淺析移動(dòng)WiMAX技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用

　　1、WiMAX簡(jiǎn)介

　　WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，它正迅速發(fā)展并將在無(wú)線城域網(wǎng)中扮演重要角色。WiMAX技術(shù)作為世界無(wú)線通信協(xié)議家庭中的重要一員，在整個(gè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中所處位置如圖1所示。

　　圖1　全球不同覆蓋范圍的主要無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)

　　WiMAX支持非視距傳播條件下的無(wú)線寬帶接入，它致力于為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供低時(shí)延、高質(zhì)量的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)服務(wù)。近兩年來(lái)，WiMAX技術(shù)正在迅速發(fā)展，其發(fā)展進(jìn)程如圖2所示。

　　圖2　WiMAX技術(shù)發(fā)展的時(shí)間表

　　從2001年10月IEEE制定第一個(gè)版本的802.16標(biāo)準(zhǔn)到2004年6月的802.16d(現(xiàn)稱為IEEE802.16-2004)均為固定的無(wú)線接入方式，不支持移動(dòng)性。直到2005年底IEEE發(fā)布802.16e標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX才擁有性能比較好的移動(dòng)性，移動(dòng)WiMAX也因此引起了更多制造商和運(yùn)營(yíng)商的興趣和關(guān)注。

　　2、移動(dòng)WiMAX技術(shù)的特點(diǎn)

　　2.1　移動(dòng)WiMAX技術(shù)物理層特點(diǎn)

　　為了使移動(dòng)WiMAX技術(shù)具有更好的性能和更廣闊的應(yīng)用前景，其物理層設(shè)計(jì)頗具特點(diǎn)，其主要特點(diǎn)具體如下：

　　(1)所使用的頻段

　　IEEE 802.16d所推薦使用的頻段是2～11 GHz，它綜合考慮了世界無(wú)線電頻譜占用情況和移動(dòng)及非視距傳播需求，802.16e為了支持移動(dòng)性推薦其頻率范圍為6GHz以下。鑒于我國(guó)2-6GHz 頻率的使用情況，移動(dòng)WiMAX使用3.3GHz和3.5GHz的可能性較大，不過(guò)國(guó)家無(wú)線電管理部門還未正式對(duì)其分配頻段。

　　(2)OFDM/OFDMA

　　OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，適合在多徑衰落和多普勒頻移的無(wú)線信道中傳輸高速數(shù)據(jù)，它將是以后4G 中的核心技術(shù)之一。OFDM通過(guò)將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道，減小了多徑衰落的影響。

　　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，即OFDM物理層和OFDMA物理層。WiMAX的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)。

　　WiMAX的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(zhǎng)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(hào)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(guò)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。

　　2.2　移動(dòng)WiMAX技術(shù)接入層特點(diǎn)

　　IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)可以在同一信道中支持視頻、音頻數(shù)據(jù)流，同時(shí)支持突發(fā)性的高速率數(shù)據(jù)需求。MAC算法分配給單個(gè)終端用戶的資源可以從一個(gè)時(shí)隙到整個(gè)幀，這樣在任何時(shí)間都可以根據(jù)需求向某一個(gè)特定的用戶終端提供動(dòng)態(tài)范圍非常大的吞吐量。

　　移動(dòng)WiMAX接入層的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

　　(1)QoS

　　在不對(duì)稱的上下行容量、良好的資源劃分方式和靈活的資源分配機(jī)制下，移動(dòng)WiMAX可以提供有QoS保障的數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用。移動(dòng)WiMAX根據(jù)需求不同提供不同QoS的服務(wù)，詳細(xì)情況參見(jiàn)表1。

　　表1　移動(dòng)WiMAX技術(shù)的QoS服務(wù)及其應(yīng)用場(chǎng)合

　　(2)移動(dòng)性管理

　　對(duì)于移動(dòng)通信而言，電池的壽命和越區(qū)切換是兩個(gè)關(guān)鍵的因素。移動(dòng)WiMAX在這兩方面都做了精心設(shè)計(jì)。

