WiMAX存在的問題與未來的發(fā)展方向

摘要　WiMAX可以為大范圍內(nèi)的大量用戶提供高帶寬的無線語音和數(shù)據(jù)業(yè)務，具有巨大的商業(yè)價值。但是，當前的WiMAX技術(shù)大多基于傳統(tǒng)系統(tǒng)，沒有考慮WMAN對大容量需求的特殊性和系統(tǒng)的快速發(fā)展。本文首先概述了WiMAX的最新研究動態(tài)——IEEE 802.16-2004標準的物理層和介質(zhì)接入控制層的技術(shù)特點，分析探討了WiMAX技術(shù)當前存在的問題，并在此基礎上介紹和評價了WiMAX的各種性能增強技術(shù)和擴展方案。

關(guān)鍵詞　WiMAX　系統(tǒng)容量　可擴展性　小區(qū)規(guī)劃　空間復用　調(diào)制機制

1、引言

　　固定寬帶無線接入技術(shù)[1-9]使用無線介質(zhì)為許多離散的用戶站點提供高帶寬的語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務，在組網(wǎng)、安裝、維護方面靈活快捷，而且系統(tǒng)開發(fā)運營成本低，具有巨大的商業(yè)價值，必將成為未來的主流技術(shù)。無線城域網(wǎng)(WMAN)標準IEEE802.16——WiMAX是第一個用于固定寬帶無線接入的商業(yè)標準，定義了物理(PHY)層和介質(zhì)接入控制(MAC)層的許多技術(shù)，但是大多基于現(xiàn)有的傳統(tǒng)系統(tǒng)(例如802.11無線局域網(wǎng)系統(tǒng))，并沒有考慮WMAN對大容量需求的特殊性和系統(tǒng)的快速發(fā)展，因此有必要采取一些增強技術(shù)和系統(tǒng)擴展方案增強網(wǎng)絡的可擴展性和系統(tǒng)性能。

　　本文首先概述了WiMAX的最新研究動態(tài)——IEEE 802.16-2004標準的PHY層和MAC層技術(shù)，分析探討了固定寬帶無線接入技術(shù)當前存在的問題，并在此基礎上提出了一些性能增強技術(shù)和系統(tǒng)擴展方案，利用這些技術(shù)和方案可以顯著增加固定寬帶無線接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量、用戶容量和覆蓋區(qū)域，增強系統(tǒng)的靈活性并支持系統(tǒng)的持續(xù)增長。

2、WiMAX標準現(xiàn)狀

　　IEEE 802.16標準最初工作在10-66GHz頻段，僅支持視距(LOS)傳輸和點到點通信。擴展后的802.16a標準工作在2-11GHz的較低頻段，允許非視距(NLOS)傳輸和點到多點(PMP)通信，支持Mesh(網(wǎng)狀)拓撲結(jié)構(gòu)，并且允許靈活的用戶部署和操作。2004年，802.16-2004標準將802.16和802.16a空中接口標準進行了融合，可以應用于2-11GHz NLOS傳輸和10-66GHz LOS傳輸。

　　2.1　物理層技術(shù)

　　IEEE 802.16-2004標準定義了三個不同的PHY層調(diào)制機制，可以和MAC層技術(shù)結(jié)合使用提供可靠的端到端連接。這些空中接口規(guī)范是：

　　●WMAN-SC：單載波調(diào)制的空中接口規(guī)范。

　　●WMAN-OFDM(正交頻分復用)：256載波OFDM機制。

　　●WMAN-OFDMA：2048載波OFDM機制。通過給各個接收機分配載波子集，提供了多個接入，所以這個版本通常稱為OFDM多址接入(0FDMA)。

　　在這三個空中接口規(guī)范中，由于多載波信號的均衡處理很簡單，所以兩個基于OFDM的系統(tǒng)更適合NLOS操作。而且，相比其他兩個規(guī)范，256載波的WMAN-OFDM具有較低的峰平比、更快的FFT(快速傅立葉變換)計算以及更寬松的頻率同步要求，所以設備供應商們更傾向于使用它。

　　2.1.1　自適應調(diào)制和編碼

　　根據(jù)802.16-2004標準定義，下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)允許的調(diào)制機制是二進制移相鍵控(BPSK)、四進制移相鍵控(QPSK)、16進制正交幅度調(diào)制(QAM)和64QAM。標準定義了7種調(diào)制機制和碼率的組合(如表1所示)，可以根據(jù)信道和干擾條件的不同，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)速率和魯棒性的折衷。

