移動WiMAX系統(tǒng)的關鍵技術及未來演進

摘要　本文首先介紹了移動WiMAX為支持高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務所采用的關鍵技術，主要包括多天線技術和分組調(diào)度算法，然后闡述了移動WiMAX為符合國際電聯(lián)IMT-Advanced要求而提出的IEEE 802.16m增強標準，就其主要內(nèi)容和標準化進程進行了詳細介紹，給出了未來演進思路和協(xié)議標準化計劃。

1、概述

在第三代移動通信（3G）領域，為了滿足迅速增長的對高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務，特別是移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的需求，在3G標準的基礎上，提出了相關的增強技術，包括3GPP的短期演進HSDPA（高速下行分組接入）和HSUPA（高速上行分組接入）技術及3G長期演進（LTE）技術等；而在3GPP2中，其增強和演進技術包括cdma2000 1x EV-DO、1x EV-DV和超移動寬帶（UMB）。3G的增強只是暫時滿足了業(yè)務的寬帶化需求，最高傳輸速率有限，如HSDPA峰值速率不超過14.4 Mbit/s。從更長時間來看，考慮到多系統(tǒng)的相互融合，在3G長期演進的基礎上進一步演進，也就是第四代移動通信系統(tǒng)（4G）或者后3G移動通信系統(tǒng)（B3G），而國際電聯(lián)（ITU）則為其命名為IMT-Advanced[1]。IMT-Advanced預計于2010年前后開始商用，2015年開始大規(guī)模部署。該系統(tǒng)在低速移動的室內(nèi)和室外環(huán)境中，將提供高達1 Gbit/s的小區(qū)吞吐量，在中高速移動的廣域環(huán)境下，將提供最高100 Mbit/s的峰值速率[2]。

在蜂窩移動通信系統(tǒng)演進的同時，無線寬帶接入系統(tǒng)也迅速發(fā)展。寬帶無線接入技術作為下一代通信網(wǎng)中最具發(fā)展?jié)摿Φ慕尤爰夹g之一，正受到業(yè)界越來越多的關注。移動WiMAX是目前無線寬帶接入技術的代表，它的技術標準IEEE 802.16e的目標是能夠向下兼容IEEE 802.16d。IEEE 802.16e協(xié)議作為固定接入技術的擴展，增加了終端用戶的移動性功能，從而使移動終端能夠在不同基站間進行切換和漫游。為了進一步提高移動WiMAX的無線接入性能，向IMT-Advanced的要求靠近，移動WiMAX的演進提到了議程，在IEEE 802系列標準中專門成立了IEEE 802.16m標準化工作組。

最近在日本召開的ITU-R第8F工作組會議上，作為WiMAX特別子集的IMT-2000新地面無線電接口“OFDMA TDD WMAN”被提交批準為下一級會議審批議題，這標志著WiMAX進入3G體系的戰(zhàn)略成功地走出了關鍵的第一步。實際上，移動WiMAX較目前的3G標準以及短期演進有很多的優(yōu)勢，比如能更好地支持高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務，能更便捷組網(wǎng)等，但其缺陷則是大規(guī)模蜂窩組網(wǎng)先天不足，所以如何增強目前的移動WiMAX，如何讓移動WiMAX更好地向IMT-Advanced演進，是目前業(yè)界關注的熱點問題也是未來需要重點研究和突破的難點之一。

本文首先闡述了移動WiMAX目前采用的關鍵技術，然后討論了移動WiMAX最新演進狀態(tài)，介紹了IEEE802.16m協(xié)議，討論了其如何向IMT-Advanced性能要求趨近，最后對移動WiMAX的發(fā)展進行了展望。

2、移動WiMAX關鍵技術

為了提高WiMAX系統(tǒng)性能，支持更高的傳輸速率，移動WiMAX在傳統(tǒng)的IEEE 802.16d協(xié)議基礎上，采用了許多關鍵技術，例如多輸入多輸出（MIMO）天線技術、干擾協(xié)調(diào)技術等，下面將分別介紹。