　　首先，移動(dòng)WiMAX有良好的功率管理機(jī)制。移動(dòng)WiMAX技術(shù)支持睡眠和空閑兩種省電模式：睡眠模式在移動(dòng)臺(tái)與基站失去聯(lián)系的情況下啟用，在睡眠模式下移動(dòng)臺(tái)的功率和對(duì)基站空中接口資源地使用都將最小化;空閑模式是指在移動(dòng)臺(tái)穿越被多個(gè)基站重疊覆蓋的區(qū)域時(shí)周期性的接收廣播信道的消息而不在某個(gè)基站進(jìn)行注冊(cè)，這樣對(duì)于移動(dòng)臺(tái)可以避免進(jìn)行頻繁越區(qū)切換而對(duì)于基站可以減少空中接口資源和越區(qū)切換通信量。

　　其次，IEEE 802.16e定義了3種越區(qū)切換方式，即硬切換、快速BS切換和宏分集切換。其中，硬切換是必須支持的切換方式，快速BS切換和宏分集切換是兩種可選的模式。移動(dòng)臺(tái)可以通過(guò)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(guò)請(qǐng)求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來(lái)對(duì)鄰近的基站進(jìn)行掃描和測(cè)距的方式獲得相鄰小區(qū)信息，對(duì)其評(píng)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(shí)，MS只與 AnchorBS進(jìn)行通信。所謂快速是指不用執(zhí)行HO過(guò)程中的步驟就可以完成從一個(gè)AnchorBS到另一個(gè)AnchorBS的切換。支持FBSS對(duì)于 MS和BS來(lái)說(shuō)是可選的。進(jìn)行宏分集切換(MDHO)時(shí)，MS可以同時(shí)在多個(gè)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(hào)質(zhì)量。支持 MDHO對(duì)于MS和BS來(lái)說(shuō)是可選的。

　　(3)安全性

　　移動(dòng)WiMAX使用了當(dāng)今最為先進(jìn)的安全性技術(shù)，因此它的安全性能也十分突出，它主要使用的技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：

　　●碼字管理協(xié)議版本2(Privacy and Key Management Protocol)是IEEE 802.16e加密的基礎(chǔ)，其它諸如通信量加密編碼、切換鍵交換以及多播和廣播安全信息等加密措施均以它為基石。

　　●用戶和設(shè)備鑒權(quán)：移動(dòng)WiMAX使用了IETF EAP協(xié)議來(lái)提供基于SIM卡、數(shù)字認(rèn)證、用戶名/密碼等多種用戶和設(shè)備鑒權(quán)方式。

　　●通信量加密編碼：AES-CCM可以在移動(dòng)WiMAX的MAC層接口保護(hù)所有的用戶數(shù)據(jù)。EAP鑒權(quán)系統(tǒng)產(chǎn)生碼字來(lái)開(kāi)啟密碼。通信量加密編碼有周期性的碼字更新機(jī)制，系統(tǒng)能持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換碼字從而更加提高了系統(tǒng)的安全性。

　　●消息控制協(xié)議：通過(guò)基于CMAC的AES或是基于MD5的HMAC算法控制數(shù)據(jù)。

　　●快速切換支持：移動(dòng)WiMAX支持3種握手算法來(lái)優(yōu)化重新驗(yàn)證機(jī)制以達(dá)到支持快速切換的目的。

　　3、移動(dòng)WiMAX與3G性能比較

　　3.1　移動(dòng)WiMAX與3G系統(tǒng)參數(shù)的比較

　　1x EV DO和HSDPA/HSUPA是主流3G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)方向，它們最初構(gòu)想是以移動(dòng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主要的網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。1x EV DO和HSPDA/HSPA在繼承3G標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也受到3G標(biāo)準(zhǔn)局限性的限制。而WiMAX最初是為固定寬帶無(wú)線接入和最優(yōu)化的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)而發(fā)展的，正因?yàn)槿绱薟iMAX也曾面臨著不斷增加移動(dòng)性需求的挑戰(zhàn)。表2對(duì)1x EV DO，HSPDA/HSPA以及移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了比較。

