WiMAX系統(tǒng)及其設(shè)備研發(fā)

1.1 多技術(shù)整合

wimax系統(tǒng)開發(fā)中涉及標準強制實施的技術(shù)、非強制實施的技術(shù)，以及標準未規(guī)定使用的技術(shù)。系統(tǒng)開發(fā)在保持對強制實施技術(shù)支持基礎(chǔ)上，需要考慮對非強制實施技術(shù)以及未規(guī)定技術(shù)的合理選擇和使用。

針對BWA應(yīng)用，產(chǎn)品定位在高速率、大范圍廣域互聯(lián)方面，因此，以下幾點需要重點予以考慮：
(1)如何保證大范圍覆蓋？
(2)如何提高頻譜效率，以及系統(tǒng)吞吐率，包括多用戶下的系統(tǒng)吞吐率？
(3)如何保證特定業(yè)務(wù)或用戶的QoS？
(4)如何簡化網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)，降低組網(wǎng)成本？

針對MBWA應(yīng)用，產(chǎn)品定位將在BWA的基礎(chǔ)上，增加對用戶移動性的支持，以下幾點需要重點加以考慮：
(1)如何有效解決時變信道的衰落？
(2)如何保持高的頻譜效率，兼顧考慮移動和非移動用戶的信道使用？
(3)如何保證覆蓋的無縫？
(4)如何保證各種業(yè)務(wù)在切換過程的連續(xù)性(假設(shè)他們對連續(xù)性的要求是有差異的)？
(5)如何進一步有效地支持用戶的節(jié)點模式？
(6)如何提供用戶在WiMAX與其他寬帶無線網(wǎng)絡(luò)間的切換和漫游？

上述問題都是在技術(shù)整合的過程中

需要回答的問題。例如針對BWA的問題，可以給出下列技術(shù)選擇：

(1)通過使用扇區(qū)、波束成型智能天線陣列，或是采用多輸入多輸出(MIMO)及簡單空時編碼，來綜合解決覆蓋范圍以及容量等問題。

(2)在覆蓋技術(shù)已提供高信噪比(SNR)的情況下，提供更高階調(diào)制方式(例如256QAM等)，或者采用MIMO并行傳輸，或者信道分配采用有信道質(zhì)量加權(quán)的算法，提高頻譜效率。

(3)在信道分配算法、MAC層/協(xié)議層隊列調(diào)度機制，以及網(wǎng)絡(luò)接入控制與負載平衡上采用部分或聯(lián)合控制策略，綜合保證具有用戶及業(yè)務(wù)針對性的QoS機制的實施。

(4)考慮支持Mesh組網(wǎng)能力，并且使系統(tǒng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)管理實體具有自動發(fā)現(xiàn)、自動配置等功能，大大增加網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和覆蓋的靈活性，同時降低網(wǎng)絡(luò)管理的復雜性。

技術(shù)的選擇和整合需要綜合考慮，范圍涉及系統(tǒng)產(chǎn)品的定義、系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度及成本的計算、芯片及開發(fā)平臺的選擇、開發(fā)及合作資源的規(guī)劃等諸多問題。不同于無線局域網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)，WiMAX包括更多的需要解決的問題以及更多的可以選擇的技術(shù)手段，技術(shù)選擇的空間正是設(shè)備制造商在技術(shù)及產(chǎn)品功能開發(fā)上發(fā)揮自身優(yōu)勢的一個廣闊舞臺。

1.2 基站設(shè)備

一般基站(中心站)可以劃分為一體化小容量基站與容量可伸縮的大容量基站兩種，根據(jù)不同的產(chǎn)品定義，還可以衍生出具有不同網(wǎng)絡(luò)或其他功能的產(chǎn)品?；鞠到y(tǒng)開發(fā)的規(guī)劃流程如圖1所示。

一體化小容量基站一般指用于提供單小區(qū)/扇區(qū)覆蓋的系統(tǒng)設(shè)備，不具有容量擴展能力，但方便設(shè)備的布設(shè)和使用(與其他BWA系統(tǒng)設(shè)備的使用非常相似)。一體化小容量基站通用結(jié)構(gòu)如圖2所示。大容量基站通過使各個覆蓋子系統(tǒng)高效共用網(wǎng)絡(luò)處理、支持系統(tǒng)資源而降低單位信道的成本，由于具有易于擴展和伸縮的特性，非常方便容量升級、硬件升級等后續(xù)工作的開展。大容量基站通用結(jié)構(gòu)如圖3所示。[8, 9]

