WiMAX的启蒙课

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介绍

        在WiMAX尽力成为主流通信技术的进化过程中，人们很容易被围绕着WiMAX的各种各样的信息弄晕。外行可能认为，这项技术过于复杂，而且也尚未真正部署过。讽刺的是，一些最有可能从WiMAX技术及应用中得到最大利益的公司和标准组织，虽然可以澄清关于WiMAX的争议，但是也有意无意的制造关于WiMAX的疑云。

        比如，这个行业中的权威组织——WiMAX论坛一直致力于推广这一新的、基于标准的宽带无线接入网络。该论坛将WiMAX标准分为固定标准和移动标准。IEEE组织用802.16d、802.16-2004、802.16e和 802.16-2005的数字来定义WiMAX的几种标准。此外，还有802.16m、802.16p的新通告继续搅混WiMAX这潭水。人们不仅要问，这些标准究竟是不是一回事？此外，“漫游（Nomadic）WiMAX”和“可携（Portable）WiMAX”这样的新名词也不断在全球WiMAX会议上出现，加剧了人们对于这种技术的疑问。一些设备制造商还在用“WiMAX”来指代其他宽带无线接入网络，进一步把WiMAX论坛所定义的标准和市面上存在了几年的各公司自定义的无线宽带技术指标混淆在一起。

        除了名称上的眼花缭乱，关于WiMAX技术的争论也似乎没有休止，例如，WiMAX究竟将采用哪些频带就用很多种说法，还有各种“WiMAX概论”，“WiMAX发布”，“WiMAX认证”。目前，部分地区已经有了第一代WiMAX产品，但是已经有人在呼吁尽快推出“WiMAX 2.0”。

        在我们陷入WiMAX漩涡之前，让我们尽力追溯一下这个争议的源头，弄清楚WiMAX技术最关键的知识要点。

        首先要弄清楚的问题包括有：固定WiMAX和移动WiMAX标准有什么分别？标准制订组织是怎样统一意见分歧的？WiMAX的各种通告、文件和认证是如何促进互操作性和推动市场应用的？实际上，这些问题并不像看上去那么复杂。

WiMAX论坛和IEEE

        WiMAX论坛和IEEE的功能有什么区别？这两者是彼此独立的两个实体。IEEE自我定义为“促进技术发展的专业协会”，而WiMAX论坛则是一个由无线技术生态系统内的多家公司组成，其成员来自元器件供应商、无线电设备供应商、服务提供商、测试设备制造商、软件开发商等等。这个论坛旨在帮助这些厂商增进彼此的沟通和协作，以实现基于统一标准之上的移动无线宽带的互操作性，并且让每个人都能通过论坛官方网站即时查询实现这一目标的过程和途径。

        “WiMAX论坛的终极目标就是促进和加速低成本宽带无线接入服务的引进和商用化历程。通过基于标准的互操作性的解决方案，WiMAX论坛将帮助成员厂商实现规模经济的效益，使得经过WiMAX论坛认证的宽带产品在大范围宽带服务领域取得最高的竞争力；而这种在价格和性能上体现出来的高度竞争力，是单兵作战、技术私有的厂商无法独力取得的” （http://www.wimaxforum.org/certification/certification_program)

        如同所有由商业机构所组成的联盟或者行业团队一样，WiMAX论坛的成员当然不是仅仅为了公众利益而坐到一张圆桌边上来的。有时候，出于某些成员的利益策略，他们会喧宾夺主的把自己的解决方案变成WiMAX论坛的技术发布；有时候，行业媒体上关于WiMAX的报道也会成为一种误导，让读者认为某某公司的WiMAX方案更加优越。这其实并不难理解：所有在WiMAX上押上了赌注的公司，都想在市场上争夺最有利于自己的地位。然而，为了让WiMAX技术成为主流，一个公认的标准必须树立，否则，这个统一宽带无线接入技术的机会就将因为五花八门的私有技术协议成为泡影。因此，当某种技术或者方案受到瞩目的时候，最好的提醒就是：注意，这是不是可以和其他厂商技术通用的？这是不是WiMAX论坛认证过的（或者即将获得认证）？这是不是真正的WiMAX方案而非局限于某一特定领域或市场的无线技术方案？





