WiMAX技術(shù)與下一代無線移動(dòng)寬帶應(yīng)用

1引言

隨著現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和電信業(yè)務(wù)的日益豐富，用戶寬帶接入技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。一方面，傳統(tǒng)的固定寬帶接入用戶越來越不滿足于固定寬帶業(yè)務(wù)，希望寬帶服務(wù)能延伸到移動(dòng)環(huán)境。另一方面，傳統(tǒng)的移動(dòng)用戶也不滿足于簡(jiǎn)單的語音、短信等低速服務(wù)，而希望能享受到寬帶服務(wù)。寬帶移動(dòng)化和移動(dòng)寬帶化使得寬帶服務(wù)和移動(dòng)服務(wù)逐漸融合。在眾多的移動(dòng)寬帶技術(shù)中，WiMAX由于其性能上的優(yōu)點(diǎn)得到了普遍的關(guān)注，被譽(yù)為是“超級(jí)連接世界的真正無線寬帶”[1]。

WiMAX（World Interoperability for Microwave Access，微波接入全球互通）是一種基于IEEE 802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線技術(shù)，最初該技術(shù)僅定位于固定的寬帶無線接入?；?02.16e的第二代WiMAX是支持移動(dòng)特性的標(biāo)準(zhǔn)，是一項(xiàng)基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術(shù)，其基本目標(biāo)是提供一種在城域網(wǎng)環(huán)境下可有效地互通的寬帶無線接入方案。

2WiMAX的主要技術(shù)

由Shannon公式，信道的極限信息傳輸速率C（bps）=W·log2（1+S/N），即實(shí)際帶寬是最大數(shù)據(jù)傳輸速率與帶寬利用率的乘積。提高實(shí)際帶寬可以有三種方法：第一是增加帶寬的利用率。相對(duì)于當(dāng)前廣泛使用的 CDMA技術(shù)，WiMAX使用的是OFDM技術(shù)，可以有效的提高信道利用率。第二是提高頻率。第三是增加信噪比，由于信噪比進(jìn)行了取對(duì)數(shù)運(yùn)算，增加信噪比可謂事倍功半。

可見，提高頻率是增加帶寬最直接有效的辦法。在WiMAX技術(shù)中，802.16d標(biāo)準(zhǔn)使用在無線城域網(wǎng)，采用低于11G的工作頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到75Mbit/s，而802.16e標(biāo)準(zhǔn)，使用在移動(dòng)無線局域網(wǎng)，工作頻段為采用2～6GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到30Mbit/s。再結(jié)合移動(dòng)蜂窩技術(shù)，WiMAX技術(shù)的主要思路就比較清楚了，它使用高頻段和高發(fā)射功率，從而獲得比傳統(tǒng)移動(dòng)電話更高的帶寬，比WLAN技術(shù)更大的覆蓋范圍。具體的，WiMAX使用了下面所述的幾種主要技術(shù)。

2.1OFDM/OFDMA

WiMAX引進(jìn)了正交頻分復(fù)用（OFDM）和正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)技術(shù)。OFDM的基本思想是把信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，分配到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。

在（OFDM/OFDMA）中，頻譜被分成許多的子載波，子載波采用QPSK或QAM調(diào)制。通過采用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，每個(gè)天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)信號(hào)通道吞吐量，能夠?yàn)橛脩籼峁?Mbit/s～70Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。

2.2HARQ技術(shù)

混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳（HARQ）是在自動(dòng)請(qǐng)求重傳（ARQ）系統(tǒng)中混入和前向糾錯(cuò)編碼（FEC）子系統(tǒng)。ARQ具有簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但它的效率低、時(shí)延大。FEC則有效性較高，但可靠性比ARQ低，而且復(fù)雜度也較高。HARQ技術(shù)綜合ARQ和FEC的優(yōu)點(diǎn)，可以自適應(yīng)地基于信道條件提供精確的編碼速率調(diào)節(jié)，并補(bǔ)償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼，以提高系統(tǒng)性能。發(fā)送端發(fā)送的編碼不僅能檢錯(cuò)，還具有一定的糾錯(cuò)能力，這在一定程度上避免了FEC要求復(fù)雜的譯碼設(shè)備和ARQ信息連續(xù)性差的缺點(diǎn)，誤碼率較低。

