WiMAX系統(tǒng)及其設(shè)備研發(fā)

1.1 多技術(shù)整合

wimax系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中涉及標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制實(shí)施的技術(shù)、非強(qiáng)制實(shí)施的技術(shù)，以及標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定使用的技術(shù)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)在保持對(duì)強(qiáng)制實(shí)施技術(shù)支持基礎(chǔ)上，需要考慮對(duì)非強(qiáng)制實(shí)施技術(shù)以及未規(guī)定技術(shù)的合理選擇和使用。

針對(duì)BWA應(yīng)用，產(chǎn)品定位在高速率、大范圍廣域互聯(lián)方面，因此，以下幾點(diǎn)需要重點(diǎn)予以考慮：
(1)如何保證大范圍覆蓋？
(2)如何提高頻譜效率，以及系統(tǒng)吞吐率，包括多用戶下的系統(tǒng)吞吐率？
(3)如何保證特定業(yè)務(wù)或用戶的QoS？
(4)如何簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)，降低組網(wǎng)成本？

針對(duì)MBWA應(yīng)用，產(chǎn)品定位將在BWA的基礎(chǔ)上，增加對(duì)用戶移動(dòng)性的支持，以下幾點(diǎn)需要重點(diǎn)加以考慮：
(1)如何有效解決時(shí)變信道的衰落？
(2)如何保持高的頻譜效率，兼顧考慮移動(dòng)和非移動(dòng)用戶的信道使用？
(3)如何保證覆蓋的無(wú)縫？
(4)如何保證各種業(yè)務(wù)在切換過(guò)程的連續(xù)性(假設(shè)他們對(duì)連續(xù)性的要求是有差異的)？
(5)如何進(jìn)一步有效地支持用戶的節(jié)點(diǎn)模式？
(6)如何提供用戶在WiMAX與其他寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間的切換和漫游？

上述問(wèn)題都是在技術(shù)整合的過(guò)程中

需要回答的問(wèn)題。例如針對(duì)BWA的問(wèn)題，可以給出下列技術(shù)選擇：

(1)通過(guò)使用扇區(qū)、波束成型智能天線陣列，或是采用多輸入多輸出(MIMO)及簡(jiǎn)單空時(shí)編碼，來(lái)綜合解決覆蓋范圍以及容量等問(wèn)題。

(2)在覆蓋技術(shù)已提供高信噪比(SNR)的情況下，提供更高階調(diào)制方式(例如256QAM等)，或者采用MIMO并行傳輸，或者信道分配采用有信道質(zhì)量加權(quán)的算法，提高頻譜效率。

(3)在信道分配算法、MAC層/協(xié)議層隊(duì)列調(diào)度機(jī)制，以及網(wǎng)絡(luò)接入控制與負(fù)載平衡上采用部分或聯(lián)合控制策略，綜合保證具有用戶及業(yè)務(wù)針對(duì)性的QoS機(jī)制的實(shí)施。

(4)考慮支持Mesh組網(wǎng)能力，并且使系統(tǒng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體具有自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)配置等功能，大大增加網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和覆蓋的靈活性，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性。

技術(shù)的選擇和整合需要綜合考慮，范圍涉及系統(tǒng)產(chǎn)品的定義、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度及成本的計(jì)算、芯片及開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇、開(kāi)發(fā)及合作資源的規(guī)劃等諸多問(wèn)題。不同于無(wú)線局域網(wǎng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，WiMAX包括更多的需要解決的問(wèn)題以及更多的可以選擇的技術(shù)手段，技術(shù)選擇的空間正是設(shè)備制造商在技術(shù)及產(chǎn)品功能開(kāi)發(fā)上發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)的一個(gè)廣闊舞臺(tái)。

1.2 基站設(shè)備

一般基站(中心站)可以劃分為一體化小容量基站與容量可伸縮的大容量基站兩種，根據(jù)不同的產(chǎn)品定義，還可以衍生出具有不同網(wǎng)絡(luò)或其他功能的產(chǎn)品?；鞠到y(tǒng)開(kāi)發(fā)的規(guī)劃流程如圖1所示。

一體化小容量基站一般指用于提供單小區(qū)/扇區(qū)覆蓋的系統(tǒng)設(shè)備，不具有容量擴(kuò)展能力，但方便設(shè)備的布設(shè)和使用(與其他BWA系統(tǒng)設(shè)備的使用非常相似)。一體化小容量基站通用結(jié)構(gòu)如圖2所示。大容量基站通過(guò)使各個(gè)覆蓋子系統(tǒng)高效共用網(wǎng)絡(luò)處理、支持系統(tǒng)資源而降低單位信道的成本，由于具有易于擴(kuò)展和伸縮的特性，非常方便容量升級(jí)、硬件升級(jí)等后續(xù)工作的開(kāi)展。大容量基站通用結(jié)構(gòu)如圖3所示。[8, 9]

