WiMAX物理層關(guān)鍵技術(shù)及其演進(jìn)

摘要：WiMAX技術(shù)發(fā)展迅速，但是為了獲得高效可靠的通信性能，并支持更高速率的移動環(huán)境，需要物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步演進(jìn)。為了支持移動性，IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)(移動寬帶無線接入)在IEEE802.16d標(biāo)準(zhǔn)(固定的寬帶無線接入)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在物理層引入了正交頻分復(fù)用與多入多出相結(jié)合的技術(shù)，使傳輸速度成倍提高的同時能夠支持一定的移動性。在未來的IEEE802.16m中還將會引入更加先進(jìn)的空中接口技術(shù)。

關(guān)鍵詞：全球微波互操作；多輸入多輸出；正交頻分復(fù)用；物理層關(guān)鍵技術(shù)

Abstract:TheWorldwideInteroperabilityfor Microwave Access (WiMAX) technology has developed rapidly. However, the key technology for the Physical Layer (PHY) of WiMAX system requires further evolution for acquiring effective and reliable communication performance and supporting higher-speed moving environments,. Based on IEEE 802.16d (for fixed broadband wireless access systems), IEEE 802.16e (for mobile broadband wireless access systems), introduces a combination of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Multiple Input Multiple Output (MIMO) technologies into the PHY to support mobility. It enables the transmission rate doubled while supports mobility to some extent. In the future, IEEE 802.16m will adopt more advanced air interface technologies.

Keywords:WiMAX;MIMO;OFDM; key technology for PHY

以IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無線技術(shù)已經(jīng)成為WiMAX技術(shù)的主流，接入無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為很多人生活的一部分。為了滿足人們對傳輸速率日益增長和高速移動性的要求，IEEE在相繼推出了802.16a、802.16d、802.16e后，IEEE即將提出下一代的先進(jìn)空口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——802.16m。2006年12月IEEE啟動了IEEE 802.16m標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，很多全球著名廠家將參與其中。

WiMAX物理層的技術(shù)特點[1]：

(1)在物理層采用正交頻分復(fù)用，實現(xiàn)高效的頻譜利用率。

(2)雙工方式：支持時分雙工(TDD)、頻分雙工(FDD)，同時也支持半雙工頻分雙工(HFDD)。FDD需要成對的頻率，TDD則不需要，而且可以實現(xiàn)靈活的上下行帶寬動態(tài)分配。半雙工頻分雙工方式降低了終端收發(fā)器的要求，從而降低了對終端收發(fā)器的要求。

(3)可支持移動和固定的情況，移動速度最高可達(dá)120 km/h。

(4)帶寬劃分靈活，系統(tǒng)的帶寬范圍為1.25 MHz～20 MHz。WiMAX規(guī)定了幾個系列的帶寬：1.25 MHz的倍數(shù)系列、1.75 MHz的倍數(shù)系列。其中1.25 MHz倍數(shù)系列包括：1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz等，1.75 MHz倍數(shù)系列包括：1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、14 MHz等。

(5)使用先進(jìn)的多天線技術(shù)提高系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。

(6)采用混合自動重傳(HARQ)技術(shù)�；旌献詣又貍鞑僮髦腥诤狭饲跋蚣m錯(FEC)的功能，使得每一次分組包的發(fā)送操作都能夠為最終的正確解碼做出貢獻(xiàn)。主要分為兩類：追趕合并和遞增冗余。

(7)采用自適應(yīng)調(diào)制編解碼(AMC)技術(shù)。AMC根據(jù)接收信號的質(zhì)量，隨時調(diào)整分組包的調(diào)制、編碼方式、編碼速率，使得系統(tǒng)在能夠達(dá)到足夠的可靠性的基礎(chǔ)上，使用盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

(8)采用功率控制技術(shù)，目標(biāo)是最大化頻譜效率，而同時滿足其他系統(tǒng)指標(biāo)。

(9)采用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)增加通信質(zhì)量，擴(kuò)大覆蓋范圍。

從先進(jìn)國際移動通信和下一代移動網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求來看，未來移動通信的傳輸速率要求達(dá)到百兆比特位每秒甚至吉比特位每秒，目前的IEEE 802.16e中最高的物理層速率是75 Mb/s，為了能夠在保證通信質(zhì)量的同時達(dá)到很高的數(shù)據(jù)速率，在未來的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中，必須對物理層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行有效的演進(jìn)。

