淺談WiMAX技術及其應用

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作者：時間：2008-01-17 來源：中國聯(lián)通網(wǎng)站

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0 引言

　　隨著無線通信的發(fā)展及用戶需求的變化，固定寬帶接入服務和移動服務在技術和業(yè)務上呈現(xiàn)融合的趨勢，寬帶移動化和移動寬帶化逐漸成為這兩個領域技術發(fā)展的趨勢。

　　在移動寬帶化方面，3GPP/3GPP2已經(jīng)制訂了1xEV-DO、HSDPA/HSUPA等技術標準，在移動環(huán)境下實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在寬帶移動化方面，IEEE802工作組先后制訂了WLAN和WiMAX等技術規(guī)范，沿著固定、游牧/便攜、移動這樣的演進路線前進，其中 WiMAX是寬帶移動化的重要里程碑。

1 WiMAX標準

　　WiMAX全稱為World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性，是一項基于IEEE 802.16標準的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術（Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network），該標準僅僅制訂了物理層（PHY）和媒質接入層（MAC）的規(guī)范，是針對微波頻段提出的一種新的空中接口標準。

　　WiMAX的基本目標是在城域網(wǎng)接入環(huán)境下，確保不同廠商的無線設備互連互通，主要用于為家庭、企業(yè)以及移動通信網(wǎng)絡提供“最后一公里”的高速寬帶接入，以及將來的個人移動通信業(yè)務。

　　目前，業(yè)界關心最多的是IEEE802.16e，它與802.16前幾個標準的最大區(qū)別在于其對移動性的支持。制訂802.16e標準的目的，是希望能夠提出一種既能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務又使用戶具有移動性的寬帶無線接入解決方案。它在固定的空中接口802.16d的技術基礎上，增加了切換支持、可節(jié)電的睡眠模式、尋呼以及增強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（見表1）。

　　表1 802.16系列各空中接口標準特征的比較

2 WiMAX的關鍵技術

　　* OFDM／OFDMA

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

　　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：OFDM物理層和OFDMA物理層。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(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復用方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS自適應天線系統(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(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質接入?yún)f(xié)議（MAP）分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。雖然OFDM技術對相位噪聲非常敏感，但是標準定義了ScalableFFT，可以根據(jù)不同的無線環(huán)境選擇不同的調制方式，以保證系統(tǒng)能夠以高性能的方式工作。

　　* HARQ

　　HARQ（混合自動重傳要求）技術因為提高了頻譜效率，所以可以明顯提高系統(tǒng)吞吐量，同時因為重傳可以帶來合并增益，所以間接擴大了系統(tǒng)的覆蓋范圍。在WiMAX技術的應用條件下（室外遠距離），無線信道的衰落現(xiàn)象非常明顯，在質量不穩(wěn)定的無線信道上運用TCP、IP協(xié)議，其效率十分低。WiMAX技術在鏈路層加入了HARQ機制，減少了到達網(wǎng)絡層的信息差錯，可大大提高系統(tǒng)的業(yè)務吞吐量。

　　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）和低密度校驗碼（LDPC）編碼，但是對于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，混合自動重傳要求（HARQ）方法在MAC部分是可選的。HARQ功能和相關參數(shù)是在網(wǎng)絡接入過程或重新接入過程中，用消息SBC被確定和協(xié)商的。HARQ是基于每個連接的，它可以通過消息DSA／DSC確定每個服務流是否有HARQ的功能。{{分頁}}

　　* AMC

　　AMC（自適應調制編碼）在WiMAX的應用中有其特有的技術要求，由于AMC技術需要根據(jù)信道條件來判斷將要采用的編碼方案和調制方案，所以AMC技術必須根據(jù)WiMAX的技術特征來實現(xiàn)AMC功能。與CDMA技術不同的是，由于WiMAX物理層采用的是OFDM技術，所以時延擴展、多普勒頻移、PAPR值、小區(qū)的干擾等對于OFDM解調性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用于調整系統(tǒng)編碼調制方式，達到系統(tǒng)瞬時最優(yōu)性能。WiMAX標準定義了多種編碼調制模式，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），并對應不同的碼率，主要有：1／2、3／5、5／8、2／3、3／4、4／5、5／6等碼率。

　　* MIMO

　　MIMO（多進多出）是未來移動通信的關鍵技術。MIMO技術主要有兩種表現(xiàn)形式，即空間復用和空時編碼。這兩種形式在WiMAX協(xié)議中都得到了應用。WiMAX相關協(xié)議還給出了同時使用空間復用和空時編碼的形式。支持MIMO是協(xié)議中的一種可選方案，結合自適應天線陣（AAS）和MIMO技術，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應對快衰落的能力，使得在不同環(huán)境下能夠獲得最佳的傳播性能。

