WiMAX技术及其发展(1)

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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