WiMAX存在的問(wèn)題與未來(lái)的發(fā)展方向

1、引言

　　固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)[1-9]使用無(wú)線(xiàn)介質(zhì)為許多離散的用戶(hù)站點(diǎn)提供高帶寬的語(yǔ)音、數據和多媒體業(yè)務(wù)，在組網(wǎng)、安裝、維護方面靈活快捷，而且系統開(kāi)發(fā)運營(yíng)成本低，具有巨大的商業(yè)價(jià)值，必將成為未來(lái)的主流技術(shù)。無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)(WMAN)標準IEEE802.16——WiMAX是第一個(gè)用于固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入的商業(yè)標準，定義了物理(PHY)層和介質(zhì)接入控制(MAC)層的許多技術(shù)，但是大多基于現有的傳統系統(例如802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統)，并沒(méi)有考慮WMAN對大容量需求的特殊性和系統的快速發(fā)展，因此有必要采取一些增強技術(shù)和系統擴展方案增強網(wǎng)絡(luò )的可擴展性和系統性能。

　　本文首先概述了WiMAX的最新研究動(dòng)態(tài)——IEEE 802.16-2004標準的PHY層和MAC層技術(shù)，分析探討了固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)當前存在的問(wèn)題，并在此基礎上提出了一些性能增強技術(shù)和系統擴展方案，利用這些技術(shù)和方案可以顯著(zhù)增加固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統的數據容量、用戶(hù)容量和覆蓋區域，增強系統的靈活性并支持系統的持續增長(cháng)。

2、WiMAX標準現狀

　　IEEE 802.16標準最初工作在10-66GHz頻段，僅支持視距(LOS)傳輸和點(diǎn)到點(diǎn)通信。擴展后的802.16a標準工作在2-11GHz的較低頻段，允許非視距(NLOS)傳輸和點(diǎn)到多點(diǎn)(PMP)通信，支持Mesh(網(wǎng)狀)拓撲結構，并且允許靈活的用戶(hù)部署和操作。2004年，802.16-2004標準將802.16和802.16a空中接口標準進(jìn)行了融合，可以應用于2-11GHz NLOS傳輸和10-66GHz LOS傳輸。

2.1　物理層技術(shù)

　　IEEE 802.16-2004標準定義了三個(gè)不同的PHY層調制機制，可以和MAC層技術(shù)結合使用提供可靠的端到端連接。這些空中接口規范是：

●WMAN-SC：?jiǎn)屋d波調制的空中接口規范。

●WMAN-OFDM(正交頻分復用)：256載波OFDM機制。

●WMAN-OFDMA：2048載波OFDM機制。通過(guò)給各個(gè)接收機分配載波子集，提供了多個(gè)接入，所以這個(gè)版本通常稱(chēng)為OFDM多址接入(0FDMA)。

　　在這三個(gè)空中接口規范中，由于多載波信號的均衡處理很簡(jiǎn)單，所以?xún)蓚€(gè)基于OFDM的系統更適合NLOS操作。而且，相比其他兩個(gè)規范，256載波的WMAN-OFDM具有較低的峰平比、更快的FFT(快速傅立葉變換)計算以及更寬松的頻率同步要求，所以設備供應商們更傾向于使用它。

2.1.1　自適應調制和編碼

　　根據802.16-2004標準定義，下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)允許的調制機制是二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)、四進(jìn)制移相鍵控(QPSK)、16進(jìn)制正交幅度調制(QAM)和64QAM。標準定義了7種調制機制和碼率的組合(如表1所示)，可以根據信道和干擾條件的不同，實(shí)現各種數據速率和魯棒性的折衷。

表1　調制和編碼機制

調制機制 卷積碼碼率 總碼率 信息/符號
 BPSK 　　　1/2 　　1/2 　　　0.5
 QPSK 　　　2/3 　　1/2 　　　1
 QPSK 　　　5/6 　　3/4 　　　1.5
16QAM 　　　2/3 　　1/2 　　　2
16QAM 　　　5/6 　　3/4 　　　3
64QAM 　　　3/4 　　2/3 　　　4
64QAM 　　　5/6 　　3/4 　　　4.5
 
