WiMAX技術及其發(fā)展

WiMAX技術及其發(fā)展 1、概述 　　隨著通信技術和新業(yè)務的部署，市場與技術的相互作用，未來通信領域一些新的特點逐漸顯現(xiàn)出來。 一方面，傳統(tǒng)寬帶固定接入用戶已經(jīng)不滿足于僅僅在家庭和辦公室等固定環(huán)境內使用寬帶業(yè)務，希望使用寬帶接入移動服務；另一方面，傳統(tǒng)的移動用戶也不滿足于簡單的語音、短信和低速數(shù)據(jù)業(yè)務，希望能使用更高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務。用戶需求的變化使固定寬帶接入服務和移動服務在技術和業(yè)務上呈現(xiàn)融合的趨勢，寬帶移動化和移動寬帶化逐漸成為兩個領域技術發(fā)展的趨勢，并互為補充、互相促進。在移動寬帶化方面，3GPP/3GPP2已經(jīng)制定了1xEV-DO、HSDPA/HSUPA等技術標準，在移動環(huán)境下實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸。在寬帶移動化方面，IEEE 802工作組先后制定了WLAN和WiMAX等技術規(guī)范，意圖能沿著固定、游牧/便攜、移動這樣的演進路線逐步實現(xiàn)寬帶移動化，其中IEEE 802.16 WiMAX是寬帶移動的重要里程碑，促進了移動寬帶的演進和發(fā)展。 　　WiMAX是IEEE802.16技術在市場推廣方面采用的名稱，其物理層和MAC層技術基于在IEEE 802.16工作組中開發(fā)的無線城域網(wǎng)(WMAN)技術，WiMAX也是IEEE 802.16d/e技術的別稱。本文將對WiMAX技術產(chǎn)生的背景和應用場景、空中接口的主要技術特征以及網(wǎng)絡側標準的進展情況進行簡單的介紹。 2、WiMAX的產(chǎn)生背景 　　20世紀90年代寬帶無線接入技術發(fā)展迅速，以本地多點分配系統(tǒng)(LMDS)和多信道多點分配為代表的無線技術的市場定位為小型辦公室(SOHO)、中/小企業(yè)、城市商業(yè)中心等用戶。但是這一產(chǎn)業(yè)并沒有像人們預期的那樣進一步繁榮壯大，一個重要的原因就是沒有統(tǒng)一的全球性寬帶無線接入標準。 　　1999年，IEEE成立了802.16工作組來專門研究寬帶無線接入技術規(guī)范，目標是要建立一個全球統(tǒng)一的寬帶無線接入標準。目前IEEE802.16主要提及兩個標準：802.16-2004即802.16d固定寬帶無線接入標準和802.16e支持移動特性的寬帶無線接入標準。IEEE 802.16d標準于2004年10月1日發(fā)布，它規(guī)范了固定接入下用戶終端同基站系統(tǒng)之間的空中接口，主要定義空中接口的物理層和MAC層。802.16e標準的最大特點在于對移動性的支持。該標準規(guī)定了可同時支持固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)，工作在＜6GHz適宜于移動性的許可頻段，可支持用戶終端以車輛速度移動，同時802.16d規(guī)定的固定無線接入用戶能力并不因此受到影響。 　　IEEE 802.16工作組主要針對Wireless MAN的物理層和MAC層制定規(guī)范和標準。為了形成一個可運營的網(wǎng)絡，IEEE 802.16技術必然需要其他部分的支撐，所以WiMAX論壇應運而生。WiMAX論壇成立于2001年4月，最初該組織旨在對基于IEEE 802.16標準和ETSI HiperMAN標準的寬帶無線接入產(chǎn)品進行一致性和互操作性認證，通過WiMAX認證的產(chǎn)品會擁有“WiMAX(r) CERTIFIED”標識。