表1　調(diào)制和編碼機制
[table]

調(diào)制機制	卷積碼碼率	總碼率	信息/符號
BPSK	1/2	1/2	0.5
QPSK	2/3	1/2	1
QPSK	5/6	3/4	1.5
16QAM	2/3	1/2	2
16QAM	5/6	3/4	3
64QAM	3/4	2/3	4
64QAM	5/6	3/4	4.5

[/table]

　　802.16使用外部RS(Reed-Solomon)分組碼級連內(nèi)部卷積碼。RS碼是使用GF(28)從系統(tǒng)RS碼(N=255，K=239，T=8)推導而來的，因此與系統(tǒng)RS碼相比增加了大約10%的開銷。內(nèi)部卷積碼的約束長度為7，并且碼率可以為1/2、2/3、3/4或者5/6(如表1所示)。還可以使用Turbo碼改善系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量，不過這會增加譯碼延遲和系統(tǒng)的復雜度。

　　2.1.2　空時分組碼

　　根據(jù)802.16-2004標準的定義(可選部分)，可以在DL中實現(xiàn)空時分組碼(STBC)，以提供增強的時間和空間分集特性。接收機根據(jù)接收信號，對發(fā)送信號執(zhí)行最大似然(ML)估計。還可以利用多根天線的接收分集，從而進一步增強系統(tǒng)性能。由于接收分集不需要額外的發(fā)射功率，所以接收分集優(yōu)于發(fā)射分集。

　　2.1.3　自適應天線系統(tǒng)

　　802.16-2004標準還提供了允許使用智能天線系統(tǒng)的可選特性和信號結(jié)構(gòu)。它定義了一個單獨的PMP幀結(jié)構(gòu)，允許使用定向波束(每個波束都指向一個或者多個用戶站點)傳輸DL和UL突發(fā)數(shù)據(jù)。還定義了基站(BS)和用戶站點(SS)之間的額外信號，允許SS為BS提供信道質(zhì)量反饋，將每個定向波束和特定子載波的信道響應的實部和虛部提供給BS，BS可以在這個反饋的頻率域指定分辨率，即標準允許SS為每4個、8個、16個、32個或64個子載波提供信道響應。

　　2.2　MAC層技術(shù)

　　IEEE 802.16的MAC層是為PMP寬帶無線接入應用設計的，要滿足非常高的數(shù)據(jù)速率應用的需求，以及許多服務質(zhì)量(QoS)要求。802.16 MAC層是基于“連接”的，即所有終端的數(shù)據(jù)業(yè)務以及與此相關(guān)的QoS要求都是基于“連接”進行的，MAC層針對每個連接可以分別設置不同的QoS參數(shù)。

　　信道帶寬可以是1.25MHz、1.5MHz和1.75MHz的整數(shù)倍，最大值是20MHz。標準定義了四種不同的上行帶寬調(diào)度模式：請求帶寬分配業(yè)務、實時輪詢業(yè)務、非實時輪詢業(yè)務、盡力而為業(yè)務。802.16接入系統(tǒng)在每個終端有多個連接、每個終端有多個QoS級別以及有大量統(tǒng)計復用用戶的情況下也非常有效。它充分利用了許多請求機制，平衡了無競爭接入的穩(wěn)定性和面向競爭接入的效率。無競爭接入機制要求每個用戶必須先獲得發(fā)送權(quán)，然后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，這種方式不會產(chǎn)生沖突，并且在負載較重的情況下可以獲得很高的信道利用率；而基于競爭的接入機制是各個用戶競爭使用信道，不需要取得發(fā)送權(quán)就可以發(fā)送數(shù)據(jù)，這種方式在負載較輕的情況下可以獲得良好的延遲特性，但無法為每個用戶保證傳輸帶寬，不適合實時業(yè)務或需要QoS保證的業(yè)務要求。

　　IEEE 802.16-2004標準的MAC層分為匯聚子層、公共部分子層和安全子層。匯聚子層將傳輸層的特有業(yè)務映射到足以有效攜帶任何業(yè)務類型的MAC層。公共部分子層與傳輸機制無關(guān)，負責將MAC業(yè)務數(shù)據(jù)單元(SDU)分段為MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)、QoS控制以及MAC PDU的時間進度和重傳。安全子層負責MAC層認證和加密功能。

