移動WiMAX-引人矚目的寬帶無線接入技術

　　近兩年來WiMAX發(fā)展迅速，逐漸成為城域寬帶無線接入技術發(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IEEE 802.16-2004標準（802.16d的最終版本）后，為了迎合全球通信產業(yè)發(fā)展移動化和寬帶化結合的趨勢，WiMAX論壇于2005年12月推出了支持移動性的寬帶無線接入標準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。

　　1 WiMAX的主要標準規(guī)范

　　目前，IEEE 802.16空中接口標準主要包括IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e-2005。IEEE 802.16-2004是固定無線接入標準，對前幾個IEEE 802.16標準進行了整合和修訂，是相對比較成熟并且最具有實用性的標準版本。該標準可以應用于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)務類型的固定寬帶無線接入系統(tǒng)的MAC層和相對應的多個物理層。而IEEE 802.16e-2005是802.16-2004的增強版，與前幾個802.16系列標準的最大區(qū)別在于對移動性的支持。該標準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協議體系結構

　　WiMAX的協議體系結構模型如圖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議；公共部分子層，負責執(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、密鑰交換等與安全有關的功能。

圖1 WiMAX的協議體系結構模型

　　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，定義了一個單載波調制模式的空中接口WirelessMAN-SC；在 2GHz～11GHz頻段范圍內，定義了三個空中接口規(guī)范：

　?。?）WirelessMAN-Sca：增強單載波調制模式。

　?。?）WirelessMAN-OFDM（正交頻分多路復用）：使用256載波OFDM方式。這種空中接口通過時分復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，以適應不同地理區(qū)域，適應20MHz到1.25MHz的信道寬帶差異。OFDMA采用多載波調制方式，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，編碼和調制是獨立自適應的，以便在更小的范圍內優(yōu)化信道（而不是在整個信道范圍內優(yōu)化）。同時，這種技術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覆蓋。OFDMA技術如圖2所示。

圖2 OFDMA技術

　　OFDMA和SOFDMA同樣有利于固定寬帶業(yè)務，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更復雜。將來服務提供商可能傾向于部署802.16e網絡為固定和移動用戶服務。很多商家已經宣布最初的802.16基站能夠通過軟件升級到 802.16e。SOFDMA已經得到標準制訂者和設備生產商的廣泛認可。值得注意的是，基于SOFDMA的韓國標準WiBro（無線寬帶）已經使 IEEE相信了SOFDMA的優(yōu)點。WiBro和802.16e相互補充，這兩種技術的產品可共同使用。此外，Intel宣布SOFDMA將會成為室內和移動設備可選擇的物理層實現方式。

    1.3 媒質接入控制（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（包括本身是無連接的業(yè)務）在 802.16系統(tǒng)中都將映射到連接上，每條連接都有一個16比特的連接標志（CID）作為唯一標志。WiMAX的MAC層定義了較為完善的QoS機制， MAC層針對每個連接設置不同的QoS參數，包括速率、時延等指標。為了更好地控制上行數據的帶寬分配，標準還定義了不同的上行帶寬調度模式，針對實時和非實時業(yè)務，固定比特率和可變比特率業(yè)務的特點采用不同的調度機制，實現帶寬的靈活分配。其MAC層的設計既支持點對多點（PMP）結構，又支持網絡（Mesh）結構，同時支持連續(xù)型業(yè)務和突發(fā)型業(yè)務，包括話音、數據、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技術、ARQ和H-ARQ技術等來保證信息傳輸的可靠性和有效性。

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

　?。?）切換技術

　　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基站的連接，再建立與目標基站的業(yè)務連接； 宏分集切換是移動端同時向/從多個基站發(fā)送/接收數據。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量，當移動端跨小區(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基站（anchor BS，錨基站）進行通信。

　?。?）節(jié)電功能

　　為了降低功耗，延長移動設備的電池壽命，802.16e定義了休眠和空閑兩種模式。休眠模式是用戶站在預先協商的指定周期內暫時中止基站服務的一種狀態(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據(包括尋呼消息和MBS業(yè)務)，并且在跨越多個基站的移動過程中，不需要進行切換和網絡重新進入的過程。

　　（3）安全能力

　　802.16eMAC層協議棧的安全子層提供接入控制，通過電子簽名認證用戶和設備，并且應用密鑰變換進行加密以保證數據傳輸的機密性。

　　2 WiMAX的技術優(yōu)勢

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

　?。?）傳輸距離遠

　　WiMAX的傳輸距離最遠可以達到50km，遠大于無線局域網；網絡覆蓋范圍為3G基站的10倍，只要建設少數的基站就能實現全城覆蓋，擴大了無線網絡的應用范圍。

　　（2）數據傳輸速率高

　　WiMAX能實現70 Mbit/s的數據傳輸速率，是3G的30倍以上。與無線LAN標準802.11a和802.11g相同，WiMAX也采用OFDM調制方式，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高于802.11a和802.11g，可以實現的最大傳輸速度為74.8Mbit/s。

　?。?）擴展性好

　　WiMAX的規(guī)劃要求其能與Wi-Fi實現無縫漫游，也可作為數字用戶線(DSL)等有線接入方式的無線的擴展，實現“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）服務質量高

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

　　3 商用現狀及發(fā)展趨勢

　　WiMAX在商用化進程上已初步形成了芯片研發(fā)、設備生產、系統(tǒng)應用的產業(yè)鏈。以802.16e標準為主導的芯片研究發(fā)展迅速，Intel、意法半導體、Runcom、Beceem等公司已經可以陸續(xù)提供802.16e芯片組，且大部分終端芯片都支持MIMO/AAS技術。 2006年1月，Samsung公司宣布其WiMAX M8000手持設備通過802.16e直接連接到了WiMAX基站。在網絡部署方面，2006年7月韓國KT公司推出了名為“WiBro”的移動 WiMAX商用服務，網絡已覆蓋首爾的部分熱點地區(qū)，其市場定位是要與移動數據業(yè)務競爭，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部署移動WiMAX網絡，到2008年將覆蓋1億人口，主要針對DSL展開競爭。

    中國的WiMAX市場也出現了新的動向。廣東網通進行了WiMAX測試，并在全省主要城市部署了WiMAX基站；隨后中國網通集團公司在全國范圍內進行WiMAX的技術測試。此外其他幾家運營商對WiMAX的態(tài)度也開始出現較大的轉變，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，我們也應該看到WiMAX在無線通信領域中發(fā)展并非一帆風順，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技術要面對3G、HSDPA、802.20等競爭技術的挑戰(zhàn)等。目前，任何一種通信技術都不可能獨霸市場。WiMAX很有可能將 802.16e芯片內置到手機中，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絡，最大程度地滿足用戶的需要。

　　4 結束語

　　未來移動通信技術的發(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，以建網速度快、建設成本低、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技術標準不斷完善及系統(tǒng)功能開發(fā)的日趨成熟，這一平臺將會使固話網絡有更靈活的應用方式，移動網絡有更佳的數據性能。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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