WiMAX系統及其設備研發(fā)

1.1 多技術(shù)整合

wimax系統開(kāi)發(fā)中涉及標準強制實(shí)施的技術(shù)、非強制實(shí)施的技術(shù)，以及標準未規定使用的技術(shù)。系統開(kāi)發(fā)在保持對強制實(shí)施技術(shù)支持基礎上，需要考慮對非強制實(shí)施技術(shù)以及未規定技術(shù)的合理選擇和使用。

針對BWA應用，產(chǎn)品定位在高速率、大范圍廣域互聯(lián)方面，因此，以下幾點(diǎn)需要重點(diǎn)予以考慮：
(1)如何保證大范圍覆蓋？
(2)如何提高頻譜效率，以及系統吞吐率，包括多用戶(hù)下的系統吞吐率？
(3)如何保證特定業(yè)務(wù)或用戶(hù)的QoS？
(4)如何簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )的布設，降低組網(wǎng)成本？

針對MBWA應用，產(chǎn)品定位將在BWA的基礎上，增加對用戶(hù)移動(dòng)性的支持，以下幾點(diǎn)需要重點(diǎn)加以考慮：
(1)如何有效解決時(shí)變信道的衰落？
(2)如何保持高的頻譜效率，兼顧考慮移動(dòng)和非移動(dòng)用戶(hù)的信道使用？
(3)如何保證覆蓋的無(wú)縫？
(4)如何保證各種業(yè)務(wù)在切換過(guò)程的連續性(假設他們對連續性的要求是有差異的)？
(5)如何進(jìn)一步有效地支持用戶(hù)的節點(diǎn)模式？
(6)如何提供用戶(hù)在WiMAX與其他寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )間的切換和漫游？

上述問(wèn)題都是在技術(shù)整合的過(guò)程中

需要回答的問(wèn)題。例如針對BWA的問(wèn)題，可以給出下列技術(shù)選擇：

(1)通過(guò)使用扇區、波束成型智能天線(xiàn)陣列，或是采用多輸入多輸出(MIMO)及簡(jiǎn)單空時(shí)編碼，來(lái)綜合解決覆蓋范圍以及容量等問(wèn)題。

(2)在覆蓋技術(shù)已提供高信噪比(SNR)的情況下，提供更高階調制方式(例如256QAM等)，或者采用MIMO并行傳輸，或者信道分配采用有信道質(zhì)量加權的算法，提高頻譜效率。

(3)在信道分配算法、MAC層/協(xié)議層隊列調度機制，以及網(wǎng)絡(luò )接入控制與負載平衡上采用部分或聯(lián)合控制策略，綜合保證具有用戶(hù)及業(yè)務(wù)針對性的QoS機制的實(shí)施。

(4)考慮支持Mesh組網(wǎng)能力，并且使系統設備與網(wǎng)絡(luò )管理實(shí)體具有自動(dòng)發(fā)現、自動(dòng)配置等功能，大大增加網(wǎng)絡(luò )布設和覆蓋的靈活性，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò )管理的復雜性。

技術(shù)的選擇和整合需要綜合考慮，范圍涉及系統產(chǎn)品的定義、系統實(shí)現復雜度及成本的計算、芯片及開(kāi)發(fā)平臺的選擇、開(kāi)發(fā)及合作資源的規劃等諸多問(wèn)題。不同于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的系統開(kāi)發(fā)，WiMAX包括更多的需要解決的問(wèn)題以及更多的可以選擇的技術(shù)手段，技術(shù)選擇的空間正是設備制造商在技術(shù)及產(chǎn)品功能開(kāi)發(fā)上發(fā)揮自身優(yōu)勢的一個(gè)廣闊舞臺。

1.2 基站設備

一般基站(中心站)可以劃分為一體化小容量基站與容量可伸縮的大容量基站兩種，根據不同的產(chǎn)品定義，還可以衍生出具有不同網(wǎng)絡(luò )或其他功能的產(chǎn)品?；鞠到y開(kāi)發(fā)的規劃流程如圖1所示。

一體化小容量基站一般指用于提供單小區/扇區覆蓋的系統設備，不具有容量擴展能力，但方便設備的布設和使用(與其他BWA系統設備的使用非常相似)。一體化小容量基站通用結構如圖2所示。大容量基站通過(guò)使各個(gè)覆蓋子系統高效共用網(wǎng)絡(luò )處理、支持系統資源而降低單位信道的成本，由于具有易于擴展和伸縮的特性，非常方便容量升級、硬件升級等后續工作的開(kāi)展。大容量基站通用結構如圖3所示。[8, 9]

