WiMAX技术标准及其应用前景

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    1、概述
    随着通信技术和新业务的部署，市场与技术的相互作用，未来通信领域一些新的特点逐渐显现出来。一方面，传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务，希望使用宽带接入移动服务；另一方面，传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋势，并互为补充、互相促进。
    在移动宽带化方面，3GPP/3GPP2已经制定了1xEV-DO、HSDPA/HSUPA等技术标准，在移动环境下实现宽带数据传输。在宽带移动化方面，IEEE802工作组先后制定了WLAN和WiMAX等技术规范，意图能沿着固定、游牧/便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化，其中IEEE802.16WiMAX是宽带移动的重要里程碑，促进了移动宽带的演进和发展。
    IEEE802.16是为制定无线城域网标准而专门成立的工作组，该工作组自1999年成立以来，主要负责固定无线接入的空中接口标准制定，为了推广基于IEEE802.16和ETSIHiperMAN协议的无线宽带接入设备，并且确保他们之间的兼容性和互操作性。2001年4月，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商共同成立了一个非营利工业贸易联盟组织——WiMAX。WiMAX与IEEE 802.16之间有着非常紧密的联系与合作，同时又有着分工的不同，后者是标准的制定者，而前者是标准的推动者。WiMAX逐步成为了IEEE802.16技术在市场推广方面采用的名称，其物理层和MAC层技术基于在IEEE 802.16工作组中开发的无线城域网（WMAN）技术，WiMAX也是IEEE 802.16d/e技术的别称。本文将对WiMAX技术标准及其应用前景进行简单的介绍。
    2、802.16的标准化现状
    IEEE802.16标准又称为IEEEWirelessMAN空中接口标准，对工作于不同频带的无线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围在公里（km）量级，因此802.16系统主要应用于城域网。根据使用频带高低的不同，802.16系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使用2～11GHz频带的系统可以应用于非视距（NLOS）范围，而使用10～66GHz频带的系统应用于视距（LOS）范围。根据是否支持移动特性，802.16标准又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准。
    IEEE802.16标准系列到目前为止包括802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e、802.16f和802.16g共七个标准，其中：802.16、16a、16d属于固定无线接入空中接口标准，而802.16e属于移动宽带无线接入空中标准。
    2001年12月颁布的802.16标准，对工作在10～66GHz频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和MAC层进行了规范，由于其使用的频段较高，因此仅能应用于视距（LOS）传输。
    2003年1月颁布的802.16a标准对之前颁布的802.16标准进行了扩展，对使用2～11GHz许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和MAC层进行了规范，该频段具有非视距（NLOS）传输的特点，覆盖范围最远可达50公里，通常小区半径为10公里以内。另外，802.16a的MAC层提供了QoS保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。
    2002年正式发布的802.16c标准是对802.16标准的增补文件，定义了工作在10～66GHz频段的802.16系统的详细系统框架，它详细规定了10～66GHz频段802.16系统在实现上的一系列特性和功能。
    802.16d标准是802.16标准系列的一个修订版本。是相对比较成熟并且最具有实用性的一个标准版本。802.16d对10～66GHz频段和＜11GHz频段的固定宽带无线接入空中接口物理层和MAC层进行了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。该标准对前几个802.16标准进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了802.16、16a等标准中的所有模式和主要特性同时未增加新的模式，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、不明确或不完整的描述，其中包括对部分系统信息的增补和修订。2004年6月23日，IEEE正式批准了802.16d标准。
    802.16e标准区别于前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工作在＜6GHz适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动，同时802.16d规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。802.16e标准规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。制定802.16e标准的目的，是希望能够提出一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。
    802.16f是2004年7月份正式成立的任务组，该任务组将负责制定802.16f标准，定义802.16固定无线接入系统MAC层和物理层的管理信息库（MIB）以及相关的管理流程。标准的制定工作目前正处于征求文稿阶段，计划将在2006年发布。
    802.16g也是2004年7月份正式成立的任务组，标准制定的目的是为了规定802.16管理流程和接口，从而能够实现802.16设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。802.16g标准的主要工作是围绕管理平面进行的。该标准的制定工作目前正处于征求文稿阶段，计划将在2007年发布。
    3、802.16的技术特点
    IEEE802.16标准所关心的是用户终端同基站系统之间的空中接口，并且主要定义空中接口的物理层和MAC层。虽然IEEE802.16标准系列包含多个标准，但是由于802.16d是对802.16、802.16a、802.16c的修订，目前主要提及两个标准：802.16d固定宽带无线接入标准、802.16e支持移动特性的宽带无线接入标准。
    （1）应用频段宽
