WiMAX技术发展及关键技术分析

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　　WiMAX技术实现了数据分组化、接入宽带化、终端移动化这三大发展方向的统一，因此自成立之初就在其技术定位上受到了极大的重视。
　　经过几年来WiMAX联盟及其成员不懈的推动，WiMAX技术已在上层标准制定、芯片设计及设备研发的各个环节得到了极大的完善。随着去年年底16e标准解冻及WiMAX认证程序的启动，为加速移动WiMAX的商用发展奠定了良好的基础。目前，韩国运营商KT已经正式商用移动WiBro；美国运营商SprintNextel也正式宣布投资30亿美元在全美国范围内部署移动WiMAX网络。这两大规模商用网已成为WiMAX发展史上的里程碑，表明移动WiMAX技术在商用上已开始起步，这给了国内发展WiMAX更多的信心和期待。
　　一、WiMAX技术发展趋势
　　今年，WiMAX技术的标准化及商用化进程均出现了重大突破，使WiMAX的发展进入了新的阶段。
　　在标准化发展上：基于802.16e标准已逐步修改完善并成为主导趋势，同时802.16j技术架构标准（MMR，MobileMulti-hopRelay）的确立又大大增强了移动WiMAX的网络布署优势。这种基于移动WiMAX技术的基站式无线中继标准，其功能实现与WLAN中的Mesh技术应用一致。此技术通过采用具备无线中继功能的基站，并配合核心网络支持来实现基站无线回程的传输，以减少有线互联带来的成本压力。而且，相邻基站之间对信号的中继转发间接扩大了网络覆盖范围，同时基站还可对转发的信号进行必要的处理，进行选择性放大。
　　在商用化进程上已初步形成了芯片研发、设备生产、系统应用的产业链。尤其对于产业链前端的芯片研发，通过今年国际风险资金的注入已使得以802.16e标准为主导的芯片研究发展迅速。目前，Intel、意法半导体、Runcom，Beceem等公司已能陆续提供16e芯片组，且大部分终端芯片都支持MIMO/AAS技术。对于设备制造商来说，全球的大型电信设备厂家也更加倾向于研发802.16e设备，甚至部分厂家出现了放弃固定WiMAX设备，只研发移动WiMAX设备的趋势。此外，在系统应用上今年也有了新的进展。
　　二、频率对技术实现的影响分析
　　目前，鉴于WiMAX标准所规定的工作频率从2GHz～11GHz之间过于宽泛，加之各国的无线电管制政策各有倾向，导致了各国之间所预使用的WiMAX频段差异化较大。这使得WiMAX技术很难在统一的全球频率下开展技术应用，已成为WiMAX技术发展的最大障碍。据WiMAX论坛统计，全球WiMAX从研发到应用可供使用的频段主要为2.3GHz～2.6GHz、3.3GHz～3.6GHz以及5GHz，其中开展移动业务的理想频段集中在2.3GHz、2.5GHz、3.5GHz上。
　　因此，在不同使用频段、不同使用带宽的条件限制下，网络为实现接入的高速率、频谱的高效率、系统的大容量的目标，WiMAX必须通过定义其物理层、MAC层的技术实现来达到对动态频率选择的灵活适应性和高可靠性的要求。在物理层上，除了采用256个子载波OFDM方式的通用技术来实现抗多径干扰、准视距传输、提高频谱效率和增强频率选择性衰落能力外，还采用了128/512/1024/2048个可变子载波的OFDMA方式，使设备信道带宽可在1.75MHz～20MHz间灵活调配，从而使其具备更强的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保证WiMAX终端在移动环境中的正常使用。同时，WiMAX还增加了信道监听和动态频率切换能力，可在终端设备通信的同时监听相关信道的性能指标，当所通信的信道指标恶化到门限时，即切换到其他可用的信道上，并根据新信道所属频段已占用频率资源的情况，调整射频信道占用频带的宽度，以最大限度地提供数据传输。