(qū)所有的通信量由10個活躍用戶模擬;第三，假設移動WiMAX采用2×2的MIMO配置。以這幾點假設為前提，WiMAX的仿真結果如表3所示。

　　表3　移動WiMAX與3G標準頻譜利用率的比較

　　4、WiMAX技術的機遇與挑戰(zhàn)

　　4.1　WiMAX技術的應用

　　IEEE 802.16建議的WiMAX技術的應用主要有以下4種：

　　(1)終端接入：在終端接入模式下，用戶終端設備直接通過作為SAP的WiMAX基站接入核心網。這種應用用戶需要配備WiMAX無線網卡。

　　(2)小區(qū)回程：WiMAX也可以作為基站和BSC，BSC和MSC之間的通信連接手段。

　　(3)企業(yè)網互聯(lián)：WiMAX也可以充當將企業(yè)網、校園網等局域網接入到城域網的手段。

　　(4)無線網橋：WiMAX提供點到點無線鏈接，與網橋的作用相似，其目的是把地理位置分離的兩個子網絡通過WiMAX無線鏈路連接在一起。

　　筆者認為，在無線寬帶接入需求日益增長的環(huán)境中第一種應用將最具市場活力，但與3G的應用有些沖突。剩余的幾種應用方式本質上是將WiMAX作為一種無線傳輸手段。在這種應用方面3.5G技術雖然已經商用，但3.5G技術出現了“拍熱用冷”的局面，其商用程度并不理想。WiMAX技術的初期市場主要在后面幾種應用。

　　4.2　WiMAX技術的機遇與挑戰(zhàn)

　　每一種新技術的出現都是機遇與挑戰(zhàn)并存的，WiMAX技術也一樣存在著機遇和挑戰(zhàn)。

　　如上 文所述的WiMAX技術的應用方式從全球來講均有其對應的市場空間，無論是已經形成較為完整網絡的老牌運營商，還是剛進入移動通信市場的新興運營商，都對WiMAX技術有較大的興趣。

　　移動WiMAX技術在諸如雙工方式、智能天線技術等許多技術層面與我國的TD-SCDMA標準有不少相似之處。相對于其它兩種主流3G標準來講，移動WiMAX技術與我國TD-SCDMA技術的結合是最佳“結合點”，我國的TD-SCDMA的發(fā)展也將為其提供發(fā)展的契機。

　　相對于其它無線通信產品的互通性測試所需時間往往高于最初的期望，由圖2可以看到WiMAX技術的發(fā)展過程中十分注重產品的兼容性和互通性測試，這樣使企業(yè)的投資風險明顯的降低，有利于吸引更多的企業(yè)投資WiMAX技術的研發(fā)工作。WiMAX技術已經得到許多大型通信企業(yè)的關注，通過共同參與標準的制定，有更多的企業(yè)進入了這個市場。同時，有更多的企業(yè)參與競爭最終將使產品更為廉價。

　　當然，WiMAX技術面臨的挑戰(zhàn)也不少。筆者認為它所面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點：

　　首先，最為吸引運營商目光的移動WiMAX標準已于2005年底發(fā)布，其實驗室驗證于2006年底完成，商用化產品至少要到2008年年初才能投向市場。這段時間正處于中國3G牌照發(fā)放的敏感時期，國家政策對我國WiMAX技術發(fā)展的影響是決定性的。

　　其次，根據無線電波的傳播模型，在700/800MHz頻率上的有效小區(qū)半徑是1.9GHz頻率上的約兩倍。同理，2.5～3.5GHz的有效小區(qū)半徑是700/800MHz的1/8～1/4，也就是使用3.5G頻率的WiMAX系統(tǒng)在以覆蓋為目的的初期網絡建設中，所需基站數量要遠多于GSM 系統(tǒng)。這對于運營商初期的設備和基站土建投資是一個考驗。

　　第三，業(yè)界認為移動WiMAX技術不可能完全取代3G，3G的建設不會因為WiMAX技術的出現而停止。能否與3G做到良好的互補，能否找到真正可行的運營模式都直接影響著移動WiMAX技術能否良好發(fā)展。

　　第四，國家至今還沒有為WiMAX劃定其所使用的頻段，能否擁有統(tǒng)一的頻段也是影響移動WiMAX技術能否良好發(fā)展的一個重要因素。

　　5、結束語

　　從2001年WiMAX論壇建立到現在已5年有余，圍繞著WiMAX展開的爭論從來就沒有停止過。從技術上講，WiMAX使用了OFDMA和 MIMO較為領先的技術，但技術的先進并不能決定一種技術是否能得到推廣。在我國，3G建設形勢還不明朗的現在，WiMAX技術在擁有巨大商機的同時也面臨著不小的挑戰(zhàn)，我國3G的相關政策、移動WiMAX技術商用化的進程、移動WiMAX技術與3G，技術融合的成功與否都對WiMAX技術的發(fā)展有著重要的影響。