        就像WiMAX论坛在“协会宗旨”中宣称的那样，论坛最主要的目标就是保证各种WiMAX设备之间的互联互通。为此，第一步就是首先定义一套WiMAX无线电的性能指标；第二步就是对那些达标产品进行富有权威性的认证。也就是说，厂商如果没有通过WiMAX论坛的认证，那么它就不能将自己的产品命名为“WiMAX产品”。就是在此处，我们现在遇到了第一个关于WiMAX的疑问。很多供应商，包括那些论坛的活跃分子，都已经开始推销自己的未经认证的WiMAX产品。不管是否经过论坛的认证，不管是不是厂商自己的技术定义，“WiMAX”这个名词现在成为所有宽带无线接入产品的统称。目前，只有为数不多的产品获得了WiMAX论坛的统一认证。你可以从http://www.wimaxforum.org/kshowcase/view上查询到这些产品。

WiMAX的数字游戏：802.16标准和它的一堆子孙

图一：无线通信频谱图

        显然，IEEE在促进技术的发展和标准化方面做出了很大的贡献。然而，在这个过程中，该组织内部工作组所使用的各种数字命名，让外人感到非常疑惑。当然，802.16指代的是无线城域网（WMAN，和WLAN实际上同义，见图一）

        但是，802.16d, 16e, 16f, 16m, 16-2004, 16e-2005都是什么意思？我们需要知道哪些区别？哪些信息是研究者或行业外人士不需要了解的？除非你将来有意成为IEEE标准委员会或工作组，那么你只需要记住下面这个总结就行了。为了清楚起见，所有这些标准都以它们在WiMAX论坛中分到的标签作为索引。

   

• 802.16d：已经停用。这曾经是固定WiMAX标准的基础，但是现在已经停用，任何使用这个名词的参考文献都是过时的。     
  
• 802.16-2004：这是固定WiMAX标准的新基础。对于所有人而言（除了个别认死理的），固定WiMAX和802.16-2004是一回事情。     
  
• 802.16e-2005：IEEE规定的移动WiMAX标准的基础。如果要详细了解这个标准，可以参见http://ieee802.org/16/published.html。   
  
• 802.16m：这个标准目前还在雏形阶段。但是这个标准却将成为“移动WiMAX标准2.0”的基础。（唉，为什么所有东西都有一个2.0版本？）     
  
• 802.16f-2005, 812.16.2-2004, 812.16k-2007…如果你真有兴趣，你可以通过IEEE对这些名词做进一步考证。但是说实话，即使你看了，你也不会对现在的WiMAX产业有更清晰的了解。
  

表一：IEEE和WiMAX论坛的名词互译

频带

        在关注无线技术的分析家看来，最先需要弄明白的问题总是和频率联系在一起。哪些频率是某种新无线技术采用的？这个频率是经过许可的还是未经许可的？这些频率在哪些国家或地区是可用的？在哪些国家或地区是不可用的？

        论及WiMAX，最简单的回答就是它在2.5 GHz, 3.5 GHz, and 5.8 GHz频率上运行。当然，现实要比这复杂得多。由于在频率分配上存在的一些问题，美国和加拿大在2.5GHz频带上给WiMAX做的分配是：2.305-2.32，2.3-2.4，2.345-2.36，和 2.469-2.69 GHz。美国电信运营商Sprint公司广为宣传的投资30亿美金的美国全国WiMAX网络将使用2.469-2.69 GHz频带。另一家美国无线运营商NextWave使用的是2.305-2.32 GHz频带，它也已承诺部署WiMAX。韩国电信已经在韩国国内部署了WiBro系统，运行在2.3-2.4 GHz频带上。经过审慎而长远的考虑，印度电信公司已经采用3.4-3.8 GHz频带（为方便器件，也可以叫作3.5 GHz频带）作为固定WiMAX网络的频率。日本的4.9 GHz频带目前虚位以待，中国目前则没有正式宣布WiMAX应用的专属频带。值得注意的是， 虽然目前全球大部分电信运营商只是口头表示要部署WiMAX，但是已有一些小型运营商和初创的服务提供商开始提供“类WiMAX”的服务。