一體化基站一般由射頻收發(fā)模塊、物理層基帶處理、MAC層協(xié)議處理、網(wǎng)絡(luò)處理器以及其他接口、存儲(chǔ)及支持系統(tǒng)組成?？紤]到芯片集成能力的不斷提高，物理層及MAC層處理，甚至網(wǎng)絡(luò)處理器將可以實(shí)現(xiàn)單芯片解決方案。射頻收發(fā)模塊的選擇主要是看其對(duì)多天線收發(fā)的支持，以及在高階調(diào)制、正交頻分復(fù)用(OFDM) 多載波使用中的動(dòng)態(tài)范圍與穩(wěn)定性。MAC層的協(xié)議處理分為硬件及軟件處理兩部分，硬件部分負(fù)責(zé)高效的執(zhí)行發(fā)送及接收隊(duì)列、底層信道分配、報(bào)文封裝/解封裝、硬件加密等任務(wù)，軟件部分則負(fù)責(zé)MAC層隊(duì)列及流量控制、信道分配及QoS算法、對(duì)硬件MAC的控制、安全及其他機(jī)制的處理等各種任務(wù)。MAC層軟件部分將與其他協(xié)議層任務(wù)運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)處理器上。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要及芯片的選擇決定網(wǎng)絡(luò)處理器所采用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。另一種選擇是，如果基帶處理芯片上集成了高速嵌入式處理器，則MAC層軟件可以選擇運(yùn)行在該高速嵌入式處理器上，而非實(shí)時(shí)任務(wù)及網(wǎng)絡(luò)任務(wù)則運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)處理器上，嵌入式處理器及網(wǎng)絡(luò)處理器可以采用不同的操作系統(tǒng)。

大容量基站一般采用模塊化設(shè)計(jì)，射頻模塊、基帶及MAC層處理、網(wǎng)絡(luò)及其他任務(wù)處理可以板卡的形式作為系統(tǒng)組件，各系統(tǒng)組件通過(guò)PCI總線通信。MAC層處理采用基帶及MAC層處理卡上獨(dú)立的處理器或嵌入式處理器來(lái)完成。

在基帶芯片的選擇上，需要關(guān)注其是否支持MIMO技術(shù)、調(diào)制方式、雙工方式，支持的物理信道帶寬、OFDM的處理性能，對(duì)加密方式的支持等項(xiàng)目。如 Wavesat公司推出的支持IEEE 802.16d的物理層芯片DM256，其功能如表2所示。需要在對(duì)芯片充分了解的基礎(chǔ)上，才能選用。

1. 3 wimax的用戶終端

WiMAX終端主要包括CPE及用戶站(STA)類型，CPE類型主要用于提供IP網(wǎng)絡(luò)接口的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)應(yīng)用；STA類型則主要面向單用戶接入，可以用于BWA及MBWA WiMAX系統(tǒng)的普通終端用戶接入，提供的接口包括IP網(wǎng)絡(luò)接口、PCMCIA等不同的選擇，面向不同的終端產(chǎn)品。

與基站設(shè)備比較，終端設(shè)備將更加受限于安裝、尺寸、電源、功率等諸多問(wèn)題，尤其是MBWA的應(yīng)用更是如此。與WiFi的應(yīng)用類似，即使對(duì)于BWA的應(yīng)用，STA類型的終端預(yù)計(jì)仍有很大需求(主要用于用戶通過(guò)筆記本電腦之類的終端直接接入BWA網(wǎng)絡(luò))。這就對(duì)片上系統(tǒng)(SoC)芯片及射頻(RF)部分的設(shè)計(jì)提出了更加苛刻的要求，低功率SoC方案，以及多天線、多載波情況下的RF設(shè)計(jì)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。通用的用戶終端結(jié)構(gòu)如圖4所示。

與基站設(shè)備相比，終端設(shè)備對(duì)成本及市場(chǎng)投放價(jià)格也更加敏感，目前的WiMAX終端成本包括天線及網(wǎng)絡(luò)接口在內(nèi)，大致在150～120美元之間。預(yù)計(jì)在 2005年下半年，終端成本將下降到100美元以下；2006年下半年，將下降到約50美元。除了芯片設(shè)計(jì)及工藝因素外，終端

