移動(dòng)WiMAX-引人矚目的寬帶無(wú)線接入技術(shù)

　　近兩年來(lái)WiMAX發(fā)展迅速，逐漸成為城域?qū)拵?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/無(wú)線">無(wú)線接入技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。在2004年10月正式發(fā)布固定寬帶無(wú)線接入技術(shù)IEEE 802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)（802.16d的最終版本）后，為了迎合全球通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展移動(dòng)化和寬帶化結(jié)合的趨勢(shì)，WiMAX論壇于2005年12月推出了支持移動(dòng)性的寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16e-2005，從而使移動(dòng)終端能夠在不同基站間進(jìn)行切換和漫游。

　　1 WiMAX的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

　　目前，IEEE 802.16空中接口標(biāo)準(zhǔn)主要包括IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e-2005。IEEE 802.16-2004是固定無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)前幾個(gè)IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了整合和修訂，是相對(duì)比較成熟并且最具有實(shí)用性的標(biāo)準(zhǔn)版本。該標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)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(wù)類型的固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的MAC層和相對(duì)應(yīng)的多個(gè)物理層。而IEEE 802.16e-2005是802.16-2004的增強(qiáng)版，與前幾個(gè)802.16系列標(biāo)準(zhǔn)的最大區(qū)別在于對(duì)移動(dòng)性的支持。該標(biāo)準(zhǔn)可同時(shí)支持固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)，工作在<6GHz適宜于移動(dòng)性的許可頻段，可支持用戶終端以車輛速度移動(dòng)（一般低于120km/h）。

　　1.1 WiMAX協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

　　WiMAX的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)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(gè)子層：特定服務(wù)匯聚子層，提供與更高層的接口，通過(guò)不同的匯聚方式更好地適配各種上層協(xié)議；公共部分子層，負(fù)責(zé)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(hù)等；安全子層，提供加密、鑒權(quán)、密鑰交換等與安全有關(guān)的功能。

圖1 WiMAX的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)模型

　　為了支持移動(dòng)性，IEEE 802.16e-2005的物理層和MAC層都有一定改進(jìn)和增強(qiáng)，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(jìn)。

　　1.2 物理層

　　WiMAX系統(tǒng)為滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)合制定了兩個(gè)使用頻段：10GHz～66 GHz與2GHz～11GHz。WiMAX在10GHz～66GHz頻帶內(nèi)，定義了一個(gè)單載波調(diào)制模式的空中接口WirelessMAN-SC；在 2GHz～11GHz頻段范圍內(nèi)，定義了三個(gè)空中接口規(guī)范：

　?。?）WirelessMAN-Sca：增強(qiáng)單載波調(diào)制模式。

　?。?）WirelessMAN-OFDM（正交頻分多路復(fù)用）：使用256載波OFDM方式。這種空中接口通過(guò)時(shí)分復(fù)用接入方式多路訪問(wèn)不同的基站。

　?。?）WirelessMAN-OFDMA（正交頻分多址接入）：使用2048載波OFDM方式。這種接口通過(guò)給每個(gè)接收機(jī)分配載波子集提供多路訪問(wèn)。

　　IEEE 802.16e-2005的物理層實(shí)現(xiàn)方式與802.16-2004是基本一致的，主要差別是對(duì)OFDMA進(jìn)行了擴(kuò)展，采用OFDM及其增強(qiáng)版本可擴(kuò)展的 OFDMA（SOFDMA）。在IEEE 802.16-2004中，僅規(guī)定了2048點(diǎn)OFDMA。而在IEEE 802.16e-2005中，可以支持2048點(diǎn)、1024點(diǎn)、512點(diǎn)和128點(diǎn)OFDMA，以適應(yīng)不同地理區(qū)域，適應(yīng)20MHz到1.25MHz的信道寬帶差異。OFDMA采用多載波調(diào)制方式，將載波分成若干個(gè)組，每個(gè)組里又有很多子載波以形成子信道。對(duì)于每一個(gè)子信道，編碼和調(diào)制是獨(dú)立自適應(yīng)的，以便在更小的范圍內(nèi)優(yōu)化信道（而不是在整個(gè)信道范圍內(nèi)優(yōu)化）。同時(shí)，這種技術(shù)對(duì)頻譜資源的使用進(jìn)行了優(yōu)化，并且通過(guò)給易受攻擊的鏈路分配一種魯棒體制加強(qiáng)室內(nèi)覆蓋。OFDMA技術(shù)如圖2所示。

圖2 OFDMA技術(shù)