　　* QoS機制

　　在WiMAX標準中，MAC層定義了較為完整的QoS機制。MAC層針對每個連接可以分別設置不同的QoS參數(shù)，包括速率、延時等指標。WiMAX系統(tǒng)所定義的4種調度類型，只針對上行的業(yè)務流，分別為非請求的帶寬分配業(yè)務（UGS.UnsolicitedGrantService）、實時輪詢業(yè)務（rtPS.RealTime Polling Service）、非實時輪詢業(yè)務（nrtPS.Non Real Time Polling Service）、盡力而為業(yè)務（BE.Best effort）。對于下行的業(yè)務流，根據(jù)業(yè)務流的應用類型只有QoS參數(shù)的限制（即不同的應用類型有不同的QoS參數(shù)限制）而沒有調度類型的約束，因為下行的帶寬分配是由BS中的Buffer中的數(shù)據(jù)觸發(fā)的。這里定義的QoS參數(shù)都是針對空中接口的，而且是這4種業(yè)務的必要參數(shù)。

　　* 睡眠模式

　　802.16e協(xié)議為適應移動通信系統(tǒng)的特點，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ServingBS空中資源的使用。Sleep模式是MS在預先協(xié)商的指定周期內暫時中止ServingBS服務的一種狀態(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），并且在穿越多個BS的移動過程中，不需要進行切換和網(wǎng)絡重新進入的過程。Idle模式與Sleep模式的區(qū)別在于：Idle模式下MS沒有任何連接，包括管理連接，而Sleep模式下MS有管理連接，也可能存在業(yè)務連接；Idle模式下MS跨越BS時不需要進行切換，Sleep模式下MS跨越BS需要進行切換，所以Idle模式下MS和基站的開銷都比Sleep小；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}}

　　* 切換技術

　　802.16e標準規(guī)定了一種必選的切換模式，在協(xié)議中簡稱為HO（handover），實際上就是我們通常所說的硬切換。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(shù)據(jù)，這樣可以獲得分集合并增益以改善信號質量。是否支持MDHO對于MS和BS來說是可選的。

3 WiMAX的應用場景

　　基于以上特點。WiMAX論壇給出了WiMAX技術的5種應用場景定義，即固定、游牧、便攜、簡單移動和全移動。

　　（1）固定應用場景：固定接入業(yè)務是802.16運營網(wǎng)絡中最基本的業(yè)務模型，包括用戶因特網(wǎng)接入、傳輸承載業(yè)務及Wi-Fi熱點回程等。

　?。?SPAN lang=EN-US>2）游牧應用場景：游牧式業(yè)務是固定接入方式發(fā)展的下一個階段。終端可以從不同的接入點接入到一個運營商的網(wǎng)絡中；在每次會話連接中，用戶終端只能進行站點式的接入；在兩次不同網(wǎng)絡的接入中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將不被保留。在游牧式及其以后的應用場景中均支持漫游，并應具備終端電源管理功能。

　　（3）便攜應用場景：在這一場景下，用戶可以步行連接到網(wǎng)絡，除了進行小區(qū)切換外，連接不會發(fā)生中斷。便攜式業(yè)務在游牧式業(yè)務的基礎上進行了發(fā)展，從這個階段開始，終端可以在不同的基站之間進行切換。當終端靜止不動時，便攜式業(yè)務的應用模型與固定式業(yè)務和游牧式業(yè)務相同。當終端進行切換時，用戶將經(jīng)歷短時間（最長為2s）的業(yè)務中斷或者感到一些延遲。切換過程結束后，TCP/IP應用對當前IP地址進行刷新，或者重建IP地址。

　?。?SPAN lang=EN-US>4）簡單移動應用場景：在這一場景下，用戶在使用寬帶無線接入業(yè)務中能夠步行、駕駛或者乘坐公共汽車等，但當終端移動速度達到60km/h～120km/h時，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場景。在切換過程中，數(shù)據(jù)包的丟失將控制在一定范圍內，在最差的情況下，TCP/IP會話不中斷，但應用層業(yè)務可能有一定的中斷。切換完成后，QoS將重建到初始級別。簡單移動和全移動網(wǎng)絡需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼模式。移動數(shù)據(jù)業(yè)務是移動場景（包括簡單移動和全移動）的主要應用，包括目前被業(yè)界廣泛看好的移動E-mail、流媒體、可視電話、移動游戲、移動VoIP（MVoIP）等業(yè)務，同時它們也是占用無線資源較多的業(yè)務。{{分頁}}

　　（5）全移動應用場景：在這一場景下，用戶可以在移動速度為120km/h甚至更高的情況下無中斷地使用寬帶無線接入業(yè)務，當沒有網(wǎng)絡連接時，用戶終端模塊將處于低功耗模式。

4 寬帶移動通信的前景及幾點思考

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

　　WiFi技術可以提供高達54Mbit/s的無線接入速度，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緩慢。WiMAX能提供最高接入速度是70Mbit/s，其信號傳輸半徑可以達到50公里，剛好彌補了WiFi、3G的不足。在不久的將來，三者的結合將會為我們創(chuàng)造出一個完美的無線網(wǎng)絡。