摘 要：隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，寬帶接入移動服務(wù)逐漸成為寬帶無線接入發(fā)展的趨勢。闡述了寬帶無線接入標準802.16e，分析其在無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中地位和主要的關(guān)鍵技術(shù)，與現(xiàn)存的無線局域網(wǎng)和3G網(wǎng)絡(luò)進行比較，指出其發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：WiMAX；寬帶無線接入；OFDMA;3G

Technology of Broadband Wireless Access-WiMAX 802.16e

XU Yibing，TIAN Xu′an，F(xiàn)AN Zhongshan

(Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China)

Abstract：With the development of wireless network technology and Internet services，mobile services gradually become the trend of broadband wireless access service.This paper describes the 802.16e standard，analyses its station and the key techno-logy in the wireless data network，and then compares it with the WLAN and 3G standard，points to the potential development way.

Keywords：WiMAX;broadband wireless access;OFDMA;3G

1 引 言

隨著無線通信技術(shù)和多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的巨大需求，傳統(tǒng)的移動用戶不滿足于簡單的語音、短信和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，希望能使用更高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)。用戶需求的變化使固定寬帶接入服務(wù)和移動服務(wù)在技術(shù)和業(yè)務(wù)上呈現(xiàn)融合趨勢，寬帶移動化和移動寬帶化逐漸成為兩個領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的趨勢，并互為補充、互相促進。

隨著傳輸核心網(wǎng)絡(luò)的超高速化、超容量寬帶化及通信業(yè)務(wù)的多樣化，寬帶接入網(wǎng)成了電信網(wǎng)必須解決的瓶頸問題。無線寬帶接入技術(shù)WiMAX 802.16以其組網(wǎng)靈活迅速以及高速雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點逐漸成為寬帶無線接入技術(shù)的發(fā)展熱點。

2 WiMAX 802.16e在無線標準中的位置[STBZ]^［1］

WiMAX是針對微波和毫米波段提出的一種新的無線接口標準，他被認為是寬帶無線接入的標準，是為解決無線寬帶接入“最后一公里”的問題而設(shè)計的。從圖1中可以看到，WiMAX802.16e采用OFDMA、MIMO技術(shù)來有效提高系統(tǒng)容量，自適應(yīng)地改變數(shù)據(jù)速率給最終用戶應(yīng)用提供可靠服務(wù)，在移動環(huán)境下提供高達100 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，最適合在人口密集處提供寬帶接入，包括后面桌面的應(yīng)用。

3 WiMAX 802.16e網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖2中可以看出整個802.16e網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由接入終端、接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)組成，網(wǎng)絡(luò)基于IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。接入網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)用戶的應(yīng)用需求提供話音、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等多樣性服務(wù)。

現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展在一定程度上推動了WiMAX技術(shù)的前進。802.16e設(shè)備可作為一個路由器接入現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)，同時，802.16協(xié)議也可通過一個ATM匯聚子層將ATM信元映射到802.16e MAC層。802.16e的MAC層支持多種QoS等級以適應(yīng)VoIP、可視電話、流媒體、在線游戲、瀏覽、下載等不同的業(yè)務(wù)類型，支持與3G系統(tǒng)的互通及融合。

4 IEEE802.16e標準中的關(guān)鍵技術(shù)[STBZ]^［2］

4.1 OFDM／OFDMA

正交頻分復用OFDM技術(shù)是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，各子載波在整個符號周期內(nèi)相互正交，且各子載波信號頻譜可以互相重疊，采用多個子載波可以有效抵抗頻率選擇性衰落，在數(shù)據(jù)傳輸時將高速數(shù)據(jù)流分解成多路低速數(shù)據(jù)流，延長了符號周期，可抵抗多徑衰落引起的碼間干擾。

OFDMA是一種多址技術(shù)^［3］，是TDMA，F(xiàn)DMA，DAMA(按需分配多址)的綜合運用。它將系統(tǒng)可用的子載波子信道化，子信道內(nèi)的載波不需要相鄰，多多址用戶采用和跳頻類似的方式實現(xiàn)，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。在下行鏈路上一個子信道可以指向不同的接收機;在上行鏈路上一個發(fā)射機可以被指配一個或者多個子信道，幾個發(fā)射機可以并行發(fā)射。

802.16e的OFDMA物理層支持長度為2 048，1 024，512和128的FFT點數(shù)，向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可采用不同的調(diào)制及編碼方式，以不同信號功率接入不同信道特征的用戶端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議(MAP)分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。采用這種技術(shù)，可以根據(jù)不同的無線環(huán)境選擇不同的調(diào)制方式，靈活適應(yīng)信道帶寬的變化，以保證系統(tǒng)在移動環(huán)境中能夠以高性能的方式工作。

4.2 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)AMC

AMC是通過自適應(yīng)切換調(diào)制方式和編碼方式來使吞吐量-信噪比曲線達到最佳。由于802.16e 物理層采用的是OFDM技術(shù)，所以時延擴展、多普勒頻移、PAPR值、小區(qū)的干擾等對于OFDM解調(diào)性能有重要的影響。信道因素必須被考慮到AMC算法中，AMC在WiMAX的應(yīng)用中有其特有的技術(shù)要求，在802.16e標準中常采用64QAM，16QAM，QPSK，BPSK調(diào)制，相對于蜂窩移動通信系統(tǒng)，802.16e更強調(diào)在信道條件較好時實現(xiàn)極高的峰值速率。為適應(yīng)高質(zhì)量數(shù)據(jù)通信的要求，802.16e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。

