WiMAX技術與下一代無線移動寬帶應用

1引言

隨著現代通信網絡技術的發展和電信業務的日益豐富，用戶寬帶接入技術受到了越來越多的關注。一方面，傳統的固定寬帶接入用戶越來越不滿足于固定寬帶業務，希望寬帶服務能延伸到移動環境。另一方面，傳統的移動用戶也不滿足于簡單的語音、短信等低速服務，而希望能享受到寬帶服務。寬帶移動化和移動寬帶化使得寬帶服務和移動服務逐漸融合。在眾多的移動寬帶技術中，WiMAX由于其性能上的優點得到了普遍的關注，被譽為是“超級連接世界的真正無線寬帶”[1]。

WiMAX（World Interoperability for Microwave Access，微波接入全球互通）是一種基于IEEE 802.16-2004標準的寬帶無線技術，最初該技術僅定位于固定的寬帶無線接入。基于802.16e的第二代WiMAX是支持移動特性的標準，是一項基于IEEE 802.16標準的寬帶無線接入城域網技術，其基本目標是提供一種在城域網環境下可有效地互通的寬帶無線接入方案。

2WiMAX的主要技術

由Shannon公式，信道的極限信息傳輸速率C（bps）=W·log2（1+S/N），即實際帶寬是最大數據傳輸速率與帶寬利用率的乘積。提高實際帶寬可以有三種方法：第一是增加帶寬的利用率。相對于當前廣泛使用的 CDMA技術，WiMAX使用的是OFDM技術，可以有效的提高信道利用率。第二是提高頻率。第三是增加信噪比，由于信噪比進行了取對數運算，增加信噪比可謂事倍功半。

可見，提高頻率是增加帶寬最直接有效的辦法。在WiMAX技術中，802.16d標準使用在無線城域網，采用低于11G的工作頻段，數據傳輸速率達到75Mbit/s，而802.16e標準，使用在移動無線局域網，工作頻段為采用2～6GHz，數據傳輸速率達到30Mbit/s。再結合移動蜂窩技術，WiMAX技術的主要思路就比較清楚了，它使用高頻段和高發射功率，從而獲得比傳統移動電話更高的帶寬，比WLAN技術更大的覆蓋范圍。具體的，WiMAX使用了下面所述的幾種主要技術。

2.1OFDM/OFDMA

WiMAX引進了正交頻分復用（OFDM）和正交頻分復用多址(OFDMA)技術。OFDM的基本思想是把信道分成若干正交子信道，將高速數據流轉換成并行的低速子數據流，分配到每個子信道上進行傳輸。

在（OFDM/OFDMA）中，頻譜被分成許多的子載波，子載波采用QPSK或QAM調制。通過采用多輸入多輸出（MIMO）技術，每個天線發射不同的數據，以增強信號通道吞吐量，能夠為用戶提供4Mbit/s～70Mbit/s的數據速率。

2.2HARQ技術

混合自動請求重傳（HARQ）是在自動請求重傳（ARQ）系統中混入和前向糾錯編碼（FEC）子系統。ARQ具有簡單、可靠性高的優點，但它的效率低、時延大。FEC則有效性較高，但可靠性比ARQ低，而且復雜度也較高。HARQ技術綜合ARQ和FEC的優點，可以自適應地基于信道條件提供精確的編碼速率調節，并補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼，以提高系統性能。發送端發送的編碼不僅能檢錯，還具有一定的糾錯能力，這在一定程度上避免了FEC要求復雜的譯碼設備和ARQ信息連續性差的缺點，誤碼率較低。

2.3AMC技術

自適應調制編碼（AMC）技術中的自適應是指當信道狀態發生變化時，發射端的發射功率保持不變，調制和編碼方式隨信道狀態變化而自適應的改變，由此能在不同的信道狀態下獲得最大的吞吐量。在現代移動通信中，系統擁有多種物理層（PHY）可供選擇，自適應調制編碼就是根據信道的不同條件選擇適當的PHY傳輸模式以達到最大的吞吐量。

WiMAX中的AMC技術必須根據WiMAX的技術特征來實現AMC功能。WiMAX物理層采用了OFDM技術，時延擴展、多普勒頻移、PAPR值、小區的干擾等信道因素對于OFDM解調性能有重要的影響，這種影響在AMC算法中必須被考慮，以調整系統編碼調制方式，達到系統瞬時最優性能。

2.4MAC層技術

WiMax基站通過靈活的幀結構提前安排好了用戶的傳輸過程，從而能夠為大量的用戶提供接入服務。用戶在首次連接到信道之前，需要做一次先后接入順序的處理。IEEE802.16標準中MAC層是為了實現無線寬帶接入而開發的，為了滿足無線寬帶更高的速率要求和更多樣性的服務質量（QoS）要求。802.16標準的MAC層通過上行鏈路和下行鏈路的自適應分配，為用戶提供了QoS服務。MAC層定義了較為完整的QoS機制。在每一個信道中，允許不同的用戶共享每個終端，用戶可以根據自己的帶寬和延遲情況調整QoS服務。802.16標準的MAC層的協議將是兼容性很強和高效的一種協議，在中遠距離高速率傳輸的無線寬帶競爭中占有技術的優勢。

在WiMax標準中，針對不同的連接，MAC層可以分別設置不同的QoS參數，包括速率、延時等指標。WiMax系統所定義的4種調度類型只針對上行的業務流。對于下行的業務流，根據業務流的應用類型只有QoS參數的限制（即不同的應用類型有不同的QoS參數限制）而沒有調度類型的約束。WiMAX系統定義了業務流的服務質量參數集，提供面向鏈接的QoS保障。WiMAX支持固定速率、實時可變比特率（VBR）、非實時可變比特率、盡力而為四種業務類型，這種差異化服務可以很好提供QoS服務。

