WiMAX物理层关键技术及其演进

    以IEEE 802.16e标准为基础的宽带无线技术已经成为WiMAX技术的主流，接入无线网络已经成为很多人生活的一部分。为了满足人们对传输速率日益增长和高速移动性的要求，IEEE在相继推出了802.16a、802.16d、802.16e后，IEEE即将提出下一代的先进空口技术标准——802.16m。2006年12月IEEE启动了IEEE 802.16m标准的制订工作，很多全球著名厂家将参与其中。

    WiMAX物理层的技术特点[1]：

    (1)在物理层采用正交频分复用，实现高效的频谱利用率。

    (2)双工方式：支持时分双工(TDD)、频分双工(FDD)，同时也支持半双工频分双工(HFDD)。FDD需要成对的频率，TDD则不需要，而且可以实现灵活的上下行带宽动态分配。半双工频分双工方式降低了终端收发器的要求，从而降低了对终端收发器的要求。

    (3)可支持移动和固定的情况，移动速度最高可达120 km/h。

    (4)带宽划分灵活，系统的带宽范围为1.25 MHz～20 MHz。WiMAX规定了几个系列的带宽：1.25 MHz的倍数系列、1.75 MHz的倍数系列。其中1.25 MHz倍数系列包括：1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz等，1.75 MHz倍数系列包括：1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、14 MHz等。

    (5)使用先进的多天线技术提高系统容量和覆盖范围。

    (6)采用混合自动重传(HARQ)技术。混合自动重传操作中融合了前向纠错(FEC)的功能，使得每一次分组包的发送操作都能够为最终的正确解码做出贡献。主要分为两类：追赶合并和递增冗余。

    (7)采用自适应调制编解码(AMC)技术。AMC根据接收信号的质量，随时调整分组包的调制、编码方式、编码速率，使得系统在能够达到足够的可靠性的基础上，使用尽可能高的数据传输速率。

    (8)采用功率控制技术，目标是最大化频谱效率，而同时满足其他系统指标。

    (9)采用先进的信道编码技术增加通信质量，扩大覆盖范围。

    从先进国际移动通信和下一代移动网络的技术需求来看，未来移动通信的传输速率要求达到百兆比特位每秒甚至吉比特位每秒，目前的IEEE 802.16e中最高的物理层速率是75 Mb/s，为了能够在保证通信质量的同时达到很高的数据速率，在未来的标准演进中，必须对物理层的关键技术进行有效的演进。

    1 OFDM和OFDMA技术

    在802.16d/16e中均引进了正交频分复用(OFDM)和正交频分复用多址(OFDMA)技术，在未来的物理层技术演进中，OFDM和OFDMA仍然是主要的关键技术之一。正交时分复用(OTDM)则是在最近倍受大家关注的另外一种复用技术，有可能成为未来的物理层复用技术之一。

    1.1正交频分复用

    OFDM[2]的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号通过接收端采用相关技术分开，可以在一定条件下减少子信道间干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可看作平衰落信道，从而消除了符号间干扰(ISI)。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

    OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：

    频谱利用率很高。

    抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。

    采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。

    通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。

    基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里叶变换(FFT)和逆快速傅里叶变换(IFFT)来实现调制和解调，易用数字信号处理器(DSP)实现。

    除上述优点以外，OFDM也有3个较明显的缺点：

    对频偏和相位噪声敏感。

    峰均功率比(PAPR)大，导致发送端放大器功率效率较低。

    自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。

    OFDM作为保证高频谱效率的调制方案已被一些规范及系统采用。OFDM将成为新一代无线通信系统中下行链路的最优调制方案之一，也会和传统多址技术结合成为新一代无线通信系统多址技术的备选方案。

    1.2正交频分复用多址

    在OFDMA系统中，用户仅仅使用所有的子载波中的一部分，如果同一个帧内的用户的定时偏差和频率偏差足够小，则系统内就不会存在小区内的干扰，比码分系统更有优势。

    由于OFDMA可以把跳频技术和OFDM技术相结合，因此可以构成一种更为灵活的多址方案，此外由于OFDMA可以灵活地适应带宽要求，可以与动态信道分配技术结合使用来支持高速的数据传输。