　　802.16使用外部RS(Reed-Solomon)分組碼級連內部卷積碼。RS碼是使用GF(28)從系統RS碼(N=255，K=239，T=8)推導而來(lái)的，因此與系統RS碼相比增加了大約10%的開(kāi)銷(xiāo)。內部卷積碼的約束長(cháng)度為7，并且碼率可以為1/2、2/3、3/4或者5/6(如表1所示)。還可以使用Turbo碼改善系統的覆蓋范圍和容量，不過(guò)這會(huì )增加譯碼延遲和系統的復雜度。

2.1.2　空時(shí)分組碼

　　根據802.16-2004標準的定義(可選部分)，可以在DL中實(shí)現空時(shí)分組碼(STBC)，以提供增強的時(shí)間和空間分集特性。接收機根據接收信號，對發(fā)送信號執行最大似然(ML)估計。還可以利用多根天線(xiàn)的接收分集，從而進(jìn)一步增強系統性能。由于接收分集不需要額外的發(fā)射功率，所以接收分集優(yōu)于發(fā)射分集。

2.1.3　自適應天線(xiàn)系統

　　802.16-2004標準還提供了允許使用智能天線(xiàn)系統的可選特性和信號結構。它定義了一個(gè)單獨的PMP幀結構，允許使用定向波束(每個(gè)波束都指向一個(gè)或者多個(gè)用戶(hù)站點(diǎn))傳輸DL和UL突發(fā)數據。還定義了基站(BS)和用戶(hù)站點(diǎn)(SS)之間的額外信號，允許SS為BS提供信道質(zhì)量反饋，將每個(gè)定向波束和特定子載波的信道響應的實(shí)部和虛部提供給BS，BS可以在這個(gè)反饋的頻率域指定分辨率，即標準允許SS為每4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)、32個(gè)或64個(gè)子載波提供信道響應。

2.2　MAC層技術(shù)

　　IEEE 802.16的MAC層是為PMP寬帶無(wú)線(xiàn)接入應用設計的，要滿(mǎn)足非常高的數據速率應用的需求，以及許多服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求。802.16 MAC層是基于“連接”的，即所有終端的數據業(yè)務(wù)以及與此相關(guān)的QoS要求都是基于“連接”進(jìn)行的，MAC層針對每個(gè)連接可以分別設置不同的QoS參數。

　　信道帶寬可以是1.25MHz、1.5MHz和1.75MHz的整數倍，最大值是20MHz。標準定義了四種不同的上行帶寬調度模式：請求帶寬分配業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)、非實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)、盡力而為業(yè)務(wù)。802.16接入系統在每個(gè)終端有多個(gè)連接、每個(gè)終端有多個(gè)QoS級別以及有大量統計復用用戶(hù)的情況下也非常有效。它充分利用了許多請求機制，平衡了無(wú)競爭接入的穩定性和面向競爭接入的效率。無(wú)競爭接入機制要求每個(gè)用戶(hù)必須先獲得發(fā)送權，然后才能發(fā)送數據，這種方式不會(huì )產(chǎn)生沖突，并且在負載較重的情況下可以獲得很高的信道利用率；而基于競爭的接入機制是各個(gè)用戶(hù)競爭使用信道，不需要取得發(fā)送權就可以發(fā)送數據，這種方式在負載較輕的情況下可以獲得良好的延遲特性，但無(wú)法為每個(gè)用戶(hù)保證傳輸帶寬，不適合實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)或需要QoS保證的業(yè)務(wù)要求。

　　IEEE 802.16-2004標準的MAC層分為匯聚子層、公共部分子層和安全子層。匯聚子層將傳輸層的特有業(yè)務(wù)映射到足以有效攜帶任何業(yè)務(wù)類(lèi)型的MAC層。公共部分子層與傳輸機制無(wú)關(guān)，負責將MAC業(yè)務(wù)數據單元(SDU)分段為MAC協(xié)議數據單元(PDU)、QoS控制以及MAC PDU的時(shí)間進(jìn)度和重傳。安全子層負責MAC層認證和加密功能。

