浅析移动WiMAX技术的特点与应用

　　1、WiMAX简介

　　WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)基于IEEE 802.16标准，它正迅速发展并将在无线城域网中扮演重要角色。WiMAX技术作为世界无线通信协议家庭中的重要一员，在整个无线通信标准中所处位置如图1所示。

　　图1　全球不同覆盖范围的主要无线通信标准

　　WiMAX支持非视距传播条件下的无线宽带接入，它致力于为无线网络提供低时延、高质量的语音和数据服务。近两年来，WiMAX技术正在迅速发展，其发展进程如图2所示。

　　图2　WiMAX技术发展的时间表

　　从2001年10月IEEE制定第一个版本的802.16标准到2004年6月的802.16d(现称为IEEE802.16-2004)均为固定的无线接入方式，不支持移动性。直到2005年底IEEE发布802.16e标准，WiMAX才拥有性能比较好的移动性，移动WiMAX也因此引起了更多制造商和运营商的兴趣和关注。

　　2、移动WiMAX技术的特点

　　2.1　移动WiMAX技术物理层特点

　　为了使移动WiMAX技术具有更好的性能和更广阔的应用前景，其物理层设计颇具特点，其主要特点具体如下：

　　(1)所使用的频段

　　IEEE 802.16d所推荐使用的频段是2～11 GHz，它综合考虑了世界无线电频谱占用情况和移动及非视距传播需求，802.16e为了支持移动性推荐其频率范围为6GHz以下。鉴于我国2-6GHz 频率的使用情况，移动WiMAX使用3.3GHz和3.5GHz的可能性较大，不过国家无线电管理部门还未正式对其分配频段。

　　(2)OFDM/OFDMA

　　OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交频分复用技术是一种无线环境下的高速传输技术，适合在多径衰落和多普勒频移的无线信道中传输高速数据，它将是以后4G 中的核心技术之一。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响。

　　在WiMAX系统中，OFDM技术为物理层技术，主要应用的方式有两种，即OFDM物理层和OFDMA物理层。WiMAX的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。

　　WiMAX的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。

　　2.2　移动WiMAX技术接入层特点

　　IEEE 802.16标准可以在同一信道中支持视频、音频数据流，同时支持突发性的高速率数据需求。MAC算法分配给单个终端用户的资源可以从一个时隙到整个帧，这样在任何时间都可以根据需求向某一个特定的用户终端提供动态范围非常大的吞吐量。

　　移动WiMAX接入层的特点主要表现在以下3个方面：

　　(1)QoS

　　在不对称的上下行容量、良好的资源划分方式和灵活的资源分配机制下，移动WiMAX可以提供有QoS保障的数据服务和应用。移动WiMAX根据需求不同提供不同QoS的服务，详细情况参见表1。

　　表1　移动WiMAX技术的QoS服务及其应用场合

　　(2)移动性管理

　　对于移动通信而言，电池的寿命和越区切换是两个关键的因素。移动WiMAX在这两方面都做了精心设计。

　　首先，移动WiMAX有良好的功率管理机制。移动WiMAX技术支持睡眠和空闲两种省电模式：睡眠模式在移动台与基站失去联系的情况下启用，在睡眠模式下移动台的功率和对基站空中接口资源地使用都将最小化;空闲模式是指在移动台穿越被多个基站重叠覆盖的区域时周期性的接收广播信道的消息而不在某个基站进行注册，这样对于移动台可以避免进行频繁越区切换而对于基站可以减少空中接口资源和越区切换通信量。

　　其次，IEEE 802.16e定义了3种越区切换方式，即硬切换、快速BS切换和宏分集切换。其中，硬切换是必须支持的切换方式，快速BS切换和宏分集切换是两种可选的模式。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。

　　(3)安全性

　　移动WiMAX使用了当今最为先进的安全性技术，因此它的安全性能也十分突出，它主要使用的技术包括以下几个方面：

　　●码字管理协议版本2(Privacy and Key Management Protocol)是IEEE 802.16e加密的基础，其它诸如通信量加密编码、切换键交换以及多播和广播安全信息等加密措施均以它为基石。

　　●用户和设备鉴权：移动WiMAX使用了IETF EAP协议来提供基于SIM卡、数字认证、用户名/密码等多种用户和设备鉴权方式。

　　●通信量加密编码：AES-CCM可以在移动WiMAX的MAC层接口保护所有的用户数据。EAP鉴权系统产生码字来开启密码。通信量加密编码有周期性的码字更新机制，系统能持续不断地转换码字从而更加提高了系统的安全性。

　　●消息控制协议：通过基于CMAC的AES或是基于MD5的HMAC算法控制数据。

　　●快速切换支持：移动WiMAX支持3种握手算法来优化重新验证机制以达到支持快速切换的目的。

　　3、移动WiMAX与3G性能比较

　　3.1　移动WiMAX与3G系统参数的比较

　　1x EV DO和HSDPA/HSUPA是主流3G标准的演进方向，它们最初构想是以移动语音业务为主要的网络提供数据服务。1x EV DO和HSPDA/HSPA在继承3G标准优点的同时也受到3G标准局限性的限制。而WiMAX最初是为固定宽带无线接入和最优化的宽带数据服务而发展的，正因为如此WiMAX也曾面临着不断增加移动性需求的挑战。表2对1x EV DO，HSPDA/HSPA以及移动WiMAX系统参数进行了比较。