2.1　MIMO天線技術

對于未來的移動通信系統(tǒng)而言，如何在非視距的惡劣信道條件下保證高的服務質(zhì)量（QoS）是一個關鍵問題，也是移動通信領域的研究重點。對于一般的單輸入單輸出（SISO）天線系統(tǒng)，如果要保證以上條件就需要較多的頻譜資源以及復雜的調(diào)制編碼技術，但是頻譜資源的有限和系統(tǒng)成本的要求，使SISO系統(tǒng)的發(fā)展遇到了瓶頸，這就使讓MIMO技術成為未來移動通信的關鍵技術�？偟膩碚f，移動WiMAX中的多天線技術可以分為3類，分別是波束賦形、空時編碼和空間復用。波束賦形是智能天線的關鍵技術，通過將主要能量對準期望用戶從而提高信噪比，有效抑制共道干擾。空時編碼分為空時格碼和空時塊碼，空時格碼可以使系統(tǒng)同時獲得編碼增益和分集增益�？諘r塊碼降低了譯碼復雜度，同時可以獲得2倍于接收天線數(shù)目的分集增益�？臻g復用在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，可以最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率。在IEEE 802.16e中，雖然MIMO只是一個可選方案，但是空時編碼和空間復用技術都得到了應用，從而有效地提高了系統(tǒng)的容量和覆蓋，并且協(xié)議還給出了同時使用兩種技術的形式。同時對MIMO給出了相當完備的定義。

移動WiMAX支持2根天線、3根天線或4根天線。多天線系統(tǒng)可選用分集增益以提高信噪比和信道質(zhì)量，也可選用復用增益以提高吞吐量。以2根天線為例，以下3個公式分別對應3種不同的天線陣形。

其中A天線陣形采用了分集增益，用1根接收天線即可解出信號，多天線傳輸碼率為1。B天線陣形采用了復用增益，多天線傳輸碼率為2，提高了吞吐量，但要求接收端采用2根天線，對于現(xiàn)在小型移動終端，實現(xiàn)2根天線的MIMO系統(tǒng)尚有天線技術方面的困難。另一方面對于B天線陣形的發(fā)送方式，協(xié)議還提供了天線選擇的配合方式，這樣就減少了小型移動終端天線配置的技術要求，但B天線陣形會降低多天線傳輸碼率，不能使復用天線陣形獲得最優(yōu)的吞吐量性能。C天線陣形是一種基于Gold碼的多天線陣形，可以得到的傳輸碼率為2，并且可以得到一部分分集增益，但編碼復雜度高。

圖1是水平分層空時碼的實現(xiàn)流程。它從比特級就分開處理，并分別進行編碼和調(diào)制。

圖1　水平分層空時碼

圖2是垂直分層空時碼的實現(xiàn)流程，與水平分層空時碼不同，垂直分層空時碼在調(diào)制之后才分開，相比而言，垂直分層空時碼性能會更好，因為其同一編碼塊的比特經(jīng)歷了不同的信道，有空間交織的效果，但它們的性能都無法達到仙農(nóng)容量。

圖2　垂直分層空時碼

圖3所示為cdma 2000 1x EV-DO、HSPA（HSDPA/HSUPA）、移動WiMAX等系統(tǒng)的頻譜效率對比。EV-DO和HSPA均采用CDMA技術，相比之下，采用OFDM技術的WiMAX系統(tǒng)無論在上行還是下行都有更高的頻譜利用率。在移動WiMAX系統(tǒng)中，相比SIMO（單入多出）技術，MIMO有更高的頻譜利用率和更優(yōu)化的系統(tǒng)性能。

圖3　不同移動通信系統(tǒng)頻譜效率對比

為了配合多天線的配置和提高WiMAX對移動性的支持，移動WiMAX在IEEE 802.16e協(xié)議中對用作估計信道的導頻進行了完善。多天線系統(tǒng)如果依然使用單天線中的導頻，導頻信號將產(chǎn)生嚴重的天線間干擾，所以協(xié)議在時頻資源上將不同天線正交，以減小干擾。圖4所示是2根天線時正交導頻位置。需要注意的是，為了提高移動性能，移動WiMAX協(xié)議將占用部分數(shù)據(jù)載頻以加強導頻的密集度，克服高速移動帶來的多普勒頻移和快衰影響。