一體化基站一般由射頻收發(fā)模塊、物理層基帶處理、MAC層協(xié)議處理、網(wǎng)絡(luò)處理器以及其他接口、存儲及支持系統(tǒng)組成?？紤]到芯片集成能力的不斷提高，物理層及MAC層處理，甚至網(wǎng)絡(luò)處理器將可以實現(xiàn)單芯片解決方案。射頻收發(fā)模塊的選擇主要是看其對多天線收發(fā)的支持，以及在高階調(diào)制、正交頻分復用(OFDM) 多載波使用中的動態(tài)范圍與穩(wěn)定性。MAC層的協(xié)議處理分為硬件及軟件處理兩部分，硬件部分負責高效的執(zhí)行發(fā)送及接收隊列、底層信道分配、報文封裝/解封裝、硬件加密等任務(wù)，軟件部分則負責MAC層隊列及流量控制、信道分配及QoS算法、對硬件MAC的控制、安全及其他機制的處理等各種任務(wù)。MAC層軟件部分將與其他協(xié)議層任務(wù)運行在網(wǎng)絡(luò)處理器上。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的需要及芯片的選擇決定網(wǎng)絡(luò)處理器所采用的實時操作系統(tǒng)。另一種選擇是，如果基帶處理芯片上集成了高速嵌入式處理器，則MAC層軟件可以選擇運行在該高速嵌入式處理器上，而非實時任務(wù)及網(wǎng)絡(luò)任務(wù)則運行在網(wǎng)絡(luò)處理器上，嵌入式處理器及網(wǎng)絡(luò)處理器可以采用不同的操作系統(tǒng)。

大容量基站一般采用模塊化設(shè)計，射頻模塊、基帶及MAC層處理、網(wǎng)絡(luò)及其他任務(wù)處理可以板卡的形式作為系統(tǒng)組件，各系統(tǒng)組件通過PCI總線通信。MAC層處理采用基帶及MAC層處理卡上獨立的處理器或嵌入式處理器來完成。

在基帶芯片的選擇上，需要關(guān)注其是否支持MIMO技術(shù)、調(diào)制方式、雙工方式，支持的物理信道帶寬、OFDM的處理性能，對加密方式的支持等項目。如 Wavesat公司推出的支持IEEE 802.16d的物理層芯片DM256，其功能如表2所示。需要在對芯片充分了解的基礎(chǔ)上，才能選用。

1. 3 wimax的用戶終端

WiMAX終端主要包括CPE及用戶站(STA)類型，CPE類型主要用于提供IP網(wǎng)絡(luò)接口的點對點、點對多點應(yīng)用；STA類型則主要面向單用戶接入，可以用于BWA及MBWA WiMAX系統(tǒng)的普通終端用戶接入，提供的接口包括IP網(wǎng)絡(luò)接口、PCMCIA等不同的選擇，面向不同的終端產(chǎn)品。

與基站設(shè)備比較，終端設(shè)備將更加受限于安裝、尺寸、電源、功率等諸多問題，尤其是MBWA的應(yīng)用更是如此。與WiFi的應(yīng)用類似，即使對于BWA的應(yīng)用，STA類型的終端預(yù)計仍有很大需求(主要用于用戶通過筆記本電腦之類的終端直接接入BWA網(wǎng)絡(luò))。這就對片上系統(tǒng)(SoC)芯片及射頻(RF)部分的設(shè)計提出了更加苛刻的要求，低功率SoC方案，以及多天線、多載波情況下的RF設(shè)計是解決問題的關(guān)鍵。通用的用戶終端結(jié)構(gòu)如圖4所示。

與基站設(shè)備相比，終端設(shè)備對成本及市場投放價格也更加敏感，目前的WiMAX終端成本包括天線及網(wǎng)絡(luò)接口在內(nèi)，大致在150～120美元之間。預(yù)計在 2005年下半年，終端成本將下降到100美元以下；2006年下半年，將下降到約50美元。除了芯片設(shè)計及工藝因素外，終端

