WiMAX性能、业务和产业发展

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摘要　WiMAX是当前的技术热点之一，已经成为IT厂商与传统移动通信设备厂商竞争的又一焦点。本文从性能、业务和产业发展3个维度对WiMAX发展中存在的一些问题进行分析与探讨。
在2007年6月初国际电信联盟（ITU）日本京都会议上，WiMAX技术顺利地通过了工作组级别的讨论，如果在下一级别研究组没有不同意见，WiMAX将正式成为3G标准之一。伴随WiMAX产业的发展，各种技术、市场的争议一刻也没有停止。本文将从性能、业务和产业发展3个方面对WiMAX发展中存在的一些问题进行分析。
根据Intel的资料显示，802.16d（802.16-2004）CPE（用户驻地网设备终端）成本已经降到100美元以下，但与ADSL CPE相比价格仍然太高，在宽带接入市场并不具有竞争优势。伴随802.16e（802.16-2005）的快速发展，802.16d的机会窗口越来越小，作者赞同“802.16e将逐步取代802.16d”的观点，因此本文重点探讨移动WiMAX（802.16e）的发展前景。
1、移动WiMAX覆盖能力
工作频率对无线移动通信系统的发展具有决定性意义，WiMAX论坛建议WiMAX工作在2.3 GHz、2.5 GHz和3.5 GHz 3个频段[1]，由于3.5 GHz频率太高、非视距通信能力较差，建网成本过高，所以3.5 GHz并不适合大规模蜂窝组网。对于频率分配进展，本文将在§3做重点分析，因此本节暂不考虑由于频率问题产生的性能差异。下面以HSDPA（高速下行链路分组接入）为参考，通过链路预算，重点分析移动WiMAX的覆盖能力。
链路预算是移动WiMAX无线网络规划中必不可少的部分，通过链路预算可以初步了解规划区内小区半径、所需基站数和站址的分布。由于WiMAX空中接口采用了OFDMA（正交频分多址接入）技术，与GSM、CDMA蜂窝系统的链路预算有很大的不同，本节以HSDPA为参考，重点分析移动WiMAX下行最大链路损耗。由于篇幅限制，本文重点讨论WiMAX引入的新增链路参数项。假设二者均工作在2.1 GHz频段，系统参数见表1。

表1　系统参数

（1）基站发射功率
WiMAX业务信道功率分配如表2，数据子载波功率29.31 dBm。假设HSDPA最大功率比为30%，则二者发射功率差值为24.46 dB。

表2　基站发射功率分配

（2）终端/移动台接收灵敏度
为了评估小区最大覆盖能力，假设二者均采用QPSK 1/2编码调制方式，设备参数、线缆损耗、解调参数、穿透损耗均相同。WiMAX采用OFDM（正交频分复用）技术，子载波间隔非常小，而HSDPA是采用扩频调制技术的宽带通信技术，由于带宽的差异，导致接收机噪声功率相差25.45 dB（见表3）。
表3　接收灵敏度对比

参数	HSDPA	WiMAX
热噪声密度（dBm/Hz）	-174	-174
占用带宽（kHz）	3 840	10.94
接收机噪声功率（dBm）	-108.16	-133.61