　　IEEE 802.16標準支持頻分復用(FDD)和時分復用(TDD)。在FDD模式中，還額外地支持無幀F(xiàn)DD操作，即MAC PDU的傳輸不包含幀結(jié)構(gòu)，并且是異步的。BS處的MAC層創(chuàng)建DL幀(TDD子幀)，幀頭是用于同步和信道估計的前導碼。前導碼之后是幀控制頭(FCH)，規(guī)定了一幀的其他部分的突發(fā)模式，即規(guī)定了每個突發(fā)數(shù)據(jù)包所采用的調(diào)制編碼機制和長度。FCH之后是一個或者多個下行突發(fā)數(shù)據(jù)包，每個突發(fā)數(shù)據(jù)包都由整數(shù)個OFDM符號組成的，并且根據(jù)突發(fā)模式加以發(fā)送。

　　按照魯棒性遞減的順序發(fā)送數(shù)據(jù)突發(fā)包，允許SS在遭受可能會引起同步丟失的突發(fā)錯誤之前接收到可靠的數(shù)據(jù)。在DL中，F(xiàn)CH之后就是TDM部分，并且TDM用于主動提供的授予服務，這對具有嚴格延遲限制的恒定比特速率的應用來說非常有用。

3、WiMAX存在的問題

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，多媒體數(shù)據(jù)通信業(yè)務的需求增長以及數(shù)據(jù)密度(數(shù)據(jù)吞吐量和覆蓋范圍)的持續(xù)增長對固定寬帶無線接入網(wǎng)絡的系統(tǒng)性能和可擴展性提出了挑戰(zhàn)。因此，為了滿足用戶數(shù)和業(yè)務量的增長，WiMAX系統(tǒng)的總?cè)萘?包括支持的用戶數(shù)、數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍)必須最優(yōu)并且可按需擴展，而且網(wǎng)絡要能夠支持新業(yè)務。

　　但是，盡管802.16-2004標準的物理層提供了許多優(yōu)化技術(shù)，并且MAC層標準也提供了大量的帶寬分配和QoS機制，仍然存在一些問題，需要進一步的研究和改進：

　　●MAC層還有許多調(diào)度和預約管理的細節(jié)沒有定義，這將制約系統(tǒng)容量的增加和網(wǎng)絡擴展。

　　●數(shù)據(jù)密度的持續(xù)增長對WiMAX網(wǎng)絡的系統(tǒng)性能和可擴展性提出挑戰(zhàn)[3]。

　　●許多寬帶無線接入系統(tǒng)工作在非常擁擠的頻帶，帶寬限制是制約網(wǎng)絡擴展性的一個主要問題。

　　●資源分配的靈活性對于滿足突發(fā)業(yè)務和按需分配容量非常重要，必須考慮每個比特的費用或者網(wǎng)絡傳遞帶寬的總費用。

　　●無線Mesh網(wǎng)絡是下一代無線網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)[7]，802.16標準必須能夠支持無線Mesh網(wǎng)絡的部署和實現(xiàn)。而現(xiàn)有的PHY層和MAC層技術(shù)并不是針對802.16Mesh網(wǎng)絡的具體特點而設計的。

　　●BS和SS處的射頻設備的費用太高，這在許多情況下阻礙了固定無線寬帶接入市場的發(fā)展。

4、WiMAX的發(fā)展方向

　　為了滿足用戶數(shù)和業(yè)務量的增長、滿足系統(tǒng)擴展需求、降低設備成本以及支持無線Mesh網(wǎng)絡，WiMAX必須采取一些增強技術(shù)和系統(tǒng)擴展方案來增強網(wǎng)絡的可擴展性，并且最優(yōu)化固定寬帶無線接入系統(tǒng)的容量和帶寬利用率。

　　4.1　小區(qū)規(guī)劃

　　進一步將每個小區(qū)劃分為微小區(qū)[8]，每個微小區(qū)只有較小的覆蓋范圍，且每個相鄰無線路由器的位置放置使小區(qū)之間的覆蓋區(qū)域沒有空白，這樣可以增加地理覆蓋和減小無線路由器的間隔。因此，在無需LOS通信的25GHz以下的載波頻率處，擴展了覆蓋區(qū)域。但是，在較高的頻率處，LOS需求仍然會影響系統(tǒng)覆蓋范圍的可擴展性(例如，在現(xiàn)有的用戶建筑物前出現(xiàn)了一幢新的建筑物，阻擋了LOS路徑)。