2.3AMC技術(shù)

自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)中的自適應(yīng)是指當(dāng)信道狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，發(fā)射端的發(fā)射功率保持不變，調(diào)制和編碼方式隨信道狀態(tài)變化而自適應(yīng)的改變，由此能在不同的信道狀態(tài)下獲得最大的吞吐量。在現(xiàn)代移動(dòng)通信中，系統(tǒng)擁有多種物理層（PHY）可供選擇，自適應(yīng)調(diào)制編碼就是根據(jù)信道的不同條件選擇適當(dāng)?shù)腜HY傳輸模式以達(dá)到最大的吞吐量。

WiMAX中的AMC技術(shù)必須根據(jù)WiMAX的技術(shù)特征來實(shí)現(xiàn)AMC功能。WiMAX物理層采用了OFDM技術(shù)，時(shí)延擴(kuò)展、多普勒頻移、PAPR值、小區(qū)的干擾等信道因素對(duì)于OFDM解調(diào)性能有重要的影響，這種影響在AMC算法中必須被考慮，以調(diào)整系統(tǒng)編碼調(diào)制方式，達(dá)到系統(tǒng)瞬時(shí)最優(yōu)性能。

2.4MAC層技術(shù)

WiMax基站通過靈活的幀結(jié)構(gòu)提前安排好了用戶的傳輸過程，從而能夠?yàn)榇罅康挠脩籼峁┙尤敕?wù)。用戶在首次連接到信道之前，需要做一次先后接入順序的處理。IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)中MAC層是為了實(shí)現(xiàn)無線寬帶接入而開發(fā)的，為了滿足無線寬帶更高的速率要求和更多樣性的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。802.16標(biāo)準(zhǔn)的MAC層通過上行鏈路和下行鏈路的自適應(yīng)分配，為用戶提供了QoS服務(wù)。MAC層定義了較為完整的QoS機(jī)制。在每一個(gè)信道中，允許不同的用戶共享每個(gè)終端，用戶可以根據(jù)自己的帶寬和延遲情況調(diào)整QoS服務(wù)。802.16標(biāo)準(zhǔn)的MAC層的協(xié)議將是兼容性很強(qiáng)和高效的一種協(xié)議，在中遠(yuǎn)距離高速率傳輸?shù)臒o線寬帶競(jìng)爭(zhēng)中占有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

在WiMax標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)不同的連接，MAC層可以分別設(shè)置不同的QoS參數(shù)，包括速率、延時(shí)等指標(biāo)。WiMax系統(tǒng)所定義的4種調(diào)度類型只針對(duì)上行的業(yè)務(wù)流。對(duì)于下行的業(yè)務(wù)流，根據(jù)業(yè)務(wù)流的應(yīng)用類型只有QoS參數(shù)的限制（即不同的應(yīng)用類型有不同的QoS參數(shù)限制）而沒有調(diào)度類型的約束。WiMAX系統(tǒng)定義了業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)集，提供面向鏈接的QoS保障。WiMAX支持固定速率、實(shí)時(shí)可變比特率（VBR）、非實(shí)時(shí)可變比特率、盡力而為四種業(yè)務(wù)類型，這種差異化服務(wù)可以很好提供QoS服務(wù)。

2.5快速蜂窩選擇FCS

使用FCS，確定“最好的”蜂窩不僅要考慮無線信號(hào)傳播的條件，還要考慮Activeset中小區(qū)的功率和碼字空間的資源。有很多小區(qū)基站處于activeset，但只有最適合的基站允許發(fā)送，這樣可以降低相互干擾，提高系統(tǒng)容量。在較遠(yuǎn)的邊緣處，每條子信道的質(zhì)量都比較低，使用FCS策略可以選擇一個(gè)服務(wù)小區(qū)，使得鏈路的質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。

