移動(dòng)WiMAX技術(shù)分析和展望

摘要　移動(dòng)WiMAX借助OFDMA等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)提供優(yōu)質(zhì)的移動(dòng)寬帶服務(wù)。它的設(shè)備制造、測(cè)試和認(rèn)證發(fā)展迅速。移動(dòng)WiMAX與3G技術(shù)互補(bǔ)，與E3G則呈現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，但需求指標(biāo)和核心技術(shù)的相似使其與后者的融合成為可能。

移動(dòng)寬帶接入是近年來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快、受關(guān)注度最高的課題，而移動(dòng)WiMAX又是移動(dòng)寬帶接入技術(shù)中的一大熱門(mén)。IEEE 802工作組在2005年12月完成了移動(dòng)WiMAX空中接口（物理層和MAC層）的標(biāo)準(zhǔn)化工作，形成IEEE 802.16e-2005標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX Forum于2006年2月批準(zhǔn)了移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)應(yīng)用框架Release 1，用來(lái)保證設(shè)備互操作性的測(cè)試。移動(dòng)WiMAX基于正交頻分復(fù)用接入（OFDMA）多址接入技術(shù)。業(yè)界一致認(rèn)為OFDMA是下一代移動(dòng)通信的基礎(chǔ)，它能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率，支持增強(qiáng)型天線技術(shù)，在非視距條件下具有很好的抗多徑和抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)多用戶大范圍覆蓋，支持多種用戶模型，達(dá)到全移動(dòng)性要求；它還支持多種應(yīng)用場(chǎng)景，在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提供固定、游牧和移動(dòng)接入。WiMAX可以在固定和移動(dòng)之間自由選擇，以提供更好的服務(wù)。

一、移動(dòng)WiMAX技術(shù)分析

1.移動(dòng)WiMAX的技術(shù)特點(diǎn)

移動(dòng)WiMAX基于IEEE 802.16-2004的改進(jìn)版本IEEE 802.16e-2005，增強(qiáng)了Wireless MAN-OFDMA空中接口，以保證對(duì)移動(dòng)終端的支持。規(guī)范還特別定義了一些關(guān)鍵特征，在時(shí)速大于120 km/h時(shí)，系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)寬帶服務(wù)仍能提供充分的QoS保證。這些特征包括：

●上下行鏈路上都實(shí)現(xiàn)正交子信道、抗多徑和抗自干擾。

●帶寬可調(diào)，從1.25～20 MHz，包括快速傅立葉變換（FFT）。

●移動(dòng)WiMAX提高了處理不對(duì)稱數(shù)據(jù)的效率，改進(jìn)天線系統(tǒng)增強(qiáng)信道性能。初始配置為T(mén)DD，在未來(lái)系統(tǒng)中將考慮FDD，以滿足特殊市場(chǎng)和頻率要求。

●在高速移動(dòng)環(huán)境下，混合自動(dòng)重傳（H-ARQ：Hybrid-Automatic Repeat Request）增強(qiáng)了系統(tǒng)健壯性，以應(yīng)對(duì)多變的信道環(huán)境。

●基于連接的相關(guān)信號(hào)強(qiáng)度，頻率選擇性調(diào)度和多選擇的子信道化可優(yōu)化連接質(zhì)量。

●節(jié)能管理支持電池供電的手持終端進(jìn)行睡眠、空閑模式等節(jié)能操作。

●支持網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化硬切換（HHO），使得開(kāi)銷最小，切換時(shí)延小于50 ms。

●多播和廣播服務(wù)（MBS）把DVB-H和3GPP E-UTRA相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)單頻率網(wǎng)絡(luò)中的高速率、廣覆蓋；靈活的無(wú)限資源調(diào)配；低移動(dòng)設(shè)備耗能；短信道轉(zhuǎn)換時(shí)間。