隨著802.16e技術和規(guī)范的進展，該組織的目標也逐步擴展，不僅要建立一整套基于IEEE 802.16標準和ETSI HiperMAN標準的認證體系，同時還致力于可運營的寬帶無線接入系統(tǒng)的研究、需求的分析、應用模式的探索、市場的拓展等一系列大力促進寬帶無線接入市場發(fā)展的工作。通常認為，IEEE 802.16工作組是IEEE802.16 WiMAX空中接口規(guī)范的制定者，而WiMAX論壇是技術和產(chǎn)業(yè)鏈的推動者。目前WiMAX幾乎成為了IEEE802.16 WiMAX技術的代名詞，其空中接口規(guī)范涵蓋了IEEE 802.16d/e標準。 3、WiMAX技術應用場景 　　WiMAX論壇給出WiMAX技術的5種應用場景定義，即固定、游牧、便攜、簡單移動和全移動。 　　(1)固定應用場景：固定接入業(yè)務是802.16運營網(wǎng)絡中最基本的業(yè)務模型，包括用戶因特網(wǎng)接入、傳輸承載業(yè)務及Wi-Fi熱點回程等。 　　(2)游牧應用場景：游牧式業(yè)務是固定接入方式發(fā)展的下一個階段。終端可以從不同的接入點接入到一個運營商的網(wǎng)絡中；在每次會話連接中，用戶終端只能進行站點式的接入；在兩次不同網(wǎng)絡的接入中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將不被保留。在游牧式及其以后的應用場景中均支持漫游，并應具備終端電源管理功能。 　　(3)便攜應用場景：在這一場景下，用戶可以步行連接到網(wǎng)絡，除了進行小區(qū)切換外，連接不會發(fā)生中斷。便攜式業(yè)務在游牧式業(yè)務的基礎上進行了發(fā)展，從這個階段開始，終端可以在不同的基站之間進行切換。當終端靜止不動時，便攜式業(yè)務的應用模型與固定式業(yè)務和游牧式業(yè)務相同。當終端進行切換時，用戶將經(jīng)歷短時間(最長為2s)的業(yè)務中斷或者感到一些延遲。切換過程結束后，TCP/IP應用對當前IP地址進行刷新，或者重建IP地址。 　　(4)簡單移動應用場景：在這一場景下，用戶在使用寬帶無線接入業(yè)務中能夠步行、駕駛或者乘坐公共汽車等，但當終端移動速度達到60～120km/h時，數(shù)據(jù)傳輸速度將有所下降。這是能夠在相鄰基站之間切換的第一個場景。在切換過程中，數(shù)據(jù)包的丟失將控制在一定范圍，最差的情況下，TCP/IP會話不中斷，但應用層業(yè)務可能有一定的中斷。切換完成后，QoS將重建到初始級別。簡單移動和全移動網(wǎng)絡需要支持休眠模式、空閑模式和尋呼模式。移動數(shù)據(jù)業(yè)務是移動場景(包括簡單移動和全移動)的主要應用，包括目前被業(yè)界廣泛看好的移動E-mail、流媒體、可視電話、移動游戲、移動VoIP(MVoIP)等業(yè)務，同時它們也是占用無線資源較多的業(yè)務。 　　(5)全移動應用場景：在這一場景下，用戶可以在移動速度為120km/h甚至更高的情況下無中斷地使用寬帶無線接入業(yè)務，當沒有網(wǎng)絡連接時，用戶終端模塊將處于低功耗模式。 4、空中接口技術特征 　　目前，IEEE 802.16標準主要包括IEEE 802.16d和IEEE 802.16e。802.16d的初衷是統(tǒng)一固定無線接入的空中接口。該標準可以應用于2～11CHz非視距(NLOS)傳輸和10～66GHz視距(LOS)傳輸。而IEEE 802.16e的目標是能夠向下兼容IEEE802.16d，為了支持移動特性，在IEEE802.16d的基礎上加入了切換、QoS、安全等新的特性。802.16e標準于2005年10月通過IEEE 802.16工作組投票，并提交IEEE 802 SA審批。 　　