浅谈WiMAX技术及其应用

  随着无线通信的发展及用户需求的变化，固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为这两个领域技术发展的趋势。

  在移动宽带化方面，3GPP/3GPP2已经制订了1xEV-DO、HSDPA/HSUPA等技术标准，在移动环境下实现宽带数据传输。在宽带移动化方面，IEEE802工作组先后制订了WLAN和WiMAX等技术规范，沿着固定、游牧/便携、移动这样的演进路线前进，其中WiMAX是宽带移动化的重要里程碑。

  1 WiMAX标准

  WiMAX全称为WorldInteroperabilityforMicrowave Access，即全球微波接入互操作性，是一项基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入城域网技术（Broadband Wireless Access Metropolitan Area Network），该标准仅仅制订了物理层（PHY）和媒质接入层（MAC）的规范，是针对微波频段提出的一种新的空中接口标准。

  WiMAX的基本目标是在城域网接入环境下，确保不同厂商的无线设备互连互通，主要用于为家庭、企业以及移动通信网络提供"最后一公里"的高速宽带接入，以及将来的个人移动通信业务。

  目前，业界关心最多的是IEEE802.16e，它与802.16前几个标准的最大区别在于其对移动性的支持。制订802.16e标准的目的，是希望能够提出一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。它在固定的空中接口802.16d的技术基础上，增加了切换支持、可节电的睡眠模式、寻呼以及增强的安全能力等一些重要特性，使得终端的漫游和切换成为可能（见表1）。

    表1 802.16系列各空中接口标准特征的比较

    2 WiMAX的关键技术

    *OFDM／OFDMA

  OFDM（正交频分复用）是一种多载波数字调制技术，它具有较高的频谱利用率，且在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上具有明显的优势。而OFDMA是利用OFDM的概念实现上行多址接入，每个用户占用不同的子载波，通过子载波将用户分开。OFDMA允许单个用户仅在部分子载波发送，降低了对发送功率的要求。

  在WiMAX系统中，OFDM技术为物理层技术，主要应用的方式有两种：OFDM物理层和OFDMA物理层。OFDM物理层采用OFDM调制方式，OFDM正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流。它支持TDD和FDD双工方式，上行链路采用TDMA多址方式，下行链路采用TDM复用方式，可以采用STC发射分集以及AAS自适应天线系统。OFDMA物理层采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD双工方式，可以采用STC发射分集以及AAS。通常向下数据流被分为逻辑数据流，这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议（MAP）分配子信道传输上行数据流。虽然OFDM技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了ScalableFFT，可以根据不同的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。

  *HARQ

  HARQ（混合自动重传要求）技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，所以间接扩大了系统的覆盖范围。在WiMAX技术的应用条件下（室外远距离），无线信道的衰落现象非常明显，在质量不稳定的无线信道上运用TCP、IP协议，其效率十分低。WiMAX技术在链路层加入了HARQ机制，减少了到达网络层的信息差错，可大大提高系统的业务吞吐量。

  在802.16e的协议中虽然规定了信道编码方式有卷积码（CC）、卷积Turbo码（CTC）和低密度校验码（LDPC）编码，但是对于HARQ方式，根据目前的协议，16e中只支持CC和CTC的HARQ方式。具体规定为：在16e协议中，混合自动重传要求（HARQ）方法在MAC部分是可选的。HARQ功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中，用消息SBC被确定和协商的。HARQ是基于每个连接的，它可以通过消息DSA／DSC确定每个服务流是否有HARQ的功能。

    *AMC

  AMC（自适应调制编码）在WiMAX的应用中有其特有的技术要求，由于AMC技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以AMC技术必须根据WiMAX的技术特征来实现AMC功能。与CDMA技术不同的是，由于WiMAX物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、PAPR值、小区的干扰等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。WiMAX标准定义了多种编码调制模式，包括卷积编码、分组Turbo编码（可选）、卷积Turbo码（可选）、零咬尾卷积码（ZeroTailbaitingCC）（可选）和LDPC（可选），并对应不同的码率，主要有：1／2、3／5、5／8、2／3、3／4、4／5、5／6等码率。

    *MIMO

  MIMO（多进多出）是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在WiMAX协议中都得到了应用。WiMAX相关协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。支持MIMO是协议中的一种可选方案，结合自适应天线阵（AAS）和MIMO技术，能显著提高系统的容量和频谱利用率，可以大大提高覆盖范围并增强应对快衰落的能力，使得在不同环境下能够获得最佳的传播性能。

    *QoS机制

  在WiMAX标准中，MAC层定义了较为完整的QoS机制。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。WiMAX系统所定义的4种调度类型，只针对上行的业务流，分别为非请求的带宽分配业务（UGS.UnsolicitedGrantService）、实时轮询业务（rtPS.RealTimePollingService）、非实时轮询业务（nrtPS.NonReal Time Polling Service）、尽力而为业务（BE.Best effort）。对于下行的业务流，根据业务流的应用类型只有QoS参数的限制（即不同的应用类型有不同的QoS参数限制）而没有调度类型的约束，因为下行的带宽分配是由BS中的Buffer中的数据触发的。这里定义的QoS参数都是针对空中接口的，而且是这4种业务的必要参数。

