WiMAX应用场景和前景的详细分析

admin

摘要　文章对WiMAX的两大技术标准进行了阐述，分析了其主要的核心技术，并对WiMAX的应用场景和应用前景进行了详细分析。
编者按　WiMAX作为一种宽带无线接入技术及未来3G网络的有益补充，在远距离传输、高速宽带接入及多媒体通信等方面具有非常突出的优势。目前，WiMAX在欧美、日韩等国已经进入应用阶段，在中国，中国网通和电信等运营商已开始进行WiMAX的规模测试及试商用。另一方面，WiMAX在国内电信市场发展也面临着诸多因素的制约，如何充分利用其技术上的优势，明确目前阶段自身的定位和应用的主要切入点，已成为关系WiMAX未来在中国发展的关键问题。
为此，我刊于本期特别推出“WiMAX技术及发展”专题，就WiMAX的标准研究、WiMAX PHY/MAC层关键技术及系统设计、WiMAX 802.16d与802.16e的比较、WiMAX与3G之间的技术关系、WiMAX的应用场景及前号展望等方面，与业界专家、研究者一起进行全面深入的研究和探讨。
“无线+宽带”已经成为目前网络发展的趋势之一，各种无线技术在宽带无线接入领域展开激烈竞争，WiMAX（World Interoperability for Microwave Access Forum，全球微波接入互操作性论坛）正是其中一种自出现就备受业界关注的宽带无线接入技术，具有覆盖范围广和数据传输速率高的特点。在WiMAX从“固定-游牧/便携-移动”模式的技术演变过程中，其突出的技术特性、宽带优势、多个实力厂商加盟等等，都为WiMAX的未来奠定了基础。
1、WiMAX的两大标准
WiMAX是根据IEEE 802.16标准定义的一种无线宽带接入技术，IEEE 802.16标准有多个版本，802.16-2004（802.16d）和802.16-2005（802.16e）这两个版本使WiMAX真正成为了无线领域中的热点。特别是802.16e的发布，为个人移动宽带领域的发展带来了巨大的推动力。业界普遍认为，WiMAX的真正成功需依赖于移动版本802.16e的繁荣，而2007年是16e产品成熟的前期。
IEEE 802.16-2004即802.16d支持固定和游牧的视距（LOS）和非视距（NLOS）传输。在视距环境下，它可以工作在10GHz～66GHz频带。在非视距环境下，它可以工作在小于11GHz频带。802.16d也被视为传统3.5GHz固定无线接入技术和LMDS技术的标准化升级版本。
IEEE 802.16-2005即802.16e支持切换和漫游功能，能够应用在车速移动环境下。802.16e主要工作在小于6GHz频带。
不同频段下的物理特性各不相同，如下所示：
◆10GHz-66GHz许可频段：在该频段，由于波长较短，只能实现视距传播。典型的信道带宽为25MHz或者28MHz，当采用高阶调制方式时，数据速率能够超过120Mb/s。
◆11GHz以下许可频段：在该频段，由于波长较长，因此能够支持非视距传播。此时系统会存在较强的多径效应，需要采用一些增强的物理层技术，如功率控制、智能天线、ARQ、空时编码技术等。
◆11GHz以下免许可频段：该频段的传播特性与11G以下的许可频段一样，不同点在于非许可频段可能存在较大的干扰，需要采用动态频率选择DFS等技术来加以解决。
2、WiMAX的核心技术
WiMAX的核心技术主要包括以下几个方面：
◆OFDM/OFDMA
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用）是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统/下一代蜂窝移动系统的关键技术之一。在WiMAX系统中，OFDM技术为物理层技术，主要应用的方式有两种：OFDM物理层和OFDMA物理层。OFDM物理层采用OFDM调制方式，OFDM正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流。支持TDD和FDD双工方式，上行链路采用TDMA多址方式，下行链路采用TDM复用方式，可以采用STC发射分集以及AAS自适应天线系统。OFDMA物理层采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD双工方式，可以采用STC发射分集以及AAS。OFDMA系统可以支持长度为2048、1024、512和128的FFT点数，通常向下数据流被分为逻辑数据流。这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议（MAP）分配子信道传输上行数据流。虽然OFDM技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了ScalableFFT，可以根据不同的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。
