802.16/WiMax组网关键技术探析

更远，通过扇区技术提高系统容量的方法如图2所示。

图2　通过扇区技术提高系统容量

　　在网络建设初期，基站使用4个90°的扇区天线，每个天线覆盖一个扇区。小区可以通过分裂成更多扇区的方式，使每个扇区的可用子信道数量增加，以此支持更高的数据速率。当扇区数量由4个变为8个的时候，小区的容量近似翻了一倍。然而扇区的数量每增加一倍，小区的覆盖面积会减少33%。这时就需要更多的发射机和接收机来完成相同的覆盖，这样每个BS的覆盖面积减少了，其需要的带宽也随之减少，但设备的成本却会增加。如果在系统中增加更多的载频，就可以进一步使用频率分集来减小同信道之间的干扰[7]。

　　1.1.2　基于无线资源管理的小区规划

　　为了减少系统间干扰，提高系统容量，增强链路的服务质量，常常使用无线资源管理，包括功率控制、无线资源分配、自适应控制、分组调度技术。考虑到实际系统小区的干扰在不同小区分布是不同的，在同频干扰较大的区域可以通过无线资源管理机制来减小同频干扰基站的发射功率，或者结合TDMA机制分配干扰较小的时隙资源给边缘小区用户从而减少同频干扰。下面以其中功能相对独立的自适应控制机制为例阐述802.16/WiMax系统的小区规划。

采用高阶调制可以提高系统的容量，而且具有更高的频谱效率，但随着调制阶数增加，接收机的复杂度也要随之增加，而且小区间干扰也越来越严重（不同调制方式之间目标 SIR（信干比）变化达到16 dB），这也对接收设备提出了更高的要求。另外，随着调制阶数增加，小区的覆盖面积大幅缩小，从BPSK到QPSK到16-QAM再到64-QAM，调制阶数每增加一步，会使小区半径缩短为原来的一半左右。总之，当系统需要扩容的时候，高阶的QAM调制是需要的，但这会带来覆盖面积减小和系统干扰增加等问题，这些问题可以通过将小区规划和调制体制规划相结合的方法来解决。如图3所示，在原有扇区划分和单一调制BPSK方式的基础上，根据所处地域不同，采用不同的调制方式，越靠近基站，则使用的调制方式越高。离基站最近的区域采用最高阶64-QAM调制方式，然后是16-QAM，再是QPSK，最外圈的区域使用BPSK[8]。

图3　自适应调制方式的使用

　　1.1.3　基于极化天线的小区规划

　　使用极化天线的方法可以进一步优化频率复用机制，水平极化和垂直极化交替模式可以使相邻小区得到较好的干扰隔离，从而可以将系统容量提高近一倍。交替极化在系统中的应用如图4所示，如果只采用一个载频，考虑到实际地形的不规则，很容易存在较严重的同频干扰，而使用两个载频的交替极化模式，可以得到4组可用信道，从而大幅度减小干扰。联合采用两载频和极化天线技术，在不需要对现有网络进行较大改动的情况下，就可使系统获得更多的可用信道。

图4　极化天线技术增加小区容量（左图为单载频极化，右图为双载频极化）

　　针对免许可频段，协议还规定了动态频率选择方案可降低频率干扰，增加网络容量。

　　1.2　媒体访问机制

　　和802.11相比，802.16/WiMax有着完全不同的媒体访问机制。前者采用的是CSMA/CA机制，所有的终端（STA）基于时间预约来实现突发业务的调度传输，通过时间预约和退避机制实现在任意时刻空中媒体中只有一个传输存在，以此来解决无线网络中的隐藏终端和暴露终端问题。为了实现媒体的共享访问，通过每次传输后的时间间隔和竞争周期，保证每个终端都能够获得访问媒体的机会。而802.16/WiMax采取的方式就是将时间资源进行单位分割，通过时间区分上行和下行。

同时，每个物理帧的帧长度固定，由上行和下行两部分组成，上行和下行的切换点可以自适应调整。在TDD模式下，每个物理帧的长度是由n个物理时隙组成。下行是广播的，上行是SS发向BS的。下行在先，上行在后。通过这样统一的设计，杜绝了上行方向上的竞争，资源的调度和分配可以在BS上集中控制。同样，为了实现媒体的共享访问，必须让SS知道"什么时刻可以发送数据"。IEEE 802.16通过在每个帧的下行子帧之前添加用于管理的下行链路帧前缀（DLFP），在该部分中指示了每个SS的下行数据位置和上行发送时刻。DLFP相当于专用一个信道，用于传输管理信息和指示信息。

在802.16/WiMax系统中还特别设计了DLMAP（Downlink Mobile Application Part，下行移动应用部分）和ULMAP（Uplink Mobile Application Part，上行移动应用部分），他们都可以跨帧，使得信道可以灵活地应用于全部上行 或下行链路。这种带有典型的局域网突发的特点，对于宽带无线接入系统而言，可以兼顾灵活性和公平性，每个SS都有机会传输，避免了因竞争