WiMAX技術(shù)介紹及其解決方案

    WiMAX是基于IEEE 802.16和ETSI HiperMAN無線城域網(wǎng)（MAN）標(biāo)準(zhǔn)的無線數(shù)字通信技術(shù)。它可為固定站（例如臺式電腦）提供高達(dá)50千米的寬帶無線接入（BWA），為移動站（例如筆記本電腦、移動電話、個人媒體播放器和PDA）提供5 - 15千米的寬帶無線接入。  

　　與Wi-Fi等無線技術(shù)相比，WiMAX具有更強(qiáng)的抗干擾性，可提供更高的帶寬利用率，并且可在更遠(yuǎn)距離上以更高的速率傳輸數(shù)據(jù)。WiMAX可在授權(quán)和非授權(quán)頻率上進(jìn)行操作，所以可為無線載波提供規(guī)范的環(huán)境和可行的經(jīng)濟(jì)模式。這些優(yōu)勢加上遍布全球的技術(shù)支持（例如正在全球進(jìn)行的部署、頻譜分配和標(biāo)準(zhǔn)化），使WiMAX成為在全球業(yè)務(wù)未覆蓋地區(qū)快速、經(jīng)濟(jì)高效地開通超快速寬帶無線接入的第一選擇。

　　技術(shù)

　　WiMAX的固定版本（IEEE 802.16-2004）可使用2-11 GHz頻段向固定設(shè)備提供非視距（NLOS）傳輸。較高的頻率要求視距內(nèi)的覆蓋范圍。固定WiMAX可在30英里的距離內(nèi)，以高達(dá)75 Mbps的速度提供高吞吐率寬帶連接。它基于正交頻分多址（OFDM），使用多種導(dǎo)頻音，并支持從BPSK到64 QAM 的調(diào)制范圍。WiMAX系統(tǒng)可以使用授權(quán)或非授權(quán)頻譜中從1至28 MHz、包含256個子載波（192個數(shù)據(jù)子載波）的多種帶寬。它可用于“最后一英里”寬帶連接、熱點和蜂窩回程，以及面向企業(yè)的高速企業(yè)連接等各種應(yīng)用。 

　　該標(biāo)準(zhǔn)的移動版本――IEEE 802.16e-2005是802.16-2004的擴(kuò)展，用于2-6 GHz頻段（參見表格）中的移動應(yīng)用。它可以將WiMAX技術(shù)構(gòu)建到筆記本電腦和其他移動設(shè)備中。



　　表1. 802.16無線技術(shù)比較

　　WiMAX論壇是業(yè)界領(lǐng)先的組織，幫助加快基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的部署。該論壇創(chuàng)建于2001年，通過驗證寬帶無線產(chǎn)品的一致性和互操作性來達(dá)到這個目的?？稍谌齻€WiMAX論壇指定的認(rèn)證實驗室（WFDCL）中的任何一個實驗室中，通過經(jīng)WiMAX論壇認(rèn)證的測試和驗證程序進(jìn)行認(rèn)證。這些實驗室包括：西班牙的AT4無線實驗室、韓國的電信技術(shù)協(xié)會和中國的中國信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院。

　　市場影響

　　WiMAX技術(shù)在全球的應(yīng)用越來越廣泛。Dell’Oro集團(tuán)的分析家預(yù)測，到2011年，移動WiMAX市場的年復(fù)合增長率將超過50％。全球正在如火如荼進(jìn)行的移動WiMAX試運營和商業(yè)部署證明了這種飛速增長。歐洲、印度、波多黎各、俄羅斯、韓國和美國等國家和地區(qū)紛紛開通此類業(yè)務(wù)。此外，許多運營商正計劃部署類似的固定系統(tǒng)或努力使移動WiMAX設(shè)備通過認(rèn)證。截止到2006年6月，超過200家運營商計劃部署WiMAX或已經(jīng)部署試運營或商用系統(tǒng)（參見圖1）。




圖1. 本表格由TeleGeography公司提供，突出顯示了近期的部署，其中大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)計劃在亞太地區(qū)部署或試運營。截止到2006年6月，全球網(wǎng)絡(luò)總數(shù)超過117個，其中14個新網(wǎng)絡(luò)計劃在北美部署。

