WiMAX技术产品现状及其应用前景浅析

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摘要　在介绍WiMAX技术及产品现状的基础上，结合一些试验的测试情况，得出现有WiMAX技术产品的实测指标，并结合WiMAX技术产品现状对其在行业信息化中的应用前景进行了简单分析。
1、引言
　　信息化是广东移动2007年的工作重点。从目前来看，虽然广东移动大部分地市的基站传输光缆普及率高达95%以上，但由于缺乏光纤和铜缆入户资源，加之有线方式安装周期长、投资大、施工受地形影响大，短期来看我们还难以与固网运营商在有线宽带上网方面展开直接竞争，因此急需一种新的低成本、宽带化、无线化的接入技术来满足日益膨胀的信息化需求。简言之，谁能妥善地解决好“最后一公里”的接入问题，谁就能在未来的市场竞争中赢得主动。
　　不到两年的时间里，WiMAX从默默无闻变为全球无线技术领域的新星，关于这项技术的研究、争论日益受到业界的重视。而WiMAX的支持者也在一年内增加了一倍，论坛成员超过300个。这使WiMAX一跃成为了和3G一样的通信产业关键词。WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）即全球微波接入互操作性，是基于IEEE802.16标准的无线城域网技术，WiMAX与3G的竞争关系正在被人们热烈讨论。但WiMAX是一种基于IP的宽带技术，偏重于数据传输，而3G其实是第三代移动通信技术，语音仍是其基本功能，同时它也支持较高速度的无线上网。简单而言，WiMAX就是一种无线宽带技术，是Wi-Fi（无线局域网）的加强版。
2、WiMAX技术
　　2.1　WiMAX技术
　　（1）WiMAX技术概述
　　在接入层，接入方式的多样化和综合化是接入技术发展的两个主要趋势。目前，接入技术正出现快速发展，百花齐放的竞争互补发展阶段。宽带技术和无线技术的融合使接入网向“宽带接入无线化，无线接入宽带化”方向发展。丰富的接入手段为用户提供多样的接入选择，用户可以根据业务的使用场景选择合适的接入手段。WiMAX正是目前接入技术关注的焦点。
　　WiMAX标准包含802.16d和802.16e两种，其中WiMAX 16d支持固定，便携和游牧宽带无线接入，标准于2004年10月冻结；WiMAX 16e支持移动宽带无线接入，标准于2005年12月冻结。
　　（2）WiMAX802.16d/e技术对比
　　802.16d/e的物理层可选用单载波，OFDM和OFDMA技术。单载波主要是为了兼容10～66GHz频段的视距传输（OFDM和OFDMA只用于＜11GHz频段）。虽然在802.16d/e协议中，单载波物理层也可以用于2～11 GHz频段，但通常认为802.16d的典型物理层技术是OFDM，802.16e的典型物理层技术是OFDMA。表1包括了802.16d/e的主要技术特征。

表1　802.16d/e主要技术特征

　　802.16d OFDM物理层采用256个子载波，OFDMA物理层采用2048个子载波，信号带宽从1.25～20MHz可变。802.16e对OFDMA物理层进行了修改，使其可支持128，512，1024和2048共4种不同的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比，这种技术称为可扩展的OFDMA（Scalable OFDMA）。采用这种技术，系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。
　　●在多址方式方面，802.16d/e在上行采用TDMA（时分多址），下行采用TDM（时分复用）支持多用户传输。另一种多址方式是OFDMA，以2048个子载波的情况为例，系统将所有可用的子载波分为32个子信道，每个子信道包含若干子载波。多用户多址采用和跳频类似的方式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时域单位为2或3个符号周期。
　　●在调制技术方面，802.16d/e支持的最高阶调制方式为64QAM，相对于蜂窝移动通信系统（3GPP HSDPA最高支持16QAM），802.16d/e更强调在信道条件较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求，802.16d/e选用了块Turbo码、卷积Turbo码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码，同时也考虑使用低复杂度、低延时的LDPC码。
　　●在双工方式方面，802.16d/e支持FDD和TDD两种方式，其物理层技术基本相同。相对而言，3G技术中FDD和TDD模式采用的物理层有较大不同。802.16d/e在5MHz频带上可以实现约15Mbit/s的速率，频谱效率为3bit/s/Hz，与HSDPA相似。但802.16d/e在固定或低速环境下可以使用更大带宽（20MHz），实现高达75Mbit/s的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。这充分体现出OFDM技术在使用更宽频带方面的优势。
　　802.16d/e标准支持全IP网络层协议，802.16d/e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络。但现有IP核心网缺乏有效的移动性管理能力。WiMAX论坛已经开始开发网络层协议，802.16 NetMAN工作组也已开展这方面的工作。同时，802.16协议也可以通过一个ATM汇聚子层将ATM信元映射到802.16d/e MAC层，具备支持3G核心网的潜力。也就是说，WiMAX支持和3G系统的互通和融合。802.16d/e的MAC层支持多种QoS等级以适应VoIP、可视电话、流媒体、在线游戏、浏览、下载等不同的业务类型，包括主动分配带宽、实时轮询、非实时轮询和尽力而为，其中最后一种为竞争接入的调度机制。802.16e增加了节电模式的内容，以支持移动终端。除正常工作状态外，还支持空闲状态（即用户处于激活状态但暂时没有数据交换）和睡眠状态。
　　——物理层模式是16d和16e最本质的区别（见图1）。16d物理层采用普通的OFDM模式，下行用TDM复用方式，上行采用TDMA进行多址接入。但OFDM没有子信道化的概念，所有的子载波都为一个用户产生，频率划分不灵活。16e中使用的OFDMA，SOFDMA模式，利用子信道化功能，灵活分配无线资源。可以将一个时隙的各子载波几个子载波分配给不同用户，提高了频谱利用率。

