WiMAX关键技术分析

(内蒙古自治区公安消防总队，内蒙古 呼和浩特 010050)
摘 要：文章对WiMAX的OFDM/OFDMA,MIMO,HARQ,AMC等各项关键技术 进行了分析，并且对比了802.16d和802.16e标准，为以后WiMAX无线网络规划和优化提供一 个理论的指导。
关键词：WiMAX；OFDM；MIMO；HARQ；AMC  
中图分类号：TN91  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)24—0088—03

无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的快速发展，通信技 术宽带化、IP化、移动化成为未来的发展趋势。WiMAX技术是以IEEE802．16系列标准为基础 的宽带无线接入技术，两年来发展迅速，逐渐成为城域宽带无线接入技术的发展热点。为了 更好地理解WiMAX的原理，文章对于WiMAX的各项关键技术进行了分析。
1 WiMAX的关键技术

WiMAX（World Interoperability fro Microwave Access）是一项基于IEEE 802.16标准的 宽带无线接入城域网技术，主要工作频段是2.5G、3.5G和5.8G。由于是一个完全基于IP的系 统，802.16标准只对于下两层，也就是物理层和MAC层制定了规范，它物理层采用的主要关 键技术有如下几个：
1.1 OFDM/OFDMA

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种多载波传输技术，早在 1966就由Bell Labs提出来了，它具有很高的频谱效率，在抵抗多径干扰、频率选择性衰落 、和窄带干扰上面也具有明显的优势，随着现代DSP技术的不断发展，当年被认为难以实现 的基于IFFT/FFT的OFDM技术被3GPP/3GPP2，IEEE，ETSI等国际标准组织广泛的采用。

OFDM的基本思想就是将一个宽带的信道分成若干个正交的子载波（sub-carrier），这样就 可以将串行高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子载波上面同时进行传输 ，带来的主要好处有以下3点：
①一个S/P转换就相当于延长了每个子载波上面的数据周期，再加上循环前缀CP（Cyclic P refix)，可以基本消除多径引起的时延扩展给系统带来的符号间干扰。②当信道中由于多径传输而产生频率选择性衰落的时候，在多载波的系统中只有一小部分落 在频带衰落凹陷处的子载波会受到干扰，其他子载波安然无恙，而且信道编码还可以对这些 受干扰的子载波进行纠错，所以系统总的BER要好很多。③每一个子载波的编码和基带调制方式，发射功率都是独立自适应的，可以根据独立的信道 响应来选择合适的coding & modulation scheme, 可以实现在小范围内优化信道，提供更高 速率的数据传输服务。

在WiMAX系统中，标准中规定物理层的实现方式有三种：在10-66GHz频带范围内应用的是：单载波（ WirelessMAN-SC PHY）。在小于11GHz的频带范围内应用的是：WirelessMAN-OFDM: 256 sub-carrier；
WirelessMAN-OFDMA: 2048 sub-carrier。

OFDM物理层所有的子载波被一个用户全部占用，为单一用户并行传输数据流，上行采用 TDMA多址方式，下行采用TDM的复用方式，在这里OFDM只是一种高效的多载波传输复用技术 ，它是为单一用户设计的。对于OFDMA物理层，依然利用OFDM的多载波传输技术，但是它结 合了FDMA和TDMA, 考虑到了多用户同时的情况，提出了OFDMA的多址方式，这种方式将所有 子载波分成几个子集叫做子信道（sub-channel）,在下行方向上，一个子信道可以可以被多 个用户共享，在上行方向上，每个用户也可能被分配一个或者多个子信道同时进行数据传输 ，整个子信道在时域和频域都被完全复用。

OFDM接收机的设计是整个OFDM系统性能的关键，OFDM接收机是利用其子载波严格的相互正交 性通过相关技术来区分各个子载波，所以无论是多普勒效应引起的频偏和还是由于时变信道 引起的相位噪声都会造成子载波间不同步导致的正交性恶化，这样将大大影响OFDM系统的性 能。所以精确的信道估计和优秀的同步算法是保证整个系统性能的关键。
1.2 MIMO

MIMO(Multiple Input Multiple Output)是一个抑制信道衰落提高系统容量和频谱利用 率的关键技术，最早在1908年Marconi就提出了这个思想，后经过Bell Labs在技术方面的发 展，提出MIMO的分层空时结构，使MIMO得到了实际的应用。