在MAC层上，其汇聚子层CS通过对用户数据的汇聚，可以实现对ATM、IP业务的协议透明数据传输。WiMAX还将同意/请求协议实现在规范中，通过具有自适应帧结构和导频插入的功能来保证上下行带宽比例可调，以实现对带宽的灵活分配。MAC层还支持对QoS的管理，可通过轮询方式进行带宽连接或带宽调整来实现对实时业务的低延迟，并通过集中调度方式来支持时延敏感业务，确保在为每用户单元提供最大传输速率的同时保证射频链路的可靠性。此外，MAC层还针对安全性提供传输过程中的鉴权、加密和保密的管理机制。
　　三、核心网技术对系统性能的分析
　　WiMAX之所以成为宽带综合无线城域网络，主要是其架构中引入了核心网。这也是WiMAX脱离宽带无线接入的范畴，从单系统层面上升到全网络层面产生质的飞跃的首要因素。因此，WiMAX作为一个已具备移动通信网特征的宽带综合无线城域网络，其选择的核心网技术对WiMAX的发展至关重要。基于全IP构架下的WiMAX系统是否直接采用IMS体系来实现核心网，是决定其网络今后如何发展的关键因素，也将直接影响网络所能实现的技术能力。IMS作为NGN会话和呼叫控制层中的一个重要组件，将在分组域中提供一个通用的多媒体业务平台来承载各种上层业务，而且IMS所实现的采用SIP协议及与接入无关性的特点已经成为下一代网络的应用关键性能。但在综合考虑运营商自身网络发展的阶段性上，IMS具体技术实现还不成熟，仍需要进一步发展与完善。更重要的是WiMAX技术是在电信网络融合的大趋势下发展起来的综合无线技术，其核心网所采用的技术类型应当与既有网络的融合和发展是一致的。因此，目前WiMAX的核心网应重点考虑采用逐步演进到IMS体系的方式而不是直接采用IMS体系，这是WiMAX系统发展的核心问题。
　　具体来看，具备核心网的WiMAX系统要能满足其自身业务和应用的要求，支持用户的接入、鉴权及移动性管理、满足计费和账务的要求；也要具有QoS保证和安全保障，达到电信级组网可控可管理的要求；同时对于与其它系统、网络的互联互通也必须支持。此外，由于核心网的存在，WiMAX网络的控制和管理功能得到大大增强，并可支持多种新技术来增进网络性能。如：1.支持多WiMAX基站之间的负荷分担方式，使共基站下多用户的高速率接入得到保证，同时也有效地增加了网络容量、增强了网络可靠性；2.支持正交频分复用技术，使网络具备了非视距传输的性能、提高了设备抗干扰性及网络适应环境的能力；3.支持自适应天线阵（AAS）、多入多出（MIMO）技术来提高覆盖范围并增强应对快衰落的能力，使得在不同环境下能够获得最佳的传播性能；4.支持MMR技术，使基站回程连接采用无线中继方式，增加了基站布署的灵活性，降低了布网难度；5.支持空时编码（STC）技术来增强系统的抗干扰能力和降低收信的门限，目前STC技术可达到20dB左右的储备增益，这也间接地扩大了覆盖距离或在相同覆盖范围内改善了信道传输质量，提高了信道的传输速率。
　　四、展望
　　目前，在传统通信方式面临产业升级、通信与信息融合的情况下，对接入方式多样化、个性化和智能化的需求势不可挡。因此在具备了这种大的产业背景、行业背景和市场背景的情况下，WiMAX的推进与发展已成为大势所趋。同时，随着WiMAX技术标准不断完善及系统功能开发的日趋成熟，通过这一平台将会使固话网络有更灵活的应用方式，移动网络有更佳的数据性能。因此，WiMAX要在全网规划、频率分配、基站布署、业务推广上充分考虑各种因素，通过WiMAX的技术创新使市场获得更大的发展，业务获得更广泛的应用。
　　总而言之，WiMAX技术所具有的核心竞争力正是电信技术的发展趋势，与第三代移动通信技术比较来看，WiMAX是提供差异化服务的最好方式和有效手段。随着技术标准的逐步完善，WiMAX在第四代移动通信中的技术应用将有着更广阔的前景。