WiMAX存在的問(wèn)題與未來(lái)的發(fā)展方向

1、引言

　　固定寬帶無(wú)線接入技術(shù)[1-9]使用無(wú)線介質(zhì)為許多離散的用戶站點(diǎn)提供高帶寬的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，在組網(wǎng)、安裝、維護(hù)方面靈活快捷，而且系統(tǒng)開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)成本低，具有巨大的商業(yè)價(jià)值，必將成為未來(lái)的主流技術(shù)。無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16——WiMAX是第一個(gè)用于固定寬帶無(wú)線接入的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng))，并沒(méi)有考慮WMAN對(duì)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(qiáng)技術(shù)和系統(tǒng)擴(kuò)展方案增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)性能。

　　本文首先概述了WiMAX的最新研究動(dòng)態(tài)——IEEE 802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)的PHY層和MAC層技術(shù)，分析探討了固定寬帶無(wú)線接入技術(shù)當(dāng)前存在的問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出了一些性能增強(qiáng)技術(shù)和系統(tǒng)擴(kuò)展方案，利用這些技術(shù)和方案可以顯著增加固定寬帶無(wú)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(qiáng)系統(tǒng)的靈活性并支持系統(tǒng)的持續(xù)增長(zhǎng)。

2、WiMAX標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

　　IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)最初工作在10-66GHz頻段，僅支持視距(LOS)傳輸和點(diǎn)到點(diǎn)通信。擴(kuò)展后的802.16a標(biāo)準(zhǔn)工作在2-11GHz的較低頻段，允許非視距(NLOS)傳輸和點(diǎn)到多點(diǎn)(PMP)通信，支持Mesh(網(wǎng)狀)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且允許靈活的用戶部署和操作。2004年，802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)將802.16和802.16a空中接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)定義了三個(gè)不同的PHY層調(diào)制機(jī)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：?jiǎn)屋d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(jī)制。

●WMAN-OFDMA：2048載波OFDM機(jī)制。通過(guò)給各個(gè)接收機(jī)分配載波子集，提供了多個(gè)接入，所以這個(gè)版本通常稱(chēng)為OFDM多址接入(0FDMA)。

　　在這三個(gè)空中接口規(guī)范中，由于多載波信號(hào)的均衡處理很簡(jiǎn)單，所以兩個(gè)基于OFDM的系統(tǒng)更適合NLOS操作。而且，相比其他兩個(gè)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)定義，下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)允許的調(diào)制機(jī)制是二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)、四進(jìn)制移相鍵控(QPSK)、16進(jìn)制正交幅度調(diào)制(QAM)和64QAM。標(biāo)準(zhǔn)定義了7種調(diào)制機(jī)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(shí)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(jī)制

調(diào)制機(jī)制 卷積碼碼率 總碼率 信息/符號(hào)
 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(jí)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(lái)的，因此與系統(tǒng)RS碼相比增加了大約10%的開(kāi)銷(xiāo)。內(nèi)部卷積碼的約束長(zhǎng)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(guò)這會(huì)增加譯碼延遲和系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2.1.2　空時(shí)分組碼

　　根據(jù)802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)的定義(可選部分)，可以在DL中實(shí)現(xiàn)空時(shí)分組碼(STBC)，以提供增強(qiáng)的時(shí)間和空間分集特性。接收機(jī)根據(jù)接收信號(hào)，對(duì)發(fā)送信號(hào)執(zhí)行最大似然(ML)估計(jì)。還可以利用多根天線的接收分集，從而進(jìn)一步增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)還提供了允許使用智能天線系統(tǒng)的可選特性和信號(hào)結(jié)構(gòu)。它定義了一個(gè)單獨(dú)的PMP幀結(jié)構(gòu)，允許使用定向波束(每個(gè)波束都指向一個(gè)或者多個(gè)用戶站點(diǎn))傳輸DL和UL突發(fā)數(shù)據(jù)。還定義了基站(BS)和用戶站點(diǎn)(SS)之間的額外信號(hào)，允許SS為BS提供信道質(zhì)量反饋，將每個(gè)定向波束和特定子載波的信道響應(yīng)的實(shí)部和虛部提供給BS，BS可以在這個(gè)反饋的頻率域指定分辨率，即標(biāo)準(zhǔn)允許SS為每4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)、32個(gè)或64個(gè)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(wú)線接入應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jìn)行的，MAC層針對(duì)每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)定義了四種不同的上行帶寬調(diào)度模式：請(qǐng)求帶寬分配業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)、非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)、盡力而為業(yè)務(wù)。802.16接入系統(tǒng)在每個(gè)終端有多個(gè)連接、每個(gè)終端有多個(gè)QoS級(jí)別以及有大量統(tǒng)計(jì)復(fù)用用戶的情況下也非常有效。它充分利用了許多請(qǐng)求機(jī)制，平衡了無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入的穩(wěn)定性和面向競(jìng)爭(zhēng)接入的效率。無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制要求每個(gè)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(huì)產(chǎn)生沖突，并且在負(fù)載較重的情況下可以獲得很高的信道利用率；而基于競(jìng)爭(zhēng)的接入機(jī)制是各個(gè)用戶競(jìng)爭(zhēng)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(fù)載較輕的情況下可以獲得良好的延遲特性，但無(wú)法為每個(gè)用戶保證傳輸帶寬，不適合實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)或需要QoS保證的業(yè)務(wù)要求。

