ＷｉＭＡＸ寬帶無線接入技術及其應用

[編者按] 作為一種新興的寬帶無線接入技術，WiMAX近年來受到了業界的普遍關注。它的主要技術特點是傳輸速率高、覆蓋范圍大、支持移動性、提供QoS保證并采用基于全IP的網絡架構，實現了數據分組化、接入寬帶化和終端移動化三者合一，因而具有廣泛的應用前景。本講座將分3期對該技術進行介紹：本期介紹WiMAX及IEEE 802.16系列協議的基本特點、協議結構和物理層基本特性及關鍵技術；第2期將講述WiMAX技術的MAC層特性及其QoS機制；第3期將介紹WiMAX技術的網絡架構、組網模式及其應用，并分析其未來發展趨勢。

1 WiMAX與IEEE 802.16標準

無線通信是通信領域中發展最快的通信方式，它的發展趨勢是寬帶化、IP化、多業務化和泛在化。除已廣泛應用的蜂窩網技術外，寬帶無線接入技術還包括無線局域網技術、無線城域網技術和新興的無線廣域網技術，其中基于IEEE 802.11標準系列的無線局域網技術最早被推出，目前已逐步走向成熟并商用。

與此同時，為了獲得更大的覆蓋范圍、更高的傳輸速率和更好的服務質量，IEEE 802.16工作組自1999年成立以來制定了一系列的無線城域網標準。借鑒無線局域網聯盟(Wi-Fi)組織對基于IEEE 802.11標準的無線局域網的巨大推動作用，Intel、富士通和諾基亞等公司于2001年共同成立了非營利性工業貿易聯盟——全球微波接入互操作 (WiMAX)論壇，旨在推動與保證基于IEEE 802.16系列標準的寬帶無線設備的兼容性和互操作性。從此以且，WiMAX就成為了IEEE 802.16系列標準技術的代名詞。

IEEE 802.16(以下簡稱802.16)工作組相繼推出的空中接口標準包括802.16、802.16a、802.16d、802.16e。目前的兩個主流標準是802.16d和802.16e，分別應用于固定和移動通信。802.16d是對802.16和802.16a標準的整合和修訂，定義了支持多種業務類型的固定寬帶無線接入系統的媒體接入控制(MAC)層和相對應的多個物理層框架。802.16e在802.16d的基礎上增加了部分新的功能，以支持用戶的移動性?？偟膩碚f，作為一種以無線方式實現“最后一公里”寬帶接入的技術解決方案，802.16系列標準規范了一個支持語音和視頻等低時延應用的協議，可以為用戶提供固定、移動、便攜形式的高速數據、語音和視頻傳輸服務。

與其他無線通信技術相比，WiMAX有傳輸速率高、覆蓋范圍大，QoS機制完善，數據安全性高，網絡架構全IP等優勢：

(1) 傳輸速率高，覆蓋范圍大

通過在物理層采用先進的正交頻分復用、多天線技術以及靈活的編碼調制方式，WiMAX系統的頻譜利用率得到顯著提高，同時可支持非視距通信和無縫覆蓋。使用20 MHz帶寬時最高數據傳輸速率達75 Mb/s，是3G所能提供的30倍。同時，WiMAX采用宏小區方式，視距傳輸下每個基站的最遠覆蓋半徑可達50 km，典型覆蓋半徑為6 km~10 km，只要建設少數基站就能實現全城覆蓋。

(2) 完善的QoS機制

WiMAX采用面向連接的方式，其MAC層定義了較為完整的QoS機制和4種不同的業務類型。WiMAX可分別為用戶提供高質量的視頻和語音業務、普通質量的視頻和語音業務、以及無質量保證的Internet等業務，并可根據業務的實際需要動態按需分配帶寬，靈活性較大。

(3) 較高的數據安全性

安全性是無線網絡需要考慮的一個重要問題。802.16在MAC層中定義了一個加密子層，為信息傳輸提供鑒權、加密和保密的管理機制。

(4) 基于全IP的網絡架構

802.16設備可以作為一個路由器接入現有的IP網絡，與現有網絡實現互聯互通，同時也可與下一代網絡進行無縫融合。

(5) 開銷及投資風險小

標準化的空中接口和技術規范，使不同設備制造商的產品可以進行互通，降低了運營商對單一廠商設備的依賴性，降低了投資成本和風險。

(6) 部署靈活，配置伸縮性強，可平滑升級

總之，在實現了數據分組化、接入寬帶化和終端移動化三者合一的基礎上，WiMAX技術提供了比其他無線系統更具優勢的覆蓋范圍、傳輸速率和QoS保障。因此，WiMAX一推出便受到業界的廣泛關注，成為寬帶無線接入領域的研究和開發熱點。本文后面就將以802.16d/e標準為基礎，詳細介紹WiMAX物理層和MAC層的特性及關鍵技術，分析其網絡架構、組網模式及其應用，并展望WiMAX未來的發展趨勢。

