WiMAX

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什么是WiMAX

  WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access,全球微波接入互操作性)是以IEEE802.16系列标准为基础的一种宽带无线接入技术。WiMAX目前已被国际电信联盟标准(ITU)正式批准成为第三代移动通信标准之一,是针对微波频段提出的一种新的空中接口标准,主要作用是提供无线“最后1公里”的接入方式,可提供面向Internet的高速连接,覆盖范围可达50km,峰值数据速率可达75Mbps,适合于有线接入性价比不高的环境。WiMAX采用了许多新的技术,如OFDM(正交频分多址)和MIMO(多输入多输出)等,极大地提高了数据传输能力,凭借其在初期投资、业务承载与提供服务速度方面具有的独特优势及广泛的市场应用前景,逐渐成为无线移动通信领域研究和发展的热点。

WiMAX的关键技术[1]

  WiMAX系统具有可扩展性和安全性的特点,可以提供具有QoS保障的业务,提供高数据速率和较高的移动性支持。IEEE802.16标准规定物理层需要支持1.25~20MHz频段宽带,为了适应世界各地的带宽需求,方便系统频谱规划,并且允许灵活的频率复用和网络规划。为增强无线传输系统安全性,IEEE802.16在MAC层中定义了一个保密子层来提供安全保障。WiMAX系统可以提供数据、语音及视频各类服务,是与其作为支撑的关键技术的支持分不开的,主要包括OFDM/oFDMA技术、白适应天线系统、自适应编码调制技术和快速快速资源调度技术等,所有这些关键技术也分别为B3G和E3G采用。

  1.OFDM/OFDMA技术

  WiMAX支持单载波和OFDM/OFDMA三种物理层结构。其中,OFDM/OFDMA技术具有抗衰落和抗多径能力,频谱效率很高,码速率最高可达100MHz,被认为是特别适合未来移动通信系统的一种技术。

  (1)抗多径能力

  与常规调制技术相比,OFDM具有很高的频谱利用率和抗多径的能力。把高速率数据流通过串并转换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰,减小了接收机内均衡的复杂度,有时甚至可以不采用均衡器,而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除符号问的不利影响。

  (2)较高的频谱效率

  由于各个子载波之间相互正交的,无须保留保护频带,可以增加系统的频谱效率。此外,在OFDM系统中,调制中子载波之间的相对独立性,每一个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率电平。

  (3)低成本

  由于OFDM信号的调制解调可以方便地通过IFFT/FFT方式实现,明显降低了OFDM系统的研发成本,这也是OFDM系统获得成功的关键因素之一。

  通过指定每个用户可以使用这些子载波中的一个(或一组),可以获得一种新的多址方式--0FDMA。OFDMA类似于常规的频分复用(FDMA),但它不需要FDMA中必不可少的保护频带,从而避免了频带的浪费,提高系统容量。此外,OFDMA的分配机制非常灵活,它可以根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量(与TDMA中动态分配时隙数相似),并且可以在不同的子载波上使用不同的调制方式及发射功率,可以达到很高的频谱利用率。OFDM/OFDMA作为4G移动通信系统关键技术之一,已经得到业界普遍共识。

  2.链路自适应技术

  在WiMAX的MAC层还采用了一系列先进技术,确保系统性能。为改善了端到端性能,WiMAX采用ARQ和混合ARQ机制来快速应答和重传纠错,提高链路稳定性;为降低信道问干扰,采用了自动功率控制技术;为增强系统容量,提高传输速率,可以根据信道质量选择最优编码调制方案。由于考虑到WiMAX的应用条件比较复杂,为了保证无线传输的质量,对多项物理层参数进行自适应调整,如调制解调器参数、FEC(前向纠错)编码参数、ARQ参数、功率电平和天线极化方式等。WiMAX物理层通过信道质量指示信道CQICH,快速获得信道信息反馈,并根据信道状况采用合适的AMC和HARQ策略,效果非常明显。

  3.先进的天线技术

  宽带无线接入系统的一个主要先决条件就是能够在保持高性能的运行状态的同时,可以在视距与非视距条件下正常运行。WiMAX支持各种先进的天线技术,主要可分为以下3类。

  ①自适应波束成型技术:可将波瓣方向对准目标用户,而将波的零陷对准干扰,从而大大的提高系统的抗干扰能力。

  ②空时编码技术:主要包括空时分组码与空时格码等技术,基本原理是利用空间分集对抗多径衰落,提高系统的可靠性

  ③空间复用技术:以V.BLAST编码为代表,通过空间复用,将数据流通过多根天线同时传送,从而可大大的提高系统容量。

  4.面向连接的MAC层协议及OoS服务

  WiMAX系统采用时分多址方式,MAC层提供面向连接的业务,将数据包分成业务流,业务流通过逻辑链路传送。WiMAX系统定义了业务流的服务质量参数集,提供面向链接的QoS保障。协议在下行链路采用TDM数据流,在上行链路采用TDMA,通过集中调度支持对时延敏感的业务,如语音和视频等。由于确保了无碰撞数据接入,MAC层提高了系统总吞吐量和带宽效率,并确保数据时延受到控制,不至于太大。TDM和TDMA接入技术还使支持多播和广播业务变得更容易。