圖4　2根天線配置時導頻位置實例

移動WiMAX協(xié)議中高級天線系統(tǒng)（AAS）即目前業(yè)界常說的智能天線技術，它是使用多個天線陣元，自適應地調(diào)整天線模式，將波束對準每個單獨的用戶，以達到擴大覆蓋和提高系統(tǒng)容量的目的。AAS的作用在于：

●通過生成多個波束對準多個用戶進行空分復用來提高頻譜效率；

●對多個信號進行相關合并以提高處理后SNR（信噪比）的增益；

●可以使用波束賦形的零陷技術來降低鄰小區(qū)干擾。作為移動WiMAX協(xié)議中的可選部分，AAS起到了很好的兼容新設備與新技術的作用，為技術的發(fā)展演進提供了協(xié)議保證和信令支持。

移動WiMAX中多天線系統(tǒng)的應用增強了系統(tǒng)性能，提高了頻譜利用效率，增加了系統(tǒng)吞吐量。而多天線技術又是移動通信發(fā)展的必然趨勢，其在原來時、頻、碼的資源上又增加了空間維度，使無線通信系統(tǒng)更大程度地滿足了現(xiàn)代數(shù)據(jù)業(yè)務大吞吐量的要求。

2.2　干擾協(xié)調(diào)調(diào)度技術

移動WiMAX系統(tǒng)依然采用蜂窩小區(qū)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，但OFDM技術在蜂窩小區(qū)布網(wǎng)時，最大的問題是小區(qū)邊緣用戶由于受鄰小區(qū)干擾太大，不能滿足業(yè)務QoS需求。對此有3種解決方案。

方案一，在干擾大的小區(qū)邊緣添加中繼以增加信號強度，但這樣新增加的中繼節(jié)點又會對鄰小區(qū)產(chǎn)生新的干擾，當中繼多時網(wǎng)絡拓撲變得更加復雜。

方案二，利用多天線提高小區(qū)邊緣用戶性能，但鄰小區(qū)也需采用多天線，同時干擾也會相應加大。

方案三：如圖5所示的蜂窩網(wǎng)絡小區(qū)結(jié)構中，小區(qū)中心采用頻率復用因子為1，而小區(qū)邊緣采用頻率復用因子為3，這樣小區(qū)邊緣就可得到相對好的信噪比，提高用戶業(yè)務質(zhì)量。這樣小區(qū)邊緣采用大于1的頻率復用因子以減少小區(qū)邊緣用戶干擾的干擾協(xié)調(diào)技術可以提高小區(qū)邊緣用戶的QoS，滿足數(shù)據(jù)業(yè)務的高吞吐量要求。

圖5　基于小區(qū)邊緣干擾協(xié)調(diào)的小區(qū)拓撲結(jié)構

目前，移動WiMAX大多采用方案三來提高系統(tǒng)頻譜效率，在這種網(wǎng)絡結(jié)構下，小區(qū)內(nèi)部和小區(qū)邊緣如何分配子載波，在已分配的子載波上如何分配功率是實際布網(wǎng)中遇到的關鍵問題之一。分配方法可以是靜態(tài)分配，即在各小區(qū)內(nèi)部固定采用一些子載波，并固定分配功率，也可是動態(tài)分配，即根據(jù)實際場景的負載分布來確定資源分配，同時根據(jù)QoS來分配資源。根據(jù)現(xiàn)有的資源和網(wǎng)絡結(jié)構來實現(xiàn)用戶不同業(yè)務的QoS是干擾協(xié)調(diào)最大的優(yōu)勢。

3、向IMT-Advanced邁進

移動WiMAX的下一步演進將是邁向IMT-Advanced，與其他B3G技術相融合，成為IMT-Advanced家族成員之一。這一步演進，就是通過新定義的IEEE 802.16m標準的制訂來實現(xiàn)的。

IMT-Advanced是ITU-R給后3G（B3G）或者稱為4G移動通信系統(tǒng)的正式命名，其目標是成為3G和B3G之后的下一代移動通信系統(tǒng)。IMT-Advanced技術需要實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更大的系統(tǒng)容量，其傳輸目標是固定狀態(tài)下傳輸速率達到1Gbit/s，移動狀態(tài)下達到100 Mbit/s。