　　IEEE 802.16標準支持頻分復用(FDD)和時(shí)分復用(TDD)。在FDD模式中，還額外地支持無(wú)幀FDD操作，即MAC PDU的傳輸不包含幀結構，并且是異步的。BS處的MAC層創(chuàng )建DL幀(TDD子幀)，幀頭是用于同步和信道估計的前導碼。前導碼之后是幀控制頭(FCH)，規定了一幀的其他部分的突發(fā)模式，即規定了每個(gè)突發(fā)數據包所采用的調制編碼機制和長(cháng)度。FCH之后是一個(gè)或者多個(gè)下行突發(fā)數據包，每個(gè)突發(fā)數據包都由整數個(gè)OFDM符號組成的，并且根據突發(fā)模式加以發(fā)送。

　　按照魯棒性遞減的順序發(fā)送數據突發(fā)包，允許SS在遭受可能會(huì )引起同步丟失的突發(fā)錯誤之前接收到可靠的數據。在DL中，FCH之后就是TDM部分，并且TDM用于主動(dòng)提供的授予服務(wù)，這對具有嚴格延遲限制的恒定比特速率的應用來(lái)說(shuō)非常有用。

3、WiMAX存在的問(wèn)題

　　隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，多媒體數據通信業(yè)務(wù)的需求增長(cháng)以及數據密度(數據吞吐量和覆蓋范圍)的持續增長(cháng)對固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的系統性能和可擴展性提出了挑戰。因此，為了滿(mǎn)足用戶(hù)數和業(yè)務(wù)量的增長(cháng)，WiMAX系統的總容量(包括支持的用戶(hù)數、數據速率和覆蓋范圍)必須最優(yōu)并且可按需擴展，而且網(wǎng)絡(luò )要能夠支持新業(yè)務(wù)。

　　但是，盡管802.16-2004標準的物理層提供了許多優(yōu)化技術(shù)，并且MAC層標準也提供了大量的帶寬分配和QoS機制，仍然存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)：

●MAC層還有許多調度和預約管理的細節沒(méi)有定義，這將制約系統容量的增加和網(wǎng)絡(luò )擴展。

●數據密度的持續增長(cháng)對WiMAX網(wǎng)絡(luò )的系統性能和可擴展性提出挑戰[3]。

●許多寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統工作在非常擁擠的頻帶，帶寬限制是制約網(wǎng)絡(luò )擴展性的一個(gè)主要問(wèn)題。

●資源分配的靈活性對于滿(mǎn)足突發(fā)業(yè)務(wù)和按需分配容量非常重要，必須考慮每個(gè)比特的費用或者網(wǎng)絡(luò )傳遞帶寬的總費用。

●無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )是下一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵技術(shù)[7]，802.16標準必須能夠支持無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )的部署和實(shí)現。而現有的PHY層和MAC層技術(shù)并不是針對802.16Mesh網(wǎng)絡(luò )的具體特點(diǎn)而設計的。

●BS和SS處的射頻設備的費用太高，這在許多情況下阻礙了固定無(wú)線(xiàn)寬帶接入市場(chǎng)的發(fā)展。

4、WiMAX的發(fā)展方向

　　為了滿(mǎn)足用戶(hù)數和業(yè)務(wù)量的增長(cháng)、滿(mǎn)足系統擴展需求、降低設備成本以及支持無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )，WiMAX必須采取一些增強技術(shù)和系統擴展方案來(lái)增強網(wǎng)絡(luò )的可擴展性，并且最優(yōu)化固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統的容量和帶寬利用率。

4.1　小區規劃

　　進(jìn)一步將每個(gè)小區劃分為微小區[8]，每個(gè)微小區只有較小的覆蓋范圍，且每個(gè)相鄰無(wú)線(xiàn)路由器的位置放置使小區之間的覆蓋區域沒(méi)有空白，這樣可以增加地理覆蓋和減小無(wú)線(xiàn)路由器的間隔。因此，在無(wú)需LOS通信的25GHz以下的載波頻率處，擴展了覆蓋區域。但是，在較高的頻率處，LOS需求仍然會(huì )影響系統覆蓋范圍的可擴展性(例如，在現有的用戶(hù)建筑物前出現了一幢新的建筑物，阻擋了LOS路徑)。

　　還可以增加每個(gè)無(wú)線(xiàn)路由器的扇區數，從而獲得更高的數據容量。通常，用4個(gè)90