相對于上面描述的幾種典型應用場景，IEEE802.16d用于固定和游牧應用場景。IEEE802.16e用于便攜和移動場景，同時支持固定場景。 　　表1包括了802.16d/e的主要技術特征。802.16d/e的物理層可選用單載波、OFDM和OFDMA共3種技術。單載波這個選項主要是為了兼容10～66GHz頻段的視距傳輸(OFDM和OFDMA只用于＜11GHz頻段)。雖然在802.16d/e協(xié)議中，單載波物理層也可以用于2～11GHz頻段，但通常認為802.16d的典型物理層技術是OFDM，802.16e的典型物理層技術是0FDMA。 表1　802.16d/e主要技術特征 技術參數(shù) 802.16d 802.16e 子載波數(shù) 256(OFDM) 2048(OFDMA) 256(OFDM) 128、512、1024、2048(0FDMA) 帶寬(MHz) 1.75-20 1.25-20 頻段(GHz) 2-11 ＜6 移動性 固定或便攜 中低車速(＜120km/h) 傳輸技術 單載波、OFDM 多址方式 OFDMA結合TDMA(上行)、TDM(下行) 頻譜分配單位 子信道 雙工方式 FDD或TDD 峰值速率(Mbit/s) 75(20MHz) 15(5MHz) 實際吞吐量(Mbit/s) 38(10MHz) 6-9(車速下) 調制方式 QPSK、16QAM、64QAM 信道編碼 卷積碼、塊Turbo碼、卷積Turbo碼、LDPC碼 鏈路自適應 AMC、功率控制、HARQ 小區(qū)間切換 不支持 支持 增強型技術 智能天線、空時碼、空分多址、宏分集(16e)、Mesh網(wǎng)絡拓撲 接入控制 主動帶寬分配、輪詢、競爭接入相結合 QoS 支持UGS、RtPS、NrtPS和BE4種QoS等級 省電模式 不支持 支持空閑(Idle)、睡眠模式 　　802.16d OFDM物理層采用256個子載波，OFDMA物理層采用2048個子載波，信號帶寬從1.25～20MHz可變。802.16e對OFDMA物理層進行了修改，使其可支持128、512、1024和2048共4種不同的子載波數(shù)量，但子載波間隔不變，信號帶寬與子載波數(shù)量成正比，這種技術稱為可擴展的OFDMA(Scalable 0FDMA)。采用這種技術，系統(tǒng)可以在移動環(huán)境中靈活適應信道帶寬的變化。 　　在多址方式方面，802.16d/e在上行采用TDMA(時分多址)，下行采用TDM(時分復用)支持多用戶傳輸。另一種多址方式是OFDMA，以2048個子載波的情況為例，系統(tǒng)將所有可用的子載波分為32個子信道，每個子信道包含若干子載波。多用戶多址采用和跳頻類似的方式實現(xiàn)，只是跳頻的頻域單位為一個子信道，時域單位為2或3個符號周期。 　　在調制技術方面，802.16d/e支持的最高階調制方式為64QAM，相對于蜂窩移動通信系統(tǒng)(3GPP HSDPA最高支持16QAM)，802.16d/e更強調在信道條件較好時實現(xiàn)極高的峰值速率。為適應高質量數(shù)據(jù)通信的要求，802.16d/e選用了塊Turbo碼、卷積Turbo碼等糾錯能力很強但解碼延時較大的信道碼，同時也考慮使用低復雜度、低延時的LDPC碼。 　　在雙工方式方面，802.16d/e支持FDD和TDD兩種方式，其物理層技術基本相同。相對而言，3G技術中FDD和TDD模式采用的物理層有較大不同。802.16d/e在5MHz頻帶上可以實現(xiàn)約15Mbit/s的速率，頻譜效率為3bit/s/Hz，與HSDPA相似。但802.16d/e在固定或低速環(huán)境下可以使用更大帶寬(20MHz)，實現(xiàn)高達75Mbit/s的峰值速率，這是現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)難以達到的。