WiMAX：让无线覆盖世界的每个角落

当前采用的宽带接入技术主要有如下四种：有线电视的同轴电缆光纤混合网（ HFC）、电话线的数字用户环路（DSL）技术、小区以太网、卫星直接连接。国内以HFC 、 DSL和小区以太网三种方式为主，这三种接入方式都带有束缚用户的“尾巴”，用户如飘浮在空中的风筝，没有充分的自由，无论飘到哪儿，都有一根“绳索”把用户牢牢拽住。即使简单地变换一下机器的位置或临时建立一个网络如展览会、产品发布会，即便只使用有限的几天，也需要重新布线。因此，用户不禁常常自问：何时才能提供随时随地接入Internet的自由？用户的需求就是厂商努力的方向，厂商把目光锁定在了无线技术。

　　在过去的几年里，无线连接一直成为研究的热点，红外接入、蓝牙技术都曾经因为能提供无线连接而名噪一时，但或者因为有效范围太小，或者因为速度过低，或者因为必须可视等原因，这两者都没有大范围的普及。2003年因为WiFi技术的出现，无线技术又成为业界时髦的话题，可以说是Wi-Fi真正煽起大众对无线技术的热情，使大众对乘上无线快车充满了信心。可是当很多人准备追赶无线的浪潮，试图弄清楚到底什么是Wi-Fi时，无线家族的又一项技术WiMAX闪亮登场。就是这个对许多人而言闻所未闻的技术，世界级的多数知名公司却对它充满了期待与信心。

　　到底什么是WiMAX？为什么这么多厂商对WiMAX投入那么多的精力与热情？本专题将从技术与市场的角度WiMAX作深刻的剖析，并与其他流行无线技术作全面客观的对比，力图绘出WiMAX的真面目，给以上几个问题一个合理的答案。

　　WiMAX：无线技术新亮点

　　为什么偏偏是WiMAX?

　　一座城市，一个地区，只要一座无线电台，就可以把播音员的声音广传送到邻近地区的全部收音机。同样的道理，从WiMAX的一个基站的高架天线，就可实现对邻近地区的双向宽带数据服务，WiMAX就是这样神奇。但究竟什么是WiMAX呢？

　　目前业内对什么是WiMAX技术其实并没有一个明确的定义。当前业内所称的WiMAX通常是IEEE 802.16a标准，但有时也将WiMAX技术广义地理解为当前WiMAX论坛极力推介的IEEE 802.16系列标准。本文中如没有特别指出，WiMAX的含义一般都指的是802.16a。

　　WiMAX是为无线WMAN（无线城域网）和解决宽带接入“最后一km”的问题而设计的，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的无线接口标准。WiMAX用于将802.11a无线接入热点（Hotpoint）连接到互联网，也可连接公司与家庭等网络至有线骨干线路，它可作为线缆和DSL的无线扩展技术，从而实现无线宽带接入。

　　WiMAX的主要特点如下：

　　（1）传送距离，最高31英里（50km）；使用的频率为2GHz到11GHz；

　　（2）每区段最大数据速率是每扇区75Mbps，每个基站最多6个扇区；

　　（3）服务质量方面，可支持不同的服务等级，从而可以同时支持采用T1类型连接的企业用户和采用DSL类型连接的家庭用户；

　　（4）支持话音和视频等。

　　802.16相关标准介绍

　　IEEE 802委员会于1999年成立了802.16工作组来专门开发宽带无线标准。它由IEEE 802.16.1、IEEE 802.16.2和IEEE 802.16.3三个小工作组组成，每个小工作组分别负责不同的方面：IEEE 802.16.1小组负责制定频率为10GHz到60GHz的无线接口标准；IEEE 802.16.2小组负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；IEEE 802.16.3小组负责制定频率范围在2GHz到10GHz之间获得频率使用许可的应用的无线接口标准。

　　原有802.16标准采用10～66GHz波段，要求可视连接。而2003年1月通过审批的802.16a扩展使用较低的2～11GHz波段，支持非可视连接。这是无线宽带接入技术的重大突破，因为传输点与接收天线之间再也无需可视连接。802.16a可作为线缆和DSL的无线扩展技术，真正实现无线同宽带接入的统一。从技术特点看，802.16a规范相当诱人，50km的传输距离、75Mbps的传输速度，完全可以适应用户的不同需要，可以有效地进行各种数据、语音和视频图像的传输。