    在未来的物理层技术演进中，OFDMA仍然会作为一种非常重要的关键技术继续保留。

    1.3单载波频域均衡技术

    在OFDM系统中，如何降低PAPR仍然是亟待解决的问题。不少演进技术中为了避免PAPR的影响，已经开始考虑采用单载波频域均衡技术(SC-FDE)[3-4]，也称为正交时分复用(OTDM)，原理框图如图1所示。

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    SC-FDE之所以越来越受关注，是因为有如下的优点：

    抗多径能力强

    频谱效率高(与OFDM类似，甚至稍高)

    没有PAPR

    带外辐射小

    实现简单

    采用自适应技术

    另外，SC-FDE易与其他技术结合，形成如下技术：

    CP-CDMA

    CP-DS-CDMA

    OTDM＋智能天线(发射机)

    OTDM＋分集接收(接收机)

    新一代的无线通信系统对系统的性能、成本、尺寸、功率和能耗提出了严格的要求。SC-FDE系统具有较强的克服频率选择性衰落的能力，克服了OFDM系统的不足，使得接收机的实现更为简单。SC-FDE也可以和OFDM共存于一个双向传输系统，以便更灵活、更高效地发挥两种技术的优势。另外，SC-FDE技术还可以与多输入多输出(MIMO)技术相结合，提高频谱利用率，改善系统性能，在宽带无线通信领域有着广阔的应用前景。采用SC-FDE是未来高速无线通信系统的一个极具竞争力的方案。

    2 帧结构

    IEEE 802.16e物理层定义了几种双工方式：TDD、FDD和HFDD。这几种方式都使用突发数据传输格式，这种传输格式支持自适应的突发业务数据，传输参数(调制方式、编码方式、发射功率等)可以动态调整，但是需要媒体访问控制(MAC)层协助完成。在TDD模式下，每个物理帧长度固定，上下行的切换点可以自适应调整，下行在先，上行在后，这样杜绝了上行方向的竞争。同时，上下行和下上行子帧之间可以插入收发时隙，以留出必要的保护间隔。资源的调度和分配可以在基站(BS)上集中控制，使得信道可以灵活地全部用于上行或下行。另外，针对不同的应用场景，在帧结构中定义了多种排列方式，提高频谱利用率以及克服多径衰落。802.16e还采用了128/512/1 024/2 048个可变子载波的OFDMA方式，使设备信道带宽可在1.75 MHz～20 MHz间灵活调配，从而使其具备更强的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保证WiMAX终端在移动环境中的使用。

    未来帧结构，必须增强对多天线的各种应用模式简单高效的调度，支持各种物理层关键技术的演进。

    3 多输入多输出

    频率资源的使用是有限的，无论在时域、频域还是码域上处理信道容量均不会超过山农限。多天线的使用使得不同用户的信号可以用不同的空间特征来表征，使得空域资源的使用成为可能。空域处理可以在不增加带宽的情况下成倍地提升信道容量，也可以改善通信质量、提高链路的传输可靠性。

    3.1多天线的应用模式

    未来的多天线技术应用模式必将是灵活多变的，主要多天线的应用模式包括：

    (1)接收分集(单输入多输出时)

    由于部分终端受尺寸大小、发射功率和成本等的影响，通常在发送端只有1根天线，基站使用多根接收天线，实现接收分集，理想情况下可获得10logN r(dB)的增益，N r为基站接收天线的个数。容量随着接收天线的个数对数增加。应用场景如图2所示。

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    (2)发送分集(多输入单输出时)

    终端1根接收天线，基站多根发送天线，理想情况下可获得10logN t(dB)的增益，N t为基站发送天线的个数。容量随着发送天线的个数对数增加。应用场景如图3所示。

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    (3)波束形成(多输入单输出时)

