移动WiMAX系统的关键技术及未来演进

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摘要　本文首先介绍了移动WiMAX为支持高速移动数据业务所采用的关键技术，主要包括多天线技术和分组调度算法，然后阐述了移动WiMAX为符合国际电联IMT-Advanced要求而提出的IEEE 802.16m增强标准，就其主要内容和标准化进程进行了详细介绍，给出了未来演进思路和协议标准化计划。
1、概述
在第三代移动通信（3G）领域，为了满足迅速增长的对高速移动数据业务，特别是移动互联网业务的需求，在3G标准的基础上，提出了相关的增强技术，包括3GPP的短期演进HSDPA（高速下行分组接入）和HSUPA（高速上行分组接入）技术及3G长期演进（LTE）技术等；而在3GPP2中，其增强和演进技术包括cdma2000 1x EV-DO、1x EV-DV和超移动宽带（UMB）。3G的增强只是暂时满足了业务的宽带化需求，最高传输速率有限，如HSDPA峰值速率不超过14.4 Mbit/s。从更长时间来看，考虑到多系统的相互融合，在3G长期演进的基础上进一步演进，也就是第四代移动通信系统（4G）或者后3G移动通信系统（B3G），而国际电联（ITU）则为其命名为IMT-Advanced[1]。IMT-Advanced预计于2010年前后开始商用，2015年开始大规模部署。该系统在低速移动的室内和室外环境中，将提供高达1 Gbit/s的小区吞吐量，在中高速移动的广域环境下，将提供最高100 Mbit/s的峰值速率[2]。
在蜂窝移动通信系统演进的同时，无线宽带接入系统也迅速发展。宽带无线接入技术作为下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，正受到业界越来越多的关注。移动WiMAX是目前无线宽带接入技术的代表，它的技术标准IEEE 802.16e的目标是能够向下兼容IEEE 802.16d。IEEE 802.16e协议作为固定接入技术的扩展，增加了终端用户的移动性功能，从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。为了进一步提高移动WiMAX的无线接入性能，向IMT-Advanced的要求靠近，移动WiMAX的演进提到了议程，在IEEE 802系列标准中专门成立了IEEE 802.16m标准化工作组。
最近在日本召开的ITU-R第8F工作组会议上，作为WiMAX特别子集的IMT-2000新地面无线电接口“OFDMA TDD WMAN”被提交批准为下一级会议审批议题，这标志着WiMAX进入3G体系的战略成功地走出了关键的第一步。实际上，移动WiMAX较目前的3G标准以及短期演进有很多的优势，比如能更好地支持高速分组数据业务，能更便捷组网等，但其缺陷则是大规模蜂窝组网先天不足，所以如何增强目前的移动WiMAX，如何让移动WiMAX更好地向IMT-Advanced演进，是目前业界关注的热点问题也是未来需要重点研究和突破的难点之一。
本文首先阐述了移动WiMAX目前采用的关键技术，然后讨论了移动WiMAX最新演进状态，介绍了IEEE802.16m协议，讨论了其如何向IMT-Advanced性能要求趋近，最后对移动WiMAX的发展进行了展望。
2、移动WiMAX关键技术
为了提高WiMAX系统性能，支持更高的传输速率，移动WiMAX在传统的IEEE 802.16d协议基础上，采用了许多关键技术，例如多输入多输出（MIMO）天线技术、干扰协调技术等，下面将分别介绍。
2.1　MIMO天线技术
对于未来的移动通信系统而言，如何在非视距的恶劣信道条件下保证高的服务质量（QoS）是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于一般的单输入单输出（SISO）天线系统，如果要保证以上条件就需要较多的频谱资源以及复杂的调制编码技术，但是频谱资源的有限和系统成本的要求，使SISO系统的发展遇到了瓶颈，这就使让MIMO技术成为未来移动通信的关键技术。总的来说，移动WiMAX中的多天线技术可以分为3类，分别是波束赋形、空时编码和空间复用。波束赋形是智能天线的关键技术，通过将主要能量对准期望用户从而提高信噪比，有效抑制共道干扰。空时编码分为空时格码和空时块码，空时格码可以使系统同时获得编码增益和分集增益。空时块码降低了译码复杂度，同时可以获得2倍于接收天线数目的分集增益。空间复用在发射端发射相互独立的信号，可以最大化MIMO系统的平均发射速率。在IEEE 802.16e中，虽然MIMO只是一个可选方案，但是空时编码和空间复用技术都得到了应用，从而有效地提高了系统的容量和覆盖，并且协议还给出了同时使用两种技术的形式。同时对MIMO给出了相当完备的定义。
移动WiMAX支持2根天线、3根天线或4根天线。多天线系统可选用分集增益以提高信噪比和信道质量，也可选用复用增益以提高吞吐量。以2根天线为例，以下3个公式分别对应3种不同的天线阵形。

