WiMAX技术及应用

WIDE BAND NETWORK TRANSMISSION文章编号:1002-8692(2005)11-0073-04WMAX技术及应用·综述曹宇辉,郑伟,王匡(浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州31027)【摘要】介绍了 WiMAX协议的历史及优势,描述了其物理层和MAC层,把它与3C,Wi-Fi及MBWA进行了比较,阐述了WMAX和Wi-Fi及MBWA的一种组网模式,叙述了 WiMAX在未来无线宽带网络中的定位及在手机电视中的应用。【关键词】全球微波接入互操作性;无线保真;第三代移动通信技术;移动宽带无线接入;IEEE80216标准;手机电视【中图分类号】TN9136【文獻标识码】AWiMAX Technology and Its ApplicationCAO Yu-hui, ZHENG Wei, WANG Kuang(Department of information Science and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Chin[Abstract] This paper discussed the history and advantage of WiMAX standard, and presented the key technologies in thephysical layer and MAC layer for WiMAX standards. According to the comparison of WiMAX, 3G, Wi-Fi and MBWA sys-tems, there is a mode for WiMAX to evolve into a worldwide network. The application of WiMAX is depictured in the endKey words] WiMAX; Wi-Fi; 3G; MBWA; IEEE802. 16; Mobile TV引言75Mbps;目前,IEEE又对已通过的IEEE802162004进行扩展,正准备推出IEEE802.16e,增加了全球微波接入互操作性“ Worldwide Interop对移动终端的支持ability for Microwave Access, WiMAX",是基宇22 WIMAX的优势IEEE802.16标准的宽带无线接人城域网( Broad成本低,投资风险较小;高容量,更长的传输距band Wireless Access Metropolitan Area Network离;完善的Qo机制;更好的安全性。技术。 WiMAX能够提供双向互联网接入服务,速率高达每秒75Mbps,该技术能够在50km范围内进3 WiMAX的主要技术特点行数据传输,覆盖半径达1.6km。 WIMAX能应用于WIMAX的优势主要由其技术特点决定。定义很多领域,包括“最后1000m”接入、热点、蜂窝回的参考模型如图1所示。业部将3.5GHz(3400-3430MHz,3500~3530MHz)和58GHz(5725-5850MHz)两个频带划为无线宽带城域网接入的专用频带。2004年6月, INTELASA Server(s)经和大连、成都签署协议,在这两个城市部WiMAX无线城域网(即IEEE802.16a)MSSBS2 WiMAX的发展历程和优势图1 WiMAX参考模型2.1 WIMAX发展历程IEEE802.16标准最初于2001年12月获得批WiMAX网络由移动用户台(MSS)、基站(BS)、认准,使用的频率范围为10~66GHz,支持在视距证和业务授权服务器(ASA)组成。其中ASA服务器(Los)范围内执照许可和免执照许可频段的通信;就是人们常说的提供认证、授权和计费等功能的2003年1月,IEEE对802.16进行了修改,推出的协AAA服务器。议称为802.16a,使用2~1GHz的频率范围,支持31协议结构非视距( NLOS)通信,引进了OFDM等多项技术;WIMAX的协议结构(也是其空中接口规范)主2004年6月推出的IEEE802.16d(即IEEE要由物理层和MAC层组成。MAC层又分成了380216REVd)是对802.16a标准的进一步完善和补子层:特定服务汇聚子层( Service Specific Con充,增强了设备的互操作性,习惯上称为 Ieee vergence St中国煤化工( Common Part80216-2004,它支持15-20MH多种信道带宽划 Sublayer)和CNMH Ger)。