要使從WiMAX技術演進而來的802.16m能成為IMT-Advanced標準之一，則必須首先考慮演進后的802.16m是否能夠滿足這個最基本的要求。為了滿足人們對傳輸速率日益增長和高速移動性的要求，IEEE 802.16委員會設立了802.16m項目，并于2006年12月批準了802.16m的立項申請（PAR），正式啟動了IEEE 802.16m標準的制訂工作[3]。

IEEE 802.16m項目的主要目標有兩個，一是滿足IMT-Advanced的技術要求；二是保證與802.16e兼容。為了滿足IMT-Advanced所提出的技術要求，IEEE 802.16m下行峰值速率應該實現(xiàn)：低速移動、熱點覆蓋場景下傳輸速率達到1 Gbit/s以上，高速移動、廣域覆蓋場景下傳輸速率達到100 Mbit/s。為了兼容802.16e，IEEE 802.16m標準考慮在IEEE 802.16 WirelessMAN-OFDMA的基礎上進行修改來實現(xiàn)。通過對IEEE802.16 WirrelessMAN-OFDMA進行增補，進一步提高系統(tǒng)吞吐量和傳輸速率。目前，基于IEEE 802.16e的移動WiMAX技術物理層采用了MIMO/波束賦形以及OFDMA等先進技術，可以提供較好的移動寬帶無線接入。由于采用了MIMO/OFDM等4G的核心技術，移動WiMAX在某些方面已經(jīng)具有了4G的特征，因此IEEE 802.16m完全可以在移動WiMAX技術的基礎上進行修改而得來。

IEEE 802.16d技術和3G技術在帶寬、數(shù)據(jù)率、移動速度和業(yè)務類型等方面都存在很明顯的差異。但是，隨著技術的發(fā)展，WiMAX技術對終端移動速度的支持不斷改善，3G演進技術在傳輸速率上則不斷提高，最終兩者之間的差距變得越來越小，這也為兩者在4G中的融合提供了可能。圖6是3G系列以及802.16d/802.16e系列的演進路線。從圖6中可以看出，兩個系列的標準最終將融合到IMT-Advanced這個大家庭中，成為IMT-Advanced系列標準的成員。

圖6　移動WiMAX和3G向IMT-Advanced演進的路線

3.1　IEEE 802.16m協(xié)議增強和改進

與802.16e相比，802.16m無論從物理層技術、MAC層技術還是從總體性能上都有所增強。

從物理層上看，802.16m將支持OFDMA技術以及包括MIMO、波束賦形在內(nèi)的先進天線技術，這些技術將在802.16e的基礎上進一步地增強。從天線配置上看，802.16m中要求下行至少能夠支持2發(fā)2收，上行至少能夠支持1發(fā)2收。而OFDMA技術則應該支持更加細化的頻率分配技術，例如對子信道邊緣的子載波進行轉(zhuǎn)換分配等。至于帶寬方面，802.16m將支持從5 MHz到20 MHz的可變帶寬，在某些特殊情況下可以支持高達100 MHz的帶寬。對于終端來說，帶寬超過20 MHz的方案將采用可選的形式。具體方案的采用將視IMT-Advanced的規(guī)定以及運營商的要求來確定。802.16m中對于雙工模式的支持仍將采用與802.16e中一樣的方案，即全雙工TDD、全雙工FDD和半雙工FDD等。

從MAC層上看，必須進一步改善802.16e中MAC層的功能，包括業(yè)務安全保障、QoS和無線資源管理等，以便降低傳輸時延，減少系統(tǒng)開銷，從而實現(xiàn)更高的傳輸速率、系統(tǒng)吞吐量以及支持更高的終端移動速度。安全保障方面不僅要提供強健有效的用戶設備認證方案，還應該提供靈活可靠的業(yè)務隱私安全保障。QoS則要求對更多不同類型業(yè)務的通信質(zhì)量進行保障。無線資源管理雖不屬于802.16m標準的制訂范圍，但是其相關技術對應的信令和參數(shù)必須得到MAC層的支持。