其中A天线阵形采用了分集增益，用1根接收天线即可解出信号，多天线传输码率为1。B天线阵形采用了复用增益，多天线传输码率为2，提高了吞吐量，但要求接收端采用2根天线，对于现在小型移动终端，实现2根天线的MIMO系统尚有天线技术方面的困难。另一方面对于B天线阵形的发送方式，协议还提供了天线选择的配合方式，这样就减少了小型移动终端天线配置的技术要求，但B天线阵形会降低多天线传输码率，不能使复用天线阵形获得最优的吞吐量性能。C天线阵形是一种基于Gold码的多天线阵形，可以得到的传输码率为2，并且可以得到一部分分集增益，但编码复杂度高。
图1是水平分层空时码的实现流程。它从比特级就分开处理，并分别进行编码和调制。

图1　水平分层空时码

图2是垂直分层空时码的实现流程，与水平分层空时码不同，垂直分层空时码在调制之后才分开，相比而言，垂直分层空时码性能会更好，因为其同一编码块的比特经历了不同的信道，有空间交织的效果，但它们的性能都无法达到仙农容量。

图2　垂直分层空时码

图3所示为cdma 2000 1x EV-DO、HSPA（HSDPA/HSUPA）、移动WiMAX等系统的频谱效率对比。EV-DO和HSPA均采用CDMA技术，相比之下，采用OFDM技术的WiMAX系统无论在上行还是下行都有更高的频谱利用率。在移动WiMAX系统中，相比SIMO（单入多出）技术，MIMO有更高的频谱利用率和更优化的系统性能。

图3　不同移动通信系统频谱效率对比

为了配合多天线的配置和提高WiMAX对移动性的支持，移动WiMAX在IEEE 802.16e协议中对用作估计信道的导频进行了完善。多天线系统如果依然使用单天线中的导频，导频信号将产生严重的天线间干扰，所以协议在时频资源上将不同天线正交，以减小干扰。图4所示是2根天线时正交导频位置。需要注意的是，为了提高移动性能，移动WiMAX协议将占用部分数据载频以加强导频的密集度，克服高速移动带来的多普勒频移和快衰影响。

图4　2根天线配置时导频位置实例

移动WiMAX协议中高级天线系统（AAS）即目前业界常说的智能天线技术，它是使用多个天线阵元，自适应地调整天线模式，将波束对准每个单独的用户，以达到扩大覆盖和提高系统容量的目的。AAS的作用在于：
●通过生成多个波束对准多个用户进行空分复用来提高频谱效率；
●对多个信号进行相关合并以提高处理后SNR（信噪比）的增益；
●可以使用波束赋形的零陷技术来降低邻小区干扰。作为移动WiMAX协议中的可选部分，AAS起到了很好的兼容新设备与新技术的作用，为技术的发展演进提供了协议保证和信令支持。
移动WiMAX中多天线系统的应用增强了系统性能，提高了频谱利用效率，增加了系统吞吐量。而多天线技术又是移动通信发展的必然趋势，其在原来时、频、码的资源上又增加了空间维度，使无线通信系统更大程度地满足了现代数据业务大吞吐量的要求。
2.2　干扰协调调度技术
移动WiMAX系统依然采用蜂窝小区的网络拓扑结构，但OFDM技术在蜂窝小区布网时，最大的问题是小区边缘用户由于受邻小区干扰太大，不能满足业务QoS需求。对此有3种解决方案。
方案一，在干扰大的小区边缘添加中继以增加信号强度，但这样新增加的中继节点又会对邻小区产生新的干扰，当中继多时网络拓扑变得更加复杂。
方案二，利用多天线提高小区边缘用户性能，但邻小区也需采用多天线，同时干扰也会相应加大。
方案三：如图5所示的蜂窝网络小区结构中，小区中心采用频率复用因子为1，而小区边缘采用频率复用因子为3，这样小区边缘就可得到相对好的信噪比，提高用户业务质量。这样小区边缘采用大于1的频率复用因子以减少小区边缘用户干扰的干扰协调技术可以提高小区边缘用户的QoS，满足数据业务的高吞吐量要求。

