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WiMAX技术及其发展
 
慧聪网   2005年12月12日15时9分   信息来源:泰尔网    

  【导语】 介绍了WiMAX的产生背景、应用场合、空中接口技术的特征以及标准进展情况。

  1、概述

  随着通信技术和新业务的部署,市场与技术的相互作用,未来通信领域一些新的特点逐渐显现出来。 一方面,传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务,希望使用宽带接入移动服务;另一方面,传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信和低速数据业务,希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势,宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋势,并互为补充、互相促进。在移动宽带化方面,3GPP/3GPP2已经制定了1xEV-DO、HSDPA/HSUPA等技术标准,在移动环境下实现宽带数据传输。在宽带移动化方面,IEEE 802工作组先后制定了WLAN和WiMAX等技术规范,意图能沿着固定、游牧/便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化,其中IEEE 802.16 WiMAX是宽带移动的重要里程碑,促进了移动宽带的演进和发展。


  WiMAX是IEEE802.16技术在市场推广方面采用的名称,其物理层和MAC层技术基于在IEEE 802.16工作组中开发的无线城域网(WMAN)技术,WiMAX也是IEEE 802.16d/e技术的别称。本文将对WiMAX技术产生的背景和应用场景、空中接口的主要技术特征以及网络侧标准的进展情况进行简单的介绍。

  2、WiMAX的产生背景

  20世纪90年代宽带无线接入技术发展迅速,以本地多点分配系统(LMDS)和多信道多点分配为代表的无线技术的市场定位为小型办公室(SOHO)、中/小企业、城市商业中心等用户。但是这一产业并没有像人们预期的那样进一步繁荣壮大,一个重要的原因就是没有统一的全球性宽带无线接入标准。

  1999年,IEEE成立了802.16工作组来专门研究宽带无线接入技术规范,目标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。目前IEEE802.16主要提及两个标准:802.16-2004即802.16d固定宽带无线接入标准和802.16e支持移动特性的宽带无线接入标准。IEEE 802.16d标准于2004年10月1日发布,它规范了固定接入下用户终端同基站系统之间的空中接口,主要定义空中接口的物理层和MAC层。802.16e标准的最大特点在于对移动性的支持。该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入系统,工作在<6GHz适宜于移动性的许可频段,可支持用户终端以车辆速度移动,同时802.16d规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。

  IEEE 802.16工作组主要针对Wireless MAN的物理层和MAC层制定规范和标准。为了形成一个可运营的网络,IEEE 802.16技术必然需要其他部分的支撑,所以WiMAX论坛应运而生。WiMAX论坛成立于2001年4月,最初该组织旨在对基于IEEE 802.16标准和ETSI HiperMAN标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证,通过WiMAX认证的产品会拥有“WiMAX(r) CERTIFIED”标识。随着802.16e技术和规范的进展,该组织的目标也逐步扩展,不仅要建立一整套基于IEEE 802.16标准和ETSI HiperMAN标准的认证体系,同时还致力于可运营的宽带无线接入系统的研究、需求的分析、应用模式的探索、市场的拓展等一系列大力促进宽带无线接入市场发展的工作。通常认为,IEEE 802.16工作组是IEEE802.16 WiMAX空中接口规范的制定者,而WiMAX论坛是技术和产业链的推动者。目前WiMAX几乎成为了IEEE802.16 WiMAX技术的代名词,其空中接口规范涵盖了IEEE 802.16d/e标准。

  3、WiMAX技术应用场景

  WiMAX论坛给出WiMAX技术的5种应用场景定义,即固定、游牧、便携、简单移动和全移动。

  (1)固定应用场景:固定接入业务是802.16运营网络中最基本的业务模型,包括用户因特网接入、传输承载业务及Wi-Fi热点回程等。

  (2)游牧应用场景:游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中;在每次会话连接中,用户终端只能进行站点式的接入;在两次不同网络的接入中,传输的数据将不被保留。在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游,并应具备终端电源管理功能。

  (3)便携应用场景:在这一场景下,用户可以步行连接到网络,除了进行小区切换外,连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展,从这个阶段开始,终端可以在不同的基站之间进行切换。当终端静止不动时,便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。当终端进行切换时,用户将经历短时间(最长为2s)的业务中断或者感到一些延迟。切换过程结束后,TCP/IP应用对当前IP地址进行刷新,或者重建IP地址。

  (4)简单移动应用场景:在这一场景下,用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等,但当终端移动速度达到60~120km/h时,数据传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程中,数据包的丢失将控制在一定范围,最差的情况下,TCP/IP会话不中断,但应用层业务可能有一定的中断。切换完成后,QoS将重建到初始级别。简单移动和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。移动数据业务是移动场景(包括简单移动和全移动)的主要应用,包括目前被业界广泛看好的移动E-mail、流媒体、可视电话、移动游戏、移动VoIP(MVoIP)等业务,同时它们也是占用无线资源较多的业务。

  (5)全移动应用场景:在这一场景下,用户可以在移动速度为120km/h甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务,当没有网络连接时,用户终端模块将处于低功耗模式。

