淺談WiMAX技術(shù)及其應用
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0 引言
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展及用戶(hù)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)上呈現融合的趨勢，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。
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)標準，在移動(dòng)環(huán)境下實(shí)現寬帶數據傳輸。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)規范，沿著(zhù)固定、游牧/便攜、移動(dòng)這樣的演進(jìn)路線(xiàn)前進(jìn)，其中 WiMAX是寬帶移動(dòng)化的重要里程碑。
1 WiMAX標準
WiMAX全稱(chēng)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(wú)線(xiàn)接入城域網(wǎng)技術(shù)（Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network），該標準僅僅制訂了物理層（PHY）和媒質(zhì)接入層（MAC）的規范，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(chǎng)商的無(wú)線(xiàn)設備互連互通，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)標準的最大區別在于其對移動(dòng)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據業(yè)務(wù)又使用戶(hù)具有移動(dòng)性的寬帶無(wú)線(xiàn)接入解決方案。它在固定的空中接口802.16d的技術(shù)基礎上，增加了切換支持、可節電的睡眠模式、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(jiàn)表1）。
表1 802.16系列各空中接口標準特征的比較
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2 WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)
* OFDM／OFDMA
OFDM（正交頻分復用）是一種多載波數字調制技術(shù)，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(shí)現上行多址接入，每個(gè)用戶(hù)占用不同的子載波，通過(guò)子載波將用戶(hù)分開(kāi)。OFDMA允許單個(gè)用戶(hù)僅在部分子載波發(fā)送，降低了對發(fā)送功率的要求。
在WiMAX系統中，OFDM技術(shù)為物理層技術(shù)，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(hù)產(chǎn)生，為單一用戶(hù)并行傳送數據流。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(xiàn)系統。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(hù)端。向上數據流子信道采用多址方式接入，通過(guò)下行發(fā)送的媒質(zhì)接入協(xié)議（MAP）分配子信道傳輸上行數據流。雖然OFDM技術(shù)對相位噪聲非常敏感，但是標準定義了ScalableFFT，可以根據不同的無(wú)線(xiàn)環(huán)境選擇不同的調制方式，以保證系統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)因為提高了頻譜效率，所以可以明顯提高系統吞吐量，同時(shí)因為重傳可以帶來(lái)合并增益，所以間接擴大了系統的覆蓋范圍。在WiMAX技術(shù)的應用條件下（室外遠距離），無(wú)線(xiàn)信道的衰落現象非常明顯，在質(zhì)量不穩定的無(wú)線(xiàn)信道上運用TCP、IP協(xié)議，其效率十分低。WiMAX技術(shù)在鏈路層加入了HARQ機制，減少了到達網(wǎng)絡(luò )層的信息差錯，可大大提高系統的業(yè)務(wù)吞吐量。
在802.16e的協(xié)議中雖然規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，根據目前的協(xié)議，16e中只支持CC和CTC的HARQ方式。具體規定為：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（自適應調制編碼）在WiMAX的應用中有其特有的技術(shù)要求，由于AMC技術(shù)需要根據信道條件來(lái)判斷將要采用的編碼方案和調制方案，所以AMC技術(shù)必須根據WiMAX的技術(shù)特征來(lái)實(shí)現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)延擴展、多普勒頻移、PAPR值、小區的干擾等對于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，用于調整系統編碼調制方式，達到系統瞬時(shí)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(jìn)多出）是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)主要有兩種表現形式，即空間復用和空時(shí)編碼。這兩種形式在WiMAX協(xié)議中都得到了應用。WiMAX相關(guān)協(xié)議還給出了同時(shí)使用空間復用和空時(shí)編碼的形式。支持MIMO是協(xié)議中的一種可選方案，結合自適應天線(xiàn)陣（AAS）和MIMO技術(shù)，能顯著(zhù)提高系統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(gè)連接可以分別設置不同的QoS參數，包括速率、延時(shí)等指標。WiMAX系統所定義的4種調度類(lèi)型，只針對上行的業(yè)務(wù)流，分別為非請求的帶寬分配業(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）。對于下行的業(yè)務(wù)流，根據業(yè)務(wù)流的應用類(lèi)型只有QoS參數的限制（即不同的應用類(lèi)型有不同的QoS參數限制）而沒(méi)有調度類(lèi)型的約束，因為下行的帶寬分配是由BS中的Buffer中的數據觸發(fā)的。這里定義的QoS參數都是針對空中接口的，而且是這4種業(yè)務(wù)的必要參數。