　　還可以增加每個無線路由器的扇區(qū)數(shù)，從而獲得更高的數(shù)據(jù)容量。通常，用4個90°扇區(qū)天線構(gòu)建系統(tǒng)，每個天線覆蓋一個扇區(qū)。通過將扇區(qū)數(shù)從4個增加到8個，即天線數(shù)也由4個增加到8個，并且保持全向覆蓋，可以將數(shù)據(jù)速率增加兩倍。將小區(qū)劃分為更多的扇區(qū)，可有效地產(chǎn)生更多支持更高數(shù)據(jù)速率的子信道，從而可以增加網(wǎng)絡容量。越來越多的路由器覆蓋相同的地理區(qū)域，每個路由器需要的帶寬較少，因此可以減少設備花費。

　　4.2　頻率重用

　　頻率重用可以增加數(shù)據(jù)容量：將可用信道劃分為群，并且將每個群中的信道頻率分配給小區(qū)或者扇區(qū)，相鄰小區(qū)或者扇區(qū)工作在不同的頻率子信道，并且確保這些頻率不會相互干擾。因此，使用的頻率較多，可以進一步隔開使用相同頻率的小區(qū)或者扇區(qū)。改善可擴展性的另一個方法是優(yōu)化現(xiàn)有資源的利用率。盡管為每個小區(qū)或者扇區(qū)分配了固定帶寬，但是利用信道借用的方法，這個帶寬可以在實際應用中浮動，允許忙小區(qū)或扇區(qū)利用相鄰小區(qū)或扇區(qū)的未使用信道。

　　還可以通過改變每個信道的極化方式來優(yōu)化頻率重用[9]。可交替使用水平和垂直極化，來最大化邊界扇區(qū)之間的隔離度，并且成倍增加信道利用率。交替極化頻率重用如圖1所示，H表示水平極化，V表示垂直極化，通過兩個頻率和交替極化可以提供四個子信道。盡管這種方法提供了額外的子信道，并且對現(xiàn)有網(wǎng)絡的改動很少，但是在惡劣的天氣條件下需要顯著的衰減容限，并且在高階調(diào)制機制下需要的容限更大。


圖1　交替極化頻率重用

　　4.3　多址方式

　　時分多址(TDMA)適合支持數(shù)據(jù)突發(fā)，頻分多址(FDMA)適合支持速率恒定的數(shù)據(jù)通道。為了保證每個用戶隨時都可以接入信道，并且在非對稱業(yè)務流的情況下保證下行數(shù)據(jù)帶寬的動態(tài)分配，使信道的帶寬利用率最大，通常在DL中使用TDMA，而在UL中使用FDMA。但TDMA和FDMA均屬于基于競爭的集中式MAC，并不適合無線Mesh網(wǎng)絡，必須為802.16 Mesh網(wǎng)絡重新設計分布式的TDMA MAC層協(xié)議[7]，或者直接采用分布式的多址接入機制——帶碰撞避免的載波偵聽多址接入(CSMA/CA)。CSMA/CA機制的工作流程是：當發(fā)送方A希望發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢測介質(zhì)是否空閑，若介質(zhì)為空閑，則送出RTS(請求發(fā)送)信號，接收方B收到RTS信號后，將發(fā)送響應信號CTS(允許發(fā)送)，當A收到CTS包后，隨即開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，B收到數(shù)據(jù)包后，將以包內(nèi)的CRC(循環(huán)冗余校驗)的數(shù)值來檢驗包數(shù)據(jù)是否正確，若檢驗結(jié)果正確，則B發(fā)送響應ACK包，告知A數(shù)據(jù)已經(jīng)被成功接收。當A沒有收到B的ACK包時，將認為包在傳輸過程中丟失，而一直重新發(fā)送包。由于CSMA/CA的頻率重用率非常低，并且可達吞吐量也比TDMA MAC低，這將限制802.16 Mesh網(wǎng)絡的進一步擴展。但是，在無線Mesh網(wǎng)絡中幾乎沒有TDMA MAC協(xié)議，重新設計基于TDMA的分布式MAC協(xié)議的成本和復雜度都很高。所以，有必要設計CSMA/CA和TDMA的混合多址接入機制，即設計一個覆蓋CSMA/CA協(xié)議的分布式TDMA MAC協(xié)議。

　　4.4　天線優(yōu)化和空間復用

　　對于工作在高頻的無線系統(tǒng)，通過使用定向天線可以獲得非常高的增益，并能阻止來自其他方向的多徑信號。并且，高增益天線(特別是安裝在高處的那些天線)和使用高增益放大器的大信號發(fā)射功率也便于擴大小區(qū)范圍。通常，可以通過調(diào)整發(fā)射機和天線增益來控制可擴展性，改善地理覆蓋。優(yōu)化天線使自由空間衰減造成的信號損耗大大減少，從而最大化覆蓋范圍。

