WiMAX技術(shù)的特點與應(yīng)用

1、WiMAX簡介

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，它正迅速發(fā)展并將在無線城域網(wǎng)中扮演重要角色。WiMAX技術(shù)作為世界無線通信協(xié)議家庭中的重要一員，在整個無線通信標(biāo)準(zhǔn)中所處位置如圖1所示。

WiMAX支持非視距傳播條件下的無線寬帶接入，它致力于為無線網(wǎng)絡(luò)提供低時延、高質(zhì)量的語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。近兩年來，WiMAX技術(shù)正在迅速發(fā)展，其發(fā)展進(jìn)程如圖2所示。

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圖1　全球不同覆蓋范圍的主要無線通信標(biāo)準(zhǔn)

圖2　WiMAX技術(shù)發(fā)展的時間表

從2001年10月IEEE制定第一個版本的802.16標(biāo)準(zhǔn)到2004年6月的802.16d(現(xiàn)稱為IEEE802.16-2004)均為固定的無線接入方式，不支持移動性。直到2005年底IEEE發(fā)布802.16e標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX才擁有性能比較好的移動性，移動WiMAX也因此引起了更多制造商和運(yùn)營商的興趣和關(guān)注。

2、移動WiMAX技術(shù)的特點

2.1　移動WiMAX技術(shù)物理層特點

為了使移動WiMAX技術(shù)具有更好的性能和更廣闊的應(yīng)用前景，其物理層設(shè)計頗具特點，其主要特點具體如下：

(1)所使用的頻段

IEEE 802.16d所推薦使用的頻段是2～11 GHz，它綜合考慮了世界無線電頻譜占用情況和移動及非視距傳播需求，802.16e為了支持移動性推薦其頻率范圍為6GHz以下。鑒于我國2-6GHz 頻率的使用情況，移動WiMAX使用3.3GHz和3.5GHz的可能性較大，不過國家無線電管理部門還未正式對其分配頻段。

(2)OFDM/OFDMA

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，適合在多徑衰落和多普勒頻移的無線信道中傳輸高速數(shù)據(jù)，它將是以后4G 中的核心技術(shù)之一。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道，減小了多徑衰落的影響。

在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)為物理層技術(shù)，主要應(yīng)用的方式有兩種，即OFDM物理層和OFDMA物理層。WiMAX的OFDM物理層采用 OFDM調(diào)制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產(chǎn)生，為單一用戶并行傳送數(shù)據(jù)流。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(fù)用方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS自適應(yīng)天線系統(tǒng)。

WiMAX的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。OFDMA系統(tǒng)可以支持長度為2048，1024，512和128的FFT點數(shù)，通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)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端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議(MAP)分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。

2.2　移動WiMAX技術(shù)接入層特點

IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)可以在同一信道中支持視頻、音頻數(shù)據(jù)流，同時支持突發(fā)性的高速率數(shù)據(jù)需求。MAC算法分配給單個終端用戶的資源可以從一個時隙到整個幀，這樣在任何時間都可以根據(jù)需求向某一個特定的用戶終端提供動態(tài)范圍非常大的吞吐量。

移動WiMAX接入層的特點主要表現(xiàn)在以下3個方面：

(1)QoS

在不對稱的上下行容量、良好的資源劃分方式和靈活的資源分配機(jī)制下，移動WiMAX可以提供有QoS保障的數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用。移動WiMAX根據(jù)需求不同提供不同QoS的服務(wù)，詳細(xì)情況參見表1（略）。

　　(2)移動性管理

對于移動通信而言，電池的壽命和越區(qū)切換是兩個關(guān)鍵的因素。移動WiMAX在這兩方面都做了精心設(shè)計。

首先，移動WiMAX有良好的功率管理機(jī)制。移動WiMAX技術(shù)支持睡眠和空閑兩種省電模式：睡眠模式在移動臺與基站失去聯(lián)系的情況下啟用，在睡眠模式下移動臺的功率和對基站空中接口資源地使用都將最小化;空閑模式是指在移動臺穿越被多個基站重疊覆蓋的區(qū)域時周期性的接收廣播信道的消息而不在某個基站進(jìn)行注冊，這樣對于移動臺可以避免進(jìn)行頻繁越區(qū)切換而對于基站可以減少空中接口資源和越區(qū)切換通信量。

其次，IEEE 802.16e定義了3種越區(qū)切換方式，即硬切換、快速BS切換和宏分集切換。其中，硬切換是必須支持的切換方式，快速BS切換和宏分集切換是兩種可選的模式。移動臺可以通過當(dāng)前的服務(wù)BS廣播的消息獲得相鄰小區(qū)的信息，或者通過請求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來對鄰近的基站進(jìn)行掃描和測距的方式獲得相鄰小區(qū)信息，對其評估，尋找 潛在的目標(biāo)小區(qū)。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，MS只與 AnchorBS進(jìn)行通信。所謂快速是指不用執(zhí)行HO過程中的步驟就可以完成從一個AnchorBS到另一個AnchorBS的切換。支持FBSS對于 MS和BS來說是可選的。進(jìn)行宏分集切換(MDHO)時，MS可以同時在多個BS之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這樣可以獲得分集合并增益以改善信號質(zhì)量。支持 MDHO對于MS和BS來說是可選的。