成本主要取決于WiMAX市場規(guī)模的發(fā)展狀況。

1.4 WiMAX運營支撐系統(tǒng)

支持固定/移動接入的WiMAX網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。對于運營商大規(guī)模布設(shè)的WiMAX系統(tǒng)，需要與運營有關(guān)的支撐系統(tǒng)來管理設(shè)備、用戶與業(yè)務(wù)資源。這一支撐系統(tǒng)包括認證與計費系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)以及IP增值業(yè)務(wù)系統(tǒng)。對于寬帶網(wǎng)絡(luò)運營商而言，很容易將WiMAX網(wǎng)絡(luò)與寬帶網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一進行管理。不過，當MBWA WiMAX系統(tǒng)提供移動業(yè)務(wù)時，需要增加與用戶位置及移動性管理有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)實體。考慮到IEEE 802.16e的切換及漫游標準尚未標準化，這里不便就其工作方式進行討論，不過，該位置登記實體預(yù)計將與3G系統(tǒng)的類似實體非常相似。

2 WiMAX產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的現(xiàn)狀

WiMAX在WiMAX組織的推動下，已經(jīng)形成了包括芯片制造商、接入及終端系統(tǒng)設(shè)備商、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備商、運營商等在內(nèi)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，主要基帶芯片開發(fā)商、RF芯片制造商、設(shè)備制造商見表3。由于WiMAX依賴于核心芯片作為上游產(chǎn)品，因此，與初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈相比，芯片開發(fā)與制造短期內(nèi)將是WiMAX 發(fā)展的“瓶頸”。

2.1 芯片開發(fā)

目前，主要有4家芯片設(shè)計廠商從事WiMAX基帶處理芯片的開發(fā)，分別是Intel、Fujitsu微電子、Wavesat和Sequans公司。

Intel在2004年9月發(fā)布了支持IEEE 802.16d的CPE SoC芯片，名為Rosedale。該芯片已經(jīng)交由少數(shù)設(shè)備廠商進行CPE產(chǎn)品開發(fā)。Intel預(yù)計將在2006年提供內(nèi)置于筆記本電腦的WiMAX芯片，并在2007年提供用于掌上設(shè)備的WiMAX芯片。

位于加拿大蒙特利爾的半導體設(shè)計公司W(wǎng)avesat在2004年9月也發(fā)布了其WiMAX芯片，名為DM256，并將基于DM256芯片的完整設(shè)計交由其合作伙伴美國的Atmel公司完成后續(xù)開發(fā)。Fujitsu微電子計劃于 2005年第二季度發(fā)布基于IEEE 802.16d芯片。其WiMAX芯片的開發(fā)要早于Intel。一家位于法國巴黎的公司Sequans也正在進行SoC芯片及相應(yīng)軟件解決方案的開發(fā)。

2.2 系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)

加拿大Redline Communications公司早在2003年10月就發(fā)布了第一個符合IEEE 802.16a標準的產(chǎn)品設(shè)備AN-100。該系統(tǒng)工作在3.5 GHz頻段，已經(jīng)在歐洲、中東和亞洲獲得了固定接入許可，可以提供70 Mb/s的吞吐量，視距范圍達到45 km。該產(chǎn)品可工作于點對點，點對多點的不同方式。

AN-100 產(chǎn)品功能如下[10]：

3.4～3.8 GHz頻段，應(yīng)用于非視距傳輸。
信道帶寬：3.5/7/14 MHz。
頻譜效率：5 b/s/Hz，最大速率70 Mb/s (14 MHz)。
雙工方式：動態(tài)TDD，HD-FDD。
信道編碼效率：1/2，2/3，3/4。
覆蓋距離：視距45 km，非視距3 km。
接收靈敏度：-88 dBm。
動態(tài)調(diào)制方式：QPSK、16/64QAM。
加密方式：DES(用于業(yè)務(wù)處理)、3DES(用于密鑰交互)。
支持協(xié)議：MAC、IEEE 802.16a。

2004年6月，Alvarion公司推出了支持IEEE 802.16a的BreezeMAX3500平臺，該產(chǎn)品系列工作在3.5 GHz頻段，已經(jīng)通過歐洲及亞太運營商的測試。

3 WiMAX系統(tǒng)的發(fā)展方向

3.1 IEEE 802.16e造就移動WiMAX

IEEE 802.16e將有助于將WiMAX帶入個人消費的廣闊市場。IEEE802.16e特別強調(diào)對IEEE 802.16d的后向兼容。

IEEE 802.16e的特點主要有：

物理層能夠進行時變信道下的信號解調(diào)。
支持用戶站在基站間完成硬切換。
用戶站可以工作在休眠(節(jié)電)模式。
兼容IEEE 802.16d，在空中接口幀結(jié)構(gòu)上同時提供對固定及移動終端的傳輸支持。

