宽带无线接入技术WiMAX
1 背景分析
无线通信正朝着宽带化、IP化、多业务化和泛在化快速发展。目前，除已广泛应用的蜂窝网外，宽带无线接入技术还包括无线局域网技术、无线城域网技术和新兴的无线广域网技术。其中基于IEEE 802.11标准系列的无线局域网技术最早被推出，现已逐步走向成熟并商用。与此同时，为了获得更大的覆盖范围、更高的传输速率和更好的服务质量，IEEE 802.16工作组自1999年成立以来制定了一系列无线城域网标准。为了推动与保证基于IEEE 802.16系列标准的宽带无线设备的兼容性和互操作性，Intel、富士通和诺基亚等公司于2001年共同成立了非营利性工业贸易联盟——WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access：全球微波接入互操作)论坛。从此WiMAX就成为了IEEE 802.16系列标准技术的代名词。
IEEE 802.16(以下简称802.16)工作组相继推出的空中接口标准包括802.16、802.16a、802.16d、802.16e。目前两个主流标准是802.16d和802.16e，分别为固定和移动应用设计。802.16d是对802.16和802.16a标准的整合和修订，其中定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层框架。802.16e在802.16d的基础上增加了部分新的功能，以支持用户的移动性。总之，作为一种以无线方式实现“最后一公里”宽带接入的技术解决方案，802.16系列标准规范了一个支持语音和视频等低时延应用的协议，可以为用户提供固定、移动、便携形式的高速数据、语音和视频传输服务。与其他无线通信技术相比，WiMAX的优势主要体现在：传输速率高，覆盖范围大；完善的QoS(服务质量)机制；较高的数据安全性；基于全IP的网络架构；开销及投资风险小；部署灵活，配置伸缩性强，可平滑升级。
2 数据组成
物理层由传输汇聚子层(TCL)和物理媒质依赖子层(PMD)组成，通常说的物理层主要是指PMD。TCL将收到的MAC层数据分段，封装成TCL协议数据单元(PDU)。PMD则具体执行信道编码、调制解调等一系列处理过程。MAC层采用分层结构，分为三个子层：特定服务汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层。
1) CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务。它将通过服务访问点(SAP)收到的外部网络数据转换和映射为MAC业务数据单元，并传递到MAC层的SAP。协议提供了多个CS规范作为与外部各种协议的接口，可实现对ATM、IP等协议数据的透明传输。
2) CPS子层实现主要的MAC功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MAC层SAP接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施QoS控制。
3) 安全子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。该子层支持128位、192位及256位加密系统，并采用数字证书的认证方式，以保证信息的安全传输。
3 WiMAX关键技术
3.1 OFDM与OFDMA
OFDM技术的基本思想是将信道的可用带宽划分成若干相互正交的子载波，在每个子载波上独立进行数据传输，从而实现对高速串行数据流的低速并行传输。它由传统的频分复用(FDM)技术演变而来，区别在于OFDM是通过DFT(离散傅立叶变换)和IDFT而不是传统的带通滤波器来实现子载波之间的分割。各子载波可以部分重叠，但仍然保持正交性，因而大大提高了系统的频谱利用率。此外，数据的低速并行传输增强了OFDM抵抗多径干扰和频率选择性衰落的能力。在OFDM技术的基础上结合频分多址(FDMA)，将信道带宽内可用的子载波资源分配给不同的用户使用，就是OFDMA。