    终端只有一根天线，基站使用多根发送天线，实现波束形成，由于在发端已经得到了H 矩阵，波束形成比发送分集信噪比提高3 dB。必须经过上行测量或者上行反馈获取信道信息，才能够进行波束形成。

    (4)空时编码(多输入多输出时)

    未来的通信系统中，终端会走向多样化，部分终端可以拥有多根天线，这样通信链路的上下行均可实现多输入多输出(MIMO)，MIMO示意图如图4所示。空时编码是MIMO的主要应用形式之一，正交的空时分组编码可以获得满分集增益，空时网格编码不仅能够获得部分的分集增益，同时也能够获得编码增益。

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    (5)空间复用(多输入多输出时)

    MIMO的另一种主要的应用形式是空间复用。空间复用技术使得信道容量成倍地增长变为可能。使用空间复用技术必须满足：N r≥N t，使用迫零和干扰对消进行逐符号检测，发端无需知道信道信息，无需通道校正，当信道容量下降时，复用系数应该自适应改变。

    (6)智能天线(先进的多天线系统)

    智能天线的一个主要的任务是如何获取和利用信号的空间方向信息，并通过阵列信号处理改善信号的质量，从而提高系统的性能。天线阵列的加权在基带通过数字信号处理完成，自适应阵列技术属于其中的一部分。自适应天线阵列是智能天线技术的研究重点和发展方向。

    3.2多天线技术的空域自适应

    未来的多天线技术必将实现空域自适应链路。根据信道的变化，可以实现目标为最大的数据传输速率的链路自适应和平均信道容量最大的链路自适应。

    实现目标为最大的数据传输速率的链路自适应的设计原则：

    (1)移动环境下的MIMO信道是变化的，容量也是变化的。

    (2)在低秩信道下并非发射天线越多信道容量越大，可以通过合理地选择发射天线来提升系统容量。

    实现目标为平均信道容量最大的链路自适应的设计原则：

    (1)当收发天线之间的衰落系数互不相关且服从相同的分布时，MIMO系统将获得可观的信道容量。但是由于阵元间距和实际通信环境所限，各对收发天线间的衰落系数往往是相关的。研究表明，在相关性较强的情况下，信道容量会大幅降低。

    (2)在相关衰落信道中应该合理设计天线阵间距和排布方式来尽量降低阵元之间信道响应的相关系数。

    4 混合自动重传

    HARQ是一种新的将自动重传(ARQ)和前向差错编码结合的物理层技术，主要分为3类。I型HARQ，只是把FEC和ARQ简单地结合起来，虽然在一定程度上解决了FEC和ARQ本身的缺陷，但是由于每次只是简单地把出错数据分组丢弃，要求发端重传该数据组，没有充分利用出错的数据分组当中的有用信息，导致整体数据传输效率不高。II型HARQ，在I型的基础上，以码合并产生解码增益的思想充分利用了每次发送的数据分组当中包含的有用信息，但是在II型HARQ当中重发的数据分组包含新增的冗余信息(将有用信息合并在一起产生的新的数据分组)，而并不包含原始数据信息，因此不具备自解码能力，如果原始数据分组被破坏严重或丢失，那么无论重传多少次也无法正确解码，这是II型一个很大的缺点。III型HARQ，为了克服II型HARQ的缺点，III型HARQ无论是原始数据包还是重传数据包都包含原始数据信息，仅通过对重发数据包进行解码就能够恢复出原始数据信息。灵活采用III型HARQ中单冗余版本，可以更好地提升系统的性能。

    5 自适应调制编码

    自适应调制编码(AMC)的基本思路就是根据信道条件分配传输功率和码率，以提高传输速率或系统吞吐量。自适应技术有两个步骤：

    (1)传输信道参数的测量。

    (2)在优化预先指定的代价函数的基础上，选择一种或多种传输参数。

    但是有一个假设前提，信道变化不能很快，否则选择的信道参数很难与信道实际情况相匹配。所以自适应技术只适用于多普勒扩展不是很大的情况。自适应技术在室内环境中具有很明显的优势，因为在室内环境中传播时延很小，发射机和接收机间的相对速度也很慢。在这种情况下，自适应技术可以逐帧使用。主要的自适应调整技术包括：自适应调整功率级别，调整星座图大小，调整码速，同时调整功率级别和星座图大小，同时调整星座图大小和符号速率，同时调整功率和传输速率，同时调整码速、符号速率和星座图大小。