（3）增益与余量对比
HSDPA为宽带扩频通信系统，扩频增益为12.04 dB；WiMAX采用OFDMA技术，没有扩频增益，但为了提高覆盖性能，对于低阶调制方式，802.16-2005规定可以采用2次、4次、6次重传，则其重传增益分别为3 dB、6 dB、7.8 dB。
由于HSDPA为CDMA自干扰系统，干扰余量一般取2.5 dB，同等条件下WiMAX干扰余量为2 dB。
二种系统在下行均为TDD（时分双工）模式，切换方式为硬切换，所以切换增益均为0，没有差异。
系统最大允许路径损耗见公式（1）：
最大允许路径损耗=系统增益+∑增益-∑损耗　（1）
基于上述分析，移动WiMAX与HSDPA的下行最大允许路径损耗差值为2.8 dB，其主要原因是HSDPA具有较大的扩频增益。但是需要说明的是，上述分析WiMAX系统没有采用MIMO（多输入多输出）、AAS（先进天线系统）、STC（空时编码）等新的无线通信技术，一般条件下2×2MIMO会带来3 dB的增益，8天线AAS会带来约9 dB的赋形增益，STC也会带来3 dB的编码增益。因此，WiMAX要成为一种移动通信标准，其覆盖并不是主要问题，主要是容量受限。
2、WiMAX的语音业务能力
WiMAX由一种宽带无线接入技术演变而来，具有较高的数据速率吞吐量，其数据和多媒体业务能力已经在韩国等地得到验证，WiMAX作为3G数据业务的补充能力基本得到业界认可，下面重点分析802.16e支持的VoIP业务能力。WiMAX可以提供具有QoS质量保证的VoIP业务，这已经在802.16d商用产品中得到验证。根据802.16d试验测试情况。在3.5 GHz频段3.5 MHz FDD模式、视距条件下系统最大可以支持50路G.711（64 kbit/s）编码语音。但移动通信系统要比PMP（点到多点）复杂得多，时延、切换、业务的连续性等问题均需要得到有效解决，而WiMAX在这些方面仍然很不成熟。移动WiMAX的高频谱效率与数据吞吐量为提升VoIP用户数提供了技术基础，但在设备的具体实现上仍存在许多问题，其主要影响因素包括：
●信令开销，WiMAX的信令开销随用户数的发展线性增加；
●信源编码效率；
●功率、符号等资源；
●调度算法的影响，语音是高时延敏感业务，也许系统资源足够，但由于系统调度算法的影响，而不能充分使用全部资源。
目前关于WiMAX的研究非常多，参考文献[2]为IMT-2000中国仿真工作组的仿真，仿真条件为10 MHz带宽TDD（时分双工）模式、1×3×1频率复用、AMR语音编码、上下行比例1:1，仿真结果为：下行VoIP容量为80用户/扇区；上行VoIP容量为100用户/扇区。此时下行受限，最大用户数为80用户/扇区。由于移动通信系统主要是上行受限，上述仿真结果仍可以进一步优化，通过调整上下行符号的分配比可以进一步提升系统容量。而在参考文献[3]中，在相似条件下，Intel的仿真结果为每扇区最大用户数高达175个，二者的差异非常大。为了解决VoIP效率问题，业界提出了许多改进方法，如包头压缩技术、新的编码技术、新的资源调度算法等。相对于802.16d，802.16e在标准方面也进行了改进，新增了ERTPS QoS机制，其支持变速率编码和静默压缩。可以节省上行资源。与UGS、RTPS相比，VoIP容量可以提升21%以上。截至目前，业界对移动WiMAX的VoIP容量仍然没有达成共识。移动WiMAX能支持的最大用户数需要在组网条件下进行测试和验证，目前尚缺乏可信的试验数据。韩国版WiMAX-WiBRO在2006年4月正式商用，市场拓展不理想，主要是业务模式与市场策略问题，但是业务提供与技术能力是二个不同的概念，作者认为移动WiMAX的高频谱效率为高语音容量提供了技术基础，但网络实际性能取决于标准和设备实现，而标准的完善、设备的成熟需要时间。
3、产业问题探讨
（1）WiMAX属于3G还是4G
要明确WiMAX属于3G还是4G，首先必须明确划分标准，是以速率、业务、出现时间，还是以核心技术为划分标准，不同的维度会有不同的结论。在ITU中3G被称为IMT-2000，定义为基于CDMA或TDMA技术的空中接口，而WiMAX空中接口采用的是OFDMA，从这个角度分析WiMAX不属于3G。2007年6月在京都会议上ITU工作组已经同意WiMAX加入IMT-2000，在2007年底的WRC07大会后将会给出一个明确答案。因此，目前的答案是“WiMAX是IMT-2000候选技术之一”。对WiMAX与3G的关系，WiMAX论坛的态度也在发生微妙的变化，初期定位于无线互联网，做3G的互补，现在宣称融合。对4G，ITU目前还没有定义，仅是一种市场宣传。