一體化基站一般由射頻收發(fā)模塊、物理層基帶處理、MAC層協(xié)議處理、網(wǎng)絡(luò )處理器以及其他接口、存儲及支持系統組成?？紤]到芯片集成能力的不斷提高，物理層及MAC層處理，甚至網(wǎng)絡(luò )處理器將可以實(shí)現單芯片解決方案。射頻收發(fā)模塊的選擇主要是看其對多天線(xiàn)收發(fā)的支持，以及在高階調制、正交頻分復用(OFDM) 多載波使用中的動(dòng)態(tài)范圍與穩定性。MAC層的協(xié)議處理分為硬件及軟件處理兩部分，硬件部分負責高效的執行發(fā)送及接收隊列、底層信道分配、報文封裝/解封裝、硬件加密等任務(wù)，軟件部分則負責MAC層隊列及流量控制、信道分配及QoS算法、對硬件MAC的控制、安全及其他機制的處理等各種任務(wù)。MAC層軟件部分將與其他協(xié)議層任務(wù)運行在網(wǎng)絡(luò )處理器上。應根據系統開(kāi)發(fā)的需要及芯片的選擇決定網(wǎng)絡(luò )處理器所采用的實(shí)時(shí)操作系統。另一種選擇是，如果基帶處理芯片上集成了高速嵌入式處理器，則MAC層軟件可以選擇運行在該高速嵌入式處理器上，而非實(shí)時(shí)任務(wù)及網(wǎng)絡(luò )任務(wù)則運行在網(wǎng)絡(luò )處理器上，嵌入式處理器及網(wǎng)絡(luò )處理器可以采用不同的操作系統。

大容量基站一般采用模塊化設計，射頻模塊、基帶及MAC層處理、網(wǎng)絡(luò )及其他任務(wù)處理可以板卡的形式作為系統組件，各系統組件通過(guò)PCI總線(xiàn)通信。MAC層處理采用基帶及MAC層處理卡上獨立的處理器或嵌入式處理器來(lái)完成。

在基帶芯片的選擇上，需要關(guān)注其是否支持MIMO技術(shù)、調制方式、雙工方式，支持的物理信道帶寬、OFDM的處理性能，對加密方式的支持等項目。如 Wavesat公司推出的支持IEEE 802.16d的物理層芯片DM256，其功能如表2所示。需要在對芯片充分了解的基礎上，才能選用。

1. 3 wimax的用戶(hù)終端

WiMAX終端主要包括CPE及用戶(hù)站(STA)類(lèi)型，CPE類(lèi)型主要用于提供IP網(wǎng)絡(luò )接口的點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)應用；STA類(lèi)型則主要面向單用戶(hù)接入，可以用于BWA及MBWA WiMAX系統的普通終端用戶(hù)接入，提供的接口包括IP網(wǎng)絡(luò )接口、PCMCIA等不同的選擇，面向不同的終端產(chǎn)品。

與基站設備比較，終端設備將更加受限于安裝、尺寸、電源、功率等諸多問(wèn)題，尤其是MBWA的應用更是如此。與WiFi的應用類(lèi)似，即使對于BWA的應用，STA類(lèi)型的終端預計仍有很大需求(主要用于用戶(hù)通過(guò)筆記本電腦之類(lèi)的終端直接接入BWA網(wǎng)絡(luò ))。這就對片上系統(SoC)芯片及射頻(RF)部分的設計提出了更加苛刻的要求，低功率SoC方案，以及多天線(xiàn)、多載波情況下的RF設計是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。通用的用戶(hù)終端結構如圖4所示。

與基站設備相比，終端設備對成本及市場(chǎng)投放價(jià)格也更加敏感，目前的WiMAX終端成本包括天線(xiàn)及網(wǎng)絡(luò )接口在內，大致在150～120美元之間。預計在 2005年下半年，終端成本將下降到100美元以下；2006年下半年，將下降到約50美元。除了芯片設計及工藝因素外，終端