        尚未提及到的是700 MHz和 5.8 GHz频段，这两个频段在大部分国家都没有得到正式批准。业内人士对于这两个频段有两种意见。一种认为，“既然这两个频段还没有得到批准，所以没有人愿意冒险在此频段上部署网络，也没有对WiMAX的市场需求。另一种意见认为，“这两个频段目前还没有得到正式确认，所以任何人都可以在此频段上部署网络，因此对WiMAX的需求也是自然而然的。”至今，WiMAX论坛都没有对这两个频段进行任何定义，第一种意见也无法得到确证。

        除了采用2.5 GHz频带的北美地区，固定WiMAX网络在全球范围都将有效的部署在3.5 GHz频带上。同时，移动WiMAX将可能在欧洲采用3.5GH频带 ,而在其他地区采用2.5 GHz频带。如果中国不采用自己的技术路线图，那么这个国家会和其他重要的国家一样，同样采用2.5GHz频段。

        为了取得上述的统一局面，WiMAX论坛必须两条腿走路，解决当前的频带迷局。首先，论坛应该和各国政府的电信管理机构协同努力，对目前可用的频率资源进行尽可能统一的调配，尽量减少不同无线电架构的数量。其次，论坛要促成自己的成员，包括设备供应商、服务提供商，一起确定第一批WiMAX设备所采取的频带。本文将对第二条策略作进一步阐释。

固定/移动/可携/漫游

        WiMAX通常总会被分为两类：固定和移动。两者的区别在于固定WiMAX不支持信号的转换而移动WiMAX则可以。基于IEEE802.16d标准的固定WiMAX已经获得完整的定义，获得WiMAX论坛认证过的相关产品在全球各个市场都已经有了部署。

        业内对于可携WiMAX设备和漫游WiMAX设备有很多议论。这种区分与其说有实质的运用上的差别，不如说只是一种概念上的无足轻重的人为划分。只要你不是那种特别要求精确的人，这两个概念其实都可以归入固定WiMAX阵营。准确的说，比固定WiMAX更精确的说法是“固定漫游WiMAX”，因为这个协议不仅覆盖了那些真正固定的应用（如同无线DSL），而且也覆盖了“大范围WLAN”式的漫游应用）——用户可以随时关闭上正在使用无线网络的笔记本电脑，移动到另外一个地方，只要这个地方还存在WiMAX服务，他可以随时打开电脑，重新连接上网络。固定WiMAX目前已经较移动WiMAX领先不少，因为在很多地方已经实现了商业化部署。

        移动WiMAX基于IEEE的802.16e-2005协议，它可以让用户从一个网络覆盖区域（或者叫做“蜂窝”）无缝转换到另一个网络覆盖区域。当前，唯一一个建成的移动WiMAX网络部署在韩国的首尔，韩国电信将之命名为WiBro。WiMAX论坛和韩国电信已经达成了一项共识，即将WiBro和移动WiMAX融合为一个标准，这样就消除了两个名字带来的很多混乱，因为这两种技术的本质实际上就是一回事。但是，WiBro这个品牌不会消失，因为韩国电信已经将这个品牌赋予了价值和知名度，很可能韩国的WiMAX网络还是会叫做WiBro。

背景资料

        不过，需要提醒的是WiBro至今还未经过WiMAX论坛的互联互通认证。其中一个重要的原因在于，论坛还没有公布其移动技术指标以用于认证。据说，2007年3月在法国南部举办的WiMAX Plugfest会议上（WiMAX论坛的内部会议，专门用于检测竞争设备制造商之间的产品互操作性），成功展示了大约100个基站和移动站之间的互连，而这些设备是由25个不同设备制造商提供的。这些制造商需要在3个频段上通过6个不同的认证指标的检测。就在本文写作的过程中，定于2007年10月在台湾举行的Plugfest会议上，这些试验结果还可能进一步得到优化。可以肯定的是，不同设备制造商在产品互操作性上的进展是积极的、稳健的、持续的。但是，到底什么是WiMAX的技术指标（Profile）呢？

