WiMAX系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

　　無線接入互聯(lián)網(wǎng)和無線多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的巨大需求推動了無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信技術(shù)寬帶化、IP化、移動化成為未來的發(fā)展趨勢。WiMAX技術(shù)是以IEEE802．16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無線接入技術(shù)，兩年來發(fā)展迅速，逐漸成為城域?qū)拵�無線接入技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。

　　WiMAX系統(tǒng)主要有兩個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一個是指滿足固定寬帶無線接入的WiMAX802．16d標(biāo)準(zhǔn)，另一個是滿足固定和移動的寬帶無線接入技術(shù)WiMAX802．16e標(biāo)準(zhǔn)。目前WiMAX論壇正在進(jìn)行16d產(chǎn)品的認(rèn)證工作，同時也在加緊制定16e的標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：

　　——OFDM／OFDMA。正交頻分復(fù)用OFDM是一種高速傳輸技術(shù)，是未來無線寬帶接入系統(tǒng)／下一代蜂窩移動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，3GPP已將OFDM技術(shù)作為其LTE研究的主要候選技術(shù)。在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)為物理層技術(shù)，主要應(yīng)用的方式有兩種：OFDM物理層和OFDMA物理層。無線城域網(wǎng)OFDM物理層采用OFDM調(diào)制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產(chǎn)生，為單一用戶并行傳送數(shù)據(jù)流。支持TDD和FDD雙工方式，上行鏈路采用TDMA多址方式，下行鏈路采用TDM復(fù)用方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS自適應(yīng)天線系統(tǒng)。無線城域網(wǎng)OFDMA物理層采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD雙工方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS。OFDMA系統(tǒng)可以支持長度為2048、1024、512和128的FFT點(diǎn)數(shù)，通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)制及編碼方式以及以不同信號功率接入不同信道特征的用戶端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議（MAP）分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。雖然OFDM技術(shù)對相位噪聲非常敏感，但是標(biāo)準(zhǔn)定義了Scal�瞐bleFFT，可以根據(jù)不同的無線環(huán)境選擇不同的調(diào)制方式，以保證系統(tǒng)能夠以高性能的方式工作。

　　——HARQ。HARQ技術(shù)因?yàn)樘岣吡祟l譜效率，所以可以明顯提高系統(tǒng)吞吐量，同時因?yàn)橹貍骺梢詭�來合并增益，所以間接擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋范圍。在16e的協(xié)議中雖然規(guī)定了信道編碼方式有卷積碼（CC）、卷積Turbo碼（CTC）和低密度校驗(yàn)碼（LDPC）編碼，但是對于HARQ方式，根據(jù)目前的協(xié)議，16e中只支持CC和CTC的HARQ方式。具體規(guī)定為：在16e協(xié)議中，混合自動重傳要求（HARQ）方法在MAC部分是可選的。HARQ功能和相關(guān)參數(shù)是在網(wǎng)絡(luò)接入過程或重新接入過程中用消息SBC被確定和協(xié)商的。HARQ是基于每個連接的，它可以通過消息DSA／DSC確定每個服務(wù)流是否有HARQ的功能。

　　——AMC。AMC在WiMAX的應(yīng)用中有其特有的技術(shù)要求，由于AMC技術(shù)需要根據(jù)信道條件來判斷將要采用的編碼方案和調(diào)制方案，所以AMC技術(shù)必須根據(jù)WiMAX的技術(shù)特征來實(shí)現(xiàn)AMC功能。與CDMA技術(shù)不同的是，由于WiMAX物理層采用的是OFDM技術(shù)，所以時延擴(kuò)展、多普勒頻移、PAPR值、小區(qū)的干擾等對于OFDM解調(diào)性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用于調(diào)整系統(tǒng)編碼調(diào)制方式，達(dá)到系統(tǒng)瞬時最優(yōu)性能。WiMAX標(biāo)準(zhǔn)定義了多種編碼調(diào)制模式，包括卷積編碼、分組Turbo編碼（可選）、卷積Turbo碼（可選）、零咬尾卷積碼（ZeroTailbaitingCC）（可選）和LDPC（可選），并對應(yīng)不同的碼率，主要有1／2、3／5、5／8、2／3、3／4、4／5、5／6等碼率。

　　——MIMO。對于未來移動通信系統(tǒng)而言，如何能夠在非視距和惡劣信道下保證高的QoS是一個關(guān)鍵問題，也是移動通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。對于SISO系統(tǒng)，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和復(fù)雜的編碼調(diào)制技術(shù)，而頻譜資源的有限和移動終端的特性都制約著SISO系統(tǒng)的發(fā)展，所以MI�睲O是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)主要有兩種表現(xiàn)形式，即空間復(fù)用和空時編碼。這兩種形式在WiMAX協(xié)議中都得到了應(yīng)用。協(xié)議還給出了同時使用空間復(fù)用和空時編碼的形式。目前MIMO技術(shù)正在被開發(fā)應(yīng)用到各種高速無線通信系統(tǒng)中，但是目前很少有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，估計(jì)在MIMO技術(shù)的研發(fā)和實(shí)現(xiàn)上，還需要一段時間才能夠取得突破。支持MIMO是協(xié)議中的一種可選方案，協(xié)議對MIMO的定義已經(jīng)比較完備了，MIMO技術(shù)能顯著地提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，可以大大提高系統(tǒng)的性能，未來將被多數(shù)設(shè)備制造商所支持。

