WiMAX物理層的關鍵技術

計算機網絡 WiMAX物理層的關鍵技術 李 煜 摘要：本文闡述了無線的大致分類，重點介紹了WiMAX城域網的概念、組成和它的物理層的主要技術原理，即介紹WiMAX是采用什么技術將盡可能多的數據從一個端口傳遞到另一個端口。本文中主要介紹的技術有信道編碼技術、自適應調制編碼技術、混合自動重傳、OFDM技術和多天線技術。通過對這些技術的描述，目地是為了讓讀者對WiMAX物理層的工作原理有一個基本的認識和了解。 關 鍵 詞：無線網絡；WiMAX；城域網；物理層 1 引言 接入網的作用是將用戶設備連接到核心網，使用戶設備可以通過核心網獲取各種網絡業(yè)務。過去，接入網主要采用有線接入，其中銅線和光纖是市場競爭力較強的兩種接入介質，但是成本較高，并且銅線的長度在4~5km就會出現高環(huán)阻的問題。為了達到安裝迅速，價格低廉的目地，無線接入技術便應運而生了。 無線接入以其連接自由度高、開通部署迅速、運營維護簡便和成本費用低等有線不具備的優(yōu)勢，日益成為市場上的熱點接入技術。近些年，寬帶無線接入成了目前通訊和信息技術領域發(fā)展最快的技術之一，它的技術日益完善，相關標準化工作也得到了足夠的重視并取得了積極的進展。而WiMAX作為寬帶無線接入技術的一種，以其傳輸速率高、業(yè)務豐富多樣等眾多優(yōu)點吸引了全球目光。WiMAX采用了OFDM、AAS、MIMO等比較先進的技術。 2 WiMAX與IEEE802體系介紹 2.1 WiMAX概念介紹和802.16簡介 WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互聯接入。WiMAX也叫802·16無線城域網或802.16。WiMAX是一項新興的寬帶無線接入技術，能提供面向互聯網的高速連接，數據傳輸距離最遠可達50km。 固定無線接入空中接口標準主要有802.16、802.16a、802.16d。其中802.16d是2~66GHZ固定寬帶無線接入標準，是對802.16，802.16a，802.16c的修訂，于2004年6月在IEEE802委員會通過，它可應用于2~11GHZ非視距傳輸和10~66GHZ視距傳輸。 WiMAX與802.16是兩個不同的概念，802.16是IEEE關于無線局域網的一系列技術標準，而WiMAX則是支持和推動802.16走向市場的組織聯盟，但兩者關系密不可分，所以WiMAX經常成為802.16的代名詞。 2.2 IEEE802無線網絡標準的介紹 (1) IEEE802.15:致力于無線個人局域網(WPAN)的物理層和MAC層的標準化工作，目標是為個人使用的無線設備提供通訊標準。代表有藍牙，UWB，UFC，ZigBee。UWB技術是一種使用1GHZ以上帶寬的最先進的近距離無線通訊技術，具有保密性好，輻射低，成本低等優(yōu)點。NFC是種基于RFID(非接觸式射頻識別技術)的互聯網技術。ZigBee是一種介于藍牙和RFID無線標記技術之間的技術，具備低功耗、低成本的特點。 (2) IEEE802.11:針對的是局域網的標準化工作。代表是Wi-Fi。Wi-Fi的突出優(yōu)勢主要有以下幾點：第一，無線電波覆蓋范圍廣，Wi-Fi的半徑可達100m。第二，雖然由Wi-Fi技術傳輸的無線通訊信號質量并不是很好，但是傳輸速度很快，可達54Mbit/s，符合個人和社會信息化的需求。第三，成本比較低，用戶只要將支持無線LAN的設備拿到該區(qū)域，即可上網。 (3) IEEE802.16:針對的是城域網的標準化工作。目前，在城域網已經廣泛應用的寬帶無線接入技術包括3.5GHZ固定無線接入技術、5.8GHZ固定無線接入技術。它對2~66GHZ頻率范圍內無線接入系統(tǒng)的底層標準做出規(guī)范，它鎖規(guī)定的無線接入覆蓋范圍可達50km，因此802.16主要用于城域網范圍。 (4)IEEE802.20:它為基于IP的移動寬帶無線接入技術而制定，它將提供基于最優(yōu)化的高速IP技術的無線數據服務，并提供用戶便捷的移動終端設備。 3 WiMAX物理層的關鍵技術 IEEE802.16標準定義的空中接口由物理層和MAC層組成，MAC層獨立于物理層，能夠支持不同的物理層規(guī)范，以適應各種應用環(huán)境。物理層由傳輸匯集子層(TCL)和物理媒質依賴子層(PMD)組成，TCL將收到的MAC層數據分段，封裝成TCL協議數據單元(PDU)。