(3)安全性

移動WiMAX使用了當(dāng)今最為先進(jìn)的安全性技術(shù)，因此它的安全性能也十分突出，它主要使用的技術(shù)包括以下幾個方面：

●碼字管理協(xié)議版本2(Privacy and Key Management Protocol)是IEEE 802.16e加密的基礎(chǔ)，其它諸如通信量加密編碼、切換鍵交換以及多播和廣播安全信息等加密措施均以它為基石。

●用戶和設(shè)備鑒權(quán)：移動WiMAX使用了IETF EAP協(xié)議來提供基于SIM卡、數(shù)字認(rèn)證、用戶名/密碼等多種用戶和設(shè)備鑒權(quán)方式。

●通信量加密編碼：AES-CCM可以在移動WiMAX的MAC層接口保護(hù)所有的用戶數(shù)據(jù)。EAP鑒權(quán)系統(tǒng)產(chǎn)生碼字來開啟密碼。通信量加密編碼有周期性的碼字更新機(jī)制，系統(tǒng)能持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換碼字從而更加提高了系統(tǒng)的安全性。

●消息控制協(xié)議：通過基于CMAC的AES或是基于MD5的HMAC算法控制數(shù)據(jù)。

●快速切換支持：移動WiMAX支持3種握手算法來優(yōu)化重新驗證機(jī)制以達(dá)到支持快速切換的目的。

3、移動WiMAX與3G性能比較

3.1　移動WiMAX與3G系統(tǒng)參數(shù)的比較

1x EV DO和HSDPA/HSUPA是主流3G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)方向，它們最初構(gòu)想是以移動語音業(yè)務(wù)為主要的網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。1x EV DO和HSPDA/HSPA在繼承3G標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點的同時也受到3G標(biāo)準(zhǔn)局限性的限制。而WiMAX最初是為固定寬帶無線接入和最優(yōu)化的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)而發(fā)展的，正因為如此WiMAX也曾面臨著不斷增加移動性需求的挑戰(zhàn)。表2對1x EV DO，HSPDA/HSPA以及移動WiMAX系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了比較。

表2　移動WiMAX和3G標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)的比較

3.2　抗多徑干擾和自干擾性能的比較

在OFDMA系統(tǒng)中，子信道在循環(huán)前綴窗中保持了正交性，可以有效降低碼間干擾，因此多徑信號的數(shù)量不會影響系統(tǒng)的性能。

在CDMA系統(tǒng)中，通常使用RAKE接收機(jī)來抗多徑衰落。除了多徑衰落以外，頻點偏移、多普勒效應(yīng)等都會使CDMA系統(tǒng)受到小區(qū)內(nèi)其它用戶的干擾甚至是自干擾。這些干擾可以通過時域均衡器加以減弱，但CDMA系統(tǒng)不可能像OFDMA系統(tǒng)那樣完全消除這些干擾。因此，在無線通信系統(tǒng)多徑干擾十分普遍的情況下，OFDMA系統(tǒng)比CDMA系統(tǒng)具有更好的健壯性和更低的復(fù)雜性。

3.3　頻譜利用率的比較

當(dāng)今世界無線頻率無疑是非常寶貴的資源，3G標(biāo)準(zhǔn)和WiMAX技術(shù)都十分關(guān)注本系統(tǒng)的頻譜利用效率，它們都使用了頻率重用技術(shù)。為了更為直觀地比較移動WiMAX，1x EV DO和HSDPA頻譜利用率，可作以下幾點假設(shè)：第一，所有系統(tǒng)每個群只有1個基站，只有1個頻率需要被重用，每個基站有3個扇區(qū);第二，每個扇區(qū)所有的通信量由10個活躍用戶模擬;第三，假設(shè)移動WiMAX采用2×2的MIMO配置。以這幾點假設(shè)為前提，WiMAX的仿真結(jié)果如表3所示。

表3　移動WiMAX與3G標(biāo)準(zhǔn)頻譜利用率的比較

4、WiMAX技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

4.1　WiMAX技術(shù)的應(yīng)用

IEEE 802.16建議的WiMAX技術(shù)的應(yīng)用主要有以下4種：

(1)終端接入：在終端接入模式下，用戶終端設(shè)備直接通過作為SAP的WiMAX基站接入核心網(wǎng)。這種應(yīng)用用戶需要配備WiMAX無線網(wǎng)卡。

(2)小區(qū)回程：WiMAX也可以作為基站和BSC，BSC和MSC之間的通信連接手段。

(3)企業(yè)網(wǎng)互聯(lián)：WiMAX也可以充當(dāng)將企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)等局域網(wǎng)接入到城域網(wǎng)的手段。