* 睡眠模式
802.16e協(xié)議為適應移動(dòng)通信系統的特點(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(shí)中止ServingBS服務(wù)的一種狀態(tài)。從ServingBS的角度觀(guān)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據（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標準規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)臺可以通過(guò)當前的服務(wù)BS廣播的消息獲得相鄰小區的信息，或者通過(guò)請求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來(lái)對鄰近的基站進(jìn)行掃描和測距的方式獲得相鄰小區信息，對其評估，尋找潛在的目標小區。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)送和接收數據，這樣可以獲得分集合并增益以改善信號質(zhì)量。是否支持MDHO對于MS和BS來(lái)說(shuō)是可選的。
3 WiMAX的應用場(chǎng)景
基于以上特點(diǎn)。WiMAX論壇給出了WiMAX技術(shù)的5種應用場(chǎng)景定義，即固定、游牧、便攜、簡(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)。
?。?SPAN lang=EN-US>1）固定應用場(chǎng)景：固定接入業(yè)務(wù)是802.16運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )中最基本的業(yè)務(wù)模型，包括用戶(hù)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)運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )中；在每次會(huì )話(huà)連接中，用戶(hù)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，傳輸的數據將不被保留。在游牧式及其以后的應用場(chǎng)景中均支持漫游，并應具備終端電源管理功能。
?。?SPAN lang=EN-US>3）便攜應用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶(hù)可以步行連接到網(wǎng)絡(luò )，除了進(jìn)行小區切換外，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。當終端靜止不動(dòng)時(shí)，便攜式業(yè)務(wù)的應用模型與固定式業(yè)務(wù)和游牧式業(yè)務(wù)相同。當終端進(jìn)行切換時(shí)，用戶(hù)將經(jīng)歷短時(shí)間（最長(cháng)為2s）的業(yè)務(wù)中斷或者感到一些延遲。切換過(guò)程結束后，TCP/IP應用對當前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)應用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶(hù)在使用寬帶無(wú)線(xiàn)接入業(yè)務(wù)中能夠步行、駕駛或者乘坐公共汽車(chē)等，但當終端移動(dòng)速度達到
?。?SPAN lang=EN-US>5）全移動(dòng)應用場(chǎng)景：在這一場(chǎng)景下，用戶(hù)可以在移動(dòng)速度為
4 寬帶移動(dòng)通信的前景及幾點(diǎn)思考
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，WiFi(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))，WiMax(無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng))，3G(無(wú)線(xiàn)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(xiàn)連接。
WiFi技術(shù)可以提供高達54Mbit/s的無(wú)線(xiàn)接入速度，但是它的傳輸距離十分有限，僅限于半徑約為
筆者一直在無(wú)線(xiàn)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 )出現信號寬帶化、頻譜噪聲化、覆蓋無(wú)縫化、臺站密集化等新情況，那時(shí)的人們不但要求隨時(shí)隨地接入寬帶網(wǎng)絡(luò )，而且對自身的健康更關(guān)注，對設臺地點(diǎn)的物權保護意識更強。因此，無(wú)線(xiàn)電管理工作者需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題：
?。?SPAN lang=EN-US>1）提高對3000 MHz以上頻段的頻譜監測和數據的統計分析的能力。
?。?SPAN lang=EN-US>2）提高對寬帶信號進(jìn)行信號特征分析的能力。
?。?SPAN lang=EN-US>3）加強對使用中的各種寬帶接入設備的發(fā)射指標的監督檢測。
?。?SPAN lang=EN-US>4）建立對密集設置的寬帶接入設備產(chǎn)生的電磁輻射的告警機制。
?。?SPAN lang=EN-US>5）研究未來(lái)無(wú)線(xiàn)電臺站址成為緊缺資源時(shí)，對其如何進(jìn)行規劃管理的課題。
以上幾個(gè)問(wèn)題是擺在無(wú)線(xiàn)電管理者面前的新課題，應盡早予以研究，以強有力的技術(shù)管理手段迎接寬帶移動(dòng)通信技術(shù)廣泛應用時(shí)代的到來(lái)。
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