        “Profiles”，中文对应词一般是“文件”，也许是最容易被误解的议题。就像之前已经说明过的，WiMAX认证是WiMAX论坛的核心任务。必须要让消费者放心，他所购买的WiMAX PCM/CIA卡在任何一个新建的社区WiMAX网络中都是可用的。为了通过论坛组织的认证，制造商的基站设备或者接取站点的设备必须通过一系列的技术要求。在某些准备部署WiMAX网络的地区，多种RF带宽已经事先占用了频谱资源。为了定义WiMAX产品的认证条款，WiMAX论坛需要定义射频带宽，并定义其通道大小和特别的双工模式。比如，某种待认证设备的固定WiMAX认证指标是3.5/3.5/TDD，意思就是：3.5 GHz频带、3.5 MHz通道、时分双工模式。另外一种固定WiMAX的双工模式是FDD：频分双工模式。表二、三显示了WiMAX论坛正式定义的技术指标。

表二：WiMAX论坛定义的固定WiMAX技术指标

表三：WiMAX论坛定义的移动WiMAX技术指标（黑色部分）。所有的移动WiMAX指标都基于时分双工模式（TDD）。

版本和相关说明

        在产品采用新技术和产品尽快市场化之间总是存在着矛盾。根据我们的经验，一种新技术的大规模商用总是要比预计的时间拖后。为了在这两者之间取得更好的平衡，WiMAX论坛决定逐渐地引进其认证指标，以便给制造商留出功能完善和突出产品特色的空间。这种阶段性认证的方法，在WiMAX论坛的“版本及相关说明”中有所体现。

        很简单，版本以及相关说明定义了一整套WiMAX认证所需要通过的功能指标。第一版WiMAX的说明即命名为1.0版本，而WiMAX 2.0的版本还在IEEE组织的完善之中。还记得上文提到的802.16m么？这个标准将最终完善成为WiMAX 2.0版本。不过目前，WiMAX 1.0版本是唯一可以确定的标准。

        版本的下一级条款叫做“Wave”，没有合适的中文对应词，意译即是对版本的详细解释。根据1.0版本、第一条详细条款的解释，移动WiMAX产品的第一套认证标准包括对实时应用的支持规定、完全的移动性能、高吞吐量和详细的安全和节能指标。版本1.0、第二条详细条款则包括了更高级的功能定义，比如多入多出天线技术（MIMO）、波束形成和多点传送的广播服务。

        需要注意的是，所有后来的版本条款以及说明都必须是后向兼容的。另外，这些规定天然具有积累、叠加的特性。比如，WiMAX论坛对于认证条款中的第二子条目的规定就包括所有第一子条目中已经规定的测试，外加上新增添的测试要求。

功率放大器的有关规定－灵活性

        功率放大器技术是WiMAX技术获得快速应用的关键。早期WiMAX手持设备由于电池寿命过短、升温过快的致命缺点，难以获得大规模和远距离的应用。另外，这些设备还应该支持更强大的信号传输需要：如果传输距离增大，那么基站建设的数量、网络铺设的成本都会降低，而且服务提供商们的投资回报周期也会加快。热量、电池寿命、传输能力，这三大要素都极大受制于用户端设备的效能和功率放大器的线性属性。

        WiMAX论坛的优越性在于，它将网络的建造商、射频天线制造商和器件制造商都集中在一起，用以确保各个部分都能为了整体应用的成功而相互配合默契。但是，在达到这种协同效应之前，各个产业链环节仍然要面对很大的不同性能指标——某些情况下，这些要求是相互冲突的，特别是功率放大器和其他组成器件之间的矛盾。