3.2 多天线技术
多天线技术在不增加系统带宽的情况下可以成倍地提升信道容量，从而实现更高的数据传输速率和更大的覆盖范围，或改善信号传输质量。802.16标准支持的多天线技术包括多输入多输出和自适应天线系统两大类。
1) 多输入多输出(MIMO)技术
MIMO通过在基站和终端分别使用多根天线进行发送和接收，来抑制信道衰落和改善系统性能。该技术在802.16协议中为可选，具体应用模式分为空间分集模式、空间复用模式、分集与复用相结合的混合模式。空间分集模式包括发送分集和接收分集。
通过在不同天线上发射包含同样信息的信号或合并来自不同天线的接收信号，可以获得分集增益，从而抵抗信道衰落，提高通信质量和增大覆盖。空间复用模式是指在不同的发射天线上发送相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行译码。此时可获得空间复用增益，从而提高数据传输速率，增加系统容量。混合模式结合了分集和复用的优势，在分集增益和复用增益之间进行折衷，从而既能改善传输质量又可以提高系统容量。不过，处理的复杂度要比前两种模式高一些。
为进一步改善系统性能，802.16e中还提供了对闭环MIMO技术的支持，发射端可获得关于信道环境的各种反馈信息。因此，系统在运行的过程中，可以根据应用环境以及信道条件在各种MIMO模式之间进行实时转换。
2) 自适应天线系统（AAS）
AAS是一种基于自适应天线原理的移动通信技术。它采用空分多址技术，通过数字信号处理产生空间定向波束，使天线主波束对准期望信号到达方向，旁瓣或零瓣对准干扰信号到达方向，从而抑制干扰，实现期望信号的最佳接收。在WiMAX体系中，AAS是一种可选技术，上下行链路都可以选择支持该技术，以应对阻隔视距(OLOS)和非视距(NLOS)传播造成的深衰落。不过，AAS的设计和应用都是基于TDD方式。因为在TDD方式下，上行和下行共用相同的频带资源，基站和终端均可以利用上下行信道的互易特性方便地计算出波束形成的权值。而在FDD方式下，上行和下行的信道一般不同，要想计算波束形成的权值，只有通过反馈，这将增大整个系统的开销。
3.3 自适应调制编码
无线信道的时变和衰落特性决定了信道容量是一个时变的随机变量，要最大限度地利用信道容量，只有使发送速率也随之相应变化，也就是说编码调制方式应该具有自适应特性。自适应调制编码(AMC)技术就是根据信道条件动态调整编码和调制方式，以提高传输速率或系统吞吐量。基本方法是根据对信道质量的测量结果，在信道条件较好时使用高阶调制和高编码速率(例如64QAM，5/6码率)，以实现更高的峰值速率；而在信道条件较差时使用低阶调制和低编码速率(例如QPSK，1/2码率)，以保证传输性能。通过改变调制编码方式而不是发射功率来改善性能，还可以在很大程度上降低因发射功率提高而引入的额外干扰。
3.4 混合自动重传请求(H-ARQ)
混合自动重传请求是一种将自动重传请求(ARQ)和前向纠错编码结合在一起的技术，可以用来减轻信道与干扰抖动对数据传输造成的负面影响。H-ARQ的基本工作过程如下：将一个或多个待发送MAC层数据单元串联起来，根据物理层的具体规范进行编码，生成4个H-ARQ子包。基站每次只发送一个子包。由于4个子包之间存在很大的相关性，收端无需获得全部子包，也能够正确译码。因此，终端在收到第一个子包后，就尝试译码。如果译码成功，终端立即回送一个确认(ACK)消息给基站，阻止其发送后续子包。如果译码失败，终端回送否认(NACK)消息，请求基站发送下一个子包，依次类推。终端每次将根据接收到的所有子包来译码，以提高译码成功率。由此可以看出，H-ARQ采用了最为简单的停等重传机制，以降低控制开销和收发缓存空间。此时如果使用OFDMA物理层，则可以巧妙地克服停等协议信道利用率低的缺陷。因此，协议中仅规定OFDMA物理层提供对H-ARQ的支持。
3.5 功率控制
802.16e规定在上行和下行链路中都要进行功率控制，以全面提升系统的性能。总的发射功率由固定部分和动态调整部分组成。