1 OFDM和OFDMA技術(shù)

在802.16d/16e中均引進(jìn)了正交頻分復(fù)用(OFDM)和正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)技術(shù)，在未來的物理層技術(shù)演進(jìn)中，OFDM和OFDMA仍然是主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。正交時分復(fù)用(OTDM)則是在最近倍受大家關(guān)注的另外一種復(fù)用技術(shù)，有可能成為未來的物理層復(fù)用技術(shù)之一。

1.1正交頻分復(fù)用

OFDM[2]的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號通過接收端采用相關(guān)技術(shù)分開，可以在一定條件下減少子信道間干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道可看作平衰落信道，從而消除了符號間干擾(ISI)。由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

OFDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點：

頻譜利用率很高。

抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。

采用動態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。

通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。

基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里葉變換(FFT)和逆快速傅里葉變換(IFFT)來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)。

除上述優(yōu)點以外，OFDM也有3個較明顯的缺點：

對頻偏和相位噪聲敏感。

峰均功率比(PAPR)大，導(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低。

自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加。

OFDM作為保證高頻譜效率的調(diào)制方案已被一些規(guī)范及系統(tǒng)采用。OFDM將成為新一代無線通信系統(tǒng)中下行鏈路的最優(yōu)調(diào)制方案之一，也會和傳統(tǒng)多址技術(shù)結(jié)合成為新一代無線通信系統(tǒng)多址技術(shù)的備選方案。

1.2正交頻分復(fù)用多址

在OFDMA系統(tǒng)中，用戶僅僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個幀內(nèi)的用戶的定時偏差和頻率偏差足夠小，則系統(tǒng)內(nèi)就不會存在小區(qū)內(nèi)的干擾，比碼分系統(tǒng)更有優(yōu)勢。

由于OFDMA可以把跳頻技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合，因此可以構(gòu)成一種更為靈活的多址方案，此外由于OFDMA可以靈活地適應(yīng)帶寬要求，可以與動態(tài)信道分配技術(shù)結(jié)合使用來支持高速的數(shù)據(jù)傳輸。

在未來的物理層技術(shù)演進(jìn)中，OFDMA仍然會作為一種非常重要的關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)保留。

1.3單載波頻域均衡技術(shù)

在OFDM系統(tǒng)中，如何降低PAPR仍然是亟待解決的問題。不少演進(jìn)技術(shù)中為了避免PAPR的影響，已經(jīng)開始考慮采用單載波頻域均衡技術(shù)(SC-FDE)[3-4]，也稱為正交時分復(fù)用(OTDM)，原理框圖如圖1所示。

SC-FDE之所以越來越受關(guān)注，是因為有如下的優(yōu)點：

抗多徑能力強(qiáng)

頻譜效率高(與OFDM類似，甚至稍高)

沒有PAPR

帶外輻射小

實現(xiàn)簡單

采用自適應(yīng)技術(shù)

另外，SC-FDE易與其他技術(shù)結(jié)合，形成如下技術(shù)：

CP-CDMA

CP-DS-CDMA

OTDM＋智能天線(發(fā)射機(jī))

OTDM＋分集接收(接收機(jī))

新一代的無線通信系統(tǒng)對系統(tǒng)的性能、成本、尺寸、功率和能耗提出了嚴(yán)格的要求。SC-FDE系統(tǒng)具有較強(qiáng)的克服頻率選擇性衰落的能力，克服了OFDM系統(tǒng)的不足，使得接收機(jī)的實現(xiàn)更為簡單。SC-FDE也可以和OFDM共存于一個雙向傳輸系統(tǒng)，以便更靈活、更高效地發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢。另外，SC-FDE技術(shù)還可以與多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)相結(jié)合，提高頻譜利用率，改善系統(tǒng)性能，在寬帶無線通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。采用SC-FDE是未來高速無線通信系統(tǒng)的一個極具競爭力的方案。

2 幀結(jié)構(gòu)