        从某种意义上说，功率放大器已经成为那些决定系统成败的关键器件之一。在现实条件下，一个好的功率放大器就能够保证整个WiMAX市场的成功部署。因为如果没有它，更多基站就要投资建设，否则便无法保障大范围的WiMAX应用。对于移动设备的用户来说，他们最头疼的事情就是电池耗电过快，设备温度过高。任何一种负面的应用体验都将对一门新技术或者一个新产品带来不好的后果。一个好的功率放大器除了卓越的吞吐能力、电源效率和线性特征之外，还应该适应不同的带宽技术指标（包括2.305-2.32, 2.3-2.4, 2.345-2.36, 2.469-2.69, 3.3-3.4, 3.4-3.8GHz频带，以及尚未得到批准的700MHZ，4.9 GHz和5.8 GHz频带）

        一言以蔽之，当前功率放大器的性能还不能满足这个需要。而且，WiMAX产品还有待适应不同的外形尺寸要求，这就对功率放大器提出了更多的要求。比如，一个用在家庭或者公司环境下的固定WiMAX用户端设备，在效率和偏差电压方面都和用在便携式PDA里面的WiMAX用户端设备不同。一个功率放大器必须要同时满足这些要求，同时还要让制造成本能够被厂商和消费者所接受。最终结论就是，一个功率放大器必须足够灵活，以便在不同的频段释放不同的功率，在不同的环境和尺寸要求之下，适应不同的功率要求、线性要求、信号吞吐量要求等等。当然，它的价格还要低到让WiMAX赢得市场。



WiMAX的未来

        虽然WiMAX要赢得市场的广泛接受还需要好一番努力，但是即使所有的努力都已经达到目标，只要全球市场对于统一宽带无线接入的需求还没有足够明确，一切努力都是白费功夫。要弄清楚“是否真的有这个需求”，方法也很简单，你只要看看那些主要的玩家是否已经进场：Intel，Sprint，韩国电信（KT）、三星、摩托罗拉、诺基亚、西门子，哪些名字属于WiMAX论坛的500家成员阵列？同时，市场需求是否足够推动短期以及长期的潜在发展？根据图二和图三，TriQuint半导体公司的产品市场部门勾勒了一个强劲增长的图景，这一图景主要根据对当前到2012年的WiMAX市场需求分析和经WiMAX论坛认证的设备数量而做出的。但是，就像弄清楚各种WiMAX复杂信息需要时间一样，任何对于公众消费和市场力量的预测也需要时间进行修正。历史已经证明，即使那些技术上无懈可击、财务模式天衣无缝、市场推广也周密完善的创意，也并不总是能立即成功。但是对于市场研究者来说，他们的共识依然是乐观的：全球经济大势决定了无线技术仍将继续发展，而宽带无线接入技术又是这一浪潮的主要推动力。虽然没有人能断定LTE、超级3G或者其他4G技术将成为蜂窝通讯技术的替代者，满足人们对于宽带通信的渴望，我们却能够确信，WiMAX将成为宽带无线接入市场上的有力竞争者，凭借其特有的性能，为自己争得一块足够大的市场蛋糕。

        WiMAX在所谓的“4C”上性能卓著：Cost（成本），当然，这里是指大规模应用之后的成本结构；Capacity（容量），更高的调制配置、更广的通道带宽；Coverage（覆盖），其OFDM机制提供了优越的空间覆盖能力；Convergence（协同），802.16家族和WiBro/移动WiMAX的融合，保证了全球技术标准化的快速演进。

        未来的宽带接入市场将包容一系列不同的标准和协议，比如全球范围沿用下来的蜂窝网络和固定以及移动的WiMAX方案。伴随着数据存储、数据传输速率的不断演进，我们对于技术的要求总是从好到更好、从快到更快、我们对于通讯体验的要求也是从固定到随时随地的互联互通，这种要求没有满足，也没有尽头。在这样的背景下，宽带无线产业将继续21世纪第一个十年的迅猛发展势头，进入下一个飞速发展的十年。

图二：TriQuint公司对于WiMAX市场的分析和预测（2005到2012年）

图三：固定/移动WiMAX新增用户的数量