MIMO的基本思想就是在一个频点上或者说在一个单独的信道上采用多幅发天线和多幅收天线 同时收发信号。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的，通常被认为有害的多径引起的 衰落，在MIMO系统中是一个可以被利用的有效因素。如果天线之间的信道冲激响应各自独立 ，MIMO就可以创造多个并行传输的信道。

MIMO系统，在发送端经过空时编码的信号经由多个天线发射，在接收端，将多个天线接收的 信号经过空时解码的合并处理以后可以得到原有信号，MIMO就是利用多个信道空间分集和时 间的分集，来达到提高接收灵敏度或者提升信道容量的效果。

MIMO技术主要有空时编码发射分集和空间复用两种表现形式，都在WiMAX的协议中得到了应 用：①STTD：Space Time Transmit Diversity 空时编码发射分集，这种发式是将相同的信息经 过空时编码，在不同的天线上面采用不同的发送信号序列发送，由此系统得到空间和时间的 分集增益，可以提高接收机的灵敏度，改善信道质量，提高传输的可靠性降低误码率。由于 多幅天线传送的还是同样的信息，所以STTD方式对于提升信道容量没有任何贡献［1］ ［2］。②SM: Spatial Multiplexing 空间复用是最能体现MIMO真正含义的方式。SM方式要求移动 台的接收天线至少要有2幅。利用Bell Labs提出的BLAST技术，将来自一个或多个用户的不 同信息在具有不同“空间标识”的天线上面同时并行发送，在接收端对其进行“恢复”，如 同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时 准确高效地传送用户数据，由此可以在不增加带宽和发射功率的情况下使得信道容量成倍的 得到提升，体现MIMO的真正价值——突破传统的SISO（Single Input Single Output单入单 出）系统的Shannon信道容量极限，获得更高的频谱利用率。容量提升的大小取决于双方天 线的数量。SM方式对于信道的相关性非常的敏感，它要求每对收发信道间要完全的不相关， 这样才能获得信道容量和频谱利用率的增加，所以SM对于信道质量的要求非常高［1］ ［2］。

MIMO系统的的两种表现形式中STTD方式可以提高信号的传输质量但是对于容量提升没有贡献 ，SM方式可以提高信道的容量但是需要良好的信道条件，如果将两种形式结合起来，使其能 够根据信道的质量可进行自适应的调节，就可以在保证信号质量的前提下获得更高的信道容 量和峰值速率。
1.3 HARQ

HARQ(Hybrid Auto Repeat reQuest)混合自动重传请求是一种提高频谱利用率，提高系统容 量的差错控制技术。被广泛应用在WCDMA HSDPA，TD-SCDMA HSDPA和WiMAX等领域。

差错控制技术的目的在于提高信号的传输质量，保证信息可靠性，最常见的两种差错控制技 术就是FEC(Forward Error Correction前向纠错)和ARQ(Auto Repeat reQuest自动重传请求 )：①传统的ARQ技术，当信道质量恶化，接收端检测到错误以后，会通过重传来提高传输的 可靠性，但这是在牺牲流量的基础上保证了传输的可靠性，因为频繁的重传会浪费大量的带 宽。②FEC技术在信号初始发送的时候增加了一些冗余的比特，籍此恢复丢失掉的信息比特，这 样一来FEC技术可以提供一个相对稳定的流量，但是编码速率决定了传输可靠性，如果信道 条件不好，采用低速率编码，比如1/2,1/3编码，传输可靠性可以得到很好的保证但是净流 量也会相对减小，如果一味追求静流量，采用高速率编码，比如3/4编码，甚至不编码，传 输的误码率就会提高。

HARQ技术就是把FEC和ARQ技术有机的结合起来，克服彼此的弱点，大大提高系统的性能。HA RQ技术要求发送端添加一定的冗余信息，接收端首先利用FEC进行纠错，如果仍然不能正确 解码则要求发端重新发送数据，这样在保证稳定流量的同时又能大大降低系统的误码率。

在WiMAX的协议中虽然规定了信道编码方式有卷积码（CC）、卷积Turbo码（CTC）和低密度 校验码（LDPC）编码，但是对于HARQ方式，根据目前的协议，WiMAX中只支持CC和CTC的HARQ 方式［3］。