  *睡眠模式

  802.16e协议为适应移动通信系统的特点，增加了终端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于减少MS的能量消耗并降低对ServingBS空中资源的使用。Sleep模式是MS在预先协商的指定周期内暂时中止ServingBS服务的一种状态。从ServingBS的角度观察，处于这种状态下的MS处于不可用（unavailability）状态。Idle模式为MS提供了一种比Sleep模式更为省电的工作模式，在进入Idle模式后，MS只是在离散的间隔，周期性地接收下行广播数据（包括寻呼消息和MBS业务），并且在穿越多个BS的移动过程中，不需要进行切换和网络重新进入的过程。Idle模式与Sleep模式的区别在于：Idle模式下MS没有任何连接，包括管理连接，而Sleep模式下MS有管理连接，也可能存在业务连接；Idle模式下MS跨越BS时不需要进行切换，Sleep模式下MS跨越BS需要进行切换，所以Idle模式下MS和基站的开销都比Sleep小；Idle模式下MS定期向系统登记位置，Sleep模式下MS始终和基站保持联系，不用登记。

    *切换技术

  802.16e标准规定了一种必选的切换模式，在协议中简称为HO（handover），实际上就是我们通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选的切换模式：MDHO（宏分集切换）和FBSS（快速BS切换）。移动台可以通过当前的服务BS广播的消息获得相邻小区的信息，或者通过请求分配扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评估，寻找潜在的目标小区。切换既可以由MS决策发起也可以由BS决策发起。在进行快速基站切换（FBSS）时，MS只与AnchorBS进行通信；所谓快速是指不用执行HO过程中的步骤就可以完成从一个AnchorBS到另一个AnchorBS的切换。支持FBSS对于MS和BS来说是可选的。进行宏分集切换（MDHO）时，MS可以同时在多个BS之间发送和接收数据，这样可以获得分集合并增益以改善信号质量。是否支持MDHO对于MS和BS来说是可选的。

    3 WiMAX的应用场景

  基于以上特点。WiMAX论坛给出了WiMAX技术的5种应用场景定义，即固定、游牧、便携、简单移动和全移动。

  （1）固定应用场景：固定接入业务是802.16运营网络中最基本的业务模型，包括用户因特网接入、传输承载业务及Wi-Fi热点回程等。

  （2）游牧应用场景：游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中；在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入；在两次不同网络的接入中，传输的数据将不被保留。在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游，并应具备终端电源管理功能。

  （3）便携应用场景：在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小区切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展，从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。当终端进行切换时，用户将经历短时间（最长为2s）的业务中断或者感到一些延迟。切换过程结束后，TCP/IP应用对当前IP地址进行刷新，或者重建IP地址。

  （4）简单移动应用场景：在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到60km/h～120km/h时，数据传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程中，数据包的丢失将控制在一定范围内，在最差的情况下，TCP/IP会话不中断，但应用层业务可能有一定的中断。切换完成后，QoS将重建到初始级别。简单移动和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。移动数据业务是移动场景（包括简单移动和全移动）的主要应用，包括目前被业界广泛看好的移动E-mail、流媒体、可视电话、移动游戏、移动VoIP（MVoIP）等业务，同时它们也是占用无线资源较多的业务。

  （5）全移动应用场景：在这一场景下，用户可以在移动速度为120km/h甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。

    4 宽带移动通信的前景及几点思考

  随着无线通信技术的不断发展，WiFi(无线局域网)，WiMax(无线城域网)，3G(无线广域网)这三种技术将为我们随时随地提供高速无线连接。

  WiFi技术可以提供高达54Mbit/s的无线接入速度，但是它的传输距离十分有限，仅限于半径约为100米的范围。3G移动电话系统可以提供非常广阔的传输范围，但是它的接入速度却相对缓慢。WiMAX能提供最高接入速度是70Mbit/s，其信号传输半径可以达到50公里，刚好弥补了WiFi、3G的不足。在不久的将来，三者的结合将会为我们创造出一个完美的无线网络。

  笔者一直在无线电管理部门工作，考虑到宽带移动通信时代到来后，会出现信号宽带化、频谱噪声化、覆盖无缝化、台站密集化等新情况，那时的人们不但要求随时随地接入宽带网络，而且对自身的健康更关注，对设台地点的物权保护意识更强。因此，无线电管理工作者需要重点关注以下几个问题：

  （1）提高对3000MHz以上频段的频谱监测和数据的统计分析的能力。

  （2）提高对宽带信号进行信号特征分析的能力。

  （3）加强对使用中的各种宽带接入设备的发射指标的监督检测。

  （4）建立对密集设置的宽带接入设备产生的电磁辐射的告警机制。

  （5）研究未来无线电台站址成为紧缺资源时，对其如何进行规划管理的课题。

  以上几个问题是摆在无线电管理者面前的新课题，应尽早予以研究，以强有力的技术管理手段迎接宽带移动通信技术广泛应用时代的到来。