2 802.16協議棧參考模型

IEEE 802.16標準定義的空中接口由物理層和MAC層組成，如圖1所示。MAC層獨立于物理層，能支持多種不同的物理層規范，以適應各種應用環境。

物理層由傳輸匯聚子層(TCL)和物理媒質依賴子層(PMD)組成，通常說的物理層主要是指其中的PMD。TCL將收到的MAC層數據分段，封裝成TCL協議數據單元(PDU)。PMD則具體執行信道編碼、調制解調等一系列處理過程。

MAC層采用分層結構，分為特定服務匯聚子層(CS)、公共部分子層(CPS)和安全子層。

(1) CS子層負責和高層接口，匯聚上層不同業務。它將通過服務訪問點(SAP)收到的外部網絡數據轉換和映射為MAC業務數據單元，并傳遞到MAC層的SAP。協議提供了多個CS規范作為與外部各種協議的接口，可實現對異步傳輸模式(ATM)、IP等協議數據的透明傳輸。

(2) CPS子層實現主要的MAC功能，包括系統接入、帶寬分配、連接建立和連接維護等。它通過MAC層SAP接收來自各種CS層的數據并分類到特定的MAC連接，同時對物理層上傳輸和調度的數據實施QoS控制。

(3) 安全子層的主要功能是提供認證，密鑰交換和加解密處理。該子層支持128位、192位及256位加密系統，并采用數字證書的認證方式，以保證信息的安全傳輸。

3 802.16物理層基本特性

根據使用頻段的不同，802.16定義了5種不同的物理層技術，即單載波調制(SC)、單載波接入(SCa)、正交頻分復用(OFDM)、正交頻分多址接入(OFDMA)以及高速且免許可使用的城域網絡(HUMAN)。其中，SC適用于10～66 GHz頻段，SCa、OFDM和OFDMA適用于11 GHz以下許可頻段，HUMAN則用于11 GHz以下免許可頻段。由于OFDM和OFDMA具有較高的頻譜利用率，在抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落和窄帶干擾方面具有明顯優勢，因此是目前在11 GHz以下許可頻段中采用的兩種主流技術。

802.16的信道帶寬可以在1.25～20 MHz之間靈活選取，這使得系統可以在帶寬和連接用戶數量之間取得平衡?？紤]各個國家已有固定無線接入系統的信道帶寬劃分，802.16規定了幾個系列，分別是1.25 MHz的倍數(1.25/2.5/5/10/20 MHz等)和1.75 MHz的倍數(1.75/3.5/7/14 MHz等)。對于10～66 GHz的固定無線接入系統，還可以采用25 MHz和28 MHz的信道帶寬，以提供更高的接入速率。

調制方式上，SC支持四相移相鍵控(QPSK)和正交幅度調制(16QAM)，可選支持64QAM。SCa可以采用的調制方式最多，包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，256QAM可選。OFDM物理層中的每個子載波支持兩相移相鍵控BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，其中64QAM對于免許可頻段可選。OFDMA支持QPSK和16QAM，64QAM可選。HUMAN則可采用SCa、OFDM和OFDMA這3種方式。與3GPP HSDPA最高僅支持16QAM相比，WiMAX采用了更高階的調制方式來獲取更高的傳輸速率。由此可以看出，不同于3G系統強調地域上的全覆蓋和高速的移動性，WiMAX更強調在信道條件較好時的高峰值速率。

為適應高質量數據通信的要求，WiMAX系統強制支持RS(Reed-Solomon)分組碼和卷積碼，可選的信道編碼方式包括糾錯能力強但譯碼延時較大的塊Turbo碼和卷積Turbo碼、以及低復雜度低延時的低密度奇偶校驗碼(LDPC)。

物理層定義了兩種雙工方式：時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)，以適應不同國家或地區電信體制的要求。FDD需要成對的頻率，TDD則不需要，而且可以自適應地調整上下行傳輸時間，從而調整帶寬。這兩種方式都使用突發數據傳輸格式，支持自適應的突發業務數據，在MAC層協助下，可以動態調整傳輸參數(調制方式、編碼方式、發射功率等)。802.16e中還規定FDD模式下可支持半雙工終端，降低了對終端的要求。