　　——QoS機(jī)制。在WiMAX標(biāo)準(zhǔn)中，MAC層定義了較為完整的QoS機(jī)制。MAC層針對每個連接可以分別設(shè)置不同的QoS參數(shù)，包括速率、延時等指標(biāo)。WiMAX系統(tǒng)所定義的4種調(diào)度類型只針對上行的業(yè)務(wù)流。對于下行的業(yè)務(wù)流，根據(jù)業(yè)務(wù)流的應(yīng)用類型只有QoS參數(shù)的限制（即不同的應(yīng)用類型有不同的QoS參數(shù)限制）而沒有調(diào)度類型的約束，因?yàn)橄滦械膸�寬分配是由BS中的Buffer中的數(shù)據(jù)觸發(fā)的。這里定義的QoS參數(shù)都是針對空中接口的，而且是這4種業(yè)務(wù)的必要參數(shù)。

　　——睡眠模式。16e協(xié)議為了適應(yīng)移動通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，增加了終端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于減少M(fèi)S的能量消耗并降低對ServingBS空中資源的使用。Sleep模式是MS在預(yù)先協(xié)商的指定周期內(nèi)暫時中止ServingBS服務(wù)的一種狀態(tài)。從ServingBS的角度觀察，處于這種狀態(tài)下的MS處于不可用（unavailability）狀態(tài)。Idle模式為MS提供了一種比Sleep模式更為省電的工作模式，在進(jìn)入Idle模式后，MS只是在離散的間隔，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)），并且在穿越多個BS的移動過程中，不需要進(jìn)行切換和網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入的過程。Idle模式與Sleep模式的區(qū)別在于：Idle模式下MS沒有任何連接，包括管理連接，而Sleep模式下MS有管理連接，也可能存在業(yè)務(wù)連接；Idle模式下MS跨越BS時不需要進(jìn)行切換，Sleep模式下MS跨越BS需要進(jìn)行切換，所以Idle模式下MS和基站的開銷都比Sleep��；Idle模式下MS定期向系統(tǒng)登記位置，Sleep模式下MS始終和基站保持聯(lián)系，不用登記。

　　——切換技術(shù)。16e標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種必選的切換模式，在協(xié)議中簡稱為HO（handover），實(shí)際上就是我們通常所說的硬切換。除此以外還提供了兩種可選的切換模式：MDHO（宏分集切換）和FBSS（快速BS切換）。WiMAX16e中規(guī)定必須支持的是硬切換，協(xié)議中稱為HO。移動臺可以通過當(dāng)前的服務(wù)BS廣播的消息獲得相鄰小區(qū)的信息，或者通過請求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來對鄰近的基站進(jìn)行掃描和測距的方式獲得相鄰小區(qū)信息，對其評估，尋找潛在的目標(biāo)小區(qū)。切換既可以由MS決策發(fā)起也可以由BS決策發(fā)起。在進(jìn)行快速基站切換（FBSS）時，MS只與AnchorBS進(jìn)行通信；所謂快速是指不用執(zhí)行HO過程中的步驟就可以完成從一個AnchorBS到另一個AnchorBS的切換。支持FBSS對于MS和BS來說是可選的。進(jìn)行宏分集切換（MDHO）時，MS可以同時在多個BS之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這樣可以獲得分集合并增益以改善信號質(zhì)量。支持MDHO對于MS和BS來說是可選的。

　　目前IEEE機(jī)構(gòu)正式發(fā)布的WiMAX技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)版本是WiMAX802．16－2004。這個版本是16d的正式發(fā)布版，主要是用于固定寬帶無線接入，還不具有移動功能，所以應(yīng)用模式上可以用作中小企業(yè)綜合接入、電信業(yè)務(wù)承載、一些行業(yè)用戶以及話吧等。相比LMDS系統(tǒng)而言，WiMAX具有相當(dāng)多的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，IEEE802．16系列標(biāo)準(zhǔn)針對城域網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)用，系統(tǒng)的吞吐量根據(jù)波道帶寬、調(diào)制方式和編碼方式的不同而不同，單載波最高可以提供134Mbps的數(shù)據(jù)吞吐量，這取決于所采用的波道帶寬、調(diào)制方式和編碼方式，其覆蓋半徑依據(jù)功率、天線、頻率、環(huán)境不同有所變化。根據(jù)不同的環(huán)境特點(diǎn)，基于IEEE802．16系統(tǒng)的覆蓋半徑可以是3km至15km乃至更大，可以在一個較大的范圍內(nèi)提供給用戶高速的數(shù)據(jù)接入服務(wù)；同時WiMAX支持非視距化傳輸、非室外天線式的用戶終端模式使得網(wǎng)絡(luò)直接接入到用戶“桌面”，擴(kuò)大了應(yīng)用場景。系統(tǒng)工作頻率可以從2GHz直到38GHz，如果WiMAX頻段最終劃分在較低頻段，系統(tǒng)性能受雨衰的影響也將大大減小，但在頻譜資源日趨緊張的情況下，WiMAX頻段的確定目前尚是WiMAX需要面對的一個問題；而802．16e可以提供低速移動接入業(yè)務(wù)，這也是傳統(tǒng)固定無線接入技術(shù)所不具備的特點(diǎn)。根據(jù)業(yè)務(wù)開展的特點(diǎn)、市場拓展需求與應(yīng)用場景的不同，如何充分發(fā)揮WiMAX的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢，并結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，為用戶提供更加便捷和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，創(chuàng)造新的業(yè)務(wù)增長點(diǎn)對于運(yùn)營商來說具有特別重要的意義。