图1　802.16d/e主要技术区别

　　——16d对于无线接入只能做到固定或者游牧式接入，16e具备独立蜂窝组网的能力，支持全移动性（高达120km/h），16e的终端可以在16e网络中无缝漫游。16e标准为了配合移动性的加入，在MAC层增加了切换相关的信令以及终端省电模式的支持。
　　——菲涅尔区
　　菲涅尔区是位于基站天线和接收端之间的一个椭球状区域（见图2）。

图2　菲涅尔区

　　λ为波长，D为两天线的距离，当频率固定时，菲涅尔半径随着传输距离的增加而增大。当距离固定时，频率越高，其菲涅尔半径越小。根据业界普遍的观点认为，当菲涅尔区域被阻挡60%以上，就认为收发天线之间是菲视距传播；如果菲涅尔区域有阻挡，但未达到60%，则收发天线间是准视距传播；如果菲涅尔区域完全没有阻挡，则收发天线间是视距传播。
　　16e通过引入SOFDMA，MIMO，AAS，能够一定程度对抗无线信号传播衰落。因此，16e相对于16d支持非视距传输，并且具备了移动性功能。
3、WiMAX产品现状
　　3.1　设备厂家现状
　　目前，WiMAX设备产品提供商主要包括中兴、华为、摩托罗拉、Alvarion、Airspan等公司，其它多数传统的系统制造商采用集成的方式提供WiMAX产品，如阿尔卡特朗讯集成移动Alvarion产品；Ericsson集成Airspn产品。表2所示为WiMAX设备发展现状。

表2　WiMAX设备发展现状

　　●微基站（见图3）：单扇区覆盖，适合低密度的城郊或乡村地区应用；体积小，1U高度，可以安装于标准机架；AC/DC两种供电方式；每扇区处理能力和服务与宏基站相同。

图3　微机站

　　●室外接入单元（见图4）是高功率，全双工，多载波射频单元，将信号输出/输入至天线。它与室内站通过中频接口相连。其特点为：发射功率高，噪声系数低，强抗干扰能力。

图4　室外接入单元

　　●宽带数据网关型CPE（见图5）。提供一个数据接口（10/100BaseT），在3.5MHz信道上提供10Mbit/s的数据吞吐量。

图5　宽带数据网关型CPE

　　3.2　WiMAX 16d产品
　　目前，在中国市场处于设备领先地位的WiMAX 16d设备厂家基本是OEM奥维通和Airspn公司产品。设备包括：基站（Base Station），用户端设备（Customer Premise Equipment，简称CPE）和网络管理系统（Network Management System）。
　　下面以某厂家基站为例介绍16d产品（特性参见表3）：7387基站是一种多载波，高功率，多重冗余的电信级设备。系统以FDD方式工作于3.5G频段，基于3.5MHz或1.75MHz信道带宽。基站可以通过定向天线将覆盖范围扇区化（支持6个扇区），以提高网络容量。