成本主要取決于WiMAX市場(chǎng)規(guī)模的發(fā)展?fàn)顩r。

1.4 WiMAX運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)

支持固定/移動(dòng)接入的WiMAX網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模布設(shè)的WiMAX系統(tǒng)，需要與運(yùn)營(yíng)有關(guān)的支撐系統(tǒng)來(lái)管理設(shè)備、用戶與業(yè)務(wù)資源。這一支撐系統(tǒng)包括認(rèn)證與計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)以及IP增值業(yè)務(wù)系統(tǒng)。對(duì)于寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商而言，很容易將WiMAX網(wǎng)絡(luò)與寬帶網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一進(jìn)行管理。不過(guò)，當(dāng)MBWA WiMAX系統(tǒng)提供移動(dòng)業(yè)務(wù)時(shí)，需要增加與用戶位置及移動(dòng)性管理有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。考慮到IEEE 802.16e的切換及漫游標(biāo)準(zhǔn)尚未標(biāo)準(zhǔn)化，這里不便就其工作方式進(jìn)行討論，不過(guò)，該位置登記實(shí)體預(yù)計(jì)將與3G系統(tǒng)的類似實(shí)體非常相似。

2 WiMAX產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的現(xiàn)狀

WiMAX在WiMAX組織的推動(dòng)下，已經(jīng)形成了包括芯片制造商、接入及終端系統(tǒng)設(shè)備商、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備商、運(yùn)營(yíng)商等在內(nèi)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，主要基帶芯片開(kāi)發(fā)商、RF芯片制造商、設(shè)備制造商見(jiàn)表3。由于WiMAX依賴于核心芯片作為上游產(chǎn)品，因此，與初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈相比，芯片開(kāi)發(fā)與制造短期內(nèi)將是WiMAX 發(fā)展的“瓶頸”。

2.1 芯片開(kāi)發(fā)

目前，主要有4家芯片設(shè)計(jì)廠商從事WiMAX基帶處理芯片的開(kāi)發(fā)，分別是Intel、Fujitsu微電子、Wavesat和Sequans公司。

Intel在2004年9月發(fā)布了支持IEEE 802.16d的CPE SoC芯片，名為Rosedale。該芯片已經(jīng)交由少數(shù)設(shè)備廠商進(jìn)行CPE產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。Intel預(yù)計(jì)將在2006年提供內(nèi)置于筆記本電腦的WiMAX芯片，并在2007年提供用于掌上設(shè)備的WiMAX芯片。

位于加拿大蒙特利爾的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司W(wǎng)avesat在2004年9月也發(fā)布了其WiMAX芯片，名為DM256，并將基于DM256芯片的完整設(shè)計(jì)交由其合作伙伴美國(guó)的Atmel公司完成后續(xù)開(kāi)發(fā)。Fujitsu微電子計(jì)劃于 2005年第二季度發(fā)布基于IEEE 802.16d芯片。其WiMAX芯片的開(kāi)發(fā)要早于Intel。一家位于法國(guó)巴黎的公司Sequans也正在進(jìn)行SoC芯片及相應(yīng)軟件解決方案的開(kāi)發(fā)。

2.2 系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

加拿大Redline Communications公司早在2003年10月就發(fā)布了第一個(gè)符合IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品設(shè)備AN-100。該系統(tǒng)工作在3.5 GHz頻段，已經(jīng)在歐洲、中東和亞洲獲得了固定接入許可，可以提供70 Mb/s的吞吐量，視距范圍達(dá)到45 km。該產(chǎn)品可工作于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的不同方式。

AN-100 產(chǎn)品功能如下[10]：

3.4～3.8 GHz頻段，應(yīng)用于非視距傳輸。
信道帶寬：3.5/7/14 MHz。
頻譜效率：5 b/s/Hz，最大速率70 Mb/s (14 MHz)。
雙工方式：動(dòng)態(tài)TDD，HD-FDD。
信道編碼效率：1/2，2/3，3/4。
覆蓋距離：視距45 km，非視距3 km。
接收靈敏度：-88 dBm。
動(dòng)態(tài)調(diào)制方式：QPSK、16/64QAM。
加密方式：DES(用于業(yè)務(wù)處理)、3DES(用于密鑰交互)。
支持協(xié)議：MAC、IEEE 802.16a。

2004年6月，Alvarion公司推出了支持IEEE 802.16a的BreezeMAX3500平臺(tái)，該產(chǎn)品系列工作在3.5 GHz頻段，已經(jīng)通過(guò)歐洲及亞太運(yùn)營(yíng)商的測(cè)試。

3 WiMAX系統(tǒng)的發(fā)展方向

3.1 IEEE 802.16e造就移動(dòng)WiMAX

IEEE 802.16e將有助于將WiMAX帶入個(gè)人消費(fèi)的廣闊市場(chǎng)。IEEE802.16e特別強(qiáng)調(diào)對(duì)IEEE 802.16d的后向兼容。