    802.16技术可以应用的频段非常宽，包括10～66GHz频段、＜11GHz许可频段和＜11GHz免许可频段。
    （2）调制方式灵活
    在802.16标准中，定义了三种物理层实现方式：单载波、OFDM、OFDMA。其中，单载波（SC）调制主要应用在10-66GHz频段，OFDM和OFDMA是802.16中最典型的物理层方式。OFDM、OFDMA方式具有较高的频谱利用率，它可以使得802.16系统在同样的载波带宽下可以提供更高的传输速率。同时，OFDM/OFDMA方式在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上也具有明显的优势，已经成为Beyond3G的主要研究技术之一。
    （3）QoS机制完善
    在802.16标准中，在MAC层定义了较为完整的QoS机制。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。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了四种不同的上行带宽调度模式，分别为非请求的带宽分配业务（UGS.UnsolicitedGrantService）、实时轮询业务（rtPS.RealTime Polling Service）、非实时轮询业务（nrtPS.Non Real Time Polling Service）、尽力而为业务（BE.Best effort）。
    4、WiMAX技术应用场景
    802.16技术是无线接入技术，通过接入核心网向用户提供业务，核心网通常采用为基于IP协议的网络。采用802.16技术，在提供数据业务方面具有明显的优势，主要表现在：802.16支持FDD和TDD方式，当工作在TDD方式时，能够根据上下行数据量灵活分配带宽，对于上下行不对称业务具有较高的资源利用率；802.16采用的OFDM/OFDMA方式，具有较高的频谱利用率，可以提供更高的数据带宽；802.16采用的按需分配带宽等资源的方式，更加适合于数据业务所采用的包交换方式。由于802.16技术的技术特性。可以支持不同等级的业务需求，如：
    （1）实时固定速率业务，如T1/E1、VoIP等，可采用UGS的带宽调度方式。
    （2）实时可变速率业务，如MPEG视频业务等，可采用rtPS的带宽调度方式。
    （3）非实时可变速率业务，如数据下载等，可采用nrtPS的带宽调度方式。
    （4）尽力而为的业务，如网页浏览等，可采用BE的带宽调度方式。
    基于以上特点。WiMAX论坛给出WiMAX技术的5种应用场景定义，即固定、游牧、便携、简单移动和全移动。
    （1）固定应用场景：固定接入业务是802.16运营网络中最基本的业务模型，包括用户因特网接入、传输承载业务及Wi-Fi热点回程等。
    （2）游牧应用场景：游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中；在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入；在两次不同网络的接入中，传输的数据将不被保留。在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游。并应具备终端电源管理功能。
    （3）便携应用场景：在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小区切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展，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。当终端进行切换时，用户将经历短时间（最长为2s）的业务中断或者感到一些延迟。切换过程结束后，TCP/IP应用对当前IP地址进行刷新，或者重建IP地址。
    （4）简单移动应用场景：在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到60～120km/h时，数据传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程中，数据包的丢失将控制在一定范围，最差的情况下，TCP/IP会话不中断，但应用层业务可能有一定的中断。切换完成后，QoS将重建到初始级别。简单移动和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。移动数据业务是移动场景（包括简单移动和全移动）的主要应用，包括目前被业界广泛看好的移动E-mail、流媒体、可视电话、移动游戏、移动VoIP（MVoIP）等业务，同时它们也是占用无线资源较多的业务。
    （5）全移动应用场景：在这一场景下，用户可以在移动速度为120km/h甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。
    5、WiMAX技术的应用前景
    3G逐步走向商用化阶段，WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA是目前3G技术体系当中的3个主要标准，它们都能满足高速率多媒体业务数据传输，另外3G系统支持高速移动特性下的全网覆盖。然而，由于3G系统所使用的频率为2GHz频段，这是一非常珍贵和短缺的频率资源，运营商为了获得3G牌照需要花很多资金购买，同时，3G网络建设所需要的巨额资金、标准变化快、吸引用户的3G商用业务相应匮乏，从全球来看3G发展不如预计乐观。而从目前业务角度来看，传输速率最高为2Mbit/s显然无法满足用户对高速传输速率的需求。
    与此同时，IEEE802系列标准技术发展和应用却非常迅速。超过了人们普遍的预期。由于Wi-Fi目前已经得到广泛的商用。有关3G与Wi-Fi的融合在3GPP和3GPP2正进行中。另外，作为4G技术的IEEE802.20标准刚刚启动，有关4G标准还有很长一段时间才能确定。所以作为标准已经成熟的WiMAX的网络构架，特别是其网络定位，目前已经成为一个研究热点。WiMAX组网技术直接影响未来无线通信领域的发展。在未来无线通信领域，很难有哪种技术或标准能够一统天下，而将是各种无线接入技术并存，各种移动通信系统互相兼容和合作的格局。WiMAX作为一种新兴的宽带城域网接入标准，采用了很多先进和成熟的技术，能提供高的传输速率和强的QoS保证，并且随着标准的完善能够支持用户的移动性，从而实现全网无缝覆盖。鉴于目前已存的各种蜂窝系统和发展强劲的Wi-Fi，WiMAX组网和使用首先应定位于对现有网络高速数据支持的补充，随着技术和网络配置不断完善，充分发挥其技术优势和组网的灵活性，最后通过独立组网达到全网覆盖，既能提供高速的数据传输和保证QoS，并且能够全网无缝漫游。
    6、结术语
    从上文分析可以看出，802.16标准有着其独特的技术特点，技术标准正在不断成熟，产业化进程正在逐步加快。WiMAX系统网络架构逐渐完善，使WiMAX对移动业务的支持成为可能。并逐渐对3G及其演进系统构成了竞争威胁。所以，如何在利用WiMAX技术发展成果促进技术进步的同时，加强WiMAX的商用化进程，结合市场推广，找到合理的应用，从而促进整个无线通信产业的发展，将成为近年来无线技术研究和应用的一个热点。