IEEE 802.16e物理層定義了幾種雙工方式：TDD、FDD和HFDD。這幾種方式都使用突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式，這種傳輸格式支持自適應(yīng)的突發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，傳輸參數(shù)(調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)射功率等)可以動態(tài)調(diào)整，但是需要媒體訪問控制(MAC)層協(xié)助完成。在TDD模式下，每個物理幀長度固定，上下行的切換點可以自適應(yīng)調(diào)整，下行在先，上行在后，這樣杜絕了上行方向的競爭。同時，上下行和下上行子幀之間可以插入收發(fā)時隙，以留出必要的保護(hù)間隔。資源的調(diào)度和分配可以在基站(BS)上集中控制，使得信道可以靈活地全部用于上行或下行。另外，針對不同的應(yīng)用場景，在幀結(jié)構(gòu)中定義了多種排列方式，提高頻譜利用率以及克服多徑衰落。802.16e還采用了128/512/1 024/2 048個可變子載波的OFDMA方式，使設(shè)備信道帶寬可在1.75 MHz～20 MHz間靈活調(diào)配，從而使其具備更強(qiáng)的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保證WiMAX終端在移動環(huán)境中的使用。

未來幀結(jié)構(gòu)，必須增強(qiáng)對多天線的各種應(yīng)用模式簡單高效的調(diào)度，支持各種物理層關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)。

3 多輸入多輸出

頻率資源的使用是有限的，無論在時域、頻域還是碼域上處理信道容量均不會超過山農(nóng)限。多天線的使用使得不同用戶的信號可以用不同的空間特征來表征，使得空域資源的使用成為可能�？沼蛱幚砜梢栽诓辉黾訋�寬的情況下成倍地提升信道容量，也可以改善通信質(zhì)量、提高鏈路的傳輸可靠性。

3.1多天線的應(yīng)用模式

未來的多天線技術(shù)應(yīng)用模式必將是靈活多變的，主要多天線的應(yīng)用模式包括：

(1)接收分集(單輸入多輸出時)

由于部分終端受尺寸大小、發(fā)射功率和成本等的影響，通常在發(fā)送端只有1根天線，基站使用多根接收天線，實現(xiàn)接收分集，理想情況下可獲得10logN r(dB)的增益，N r為基站接收天線的個數(shù)。容量隨著接收天線的個數(shù)對數(shù)增加。應(yīng)用場景如圖2所示。

(2)發(fā)送分集(多輸入單輸出時)

終端1根接收天線，基站多根發(fā)送天線，理想情況下可獲得10logN t(dB)的增益，N t為基站發(fā)送天線的個數(shù)。容量隨著發(fā)送天線的個數(shù)對數(shù)增加。應(yīng)用場景如圖3所示。

(3)波束形成(多輸入單輸出時)

終端只有一根天線，基站使用多根發(fā)送天線，實現(xiàn)波束形成，由于在發(fā)端已經(jīng)得到了H 矩陣，波束形成比發(fā)送分集信噪比提高3 dB。必須經(jīng)過上行測量或者上行反饋獲取信道信息，才能夠進(jìn)行波束形成。

(4)空時編碼(多輸入多輸出時)

未來的通信系統(tǒng)中，終端會走向多樣化，部分終端可以擁有多根天線，這樣通信鏈路的上下行均可實現(xiàn)多輸入多輸出(MIMO)，MIMO示意圖如圖4所示�？諘r編碼是MIMO的主要應(yīng)用形式之一，正交的空時分組編碼可以獲得滿分集增益，空時網(wǎng)格編碼不僅能夠獲得部分的分集增益，同時也能夠獲得編碼增益。

(5)空間復(fù)用(多輸入多輸出時)

MIMO的另一種主要的應(yīng)用形式是空間復(fù)用�？臻g復(fù)用技術(shù)使得信道容量成倍地增長變?yōu)榭赡堋Ｊ褂每臻g復(fù)用技術(shù)必須滿足：N r≥N t，使用迫零和干擾對消進(jìn)行逐符號檢測，發(fā)端無需知道信道信息，無需通道校正，當(dāng)信道容量下降時，復(fù)用系數(shù)應(yīng)該自適應(yīng)改變。

(6)智能天線(先進(jìn)的多天線系統(tǒng))

智能天線的一個主要的任務(wù)是如何獲取和利用信號的空間方向信息，并通過陣列信號處理改善信號的質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的性能。天線陣列的加權(quán)在基帶通過數(shù)字信號處理完成，自適應(yīng)陣列技術(shù)屬于其中的一部分。自適應(yīng)天線陣列是智能天線技術(shù)的研究重點和發(fā)展方向。