IEEE 802.16e的特點(diǎn)主要有：

物理層能夠進(jìn)行時(shí)變信道下的信號(hào)解調(diào)。
支持用戶站在基站間完成硬切換。
用戶站可以工作在休眠(節(jié)電)模式。
兼容IEEE 802.16d，在空中接口幀結(jié)構(gòu)上同時(shí)提供對(duì)固定及移動(dòng)終端的傳輸支持。

由于兼容性的存在，使得系統(tǒng)設(shè)備在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上預(yù)計(jì)可以有很好的繼承性，但對(duì)低成本單芯片終端解決方案的需求將會(huì)很大。諸如定位及位置信息等功能將會(huì)考慮進(jìn)基站和終端的設(shè)計(jì)中。

3.2 wimax+WiFi+WPAN的結(jié)合

WiMAX作為WiFi網(wǎng)絡(luò)的主干，可充分利用其支持網(wǎng)格組網(wǎng)的特點(diǎn)，這樣同時(shí)也解決了WiFi發(fā)展的“瓶頸”——組網(wǎng)問(wèn)題。另外，從網(wǎng)絡(luò)覆蓋互補(bǔ)的角度來(lái)看，在廣域覆蓋環(huán)境中，WiMAX可以作為首選；在局域覆蓋中，WiFi(如IEEE 802.11n)可以作為首選；配合藍(lán)牙等無(wú)線個(gè)人網(wǎng)(WPAN)技術(shù)成本低廉的優(yōu)勢(shì)，有望形成WiMAX+WiFi+WPAN結(jié)合的局面。

在產(chǎn)品形式上，雙模的WiFi 接入點(diǎn)(DMAP)設(shè)備是一個(gè)候選。DMAP包括WiFi-AP及WiMAX-

SS模塊，WiFi用于用戶接入，WiMAX用于與主干網(wǎng)互聯(lián)。進(jìn)一步， WiMAX模塊也可以是基站(BS)模塊，利用格狀網(wǎng)(Mesh)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與主干網(wǎng)互聯(lián)，并支持WiMAX用戶的接入。另一種候選的產(chǎn)品是多模終端，可以工作在WiMAX及WiFi模式下，動(dòng)態(tài)選擇接入WiMAX或WiFi網(wǎng)絡(luò)?？紤]到WiFi技術(shù)將嵌入到3G等其他廣域無(wú)線數(shù)據(jù)終端上，WiMAX+ WiFi雙模終端的出現(xiàn)將是很自然的結(jié)果。

3.3 MIMO及智能天線的運(yùn)用

MIMO技術(shù)非常適合城市范圍內(nèi)多徑環(huán)境下的無(wú)線信號(hào)處理，包括提供空間分集以及多路信道并行傳輸，是提高WiMAX系統(tǒng)覆蓋范圍及吞吐量的合適技術(shù)。智能天線則有利于提高基站與運(yùn)動(dòng)物體的方向性空間增益以及對(duì)干擾信號(hào)的方向性抑制。不過(guò)，在城市多徑彌散的環(huán)境中，MIMO可能將會(huì)更受設(shè)備開(kāi)發(fā)商的歡迎。

基站一側(cè)增加天線陣列應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。隨著天線陣列處理技術(shù)的發(fā)展，目前，終端一側(cè)增加2～3個(gè)陣元的天線陣列已經(jīng)可以容易地實(shí)現(xiàn)。基于IEEE 802.11n的系統(tǒng)將在接入設(shè)備及用戶站上采用多天線MIMO技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

WiMAX技術(shù)通過(guò)將BWA標(biāo)準(zhǔn)化，正在使寬帶無(wú)線領(lǐng)域發(fā)生顯著的變革，使人們不再因?yàn)閃iFi的有限覆蓋而頭痛，也不會(huì)止步于3G的低速率數(shù)據(jù)傳輸。尤其是當(dāng)WiMAX的MBWA標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16e出現(xiàn)的時(shí)候，會(huì)讓更多的消費(fèi)者邁入無(wú)線信息時(shí)代。本文根據(jù)這一變革中市場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的需求，探討了WiMAX產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所涉及的各個(gè)主要方面，從中可以看出，基站設(shè)備的開(kāi)發(fā)需要通過(guò)精心選擇合適的技術(shù)方向來(lái)獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的雙向兼容性將使設(shè)備的持續(xù)開(kāi)發(fā)獲益；終端的普及將帶動(dòng)WiMAX的規(guī)模化發(fā)展，而終端的形式及成本將決定這一發(fā)展的速度；與WiFi等互補(bǔ)的無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的融合將互惠互利，但可以預(yù)見(jiàn)到，技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)一直持續(xù)，因此，WiMAX必須堅(jiān)持向開(kāi)放性、低成本與新技術(shù)的方向前進(jìn)。