其协议栈分方式,采用20MHz带宽时,单信道容量最高可达模型如图2所示。N.12565mN281)\m073宽带网络与传输3.2物理层置不同的QoS参数,包括速率、延时等指标。终端可高层WiMAX根据QoS和业务的传输参数发出带宽请求特定服务汇聚子层物理层的空中WiMAX MAC层由高到低划分为3个子层:AAC共用部分子层(MAC层接口技术有1)特定服务汇聚子层保密子层(PSWirelessMAN提供与更高层的接口,如与ATM、以太网和物理层(PHY)Wi-Fi的接口,通过使用不同的会聚方式更好地与图2协议栈模型MAN OFDM上层协议匹配。WirelessMAN2)公共部分子层OFDMA和 WirelesshUman。其中: WHUMAN并不能执行MAC层的核心功能,包括系统接人、带宽算一种独立的接口方式,而是在免许可频段采用以分配、打包、分帧、自动重发和Qos等。上3种技术中的一种; WirelessMAN_SCa果用单载3)安全子层波自适应调制,上行链路采用TDMA方式,下行链执行鉴权、加密、密钥交换等与安全有关的功路使用广播方式进行1点对多点的信号传输,基站能。给BS内所有的SS发射TDM信号,目标S检测4 WIMAX与3G,W-Fi,MBWA的比较到是自己的时隙就启动,开始接收信号; Wireless-MAN_OFDM为采用256个子载波的OFDM调制技从宽带无线接入标准本身讲 WIMAX,3G,Wi术,上行接入采用TDMA+ OFDMA,下行采用TDMF各有自已的覆盖范围。WMAX主要用于宽带无方式; WirelessMAN_ OFDMA为采用2048个子载波线城域网;WiF主要用于宽带无线局域网;只有的OFDM调制技术,上下行都采用TDMA+ OFDMA MBWA与3G同为宽带无线广域网,但MBWA的传方式。IEEE80216系统可工作在频分双工(FDD)输容量更大。各种技术标准之间的关系如图3和图或时分双工(TDD)方式。FDD需要成对的频率,TDD则不需要,而且可以灵活地实现上下行带宽动态调整。 WirelessMAN OFDM和 Wireless-覆MAN OFDMA的各参数比较如表1所示。BMA 802.16a表1 WirelessMAN-OFDM与 WirelessMAN- OFDMA的主要参数比较主要参AN-OFDMA部01250频段/GHFFT的长度0211001WLAN可用子载波数1680/172/1728802.1580215.3a双工方式FDD,TDD,H- FDD FDD,TDD,H-FD蓝牙超宽带无线技术调制方式QPSK,16QAM,64 QAM QPSK,16QAM,64QAM传输速率Mbps可选用技术AAS,ARQ,Mch,SCAS,ARQ,STC保护时间效时间114,18,1/16,13214,1/8,16,132图3各种标准覆盖范围与传输速率的关系典型带宽/Hz13535m/14155m71428365.5/108.75/175子信道分配方法快速移动多址方式D1TM,:TDM:TDMA+ OFDMA802.16a行3.3MAC层MAC层使用一种带宽请求/准许自动适应方案,有更好的QoS操作。为控制上行数据的带宽分802.15配,标准定义了4种不同的业务,分别为:主动带静止蓝牙WAN超宽带宽分配业务(UGS),用于恒定比特率连接;实时轮询无线技术业务(rtPS),周期性地为终端分配可变长度的上行带宽;非实时轮询业务( nrtPS),不定期地为终端分中国煤化工配可变长度的上行带宽;尽力而为业务(BE),尽可CNMHG能地利用空中资源传送数据,但是不会对高优先级图4各标准的移动速度与传檜速率的关系的连接造成影响。MAC层针对每个连接可分别设74电提放邮/205年第12第281)WIDE BAND NETWORK TRANSMISSION41 WIMAX与3G的比较表4 WiMAX与MBWA的比较WiMAX和3G系统定位在数据带宽需求较大的城市范围内,存在重叠。 WiMAX与3G系统中的无线传输技术相比, WiMAX具有较大的技术优势WIMAX MBWA标准IEEE 802. 16a/d/e但在移动性方面又比较弱,因此,只能作为城域网而不能作为广域网。