WiMax 基础设施应用开发指南

WiMax 基础设施应用开发指南宽带连接难以在偏远或人烟稀少的地方实现，因为客户太少，不能保证收回安装有线网络的费用。

卫星服务可用于这些地区，但它也有要求“line-of-site”接入，以实现可靠传输的重大弱点。

树木，建筑物，甚至天气，会导致干扰。

WiMAX 是一种无线技术，它利用无线装置替代电缆或电话线来提供最后一公里宽带连接，从而解决了这一问题。

与卫星连接不同，WiMAX 不需要直接的视距接入来提供广域宽带接入。

单个 WiMAX 基站可在三公里的距离内为数以千计的客户提供宽带速率的服务，或者为距离 30 公里的客户提供回程功能，如下图 1 所示。

图1 利用本地 WiFi 热点在嵌入式基础设施骨干网采用 WiMax 来完善网络的网状网现已有各种 IEEE802.x 标准，包括 WiFi (802.11)、ZigBee (802.15.4)及其它标准中的 WiMAX (802.16)。

这些标准定义了某些 RF 频带内的无线连接。

最有名的例子是，用于无线家庭网络和网吧的 WiFi 802.11x 标准。

但是，设置无线传送和接收标准并不意味着竞争供应商生产的设备可在一起工作。

多种因素给互操作性造成了障碍，包括物理层(PHY) 性能、媒体访问控制器 (MAC) 协议、层消息及加密方法。

宽带网必须对任何供应商生产的所有笔记本电脑、PDA 和其它设备都是可达的，因此互操作性成为了一个很大的问题。

这正是 WiMAX 论坛的介入点。

WiMAX 论坛是一个行业领袖式的非盈利性组织，它致力于促进并保证遵从802.16 标准的宽带无线产品的兼容性和互操作性。

成员公司支持在全行业接受 IEEE 802.16 和欧洲电信标准协会 HiperMAN 无线城域网 (MAN) 标准。

目前，WiMAX 论坛在全世界有超过 300 个公司成员。

标示 WiMAX 的产品必须完成 WiMAX 论坛指定的认证流程，展示他们的互操作能力。

为了推动这一流程，论坛举行称为 interops 的定期会议，在此期间，供应商测试他们的产品与竞争供应商产品的互操作性。

多种 WiMAX 标准微波存取全球互通 (WiMAX) 标准基于 IEEE 标准 802.16，用于固定设备，如台式 PC 和移动设备，包括笔记本电脑、移动电话、个人媒体播放器 (PMP) 和PDA。

由于固定和移动设备发送和接收的无线信号特征有实质上的差异，WiMAX profile 基于多种 IEEE 802.16 标准：一种用于固定设备，另一种用于接收或发送信号时可能运动的移动设备。

为了使标准尽快部署及支持各种程度的移动性，WiMAX 论坛描述了标准实施的五个阶段：固定、流动、便携、简单移动和完全移动，如下图 2 所示。

图2 WiMax 发展蓝图固定部署定义为对单个基站的固定接入。

会议中心的电视会议就是这类部署的一个实例。

在这个实例中，DVD 品质的视频可以在会议中心的显示器上无线播放。

通过一个足够强大的处理系统，可以独立地开启、重启及关闭这些显示器，而不会影响视频信号的质量。

固定部署也可用于在网状网中连接多个 WiFi 网络的无线宽带回程，取代目前用于此用途的光线路。

流动部署定义为对单个基站的固定但可移动的接入。

这种部署与网吧概念类似，用户可从基站范围内的任何地方连接。

固定及流动 WiMAX 部署受 IEEE 标准 802.16-2004 支配。

带宽能同时支持数百个 T-1 速率连接的企业或数千个 DSL 速率连接的居所。

便携或移动（例如在接收和发送时运动）应用基于 IEEE 标准 802.16e，可在三公里（约 2 英里）小区半径内提供15 Mbps 的带宽能力。

802.16e 系统的关键特征是能从一个基站到下一个基站切换信号，从而建立“城域地带(metro zone)”，在大城市和城区无缝提供连续的便携式户外宽带无线接入，并允许终端用户在旅行期间保持连接。

