WiMAX协议的体系结构研究

0 　引　言

WiMAX|0">WiMAX是IEEE 802. 16 的通俗称呼,它的全称为全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 。为了更好地推动IEEE 802. 16 的市场化进程并对各厂家的产品进行一致性和互操作性认证,2001 年4 月,由Intel 牵头成立了WiMAX 论坛,截至2006 年8 月23 日,论坛共有378 个成员,包括了许多著名的运营商、芯片商、系统制造商,我国的中兴、华为也位列其中,其中中兴为核心会员。

由于在OFDM 接入技术、开放网络模式、基于IP的无线宽带技术、电信运营商基础设施、支持不确定的应用等方面独一无二的优势,WiMAX 成为第一个真正面向电信级运营的、具有QoS|0">QoS 保证的、全球标准化的无线宽带接入技术。这是当前其他无线宽带接入技术难以企及的。

1999 年IEEE 802 委员会成立了802. 16 工作组,来从事802. 16 标准的制定工作。在2004 年10 月获得批准的802. 16d在以前版本的基础上又进行了整合和提高,统一了固定无线接口的空中接口,并提出了802. 16a 设备的测试标准。其支持移动环境的802.16e 版本也于2006 年2 月获得IEEE 批准,目前已进入商业部署阶段。在2005 年12 月批准的802. 16f中对802. 16d 的MAC 层和物理层的管理信息库(MIB ,Management Information Base) 要求以及相关的管理流程进行了增强。

1 　物理层

IEEE802. 16 工作组的主要工作都围绕空中接口展开,空中接口主要由物理层和MAC 层组成。物理层由传输汇聚( TC ,Transmission Convergence) 子层和物理媒介依赖( PMD , Physical Medium Dependence) 子层组成,通常说的物理层主要是指PMD。物理层定义了TDD 和FDD 两种双工方式。MAC 层又分为三个子层:特定服务汇聚子层( CS , service specific Conver gence Sublayer ) 、公共部分子层( CPS , Common Part Sublayer ) 、安全子层( SS , Security Sublayer ) 。

WiMAX协议栈模型如图1 所示。

802. 16 定义了5 种不同的物理层规范:无线城域网- 单载波(WMAN - SC) 、无线城域网- 增强单载波(WMAN - SCa) 、无线城域网- 正交频分复用(WMAN- OFDM) 、无线城域网- 正交频分(WM AN - OFDMA|0">OFDMA ) 、WirelessHUMAN ( high - speed unlicensed MAN) 。前四种模式均支持时分双工( TDD) 、频分双工( FDD) 以及半频分复用( Half - FDD) 三种模式。

其中半频分复用允许用户站工作在不同频率但不同时收发信息,因此减少了复杂性并降低了成本。Wire2 lessHUMAN 仅支持时分双工,覆盖三种低频率并支持动态频率选择。

由于对多载波均衡处理的简明性,基于OFDM 的后三种物理层规范更适合非视距传输,其中256 载波的WMAN - OFDM 相对2048 载波的WMAN - OFDMA 在峰值、快速傅里叶变换( FFT) 计算、频率同步等 方面的优势,更获工业界的青睐。就应用重点而言,SC 物理层重点实现TDM 业务、256 OFDM 物理层重点实现支持NLOS 的固定IP 业务、2048 OFDM 重点实现高速切换移动业务。

WiMAX采用了OFDM、子信道化、方向天线、MIMO、自适应调制、自纠错和功率控制等技术来实现在非视距条件下的传输 。

由于OFDM 波形是有多个正交子载波组成,OFDM 通过OFDM 码时和循环前缀,能有效抵消符号间干扰和自适应平衡带来的复杂性,也使局部载波上的选择衰落容易得到平衡。从而获得了更高的吞吐量,有效克服了非视距传播带来的挑战。

自适应调制允许WiMAX根据无线链路信道和接口情况调整调制方式来平衡传输速率和鲁棒性,提高了信干比。目前WiMAX 可用的调制方式有BPSK,QPSK,16 - QAM ,64 - QAM。

纠错技术也被整合到WiMAX 中,利用级联码方案,外码采用RS 码循环码前向纠错、内码采用卷积编码,并采用交织算法来减小突发错误,有利于从频率选择衰落和突发错误中恢复出出错帧,并提高了吞吐量。

对于前向纠错技术无法纠正的出错帧,采用自动请求重传出错帧,在同样的环境下,显著降低了误码率。上行链路子信道化作为可选方式允许用户站将传输功率集中在整个OFDM 子载波的一个子集上,可以平衡上行链路的预算、克服建筑物障碍带来的损失和减少用户站( SS ,Subscriber Station) 的功率损耗。在不同的子信道上多用户站可以并行进行传输。

智能天线作为可选方式,利用波束形成能使信号的发射和接收都限制在特定的方向上,可以有效抑制多径信号,减少基站(BS ,Basic Station) 和SS 间的延迟和其他方向上的信道干扰,提高了WiMAX 系统的容量和频谱效率。

多输入多输出(MIMO ,Multiple - input multiple - output) 作为可选方式利用非视距环境下产生的多径信号,采用时空编码使传送源独立,减少了边沿衰落和信道干扰。

此外WiMAX还利用功率控制来提高系统的整体性能。

为了确保在全球的顺利部署,标准规定了几种不同的信道带宽:1. 25MHz ,1. 5MHz ,1. 75MHz ,最大为28MHz。工作的主要频段为450MHz , 700MHz , 1.9GHz ,2. 3GHz ,4. 9GHz ,5. 8GHz。这种带宽与频段的广泛性与其他无线标准有很大的不同。这就要求WiMAX要具有更严格的无线接入控制机制,从而也导致了物理层和MAC 层的复杂性。