◆MIMO
MIMO是未来移动通信的关键技术，它解决了SISO系统需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术才能解决的在非视距和恶劣信道下保证高QoS的问题，能显著地提高系统的容量和频谱利用率，从而大大提高系统的性能。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码，这两种形式在WiMAX中都得到了应用。目前MIMO技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中，但是目前很少有成熟的产品出现，估计在MIMO技术的研发和实现上，还需要一段时间才能够取得突破。
◆HARQ
HARQ技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，所以间接扩大系统的覆盖范围。16e中支持CC（卷积码）和CTC（卷积Turbo码）的HARQ方式。HARQ功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中用消息SBC被确定和协商的。HARQ是基于每个连接的，它可以通过消息DSA/DSC确定每个服务流是否有HARQ的功能。
◆AAS（自适应天线）
AAS采用多根天线收发信号，利用数字信号处理技术跟踪和提取各移动用户的空间信息，产生空间定向波束，达到充分利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。另外，可以利用用户空间位置的不同，在同一信道中发送和接收各用户的信号，而不会引入较大的相互干扰，从而提高系统的频谱利用率。
◆QoS机制
在WiMAX标准中，MAC层定义了较为完整的QoS机制，规定了4种上行业务调度类型。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。
3、WiMAX应用场景
与其它有线接入手段（如xDSL、Cable、光纤接入等）相比，WiMAX技术具有部署速度更快、扩展能力更强、灵活性更高的优点。WiMAX对于新兴国家的电信市场与广大的乡村地区特别有吸引力，尤其在一些基础建设不良的地区，更突显出它的竞争力。此外，在一家固网运营商居垄断地位的地区，新兴运营商由于缺乏基础建设与线路需花大笔费用向其租借线路使用费才得以运营，而WiMAX向其提供了不受限制迅速开展业务的有效手段。因此，WiMAX被认为是DSL的补充，可以向家庭和小企业提供“无线DSL”服务。WiMAX的典型应用场景如图1所示。通过WiMAX系统，室内、室外的Wi-Fi用户可以接入到Internet/Intranet，同时WiMAX还可以提供移动终端、移动Laptop的无线接入以及企业Wi-Fi热点区域的后端传输功能。

图1　802.16无线接入技术应用场景示例

具体来说，WiMAX技术可应用于固定、游牧、便携、简单移动和自由移动这五类业务应用场景，并随着WiMAX技术从固定无线接入发展到移动无线接入，应用场景也从固定发展到自由移动。相应的，各种应用场景分别需要不同的空中接口标准的支持。
◆固定
固定接入业务是WiMAX运营网络中最基本的业务模型，该业务场景不支持连接的移动或切换，在IP连接建立之前，必须进行鉴权或授权。用户站（SS）可以根据信号质量来选择和偶尔改变它的连接，换到“好”的可用基站（BS）上，当SS断开与BS的连接并重新加入网络后，必须重新分配IP地址。
◆游牧