2.6安全性

為增強(qiáng)無線傳輸系統(tǒng)安全性，IEEE 802.16在MAC層中定義了一個(gè)保密子層來提供安全保障。保密子層主要包括兩個(gè)協(xié)議：數(shù)據(jù)加密封裝協(xié)議和密鑰管理協(xié)議（PKM）。

3WiMAX的性能特點(diǎn)

做為寬帶無線接入的選擇方案，WiMax有自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

3.1遠(yuǎn)距離傳輸

WiMax的無線信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50公里，是無線局域網(wǎng)所不能比擬的，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積是3G（3rd Generation）基站的10倍，只要建設(shè)少數(shù)基站就能實(shí)現(xiàn)全城覆蓋，這樣就使得無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的范圍大大擴(kuò)展。

3.2高速寬帶接入

WiMax所能提供的最高接入速度是70M，是3G所能提供的寬帶速度的30倍。WiMax采用與無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11a和11g相同的OFDM調(diào)制方式，因?yàn)閃iMax可通過室外固定天線穩(wěn)定地收發(fā)無線電波，所以承載的比特?cái)?shù)高于11a和11g。WiMax可實(shí)現(xiàn)74.81M的最大傳輸速度。

3.3無“最后一公里”瓶頸限制

最后一公里的接入一直是制約通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶無線接入逐漸成為用戶新的選擇。WiMAX具有頻譜高效、覆蓋面大、吞吐量高等特點(diǎn)，可以將Wi-Fi熱點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)，解決用戶的高速無線接入問題，可以作為有線接入網(wǎng)絡(luò)的無線擴(kuò)展技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最后一公里的寬帶接入。

3.4多媒體通信服務(wù)

WiMax比Wi-Fi具有更好的可擴(kuò)展性和安全性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)電信級(jí)的多媒體通信服務(wù)。高帶寬可以將IP網(wǎng)的缺點(diǎn)大大降低，從而大幅度提高VoIP、視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)電視的QoS。

目前，這類應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)。為各類車輛內(nèi)的乘客提供高速移動(dòng)狀態(tài)下的多媒體服務(wù)、定位服務(wù)。如在城鐵、地鐵、公交車、火車上為乘客提供高速網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)、到站提示、車輛定位、實(shí)時(shí)影視、廣告等各類服務(wù)。

4WiMAX應(yīng)用推廣及其關(guān)鍵問題

WiMAX論壇下的CPWG（Contribution to Service Provider Working Group）工作組在2004年12月的WiMAX網(wǎng)絡(luò)規(guī)范要求中把WiMAX網(wǎng)絡(luò)所支持的應(yīng)用分為三類，分別是：普通IP應(yīng)用，高級(jí)IP應(yīng)用和非IP應(yīng)用。

在普通IP應(yīng)用中支持非實(shí)時(shí)IP應(yīng)用，比如FTP，e-mail，Web瀏覽，遠(yuǎn)程訪問VPN等。普通服務(wù)的特點(diǎn)是盡力而為服務(wù)，即對(duì)這些服務(wù)沒有確定的QoS保證。

在高級(jí)IP應(yīng)用支持所有準(zhǔn)實(shí)時(shí)應(yīng)用，比如音頻/視頻（A/V）流，VoIP，多媒體IP會(huì)議，IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）應(yīng)用，定位和在場(chǎng)觸發(fā)IP應(yīng)用等?？晒芾淼腎P服務(wù)提供特定的SLA (ServiceLevelAgreements)，包括QoS。并支持不同的計(jì)費(fèi)策略。

在非IP服務(wù)兼容支持目前已有的短消息服務(wù)（Short Message Service，SMS）和多媒體信息服務(wù)（Multi-media Message Service，MMS）。

