WiMAX

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什麼是WiMAX

  WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access,全球微波接入互操作性)是以IEEE802.16系列標準為基礎的一種寬頻無線接入技術。WiMAX目前已被國際電信聯盟標準(ITU)正式批准成為第三代移動通信標準之一,是針對微波頻段提出的一種新的空中介面標準,主要作用是提供無線“最後1公裡”的接入方式,可提供面向Internet的高速連接,覆蓋範圍可達50km,峰值數據速率可達75Mbps,適合於有線接入性價比不高的環境。WiMAX採用了許多新的技術,如OFDM(正交頻分多址)和MIMO(多輸入多輸出)等,極大地提高了數據傳輸能力,憑藉其在初期投資、業務承載與提供服務速度方面具有的獨特優勢及廣泛的市場應用前景,逐漸成為無線移動通信領域研究和發展的熱點。

WiMAX的關鍵技術[1]

  WiMAX系統具有可擴展性和安全性的特點,可以提供具有QoS保障的業務,提供高數據速率和較高的移動性支持。IEEE802.16標準規定物理層需要支持1.25~20MHz頻段寬頻,為了適應世界各地的帶寬需求,方便系統頻譜規劃,並且允許靈活的頻率復用和網路規劃。為增強無線傳輸系統安全性,IEEE802.16在MAC層中定義了一個保密子層來提供安全保障。WiMAX系統可以提供數據、語音及視頻各類服務,是與其作為支撐的關鍵技術的支持分不開的,主要包括OFDM/oFDMA技術、白適應天線系統、自適應編碼調製技術和快速快速資源調度技術等,所有這些關鍵技術也分別為B3G和E3G採用。

  1.OFDM/OFDMA技術

  WiMAX支持單載波和OFDM/OFDMA三種物理層結構。其中,OFDM/OFDMA技術具有抗衰落和抗多徑能力,頻譜效率很高,碼速率最高可達100MHz,被認為是特別適合未來移動通信系統的一種技術。

  (1)抗多徑能力

  與常規調製技術相比,OFDM具有很高的頻譜利用率和抗多徑的能力。把高速率數據流通過串並轉換,使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加,從而有效地減少由於無線通道的時間彌散所帶來的符號間干擾,減小了接收機內均衡的複雜度,有時甚至可以不採用均衡器,而僅僅通過採用插入迴圈首碼的方法消除符號問的不利影響。

  (2)較高的頻譜效率

  由於各個子載波之間相互正交的,無須保留保護頻帶,可以增加系統的頻譜效率。此外,在OFDM系統中,調製中子載波之間的相對獨立性,每一個子載波都可以被指定一個特定的調製方式和發射功率電平。

  (3)低成本

  由於OFDM信號的調製解調可以方便地通過IFFT/FFT方式實現,明顯降低了OFDM系統的研發成本,這也是OFDM系統獲得成功的關鍵因素之一。

  通過指定每個用戶可以使用這些子載波中的一個(或一組),可以獲得一種新的多址方式--0FDMA。OFDMA類似於常規的頻分復用(FDMA),但它不需要FDMA中必不可少的保護頻帶,從而避免了頻帶的浪費,提高系統容量。此外,OFDMA的分配機制非常靈活,它可以根據用戶業務量的大小動態分配子載波的數量(與TDMA中動態分配時隙數相似),並且可以在不同的子載波上使用不同的調製方式及發射功率,可以達到很高的頻譜利用率。OFDM/OFDMA作為4G移動通信系統關鍵技術之一,已經得到業界普遍共識。

  2.鏈路自適應技術

  在WiMAX的MAC層還採用了一系列先進技術,確保系統性能。為改善了端到端性能,WiMAX採用ARQ和混合ARQ機制來快速應答和重傳糾錯,提高鏈路穩定性;為降低通道問干擾,採用了自動功率控制技術;為增強系統容量,提高傳輸速率,可以根據通道質量選擇最優編碼調製方案。由於考慮到WiMAX的應用條件比較複雜,為了保證無線傳輸的質量,對多項物理層參數進行自適應調整,如數據機參數、FEC(前向糾錯)編碼參數、ARQ參數、功率電平和天線極化方式等。WiMAX物理層通過通道質量指示通道CQICH,快速獲得通道信息反饋,並根據通道狀況採用合適的AMC和HARQ策略,效果非常明顯。

  3.先進的天線技術

  寬頻無線接入系統的一個主要先決條件就是能夠在保持高性能的運行狀態的同時,可以在視距與非視距條件下正常運行。WiMAX支持各種先進的天線技術,主要可分為以下3類。

  ①自適應波束成型技術:可將波瓣方向對準目標用戶,而將波的零陷對準干擾,從而大大的提高系統的抗干擾能力。

  ②空時編碼技術:主要包括空時分組碼與空時格碼等技術,基本原理是利用空間分集對抗多徑衰落,提高系統的可靠性

  ③空間復用技術:以V.BLAST編碼為代表,通過空間復用,將數據流通過多根天線同時傳送,從而可大大的提高系統容量。

  4.面向連接的MAC層協議及OoS服務

  WiMAX系統採用時分多址方式,MAC層提供面向連接的業務,將數據包分成業務流,業務流通過邏輯鏈路傳送。WiMAX系統定義了業務流的服務質量參數集,提供面向鏈接的QoS保障。協議在下行鏈路採用TDM數據流,在上行鏈路採用TDMA,通過集中調度支持對時延敏感的業務,如語音和視頻等。由於確保了無碰撞數據接入,MAC層提高了系統總吞吐量和帶寬效率,並確保數據時延受到控制,不至於太大。TDM和TDMA接入技術還使支持多播和廣播業務變得更容易。

