移動WiMAX——引人矚目的寬帶無線接入技術(shù)

引言

近兩年來WiMAX發(fā)展迅速，逐漸成為城域?qū)拵�無線接入技術(shù)發(fā)展的熱點。在2004年10月正式發(fā)布固定寬帶無線接入技術(shù)IEEE 802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)（802.16d的最終版本）后，為了迎合全球通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展移動化和寬帶化結(jié)合的趨勢，WiMAX論壇于2005年12月推出了支持移動性的寬帶無線接入標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16e-2005，從而使移動終端能夠在不同基站間進行切換和漫游。

一、WiMAX的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前，IEEE 802.16空中接口標(biāo)準(zhǔn)主要包括IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e-2005。IEEE 802.16-2004是固定無線接入標(biāo)準(zhǔn)，對前幾個IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)進行了整合和修訂，是相對比較成熟并且最具有實用性的標(biāo)準(zhǔn)版本。該標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于2GHz～11GHz非視距（NLOS）傳輸和10GHz～66GHz視距（LOS）傳輸，定義了支持多種業(yè)務(wù)類型的固定寬帶無線接入系統(tǒng)的MAC層和相對應(yīng)的多個物理層。而IEEE 802.16e-2005是802.16-2004的增強版，與前幾個802.16系列標(biāo)準(zhǔn)的最大區(qū)別在于對移動性的支持。該標(biāo)準(zhǔn)可同時支持固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)，工作在<6GHz適宜于移動性的許可頻段，可支持用戶終端以車輛速度移動（一般低于120km/h）。

1.1 WiMAX協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

WiMAX的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，包括物理層和媒體接入控制層（MAC）。MAC層又包含三個子層：特定服務(wù)匯聚子層，提供與更高層的接口，通過不同的匯聚方式更好地適配各種上層協(xié)議；公共部分子層，負(fù)責(zé)執(zhí)行MAC層的核心功能，包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接建立、連接維護等；安全子層，提供加密、鑒權(quán)、密鑰交換等與安全有關(guān)的功能。

圖1 WiMAX的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)模型

為了支持移動性，IEEE 802.16e-2005的物理層和MAC層都有一定改進和增強，加入了一些新的特性。下面具體介紹一下IEEE 802.16e-2005在物理層和MAC層的改進。

1.2 物理層

WiMAX系統(tǒng)為滿足各種不同應(yīng)用場合制定了兩個使用頻段：10GHz～66 GHz與2GHz～11GHz。WiMAX在10GHz～66GHz頻帶內(nèi)，定義了一個單載波調(diào)制模式的空中接口WirelessMAN-SC；在2GHz～11GHz頻段范圍內(nèi)，定義了三個空中接口規(guī)范：

（1）WirelessMAN-Sca：增強單載波調(diào)制模式。

（2）WirelessMAN-OFDM（正交頻分多路復(fù)用）：使用256載波OFDM方式。這種空中接口通過時分復(fù)用接入方式多路訪問不同的基站。

（3）WirelessMAN-OFDMA（正交頻分多址接入）：使用2048載波OFDM方式。這種接口通過給每個接收機分配載波子集提供多路訪問。

IEEE 802.16e-2005的物理層實現(xiàn)方式與802.16-2004是基本一致的，主要差別是對OFDMA進行了擴展，采用OFDM及其增強版本可擴展的OFDMA（SOFDMA）。在IEEE 802.16-2004中，僅規(guī)定了2048點OFDMA。而在IEEE 802.16e-2005中，可以支持2048點、1024點、512點和128點OFDMA，以適應(yīng)不同地理區(qū)域，適應(yīng)20MHz到1.25MHz的信道寬帶差異。OFDMA采用多載波調(diào)制方式，將載波分成若干個組，每個組里又有很多子載波以形成子信道。對于每一個子信道，編碼和調(diào)制是獨立自適應(yīng)的，以便在更小的范圍內(nèi)優(yōu)化信道（而不是在整個信道范圍內(nèi)優(yōu)化）。同時，這種技術(shù)對頻譜資源的使用進行了優(yōu)化，并且通過給易受攻擊的鏈路分配一種魯棒體制加強室內(nèi)覆蓋。OFDMA技術(shù)如圖2所示。

圖2 OFDMA技術(shù)