成本主要取決于WiMAX市場(chǎng)規模的發(fā)展狀況。

1.4 WiMAX運營(yíng)支撐系統

支持固定/移動(dòng)接入的WiMAX網(wǎng)絡(luò )如圖5所示。對于運營(yíng)商大規模布設的WiMAX系統，需要與運營(yíng)有關(guān)的支撐系統來(lái)管理設備、用戶(hù)與業(yè)務(wù)資源。這一支撐系統包括認證與計費系統、網(wǎng)絡(luò )管理系統以及IP增值業(yè)務(wù)系統。對于寬帶網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商而言，很容易將WiMAX網(wǎng)絡(luò )與寬帶網(wǎng)絡(luò )統一進(jìn)行管理。不過(guò)，當MBWA WiMAX系統提供移動(dòng)業(yè)務(wù)時(shí)，需要增加與用戶(hù)位置及移動(dòng)性管理有關(guān)的網(wǎng)絡(luò )實(shí)體?？紤]到IEEE 802.16e的切換及漫游標準尚未標準化，這里不便就其工作方式進(jìn)行討論，不過(guò)，該位置登記實(shí)體預計將與3G系統的類(lèi)似實(shí)體非常相似。

2 WiMAX產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的現狀

WiMAX在WiMAX組織的推動(dòng)下，已經(jīng)形成了包括芯片制造商、接入及終端系統設備商、網(wǎng)絡(luò )系統設備商、運營(yíng)商等在內的完整產(chǎn)業(yè)鏈，主要基帶芯片開(kāi)發(fā)商、RF芯片制造商、設備制造商見(jiàn)表3。由于WiMAX依賴(lài)于核心芯片作為上游產(chǎn)品，因此，與初具規模的產(chǎn)業(yè)鏈相比，芯片開(kāi)發(fā)與制造短期內將是WiMAX 發(fā)展的“瓶頸”。

2.1 芯片開(kāi)發(fā)

目前，主要有4家芯片設計廠(chǎng)商從事WiMAX基帶處理芯片的開(kāi)發(fā)，分別是Intel、Fujitsu微電子、Wavesat和Sequans公司。

Intel在2004年9月發(fā)布了支持IEEE 802.16d的CPE SoC芯片，名為Rosedale。該芯片已經(jīng)交由少數設備廠(chǎng)商進(jìn)行CPE產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。Intel預計將在2006年提供內置于筆記本電腦的WiMAX芯片，并在2007年提供用于掌上設備的WiMAX芯片。

位于加拿大蒙特利爾的半導體設計公司W(wǎng)avesat在2004年9月也發(fā)布了其WiMAX芯片，名為DM256，并將基于DM256芯片的完整設計交由其合作伙伴美國的Atmel公司完成后續開(kāi)發(fā)。Fujitsu微電子計劃于 2005年第二季度發(fā)布基于IEEE 802.16d芯片。其WiMAX芯片的開(kāi)發(fā)要早于Intel。一家位于法國巴黎的公司Sequans也正在進(jìn)行SoC芯片及相應軟件解決方案的開(kāi)發(fā)。

2.2 系統產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

加拿大Redline Communications公司早在2003年10月就發(fā)布了第一個(gè)符合IEEE 802.16a標準的產(chǎn)品設備AN-100。該系統工作在3.5 GHz頻段，已經(jīng)在歐洲、中東和亞洲獲得了固定接入許可，可以提供70 Mb/s的吞吐量，視距范圍達到45 km。該產(chǎn)品可工作于點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)的不同方式。

AN-100 產(chǎn)品功能如下[10]：

3.4～3.8 GHz頻段，應用于非視距傳輸。
信道帶寬：3.5/7/14 MHz。
頻譜效率：5 b/s/Hz，最大速率70 Mb/s (14 MHz)。
雙工方式：動(dòng)態(tài)TDD，HD-FDD。
信道編碼效率：1/2，2/3，3/4。
覆蓋距離：視距45 km，非視距3 km。
接收靈敏度：-88 dBm。
動(dòng)態(tài)調制方式：QPSK、16/64QAM。
加密方式：DES(用于業(yè)務(wù)處理)、3DES(用于密鑰交互)。
支持協(xié)議：MAC、IEEE 802.16a。

2004年6月，Alvarion公司推出了支持IEEE 802.16a的BreezeMAX3500平臺，該產(chǎn)品系列工作在3.5 GHz頻段，已經(jīng)通過(guò)歐洲及亞太運營(yíng)商的測試。

3 WiMAX系統的發(fā)展方向

3.1 IEEE 802.16e造就移動(dòng)WiMAX

IEEE 802.16e將有助于將WiMAX帶入個(gè)人消費的廣闊市場(chǎng)。IEEE802.16e特別強調對IEEE 802.16d的后向兼容。

IEEE 802.16e的特點(diǎn)主要有：

物理層能夠進(jìn)行時(shí)變信道下的信號解調。
支持用戶(hù)站在基站間完成硬切換。
用戶(hù)站可以工作在休眠(節電)模式。
兼容IEEE 802.16d，在空中接口幀結構上同時(shí)提供對固定及移動(dòng)終端的傳輸支持。