3.6 媒体访问机制
媒体访问控制机制的设计是任何一个采用共享信道方式的无线接入系统必须要考虑的问题。与IEEE 802.11的载波监听/冲突避免(CSMA/CA)策略不同，IEEE802.16采取的方式是在物理层将时间资源进行分片，通过时间区分上行和下行。每个物理帧的帧长度固定，由上行和下行两部分组成，上行和下行的切换点可以通过MAC层的控制自适应调整。在TDD模式下，每一帧由n个时隙组成。下行是广播的，上行是SS发向BS的。下行在先，上行在后。对于宽带无线接入系统而言，这种媒体访问机制兼顾了灵活性和公平性，每个SS都有机会发送数据，避免了长期竞争不到信道的现象出现；其次，每个SS都只在属于自己的发送时段内才发送数据，可以保证任何时刻，媒体上只有一个数据流传输；再次，这种机制便于进行QoS、业务优先级以及带宽等方面的控制。
3.7 QoS保证机制
WiMAX是第一个提出在MAC层提供QoS保证的无线接入标准。众所周知，无线信道上多径、衰落等因素的影响会导致较高的误码率和丢包率，数据传输的可靠性和有效性难以得到保障。为满足高速多媒体业务对时延、带宽、丢失率等指标的更高要求，WiMAX的MAC层定义了一系列严格的QoS控制机制，可以在无线接入网部分为不同业务提供不同质量的服务。同时，这种服务是面向连接的。
3.8 切换
当移动用户站(MS)在运动中离开原BS的覆盖范围或者其他BS可以提供质量更好的服务时，需要执行切换(HO)流程。通过BS广播的网络拓扑消息，MS可以获得相邻小区的DCD/UCD信息。BS还能为MS分配扫描周期以对邻近的基站进行扫描和测距，评估其物理层信道质量，为可能进行的切换确定寻找潜在的目标BS。实际的切换流程可以由MS发起也可以由BS发起，该切换属于硬切换。此外，IEEE 802.16e定义了两种可选的切换模式：宏分集切换(MDHO)和快速BS切换(FBSS)。MDHO允许MS同时与多个BS通信，以获得分集增益，提高链路质量。在FBSS中，MS无需执行常规切换过程，就可以实现在一个BS集合中的任意两个BS间的快速切换。
4 WiMAX技术标准的发展与3G
4.1 WiMAX技术的发展
在IEEE 802.16e之后，WiMAX技术演进的脚步并没有停止。为了进一步提升性能并向下一代移动通信系统进军，IEEE相继开始了空中接口技术IEEE 802.16j与IEEE 802.16m标准的制订，并吸引了全球众多著名厂商的关注和参与。IEEE 802.16j可视为IEEE 802.16e的升级版，其核心是希望借助移动多跳中继(MMR:Mobile Multi-hop Relay)技术改善无线传输环境中的阴影衰落效应，消除传输死角，进而扩大网络覆盖范围，提高系统容量和均衡负载等。MMR在BS和SS之间引入了成本较低的中继站(RS)用于信号接力。如果RS位置合适，就能够避开不理想的传输路径，进而减少信号衰减。同时，RS可根据具体情况调整转发信号的功率，以进一步改善系统性能。RS引入之后产生了一系列新的问题，例如增加了MAC调度复杂度、如何实现端到端QoS保证、如何选取最佳跳数等。而且，802.16j工作组确定的原则是不能修改原有的SS，这为标准的制定者们提出了一个很大的挑战。2007年8月，IEEE 802.16j标准的第一版草案已获得通过，目前正处于通信投票阶段，预计最快有望在2008年下半年正式确立。IEEE 802.16m是IEEE 802.16e的下一代，其目标是要成为第4代移动通信系统IMT-Advanced的标准。系统目标速率设定为低速移动时达到1Gbit/s，高速移动时达到100Mbit/s。标准将向下兼容，并增进广播、多媒体以及VoIP业务的性能。与IEEE 802.16不同的是，IEEE 802.16m可能用到和IEEE 802.16e不同的技术，并设计全新的SS。该工作组于2006年12月成立，目前仅初步完成技术需求定义，预计标准将在2009年推出。WiMAX目前已经进入商用阶段，至2007年底全球获得WiMAX许可的企业已有七百余家，正在试点WiMAX的运营商达到275个。其中，韩国电信KT率先于2004年推出了韩国版的移动WiMAX——WiBro服务，美国电信运营商Sprint则于去年宣布投入50亿美元建设WiMAX宽带无线网络。此外，巴基斯坦、印度、俄罗斯、澳大利亚等国也开始尝试利用WiMAX实现偏远地区的宽带网络覆盖及城区的无线宽带服务。