　　OFDMA和SOFDMA同樣有利于固定寬帶業(yè)務(wù)，因?yàn)檩d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(fù)雜。將來(lái)服務(wù)提供商可能傾向于部署802.16e網(wǎng)絡(luò)為固定和移動(dòng)用戶服務(wù)。很多商家已經(jīng)宣布最初的802.16基站能夠通過(guò)軟件升級(jí)到 802.16e。SOFDMA已經(jīng)得到標(biāo)準(zhǔn)制訂者和設(shè)備生產(chǎn)商的廣泛認(rèn)可。值得注意的是，基于SOFDMA的韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)WiBro（無(wú)線寬帶）已經(jīng)使 IEEE相信了SOFDMA的優(yōu)點(diǎn)。WiBro和802.16e相互補(bǔ)充，這兩種技術(shù)的產(chǎn)品可共同使用。此外，Intel宣布SOFDMA將會(huì)成為室內(nèi)和移動(dòng)設(shè)備可選擇的物理層實(shí)現(xiàn)方式。

    1.3 媒質(zhì)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(diǎn)是面向連接，即所有業(yè)務(wù)（包括本身是無(wú)連接的業(yè)務(wù)）在 802.16系統(tǒng)中都將映射到連接上，每條連接都有一個(gè)16比特的連接標(biāo)志（CID）作為唯一標(biāo)志。WiMAX的MAC層定義了較為完善的QoS機(jī)制， MAC層針對(duì)每個(gè)連接設(shè)置不同的QoS參數(shù)，包括速率、時(shí)延等指標(biāo)。為了更好地控制上行數(shù)據(jù)的帶寬分配，標(biāo)準(zhǔn)還定義了不同的上行帶寬調(diào)度模式，針對(duì)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，固定比特率和可變比特率業(yè)務(wù)的特點(diǎn)采用不同的調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)帶寬的靈活分配。其MAC層的設(shè)計(jì)既支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PMP）結(jié)構(gòu)，又支持網(wǎng)絡(luò)（Mesh）結(jié)構(gòu)，同時(shí)支持連續(xù)型業(yè)務(wù)和突發(fā)型業(yè)務(wù)，包括話音、數(shù)據(jù)、IP連接、VoIP等。為了解決無(wú)線傳輸環(huán)境的不穩(wěn)定性，MAC層采用了無(wú)線鏈路自適應(yīng)技術(shù)、ARQ和H-ARQ技術(shù)等來(lái)保證信息傳輸?shù)目煽啃院陀行浴?

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

　?。?）切換技術(shù)

　　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(dāng)移動(dòng)端（MS）跨小區(qū)移動(dòng)時(shí)，為其提供無(wú)縫連接。硬切換的特點(diǎn)是先中斷與原服務(wù)基站的連接，再建立與目標(biāo)基站的業(yè)務(wù)連接； 宏分集切換是移動(dòng)端同時(shí)向/從多個(gè)基站發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。而移動(dòng) WiMAX 所特有的快速基站切換，則利用選擇分集和快速切換機(jī)制提高鏈路質(zhì)量，當(dāng)移動(dòng)端跨小區(qū)移動(dòng)時(shí)，MS同時(shí)監(jiān)視激活集中的多個(gè)基站，但只與其中的一個(gè)目標(biāo)基站（anchor BS，錨基站）進(jìn)行通信。

　?。?）節(jié)電功能

　　為了降低功耗，延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)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(yù)先協(xié)商的指定周期內(nèi)暫時(shí)中止基站服務(wù)的一種狀態(tài)。休眠模式對(duì)于用戶站是可選的，對(duì)于基站是必須的。而空閑模式比休眠模式更省電，在進(jìn)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(shù)據(jù)(包括尋呼消息和MBS業(yè)務(wù))，并且在跨越多個(gè)基站的移動(dòng)過(guò)程中，不需要進(jìn)行切換和網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入的過(guò)程。

　　（3）安全能力

　　802.16eMAC層協(xié)議棧的安全子層提供接入控制，通過(guò)電子簽名認(rèn)證用戶和設(shè)備，并且應(yīng)用密鑰變換進(jìn)行加密以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性。

　　2 WiMAX的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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

　?。?）傳輸距離遠(yuǎn)

　　WiMAX的傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到50km，遠(yuǎn)大于無(wú)線局域網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為3G基站的10倍，只要建設(shè)少數(shù)的基站就能實(shí)現(xiàn)全城覆蓋，擴(kuò)大了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

　?。?）數(shù)據(jù)傳輸速率高

　　WiMAX能實(shí)現(xiàn)70 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，是3G的30倍以上。與無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)802.11a和802.11g相同，WiMAX也采用OFDM調(diào)制方式，每個(gè)頻道的帶寬為20MHz。由于WiMAX可通過(guò)室外固定天線穩(wěn)定地收發(fā)無(wú)線電波，無(wú)線電波可承載的比特?cái)?shù)高于802.11a和802.11g，可以實(shí)現(xiàn)的最大傳輸速度為74.8Mbit/s。