PMD則具體執(zhí)行信道編碼，調制解調等過程。 根據使用頻道的不同，WiMAX物理層的關鍵技術有：信道編碼技術、自適應調制編碼技術、混合自動重傳(H-ARQ)、正交頻分復用(OFDM)和多天線技術。 3.1信道編碼技術 信道編碼的基本做法：在發(fā)送端給被傳輸的信息序列(人為的)附加一些監(jiān)督碼元，這些碼元與信息碼元之間具有某種規(guī)則關聯，這個過程稱為信道編碼。信號碼元和監(jiān)督碼元共同組成一個碼字。一旦傳輸過程中發(fā)生錯誤，則信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關系就會被破壞，接收端通過校驗就可以達到發(fā)現和糾正錯誤的目地。WiMAX中用到的信道編碼類型有： (1) CC(卷積碼)：如果在解碼過程中發(fā)生錯誤，解碼器可能發(fā)生突發(fā)性錯誤，為此需要在卷積碼上部采用RS碼塊，用來解決突發(fā)性的錯誤，卷積碼分為兩種：a.基本卷積碼：它的效率為η=1/2，雖然編碼效率低，但是糾錯能力強。b 收縮卷積碼：如果傳輸信道質量好，為提高編碼效率，可以采取收縮截短卷積碼。收縮截短卷積碼有：η=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8幾種編碼效率。編碼效率越高，一定帶寬內可傳輸的有效比特率越大，但糾錯能力越弱。 (2) CTC(卷積Turbo碼)：單片Turbo碼的編碼/解碼運行速率達到40Mbit/s。該芯片集成了一個32*32的交織器，其性能和傳統(tǒng)的RS外碼和卷積內碼級聯一樣好，其效率比傳統(tǒng)“RS+卷積碼”高，目前支持的編碼格式有1/2、2/3、3/4、5/6。 (3)LDPC(低密度校驗碼)：其性能和Turbo碼接近，不用交織器，單次迭代復雜度低，編碼計算量大。雖然占主導地位的是Turbo碼，但它形式簡單，性能好，有較好的應用前景。 3.2 自適應調制編碼技術 自適應調制編碼技術是以數據傳輸速率和誤碼率之間的平衡為準則，根據瞬時信道質量狀況，選擇與信噪比相匹配的最佳調制和編碼方案。其作用是根據信道的質量情況，選擇最合適的調試和編碼方式，通過編碼和調制的方式組合，可以支持不同的傳輸速率。每個符號所傳輸的有效信息比特=調制階數*編碼效率。這個技術的基本方法是根據對信道的測量結果，在信道條件好的時候就采用高階調制和高編碼速率，達到更高的速率；反之則采用低階調制和低編碼速率，以保證傳輸性能。WiMAX支持BPSK，QPSK，16QAM，64QAM多種調制方式。下表為WiMAX支持的調制和解碼方式： 表1. WiMAX支持的調制和編碼方式 下行(DL) 上行(UL) QPSK,16QAM,64QAM QPSK,16QAM,64QAM CC(卷積碼) 1/2，2/3，3/4，5/6 1/2，2/3，3/4，5/6 CTC(卷積Turbo碼) 1/2，2/3，3/4，5/6 1/2，2/3，3/4，5/6 3.3 混合自動重傳(H-ARQ) 差錯控制技術是提高無線信道傳輸可靠性的主要手段。差錯控制技術主要包括自動重傳方案(ARQ)(檢測到誤碼就丟棄或者是重傳)和Turbo碼和卷積碼采用的前向差錯編碼(FEC)(不僅有檢錯還有糾錯的功能)。 H-ARQ對接收到的誤碼先進行糾錯，如果能糾正就不用重發(fā)，否則重發(fā)，并且可以自適應的基于信道條件提供準確的編碼速率調節(jié)。主要分為3種類型： (1)Chase合并H-ARQ：重傳的時間與初次發(fā)送的時間相同。發(fā)送方每次發(fā)送一個完整的編碼碼字，接收端將每次接收的數據和之前收到的所有數據進行Chase合并，組成一個糾錯能力更強的碼字，實現增量冗余的目地。 (2)增量冗余H-ARQ：重傳分組不是整個碼塊簡單的重復，而是會增加一些附加信息，一提高解碼的成功率。 (3)可變增量冗余H-ARQ：可變增量冗余H-ARQ即重傳的數據包包含附加信息，但每次重傳都可以獨立解碼。這種H-ARQ綜合了上述兩種H-ARQ的特點，每次重傳都包含了系統(tǒng)信息和冗余信息，接收的信息可以累計，而接收的冗余信息可以進行聯合解碼。這種H-ARQ適用于那些對可靠性較高的業(yè)務。但是對存儲空間的需求較高。 3.4 多天線技術 WiAMX支持的多天線技術主要包括自適應天線(AAS)、多輸入多輸出(MIMO)。 