這充分體現(xiàn)出0FDM技術在使用更寬頻帶方面的優(yōu)勢。 　　802.16d/e標準支持全IP網(wǎng)絡層協(xié)議，802.16d/e設備可以作為一個路由器接入現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡。但現(xiàn)有IP核心網(wǎng)缺乏有效的移動性管理能力。WiMAX論壇已經(jīng)開始開發(fā)網(wǎng)絡層協(xié)議，802.16 NetMAN工作組也已開展這方面的工作。同時，802.16協(xié)議也可以通過一個ATM匯聚子層將ATM信元映射到802.16d/e MAC層，具備支持3G核心網(wǎng)的潛力。也就是說，WiMAX支持和3G系統(tǒng)的互通和融合。802.16d/e的MAC層支持多種QoS等級以適應VoIP、可視電話、流媒體、在線游戲、瀏覽、下載等不同的業(yè)務類型，包括主動分配帶寬(UGS)、實時輪詢(RtPS)、非實時輪詢(NrtPS)和盡力而為(BE)，其中最后一種為競爭接入的調度機制。802.16e增加了節(jié)電模式的內容，以支持移動終端。除正常工作狀態(tài)外，還支持空閑狀態(tài)(即用戶處于激活狀態(tài)但暫時沒有數(shù)據(jù)交換)和睡眠狀態(tài)。 5、標準化工作進展情況 　　5.1　IEEE 802.16e空中接口規(guī)范工作進展情況 　　當前IEEE 802.16標準化中最受矚目的是802.16e標準的進展情況。802.16e協(xié)議旨在802.16d標準的基礎上支持移動業(yè)務、小區(qū)間切換和多小區(qū)組網(wǎng)。因此，該協(xié)議的大部分內容用于加強對移動性的支持。對切換的支持包括：定義了切換(包括軟切換)過程，明確了切換的MAC層信令，完善了切換過程中的測距(ranging)操作，增加了基于多天線的軟切換功能等。對移動終端的支持包括：確定了省電模式，增加了低復雜度、低延時的LDPC信道編碼。為了適應多變的移動信道環(huán)境，增加的功能包括：支持靈活的帶寬使用，增強了HARQ、AMC、智能天線和空時碼的功能，增加了TDD系統(tǒng)的閉環(huán)發(fā)送(close-loop transmission)功能。截止2005年9月，802.16e標準版本為D11，主要標準內容的制定基本結束，正在進行Sponsor ballot(贊助者投票)，計劃于2005年12月提交IEEE-SA標準委員會審定和發(fā)布。 　　5.2　WiMAX網(wǎng)絡架構規(guī)范工作計劃 　　除了空中接口技術的發(fā)展之外，網(wǎng)絡側技術的發(fā)展對WiMAX系統(tǒng)標準的制定，尤其是移動WiMAX技術的推動也至關重要。802.16技術是無線接入技術，通過接入核心網(wǎng)向用戶提供業(yè)務，核心網(wǎng)通常采用基于IP協(xié)議的網(wǎng)絡。隨著802.16e空中接口規(guī)范內容的基本確定，業(yè)界的注意力逐步轉移到支持固定、游牧、便攜、簡單移動和全移動場景的WiMAX網(wǎng)絡架構的規(guī)范上，為此WiMAX論壇于2004年11月成立了網(wǎng)絡工作組(NWG)，制定支持IEEE 802.16d/e的網(wǎng)絡規(guī)范。目前已經(jīng)確定的網(wǎng)絡參考模型和參考點如圖1所示。 