3.2多天線技術(shù)的空域自適應(yīng)

未來的多天線技術(shù)必將實現(xiàn)空域自適應(yīng)鏈路。根據(jù)信道的變化，可以實現(xiàn)目標(biāo)為最大的數(shù)據(jù)傳輸速率的鏈路自適應(yīng)和平均信道容量最大的鏈路自適應(yīng)。

實現(xiàn)目標(biāo)為最大的數(shù)據(jù)傳輸速率的鏈路自適應(yīng)的設(shè)計原則：

(1)移動環(huán)境下的MIMO信道是變化的，容量也是變化的。

(2)在低秩信道下并非發(fā)射天線越多信道容量越大，可以通過合理地選擇發(fā)射天線來提升系統(tǒng)容量。

實現(xiàn)目標(biāo)為平均信道容量最大的鏈路自適應(yīng)的設(shè)計原則：

(1)當(dāng)收發(fā)天線之間的衰落系數(shù)互不相關(guān)且服從相同的分布時，MIMO系統(tǒng)將獲得可觀的信道容量。但是由于陣元間距和實際通信環(huán)境所限，各對收發(fā)天線間的衰落系數(shù)往往是相關(guān)的。研究表明，在相關(guān)性較強(qiáng)的情況下，信道容量會大幅降低。

(2)在相關(guān)衰落信道中應(yīng)該合理設(shè)計天線陣間距和排布方式來盡量降低陣元之間信道響應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。

4 混合自動重傳

HARQ是一種新的將自動重傳(ARQ)和前向差錯編碼結(jié)合的物理層技術(shù)，主要分為3類。I型HARQ，只是把FEC和ARQ簡單地結(jié)合起來，雖然在一定程度上解決了FEC和ARQ本身的缺陷，但是由于每次只是簡單地把出錯數(shù)據(jù)分組丟棄，要求發(fā)端重傳該數(shù)據(jù)組，沒有充分利用出錯的數(shù)據(jù)分組當(dāng)中的有用信息，導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)傳輸效率不高。II型HARQ，在I型的基礎(chǔ)上，以碼合并產(chǎn)生解碼增益的思想充分利用了每次發(fā)送的數(shù)據(jù)分組當(dāng)中包含的有用信息，但是在II型HARQ當(dāng)中重發(fā)的數(shù)據(jù)分組包含新增的冗余信息(將有用信息合并在一起產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)分組)，而并不包含原始數(shù)據(jù)信息，因此不具備自解碼能力，如果原始數(shù)據(jù)分組被破壞嚴(yán)重或丟失，那么無論重傳多少次也無法正確解碼，這是II型一個很大的缺點。III型HARQ，為了克服II型HARQ的缺點，III型HARQ無論是原始數(shù)據(jù)包還是重傳數(shù)據(jù)包都包含原始數(shù)據(jù)信息，僅通過對重發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼就能夠恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)信息。靈活采用III型HARQ中單冗余版本，可以更好地提升系統(tǒng)的性能。

5 自適應(yīng)調(diào)制編碼

自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)的基本思路就是根據(jù)信道條件分配傳輸功率和碼率，以提高傳輸速率或系統(tǒng)吞吐量。自適應(yīng)技術(shù)有兩個步驟：

(1)傳輸信道參數(shù)的測量。

(2)在優(yōu)化預(yù)先指定的代價函數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇一種或多種傳輸參數(shù)。

但是有一個假設(shè)前提，信道變化不能很快，否則選擇的信道參數(shù)很難與信道實際情況相匹配。所以自適應(yīng)技術(shù)只適用于多普勒擴(kuò)展不是很大的情況。自適應(yīng)技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中具有很明顯的優(yōu)勢，因為在室內(nèi)環(huán)境中傳播時延很小，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的相對速度也很慢。在這種情況下，自適應(yīng)技術(shù)可以逐幀使用。主要的自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)包括：自適應(yīng)調(diào)整功率級別，調(diào)整星座圖大小，調(diào)整碼速，同時調(diào)整功率級別和星座圖大小，同時調(diào)整星座圖大小和符號速率，同時調(diào)整功率和傳輸速率，同時調(diào)整碼速、符號速率和星座圖大小。