图5　基于小区边缘干扰协调的小区拓扑结构

目前，移动WiMAX大多采用方案三来提高系统频谱效率，在这种网络结构下，小区内部和小区边缘如何分配子载波，在已分配的子载波上如何分配功率是实际布网中遇到的关键问题之一。分配方法可以是静态分配，即在各小区内部固定采用一些子载波，并固定分配功率，也可是动态分配，即根据实际场景的负载分布来确定资源分配，同时根据QoS来分配资源。根据现有的资源和网络结构来实现用户不同业务的QoS是干扰协调最大的优势。
3、向IMT-Advanced迈进
移动WiMAX的下一步演进将是迈向IMT-Advanced，与其他B3G技术相融合，成为IMT-Advanced家族成员之一。这一步演进，就是通过新定义的IEEE 802.16m标准的制订来实现的。
IMT-Advanced是ITU-R给后3G（B3G）或者称为4G移动通信系统的正式命名，其目标是成为3G和B3G之后的下一代移动通信系统。IMT-Advanced技术需要实现更高的数据速率和更大的系统容量，其传输目标是固定状态下传输速率达到1Gbit/s，移动状态下达到100 Mbit/s。
要使从WiMAX技术演进而来的802.16m能成为IMT-Advanced标准之一，则必须首先考虑演进后的802.16m是否能够满足这个最基本的要求。为了满足人们对传输速率日益增长和高速移动性的要求，IEEE 802.16委员会设立了802.16m项目，并于2006年12月批准了802.16m的立项申请（PAR），正式启动了IEEE 802.16m标准的制订工作[3]。
IEEE 802.16m项目的主要目标有两个，一是满足IMT-Advanced的技术要求；二是保证与802.16e兼容。为了满足IMT-Advanced所提出的技术要求，IEEE 802.16m下行峰值速率应该实现：低速移动、热点覆盖场景下传输速率达到1 Gbit/s以上，高速移动、广域覆盖场景下传输速率达到100 Mbit/s。为了兼容802.16e，IEEE 802.16m标准考虑在IEEE 802.16 WirelessMAN-OFDMA的基础上进行修改来实现。通过对IEEE802.16 WirrelessMAN-OFDMA进行增补，进一步提高系统吞吐量和传输速率。目前，基于IEEE 802.16e的移动WiMAX技术物理层采用了MIMO/波束赋形以及OFDMA等先进技术，可以提供较好的移动宽带无线接入。由于采用了MIMO/OFDM等4G的核心技术，移动WiMAX在某些方面已经具有了4G的特征，因此IEEE 802.16m完全可以在移动WiMAX技术的基础上进行修改而得来。
IEEE 802.16d技术和3G技术在带宽、数据率、移动速度和业务类型等方面都存在很明显的差异。但是，随着技术的发展，WiMAX技术对终端移动速度的支持不断改善，3G演进技术在传输速率上则不断提高，最终两者之间的差距变得越来越小，这也为两者在4G中的融合提供了可能。图6是3G系列以及802.16d/802.16e系列的演进路线。从图6中可以看出，两个系列的标准最终将融合到IMT-Advanced这个大家庭中，成为IMT-Advanced系列标准的成员。