系統(tǒng)性能方面，802.16m也提出了較多的比802.16e更高的要求。速率方面除了滿足IMT-Advanced的基本要求外，802.16m還提出了歸一化峰值速率要求，即下行大于6.5 bit/（s·Hz），上行大于2.8.bit/（s·Hz）。業(yè)務時延方面的要求則要視具體業(yè)務而言，但是MAC PDU傳輸處理的時延要控制在10 ms以內(nèi)。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，如從IDLE_STATE到ACTIVE_STATE轉(zhuǎn)換時，其時延要控制在100 ms以內(nèi)。切換中斷時延則要求同頻切換小于50 ms，異頻切換小于100 ms。從總體上看，802.16m的平均用戶吞吐量比802.16e的平均用戶吞吐量要大很多，在只承載數(shù)據(jù)業(yè)務時，802.16m的上下行平均用戶吞吐量要比802.16e大兩倍以上。對終端移動性的支持方面，802.16m也比802.16e有很大的增強，系統(tǒng)將支持移動速率高達350 km/h的終端用戶的接入及正常通信。

3.2　IEEE 802.16m標準計劃

2006年11月，WiMAX論壇通過了移動WiMAX特性Release 1.0[4]，這標志著移動WiMAX技術方案的確定。如今，移動WiMAX技術已進入商品測試階段。預計到2007年下半年，MIMO以及波束賦形等先進技術將在移動WiMAX終端中實現(xiàn)。技術演進方面，802.16e標準的制訂已經(jīng)宣告結(jié)束，現(xiàn)在業(yè)界所關注的是由TGm（移動工作組）負責的802.16m的標準化進程。為了保持與IMT-Advanced的進展一致，滿足IMT-Advanced所提出的新需求，TGm工作組參照IMT-Advanced工作計劃表制訂出如圖7所示的工作計劃表。

圖7　TGm工作組的工作計劃

從研究進程上看，IEEE 802.16m項目的研究主要分為3個階段：初始化階段、技術發(fā)展階段、投票階段。目前，802.16m項目的研究還處于初始化階段，其主要任務是進行需求研究。主要需求包括：一般需求、功能需求、性能需求、網(wǎng)絡部署相關需求、使用模型等部分。

根據(jù)TGm工作組前3次會議制訂出來的草案，上述各部分需求所包含的內(nèi)容如表1所示。

表1　需求的具體內(nèi)容

TGm是由IEEE 802.16委員會指定的專門負責IEEE 802.16m項目的工作組，該工作組的任務主要是依據(jù)P802.16m的有關申明（P802.16m PAR和五項標準申明），對802.16m空中接口技術進行制訂。截至2007年5月，TGm已經(jīng)成功舉辦了3次會議（會議#47、#48及#49），并已初步完成了對總體需求方案、信道模型及評估方案、布網(wǎng)相關需求方案等的征稿以及相關草案的制訂工作。根據(jù)TGm初步制訂的工作計劃，802.16m標準的制訂工作將于2008年年底完成。

4、結(jié)語

移動WiMAX在高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸、便捷靈活組網(wǎng)方面具有傳統(tǒng)蜂窩移動通信所不具有的顯著優(yōu)勢，但如何趨近IMT-Advanced的要求，仍然需要有一個清晰的演進路線圖。移動WiMAX的演進需要充分考慮目前采用的關鍵技術，在未來演進中需要充分采用這些關鍵技術，提供更好的性能。

值得關注的是，為了分享ITU分配給3G的頻譜資源，移動WiMAX正在努力加入3G家族。實現(xiàn)全球漫游等目標，成為真正意義上的移動通信技術。隨著移動WiMAX加入3G家族的進程加快，移動WiMAX關鍵技術性能以及其未來向IMT-Advanced演進的技術路線將直接決定未來移動WiMAX的發(fā)展和在移動通信領域所占的地位。

參考文獻

1　彭木根，陳峰，王文博.下一代移動通信系統(tǒng)和普適計算技術.電信快報，2006（6）

2　Fong B,et al. On the scalability of fixed broadband wireless access network deployment. IEEE Communications Magazine，2004，42（9）

3　IEEE 802.16m PAR，http：//standards.ieee.ors/board/nes/projects/802-16m.pdf

4　WiMAX Forum.Mobile system profile，release 1.0 approved specification（revision 1.2.2），2006