2.5快速蜂窩選擇FCS

使用FCS，確定“最好的”蜂窩不僅要考慮無線信號傳播的條件，還要考慮Activeset中小區的功率和碼字空間的資源。有很多小區基站處于activeset，但只有最適合的基站允許發送，這樣可以降低相互干擾，提高系統容量。在較遠的邊緣處，每條子信道的質量都比較低，使用FCS策略可以選擇一個服務小區，使得鏈路的質量相對穩定。

2.6安全性

為增強無線傳輸系統安全性，IEEE 802.16在MAC層中定義了一個保密子層來提供安全保障。保密子層主要包括兩個協議：數據加密封裝協議和密鑰管理協議（PKM）。

3WiMAX的性能特點

做為寬帶無線接入的選擇方案，WiMax有自己的技術優勢：

3.1遠距離傳輸

WiMax的無線信號傳輸距離最遠可達50公里，是無線局域網所不能比擬的，其網絡覆蓋面積是3G（3rd Generation）基站的10倍，只要建設少數基站就能實現全城覆蓋，這樣就使得無線網絡應用的范圍大大擴展。

3.2高速寬帶接入

WiMax所能提供的最高接入速度是70M，是3G所能提供的寬帶速度的30倍。WiMax采用與無線局域網標準802.11a和11g相同的OFDM調制方式，因為WiMax可通過室外固定天線穩定地收發無線電波，所以承載的比特數高于11a和11g。WiMax可實現74.81M的最大傳輸速度。

3.3無“最后一公里”瓶頸限制

最后一公里的接入一直是制約通信網絡發展的瓶頸，隨著無線通信技術的發展，寬帶無線接入逐漸成為用戶新的選擇。WiMAX具有頻譜高效、覆蓋面大、吞吐量高等特點，可以將Wi-Fi熱點連接到互聯網，解決用戶的高速無線接入問題，可以作為有線接入網絡的無線擴展技術，實現最后一公里的寬帶接入。

3.4多媒體通信服務

WiMax比Wi-Fi具有更好的可擴展性和安全性，從而能夠實現電信級的多媒體通信服務。高帶寬可以將IP網的缺點大大降低，從而大幅度提高VoIP、視頻點播、網絡電視的QoS。

目前，這類應用在國外已經進行了試驗檢測。為各類車輛內的乘客提供高速移動狀態下的多媒體服務、定位服務。如在城鐵、地鐵、公交車、火車上為乘客提供高速網絡互動、到站提示、車輛定位、實時影視、廣告等各類服務。

4WiMAX應用推廣及其關鍵問題

WiMAX論壇下的CPWG（Contribution to Service Provider Working Group）工作組在2004年12月的WiMAX網絡規范要求中把WiMAX網絡所支持的應用分為三類，分別是：普通IP應用，高級IP應用和非IP應用。

在普通IP應用中支持非實時IP應用，比如FTP，e-mail，Web瀏覽，遠程訪問VPN等。普通服務的特點是盡力而為服務，即對這些服務沒有確定的QoS保證。

在高級IP應用支持所有準實時應用，比如音頻/視頻（A/V）流，VoIP，多媒體IP會議，IMS（IP多媒體子系統）應用，定位和在場觸發IP應用等。可管理的IP服務提供特定的SLA (ServiceLevelAgreements)，包括QoS。并支持不同的計費策略。

在非IP服務兼容支持目前已有的短消息服務（Short Message Service，SMS）和多媒體信息服務（Multi-media Message Service，MMS）。

WiMAX是繼3G和WLAN（Wireless Local Area Network）之后又一項被業界寄予高度厚望的技術。作為一種面向最后一公里接入領域的無線LAN技術，WiMAX可以在多個寬帶相關領域得到廣泛應用。在不便于部署傳統有線寬帶接入技術的區域，WiMAX將作為有效的寬帶接入選擇。

5無線寬帶技術從競爭到融合

WiMAX應用的推廣最關鍵的障礙不是在技術上，而是在于沒有分配確定的全球統一的頻譜。世界各國各地區的無線電管治政策和頻譜分配狀況差異很大，各自的標準都有很大區別，要在全球范圍內統一WiMAX頻譜是比較困難的。在幾乎寸土寸金的無線頻段中，WiMAX技術想獲得一個適當頻段，將會付出一些代價。如果頻譜不統一的狀況沒有得到解決，WiMAX設備制造商就必須為不同國家和地區制造不同頻譜的設備，而且WiMAX將無法實現全球漫游。

WiMAX網絡覆蓋面積是3G的10倍，傳輸速率可達3G的30倍，具有一定的技術優勢，但這種優勢并不是絕對壓倒性的。這種優勢還不足以推動WiMAX去全面替代其它無線寬帶技術。另外，從技術自身角度來看，WiMAX還不具備公眾移動通信網絡的廣域漫游、安全特性、終端便攜等移動特性。其競爭對手如3G、WLAN、Wi-Fi技術也將會在應用中發展提高，不斷地挑戰WiMAX的技術優勢。

當前，各種無線寬帶技術都不足以在市場上獲得絕對的壟斷地位，但不同的技術互相融合已成為大勢所趨，從競爭走向融合也是現代無線通信技術發展的必由之路。

6結束語

市場需要真正的無線寬帶服務。而現有應用的大多數技術還不能向用戶提供真正的無線寬帶體驗的服務，一場大規模的技術演變和變革就勢在必行。而WiMAX因為其自身技術上的優勢，而被業界寄予厚望。從目前的情況來看，WiMAX很有可能成為4G標準的組成部分。在這場變革中，無論是在發達國家還是在發展中國家，WiMAX都有良好的發展前景。當然，無論哪種技術成為最終的勝利者，獲益者都會是消費者。

參考文獻

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