WiMAX是繼3G和WLAN（Wireless Local Area Network）之后又一項(xiàng)被業(yè)界寄予高度厚望的技術(shù)。作為一種面向最后一公里接入領(lǐng)域的無線LAN技術(shù)，WiMAX可以在多個(gè)寬帶相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在不便于部署傳統(tǒng)有線寬帶接入技術(shù)的區(qū)域，WiMAX將作為有效的寬帶接入選擇。

5無線寬帶技術(shù)從競(jìng)爭(zhēng)到融合

WiMAX應(yīng)用的推廣最關(guān)鍵的障礙不是在技術(shù)上，而是在于沒有分配確定的全球統(tǒng)一的頻譜。世界各國(guó)各地區(qū)的無線電管治政策和頻譜分配狀況差異很大，各自的標(biāo)準(zhǔn)都有很大區(qū)別，要在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一WiMAX頻譜是比較困難的。在幾乎寸土寸金的無線頻段中，WiMAX技術(shù)想獲得一個(gè)適當(dāng)頻段，將會(huì)付出一些代價(jià)。如果頻譜不統(tǒng)一的狀況沒有得到解決，WiMAX設(shè)備制造商就必須為不同國(guó)家和地區(qū)制造不同頻譜的設(shè)備，而且WiMAX將無法實(shí)現(xiàn)全球漫游。

WiMAX網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積是3G的10倍，傳輸速率可達(dá)3G的30倍，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但這種優(yōu)勢(shì)并不是絕對(duì)壓倒性的。這種優(yōu)勢(shì)還不足以推動(dòng)WiMAX去全面替代其它無線寬帶技術(shù)。另外，從技術(shù)自身角度來看，WiMAX還不具備公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的廣域漫游、安全特性、終端便攜等移動(dòng)特性。其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手如3G、WLAN、Wi-Fi技術(shù)也將會(huì)在應(yīng)用中發(fā)展提高，不斷地挑戰(zhàn)WiMAX的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，各種無線寬帶技術(shù)都不足以在市場(chǎng)上獲得絕對(duì)的壟斷地位，但不同的技術(shù)互相融合已成為大勢(shì)所趨，從競(jìng)爭(zhēng)走向融合也是現(xiàn)代無線通信技術(shù)發(fā)展的必由之路。

6結(jié)束語

市場(chǎng)需要真正的無線寬帶服務(wù)。而現(xiàn)有應(yīng)用的大多數(shù)技術(shù)還不能向用戶提供真正的無線寬帶體驗(yàn)的服務(wù)，一場(chǎng)大規(guī)模的技術(shù)演變和變革就勢(shì)在必行。而WiMAX因?yàn)槠渥陨砑夹g(shù)上的優(yōu)勢(shì)，而被業(yè)界寄予厚望。從目前的情況來看，WiMAX很有可能成為4G標(biāo)準(zhǔn)的組成部分。在這場(chǎng)變革中，無論是在發(fā)達(dá)國(guó)家還是在發(fā)展中國(guó)家，WiMAX都有良好的發(fā)展前景。當(dāng)然，無論哪種技術(shù)成為最終的勝利者，獲益者都會(huì)是消費(fèi)者。

參考文獻(xiàn)

[1]黃節(jié). WiMAX———超級(jí)連接世界的真正無線寬帶.現(xiàn)代電信科技，2007，33（9）：60~61

[2]孫天偉，黃朝喜. WiMAX無線寬帶接入技術(shù)應(yīng)用與研究.廣西通信技術(shù)，2007，（3）：13~16

[3]徐玉.超寬帶無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng).電信科學(xué)，2004，（3）：33~35

[4]黃曉宇，劉望軍. 3G移動(dòng)無線寬帶技術(shù)與WiMAX性能分析.中國(guó)無線電，2006，（2）：29~32

[5] Neil P.，Reid.寬帶固定無線網(wǎng).北京：人民郵電出版社，2004. 1