4.3 HARQ技術(shù)

自動請求重傳(ARQ)是有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中在收發(fā)端建立可靠數(shù)據(jù)鏈路的一種機制，接收端對接收的數(shù)據(jù)進行運算，接收錯誤的數(shù)據(jù)要求發(fā)端重新傳輸，直到正確接收。

在室外遠距離應(yīng)用條件下，無線信道的衰落現(xiàn)象非常顯著，在質(zhì)量不穩(wěn)定的無線信道上應(yīng)用TCP/IP協(xié)議，其效率將非常低下，在802.16e標準中的鏈路層引入HARQ(混合自動重發(fā)請求)減少了到達網(wǎng)絡(luò)層的信息差錯，大大提高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)吞吐量。

4.4 切換技術(shù)和睡眠模式

在802.16e標準中，規(guī)定了越區(qū)切換模式HO(handover)，移動臺可以通過當前的服務(wù)BS廣播的消息獲得相鄰小區(qū)的信息，或者通過請求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來對鄰近的基站進行掃描和測距的方式獲得相鄰小區(qū)信息，對其評估，尋找潛在的目標小區(qū)。切換既可以由MS決策發(fā)起也可以由BS決策發(fā)起。

802.16e協(xié)議為適應(yīng)移動通信系統(tǒng)的特點，增加了終端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于減少MS的能量消耗并降低對ServingBS空中資源的使用。Sleep模式是MS在預先協(xié)商的指定周期內(nèi)暫時中止ServingBS服務(wù)的一種狀態(tài)。Idle模式為MS提供了一種比Sleep模式更為省電的工作模式，在進入Idle模式后，MS只是在離散的間隔，周期性地接收下行廣播數(shù)據(jù)(包括尋呼消息和MBS業(yè)務(wù))，并且在穿越多個BS的移動過程中，不需要進行切換和網(wǎng)絡(luò)重新進入的過程。

5 WiMAX技術(shù)與其他無線數(shù)據(jù)技術(shù)的對比

5.1 WiMAX 802.16e與3G技術(shù)^［4］

3G技術(shù)是在傳統(tǒng)移動通信話音業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上向?qū)拵?shù)據(jù)演化，是宏蜂窩廣泛覆蓋，滿足用戶在各種移動環(huán)境下服務(wù)要求。WiMAX的802.16e是基于互聯(lián)網(wǎng)通過多基站移動接入，在低速環(huán)境下提供應(yīng)用服務(wù)。在終端方面，3G主要是移動電話，以支持話音業(yè)務(wù)為主；WiMAX則是PDA和便攜式計算機，以支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主。兩種技術(shù)的著眼點不同，服務(wù)的用戶群、業(yè)務(wù)類別、移動范圍都存在差異，但兩者可以相互補充、和諧發(fā)展。表1給出了WiMAX 802.16e與3G技術(shù)的基本比較。

總的來說，3G技術(shù)強調(diào)移動業(yè)務(wù)從傳統(tǒng)的話音向?qū)拵?shù)據(jù)演化，而WiMAX技術(shù)則是從寬帶接入從有線向無線、移動演化。

5.2 WiMAX與Wi-Fi技術(shù)^［5-8］

WiMAX的802.16e是無線城域網(wǎng)標準，適合于在人口密集的地方提供無線寬帶接入，獲取桌面性的應(yīng)用，支持較大區(qū)域的移動性數(shù)據(jù)服務(wù)；Wi-Fi是無線局域網(wǎng)標準，支持用戶在較小區(qū)域的數(shù)據(jù)服務(wù)。兩者在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路MAC子層有較大的差異。表2給出了兩者之間的基本差異。就應(yīng)用而言，WiMAX的802.16e主要應(yīng)用在公共服務(wù)，而Wi-Fi主要應(yīng)用在家庭一類的室內(nèi)環(huán)境。



6 結(jié) 語

WiMAX技術(shù)并不是一個獨立的無線產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)，它會和現(xiàn)網(wǎng)的多種無線甚至于固網(wǎng)的接入技術(shù)相互融[GK11!]

合，

相互影響，WCDMA和CDMA等3G技術(shù)在當前來說是一種更加合適提供移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音的技術(shù)，而WiMAX主要的市場是基于IP接入的核心網(wǎng)及IP多媒體服務(wù)宏觀市場。將WiMAX作為一個從屬網(wǎng)絡(luò)附加到WCDMA網(wǎng)絡(luò)之上，WiMAX的鑒權(quán)、認證、計費過程借助于WCDMA的AAA，HLR等網(wǎng)元完成，

通過將兩者很好地融合來增強現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，達到事半功倍的效果。

參 考 文 獻

［1］Mobile WiMAX-Part I:A Technical Overview and Performance Evaluation.WiMAX Forum，2006.

［2］IEEE Standard.802.16-2004 Part 16:Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems，2004.

［3］Nick Thomas VP.Global Sales and Service Adaptix，Inc OFDMA Mobile WiMAX Out of the Lab and Into the Field.Wireless China 2006 Shanghai，PRC April 27，2006.

［4］High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Overall Description.3GPP TS 25.308，Sep.2004.

［5］ANSI/IEEE Std 802.11.Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications，1999 Edition (R2003).

［6］IEEE Standard.802.11i Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.Amendment 6:Medium Access Control (MAC) Security Enhancements，2004.

［7］IEEE Standard.802.11e Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.Amendment:Medium Access Control (MAC) Quality of Service (QoS) Enhancements，2005.

［8］IEEE Standard.Draft IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16:Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands，2005.

作者簡介 徐一兵 男，1965年出生，湖南岳陽人，博士，副教授。從事計算機科學與應(yīng)用研究。