　　WiMAX能夠為“最后一英里”寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供價格更低、更靈活的高性能解決方案，因此在全球得到廣泛部署。以典型的20-MHz通道帶寬部署情況為例。WiMAX產(chǎn)品在近距離可支持65 Mbps的下行鏈路數(shù)據(jù)速率，在9-10千米的距離上可支持16 Mbps的下行鏈路數(shù)據(jù)速率。充足的帶寬和傳輸范圍能夠支持幾百家企業(yè)用戶或數(shù)千個家庭用戶同時高速訪問三重播放應(yīng)用（例如提供話音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的應(yīng)用）。

　　一些分析家認(rèn)為固定WiMAX注定將像數(shù)字用戶線（DSL）和電纜調(diào)制互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)一樣得到廣泛使用，而另一些分析家則認(rèn)為其真正的發(fā)展?jié)摿υ谟谝苿?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/通信">通信。移動WiMAX™為當(dāng)前的蜂窩運營商提供了另一種選擇，運營商可以使用它來補(bǔ)充城域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)，以提供具有完整特性的多媒體移動應(yīng)用（包括音頻、數(shù)據(jù)和視頻）。新的運營商可以部署該技術(shù)，與蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較。 

　當(dāng)前的挑戰(zhàn)

　　盡管其得到市場越來越多的認(rèn)可，但是許多不利因素仍使WiMAX系統(tǒng)設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)，包括當(dāng)前需要更大覆蓋范圍、更快數(shù)據(jù)速率和更低價格的用戶。802.16標(biāo)準(zhǔn)本身也存在問題，使得工程師在系統(tǒng)射頻要求和架構(gòu)方面需要考慮許多不同的因素。WiMAX系統(tǒng)是按時分雙工（TDD）、頻分雙工（FDD）還是按半雙工FDD部署的？WiMAX系統(tǒng)是基于超外差式還是基于直接轉(zhuǎn)換式射頻架構(gòu)？如果不能有效解決這些挑戰(zhàn)中的任何一個，都會妨礙WiMAX的應(yīng)用，并直接關(guān)系到WiMAX產(chǎn)品的成功。現(xiàn)在面臨的其他部分工程問題還包括： 

　　挑戰(zhàn)：嚴(yán)格的EVM要求

　　802.16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基于1%的包誤碼率，誤差矢量振幅（EVM）最高為-31 dB。雖然此誤碼率和嚴(yán)格的接收機(jī)噪聲系數(shù)（7 dB最大值）有助于WiMAX實現(xiàn)更大的覆蓋范圍，但必須滿足EVM目標(biāo)也有許多問題。例如，這意味著所有的系統(tǒng)模塊都必須具有更好的線性特征，且相位噪聲必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于802.11中的設(shè)計。相應(yīng)地，苛刻的相位噪聲要求對合成器有影響，可能需要更長的穩(wěn)定時間。 

　　苛刻的EVM要求還對功率放大器（PA）有影響。在WiMAX系統(tǒng)中，PA必須提供更高的功率、具有更好的線性、能夠處理高峰均功率比（PAPR）――大約10 dB。但因此它們也會消耗更多的功率，而且效率更低。結(jié)果，我們必須付出相當(dāng)大的努力來開發(fā)更高效、線性度更好的PA，特別是在功耗至關(guān)重要的移動應(yīng)用中。 

　　挑戰(zhàn)：接收機(jī)性能

　　802.16標(biāo)準(zhǔn)支持 使用子信道，這意味著基站（BS）可以只通過部分?jǐn)?shù)據(jù)子載波向指定用戶傳送信號，而不必使用全部192個數(shù)據(jù)子載波來進(jìn)行傳送。在較少載波上使用相同大小的功率可以擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋范圍，但是由于子載波的間距更小，因此對相位噪聲和計時抖動的要求就更高。同樣，必須使用高性能合成器。

　　在移動WiMAX接收機(jī)設(shè)計中增添MIMO功能可能使設(shè)計更加復(fù)雜。在移動站（MS）中尋找足夠隔離兩個接收天線的空間非常困難，但對確保信號恢復(fù)至關(guān)重要。區(qū)分多個數(shù)據(jù)流與接受信號的需求對處理器提出了更高要求。

　　WiMAX系統(tǒng)依賴多路徑提供非視距（NLOS）覆蓋。系統(tǒng)中使用的接收機(jī)特別容易受到相位噪聲、計時抖動和頻率失配/同步的影響。鑒于標(biāo)準(zhǔn)對于相位噪聲和抖動的要求非常嚴(yán)格，這可能對系統(tǒng)提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。通過擴(kuò)大覆蓋范圍和數(shù)據(jù)速率來提高接收機(jī)的性能，將會有效地解決這一問題。如果接收機(jī)的性能不足，那么WiMAX系統(tǒng)的覆蓋范圍和數(shù)據(jù)速率以及價格都將會受到影響。