　　通過同時在時間域和空間域上對數(shù)據(jù)編碼，STBC提供了空間分集和對抗衰落的魯棒性。但是，由于在每根天線上發(fā)送了冗余信息，所以分集的代價是犧牲了峰值數(shù)據(jù)率。空間復用(SM)也稱為MIMO(多入多出)，其數(shù)據(jù)速率增加的倍數(shù)在原理上與發(fā)射天線數(shù)成正比(因為每根發(fā)射天線都攜帶不同的數(shù)據(jù)符號流)。因此，如果發(fā)射天線數(shù)是M，并且每個符號流的數(shù)據(jù)速率是尺，那么空間復用時的發(fā)射數(shù)據(jù)速率就是MR。

　　盡管SM理論上可以實現(xiàn)的傳輸速率比STBC機制更高，但是因為天線之間缺少冗余度，所以減少了分集，導致鏈路級誤差性能較差，并且可能會減少實際可達吞吐量，特別是在低SNR(信噪比)的情況下。為了解決這個問題，可使用空間復用的一個簡單擴展——線性空時預編碼/譯碼[10]。

　　4.5　調(diào)制機制

　　調(diào)制機制也極大地影響了網(wǎng)絡的可擴展性，高階調(diào)制機制可以增加數(shù)據(jù)容量。在考慮小區(qū)重疊控制和好的失真允許的條件下，QPSK是最佳的。但是，與高階QAM機制相比，它的帶寬利用率較低。雖然通過增加階數(shù)可以增加網(wǎng)絡容量，但是代價是更高的設備花費(因為接收機結(jié)構(gòu)更加復雜)和更加嚴重的小區(qū)間干擾。這可能會減小小區(qū)的覆蓋范圍，并且增加共信道干擾。

　　如果將幾種調(diào)制機制很好地組合，可以補償這類影響。如圖2所示，使用16QAM和64QAM的扇區(qū)可以增加數(shù)據(jù)容量，但是這些扇區(qū)的覆蓋范圍較小。因此，可以利用16個QPSK子信道提供小區(qū)外部的覆蓋區(qū)域，用8個16QAM子信道覆蓋小區(qū)內(nèi)部區(qū)域，最后使用64QAM為靠近基站的用戶提供高帶寬的鏈路。通過讓位于小區(qū)邊緣的每個用戶利用QPSK扇區(qū)，可以降低覆蓋范圍減小的影響。


圖2　不同調(diào)制機制的組合

　　4.6　干擾抵消

　　固定寬帶無線接入系統(tǒng)的一個主要問題是為位于小區(qū)邊界的用戶提供可靠的高速率數(shù)據(jù)。由于WiMAX系統(tǒng)的用戶移動性非常低，小區(qū)邊界上的用戶很可能永遠呆在那里，所以干擾抵消在這里比在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中的地位更重要。解決干擾問題的一個方法是為用戶研究一個低復雜性的干擾抵消接收機，類似概念目前已經(jīng)用于GSM系統(tǒng)[11]。需要新的研究和開發(fā)，在不顯著增加價格和用戶設備的復雜性的基礎上，將現(xiàn)有的基于多載波的干擾抵消研究應用于固定寬帶無線接入系統(tǒng)。

　　干擾情況會隨著BS和扇區(qū)的增加以及業(yè)務模式的改變而改變，并且TDD系統(tǒng)內(nèi)的干擾處理比FDD系統(tǒng)內(nèi)的更具挑戰(zhàn)性。TDD系統(tǒng)內(nèi)的干擾處理取決于扇區(qū)中的TDD幀之間的同步程度。緩解BS間干擾的一個辦法是在受害BS處通過使用額外的高定向天線接收高信噪比的干擾信號，然后使用這個信號和接收到的上行信號一起來估計干擾成分，對干擾信號的估計可以改善BS接收機所做的判決。另一種方法是，當沒有足夠的數(shù)據(jù)填滿復用器時，可以在TDD操作中的“空閑”間隔期間關(guān)閉發(fā)射機，從而減少干擾的產(chǎn)生。

5、結(jié)束語

　　WiMAX的下一步研究方向應該是降低設備成本，組網(wǎng)靈活，能夠根據(jù)業(yè)務模式(例如地理位置、上行和下行鏈路的需求、服務類型以及服務質(zhì)量等)的改變動態(tài)地分配資源，增強可擴展性，并且具有針對無線Mesh網(wǎng)絡特點專門設計的物理層和高層技術(shù)。

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