Mobile Wimax关键技术简介

Mobile WiMAX 關鍵技術簡介王德惠 正文科技總經理特助 壹、 前言近年來，無線接入網際網路和無線多媒體數據業務的巨大需求推動了無線通信技術的快速發展，通信技術寬帶化、IP化、移動化成為未来的發展趨勢。

WiMAX技術是以IEEE802．16系列標準為基礎的寬頻無線接入技術，兩年來發展迅速，逐漸成為城域寬頻無線(Wireless MAN)接入技術的發展熱點(圖一)。

Source: WiMAX Forum圖一、IEEE802.16系列標準演進情形WiMAX系统主要有兩個技術標準，一個是指满足固定寬頻無線接入的IEEE802．16d 標準，另一個是满足固定和移動的寬頻無線接入技術IEEE802．16e標準(圖二)。

目前Source: Agilent圖二、IEEE802.16d與 IEEE802.16e之比較WiMAX論壇正在進行IEEE802.16e產品的認證工作，同時也在加緊制定IEEE802.16系列的新標準(例如802.16j， 802.16m…)(圖三、圖四)，以便進一步提升系統功能並與IMT2000-Advance Standard互通。

Source: Intel圖三、IEEE802.16j MMR(Mobile Multi-hop Relay)系統架構及其優勢Source: WiMAX Forum圖四、IEEE802.16m 主要的工作範疇貳、 Mobile WiMAX為何重要?根據長期的無線通信市場調查顯示，WiMAX的提出和推進，E3G(Evolved 3G)標準化的啟動和加速，使得無線移動通信領域呈現明顯的寬帶化和移動化發展趨勢(圖五)，即寬帶無線接入向着增加移動性方向發展，而移動通信則向着寬帶化方向發展。

鑑於Source: Samsung圖五、無線移動通信發展趨勢此，如何在增進WiMAX的移動性同時保有寬頻、適應性調變系統參數、Qo S、Security 和廣域的地理覆蓋等優越的系統功能(圖六)，就在在考驗著IEEE802.16e(Mobile WiMAX)標準的技術能耐了。

Source: Intel圖六、IEEE802.16e (Mobile WiMAX)技術標準的優越性參、 Mobile WiMAX的關鍵技術根據IEEE802.16e目前已制定完成的標準加以分析，為了克服移動環境下寬頻無線接入的各種衰落，Mobile WiMAX涵蓋了下列幾方面的關鍵技術，值得吾人加以關注︰1. OFDM／OFDMA。

正交頻分複用OFDM是一種高速傳輸技術，是未來寬頻無線接入系统／下一代蜂窩移動系统的關键技術之一，3GPP已將OFDM技術作為其LTE研究的主要候選技術。

在WiMAX系統中，OFDM技術為物理層技術，主要應用的方式有兩種：OFDM物理層和OFDMA物理層。

無線城域網OFDM物理層採用OFDM 調制方式，OFDM正交載波集由單一用户產生，為單一用户併行傳送數據流。

支持TDD 和FDD双工方式，上行鏈路採用TDMA多址方式，下行鏈路採用TDM複用方式，可以採用STC發射分集以及AAS自適應天線系统。

無線城域網OFDMA物理層採用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD双工方式，可以採用STC發射分集以及AAS。

OFDMA系统可以支持長度為2048、1024、512和128的FFT點數，通常向下數據流被分為邏輯數據流。

这些數據流可以採用不同的調制及編碼方式以及以不同信号功率接入不同信道特徵的用户端。

向上數據流子信道(Sub-channel)採用多址方式接入，通過下行發送的媒質接入協議（MAP）分配子信道傳輸上行數據流。

雖然OFDM技術對相位噪聲非常敏感，但是標準定義了Scalable FFT，可以根據不同的無線環境選擇不同的調制方式，以保證系统能够以高性能的方式工作(圖七)。

Source: Agilent圖七、IEEE802.16 OFDM及OFDMA 調變技術比較2. HARQ。

HARQ技术因為提高了頻譜效率，所以可以明顯提高系统吞吐量，同时因為重傳可以帶來合併增益，所以間接擴大系统的覆蓋範圍。

在16e的協議中雖然規定了信道编碼方式有卷積碼（CC）、卷積Turbo碼（CTC）和低密度校驗碼（LDPC）编碼，但是對於HARQ方式，根據目前的協議，16e中只支持CC和CTC的HARQ 方式。

具體規定為：在16e協議中，混合自動重傳要求（HARQ）方法在MAC部分是可選的。

HARQ功能和相關參数是在網路接入過程或重新接入過程中用消息SBC被確定和協商的。

HARQ是基於每個連接的，它可以通過消息DSA／DSC確定每个服務流是否有HARQ的功能。

3. AMC。

AMC在WiMAX的應用中有其特有的技術要求，由於AMC技術需要根據信道條件來判斷將要採用的编碼方案和調制方案，所以AMC技術必须根據WiMAX的技術特徵來實现AMC功能。

與CDMA技術不同的是，由於WiMAX物理層採用的是OFDM技术，所以時延擴展、都普勒頻移、PAPR值、小區的干擾等對於OFDM 解調性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用於調整系统编碼調制方式，達到系统瞬時最優性能。

WiMAX標準定義了多種编碼調制模式，包括卷積编碼、分組Turbo編碼（可選）、卷積Turbo碼（可選）、零咬尾卷積碼（Zero Tail-biting CC）（可選）和LDPC（可選），並對應不同的碼率，主要有1／2、3／5、5／8、2／3、3／4、4／5、5／6等碼率。