　　表2　移動(dòng)WiMAX和3G標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)的比較

　　3.2　抗多徑干擾和自干擾性能的比較

　　在OFDMA系統(tǒng)中，子信道在循環(huán)前綴窗中保持了正交性，可以有效降低碼間干擾，因此多徑信號(hào)的數(shù)量不會(huì)影響系統(tǒng)的性能。

　　在CDMA系統(tǒng)中，通常使用RAKE接收機(jī)來(lái)抗多徑衰落。除了多徑衰落以外，頻點(diǎn)偏移、多普勒效應(yīng)等都會(huì)使CDMA系統(tǒng)受到小區(qū)內(nèi)其它用戶的干擾甚至是自干擾。這些干擾可以通過(guò)時(shí)域均衡器加以減弱，但CDMA系統(tǒng)不可能像OFDMA系統(tǒng)那樣完全消除這些干擾。因此，在無(wú)線通信系統(tǒng)多徑干擾十分普遍的情況下，OFDMA系統(tǒng)比CDMA系統(tǒng)具有更好的健壯性和更低的復(fù)雜性。

　　3.3　頻譜利用率的比較

　　當(dāng)今世界無(wú)線頻率無(wú)疑是非常寶貴的資源，3G標(biāo)準(zhǔn)和WiMAX技術(shù)都十分關(guān)注本系統(tǒng)的頻譜利用效率，它們都使用了頻率重用技術(shù)。為了更為直觀地比較移動(dòng)WiMAX，1x EV DO和HSDPA頻譜利用率，可作以下幾點(diǎn)假設(shè)：第一，所有系統(tǒng)每個(gè)群只有1個(gè)基站，只有1個(gè)頻率需要被重用，每個(gè)基站有3個(gè)扇區(qū);第二，每個(gè)扇區(qū)所有的通信量由10個(gè)活躍用戶模擬;第三，假設(shè)移動(dòng)WiMAX采用2×2的MIMO配置。以這幾點(diǎn)假設(shè)為前提，WiMAX的仿真結(jié)果如表3所示。

　　表3　移動(dòng)WiMAX與3G標(biāo)準(zhǔn)頻譜利用率的比較

　　4、WiMAX技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　4.1　WiMAX技術(shù)的應(yīng)用

　　IEEE 802.16建議的WiMAX技術(shù)的應(yīng)用主要有以下4種：

　　(1)終端接入：在終端接入模式下，用戶終端設(shè)備直接通過(guò)作為SAP的WiMAX基站接入核心網(wǎng)。這種應(yīng)用用戶需要配備WiMAX無(wú)線網(wǎng)卡。

　　(2)小區(qū)回程：WiMAX也可以作為基站和BSC，BSC和MSC之間的通信連接手段。

　　(3)企業(yè)網(wǎng)互聯(lián)：WiMAX也可以充當(dāng)將企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)等局域網(wǎng)接入到城域網(wǎng)的手段。

　　(4)無(wú)線網(wǎng)橋：WiMAX提供點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線鏈接，與網(wǎng)橋的作用相似，其目的是把地理位置分離的兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)通過(guò)WiMAX無(wú)線鏈路連接在一起。

　　筆者認(rèn)為，在無(wú)線寬帶接入需求日益增長(zhǎng)的環(huán)境中第一種應(yīng)用將最具市場(chǎng)活力，但與3G的應(yīng)用有些沖突。剩余的幾種應(yīng)用方式本質(zhì)上是將WiMAX作為一種無(wú)線傳輸手段。在這種應(yīng)用方面3.5G技術(shù)雖然已經(jīng)商用，但3.5G技術(shù)出現(xiàn)了“拍熱用冷”的局面，其商用程度并不理想。WiMAX技術(shù)的初期市場(chǎng)主要在后面幾種應(yīng)用。

　　4.2　WiMAX技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　每一種新技術(shù)的出現(xiàn)都是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的，WiMAX技術(shù)也一樣存在著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　如上 文所述的WiMAX技術(shù)的應(yīng)用方式從全球來(lái)講均有其對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)空間，無(wú)論是已經(jīng)形成較為完整網(wǎng)絡(luò)的老牌運(yùn)營(yíng)商，還是剛進(jìn)入移動(dòng)通信市場(chǎng)的新興運(yùn)營(yíng)商，都對(duì)WiMAX技術(shù)有較大的興趣。