OFDMA和SOFDMA同樣有利于固定寬帶業(yè)務(wù)，因為載波能更有效地分配頻譜和減少干擾。另一方面，OFDMA和SOFDMA的安裝和操作比OFDM更復(fù)雜。將來服務(wù)提供商可能傾向于部署802.16e網(wǎng)絡(luò)為固定和移動用戶服務(wù)。很多商家已經(jīng)宣布最初的802.16基站能夠通過軟件升級到802.16e。SOFDMA已經(jīng)得到標(biāo)準(zhǔn)制訂者和設(shè)備生產(chǎn)商的廣泛認(rèn)可。值得注意的是，基于SOFDMA的韓國標(biāo)準(zhǔn)WiBro（無線寬帶）已經(jīng)使IEEE相信了SOFDMA的優(yōu)點。WiBro和802.16e相互補充，這兩種技術(shù)的產(chǎn)品可共同使用。此外，Intel宣布SOFDMA將會成為室內(nèi)和移動設(shè)備可選擇的物理層實現(xiàn)方式。

1.3 媒質(zhì)接入控制（MAC）層

WiMAX系統(tǒng)（包括802.16e和802.16-2004）的MAC層最顯著的特點是面向連接，即所有業(yè)務(wù)（包括本身是無連接的業(yè)務(wù)）在802.16系統(tǒng)中都將映射到連接上，每條連接都有一個16比特的連接標(biāo)志（CID）作為唯一標(biāo)志。WiMAX的MAC層定義了較為完善的QoS機制，MAC層針對每個連接設(shè)置不同的QoS參數(shù)，包括速率、時延等指標(biāo)。為了更好地控制上行數(shù)據(jù)的帶寬分配，標(biāo)準(zhǔn)還定義了不同的上行帶寬調(diào)度模式，針對實時和非實時業(yè)務(wù)，固定比特率和可變比特率業(yè)務(wù)的特點采用不同的調(diào)度機制，實現(xiàn)帶寬的靈活分配。其MAC層的設(shè)計既支持點對多點（PMP）結(jié)構(gòu)，又支持網(wǎng)絡(luò)（Mesh）結(jié)構(gòu)，同時支持連續(xù)型業(yè)務(wù)和突發(fā)型業(yè)務(wù)，包括話音、數(shù)據(jù)、IP連接、VoIP等。為了解決無線傳輸環(huán)境的不穩(wěn)定性，MAC層采用了無線鏈路自適應(yīng)技術(shù)、ARQ和H-ARQ技術(shù)等來保證信息傳輸?shù)目煽啃院陀行�性�?

IEEE 802.16e-2005在IEEE 802.16-2004的基礎(chǔ)上在MAC層引入了很多新的特性。主要包括三個方面。

（1）切換技術(shù)

802.16e除了支持硬切換（HHO）外，還定義了宏分集切換（MDHO）和快速基站切換（FBSS），當(dāng)移動端（MS）跨小區(qū)移動時，為其提供無縫連接。硬切換的特點是先中斷與原服務(wù)基站的連接，再建立與目標(biāo)基站的業(yè)務(wù)連接；宏分集切換是移動端同時向/從多個基站發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。而移動WiMAX 所特有的快速基站切換，則利用選擇分集和快速切換機制提高鏈路質(zhì)量，當(dāng)移動端跨小區(qū)移動時，MS同時監(jiān)視激活集中的多個基站，但只與其中的一個目標(biāo)基站（anchor BS，錨基站）進行通信。

（2）節(jié)電功能

為了降低功耗，延長移動設(shè)備的電池壽命，802.16e定義了休眠和空閑兩種模式。休眠模式是用戶站在預(yù)先協(xié)商的指定周期內(nèi)暫時中止基站服務(wù)的一種狀態(tài)。休眠模式對于用戶站是可選的，對于基站是必須的。而空閑模式比休眠模式更省電，在進入空閑模式后，用戶站只是在離散的狀態(tài)下周期性地接收下行廣播數(shù)據(jù)(包括尋呼消息和MBS業(yè)務(wù))，并且在跨越多個基站的移動過程中，不需要進行切換和網(wǎng)絡(luò)重新進入的過程。

（3）安全能力

802.16eMAC層協(xié)議棧的安全子層提供接入控制，通過電子簽名認(rèn)證用戶和設(shè)備，并且應(yīng)用密鑰變換進行加密以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性。

二、WiMAX的技術(shù)優(yōu)勢

與現(xiàn)行的3G和WLAN技術(shù)（又稱Wi-Fi）相比，WiMAX具有以下優(yōu)勢：

（1）傳輸距離遠(yuǎn)