●改進(jìn)的天線系統(tǒng)（AAS）支持MIMO，波束成形，空時(shí)編碼（STC）和空分復(fù)用等多種技術(shù)。

●零散頻率再利用（Fractional Frequency Reuse）控制了聯(lián)合信道干擾（CCI），頻率再利用使頻率效率損耗最小。

●5 ms的幀長(zhǎng)在開(kāi)銷和延遲之間達(dá)到最優(yōu)平衡。

基于cdma2000 1x EV-DV評(píng)價(jià)方法，移動(dòng)WiMAX性能評(píng)估表明10 MHz信道下行扇區(qū)吞吐量可超過(guò)13 Mbit/s，下行與上行的比值在3:1。根據(jù)吞吐量性能和上述特征，移動(dòng)WiMAX可高效率提供：寬帶增值業(yè)務(wù)，包括數(shù)據(jù)、視頻、VoIP等；固定、游牧、便攜和移動(dòng)模型；非視距環(huán)境下的廣域覆蓋。

2.移動(dòng)WiMAX設(shè)備測(cè)試和認(rèn)證

2006年1月，WiMAX Forum公布了第一份固定WiMAX認(rèn)證要求（certification profile）；2006年中期，公布了移動(dòng)WiMAX認(rèn)證要求，促進(jìn)了寬帶無(wú)線接入和移動(dòng)性基礎(chǔ)設(shè)施提供商之間的公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性工作。WiMAX Forum預(yù)計(jì)2007年中旬會(huì)有通過(guò)其認(rèn)證的移動(dòng)WiMAX產(chǎn)品。WiMAX Forum已舉行過(guò)兩次移動(dòng)WiMAX Plugfest測(cè)試，藉此為設(shè)備制造商之間提供進(jìn)行互聯(lián)互通的機(jī)會(huì)，盡早發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。2007年1月中旬舉行的第二次移動(dòng)WiMAX Plugfest測(cè)試中，共有25家系統(tǒng)設(shè)備制造商和10家測(cè)試設(shè)備制造商完成Plugfest，，具體內(nèi)容參見(jiàn)WiMAX Forum的Plugfest報(bào)告。

移動(dòng)WiMAX認(rèn)證的第一波中，系統(tǒng)將達(dá)到2.3 GHz（SISO）的WiMAX Forum認(rèn)證要求，接下來(lái)是3.5 GHz（SISO）系統(tǒng)的認(rèn)證。第二波將認(rèn)證2.5 GHz（MIMO）系統(tǒng)。需要認(rèn)證的用戶設(shè)備包括CPE、PC卡（PCMCIA）、PC express、Mini PCI卡等。第一波中有3個(gè)試驗(yàn)室，分別在西班牙、韓國(guó)和中國(guó)。2006年第三季度開(kāi)始的在西班牙馬拉加的認(rèn)證由AT4 Wireless（舊稱CETECOM Spain）負(fù)責(zé)，它是WiMAX最重要的認(rèn)證和測(cè)試實(shí)驗(yàn)。2007年中期，TTA（Telecommunications Technology Association）將負(fù)責(zé)在韓國(guó)的測(cè)試。在北京的測(cè)試由中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院（CATR）主持，預(yù)計(jì)在2007年10月開(kāi)始。FDD設(shè)備的測(cè)試也在計(jì)劃中。

同時(shí)，眾多服務(wù)提供商也開(kāi)始測(cè)試移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)，包括有線運(yùn)營(yíng)商、3G和2G移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商、DSL和cable modem運(yùn)營(yíng)商、競(jìng)爭(zhēng)性本地交換運(yùn)營(yíng)商（CLEC：Competitive Local Exchange Carrier）、WISP（Wireless ISP）和移動(dòng)虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（MVNO：Mobile Virtual Network Operators）等。

3.移動(dòng)WiMAX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展

為了使移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)具有更好的兼容性和互通性，IEEE 802.16工作組還圍繞802.16e標(biāo)準(zhǔn)制定了其他一系列標(biāo)準(zhǔn)。其中802.16g規(guī)定固定和移動(dòng)WiMAX的管理平面流程和服務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)WiMAX設(shè)備的互操作性，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源、移動(dòng)性和頻譜的有效管理；802.16i定義移動(dòng)WiMAX的MIB要求以及相關(guān)管理流程；802.16j針對(duì)802.16e的移動(dòng)多跳中繼組網(wǎng)方式進(jìn)行研究，以改善由無(wú)線信道環(huán)境導(dǎo)致的陰影衰落效應(yīng)，擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍。以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)都會(huì)在2007年完成制定工作。