由于兼容性的存在，使得系統設備在設計開(kāi)發(fā)上預計可以有很好的繼承性，但對低成本單芯片終端解決方案的需求將會(huì )很大。諸如定位及位置信息等功能將會(huì )考慮進(jìn)基站和終端的設計中。

3.2 wimax+WiFi+WPAN的結合

WiMAX作為WiFi網(wǎng)絡(luò )的主干，可充分利用其支持網(wǎng)格組網(wǎng)的特點(diǎn)，這樣同時(shí)也解決了WiFi發(fā)展的“瓶頸”——組網(wǎng)問(wèn)題。另外，從網(wǎng)絡(luò )覆蓋互補的角度來(lái)看，在廣域覆蓋環(huán)境中，WiMAX可以作為首選；在局域覆蓋中，WiFi(如IEEE 802.11n)可以作為首選；配合藍牙等無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)(WPAN)技術(shù)成本低廉的優(yōu)勢，有望形成WiMAX+WiFi+WPAN結合的局面。

在產(chǎn)品形式上，雙模的WiFi 接入點(diǎn)(DMAP)設備是一個(gè)候選。DMAP包括WiFi-AP及WiMAX-

SS模塊，WiFi用于用戶(hù)接入，WiMAX用于與主干網(wǎng)互聯(lián)。進(jìn)一步， WiMAX模塊也可以是基站(BS)模塊，利用格狀網(wǎng)(Mesh)技術(shù)實(shí)現與主干網(wǎng)互聯(lián)，并支持WiMAX用戶(hù)的接入。另一種候選的產(chǎn)品是多模終端，可以工作在WiMAX及WiFi模式下，動(dòng)態(tài)選擇接入WiMAX或WiFi網(wǎng)絡(luò )?？紤]到WiFi技術(shù)將嵌入到3G等其他廣域無(wú)線(xiàn)數據終端上，WiMAX+ WiFi雙模終端的出現將是很自然的結果。

3.3 MIMO及智能天線(xiàn)的運用

MIMO技術(shù)非常適合城市范圍內多徑環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)信號處理，包括提供空間分集以及多路信道并行傳輸，是提高WiMAX系統覆蓋范圍及吞吐量的合適技術(shù)。智能天線(xiàn)則有利于提高基站與運動(dòng)物體的方向性空間增益以及對干擾信號的方向性抑制。不過(guò)，在城市多徑彌散的環(huán)境中，MIMO可能將會(huì )更受設備開(kāi)發(fā)商的歡迎。

基站一側增加天線(xiàn)陣列應該沒(méi)有問(wèn)題。隨著(zhù)天線(xiàn)陣列處理技術(shù)的發(fā)展，目前，終端一側增加2～3個(gè)陣元的天線(xiàn)陣列已經(jīng)可以容易地實(shí)現?；贗EEE 802.11n的系統將在接入設備及用戶(hù)站上采用多天線(xiàn)MIMO技術(shù)。

4 結束語(yǔ)

WiMAX技術(shù)通過(guò)將BWA標準化，正在使寬帶無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域發(fā)生顯著(zhù)的變革，使人們不再因為WiFi的有限覆蓋而頭痛，也不會(huì )止步于3G的低速率數據傳輸。尤其是當WiMAX的MBWA標準IEEE 802.16e出現的時(shí)候，會(huì )讓更多的消費者邁入無(wú)線(xiàn)信息時(shí)代。本文根據這一變革中市場(chǎng)對系統及設備的需求，探討了WiMAX產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所涉及的各個(gè)主要方面，從中可以看出，基站設備的開(kāi)發(fā)需要通過(guò)精心選擇合適的技術(shù)方向來(lái)獲得競爭優(yōu)勢，而IEEE 802.16標準的雙向兼容性將使設備的持續開(kāi)發(fā)獲益；終端的普及將帶動(dòng)WiMAX的規?；l(fā)展，而終端的形式及成本將決定這一發(fā)展的速度；與WiFi等互補的無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )的融合將互惠互利，但可以預見(jiàn)到，技術(shù)的競爭會(huì )一直持續，因此，WiMAX必須堅持向開(kāi)放性、低成本與新技術(shù)的方向前進(jìn)。