　　解決方案

　　安捷倫科技公司現(xiàn)在已是WiMAX論壇®主要成員，在2004年11月，安捷倫向市場推出了首款基于WiMAX的解決方案。憑借其創(chuàng)新的技術(shù)、無與倫比的專業(yè)經(jīng)驗和杰出的客戶支持能力，安捷倫迅速確立了自己在WiMAX領(lǐng)域中的領(lǐng)先地位。安捷倫擁有很高的市場認(rèn)同度，并且對WiMAX領(lǐng)域中客戶所遇到的工程難題有很深入的了解。安捷倫將繼續(xù)為市場提供廣泛的解決方案。 

　　安捷倫針對測試固定WiMAX和移動WiMAX的測量解決方案可涵蓋產(chǎn)品的整個生命周期，從研發(fā)、設(shè)計驗證和預(yù)先一致性到一致性測試和制造。這些最新的綜合解決方案為工程師們提供部署WiMAX設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)所需的可靠、可重復(fù)和一致的結(jié)果。

　　• 研發(fā)

　　無線連通性技術(shù)將繼續(xù)面對一系列正在發(fā)展中的標(biāo)準(zhǔn)。然而，產(chǎn)品開發(fā)不能總是等到標(biāo)準(zhǔn)確定下來后才著手開展。為了在這個過程中給予幫助，安捷倫提供一種完整的綜合研發(fā)設(shè)計和測試環(huán)境，包括仿真、表征和測量工具。例如，用于固定WiMAX和移動WiMAX的安捷倫高級設(shè)計系統(tǒng)（ADS）無線設(shè)計程序庫、89601A系列矢量信號分析（VSA）軟件、PSA系列高性能頻譜分析儀和E6651A移動WiMAX測試儀等，可對元件和系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，因而使WiMAX設(shè)計成為流線型設(shè)計（參見圖2）。  


                        
圖2. Agilent 89601A VSA軟件可為固定WiMAX信號和移動WiMAX信號的評測和故障診斷提供全面的WiMAX調(diào)制分析。它能夠在從基帶至11 GHz乃至更高頻率上，以1.25至28 MHz的帶寬測量WiMAX設(shè)備的各種性能，并支持先進(jìn)的WiMAX特性，例如子信道化。


　　• 設(shè)計驗證與預(yù)先一致性測試

　　在研發(fā)期間，工程師們必須確認(rèn)他們的設(shè)計是否符合WiMAX標(biāo)準(zhǔn)。并且，為了保證基站和用戶服務(wù)站符合不同國家所制定的各種條例，必須對WiMAX接收機(jī)和發(fā)射機(jī)都進(jìn)行測試。此時，WiMAX信號的生成、檢測、解調(diào)和故障診斷能力至關(guān)重要。用于802.16 WiMAX軟件的Agilent Signal Studio，支持工程師快速、輕松地配置在元器件和接收機(jī)的設(shè)計驗證和測試中符合固定和移動WiMAX的波形。Agilent ESG矢量信號發(fā)生器通過提供已校準(zhǔn)的WiMAX測試信號來幫助簡化上述過程（參見圖3）。當(dāng)用于ADS和VSA連接解決方案時，設(shè)計者有一個虛擬的原型解決方案。安捷倫PSA系列高性能頻譜分析儀也在這個過程中給予幫助，對復(fù)雜WiMAX信號進(jìn)行測量和監(jiān)視。此外，E6651A移動WiMAX測試儀、MXA頻譜分析儀和WiMAX設(shè)計檢驗測試系統(tǒng)也可幫助工程師驗證WiMAX設(shè)計。同時，這些工具還為設(shè)計和測試WiMAX部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的解決方案。  



圖3. Agilent ESG矢量信號發(fā)生器具有多種功能，可對幾乎所有現(xiàn)行和正在評審的空中接口標(biāo)準(zhǔn)（例如WiMAX）進(jìn)行性能評測。與Signal Studio軟件連用，它還能提供預(yù)配置和用戶配置的WiMAX波形，開發(fā)商可在6 GHz頻率時激勵WiMAX元件。

　　• 一致性測試

　　一致性測試可保證與其他WiMAX設(shè)備的互操作性，并使當(dāng)前用戶享受可靠的最終用戶體驗。安捷倫的WiMAX測試產(chǎn)品結(jié)合了最新的業(yè)界所需的測量，并構(gòu)建到AT4無線MINT RCT系統(tǒng)中。MINT T2110包括根據(jù)WiMAX CS 103 001測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的基站和用戶站發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測試案例。