IEEE 802.16工作組也在積極研究移動(dòng)WiMAX的演進(jìn)，并為此成立了802.16m預(yù)研組。802.16m的目標(biāo)是成為ITU的IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)之一，技術(shù)指標(biāo)是固定條件下傳輸速率達(dá)1 Gbit/s，移動(dòng)條件下達(dá)100 Mbit/s。IEEE表示，802.16m可能用到和802.16e不同的技術(shù)，它并非WiMAX標(biāo)準(zhǔn)之一，但要保證兼容OFDMA技術(shù)。

二、移動(dòng)WiMAX和其他移動(dòng)寬帶技術(shù)的關(guān)系

1.移動(dòng)WiMAX和傳統(tǒng)3G技術(shù)互補(bǔ)

和傳統(tǒng)的3G系統(tǒng)相比，WiMAX性能的增強(qiáng)源自不同的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)。WiMAX是以基于IP的數(shù)據(jù)服務(wù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，移動(dòng)寬帶是其核心應(yīng)用，而3G的初衷是話音應(yīng)用，在話音流量上的效率要高于WiMAX。二者在技術(shù)上互補(bǔ)，具體說(shuō)來(lái)WiMAX的優(yōu)勢(shì)在于：

●更好的性能。高容量基站為每個(gè)用戶提供高吞吐量、低時(shí)延、支持多種時(shí)延和帶寬敏感的應(yīng)用。

●多種多樣的設(shè)備。采用IP結(jié)構(gòu)的WiMAX系統(tǒng)使其更容易支持多種新設(shè)備，比如：PDA、游戲終端、MP3、車載裝置等。

●前沿技術(shù)。OFDMA帶來(lái)高吞吐量和更優(yōu)的室內(nèi)覆蓋。完善的QoS機(jī)制保證移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商能夠提供各種高級(jí)業(yè)務(wù)。先進(jìn)的天線技術(shù)可以進(jìn)一步提高吞吐量和覆蓋率。

●低開(kāi)銷。WiMAX具有很高的頻譜利用率，利于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商部署低價(jià)的基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)品價(jià)格也得以降低。

●商業(yè)價(jià)值。首個(gè)移動(dòng)WiMAX產(chǎn)品認(rèn)證將于2007年中期完成，商業(yè)部署也將隨之而來(lái)。

●全球可用。移動(dòng)WiMAX有3段頻譜（2.3～2.4 GHz，2.496～2.69 CHz，3.4～3.6 GHz），在大多數(shù)國(guó)家都可獲得。WiMAX Forum已開(kāi)始設(shè)計(jì)全球漫游的框架。

2.移動(dòng)WiMAX和E3G由競(jìng)爭(zhēng)走向融合

移動(dòng)WiMAX的IP核心網(wǎng)，以及對(duì)IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）和多媒體消息服務(wù)（MMD）的支持，使它能夠很容易地和現(xiàn)有IP網(wǎng)進(jìn)行互操作（如圖1所示）。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以在更靈活、分層的框架下單獨(dú)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，應(yīng)用模板也更易修改和再利用。為促進(jìn)與其他技術(shù)的融合，WiMAX Forum成立了網(wǎng)絡(luò)工作組，與服務(wù)提供商、IEEE、ETSI、3GPP和3GPP2等合作，保證統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，推動(dòng)互操作、漫游，以及與現(xiàn)有和將來(lái)的蜂窩（包括E3G）及有線技術(shù)共享基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖1　3G、Wi-Fi和WiMAX共存的IMS網(wǎng)絡(luò)