圖1　支持漫游的網(wǎng)絡參考模型和參考點 　　MSS-Mobile Scriber Station　(移動用戶臺) 　　ASN-Access Service Network(接入業(yè)務網(wǎng)) 　　CSN-Connect Service Network(連接業(yè)務網(wǎng)) 　　NAP-Network Access Provider(網(wǎng)絡接入提供商) 　　NSP-Network Service Provider(網(wǎng)絡業(yè)務提供商) 　　ASN用于管理802.16空口，主要功能有：網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和選擇接入，為用戶選擇NSP AAA，ASN間會話控制，連接到選定的CSN、ASN內切換和移動性管理，無線資源管理和分配，以及ASN內位置管理和尋呼。CSN用于連接到Internet、ASP、PLMN網(wǎng)絡或其他網(wǎng)絡，主要功能有：鑒權、授權和計費(AAA)，NSP間漫游，IP地址管理，ASN間位置管理、移動性和漫游，為多種業(yè)務(如語音、點對點、VPN、廣播多播、消息等)提供基礎連接、策略控制和QoS管理。 　　WiMAX網(wǎng)絡架構規(guī)范根據(jù)發(fā)展需要分成3個Release版本階段，逐步進行推進。目前正在進行Release1版本的工作，Release1版本計劃2005完成，主要滿足： 　　(1)基本的移動性需求，例如可以適用于固定、游牧以及便攜應用場景； 　　(2)應用在固定應用模式下，對基本的VoIP業(yè)務的支持； 　　(3)R1-R5接口的開放需求； 　　(4)與其他網(wǎng)絡的松耦合互聯(lián)需求，例如與3GPP網(wǎng)絡。 　　Releas2版本計劃2006年底完成規(guī)范，將在Release1版本的基礎上，增加更多的對IP業(yè)務的支持，同時增加ASN內部各模塊的互操作能力。該版本計劃從2006年開始研制，與此同時，系統(tǒng)規(guī)格以及互聯(lián)互通測試框架也在此階段由NWG、SPWG和CWG一起進行定義。 　　Release3版本計劃于2007年中完成，將在Release2版本的基礎上，研究更多的商用模式，例如如何進行基礎設施的共享等。 　　WiMAX網(wǎng)絡架構在Rlease1版本又分成3個階段來完成。第一階段的工作主要在需求工作組中開展，目標是定義游牧、便攜和簡單移動、全移動模式下網(wǎng)絡的功能和性能需求，并根據(jù)第二階段的反饋問題和建議，進行適當調整。第二階段和第三階段在網(wǎng)絡工作組中開展。第二階段的任務是制定網(wǎng)絡架構參考模型、定義參考點和網(wǎng)絡功能，并給出協(xié)議和流程的說明。第三階段在第二階段的基礎上細化協(xié)議和流程的具體實現(xiàn)。 　　WiMAX網(wǎng)絡架構2005年工作計劃(也就是Release 1版本計劃)如圖2所示，目前正處于Release 1版本第二階段的工作中。網(wǎng)絡工作組目前已經(jīng)完成了第二階段的初稿，正在就初稿中的各個部分進行充分的討論。 圖2　WiMAX網(wǎng)絡規(guī)范時間計劃 6、結論 　　從上文分析可以看出，WiMAX系統(tǒng)在空中接口方面采用了具有較高頻譜效率的OFDM調試技術。這一技術代表了無線通信技術的發(fā)展方向，已經(jīng)成為業(yè)界公認的未來移動通信系統(tǒng)的關鍵技術，不僅適用于WiMAX系統(tǒng)，很可能將成為3G系統(tǒng)演進的核心技術。 　　IEEE 802.16e空中接口規(guī)范基本完成，WiMAX系統(tǒng)網(wǎng)絡架構逐漸完善，使WiMAX對移動業(yè)務的支持成為可能，并逐漸對3G及其演進系統(tǒng)構成了競爭威脅。所以，如何在利用WiMAX技術發(fā)展成果促進技術進步的同時，合理地進行市場細分，促進整個無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將成為未來研究的一個主要課題。