在重传方式方面，WiMAX协议规定支持了两种重传方式：①CC（Chase Combining）Chase合 并方式重传的数据和初始传输的数据完全一样，物理层对每个HARQ数据报的编码方式都是一 个版本，在接收端采用等增益或者最大比合并就可以获得合并增益。②IR（Incremental Redundancy）冗余递增重传方式在物理层对于每个HARQ数据报可以产生 4中不同的编码版本，每次重传采用的都是和以前不同的数据报编码版本，IR的实现相对CC 方式要复杂很多。

在合并方式方面，HARQ和传统的ARQ最大的不同就是HARQ采用的是软合并（Soft Combining ）方式，在接收端设置一个Buffer，不像传统ARQ那样将错误数据丢掉而是将已经收到的错 误的数据存储起来，等重传数据到达以后将两次的数据进行合并然后解码，获得了额外的合 并增益，可以间接的增加小区的覆盖范围。HARQ是基于每个连接的，它是一个二层的技术 ，由MAC层的功能实体实现，这样相比于传统的三层重传的ARQ技术，能够更迅速的反应信道 质量的变化，更加迅速的完成重传，降低系统的误码率。而且在二层实现重传，可以保证Wi MAX系统在无线信道上面更加稳定的运行TCP/IP协议，减少网络层的差错发生，大大提高了 系统的业务吞吐量。
1.4 AMC

AMC（Adaptive Modulation and Coding）自适应调制编码根据无线信道的质量自适应的调 整调制方式和编码方式以及编码速率，以便能在保证信号传输质量的同时获得最大的吞吐量 。由于AMC要根据信道条件来选择调制方式和编码方式以及编码速率，所以对于无线信道质 量的评估将很大程度上决定AMC算法的性能。不同于3GPP HSDPA技术，WiMAX物理层采用的是 OFDM技术，所以不光是载干比的要求，对于OFDM的解调有很大影响的时延扩展，多普勒频移 ，小区干扰等重要因素也要考虑到AMC的算法中。WiMAX技术支持的基带数字调制方式主要有 QPSK,16QAM,64QAM等方式，支持的编码方式主要有信道编码方式有卷积码（CC）、卷积Turb o码（CTC）和低密度校验码（LDPC）编码，支持的编码速率主要有1/2，3/4，2/3，3/5，5/ 8，4/5，5/6等等［1］［2］。
2 802.16d和802.16e的主要区别

IEEE802.16标准演进过程中最著名的两个版本就是802.16d和802.16e。802.16d也叫做802.1 6-2004协议现在已经被业界普遍支持，是WiMAX在固定场景应用的标准。802.16e也叫做802. 16-2005协议现在业界也有成熟的产品推出，是WiMAX在移动场景应用的标准，相比802.16d ，为了支持移动性802.16e主要增加了切换，宏分集特性，而且为了省电还对于休眠模式进 行了支持，并且在非常关注的安全性方面进行了改进［4］［5］。在物理层技术方面 ，802.16e的物理层实现方式与802.16d基本一致，主要差别是对OFDMA进行了扩展，可以支 持2048 点、1024点、512点128点的FFT［3］，通过对应不同FFT浮点数以适应不同载 波带宽的需要，使得支持灵活带宽变成了现实。主要不同点分析见下表：

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3 结束语

随着WiMAX技术的不断进步，它能在广域范围内提供高速无线接入服务已经被市场逐渐认可 ，正在慢慢变得炙手可热，但是对于WiMAX的发展有巨大影响的频谱问题依然是困扰其发展 的制约因素。因此，如何充分发挥WiMAX的技术特点与优势，在保证容量和速率的基础上有 效的解决干扰问题是在以后商用网络中值得进一步研究的问题。
［参考文献］
［1］ John Wiley & Sons, Ltd  《WiMAX Technology for broadband wireless ac cess》by Loutfi Nuaymi.
［2］ IEEE 802.16-2004, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Netw orks, Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, October 2004.
［3］ IEEE 802.16e, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks , Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2: Physic al and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in L icensed Bands and Corrigendum 1, February 2006 (Approved: 7 December 2005). 
［4］ WiMAX Forum White Paper, Mobile WiMAX - Part I: a technical overview  and performance evaluation, March 2006.
［5］ 浅谈WiMAX技术及其应用［EB/OL］http://blog.sina.com.cn/s/reader_4ae a7585010009c0.html.

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