E3G全稱為演進(jìn)型3G（Evolved 3G），它在3GPP和3GPP2中分別被稱為L(zhǎng)TE（Long Term Evolution）和AIE（Air Interface Evolution）。從圖2中可以看出，移動(dòng)WiMAX比LTE及EV-DO RevC有2～4年的先機(jī)。在需求指標(biāo)方面，E3G支持帶寬達(dá)20 MHz，峰值速率可達(dá)50 Mbit/s上下，覆蓋范圍最大至100 km，利用現(xiàn)有2G、3G及其擴(kuò)展頻段，話音由VoIP提供，具有完備的QoS支持，終端類型多樣。在核心技術(shù)方面，3GPP的LTE規(guī)范已經(jīng)與OFDMA結(jié)合，3GPP2也在按此方向進(jìn)行。功率控制、自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）和H-ARQ這些在WiMAX中早有應(yīng)用的成熟技術(shù)都將在LTE/AIE中得到使用。此外，MIMO等增強(qiáng)的天線技術(shù)也在考慮之中。無(wú)論是需求指標(biāo)還是核心技術(shù)，E3G技術(shù)和移動(dòng)WiMAX都有很多相似點(diǎn)，這就意味著兩者存在著直接競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)技術(shù)上的趨同也提供了融合的可能性。現(xiàn)在，WiMAX和E3G之間的關(guān)系還不是很明朗，多種未定的非技術(shù)因素將影響其發(fā)展前景。

圖2　E3G和WiMAX發(fā)展路線

三、移動(dòng)WiMAX產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

截至2007年2月，WiMAX Forum在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上擁有414名成員，來(lái)自51個(gè)國(guó)家和地區(qū)，其中包括70家元件提供商、91家系統(tǒng)商、137家服務(wù)提供商以及內(nèi)容提供商等。隨著WiMAX的發(fā)展，全球各大廠商均將發(fā)展重心移到了移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)上。

1.設(shè)備制造商推出多種移動(dòng)WiMAX產(chǎn)品

2006年底，第一部移動(dòng)WiMAX產(chǎn)品問(wèn)世，緊接著2007年上半年出現(xiàn)了有更高吞吐量的產(chǎn)品。摩托羅拉和德州儀器合作開(kāi)發(fā)移動(dòng)WiMAX設(shè)備，包括各種終端產(chǎn)品；Altech和Samsung Electronics在南非合作進(jìn)行移動(dòng)WiMAX實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的部署；Kyocera Wireless開(kāi)發(fā)移動(dòng)WiMAX用戶終端設(shè)備，由Runcom Technologies提供芯片；北電為中華電信部署中國(guó)臺(tái)灣首個(gè)移動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)，配合“移動(dòng)臺(tái)灣應(yīng)用推動(dòng)計(jì)劃”（M-taiwan）項(xiàng)目全面部署整合性無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；阿爾卡特朗訊、LG、諾基亞等設(shè)備商同時(shí)希望能夠?qū)?G和移動(dòng)WiMAX融合；中國(guó)的中興、華為兩大廠商已放棄了原來(lái)固定WiMAX設(shè)備的計(jì)劃，轉(zhuǎn)而研發(fā)移動(dòng)WiMAX設(shè)備。

測(cè)試設(shè)備方面，安捷倫和Innowireless聯(lián)合開(kāi)發(fā)出E6651 A Mobile WiMAX測(cè)試集，使得設(shè)備商加速802.16e終端的生產(chǎn)。

此外，還有多家企業(yè)提供接入服務(wù)網(wǎng)關(guān)、用戶終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理以及網(wǎng)絡(luò)整合與優(yōu)化服務(wù)。

2.運(yùn)營(yíng)商積極參與系統(tǒng)建設(shè)

（1）固定和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商：韓國(guó)KT、意大利電信、美國(guó)Sprint Nextel等

2006年，韓國(guó)發(fā)起了名為WiBro的2.3～2.4 G服務(wù)，這是最早的移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)。WiBro使用移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)配置，達(dá)到移動(dòng)WiMAX認(rèn)證要求，且取得了商業(yè)成功，是全球其他運(yùn)營(yíng)商借鑒的對(duì)象。韓國(guó)KT用WiBro補(bǔ)充其MVNO和移動(dòng)寬帶服務(wù)。意大利電信也表示，移動(dòng)WiMAX非常符合他們寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展要求，且已在都靈冬奧會(huì)上測(cè)試了WiMAX產(chǎn)品，提供“triple-play”服務(wù)。美國(guó)運(yùn)營(yíng)商Sprint Nextel計(jì)劃兩年中將投資30億美元部署移動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)。