3G和 WiMAX的性能比较如多址方式 OFDM/FDD TDD Flash- OFDM/FDD频带/GHz2-11,部分不要许可证0220~3.5,许可证表2所示带宽/MHz表23G与 WiMAX的比较最高速率/Mbps主要参数念性能匮盖范围/km1.6~50WiMAX移动性/km<120<250IEEE 802. 16a/de 3GPP, 3GPP2, ITU多址方式OFDM/FDD, TDD CDMA/FDD, TDD频带GHz2-11,部分不要许可证2,许可证5 WIMAX的应用带宽/MH1.2520125或551 WiMAX与wi-Fi,MBwA的组合应用最高速率/Mbps从上面比较可以看出, WiMAX对超过时速120覆盖/kmkm的移动接入不支持,因此,还不足以取代3G,但移动性/kmh<120>120作为宽带无线城域网已很出色,因为在城市里时速频谱利用率/(pHz)1.6能超过120km的移动目标并不多,而且 WiMAX还42 WIMAX与wi-F的比较具有极高的传输速率。局部热点的非移动接入可以两者定位的范围不同,W-Fi为IE802,1lx交给无线宽带局城网W-Fi去完成,而城市的个别标准的无线局域网组织,而WiMAⅹ则为IEEE高速移动接入(如地铁、封闭高架路等)和其他非城80216x标准的无线城域网组织,两者存在互补关市地区的移动和非移动接入的由支持IEEE8O220系。 WiMAX的覆盖范围较大,可扩展性较强,Qos性的WBMA覆盖,非城区的局部热点也由Wi-Fi覆能很好,而Wi-Fi不具有QoS性能。两者的比较如盖,如此组合效果(如图5所示)将超过3G何止几表3所示。倍,取代3G也是必然的趋势。表3 WiMAX与Wi-Fi的比较主要参数WiMAX标准IEEE 802. 16a/d/EE 802.llw/b/g多址方式OFDM/FDD, TDD CKK, OFDM, H-TDD频带GHz2-11,部分不要许可证24,不要许可证火车、飞机带宽/MHz125-2020或22移动区域及野外Wi-Fi最高速率/MbpsWIMAX覆盖范围/km1.6-50室内<0.0915室外<04575移动性/km<120静止图5 WiMAX与WiFi,MBWA的组合网频谱利用率/(bp/Hx)3.7552 WiMAX改变了手机电枧的格局4.3 WIMAX与MBwA的比较手机电视有3种实现方式:利用移动网络实现MBWA为以802.20为核心的蜂窝技术,由的方式,如IPIV;利用卫星网络实现的方式Flarion公司和 ArrayComm公司发起制定的一种移DMB;手机中安装数字电视接收模块的方式,如动无线标准。802.20的核心技术是 Flash-OFDM,运DVB-H,其传输码率为128~384Kbps,在8MHz的行在3.5GHz以下频段,在时速250km的情况下带宽内可传输50套以上的手机电视节目。在国内,可实现1Mbps以上的移动通信能力,因此,可以应CPRS现网能够提供的带宽只有25Kbps,2-3/,而用在铁路、地铁以及高速公路等环境中;而 WiMAX CDMA1X也仅能达到60-70Kbps,大约5-60s,而仅支持低于时速120km的移动接人。MBWA在地只有在手机屏幕(通常为QCIF,176×144像素)上达域上的全覆盖和高速的移动性强于WiM到16fs的好的画质要128Kbps以中国煤化工机电视在实时WiMAX仅在一定区域内实现连续覆盖,以提高数上稳定带宽播放方面倾CNMHGE和DMB的据传输能力。两者的比较如表4所示。天下No11 2005(Sum No 281)\MDED ENGINEERING宽带网络与传输WIMAX以其高传输速率使依托移动网络的并行的ALU(算术逻辑运算单元),每个周期允许3IPrⅤ完全可以达到实时,而又省去手机为接收个oFDM处理中的复杂乘法同时运算,运用了高级DVB-H和DMB信号所附加的芯片成本,从而使加密技术(3DES,AES,和RC4)的安全处理IPTV可以单独完成手机电视的全部工作,成为手机3)输人输出和接口电视的主角。模块射频接口支持为 WiMAX许可和免许可频53 WIMAX将促进三网融合带设计的IF和基带IQ,集成双模数微数模转换器以移动通信网、 Internet与广播电视网三网融合是及一个高性能锁相环来驱动转换器,集成l0/100必然趋势。因为 WiMAX的大通信容量,与Wi-Fi,Mbps以太网MAC层及MII接口,可外接物理层。时MBWA组合必然取代3G,成为新一代的移动网,而分复用的接口,主要应用于模拟语音或TE1连接。