4.2 WiMAX与3G
从技术角度来看，3G系统主要以CDMA技术为核心，而802.16e则以正交频分复用（OFDM）和多天线MIMO（Multi-Input Multi-Output）技术为核心。CDMA系统具有容量大、频谱利用率高的优点，在一定程度上可以很好地克服因频率选择性衰落所引起的符号间干扰问题。但是，对于高速数据业务来说，CDMA系统的主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。在保证相同带宽的前提下，若对高速数据流所使用的扩频增益太高，就会大大限制CDMA系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响；若保持原来的扩频增益，则必须要相应地提高带宽。此外，受系统实现复杂度的限制，CDMA系统中Rake接收机的分支数量也不能太多（目前为5左右），而在高速宽带系统中可分解的多径数量较多，从而会有较大的能量损失。OFDM技术本质上讲它是一种多载波调制技术。从频域看，它通过把无线通信信道划分为多个窄带子信道同时并行传送，在每个子信道上使用一个子载波进行调制。这样，尽管总的信道特性是非平坦的，具有频率选择性，但对每个子信道而言却都是窄带平坦信道。从时域来看，OFDM通过使用串并变换使得数据传输速率降低，符号持续时间加长，从而提高了对抗由于多径时延所引起的符号间干扰的能力。另一方面，OFDM的正交性又允许各子信道之间的频谱交叠，大大提高了频谱效率。基于此，OFDM技术被普遍认为是未来无线通信系统中最具竞争力的技术之一，在许多系统中都得到了广泛的应用（IEEE 802.11a/g、IEEE 802.11n、IEEE 802.16a以及DVB-H等）。研究表明，使用MIMO技术的多天线系统能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和信道容量。据Bell实验室公布的结果，采用8副天线收发的D-BLAST系统可获得42bit/s/Hz的频谱利用率，是单天线收发系统的40多倍。正是基于这些原因，MIMO系统已经在许多无线通信系统中得到了广泛的应用，如Bell实验室的BLAST实验系统、3GPP WCDMA系统、3GPP2 cdma2000系统、无线城域网IEEE 802.16、正在制定的新的无线局域网IEEE 802.11n和移动宽带无线接入IEEE802.20以及下一代无线蜂窝通信系统B3G/4等系统。因此，从技术上讲，802.16e使用了先进的技术，代表以后无线宽带移动通信的发展方向。
从构建网络的角度来看，3G是10多年前开发设计的，当时互联网还没有商业化，其设计的基本思路是在与2G系统兼容，即保证话音业务的基础上增加多媒体数据业务，如可视电话和下载视频节目等。而目前市场所需要的是宽带无线移动因特网业务, 对此3G并不能很好地满足。WCDMA的3GPP R99中核心网采用ATM, 为了适应无线移动因特网的需求,WCDMA必须改造成为全IP网,电信运营商为保护其已有的投资, 强调这应该是一个逐步演化的过程。3GPPR00(R4)的核心网将是全IP网, 但是其话音部分仍然采用电路交换，在核心网中仍保持ATM交换机。3GPPR5将采用IP核心网、支持采用SIP协议的IP电话,但是其无线接入网(RAN)仍然不是全IP的,到R6才能过渡到全IP,CDMA2000的3GPP2也有同样的演化过程,这个过渡过程可能需要5年以上的时间。问题是，如果仍然继续保持面向连接的结构，其支持突发式的互联网数据业务时的频谱效率必然很低，因此，目前3G系统的全IP方案距离无线移动因特网还有较大的差距。但802.16d/e是专门为移动宽带无线接入设计的，使用全IP核心网，其物理层和MAC层被优化设计用于支持突发分组数据，共享无线链路。因此，现阶段固网运营商利用已有的宽带IP核心网，采用802.16d/e等技术是从固定向宽带移动无线接入演化的明智选择；而移动运营商也必然选择沿3G路线的进一步演化，但从长远发展的角度看，移动宽带无线连接必将采用面向无连接的分组统计复用，核心网全IP化是大势所趋。