　　表2　移动WiMAX和3G标准系统参数的比较

　　3.2　抗多径干扰和自干扰性能的比较

　　在OFDMA系统中，子信道在循环前缀窗中保持了正交性，可以有效降低码间干扰，因此多径信号的数量不会影响系统的性能。

　　在CDMA系统中，通常使用RAKE接收机来抗多径衰落。除了多径衰落以外，频点偏移、多普勒效应等都会使CDMA系统受到小区内其它用户的干扰甚至是自干扰。这些干扰可以通过时域均衡器加以减弱，但CDMA系统不可能像OFDMA系统那样完全消除这些干扰。因此，在无线通信系统多径干扰十分普遍的情况下，OFDMA系统比CDMA系统具有更好的健壮性和更低的复杂性。

　　3.3　频谱利用率的比较

　　当今世界无线频率无疑是非常宝贵的资源，3G标准和WiMAX技术都十分关注本系统的频谱利用效率，它们都使用了频率重用技术。为了更为直观地比较移动WiMAX，1x EV DO和HSDPA频谱利用率，可作以下几点假设：第一，所有系统每个群只有1个基站，只有1个频率需要被重用，每个基站有3个扇区;第二，每个扇区所有的通信量由10个活跃用户模拟;第三，假设移动WiMAX采用2×2的MIMO配置。以这几点假设为前提，WiMAX的仿真结果如表3所示。

　　表3　移动WiMAX与3G标准频谱利用率的比较

　　4、WiMAX技术的机遇与挑战

　　4.1　WiMAX技术的应用

　　IEEE 802.16建议的WiMAX技术的应用主要有以下4种：

　　(1)终端接入：在终端接入模式下，用户终端设备直接通过作为SAP的WiMAX基站接入核心网。这种应用用户需要配备WiMAX无线网卡。

　　(2)小区回程：WiMAX也可以作为基站和BSC，BSC和MSC之间的通信连接手段。

　　(3)企业网互联：WiMAX也可以充当将企业网、校园网等局域网接入到城域网的手段。

　　(4)无线网桥：WiMAX提供点到点无线链接，与网桥的作用相似，其目的是把地理位置分离的两个子网络通过WiMAX无线链路连接在一起。

　　笔者认为，在无线宽带接入需求日益增长的环境中第一种应用将最具市场活力，但与3G的应用有些冲突。剩余的几种应用方式本质上是将WiMAX作为一种无线传输手段。在这种应用方面3.5G技术虽然已经商用，但3.5G技术出现了“拍热用冷”的局面，其商用程度并不理想。WiMAX技术的初期市场主要在后面几种应用。

　　4.2　WiMAX技术的机遇与挑战

　　每一种新技术的出现都是机遇与挑战并存的，WiMAX技术也一样存在着机遇和挑战。

　　如上 文所述的WiMAX技术的应用方式从全球来讲均有其对应的市场空间，无论是已经形成较为完整网络的老牌运营商，还是刚进入移动通信市场的新兴运营商，都对WiMAX技术有较大的兴趣。

　　移动WiMAX技术在诸如双工方式、智能天线技术等许多技术层面与我国的TD-SCDMA标准有不少相似之处。相对于其它两种主流3G标准来讲，移动WiMAX技术与我国TD-SCDMA技术的结合是最佳“结合点”，我国的TD-SCDMA的发展也将为其提供发展的契机。

　　相对于其它无线通信产品的互通性测试所需时间往往高于最初的期望，由图2可以看到WiMAX技术的发展过程中十分注重产品的兼容性和互通性测试，这样使企业的投资风险明显的降低，有利于吸引更多的企业投资WiMAX技术的研发工作。WiMAX技术已经得到许多大型通信企业的关注，通过共同参与标准的制定，有更多的企业进入了这个市场。同时，有更多的企业参与竞争最终将使产品更为廉价。

　　当然，WiMAX技术面临的挑战也不少。笔者认为它所面临的挑战主要有以下几点：

　　首先，最为吸引运营商目光的移动WiMAX标准已于2005年底发布，其实验室验证于2006年底完成，商用化产品至少要到2008年年初才能投向市场。这段时间正处于中国3G牌照发放的敏感时期，国家政策对我国WiMAX技术发展的影响是决定性的。

　　其次，根据无线电波的传播模型，在700/800MHz频率上的有效小区半径是1.9GHz频率上的约两倍。同理，2.5～3.5GHz的有效小区半径是700/800MHz的1/8～1/4，也就是使用3.5G频率的WiMAX系统在以覆盖为目的的初期网络建设中，所需基站数量要远多于GSM 系统。这对于运营商初期的设备和基站土建投资是一个考验。

　　第三，业界认为移动WiMAX技术不可能完全取代3G，3G的建设不会因为WiMAX技术的出现而停止。能否与3G做到良好的互补，能否找到真正可行的运营模式都直接影响着移动WiMAX技术能否良好发展。

　　第四，国家至今还没有为WiMAX划定其所使用的频段，能否拥有统一的频段也是影响移动WiMAX技术能否良好发展的一个重要因素。

　　5、结束语

　　从2001年WiMAX论坛建立到现在已5年有余，围绕着WiMAX展开的争论从来就没有停止过。从技术上讲，WiMAX使用了OFDMA和 MIMO较为领先的技术，但技术的先进并不能决定一种技术是否能得到推广。在我国，3G建设形势还不明朗的现在，WiMAX技术在拥有巨大商机的同时也面临着不小的挑战，我国3G的相关政策、移动WiMAX技术商用化的进程、移动WiMAX技术与3G，技术融合的成功与否都对WiMAX技术的发展有着重要的影响。