且还可用来传输网络数据,可首先促进移动通信网6结论与 Internet的融合;其次, WiMAX支持点到多点的通信,并具有完善的QoS机制,良好的交互性,使大WiMAX用作无线宽带城域网优势明显,它在量的对延时比较敏感的数据都能得到及时的传输,整个无线宽带网系统中的位置是无法替代的,随着大大提高了网络媒体的传播速度,必然促进IT技术的不断成熟, WiMAX与其他无线宽带标准的的发展,进而融合无线广播电视网,完成无线系统组合(或者 WiMAX提高高速移动的接入能力),必的三网融合。将取代3G,改变手机电视的格局,进而促进无线系三网融合的模型框图如图6所示,用户的点播统的三网融合或交互信息通过 WiMAX组合(包括Wi-Fi和MB2005年7月14日,在加拿大温哥华举行的WA)网络和联合运营平台传送到节目供应商,将数 WIMAX论坛成员会上,已着手寻求全球统一频段字电视节目通过DVB-T或以IⅣV的形式通过以推动WMAX作为全球性标准,而25GHz被广WMAx组合网传给用户,用户之间的语音通话或泛认为是最适合部署WMAX的频段。2005年1l数据业务直接由 WiMAX组合网完成,用户访问In月10至1l日wiMAⅹ高峰论坛将在北京召开。这ternet可由 WiMAX组合网通过ISP或直接访些都说明 WiMAX的时代就要来临了。节目供应商DⅤBT(DvB-H)参考文献[1]汤子健. MiMax技术前景与挑战,移动通信,2005(4)联合运营平台71-74.[2] Ghosh, A, Wolter D R, Andrews, J G, et al. Broad-ISPWiMAX组合网band wireless access with WiMax/802. 16: current performancebenchmarks and future potential, Communications Magazine,IEEE,200543(2:129136图6三网融合的模型框图[3] IEEE Std IEEE 802.16-2004(Revision of IEEE Std54 WiMAX SoC芯片及应用IEEE 802.16-2001)IEEE Standard for Local and Metropolian Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed broaIntel基于802.16-2004的第一款 WiMAX Soband Wireless Access Systems. 2004: 1-857芯片 Intel Pro/wireless5116具有高集成度,适用{4]尹长川,罗涛乐光新.多载波宽带无线通信技术.北京:于许可和免许可频带,具有良好的兼谷性,与第三北京邮电大学出版社,2004.261-268方的射频C和功率放大器配合使用时,厂商可以构(5]朱殿荣. WiMAX技术及标准.电信工程技术与标准化,建灵活的室内外的 WIMAX调制解调器和固定的网2005(7):35-38关设备,从而可传输高速率的IP数据包、声音和实[6] Hassan Yaghoobi, Intel Communications Group,时视频。为进一步降低成本,提高硬件生产速度, Corporation. Scalable OFDMA Physical Layer inhmIntel允许 Intel PRO/Wireless5116的生产可以通802.16 WirelessMAN. Intel Technology Jouma,2004,8(3)过第三方的ODM实现。[7] Govindan Nair, Joey Chou, Tomasz Madejski, et a芯片的主要参数和应用:IEEE 802.16 Medium Access Control and Service provisi1)调制解调g. Intel Technology Journal, 2004, 83)符合IEEE802.16-2004标准,支持256点者简介OFDM物理层,10MHz信道频宽,采用TDD和HFDD复用模式,釆用了Reed和卷积编码、前向纠错宇辉(1970-),硕士生,主研圄像压缩与编码郑伟(1974-),讲师,博士,主研HDTV、图像处理和集和自适应调制。成电路设V凵中国煤化工2)处理王利用双核ARM946E-S引擎完成物理层、MAC码率图形CNMHG°v图像处理和低层以及应用协议处理。数字信号处理引擎采用3个责任编辑:刘伯义收稿日期:2005-10-1776电视邮/200年第11(总第281则)