4. MIMO。

對於未來移動通信系统而言，如何能够在非視距和惡劣信道下保證高的QoS是一個關鍵問題，也是移動通信領域的研究重點。

對於SISO系统，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和複雜的编碼調制技术，而頻譜資源的有限和移動終端的特性都制約着SISO系统的發展，所以MIMO是未來移動通信的關鍵技術。

MIMO技術主要有兩種表現形式，即空間複用(Spatial Multiplexing)和空時編碼(Space Time Coding)(圖八)。

這兩種形式在WiMAX協議中都得到了應用。

協議還給出了同時使用空間複用和空時編碼的形式。

目前MIMO技術正在被開發應用到各種高速無線通信系統中，但是目前很少有成熟的產品出現，估計在MIMO技術的研發和實現上，還需要一段時間才能够取得突破。

支持MIMO是協議中的一種可選方案，協議對MIMO的定義已經比較完備了，MIMO技術能顯著地提高系统的容量和頻譜利用率，可以大大提高系統的性能，未來將被多數設備製造商所支持。

Source: Alcatel圖八、MIMO-OFDM 通信系統簡要方塊圖5. QoS機制。

在WiMAX標準中，MAC層定義了較為完整的QoS機制。

MAC 層針對每個連接可以分别設置不同的QoS參數，包括速率、延時等指標。

WiMAX系統所定義的4種調度類型只針對上行的業務流。

对於下行的業務流，根据業務流的應用類型只有QoS參數的限制（即不同的應用類型有不同的QoS參數限制）而没有調度類型的約束，因為下行的带寬分配是由BS中的Buffer中的數據觸發的。

這裡定義的QoS參數都是針對空中接口的，而且是這4種業務的必要參數。

6. 睡眠模式。

16e協議為了適應移動通信系统的特點，增加了終端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。

Sleep模式的目的在於减少MS的能量消耗並降低對ServingBS空中資源的使用。

Sleep模式是MS在預先協商的指定周期内暫時中止Serving BS 服務的一種狀態。

從Serving BS的角度觀察，處於這種狀態下的MS處於不可用（unavailability）狀態。

Idle模式為MS提供了一種比Sleep模式更為省电的工作模式，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據（包括尋呼消息和MBS業務），並且在穿越多個BS的移動過程中，不需要進行切换和網路重新進入的過程。

Idle模式與Sleep模式的區别在於：Idle模式下MS没有任何連接，包括管理連接，而Sleep模式下MS有管理連接，也可能存在業務連接；Idle模式下MS跨越BS時不需要進行切换，Sleep模式下MS跨越BS需要進行切换，所以Idle模式下MS和基站的開銷都比Sleep小；Idle模式下MS定期向系统登記位置，Sleep模式下MS始終和基站保持聯繫，不用登記。

7. 切换技術。

16e標準規定了一種必選的切换模式，在協議中簡稱为HHO（Hard Handover），實際上就是我们通常所說的硬切换。

除此以外還提供了兩種可選的切换模式：MDHO（宏分集切换）和FBSS（快速BS切换）(圖九)。

移動台可以通過當前的服務BS廣播的消息獲得相鄰小區的信息，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测距的方式獲得相鄰小區信息，對其評估，尋找潛在的目標小區。

切换既可以由MS决策發起也可以由BS决策發起。

在進行快速基站切换（FBSS）時，MS只與Anchor BS進行通信；所谓快速是指不用執行HO過程中的步驟就可以完成從一個Anchor BS到另一個Anchor BS的切换。

支持FBSS對於MS和BS來說是可選的。

進行宏分集切换（MDHO）时，MS可以同時在多個BS 之間發送和接收數據，這樣可以獲得分集合併增益以改善信號質量。

支持MDHO對於MS和BS來說是可選的。

Source: WiMAX Forum圖九、IEEE802.16e 的切換模式肆、結論除了韓國外，目前全球市場上已經進入商用的WiMAX技術標準版本是IEEE802．16－2004。

這個版本主要是用于固定寬頻無線接入，還不具有移動功能，所以應用模式上可以用作中小企業綜合接入、電信業務承载、一些行業用户以及網吧等。

相比於非標準的寬頻無線接入系统而言，WiMAX具有相當多的技術優點，IEEE802．16系列標準針對城域網環境的應用，系统的吞吐量可根據波道帶寬、調制方式和編碼方式的不同而不同，單載波最高可以提供134Mbps的數據吞吐量，這取决於所採用的波道帶寬、調制方式和編碼方式，其覆蓋半径依據功率、天線、頻率、環境不同有所變化。

根據不同的環境特點，基於IEEE802．16系统的覆蓋半徑可以是3km 至15km乃至更大，可以在一個較大的範圍内提供给用户高速的數據接入服务；同時WiMAX支持非視距化(NLOS)傳輸、非室外天線式的用户终端模式使得網路直接接入到用户“桌面”，擴大了應用場景。

系统工作频率可以從2GHz直到38GHz，如果WiMAX 頻段最終劃分在較低頻段，系統性能受雨衰的影響也將大大減小，但在頻譜資源日趨稀少的情况下，WiMAX頻段的確定目前尚是WiMAX需要面對的一個問题；而802．16e 可以提供中低速移動接入業務，這也是傳統固定無線接入技術所不具備的特點。