　　移動(dòng)WiMAX技術(shù)在諸如雙工方式、智能天線技術(shù)等許多技術(shù)層面與我國(guó)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)有不少相似之處。相對(duì)于其它兩種主流3G標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講，移動(dòng)WiMAX技術(shù)與我國(guó)TD-SCDMA技術(shù)的結(jié)合是最佳“結(jié)合點(diǎn)”，我國(guó)的TD-SCDMA的發(fā)展也將為其提供發(fā)展的契機(jī)。

　　相對(duì)于其它無(wú)線通信產(chǎn)品的互通性測(cè)試所需時(shí)間往往高于最初的期望，由圖2可以看到WiMAX技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中十分注重產(chǎn)品的兼容性和互通性測(cè)試，這樣使企業(yè)的投資風(fēng)險(xiǎn)明顯的降低，有利于吸引更多的企業(yè)投資WiMAX技術(shù)的研發(fā)工作。WiMAX技術(shù)已經(jīng)得到許多大型通信企業(yè)的關(guān)注，通過(guò)共同參與標(biāo)準(zhǔn)的制定，有更多的企業(yè)進(jìn)入了這個(gè)市場(chǎng)。同時(shí)，有更多的企業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)最終將使產(chǎn)品更為廉價(jià)。

　　當(dāng)然，WiMAX技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)也不少。筆者認(rèn)為它所面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點(diǎn)：

　　首先，最為吸引運(yùn)營(yíng)商目光的移動(dòng)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)已于2005年底發(fā)布，其實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證于2006年底完成，商用化產(chǎn)品至少要到2008年年初才能投向市場(chǎng)。這段時(shí)間正處于中國(guó)3G牌照發(fā)放的敏感時(shí)期，國(guó)家政策對(duì)我國(guó)WiMAX技術(shù)發(fā)展的影響是決定性的。

　　其次，根據(jù)無(wú)線電波的傳播模型，在700/800MHz頻率上的有效小區(qū)半徑是1.9GHz頻率上的約兩倍。同理，2.5～3.5GHz的有效小區(qū)半徑是700/800MHz的1/8～1/4，也就是使用3.5G頻率的WiMAX系統(tǒng)在以覆蓋為目的的初期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，所需基站數(shù)量要遠(yuǎn)多于GSM 系統(tǒng)。這對(duì)于運(yùn)營(yíng)商初期的設(shè)備和基站土建投資是一個(gè)考驗(yàn)。

　　第三，業(yè)界認(rèn)為移動(dòng)WiMAX技術(shù)不可能完全取代3G，3G的建設(shè)不會(huì)因?yàn)閃iMAX技術(shù)的出現(xiàn)而停止。能否與3G做到良好的互補(bǔ)，能否找到真正可行的運(yùn)營(yíng)模式都直接影響著移動(dòng)WiMAX技術(shù)能否良好發(fā)展。

　　第四，國(guó)家至今還沒(méi)有為WiMAX劃定其所使用的頻段，能否擁有統(tǒng)一的頻段也是影響移動(dòng)WiMAX技術(shù)能否良好發(fā)展的一個(gè)重要因素。

　　5、結(jié)束語(yǔ)

　　從2001年WiMAX論壇建立到現(xiàn)在已5年有余，圍繞著WiMAX展開(kāi)的爭(zhēng)論從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)。從技術(shù)上講，WiMAX使用了OFDMA和 MIMO較為領(lǐng)先的技術(shù)，但技術(shù)的先進(jìn)并不能決定一種技術(shù)是否能得到推廣。在我國(guó)，3G建設(shè)形勢(shì)還不明朗的現(xiàn)在，WiMAX技術(shù)在擁有巨大商機(jī)的同時(shí)也面臨著不小的挑戰(zhàn)，我國(guó)3G的相關(guān)政策、移動(dòng)WiMAX技術(shù)商用化的進(jìn)程、移動(dòng)WiMAX技術(shù)與3G，技術(shù)融合的成功與否都對(duì)WiMAX技術(shù)的發(fā)展有著重要的影響。