从使用的频段来看，由于3G系统所使用的频率为2GHz频段，是非常珍贵和短缺的频率资源，运营商为了获得3G牌照需要花很多资金购买，同时3G系统支持高速移动特性下的全网覆盖，这就需要布置大量的网络设备，造成运营费用非常昂贵。因此，3G的运营费用相比较会稍高一些。同时WiMAX近年来在全球的推广应用一直受困于频谱分配的问题。IEEE 802.16支持的频段包括10～66GHz频段以及11GHz以下频段。10～66GHz频段由于受到视距传播的限制，终端需要安装室外天线，因此应用范围有限，主要面向企业用户及提供固定无线接入。11GHz以下的非视距传播频段可以实现室内覆盖，终端无需安装室外天线，移动性增强，此时方可提供移动数据业务。另外，虽然WiMAX可以在非许可频段下工作，但是要实现电信级的运营仍然需要使用许可频段。因此，WiMAX正在试图寻找2GHz ~6GHz之间，特别是3GHz以下的频率资源。但是目前各个国家可用的频段都不一致，而且按现有频率分配方式，每个运营商所能获得的频点距大规模蜂窝组网要求还有较大差距。WiMAX论坛倾向于统一在2.5GHz或3.5GHz频段上，但最终是否能够获得足够的全球统一频谱资源尚存在一定变数。就全移动场景而言，WiMAX与下一代移动通信系统已无本质区别。而且从技术上来看，移动WiMAX网络与3G网络相比速度更快、成本更低。因此自WiMAX发展之初，业界便一直在讨论WiMAX与3G之间是否存在竞争关系。不过为了获得更大的生存和发展空间，WiMAX一直以来定位在宽带无线城域网技术上。作为3G的补充，它与3G的关系是融合而不是代替，这一观点也得到了业界的广泛认同。但是缺乏全球统一频谱越来越严重地制约了WiMAX的下一步发展，因此，2007年年初在美国政府的支持下WiMAX开始改变策略，申请加入3G家族，以分享国际电联(ITU)分配给3G的频谱资源。2007年10月，WiMAX以“OFDMA WMN TDD”的名义正式成为了继欧洲WCDMA、美国CDMA2000和中国TDSCDMA之后的第四个全球3G标准。
在原3G的三个标准中， CDMA2000和WCDMA都是FDD技术，TD-SCDMA是TDD技术。国际电联将WiMAX列为了TDD技术，不允许它在FDD频段中使用，但尚未为其指派频谱资源。显然，WiMAX可能会与TD-SCDMA共同占有TDD频段。目前，除中国之外，绝大多数国家的3G TDD频谱都处于相对闲置状态。因此，WiMAX成功加入3G阵营，对于解决其频谱资源的瓶颈问题将会大有帮助。同时，这也意味着中国的3G标准多了一个竞争对手，而且将不仅仅是市场的竞争，还有频谱资源的竞争。
当然，从一些传统电信运营商的角度看来，WiMAX还不能视为一种真正意义上的移动通信技术，它在切换、漫游等方面的性能比3G系统要差，例如尚不能支持移动过程中的无缝切换。另外，WiMAX芯片、终端和设备对标准的支持能力还显不足。目前只能提供商用数据上网卡，商用手机要到2008年年底之后才能出现，而且还面临终端一致性测试的问题。为此，WiMAX还需加快其技术演进和终端开发的进程，方有可能在各种同类技术的激烈竞争中及早实现全球范围内的规模化应用。
5 结束语
随着无线通信和因特网的蓬勃发展以及人们生活水平的提高，未来的无线通信系统必然会朝着宽带化、移动化和全IP化的方向发展。最先作为一项宽带无线接入技术被推出的WiMAX系统，在成为3G标准之后，正随着其核心网技术的演进而进一步完善。有理由相信，在不久的将来，WiMAX终端和手机将出现在人们的视野之中，成为大众接受普遍服务中不可或缺的一种产品。