WiMAX存在的問題與未來的發(fā)展方向

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(wù)，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(luò)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(dāng)前存在的問題，并在此基礎(chǔ)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(yīng)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(fù)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(shè)備供應(yīng)商們更傾向于使用它。

2.1.1　自適應(yīng)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

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
 
　　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(dǎo)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)。

2.2　MAC層技術(shù)

　　IEEE 802.16的MAC層是為PMP寬帶無線接入應(yīng)用設(shè)計的，要滿足非常高的數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的需求，以及許多服務(wù)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(wù)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(shè)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(wù)、實時輪詢業(yè)務(wù)、非實時輪詢業(yè)務(wù)、盡力而為業(yè)務(wù)。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(fù)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(wù)或需要QoS保證的業(yè)務(wù)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(wù)映射到足以有效攜帶任何業(yè)務(wù)類型的MAC層。公共部分子層與傳輸機制無關(guān)，負責(zé)將MAC業(yè)務(wù)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(zé)MAC層認證和加密功能。

　　IEEE 802.16標準支持頻分復(fù)用(FDD)和時分復(fù)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(dǎo)碼。前導(dǎo)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(wù)，這對具有嚴格延遲限制的恒定比特速率的應(yīng)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(wù)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(luò)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(wù)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(luò)要能夠支持新業(yè)務(wù)。

　　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(yù)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(luò)擴展。

●數(shù)據(jù)密度的持續(xù)增長對WiMAX網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(wù)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(luò)傳遞帶寬的總費用。

●無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是下一代無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)[7]，802.16標準必須能夠支持無線Mesh網(wǎng)絡(luò)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(luò)的具體特點而設(shè)計的。

●BS和SS處的射頻設(shè)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(wù)量的增長、滿足系統(tǒng)擴展需求、降低設(shè)備成本以及支持無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，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(luò)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