  4、空中接口技术特征

  目前,IEEE 802.16标准主要包括IEEE 802.16d和IEEE 802.16e。802.16d的初衷是统一固定无线接入的空中接口。该标准可以应用于2~11CHz非视距(NLOS)传输和10~66GHz视距(LOS)传输。而IEEE 802.16e的目标是能够向下兼容IEEE802.16d,为了支持移动特性,在IEEE802.16d的基础上加入了切换、QoS、安全等新的特性。802.16e标准于2005年10月通过IEEE 802.16工作组投票,并提交IEEE 802 SA审批。

  相对于上面描述的几种典型应用场景,IEEE802.16d用于固定和游牧应用场景。IEEE802.16e用于便携和移动场景,同时支持固定场景。

  表1包括了802.16d/e的主要技术特征。802.16d/e的物理层可选用单载波、OFDM和OFDMA共3种技术。单载波这个选项主要是为了兼容10~66GHz频段的视距传输(OFDM和OFDMA只用于<11GHz频段)。虽然在802.16d/e协议中,单载波物理层也可以用于2~11GHz频段,但通常认为802.16d的典型物理层技术是OFDM,802.16e的典型物理层技术是0FDMA。

  表1 802.16d/e主要技术特征

  
技术参数
802.16d
802.16e
子载波数
256(OFDM)
2048(OFDMA)
256(OFDM)
128、512、1024、2048(0FDMA)
带宽(MHz)
1.75-20
1.25-20
频段(GHz)
2-11
<6
移动性
固定或便携
中低车速(<120km/h)
传输技术
单载波、OFDM
多址方式
OFDMA结合TDMA(上行)、TDM(下行)
频谱分配单位
子信道
双工方式
FDD或TDD
峰值速率(Mbit/s)
75(20MHz)
15(5MHz)
实际吞吐量(Mbit/s)
38(10MHz)
6-9(车速下)
调制方式
QPSK、16QAM、64QAM
信道编码
卷积码、块Turbo码、卷积Turbo码、LDPC码
链路自适应
AMC、功率控制、HARQ
小区间切换
不支持
支持
增强型技术
智能天线、空时码、空分多址、宏分集(16e)、Mesh网络拓扑
接入控制
主动带宽分配、轮询、竞争接入相结合
QoS
支持UGS、RtPS、NrtPS和BE4种QoS等级
省电模式
不支持
支持空闲(Idle)、睡眠模式

  802.16d OFDM物理层采用256个子载波,OFDMA物理层采用2048个子载波,信号带宽从1.25~20MHz可变。802.16e对OFDMA物理层进行了修改,使其可支持128、512、1024和2048共4种不同的子载波数量,但子载波间隔不变,信号带宽与子载波数量成正比,这种技术称为可扩展的OFDMA(Scalable 0FDMA)。采用这种技术,系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。

  在多址方式方面,802.16d/e在上行采用TDMA(时分多址),下行采用TDM(时分复用)支持多用户传输。另一种多址方式是OFDMA,以2048个子载波的情况为例,系统将所有可用的子载波分为32个子信道,每个子信道包含若干子载波。多用户多址采用和跳频类似的方式实现,只是跳频的频域单位为一个子信道,时域单位为2或3个符号周期。

  在调制技术方面,802.16d/e支持的最高阶调制方式为64QAM,相对于蜂窝移动通信系统(3GPP HSDPA最高支持16QAM),802.16d/e更强调在信道条件较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求,802.16d/e选用了块Turbo码、卷积Turbo码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码,同时也考虑使用低复杂度、低延时的LDPC码。

  在双工方式方面,802.16d/e支持FDD和TDD两种方式,其物理层技术基本相同。相对而言,3G技术中FDD和TDD模式采用的物理层有较大不同。802.16d/e在5MHz频带上可以实现约15Mbit/s的速率,频谱效率为3bit/s/Hz,与HSDPA相似。但802.16d/e在固定或低速环境下可以使用更大带宽(20MHz),实现高达75Mbit/s的峰值速率,这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。这充分体现出0FDM技术在使用更宽频带方面的优势。

  802.16d/e标准支持全IP网络层协议,802.16d/e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络。但现有IP核心网缺乏有效的移动性管理能力。WiMAX论坛已经开始开发网络层协议,802.16 NetMAN工作组也已开展这方面的工作。同时,802.16协议也可以通过一个ATM汇聚子层将ATM信元映射到802.16d/e MAC层,具备支持3G核心网的潜力。也就是说,WiMAX支持和3G系统的互通和融合。802.16d/e的MAC层支持多种QoS等级以适应VoIP、可视电话、流媒体、在线游戏、浏览、下载等不同的业务类型,包括主动分配带宽(UGS)、实时轮询(RtPS)、非实时轮询(NrtPS)和尽力而为(BE),其中最后一种为竞争接入的调度机制。802.16e增加了节电模式的内容,以支持移动终端。除正常工作状态外,还支持空闲状态(即用户处于激活状态但暂时没有数据交换)和睡眠状态。