在多址方面，802.16d/e在上行采用時分多址(TDMA)，上行信道被劃分為多個時隙。初始化、競爭、維護、業務傳輸等應用都是通過占用一定數量的時隙來完成，其占用的數量由基站的MAC層統一控制，并根據系統性能優化要求而動態改變。下行信道采用時分復用(TDM)，基站送給不同用戶的信息被復用成單個的數據流，通過下行信道廣播發送給扇區內的所有終端。另外一種多址方式是采用OFDMA，將在下面詳細介紹。

4 802.16物理層關鍵技術

4.1 OFDM技術與OFDMA技術

OFDM技術的基本思想是將信道的可用帶寬劃分成若干相互正交的子載波，在每個子載波上獨立進行數據傳輸，從而實現對高速串行數據流的低速并行傳輸。它由傳統的頻分復用(FDM)技術演變而來，區別在于OFDM是通過離散傅立葉變換(DFT)和逆離散傅立葉變換(IDFT)而不是傳統的帶通濾波器來實現子載波之間的分割。如圖2所示，各子載波可以部分重疊，但仍然保持正交性，因而大大提高了系統的頻譜利用率。此外，數據的低速并行傳輸增強了OFDM抵抗多徑干擾和頻率選擇性衰落的能力。因此，在許多新一代無線通信系統標準，例如無線局域網、數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)以及B3G中，都采用了OFDM作為其基本的物理層技術。

在OFDM技術的基礎上結合頻分多址(FDMA)，將信道帶寬內可用的子載波資源分配給不同的用戶使用，就是OFDMA。根據具體的子載波分配方式，OFDMA又可以分為子信道OFDMA和跳頻OFDMA。

子信道OFDMA是將整個OFDM系統的帶寬分成若干子信道，每個子信道包含若干子載波，以子信道為單位給用戶分配頻率資源。如圖3所示，分配一個子信道的子載波可以是連續的，即集中式；也可以與分配給其他子信道的子載波交錯排列，即分布式。子信道OFDMA方式的特點是子載波分配相對固定，在多小區環境中各小區的資源調度難免會有沖突，避免此類干擾需要在小區間進行協調，復雜度較高。

如圖4所示，跳頻OFDMA是采用跳頻的方式快速變化分配給每個用戶的子載波資源。子載波的分配通常是隨機抽取，但在同一個時隙內不同用戶選用的子載波組不能重疊。因資源調度周期較短，可能出現的小區間干擾在時域和頻域得到分散，因此對于負載較輕的網絡，即使小區間沒有協調，也可有效抑制干擾的影響。

WiMAX系統中的OFDM物理層采用了256個子載波。在OFDMA方式下，子載波數可在128/512/1 024/2 048之間變化，而且相應的信道帶寬能夠在1.75 MHz～20 MHz間靈活調配，因而具備了更強的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保證WiMAX終端在移動環境中的正常使用。OFDMA系統的用戶多址采用跳頻方式。以2 048個子載波的情況為例，系統將所有可用的子載波分為32個子信道，子載波分配時可以采用集中式或分布式。跳頻的頻域單位為一個子信道，跳頻的時域單位為2個、3個或6個OFDM符號周期。

4.2 多天線技術

多天線技術在不增加系統帶寬的情況下可以成倍地提升信道容量，從而實現更高的數據傳輸速率和更大的覆蓋范圍，或改善信號傳輸質量。鑒于此，該技術近年來受到了各種新型無線通信系統的青睞，WiMAX自然也不例外。

802.16標準支持的多天線技術包括多輸入多輸出(MIMO)和自適應天線系統兩大類。

(1) MIMO技術

MIMO通過在基站和終端分別使用多根天線進行發送和接收，來抑制信道衰落和改善系統性能。該技術在802.16協議中為可選，其具體應用模式可以分為3種：空間分集模式、空間復用模式以及分集與復用相結合的混合模式。

空間分集模式包括發送分集和接收分集。通過在不同天線上發射包含同樣信息的信號或合并來自不同天線的接收信號，可以獲得分集增益，從而抵抗信道衰落、提高通信質量和增大覆蓋。其中發射分集主要通過空時編碼來實現，802.16中采用了經典的Alamouti兩發射天線空時編碼方案，以獲得最大分集增益。

空間復用模式是指在不同的發射天線上發送相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進行譯碼，此時可獲得空間復用增益，從而提高數據傳輸速率、增加系統容量。目前主要的實現方法就是各種分層空時碼，例如貝爾實驗室分層空時算法(BLAST)。

混合模式結合了分集和復用的優勢，在分集增益和復用增益之間進行折衷，從而既能改善傳輸質量又可以提高系統容量。不過，處理的復雜度要比前兩種模式高一些。

為進一步改善系統性能，802.16e中還提供了對閉環MIMO技術的支持，發射端可獲得關于信道環境的各種反饋信息。因此，系統在運行的過程中，就可以根據應用環境以及信道條件在各種MIMO模式之間進行實時的轉換。