　　安捷倫現(xiàn)在還可提供基于Agilent E6651A移動WiMAX測試儀的IEEE 802.16e 2005協(xié)議一致性測試（PCT）解決方案。利用具有PCT能力的Agilent E6651A移動 WiMAX測試儀，設(shè)備開發(fā)商和測試部門能夠運行有效的協(xié)議測試方案，來驗證他們的實施是否符合WiMAX標(biāo)準(zhǔn)。 

　　• 制造

　　開發(fā)WiMAX接收機(jī)和部件的工程師們需要信號生成和分析工具，以檢驗是否與尚在發(fā)展的WiMAX一致性測試要求相符合。帶有Signal Studio for WiMAX軟件的Agilent MXG矢量信號發(fā)生器能提供評測所需的基于標(biāo)準(zhǔn)的信號，而Agilent MXA信號分析儀則能使工程師對WiMAX信號進(jìn)行分析。另一些產(chǎn)品如E6651A移動WiMAX測試儀和MXZ-1000 WiMAX制造測試系統(tǒng)也在這個過程中給予幫助。同時，這些解決方案為目前的工程師們提供用于設(shè)計和生產(chǎn)環(huán)境的完整而快速的WiMAX測試系統(tǒng)。

　　其他的一些安捷倫領(lǐng)先產(chǎn)品包括：

　　• MIMO/第2波測試支持

　　安捷倫測量解決方案中對WiMAX論壇第2波系統(tǒng)提供支持，能夠精確而又經(jīng)濟(jì)高效地測試移動WiMAX產(chǎn)品中的多路輸入多路輸出（MIMO）和其他第2波功能。安捷倫測量解決方案中特定的第2波增強(qiáng)功能包括：
• 矢量信號分析（VSA）軟件和Signal Studio軟件――用于下行鏈路、上行鏈路協(xié)作式MIMO的矩陣A和矩陣B信號，以及創(chuàng)建HARQ猝發(fā)和上行鏈路測探區(qū)。請注意Signal Studio軟件還可提供對STC/MIMO的支持，并具有支持波束賦形的上行鏈路探測和在波形中嵌入MIMO衰減的特性。 
• 移動WiMAX測試儀――新型交互通道標(biāo)準(zhǔn)和MIMO通道測量，可支持工程師直接通過Tx天線或在衰減之后表征發(fā)射信號。 

　　• EXA信號分析儀

　　Agilent EXA可為那些不想影響速度、精度、應(yīng)用范圍或先進(jìn)連通性而又對預(yù)算較為敏感的工程師提供靈活、可擴(kuò)展的信號分析。作為業(yè)內(nèi)最快的經(jīng)濟(jì)型信號分析儀，它能夠使開發(fā)工程師和制造工程師經(jīng)濟(jì)高效地對新設(shè)計進(jìn)行故障診斷，增加制造吞吐量，或分析9 kHz至3.6、7.0、13.6和26.5 GHz頻率范圍內(nèi)復(fù)雜的、隨時間變化的信號。 


　　結(jié)論

　　WiMAX正試圖使點到多點的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入得以廣泛應(yīng)用，并且該網(wǎng)絡(luò)沒有和配線選件相關(guān)的開銷和距離限制。對于這種新興技術(shù)和WiMAX應(yīng)用的全面成功來說，物理層信號的生成、檢測、解調(diào)和故障診斷能力至關(guān)重要。作為WiMAX測試和測量的領(lǐng)先廠商，安捷倫科技將一如繼往地提供各種解決方案，來解決固定和移動WiMAX標(biāo)準(zhǔn)所帶來的獨特挑戰(zhàn)。安捷倫科技曾經(jīng)向市場推出首款基于研發(fā)的WiMAX解決方案，現(xiàn)在安捷倫是WiMAX論壇的主要成員。其測量解決方案目前已用于WiMAX認(rèn)證測試中。

　　安捷倫的創(chuàng)新解決方案在幫助WiMAX市場的壯大方面起著關(guān)鍵作用，同時，其豐富的技術(shù)經(jīng)驗使它能夠預(yù)見到任何可能產(chǎn)生的設(shè)計難題。隨著市場的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，安捷倫將繼續(xù)對WiMAX提供支持，不斷開發(fā)和推出新的解決方案。