由于兼容性的存在，使得系統(tǒng)設(shè)備在設(shè)計開發(fā)上預(yù)計可以有很好的繼承性，但對低成本單芯片終端解決方案的需求將會很大。諸如定位及位置信息等功能將會考慮進基站和終端的設(shè)計中。

3.2 wimax+WiFi+WPAN的結(jié)合

WiMAX作為WiFi網(wǎng)絡(luò)的主干，可充分利用其支持網(wǎng)格組網(wǎng)的特點，這樣同時也解決了WiFi發(fā)展的“瓶頸”——組網(wǎng)問題。另外，從網(wǎng)絡(luò)覆蓋互補的角度來看，在廣域覆蓋環(huán)境中，WiMAX可以作為首選；在局域覆蓋中，WiFi(如IEEE 802.11n)可以作為首選；配合藍牙等無線個人網(wǎng)(WPAN)技術(shù)成本低廉的優(yōu)勢，有望形成WiMAX+WiFi+WPAN結(jié)合的局面。

在產(chǎn)品形式上，雙模的WiFi 接入點(DMAP)設(shè)備是一個候選。DMAP包括WiFi-AP及WiMAX-

SS模塊，WiFi用于用戶接入，WiMAX用于與主干網(wǎng)互聯(lián)。進一步， WiMAX模塊也可以是基站(BS)模塊，利用格狀網(wǎng)(Mesh)技術(shù)實現(xiàn)與主干網(wǎng)互聯(lián)，并支持WiMAX用戶的接入。另一種候選的產(chǎn)品是多模終端，可以工作在WiMAX及WiFi模式下，動態(tài)選擇接入WiMAX或WiFi網(wǎng)絡(luò)?？紤]到WiFi技術(shù)將嵌入到3G等其他廣域無線數(shù)據(jù)終端上，WiMAX+ WiFi雙模終端的出現(xiàn)將是很自然的結(jié)果。

3.3 MIMO及智能天線的運用

MIMO技術(shù)非常適合城市范圍內(nèi)多徑環(huán)境下的無線信號處理，包括提供空間分集以及多路信道并行傳輸，是提高WiMAX系統(tǒng)覆蓋范圍及吞吐量的合適技術(shù)。智能天線則有利于提高基站與運動物體的方向性空間增益以及對干擾信號的方向性抑制。不過，在城市多徑彌散的環(huán)境中，MIMO可能將會更受設(shè)備開發(fā)商的歡迎。

基站一側(cè)增加天線陣列應(yīng)該沒有問題。隨著天線陣列處理技術(shù)的發(fā)展，目前，終端一側(cè)增加2～3個陣元的天線陣列已經(jīng)可以容易地實現(xiàn)。基于IEEE 802.11n的系統(tǒng)將在接入設(shè)備及用戶站上采用多天線MIMO技術(shù)。

4 結(jié)束語

WiMAX技術(shù)通過將BWA標準化，正在使寬帶無線領(lǐng)域發(fā)生顯著的變革，使人們不再因為WiFi的有限覆蓋而頭痛，也不會止步于3G的低速率數(shù)據(jù)傳輸。尤其是當WiMAX的MBWA標準IEEE 802.16e出現(xiàn)的時候，會讓更多的消費者邁入無線信息時代。本文根據(jù)這一變革中市場對系統(tǒng)及設(shè)備的需求，探討了WiMAX產(chǎn)品開發(fā)所涉及的各個主要方面，從中可以看出，基站設(shè)備的開發(fā)需要通過精心選擇合適的技術(shù)方向來獲得競爭優(yōu)勢，而IEEE 802.16標準的雙向兼容性將使設(shè)備的持續(xù)開發(fā)獲益；終端的普及將帶動WiMAX的規(guī)?；l(fā)展，而終端的形式及成本將決定這一發(fā)展的速度；與WiFi等互補的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的融合將互惠互利，但可以預(yù)見到，技術(shù)的競爭會一直持續(xù)，因此，WiMAX必須堅持向開放性、低成本與新技術(shù)的方向前進。