（2）3G移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商：日本KDDI、意大利電信等

二者均將WiMAX作為其3G網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，提供擴(kuò)展能力。KDDI計(jì)劃在EV-DO上附加移動(dòng)WiMAX，并已成功測(cè)試了兩種技術(shù)之間的切換。他們認(rèn)為移動(dòng)WiMAX是IP核心網(wǎng)支持MMD的第一步，音樂(lè)和視頻的下載以及流媒體是WiMAX的關(guān)鍵應(yīng)用。

（3）2G移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商：日本Yozan等

并不運(yùn)營(yíng)3G網(wǎng)絡(luò)的2G移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商希望采用新的技術(shù)來(lái)支持移動(dòng)Internet，WiMAX就是很好的選擇，他們可能在3G運(yùn)營(yíng)商之前直接采用下一代技術(shù)。

（4）有線DSL和cable modem運(yùn)營(yíng)商：美國(guó)Comcast、法國(guó)電信等

掌握有固定基礎(chǔ)設(shè)施，希望在有限的范圍內(nèi)提供固定WiMAX，然后將移動(dòng)WiMAX作為其有線寬帶的補(bǔ)充。

3.政策在WiMAX建設(shè)中起積極作用

以中國(guó)臺(tái)灣為例，M-taiwan計(jì)劃希望建立起WiMAX產(chǎn)業(yè)鏈，也是WiMAX設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)床。M-taiwan從啟動(dòng)到現(xiàn)在，短時(shí)間內(nèi)取得了一定的成功。直接投資15億美金，超過(guò)80家企業(yè)參與，鞏固了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。此計(jì)劃的成功也說(shuō)明，一項(xiàng)新技術(shù)不僅需要足夠的需求、堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)、充足的供給，還需要一個(gè)公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。中國(guó)臺(tái)灣將在2007年6月發(fā)放一些區(qū)域性執(zhí)照，有利于新興運(yùn)營(yíng)商加入到提供WiMAX服務(wù)的行列中。M-taiwan計(jì)劃為其他想要利用WiMAx的地方提供了很好的參照，加速了全球WiMAX的發(fā)展。

四、發(fā)展建議

目前占據(jù)移動(dòng)寬帶市場(chǎng)的兩大技術(shù)是：3G和Wi-Fi（游牧的），從中可以獲取一些經(jīng)驗(yàn)。

3G能夠提供大范圍移動(dòng)覆蓋，但是不能支持帶寬和時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)，它正在快速演進(jìn)，但是交換方式、基于話音的特點(diǎn)限制其提供數(shù)據(jù)應(yīng)用。與此相比，WiMAX和正在計(jì)劃中的LTE更適合提供IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。Wi-Fi在全球的成功應(yīng)用表明，市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)比常規(guī)的市場(chǎng)推廣策略更為有效。盡管有HiperLAN和HomeRF與之競(jìng)爭(zhēng)，但市場(chǎng)迅速選擇了Wi-Fi作為主導(dǎo)。Wi-Fi的廣泛應(yīng)用通過(guò)植入筆記本的芯片實(shí)現(xiàn)，它降低了運(yùn)營(yíng)商的開(kāi)銷，也不必考慮和現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)的兼容。事實(shí)上，正是這種方式刺激了新商業(yè)模式（WISP）、新產(chǎn)品服務(wù)（無(wú)約束數(shù)據(jù)接入）和新應(yīng)用環(huán)境（賓館、列車等）的出現(xiàn)。這都是移動(dòng)WiMAX在發(fā)展過(guò)程中可以借鑒的。

移動(dòng)WiMAX在現(xiàn)有和將來(lái)寬帶技術(shù)中都占有重要地位，能夠很好地滿足用戶對(duì)于覆蓋和容量的需求。需求的增長(zhǎng)由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開(kāi)銷的競(jìng)爭(zhēng)、可承受的服務(wù)計(jì)劃、高用戶帶寬、更為自由的內(nèi)容以及接入方式、更多可選的設(shè)備、多接口支持等因素帶來(lái)。此外需要考慮的問(wèn)題是，如何更好地利用移動(dòng)WiMAX，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，并且保持其長(zhǎng)期有效性。