  分類服務是解決IP網路中服務質量保證的重要措施。WiMAX支持固定速率、實時可變比特率(VBR)、非實時可變比特率和儘力而為4種業務類型,這種差異化的服務可以很好提供QoS服務,確保重要業務的服務質量

  5.動態帶寬分配

  WiMAX採用TDMA+OFDM/OFDMA多址方式,按照用戶需要動態分配傳輸帶寬,在多用戶、多業務的情況下提高了頻譜和設備的利用率。在實際應用中,上、下行的帶寬需求往往有很大差別,如視頻點播(VOD)業務的下行視頻帶寬要求很寬,而上行的控制信息傳輸帶寬則很窄。在TDD雙工模式下,WiMAX可以根據上、下行業務的實際帶寬需求動態非對稱地分配上、下行帶寬,明顯提高頻譜利用率。WiMAX之所以能夠提供差異化的服務,正是建立在帶寬動態分配的基礎之上。

WiMAX 的技術優勢[2]

  1. 傳輸距離遠

  基於OFDM技術的WiMAX,具備非視距傳輸能力,能有效抗衰減和多徑干擾。在理論上,WiMAX 的無線信號傳輸距離最遠可達50km,這是無線區域網所不能比擬的,其網路覆蓋面積是3G 基站的10 倍,只要建設少數基站就能實現全城覆蓋,這樣就使得無線網路應用的範圍大大擴展。

  2. 接入速度高

  WiMAX 能夠向互聯網提供更高速的無線寬頻接入,WiMAX 所能提供的最高接入速度是70Mbit/s,這個速度是3G 所能提供的寬頻速度的30 倍,是HSDPA 的5 倍,數據傳輸能力強大,可彌補3G 在數據傳輸速率與WLAN 涵蓋範圍的不足。

  3. 建設成本低

  WiMAX 能夠通過無線的方式實現寬頻連接,為50km 線性區域內的用戶提供服務,用戶不需要鋪設線纜,即可與基站建立寬頻連接,從而顯著降低建設成本,最終有利於降低用戶每月資費。

  4. 兼容程度高

  相對於其他有線或無線的接入技術,WiMAX 有統一的國際標準,不同廠商經過WiMAX 技術認證的設備,可在同一系統中工作,互操作性強,這使得WiMAX 在成本控制、設備互操作性以及規模經濟的實現上更勝一籌。

  5. 系統容量大

  WiMAX 技術的應用頻段非常寬,包括10~66GHz 頻段、<11GHz 許可頻段和<11GHz 免許可頻段。同時,WiMAX 通過採用空間復用、多用戶檢測(MUD)和自適應功率控制等技術,可以獲得更大的覆蓋範圍和容量,能夠同時支持數百個使用T1 連接速度的公司和數千個使用DSL 連接速度的家庭。

  6. 業務範圍廣

  由於WiMAX 較之WLAN 具有更好的可擴展性和安全性,從而能夠實現電信級的多媒體通信服務,以滿足不同用戶的應用需要。WiMAX 支持多人互動式游戲、VoIP、視頻會議流媒體下載、網頁瀏覽與即時信息、媒體內容下載等業務。

  7. QoS 機制完善

  在WiMAX 標準中,在MAC 層定義了較為完整的QoS 機制。MAC 層針對每個連接可以分別設置不同的QoS 參數,包括速率、延時等指標。為了更好地控制上行數據的帶寬分配,標準還定義了四種不同的上行帶寬調度模式,分別為主動授權業務(UGS)、實時輪詢業務(rtPS)、非實時輪詢業務(nrtPS)和儘力而為(BE)業務。

WiMAX與無線Mesh網路比較[3]

  WiMAX是當前市場比較看好的技術,定位在無線口城域網,包含802.16a和802.16e。802.16a標準已經制定,只支持視線範圍傳輸,固定點接入,支持點對點或點對多點組網;802.16e標準尚處在開發階段,將會支持非視線傳輸且具有一定的移動陛。目前還沒有推出WiMAX成熟的商用化產品。非常有意思的是,Mesh是有了商用化產品,標準剛剛開始制定,而WiMAX卻是有了標準,還沒有商用化產品。從市場角度講,無線Mesh與802.16a雖然都是城域網應用,但是不會產生任何競爭,無線Mesh是移動城域網,目標是為專網中的個體提供移動寬頻服務;而802.16a解決的是點對點或點對多點的固定接入。待802.16e產品(加入了移動性能)出來,可能會與無線Mesh網路有競爭關係,但因目前標準還未出來,所以還存在著一些不確定的因素。

  總體來說,在占有市場空間方面,無線Mesh網路已經先於WiMAX、3G進入市場。同時,無線Mesh網路也可以依靠已被市場接受的Wi-Fi終端迅速發展起來。從技術上分析,無線Mesh網路、Wi-Fi和W-1MAX彼此可以相互補充,共同組成無線城域網。Wi-Fi以低廉的成本、普及的應用占據末端區域網接入市場,WiMAX則可以作為城域範圍的固定點接入,無線Mesh網路能夠實現城域範圍內的移動寬頻專用通信網。當然,隨著技術和市場的不斷發展,無線Mesh網路與將來的802.16e和3G在業務層面上的確存在著重疊的地方,由此也會帶來一定的競爭,但目前所能得出的結論則是,它們之間的互補性要大於競爭性。

參考文獻

  1. 李軍.異構無線網路融合理論與技術實現[M].電子工業出版社,2009.03.
  2. 郎為民.WiMAX技術講座 第1講 WiMAX技術概述[J].《中國新通信》.2009年01期.
  3. 王興亮,李偉.現代接入技術概論[M].電子工業出版社,2009.07.
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