WiMAX系统关键技术分析

无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的快速发展，通信技术宽带化、ip化、移动化成为未来的发展趋势。WiMAX技术是以IEEE802．16系列标准为基础的宽带无线接入技术，两年来发展迅速，逐渐成为城域宽带无线接入技术的发展热点。

WiMAX系统主要有两个技术标准，一个是指满足固定宽带无线接入的WiMAX802．16d标准，另一个是满足固定和移动的宽带无线接入技术WiMAX802．16e标准。目前WiMAX论坛正在进行16d产品的认证工作，同时也在加紧制定16e的标准。WiMAX的要害技术主要包括以下几个方面：

——OFDM／OFDMA。正交频分复用OFDM是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统／下一代蜂窝移动系统的要害技术之一，3GPP已将OFDM技术作为其LTE研究的主要候选技术。在WiMAX系统中，OFDM技术为物理层技术，主要应用的方式有两种：OFDM物理层和OFDMA物理层。无线城域网OFDM物理层采用OFDM调制方式，OFDM正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流。支持TDD和FDD双工方式，上行链路采用TDMA多址方式，下行链路采用TDM复用方式，可以采用STC发射分集以及AAS自适应天线系统。无线城域网OFDMA物理层采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD双工方式，可以采用STC发射分集以及AAS。OFDMA系统可以支持长度为2048、1024、512和128的FFT点数，通常向下数据流被分为逻辑数据流。这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议（MAP）分配子信道传输上行数据流。虽然OFDM技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了ScalableFFT，可以根据不同的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。

——HARQ。HARQ技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，所以间接扩大系统的覆盖范围。在16e的协议中虽然规定了信道编码方式有卷积码（CC）、卷积Turbo码（CTC）和低密度校验码（LDPC）编码，但是对于HARQ方式，根据目前的协议，16e中只支持CC和CTC的HARQ方式。具体规定为：在16e协议中，混合自动重传要求（HARQ）方法在MAC部分是可选的。HARQ功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中用消息SBC被确定和协商的。HARQ是基于每个连接的，它可以通过消息DSA／DSC确定每个服务流是否有HARQ的功能。

——AMC。AMC在WiMAX的应用中有其特有的技术要求，由于AMC技术需要根据信道条件来判定将要采用的编码方案和调制方案，所以AMC技术必须根据WiMAX的技术特征来实现AMC功能。与CDMA技术不同的是，由于WiMAX物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、PAPR值、小区的干扰等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。WiMAX标准定义了多种编码调制模式，包括卷积编码、分组Turbo编码（可选）、卷积Turbo码（可选）、零咬尾卷积码（ZeroTailbaitingCC）（可选）和LDPC（可选），并对应不同的码率，主要有1／2、3／5、5／8、2／3、3／4、4／5、5／6等码率。

——MIMO。对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高的QoS是一个要害问题，也是移动通信领域的研究重点。对于SISO系统，假如要满足上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着SISO系统的发展，所以MIMO是未来移动通信的要害技术。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在WiMAX协议中都得到了应用。协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。目前MIMO技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中，但是目前很少有成熟的产品出现，估计在MIMO技术的研发和实现上，还需要一段时间才能够取得突破。支持MIMO是协议中的一种可选方案，协议对MIMO的定义已经比较完备了，MIMO技术能显著地提高系统的容量和频谱利用率，可以大大提高系统的性能，未来将被多数设备制造商所支持。

——QoS机制。在WiMAX标准中，MAC层定义了较为完整的QoS机制。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。WiMAX系统所定义的4种调度类型只针对上行的业务流。对于下行的业务流，根据业务流的应用类型只有QoS参数的限制（即不同的应用类型有不同的QoS参数限制）而没有调度类型的约束，因为下行的带宽分配是由BS中的Buffer中的数据触发的。这里定义的QoS参数都是针对空中接口的，而且是这4种业务的必要参数。

——睡眠模式。16e协议为了适应移动通信系统的特点，增加了终端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于减少MS的能量消耗并降低对ServingBS空中资源的使用。Sleep模式是MS在预先协商的指定周期内暂时中止ServingBS服务的一种状态。从ServingBS的角度观察，处于这种状态下的MS处于不可用（unavailability）状态。Idle模式为MS提供了一种比Sleep模式更为省电的工作模式，在进入Idle模式后，MS只是在离散的间隔，周期性地接收下行广播数据（包括寻呼消息和MBS业务），并且在穿越多个BS的移动过程中，不需要进行切换和网络重新进入的过程。Idle模式与Sleep模式的区别在于：Idle模式下MS没有任何连接，包括治理连接，而Sleep模式下MS有治理连接，也可能存在业务连接；Idle模式下MS跨越BS时不需要进行切换，Sleep模式下MS跨越BS需要进行切换，所以Idle模式下MS和基站的开销都比Sleep小；Idle模式下MS定期向系统登记位置，Sleep模式下MS始终和基站保持联系，不用登记。

——切换技术。16e标准规定了一种必选的切换模式，在协议中简称为HO（handover），实际上就是我们通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选的切换模式：MDHO（宏分集切换）和FBSS（快速BS切换）。WiMAX16e中规定必须支持的是硬切换，协议中称为HO。移动台可以通过当前的服务BS广播的消息获得相邻小区的信息，或者通过请求分配扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评估，寻找潜在的目标小区。切换既可以由MS决策发起也可以由BS决策发起。在进行快速基站切换（FBSS）时，MS只与AnchorBS进行通信；所谓快速是指不用执行HO过程中的步骤就可以完成从一个AnchorBS到另一个AnchorBS的切换。支持FBSS对于MS和BS来说是可选的。进行宏分集切换（MDHO）时，MS可以同时在多个BS之间发送和接收数据，这样可以获得分集合并增益以改善信号质量。支持MDHO对于MS和BS来说是可选的。

目前IEEE机构正式发布的WiMAX技术标准版本是WiMAX802．16－2004。这个版本是16d的正式发布版，主要是用于固定宽带无线接入，还不具有移动功能，所以应用模式上可以用作中小企业综合接入、电信业务承载、一些行业用户以及话吧等。相比LMDS系统而言，WiMAX具有相当多的技术优点，IEEE802．16系列标准针对城域网环境的应用，系统的吞吐量根据波道带宽、调制方式和编码方式的不同而不同，单载波最高可以提供134Mbps的数据吞吐量，这取决于所采用的波道带宽、调制方式和编码方式，其覆盖半径依据功率、天线、频率、环境不同有所变化。根据不同的环境特点，基于IEEE802．16系统的覆盖半径可以是3km至15km乃至更大，可以在一个较大的范围内提供给用户高速的数据接入服务；同时WiMAX支持非视距化传输、非室外天线式的用户终端模式使得网络直接接入到用户“桌面”，扩大了应用场景。系统工作频率可以从2GHz直到38GHz，假如WiMAX频段最终划分在较低频段，系统性能受雨衰的影响也将大大减小，但在频谱资源日趋紧张的情况下，WiMAX频段的确定目前尚是WiMAX需要面对的一个问题；而802．16e可以提供低速移动接入业务，这也是传统固定无线接入技术所不具备的特点。根据业务开展的特点、市场拓展需求与应用场景的不同，如何充分发挥WiMAX的技术特点与优势，并结合无线网络的现状，为用户提供更加便捷和优质的服务，创造新的业务增长点对于运营商来说具有非凡重要的意义。