表3　WiMAX 16d产品特性参数

　　（1）典型设备参数
　　3.3　WiMAX 16e产品
　　截至2006年9月，能提供802.16e产品（特性参见表4）的设备厂家屈指可数，除了韩国的三星公司以外，中国市场上比较熟悉的设备厂家就是摩托罗拉了，然而摩托罗拉提供的16e产品也仅仅停留在测试产品，其Ultra Light 3500 System是WiMAX 16e系列的固定版本。支持1～4个扇区配置。设备工作在3.5GHz频段上，3.5MHz频宽上采用TDD模式。并没有真正实现16e的非视距和移动性功能。备包括基站单元和室外型用户单元。

表4　WiMAX 16e产品特性参数

4、试验测试验证
　　4.1　WiMAX802.16d/e测试分析
　　从目前WiMAX 16d设备和WiMAX 16e设备的技术资料和典型城市的测试结果来看，技术具体指标分析如下：
　　（1）目前，主要的WiMAX商用设备包括16d和16e设备只能支持固定和游牧两种模式。
　　（2）目前的WiMAX 16e商用设备并不支持OFDMA，MIMO，AAS这些具有WiMAX 16e特点的技术。因此，不具有非视距支持能力、移动性。WiMAX 16e产品能力和WiMAX 16d没有本质的区别。两者在测试中准视距传输能力都小于5km。
　　（3）目前，WiMAX设备在3.5G频段上，3.5M频宽单站单扇区下FDD方式支持最大18Mbit/s的吞吐率，最大下行10Mbit/s的吞吐率；而TDD方式支持最大6.9Mbit/s的吞吐率，1:3上下行比例下最大下行4.7Mbit/s的吞吐率；因此，考虑到FDD使用对称的两个3.5M频点，而TDD只使用一个3.5M频点，WiMAX FDD方式和TDD方式两者设备性能基本相当。
　　（4）现有WiMAX设备都工作在3.5G频段上，而今后WiMAX 16e的工作频段具有很大不确定性，现有大部分WiMAX厂家设备一般不能实现向16e的平滑升级。
　　（5）从目前的3.5G频率资源（3个频点）来看，WiMAX在3.5G频率上大规模应用会出现频率资源不足，网络规划困难的问题。而且WiMAX大规模组网、频率规划方式都有待验证。
　　（6）目前，WiMAX终端一般为室外型用户设备，需专业人员安装。
　　（7）现有WiMAX设备都不支持不同厂家间设备互通。
　　4.2　WiMAX产品现状应用SWOT分析
　　WiMAX无论是在中国还是全球，仍然是一种新兴的技术，因此其发展必然存在很多困难与挑战。
　　（1）频率资源
　　WiMAX主要会通过两种途径寻找可用频率：一种方式是利用已有固定无线接入的频率资源，如5.8GHz和3.5GHz；另一种是利用免许可频段2.4GHz和5.8GHz。在我国，还没有为WiMAX分配专门的频率，这是WiMAX在中国商用的最大障碍。
　　（2）许可证分配
　　政府部门的WiMAX业务许可证政策直接影响着WiMAX技术在中国的发展，如将许可证分配给新进入者和没有移动牌照的运营商，就有可能利用WiMAX跟移动网络进行竞争。如果牌照颁给移动运营商，则会采用WiMAX与移动网络互补的经营模式。所以政府的监管方式和发放方式会直接影响竞争格局。
　　（3）市场定位
　　WiMAX技术分为固定和移动两部分，因此运营商在市场定位上会面临选择；如果选择提供固定宽带接入，那么市场规模会比较有限；如果立足于移动业务，在运营模式、终端支持、组网方式方面都存在很多挑战，同时也将面临来自3G，E3G技术的竞争。
　　虽然现在WiMAX的发展似乎非常活跃，但仔细分析就会发现，其中的主导力量仍然是Intel等几家少数公司，而大多数电信行业的设备商（韩国除外）虽然加入了WiMAX，但仍处于观望状态，主要是在进行技术储备，一旦这个市场的前景变得明确了，就会快速投入这个市场。而运营商方面也在慎重考察该技术的可用性以及成熟度。WiMAX的未来发展必须克服面临的困难和挑战，才能在市场上取得成功。
　　表5是根据目前的WiMAX产业和设备现状对WiMAX的SWOT分析。

表5　WiMAX SWOT分析

5、结束语
　　综上分析，目前对WiMAX进行大规模商用还欠缺技术条件。但是我们可以看到WiMAX技术将为中国信息产业带来机遇和挑战，对它的深入研究将为这一行业的发展奠定坚实的基础，为高速网络用户和提供商都开创广泛的发展前景。