　　IEEE 802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)型的MAC層。公共部分子層與傳輸機(jī)制無(wú)關(guān)，負(fù)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(shí)間進(jìn)度和重傳。安全子層負(fù)責(zé)MAC層認(rèn)證和加密功能。

　　IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)支持頻分復(fù)用(FDD)和時(shí)分復(fù)用(TDD)。在FDD模式中，還額外地支持無(wú)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(jì)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(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)包所采用的調(diào)制編碼機(jī)制和長(zhǎng)度。FCH之后是一個(gè)或者多個(gè)下行突發(fā)數(shù)據(jù)包，每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)包都由整數(shù)個(gè)OFDM符號(hào)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(huì)引起同步丟失的突發(fā)錯(cuò)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(dòng)提供的授予服務(wù)，這對(duì)具有嚴(yán)格延遲限制的恒定比特速率的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常有用。

3、WiMAX存在的問(wèn)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(zhǎng)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(zhǎng)對(duì)固定寬帶無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能和可擴(kuò)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(zhǎng)，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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)的物理層提供了許多優(yōu)化技術(shù)，并且MAC層標(biāo)準(zhǔn)也提供了大量的帶寬分配和QoS機(jī)制，仍然存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)：

●MAC層還有許多調(diào)度和預(yù)約管理的細(xì)節(jié)沒(méi)有定義，這將制約系統(tǒng)容量的增加和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

●數(shù)據(jù)密度的持續(xù)增長(zhǎng)對(duì)WiMAX網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能和可擴(kuò)展性提出挑戰(zhàn)[3]。

●許多寬帶無(wú)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(kuò)展性的一個(gè)主要問(wèn)題。

●資源分配的靈活性對(duì)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(gè)比特的費(fèi)用或者網(wǎng)絡(luò)傳遞帶寬的總費(fèi)用。

●無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)[7]，802.16標(biāo)準(zhǔn)必須能夠支持無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的部署和實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)有的PHY層和MAC層技術(shù)并不是針對(duì)802.16Mesh網(wǎng)絡(luò)的具體特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。

●BS和SS處的射頻設(shè)備的費(fèi)用太高，這在許多情況下阻礙了固定無(wú)線寬帶接入市場(chǎng)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(zhǎng)、滿足系統(tǒng)擴(kuò)展需求、降低設(shè)備成本以及支持無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，WiMAX必須采取一些增強(qiáng)技術(shù)和系統(tǒng)擴(kuò)展方案來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，并且最優(yōu)化固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)的容量和帶寬利用率。

4.1　小區(qū)規(guī)劃

　　進(jìn)一步將每個(gè)小區(qū)劃分為微小區(qū)[8]，每個(gè)微小區(qū)只有較小的覆蓋范圍，且每個(gè)相鄰無(wú)線路由器的位置放置使小區(qū)之間的覆蓋區(qū)域沒(méi)有空白，這樣可以增加地理覆蓋和減小無(wú)線路由器的間隔。因此，在無(wú)需LOS通信的25GHz以下的載波頻率處，擴(kuò)展了覆蓋區(qū)域。但是，在較高的頻率處，LOS需求仍然會(huì)影響系統(tǒng)覆蓋范圍的可擴(kuò)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(gè)無(wú)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(gè)90