    6 信道编码

    信道编码技术在无线通信中是必不可少的，通过信道编码(纠错码)实现差错控制是高速通信中的关键技术之一。802.11d/e标准采用了RS分组码、卷积编码、卷积Turbo码、分组Turbo码、低密度稀疏检验矩阵码(LDPC)等纠错编码技术，Woven卷积码已经被中国通信标准化协会写入新一代无线通信空中接口技术纲要。

    其中RS分组码、卷积编码、卷积Turbo码、分组Turbo码等在文献[5]中有详细的描述。LDPC作为一种新的纠错编码的方法，是一类可以用非常稀疏的奇偶校验矩阵定义的线性分组码，已经成为了下一代卫星数字视频广播标准(DVB-S2)的一项关键技术。如果在WiMAX中应用LDPC码，由于LDPC码有很好的抗衰落性，编码增益很高，接收机在较低的信噪比情况下仍然可以拥有较低的误码率，可以使覆盖范围得到提升。尽管在目前增强无线联盟(EWC)的草案中，LDPC码仍然是一个可选(非强制)实施的编码方法，但是有理由相信LDPC码将在未来的802.16系列标准中扮演重要角色。

    1997年Host、Johannesson等人提出了Woven卷积码[6]。Woven码借助了“编织”的概念将多个卷积成员码巧妙地结合起来，因此它不仅继承了卷积码的很多特性并具有了较大的自由距离，而且其系统结构可完全包容传统分组码、卷积码以及各类Turbo码，Woven码是对以卷积码为分量码的串行级联码的扩展，相信Woven卷积码在未来的标准演进中将会得到广泛的应用。

    7 结束语

    WiMAX已作为一种宽带网络解决方案得到了很多运营商的认可。在WiMAX领域内已经诞生了802.16d/e标准，不久的将来802.16m也将应运而生，该标准使用了当前无线通信领域中的多项先进技术，其产品将拥有高速数据传输能力和较大的覆盖区域，容易和其他无线通信网络融合。

    WiMAX标准将对无线宽带网市场产生巨大的推动力。随着网上多媒体技术的日益应用发展，传输速率更高的无线网络设备将会涌现，无线宽带网设备和服务的投资前景将会非常乐观。在在无线宽带网用户和国际众多运营商的双重推动下，未来几年内，高速WiMAX网络的应用将会成为未来网络的技术主流之一。

    8 参考文献

    [1]IEEE802.16e-2005.IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems, Amendent 2: For physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operations in licensed bands [S]. 2006.

    [2]佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用 [M]. 北京:人民邮电出版社, 2003.

    [3]IEEE802.16-2004.IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems [S]. 2004.

    [4]CCSAWG6.新一代无线通信空中接口技术纲要 [S]. V4.0. 2006.

    [5]王新梅,肖国镇.纠错码原理与方法 [M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2001.

    [6]HostS,Johannesson R, Zyablov V, et al. A first encounter with binary Woven convolutional codes [C]//Proceedings of International Symposium Communication Theory and Applications, Jul 1997, Lake District, UK. 1997:13-18.

    作者简介：

    刘巧艳，西安电子科技大学硕士毕业。工作于中兴通讯股份有限公司CDMA研究所西安开发部，先后参加了B3G、TD-SCDMA、WiMAX的预研工作，主要研究领域为无线通信的空中接口技术。已参与申请专利15个，发表论文3篇。余秋星，西北工业大学博士毕业。工作于中兴通讯股份有限公司CDMA研究所西安开发部，先后参加了B3G、TD-SCDMA、WiMAX的预研工作，主要研究领域为无线通信的空中接口技术。已参与申请专利10个，发表论文8篇。