  5、标准化工作进展情况

  5.1 IEEE 802.16e空中接口规范工作进展情况

  当前IEEE 802.16标准化中最受瞩目的是802.16e标准的进展情况。802.16e协议旨在802.16d标准的基础上支持移动业务、小区间切换和多小区组网。因此,该协议的大部分内容用于加强对移动性的支持。对切换的支持包括:定义了切换(包括软切换)过程,明确了切换的MAC层信令,完善了切换过程中的测距(ranging)操作,增加了基于多天线的软切换功能等。对移动终端的支持包括:确定了省电模式,增加了低复杂度、低延时的LDPC信道编码。为了适应多变的移动信道环境,增加的功能包括:支持灵活的带宽使用,增强了HARQ、AMC、智能天线和空时码的功能,增加了TDD系统的闭环发送(close-loop transmission)功能。截止2005年9月,802.16e标准版本为D11,主要标准内容的制定基本结束,正在进行Sponsor ballot(赞助者投票),计划于2005年12月提交IEEE-SA标准委员会审定和发布。

  5.2 WiMAX网络架构规范工作计划

  除了空中接口技术的发展之外,网络侧技术的发展对WiMAX系统标准的制定,尤其是移动WiMAX技术的推动也至关重要。802.16技术是无线接入技术,通过接入核心网向用户提供业务,核心网通常采用基于IP协议的网络。随着802.16e空中接口规范内容的基本确定,业界的注意力逐步转移到支持固定、游牧、便携、简单移动和全移动场景的WiMAX网络架构的规范上,为此WiMAX论坛于2004年11月成立了网络工作组(NWG),制定支持IEEE 802.16d/e的网络规范。目前已经确定的网络参考模型和参考点如图1所示。

  

图1 已确定的网络参考模型和参考点

图1 已确定的网络参考模型和参考点

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  MSS-Mobile Scriber Station (移动用户台)

  ASN-Access Service Network(接入业务网)

  CSN-Connect Service Network(连接业务网)

  NAP-Network Access Provider(网络接入提供商)

  NSP-Network Service Provider(网络业务提供商)

  图1 支持漫游的网络参考模型和参考点

  ASN用于管理802.16空口,主要功能有:网络发现和选择接入,为用户选择NSP AAA,ASN间会话控制,连接到选定的CSN、ASN内切换和移动性管理,无线资源管理和分配,以及ASN内位置管理和寻呼。CSN用于连接到Internet、ASP、PLMN网络或其他网络,主要功能有:鉴权、授权和计费(AAA),NSP间漫游,IP地址管理,ASN间位置管理、移动性和漫游,为多种业务(如语音、点对点、VPN、广播多播、消息等)提供基础连接、策略控制和QoS管理。

  WiMAX网络架构规范根据发展需要分成3个Release版本阶段,逐步进行推进。目前正在进行Release1版本的工作,Release1版本计划2005完成,主要满足:

  (1)基本的移动性需求,例如可以适用于固定、游牧以及便携应用场景;

  (2)应用在固定应用模式下,对基本的VoIP业务的支持;

  (3)R1-R5接口的开放需求;

  (4)与其他网络的松耦合互联需求,例如与3GPP网络。

  Releas2版本计划2006年底完成规范,将在Release1版本的基础上,增加更多的对IP业务的支持,同时增加ASN内部各模块的互操作能力。该版本计划从2006年开始研制,与此同时,系统规格以及互联互通测试框架也在此阶段由NWG、SPWG和CWG一起进行定义。

  Release3版本计划于2007年中完成,将在Release2版本的基础上,研究更多的商用模式,例如如何进行基础设施的共享等。

  WiMAX网络架构在Rlease1版本又分成3个阶段来完成。第一阶段的工作主要在需求工作组中开展,目标是定义游牧、便携和简单移动、全移动模式下网络的功能和性能需求,并根据第二阶段的反馈问题和建议,进行适当调整。第二阶段和第三阶段在网络工作组中开展。第二阶段的任务是制定网络架构参考模型、定义参考点和网络功能,并给出协议和流程的说明。第三阶段在第二阶段的基础上细化协议和流程的具体实现。

  WiMAX网络架构2005年工作计划(也就是Release 1版本计划)如图2所示,目前正处于Release 1版本第二阶段的工作中。网络工作组目前已经完成了第二阶段的初稿,正在就初稿中的各个部分进行充分的讨论。

图2  WiMAX网络规范时间计划

图2  WiMAX网络规范时间计划

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  6、结论

  从上文分析可以看出,WiMAX系统在空中接口方面采用了具有较高频谱效率的OFDM调试技术。这一技术代表了无线通信技术的发展方向,已经成为业界公认的未来移动通信系统的关键技术,不仅适用于WiMAX系统,很可能将成为3G系统演进的核心技术。

  IEEE 802.16e空中接口规范基本完成,WiMAX系统网络架构逐渐完善,使WiMAX对移动业务的支持成为可能,并逐渐对3G及其演进系统构成了竞争威胁。所以,如何在利用WiMAX技术发展成果促进技术进步的同时,合理地进行市场细分,促进整个无线通信产业的发展,将成为未来研究的一个主要课题。
 

 
作者:龚达宁 
 
 
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