6 信道編碼

信道編碼技術(shù)在無線通信中是必不可少的，通過信道編碼(糾錯碼)實現(xiàn)差錯控制是高速通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一。802.11d/e標(biāo)準(zhǔn)采用了RS分組碼、卷積編碼、卷積Turbo碼、分組Turbo碼、低密度稀疏檢驗矩陣碼(LDPC)等糾錯編碼技術(shù)，Woven卷積碼已經(jīng)被中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會寫入新一代無線通信空中接口技術(shù)綱要。

其中RS分組碼、卷積編碼、卷積Turbo碼、分組Turbo碼等在文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)的描述。LDPC作為一種新的糾錯編碼的方法，是一類可以用非常稀疏的奇偶校驗矩陣定義的線性分組碼，已經(jīng)成為了下一代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-S2)的一項關(guān)鍵技術(shù)。如果在WiMAX中應(yīng)用LDPC碼，由于LDPC碼有很好的抗衰落性，編碼增益很高，接收機(jī)在較低的信噪比情況下仍然可以擁有較低的誤碼率，可以使覆蓋范圍得到提升。盡管在目前增強(qiáng)無線聯(lián)盟(EWC)的草案中，LDPC碼仍然是一個可選(非強(qiáng)制)實施的編碼方法，但是有理由相信LDPC碼將在未來的802.16系列標(biāo)準(zhǔn)中扮演重要角色。

1997年Host、Johannesson等人提出了Woven卷積碼[6]。Woven碼借助了“編織”的概念將多個卷積成員碼巧妙地結(jié)合起來，因此它不僅繼承了卷積碼的很多特性并具有了較大的自由距離，而且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可完全包容傳統(tǒng)分組碼、卷積碼以及各類Turbo碼，Woven碼是對以卷積碼為分量碼的串行級聯(lián)碼的擴(kuò)展，相信Woven卷積碼在未來的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中將會得到廣泛的應(yīng)用。

7 結(jié)束語

WiMAX已作為一種寬帶網(wǎng)絡(luò)解決方案得到了很多運營商的認(rèn)可。在WiMAX領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)誕生了802.16d/e標(biāo)準(zhǔn)，不久的將來802.16m也將應(yīng)運而生，該標(biāo)準(zhǔn)使用了當(dāng)前無線通信領(lǐng)域中的多項先進(jìn)技術(shù)，其產(chǎn)品將擁有高速數(shù)據(jù)傳輸能力和較大的覆蓋區(qū)域，容易和其他無線通信網(wǎng)絡(luò)融合。

WiMAX標(biāo)準(zhǔn)將對無線寬帶網(wǎng)市場產(chǎn)生巨大的推動力。隨著網(wǎng)上多媒體技術(shù)的日益應(yīng)用發(fā)展，傳輸速率更高的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將會涌現(xiàn)，無線寬帶網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)的投資前景將會非常樂觀。在在無線寬帶網(wǎng)用戶和國際眾多運營商的雙重推動下，未來幾年內(nèi)，高速WiMAX網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將會成為未來網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)主流之一。

8 參考文獻(xiàn)

[1]IEEE802.16e-2005.IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems, Amendent 2: For physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operations in licensed bands [S]. 2006.

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[4]CCSAWG6.新一代無線通信空中接口技術(shù)綱要 [S]. V4.0. 2006.

[5]王新梅,肖國鎮(zhèn).糾錯碼原理與方法 [M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2001.

[6]HostS,Johannesson R, Zyablov V, et al. A first encounter with binary Woven convolutional codes [C]//Proceedings of International Symposium Communication Theory and Applications, Jul 1997, Lake District, UK. 1997:13-18.

作者簡介：

劉巧艷，西安電子科技大學(xué)碩士畢業(yè)。工作于中興通訊股份有限公司CDMA研究所西安開發(fā)部，先后參加了B3G、TD-SCDMA、WiMAX的預(yù)研工作，主要研究領(lǐng)域為無線通信的空中接口技術(shù)。已參與申請專利15個，發(fā)表論文3篇。余秋星，西北工業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)。工作于中興通訊股份有限公司CDMA研究所西安開發(fā)部，先后參加了B3G、TD-SCDMA、WiMAX的預(yù)研工作，主要研究領(lǐng)域為無線通信的空中接口技術(shù)。已參與申請專利10個，發(fā)表論文8篇。