　?。?）擴(kuò)展性好

　　WiMAX的規(guī)劃要求其能與Wi-Fi實(shí)現(xiàn)無(wú)縫漫游，也可作為數(shù)字用戶線(DSL)等有線接入方式的無(wú)線的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)“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。

　?。?）服務(wù)質(zhì)量高

　　WiMAX比Wi-Fi具有更好的可擴(kuò)展性、安全性及服務(wù)質(zhì)量（QoS），因此可以更好地實(shí)現(xiàn)電信級(jí)的多媒體通信服務(wù)。高帶寬可以將IP網(wǎng)的缺點(diǎn)大大降低，從而大幅度提高VoIP的服務(wù)質(zhì)量。

　　3 商用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　WiMAX在商用化進(jìn)程上已初步形成了芯片研發(fā)、設(shè)備生產(chǎn)、系統(tǒng)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈。以802.16e標(biāo)準(zhǔn)為主導(dǎo)的芯片研究發(fā)展迅速，Intel、意法半導(dǎo)體、Runcom、Beceem等公司已經(jīng)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(shù)。 2006年1月，Samsung公司宣布其WiMAX M8000手持設(shè)備通過(guò)802.16e直接連接到了WiMAX基站。在網(wǎng)絡(luò)部署方面，2006年7月韓國(guó)KT公司推出了名為“WiBro”的移動(dòng) WiMAX商用服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)已覆蓋首爾的部分熱點(diǎn)地區(qū)，其市場(chǎng)定位是要與移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)，因此資費(fèi)比HSDPA便宜20%左右。美國(guó)Sprint- Nextel公司也正式宣布投資30億美元計(jì)劃于2007年下半年在全美國(guó)范圍內(nèi)部署移動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)，到2008年將覆蓋1億人口，主要針對(duì)DSL展開競(jìng)爭(zhēng)。

    中國(guó)的WiMAX市場(chǎng)也出現(xiàn)了新的動(dòng)向。廣東網(wǎng)通進(jìn)行了WiMAX測(cè)試，并在全省主要城市部署了WiMAX基站；隨后中國(guó)網(wǎng)通集團(tuán)公司在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行WiMAX的技術(shù)測(cè)試。此外其他幾家運(yùn)營(yíng)商對(duì)WiMAX的態(tài)度也開始出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)變，紛紛投入到WiMAX的測(cè)試中。值得一提的是，WiMAX能夠滿足2008年奧運(yùn)會(huì)對(duì)無(wú)線寬帶接入的高速率要求，給我國(guó)通信市場(chǎng)帶來(lái)很大的市場(chǎng)機(jī)遇。同時(shí)，2010年在上海舉辦的世博會(huì)，也很有可能為WiMAX帶來(lái)商機(jī)。

　　但是，我們也應(yīng)該看到WiMAX在無(wú)線通信領(lǐng)域中發(fā)展并非一帆風(fēng)順，將會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)。如頻譜資源方面，WiMAX沒(méi)有全球統(tǒng)一的無(wú)線頻率，以及WiMAX技術(shù)要面對(duì)3G、HSDPA、802.20等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的挑戰(zhàn)等。目前，任何一種通信技術(shù)都不可能獨(dú)霸市場(chǎng)。WiMAX很有可能將 802.16e芯片內(nèi)置到手機(jī)中，與3G甚至B3G融合，最終邁向4G，形成一個(gè)真正無(wú)縫的、無(wú)處不在的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)，最大程度地滿足用戶的需要。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是移動(dòng)通信寬帶化、寬帶通信移動(dòng)化。移動(dòng)WiMAX作為寬帶無(wú)線接入技術(shù)，以建網(wǎng)速度快、建設(shè)成本低、覆蓋面積廣、頻率效率高等特點(diǎn)逐漸受到運(yùn)營(yíng)商的青睞。隨著WiMAX技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善及系統(tǒng)功能開發(fā)的日趨成熟，這一平臺(tái)將會(huì)使固話網(wǎng)絡(luò)有更靈活的應(yīng)用方式，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有更佳的數(shù)據(jù)性能。同時(shí)，移動(dòng)WiMAX在發(fā)展進(jìn)程中也會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)，但總的發(fā)展前景樂(lè)觀。

　　參考文獻(xiàn)

　　[2] 胡樂(lè)明，胡宇，曹磊 等. WiMAX技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用分析[J]. 電信科學(xué)，2005，21(10): 28-31

　　[3] 趙輝. WLAN、3G、WiMAX的競(jìng)爭(zhēng)與融合[J]. 無(wú)線電技術(shù)與信息，2006，2:35-42

　　[4] 唐雄燕. 寬帶無(wú)線接入技術(shù)及應(yīng)用:WiMAX與WIFI[M]. 電子工業(yè)出版社，2006