(2) 自適應天線系統

自適應天線系統(AAS)是一種基于自適應天線原理的移動通信技術，它采用空分多址技術，通過數字信號處理產生空間定向波束，使天線主波束對準期望信號到達方向、旁瓣或零瓣對準干擾信號到達方向，從而抑制干擾、實現期望信號的最佳接收。

在WiMAX體系中，AAS是一種可選技術，上下行鏈路都可以選擇支持該技術，以應對阻隔視距(OLOS)和非視距(NLOS)傳播造成的深衰落。不過AAS的設計和應用都是基于TDD方式，因為在TDD方式下，上行和下行共用相同的頻帶資源，基站和終端均可以利用上下行信道的互易特性方便地計算出波束形成的權值。而在FDD方式下，上行和下行的信道一般不同，要計算波束形成的權值，只有通過反饋，將增大整個系統的開銷。

4.3自適應調制編碼技術

無線信道的時變和衰落特性決定了信道容量是一個時變的隨機變量，要最大限度地利用信道容量，只有使發送速率也隨之相應地變化，也就是說編碼調制方式應該具有自適應特性。自適應調制編碼(AMC)技術就是根據信道條件動態調整編碼和調制方式，以提高傳輸速率或系統吞吐量?；痉椒ㄊ歉鶕π诺蕾|量的測量結果，在信道條件較好時使用高階調制和高編碼速率(例如64QAM，5/6碼率)，以實現更高的峰值速率；而在信道條件較差時使用低階調制和低編碼速率(例如QPSK，1/2碼率)，以保證傳輸性能。通過改變調制編碼方式而不是發射功率來改善性能，還可以在很大程度上降低因發射功率提高而引入的額外干擾。

802.16的物理層提供了信道質量反饋機制?；竞徒K端可以根據需要測量上下行信道的接收信號強度指示(RSSI)和載干/噪比(CINR)，并通過反饋信道上報。這里，RSSI和CINR就是用來衡量信道條件好壞的主要參數。需要指出的是，信道變化不能太快，否則參數調整的速度將跟不上信道變化的速度。因此自適應技術只適用于多普勒擴展不是很大的情況，特別是室內環境。這種情況下，AMC技術可以逐幀使用。

4.4 混合自動重傳請求

混合自動重傳請求(H-ARQ)是一種將自動重傳請求(ARQ)和前向糾錯編碼結合在一起的物理層技術，可以用來減輕信道與干擾抖動對數據傳輸造成的負面影響。

H-ARQ的基本工作過程如下：將一個或多個待發送MAC層數據單元串聯起來，根據物理層的具體規范進行編碼，生成4個H-ARQ子包?；久看沃话l送一個子包，由于4個子包之間存在很大的相關性，收端無需獲得全部子包，也能夠正確譯碼。因此，終端在收到第一個子包后，就嘗試譯碼。如果譯碼成功，終端立即回送一個確認(ACK)消息給基站，阻止其發送后續子包；如果譯碼失敗，終端回送否認(NACK)消息，請求基站發送下一個子包，依次類推。終端每次將根據接收到的所有子包來譯碼，以提高譯碼成功率。

由此可以看出，H-ARQ采用了最為簡單的停等重傳機制，以降低控制開銷和收發緩存空間。此時如果使用OFDMA物理層，則可以巧妙地克服停等協議信道利用率低的缺陷。因此，協議中僅規定OFDMA物理層提供對H-ARQ的支持。

4.5 功率控制

802.16e規定在上行和下行鏈路中都要進行功率控制，以全面提升系統的性能?？偟陌l射功率由固定部分和動態調整部分組成。

上行初始入網階段采用開環功控，以下行信道損耗估計上行信道損耗，相應地調整發射功率，以達到期望的信噪比。

入網之后，默認的功率控制方式為閉環功控?；緦ι闲行诺赖男旁氡冗M行測量并與目標信噪比進行比較，向終端發送指令實時調整其發射功率。下行功率控制采用與AMC結合的閉環方式進行。(待續)

收稿日期：2007-11-16

作者簡介

劉丹譜，北京郵電大學教授。博士畢業于北京郵電大學。主要研究方向包括寬帶無線通信技術、MIMO/OFDM、超寬帶無線通信系統物理層與MAC技術。發表論文三十余篇。

郝建軍，北京郵電大學副教授。北京郵電大學在讀博士。主要研究方向包括協同通信、感知無線電技術等。發表論文十余篇。

樂光新，北京郵電大學教授、博士生導師。主要研究方向包括寬帶無線通信與無線IP網等。已發表論文百余篇。