（2）WiMAX的定位
这也是一个比较模糊的概念，需要明确是技术定位还是市场定位。基本结论是“WiMAX是IMT-2000候选技术之一”。目前业界争议比较多的是市场定位，WiMAX是3G补充还是3G的替代者，从业务角度分析，其实质就是WiMAX是否提供语音业务。作者认为仍然需要从技术和市场2个角度分析。从技术分析，WiMAX可以提供具有QoS保证的语音，并已经得到验证，因此，这一问题就归结为一个市场发展问题，其实质是运营商是否采用WiMAX做语音解决方案问题。运营企业选择技术的关键是要在保证服务质量的前提下降低运营成本，网络融合可以降低网络建设与运维成本。要降低网络建设成本，仍需要从技术和市场二个维度分析。WiMAX采用OFDMA技术，有效提高了频谱效率，在同等技术条件下每比特成本更低，即OFDMA技术为WiMAX降低运营成本提供了可能性。但是，技术优势并不等于设备价格优势。影响设备成本的关键因素是市场规模，设备成本与市场规模成反比。以中国市场为例，中国移动通过集中采购，大大降低了GSM设备价格，目前GSM每线成本仅相当于CDMA每线成本的三分之一。因此，WiMAX的技术定位是清晰的，技术的演进趋势也是明晰的，但市场仍处于发展阶段，在移动通信发达的国家，移动WiMAX将成为现有网络（GSM/CDMA）的补充，在一些发展中国家，移动WiMAX为新兴运营商提供了机会。如果WiMAX成为3G标准之一，WiMAX与CDMA技术的关系将进一步明确，WiMAX与3C互补的讨论也将成为假命题。
（3）WiMAX的频率问题
频率对移动通信技术的发展具有决定性影响，频率的分配往往代表了政府的态度与看法，也是不同利益集团博弈的结果。由于WiMAX得到了美国、英国、澳大利亚等多数国家的支持，作者对WiMAX成为“IMT-2000”一员持乐观态度，认为其频率问题将会得到有效解决，2007年底形势将会趋于明朗。由于众所周知的原因，中国目前持保留态度，但这个问题仍有解决的办法。由于WiMAX同时支持FDD（频分双工）模式，因此，在中国FDD WiMAX也许是一个潜在的选项。
4、结语
移动WiMAX的发展不仅仅是技术问题，市场的因素更为重要。作者认为目前影响WiMAX发展的关键因素是市场与业务模式，这也是困扰3G发展的共性问题。3G的CDMA阵营以多媒体通信为卖点，但根据和记黄埔的市场调查发现在欧洲3G市场吸引用户的主要原因是便宜的语音。现阶段WiMAX的发展类似于20世纪90年代中期的IS-95，作者认为WiMAX就是一种3G技术，在具有技术的先进性同时产业化进程又相对滞后。市场定位取决于市场启动时间点。以中国市场为例，20世纪90年代初期市场选择GSM，2000年运营商希望选择cdma2000，2005年运营商希望选择WCDMA，2010年市场又会选择谁?CDMA产业经过几次兼并重组，CDMA厂家已经屈指可数，与GSM时代的繁荣形成鲜明对比。由于CDMA产业链发展不健壮，没有使价值链上的各厂家实现共赢，因此，作者认为CDMA的机会窗口越来越小。同时，作者认为移动通信技术已经进入一个新的发展阶段，其标志就是OFDM和MIMO，它们代表了当前无线通信技术的发展趋势。从全球的视野分析，采用积极的产业政策，顺势而为，方能真正维护中国通信产业的整体利益。
参考文献
1　WiMAX Forum. Mobile system profile release 1.0 approved specification（revision 1.2.2），2006-11-17
2　Chinese evaluation group（CHEG）evaluation report on proposed six terrestrial radio interface for IMT-2000，www.itu.int
3　Mobile WiMAX VoIP capacity system level simulations，www.wimaxforum.org
4　IEEE P802.16e/D6.Standard for local and metropolitan area networks part 16：air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems，amendment for physical and medium access control layer for combined fixed and mobile operation in licensed bands，February 2005