切换能力对移动用户是不可或缺的，因为 WiMAX 技术被期望在 2007 年前融入到笔记本电脑和 PDA 的用户终端设备 (CPE) 产品中。

部署宽带网络的一个内在挑战是使足够多的人使用宽带业务，使其对用户有帮助，并且在经济上对服务提供商来说是可行的。

鼓励采用该标准的最好方式是使其收费合理。

为了这一目标，WiMAX CPE 供应商设定了一个 $100 的目标物料清单 (BOM) 成本。

无线架构影响任何无线系统成本的一个主要因素是无线架构。

非专门为 WiMAX 应用设计的无线装置需要数以百计的外部组件来发送和接送信号。

IEEE 标准 802.16-2004 无线装置采用正交频率双工调制 (OFDM) 来调制数据。

OFDM 技术将原始数据拆分为通常称为信道的不同频率。

可用信道数取决于该标准的频带和用在应用中的信道带宽。

这种方法减少了补偿干扰中的多通道所需要的处理努力。

由于各子载波以一个相对低的比特率工作，各符号的持续时间相对较长。

由于较低的比特率和较长的持续时间，信号定时的同步更容易。

802.16-2004 WiMAX 频段被拆分为三种不同的无线频带，即用于许可频段的 2.5 GHz 和 3.5 GHz，以及用于非许可频段的 5.8 GHz。

许可频段中的信道带宽为 1.75、3.5、7、14 和28 MHz。

非许可频段的带宽为 5、10 和20 MHz。

各信道的带宽由特定应用所需要的信道数决定。

例如，在 3.5 GHz 频段，3.5 MHz 带宽允许 1024 信道。

大量的频带和信道带宽的可能组合可导致同样大量的 WiMAX profile，显著地使 WiMAX 论坛的规范和认证流程复杂化。

也可能导致更高的设备成本，因为供应商可能会被迫为每种可能性提供解决方案。

为避免这种不必要的复杂性，最终确定时，WiMAX 论坛只考虑包含少量的 profile 到标准中。

例如，802.16-2004 标准最初确认时只包含五个 profile，后来又增加了两个。

论坛正处于决定新批准的 802.16e 标准包含哪些 profile 的过程中。

然而，即使一个小的 profile 子集也会导致为 WiMAX 应用选择合适无线装置方面的问题。

为处理多种 802.16 频段的问题，可选择一个可重新配置大范围频率和带宽的无线装置，或者选择一个特殊频带和带宽，并采用一个仅在该波段工作的无线装置。

带多种频带和多种带宽的无线装置可提供最佳的灵活性。

它们通常在一个“双转换”架构中实施，需要昂贵的 SAW 滤波器来定义各种不同的带宽。

支持三种频段直接地使 BOM 增加了大约 $30。

各频带还需要有自己的压控晶振 (VCO) 来设置频带，并且，各VCO 需要数百个额外的外部组件以在所有频段获得清晰信号。

尽管具有灵活性，与一个多带宽无线装置相关的高$200+ 系统成本可能会使系统过于昂贵，并会严重阻碍市场采用。

性能性能可能是多带宽无线装置的另一个问题。

WiMAX 论坛关于长途通信和高吞吐量的愿景对收发器输出功率和接收灵敏度有苛刻的要求。

更改频率和/或带宽会改变无线装置的发送和接收性能。

在更高频谱，它可以导致发送功率或接收灵敏度下降到互操作性所必需的水平以下。

WiMAX CPE 设备推荐的天线发送功率为 +30 dB，接收灵敏度为 -80 dB。

可通过增加高性能低噪音放大器 (LNA) 和功率放大器 (PA) 来克服这一问题，使系统进入期望的范围，实现完全互操作。

然而，这将进一步增加系统成本。

第二种选择是使用在 802.16 带宽的单个频段工作的无线架构。

使用单频段明显限制了无线装置的总灵活性。

但是，带宽限制可能并不会像它看起来那样的限制。

最初，估计 WiMAX 业务模型与移动电话行业的模型类似。

终端客户将使用运营商的服务－提供 WiMAX 设备和连接，就像现在的移动电话公司提供移动电话和连接一样。

因此，任何 WiMAX 用户都必须只在预订的网络内以运营商选择的带宽进行通信。

服务提供商和终端用户不需要多频段无线装置，就像 AT&T 的 GSM 电话服务用户不需要 CDMA 无线装置一样。

服务提供商可选择频带并在需要时分配信道带宽，以满足终端用户的需要。

例如，在 3.5 GHz 频段，载波可以在 1.75、3.5 和 7 MHz 工作。

一个 7 MHz 的信道带宽允许在各报文中传送更多数据，但限制了用户到任何基站的距离。

一个 1.75 MHz 的信道带宽允许在各报文中传送较少的数据，但允许用户离基站更远。

不同信道带宽的混合可为所有用户提供更有效的覆盖。

IEEE802.16 标准通过将调制技术适用到总覆盖面积来维持数据吞吐量。

使用多频段和信道带宽组合是 802.16 标准所独有的，并需要仔细评估公正广泛的可用单频段无线架构。

有三种基本的无线架构，双转换，直接转换零-IF （中频）和直接转换低-IF。

这些不同的无线架构会以不同方式影响总系统成本和性能。

双转换，也称为超外差。

这种结构使用两个中频过滤并放大输入的弱 RF 信号。

这种方法导致两个像频，经过过滤以消除两幅图像的干扰。

双转换的优点在于，因为第一个中频通常是固定的，因此更容易补偿本地晶振 (LO) 相噪。

对于高性能和良好的接收灵敏度很重要的应用，这是一个好的解决方案。

本架构的弱点在于，如上所述，需要的额外滤波器和外部组件可能导致系统成本过高，以致 WiMAX 不能获得大量市场。

事实上，为达到 802.16 规格，一个双转换无线装置需要大约 600 个外部组件，导致 BOM 成本超过$150，使其不能成为高度集成系统的理想方案，如下图 3 所示。

图3 典型的双转换接收架构通过两个步骤来转换输入的 RF 信号。

优秀的抗干扰性能。

但需要许多与高 BOM 成本相关的外部组件。

直接转换无线装置通过从零子频段偏移信号，实质上消除了图像干扰灵敏度，然后利用直流 (DC) 偏移校正从无线装置补偿偏移效应。

信道过滤和放大以基带频率实现，允许集成大量组件到 RF 硅。

这一特性使得直接转换无线架构可完美地用于 802.11a 和 802.11g WiFi 及 WLAN 应用，因为 ODFM 所需要的调制技术可方便地适用于该架构。

然而，在 802.16 的情况下，直接转换实际上可能制造干扰，因为基站和用户之间的初始频率差可能与 OFDM 信道频率的一个或多个子载波相等。

这一 DC 偏移可能会扰乱零子载波周围的 OFDM 符号中的一些子载波。

可以通过增加一个高解析度温控，压控晶振 (TCVCXCO) 或高解析度合成器来解决这一缺陷。

高解析度合成器可将无线频率调整到子载波频率间隔（3.7 GHz 和 3.5MHz 带宽下 85 (ppb)）1％到 2％以内。

操作期间，偏移校正的 AC 耦合频率必须小几 KHz。