WiMAX的傳輸距離最遠(yuǎn)可以達到50km，遠(yuǎn)大于無線局域網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為3G基站的10倍，只要建設(shè)少數(shù)的基站就能實現(xiàn)全城覆蓋，擴大了無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

（2）數(shù)據(jù)傳輸速率高

WiMAX能實現(xiàn)70 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，是3G的30倍以上。與無線LAN標(biāo)準(zhǔn)802.11a和802.11g相同，WiMAX也采用OFDM調(diào)制方式，每個頻道的帶寬為20MHz。由于WiMAX可通過室外固定天線穩(wěn)定地收發(fā)無線電波，無線電波可承載的比特數(shù)高于802.11a和802.11g，可以實現(xiàn)的最大傳輸速度為74.8Mbit/s。

（3）擴展性好

WiMAX的規(guī)劃要求其能與Wi-Fi實現(xiàn)無縫漫游，也可作為數(shù)字用戶線(DSL)等有線接入方式的無線的擴展，實現(xiàn)“最后一公里”的寬帶接入。WiMAX將有望成為僅次于有線電視(CATV)和DSL的第三大寬帶存取模式。

（4）服務(wù)質(zhì)量高

WiMAX比Wi-Fi具有更好的可擴展性、安全性及服務(wù)質(zhì)量（QoS），因此可以更好地實現(xiàn)電信級的多媒體通信服務(wù)。高帶寬可以將IP網(wǎng)的缺點大大降低，從而大幅度提高VoIP的服務(wù)質(zhì)量。

三、商用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

WiMAX在商用化進程上已初步形成了芯片研發(fā)、設(shè)備生產(chǎn)、系統(tǒng)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈。以802.16e標(biāo)準(zhǔn)為主導(dǎo)的芯片研究發(fā)展迅速，Intel、意法半導(dǎo)體、Runcom、Beceem等公司已經(jīng)可以陸續(xù)提供802.16e芯片組，且大部分終端芯片都支持MIMO/AAS技術(shù)。 2006年1月，Samsung公司宣布其WiMAX M8000手持設(shè)備通過802.16e直接連接到了WiMAX基站。在網(wǎng)絡(luò)部署方面，2006年7月韓國KT公司推出了名為“WiBro”的移動WiMAX商用服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)已覆蓋首爾的部分熱點地區(qū)，其市場定位是要與移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)競爭，因此資費比HSDPA便宜20%左右。美國Sprint-Nextel公司也正式宣布投資30億美元計劃于2007年下半年在全美國范圍內(nèi)部署移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)，到2008年將覆蓋1億人口，主要針對DSL展開競爭。

中國的WiMAX市場也出現(xiàn)了新的動向。運營商對WiMAX的態(tài)度也開始出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)變，紛紛投入到WiMAX的測試中。值得一提的是，WiMAX能夠滿足2008年奧運會對無線寬帶接入的高速率要求，給我國通信市場帶來很大的市場機遇。同時，2010年在上海舉辦的世博會，也很有可能為WiMAX帶來商機。

但是，我們也應(yīng)該看到WiMAX在無線通信領(lǐng)域中發(fā)展并非一帆風(fēng)順，將會面臨許多挑戰(zhàn)。如頻譜資源方面，WiMAX沒有全球統(tǒng)一的無線頻率，以及WiMAX技術(shù)要面對3G、HSDPA、802.20等競爭技術(shù)的挑戰(zhàn)等。目前，任何一種通信技術(shù)都不可能獨霸市場。WiMAX很有可能將802.16e芯片內(nèi)置到手機中，與3G甚至B3G融合，最終邁向4G，形成一個真正無縫的、無處不在的移動寬帶網(wǎng)絡(luò)，最大程度地滿足用戶的需要。

四、結(jié)束語

未來移動通信技術(shù)的發(fā)展趨勢是移動通信寬帶化、寬帶通信移動化。移動WiMAX作為寬帶無線接入技術(shù)，以建網(wǎng)速度快、建設(shè)成本低、覆蓋面積廣、頻率效率高等特點逐漸受到運營商的青睞。隨著WiMAX技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善及系統(tǒng)功能開發(fā)的日趨成熟，這一平臺將會使固話網(wǎng)絡(luò)有更靈活的應(yīng)用方式，移動網(wǎng)絡(luò)有更佳的數(shù)據(jù)性能。同時，移動WiMAX在發(fā)展進程中也會面臨許多挑戰(zhàn)，但總的發(fā)展前景樂觀。

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