  分类服务是解决IP网络中服务质量保证的重要措施。WiMAX支持固定速率、实时可变比特率(VBR)、非实时可变比特率和尽力而为4种业务类型,这种差异化的服务可以很好提供QoS服务,确保重要业务的服务质量

  5.动态带宽分配

  WiMAX采用TDMA+OFDM/OFDMA多址方式,按照用户需要动态分配传输带宽,在多用户、多业务的情况下提高了频谱和设备的利用率。在实际应用中,上、下行的带宽需求往往有很大差别,如视频点播(VOD)业务的下行视频带宽要求很宽,而上行的控制信息传输带宽则很窄。在TDD双工模式下,WiMAX可以根据上、下行业务的实际带宽需求动态非对称地分配上、下行带宽,明显提高频谱利用率。WiMAX之所以能够提供差异化的服务,正是建立在带宽动态分配的基础之上。

WiMAX 的技术优势[2]

  1. 传输距离远

  基于OFDM技术的WiMAX,具备非视距传输能力,能有效抗衰减和多径干扰。在理论上,WiMAX 的无线信号传输距离最远可达50km,这是无线局域网所不能比拟的,其网络覆盖面积是3G 基站的10 倍,只要建设少数基站就能实现全城覆盖,这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。

  2. 接入速度高

  WiMAX 能够向互联网提供更高速的无线宽带接入,WiMAX 所能提供的最高接入速度是70Mbit/s,这个速度是3G 所能提供的宽带速度的30 倍,是HSDPA 的5 倍,数据传输能力强大,可弥补3G 在数据传输速率与WLAN 涵盖范围的不足。

  3. 建设成本低

  WiMAX 能够通过无线的方式实现宽带连接,为50km 线性区域内的用户提供服务,用户不需要铺设线缆,即可与基站建立宽带连接,从而显著降低建设成本,最终有利于降低用户每月资费。

  4. 兼容程度高

  相对于其他有线或无线的接入技术,WiMAX 有统一的国际标准,不同厂商经过WiMAX 技术认证的设备,可在同一系统中工作,互操作性强,这使得WiMAX 在成本控制、设备互操作性以及规模经济的实现上更胜一筹。

  5. 系统容量大

  WiMAX 技术的应用频段非常宽,包括10~66GHz 频段、<11GHz 许可频段和<11GHz 免许可频段。同时,WiMAX 通过采用空间复用、多用户检测(MUD)和自适应功率控制等技术,可以获得更大的覆盖范围和容量,能够同时支持数百个使用T1 连接速度的公司和数千个使用DSL 连接速度的家庭。

  6. 业务范围广

  由于WiMAX 较之WLAN 具有更好的可扩展性和安全性,从而能够实现电信级的多媒体通信服务,以满足不同用户的应用需要。WiMAX 支持多人交互式游戏、VoIP、视频会议流媒体下载、网页浏览与即时信息、媒体内容下载等业务。

  7. QoS 机制完善

  在WiMAX 标准中,在MAC 层定义了较为完整的QoS 机制。MAC 层针对每个连接可以分别设置不同的QoS 参数,包括速率、延时等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配,标准还定义了四种不同的上行带宽调度模式,分别为主动授权业务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrtPS)和尽力而为(BE)业务。

WiMAX与无线Mesh网络比较[3]

  WiMAX是当前市场比较看好的技术,定位在无线口城域网,包含802.16a和802.16e。802.16a标准已经制定,只支持视线范围传输,固定点接入,支持点对点或点对多点组网;802.16e标准尚处在开发阶段,将会支持非视线传输且具有一定的移动陛。目前还没有推出WiMAX成熟的商用化产品。非常有意思的是,Mesh是有了商用化产品,标准刚刚开始制定,而WiMAX却是有了标准,还没有商用化产品。从市场角度讲,无线Mesh与802.16a虽然都是城域网应用,但是不会产生任何竞争,无线Mesh是移动城域网,目标是为专网中的个体提供移动宽带服务;而802.16a解决的是点对点或点对多点的固定接入。待802.16e产品(加入了移动性能)出来,可能会与无线Mesh网络有竞争关系,但因目前标准还未出来,所以还存在着一些不确定的因素。

  总体来说,在占有市场空间方面,无线Mesh网络已经先于WiMAX、3G进入市场。同时,无线Mesh网络也可以依靠已被市场接受的Wi-Fi终端迅速发展起来。从技术上分析,无线Mesh网络、Wi-Fi和W-1MAX彼此可以相互补充,共同组成无线城域网。Wi-Fi以低廉的成本、普及的应用占据末端局域网接入市场,WiMAX则可以作为城域范围的固定点接入,无线Mesh网络能够实现城域范围内的移动宽带专用通信网。当然,随着技术和市场的不断发展,无线Mesh网络与将来的802.16e和3G在业务层面上的确存在着重叠的地方,由此也会带来一定的竞争,但目前所能得出的结论则是,它们之间的互补性要大于竞争性。

参考文献

  1. 李军.异构无线网络融合理论与技术实现[M].电子工业出版社,2009.03.
  2. 郎为民.WiMAX技术讲座 第1讲 WiMAX技术概述[J].《中国新通信》.2009年01期.
  3. 王兴亮,李伟.现代接入技术概论[M].电子工业出版社,2009.07.
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