游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段，SS可以从不同的位置接入到运营商的WiMAX网络中。然而在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入，在两次不同网络接入中，传输的数据将不被保留。在这种运营模式下，需要进行交互的鉴权，如果用户的归属运营商和拜访运营商具有相同的鉴权用户数据，用户就可以在这两个不同的运营商网络之间进行漫游。在这个阶段，不支持不同基站之间的切换。一个游牧的SS每次入网时将获得不同的IP地址。
◆便携
便携式业务是游牧式业务发展的下一个阶段，从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。当进行切换过程时，用户将可能经历中断，或者感到一些延迟，或者服务质量的下降。在最差的情况下，切换中断应保持TCP/IP的会话连接。
◆简单移动
简单移动业务是便携式应用的进一步拓展。当用户处于固定接入和漫游状态时，使用模型与固定接入和漫游是没有任何区别的。在切换过程中，连接是采用“尽力而为”的方式。简单移动业务设定了一个移动速度的特定范围，这个范围依赖特定的物理层。在切换过程中简单移动在延迟上有更严格的限制，切换性能比“尽力而为”性能好，这使得这种场景更适合于某种类型的IP业务。
◆自由移动
自由移动业务是建立在已定义的所有使用场景上的解决方案。为了支持车辆速度移动（至少120km/h）下无中断的应用，对延迟敏感业务进行了优化，同时针对其它移动性敏感性能，例如低功耗运行、切换时延、切换期间分组丢失率等。在全移动中，包含了漫游能力。漫游可以使用户在归属网络得到的标识，在拜访网络中得到重用，最终形成统一的业务计费。漫游适用于游牧、便携、和移动使用场景。
4、WiMAX的应用前景
4.1　产业链情况
WiMAX产业化主要由WiMAX Forum推动，　目前该论坛的成员数已超过400家。
提供802.16d产品的厂商主要是传统的固定无线接入设备厂商，如Alvarion、Airspan等等。802.16e则吸引了大量传统电信设备制造商和芯片巨头厂商的参与，目前主要的802.16e芯片制造商有Intel和Fujitsu微电子，在主流电信设备制造商中，除了爱立信，都在802.16e系统和终端产品研发上投入了大量的人力物力。截至目前，摩托罗拉、阿尔卡特、北电、华为、中兴等公司已经开发出WiMAX 802.16e基站等系统产品以及CPE、PCMCIA卡等终端产品，多数公司计划参加2007Q3开始的认证测试。从产业链看和成熟度看，WiMAX产业链已经初步形成，但尚未有16e商用产品推出。
4.2　应用定位
目前WiMAX已经从概念推广期迈入实际应用期。2005年底，经过WiMAX Forum互操作性认证的第一批802.16d产品已经实现商用上市，802.16e产品的认证测试也正在积极准备中。伴随着全球更多的频段向WiMAX开放，更多的设备通过互操作性认证以及CPE价格的迅速下降，WiMAX的商业部署已经在全球范围内启动。
由于WiMAX的业务模式与3G相似，而传输速率远远高于3G，因此WiMAX也被认为是3G的有力竞争者。当3G沿着移动宽带化的路线逐渐挺进时，WiMAX与3G的关系也就变得十分微妙，特别是以数据为中心升级到3G的高速下行分组接入（HSDPA）。WiMAX的优势在于能在城域范围内提供低成本的宽带数据业务，支持中低速的移动性，全IP的架构使运营商很容易将各种应用和业务平台开放给增值业务提供商。目前业界普遍认为，虽然WiMAX可提供具有一定移动特性的宽带数据业务，并且数据带宽优于3G系统，但WiMAX的应用定位主要还是2G/3G网络的补充。
4.3　面临的问题
WiMAX面临的最大问题是缺乏全球统一频率，这对WiMAX能否得到广泛应用起着决定性的作用。
其次，商用芯片进展比较缓慢也严重阻碍了WiMAX的商用化进程。
此外，用户对视频通话、视频点播、手机直播、多玩家参与的交互式3D应用等业务的消费习惯尚未养成，缺乏吸引用户的各种高带宽业务和应用使得WiMAX的技术特性得不到充分发挥。
5、结束语
WiMAX技术发展至今，随着技术和标准的发展，涉及频段从较高频段发展到较低频段，应用场景也将从固定、游牧逐步发展到自由移动，给用户提供了可高速接入、自由移动的美好应用蓝图。但从当前无线技术的发展现状来看，WiMAX技术还存在产品不够成熟，价格偏高以及政府政策不明朗等问题，距离大规模应用仍需耐心等待。