(4)無線網(wǎng)橋：WiMAX提供點到點無線鏈接，與網(wǎng)橋的作用相似，其目的是把地理位置分離的兩個子網(wǎng)絡(luò)通過WiMAX無線鏈路連接在一起。

筆者認(rèn)為，在無線寬帶接入需求日益增長的環(huán)境中第一種應(yīng)用將最具市場活力，但與3G的應(yīng)用有些沖突。剩余的幾種應(yīng)用方式本質(zhì)上是將WiMAX作為一種無線傳輸手段。在這種應(yīng)用方面3.5G技術(shù)雖然已經(jīng)商用，但3.5G技術(shù)出現(xiàn)了“拍熱用冷”的局面，其商用程度并不理想。WiMAX技術(shù)的初期市場主要在后面幾種應(yīng)用。

4.2　WiMAX技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

每一種新技術(shù)的出現(xiàn)都是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的，WiMAX技術(shù)也一樣存在著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

如上 文所述的WiMAX技術(shù)的應(yīng)用方式從全球來講均有其對應(yīng)的市場空間，無論是已經(jīng)形成較為完整網(wǎng)絡(luò)的老牌運(yùn)營商，還是剛進(jìn)入移動通信市場的新興運(yùn)營商，都對WiMAX技術(shù)有較大的興趣。

移動WiMAX技術(shù)在諸如雙工方式、智能天線技術(shù)等許多技術(shù)層面與我國的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)有不少相似之處。相對于其它兩種主流3G標(biāo)準(zhǔn)來講，移動WiMAX技術(shù)與我國TD-SCDMA技術(shù)的結(jié)合是最佳“結(jié)合點”，我國的TD-SCDMA的發(fā)展也將為其提供發(fā)展的契機(jī)。

相對于其它無線通信產(chǎn)品的互通性測試所需時間往往高于最初的期望，由圖2可以看到WiMAX技術(shù)的發(fā)展過程中十分注重產(chǎn)品的兼容性和互通性測試，這樣使企業(yè)的投資風(fēng)險明顯的降低，有利于吸引更多的企業(yè)投資WiMAX技術(shù)的研發(fā)工作。WiMAX技術(shù)已經(jīng)得到許多大型通信企業(yè)的關(guān)注，通過共同參與標(biāo)準(zhǔn)的制定，有更多的企業(yè)進(jìn)入了這個市場。同時，有更多的企業(yè)參與競爭最終將使產(chǎn)品更為廉價。

當(dāng)然，WiMAX技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)也不少。筆者認(rèn)為它所面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點：

首先，最為吸引運(yùn)營商目光的移動WiMAX標(biāo)準(zhǔn)已于2005年底發(fā)布，其實驗室驗證于2006年底完成，商用化產(chǎn)品至少要到2008年年初才能投向市場。這段時間正處于中國3G牌照發(fā)放的敏感時期，國家政策對我國WiMAX技術(shù)發(fā)展的影響是決定性的。

其次，根據(jù)無線電波的傳播模型，在700/800MHz頻率上的有效小區(qū)半徑是1.9GHz頻率上的約兩倍。同理，2.5～3.5GHz的有效小區(qū)半徑是700/800MHz的1/8～1/4，也就是使用3.5G頻率的WiMAX系統(tǒng)在以覆蓋為目的的初期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，所需基站數(shù)量要遠(yuǎn)多于GSM 系統(tǒng)。這對于運(yùn)營商初期的設(shè)備和基站土建投資是一個考驗。

第三，業(yè)界認(rèn)為移動WiMAX技術(shù)不可能完全取代3G，3G的建設(shè)不會因為WiMAX技術(shù)的出現(xiàn)而停止。能否與3G做到良好的互補(bǔ)，能否找到真正可行的運(yùn)營模式都直接影響著移動WiMAX技術(shù)能否良好發(fā)展。

第四，國家至今還沒有為WiMAX劃定其所使用的頻段，能否擁有統(tǒng)一的頻段也是影響移動WiMAX技術(shù)能否良好發(fā)展的一個重要因素。

5、結(jié)束語

從2001年WiMAX論壇建立到現(xiàn)在已5年有余，圍繞著WiMAX展開的爭論從來就沒有停止過。從技術(shù)上講，WiMAX使用了OFDMA和 MIMO較為領(lǐng)先的技術(shù)，但技術(shù)的先進(jìn)并不能決定一種技術(shù)是否能得到推廣。在我國，3G建設(shè)形勢還不明朗的現(xiàn)在，WiMAX技術(shù)在擁有巨大商機(jī)的同時也面臨著不小的挑戰(zhàn)，我國3G的相關(guān)政策、移動WiMAX技術(shù)商用化的進(jìn)程、移動WiMAX技術(shù)與3G，技術(shù)融合的成功與否都對WiMAX技術(shù)的發(fā)展有著重要的影響。