a.自適應天線技術(AAS)：基于時分復用(TDD)模式。因為時分復用下，上行和下行可以共用相同的頻帶資源和頻分復用相比系統(tǒng)開銷較低。 b.多輸入多輸出技術(MIMO)：核心是空時信號處理，也就是利用空間中分布的多個天線將時間域和空間域結合起來進行信號。兩者區(qū)別如表2所示： 表2. 相關數據結構之間的關系 AAS MIMO 特 征 利用不用天線的相關特性，天線間距近 理應不同天線的獨立特性，天線間距遠 應 用 在較大的小區(qū)使用性能較好，天線位置較高 在微小區(qū)、室內使用效果比較好 基 站 通道數較多，且對系統(tǒng)結構影響較大，系統(tǒng)架構需要專門為AAS優(yōu)化 有兩通道的，主要是基帶信號處理，對系統(tǒng)架構影響較小 終 端 影響小，僅增加部分指令 影響大，要求終端支持多天線 3.5 OFDM技術(正交頻分復用技術) OFDM技術(正交頻分復用技術)是多載波調制中比較特殊的一種，它可以被看作是一種調制技術，也可以被看作是一種復用技術。OFDM技術的最大的優(yōu)點是能有效對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，且具有較高的頻譜利用率。 1. 技術原理 OFDM技術(正交頻分復用技術)的基本原理就是把高速的數據通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個子信道中進行傳輸。由于每個自信道中的符號周期都會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑延時擴展所產生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的影響。為了更好的消除這種影響，可以在OFDM符號之前插入保護間隔，令保護間隔大于無線信道的最大實驗擴展，這樣可以最大限度的消除由于多徑帶來的符號間干擾(ISI)。具體流程如圖1所示: 圖1. OFDM系統(tǒng)仿真 2. OFDM的優(yōu)點 (1)高速率數據流通過串/并轉換，使得每個子載波上的數據符號持續(xù)長度相對增減，從而有效的減少由于無線信道的時間彌散帶來的ISI。 (2)傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個不相交的子頻帶來并行傳輸數據流，各個子信道之間要保留足夠的保護頻帶。由于OFDM系統(tǒng)的各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，所以OFDM系統(tǒng)可以最大限度的利用頻譜資源。 (3)各個子信道的正交調制和解調可以通過采用傅立葉反變換和離散傅立葉變換來實現。 (4)無線數據傳輸一般存在非對稱性，即下行鏈路中的數據傳輸量要大于上行鏈路中的數據傳輸量，這也就要求物理層支持非對稱高速率數據傳輸，OFDM系統(tǒng)可以通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中的不同傳輸速率。 3.OFDM的缺點 由于OFDM系統(tǒng)存在多個正交的子載波，而且輸出信號是多個子信道的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在以下缺點： (1) 易受頻率偏差的影響。傳輸過程中出現的無線信號頻譜偏移或發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會是OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞。 (2) 存在較高的峰值平均功率比。多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率會遠遠大于信號的平均功率，導致較大的峰值平均功率比，可能會帶來信號畸變，是信號的頻譜發(fā)生變化，從而導致各個子信道的正交性遭到破壞，產生干擾，使系統(tǒng)性能惡化。 References (參考文獻) [1] 謝剛.WiMAX技術原理及應用[M].北京郵電大學出版社，2010 [2] 劉波, 安娜, 黃旭林.WiMAX技術與應用詳解[M].人民郵電出版社，2007