图6　移动WiMAX和3G向IMT-Advanced演进的路线

3.1　IEEE 802.16m协议增强和改进
与802.16e相比，802.16m无论从物理层技术、MAC层技术还是从总体性能上都有所增强。
从物理层上看，802.16m将支持OFDMA技术以及包括MIMO、波束赋形在内的先进天线技术，这些技术将在802.16e的基础上进一步地增强。从天线配置上看，802.16m中要求下行至少能够支持2发2收，上行至少能够支持1发2收。而OFDMA技术则应该支持更加细化的频率分配技术，例如对子信道边缘的子载波进行转换分配等。至于带宽方面，802.16m将支持从5 MHz到20 MHz的可变带宽，在某些特殊情况下可以支持高达100 MHz的带宽。对于终端来说，带宽超过20 MHz的方案将采用可选的形式。具体方案的采用将视IMT-Advanced的规定以及运营商的要求来确定。802.16m中对于双工模式的支持仍将采用与802.16e中一样的方案，即全双工TDD、全双工FDD和半双工FDD等。
从MAC层上看，必须进一步改善802.16e中MAC层的功能，包括业务安全保障、QoS和无线资源管理等，以便降低传输时延，减少系统开销，从而实现更高的传输速率、系统吞吐量以及支持更高的终端移动速度。安全保障方面不仅要提供强健有效的用户设备认证方案，还应该提供灵活可靠的业务隐私安全保障。QoS则要求对更多不同类型业务的通信质量进行保障。无线资源管理虽不属于802.16m标准的制订范围，但是其相关技术对应的信令和参数必须得到MAC层的支持。
系统性能方面，802.16m也提出了较多的比802.16e更高的要求。速率方面除了满足IMT-Advanced的基本要求外，802.16m还提出了归一化峰值速率要求，即下行大于6.5 bit/（s·Hz），上行大于2.8.bit/（s·Hz）。业务时延方面的要求则要视具体业务而言，但是MAC PDU传输处理的时延要控制在10 ms以内。在状态转换中，如从IDLE_STATE到ACTIVE_STATE转换时，其时延要控制在100 ms以内。切换中断时延则要求同频切换小于50 ms，异频切换小于100 ms。从总体上看，802.16m的平均用户吞吐量比802.16e的平均用户吞吐量要大很多，在只承载数据业务时，802.16m的上下行平均用户吞吐量要比802.16e大两倍以上。对终端移动性的支持方面，802.16m也比802.16e有很大的增强，系统将支持移动速率高达350 km/h的终端用户的接入及正常通信。
3.2　IEEE 802.16m标准计划
2006年11月，WiMAX论坛通过了移动WiMAX特性Release 1.0[4]，这标志着移动WiMAX技术方案的确定。如今，移动WiMAX技术已进入商品测试阶段。预计到2007年下半年，MIMO以及波束赋形等先进技术将在移动WiMAX终端中实现。技术演进方面，802.16e标准的制订已经宣告结束，现在业界所关注的是由TGm（移动工作组）负责的802.16m的标准化进程。为了保持与IMT-Advanced的进展一致，满足IMT-Advanced所提出的新需求，TGm工作组参照IMT-Advanced工作计划表制订出如图7所示的工作计划表。

图7　TGm工作组的工作计划

从研究进程上看，IEEE 802.16m项目的研究主要分为3个阶段：初始化阶段、技术发展阶段、投票阶段。目前，802.16m项目的研究还处于初始化阶段，其主要任务是进行需求研究。主要需求包括：一般需求、功能需求、性能需求、网络部署相关需求、使用模型等部分。
根据TGm工作组前3次会议制订出来的草案，上述各部分需求所包含的内容如表1所示。

表1　需求的具体内容

TGm是由IEEE 802.16委员会指定的专门负责IEEE 802.16m项目的工作组，该工作组的任务主要是依据P802.16m的有关申明（P802.16m PAR和五项标准申明），对802.16m空中接口技术进行制订。截至2007年5月，TGm已经成功举办了3次会议（会议#47、#48及#49），并已初步完成了对总体需求方案、信道模型及评估方案、布网相关需求方案等的征稿以及相关草案的制订工作。根据TGm初步制订的工作计划，802.16m标准的制订工作将于2008年年底完成。
4、结语
移动WiMAX在高速分组数据业务传输、便捷灵活组网方面具有传统蜂窝移动通信所不具有的显著优势，但如何趋近IMT-Advanced的要求，仍然需要有一个清晰的演进路线图。移动WiMAX的演进需要充分考虑目前采用的关键技术，在未来演进中需要充分采用这些关键技术，提供更好的性能。
值得关注的是，为了分享ITU分配给3G的频谱资源，移动WiMAX正在努力加入3G家族。实现全球漫游等目标，成为真正意义上的移动通信技术。随着移动WiMAX加入3G家族的进程加快，移动WiMAX关键技术性能以及其未来向IMT-Advanced演进的技术路线将直接决定未来移动WiMAX的发展和在移动通信领域所占的地位。
参考文献
1　彭木根，陈峰，王文博.下一代移动通信系统和普适计算技术.电信快报，2006（6）
2　Fong B,et al. On the scalability of fixed broadband wireless access network deployment. IEEE Communications Magazine，2004，42（9）
3　IEEE 802.16m PAR，http：//standards.ieee.ors/board/nes/projects/802-16m.pdf
4　WiMAX Forum.Mobile system profile，release 1.0 approved specification（revision 1.2.2），2006