　　最新的802.16e任务组当前正在紧张地开发对移动802.16客户机的支持规范，以充分利用这一特性所带来的新能力。这些客户机将能够在802.16基站之间自由切换，从而使用户能够在各个服务区之间任意漫游。三者之间的区别如表一所示：

　　WiMAX协议结构深入剖析

　　IEEE 802. 16 协议结构总体来说分为两部分介质访问控制层（MAC）和物理层（ PHY）两大部分。其中MAC 层能支持多种物理层规范，以适合各种应用环境。10~66GHz频段的物理环境由于是微波，要求远处中心站（BS）和用户站（SS）间直视（LOS），并可忽略多径效应。其信道带宽较大，通常是基于单载波调制的空中接口，单载波带宽为25MHz 或28 MHz （我国采用），因此也被称为Wireless-MAN- SC TM空中接口。2~11GHz 频段的标准802. 16a已于2003年年初发布。IEEE 802. 16 的协议栈结构如图二所示。

　　（1）MAC层介绍

　　如图二所示，MAC 层由特定业务汇聚子层（CS）、MAC公共部分子层（MAC CPS）和加密协议子层（Privacy）三部分组成，其中加密协议子层是可选的。

　　CS子层主要功能：负责将其业务接入点（CSSAP）收到的外部网络数据（SDU业务数据单元）转换和映射成MAC SDU，并传递到MAC CPS层业务接入点（MAC SAP）。这具体包括对外部网络数据（SDU）执行分类，并关联到适当的MAC 业务流（MAC Service Flow）和连接标识符（CID）上，甚至可能包括净荷头抑制（PHS）等功能。协议提供多个CS 规范（ATMCS 和Packet CS）作为与外部各种协议的接口。CS 净荷的内部格式对CS 层是惟一的，MAC CPS 不需要理解或分析来自CS层的净荷。

　　CPS子层主要功能：它是MAC 的核心部分，包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MAC SAP 接收来自各种CS 层的数据并分类到特定的MAC 连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量（QoS）控制。通常说的MAC层主要指MAC CPS 。

　　PS子层的主要功能：提供认证、密钥交换和加解密处理。

　　（2）物理层（PHY层）介绍

　　物理层由传输汇聚子层（TCL）和物理介依赖子层（PMD）组成，通常说PHY 主要指后者。

　　物理层定义了两种双工方式：TDD和FDD，这两种方式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数（调制方式、编码方式、发射功率等）可以动态调整，但是需要MAC层协助完成。

　　下行链路一般采用TDM 方式，发送给各个SS的数据采用时分复用的方式进行传输，数据按照稳健性降序排列，各个SS根据MAC 报头中的目的地地址接收发送给自己的数据。

　　物理层的数据分帧进行传输，协议中规定帧长可以为0.5ms、1ms或2ms.采用TDD 方式时，上下行子帧的帧长可调。图三为下行子帧帧格式，图中CID 是连接标识符，DIUC 是下行链路的间隔使用码，CAZAC 是恒幅零相关序列，用于帧同步。DL-MAP 是定义下行突发起始时间的MAC 层管理消息，UL- MAP 是定义上行突发起始时间的MAC 层管理消息。

　　TCL子层（传输汇聚子层）主要将MAC 层传来的MAC PDU 按适当的码字长度分段成数据块组装成TC PDU，为在PMD子层中执行FEC 编码做准备。装配后的TC PDU 首部的指针域指明了第一个MAC PDU 和填充字节的起始位置。

　　PMD 层具体执行信道编码、调制解调等一系列过程。下行链路PMD 层概念框图如图四所示。

　　4、WiMAX的优点

　　从应用层面来说，WiMAX主要优点表现为：（1）能快速地完成为一个区域提供宽带服务，甚至这些地区难以用金属线路布线；（2）能显著地降低宽带服务的基建投资；（3）能克服传统连线系统的物理障碍。

　　从技术层面来说，WiMAX的优点主要表现为：（1）其较理想的非视距传输特性；（2）灵活的部署与配置伸缩性（3）优秀的QoS服务质量和强大的安全性。下面对技术层面的优点作进一步的说明。

　　WiMAX基于动态适应性信号调制模式，因而使这一技术不仅具备远距离信号传输能力和穿越树木和建筑物等障碍物的非可视传输能力，而且具有较强的信号反射容错能力。同时，这种调制模式还能够使服务商基站根据信号强弱调整带宽，以确保与用户的正常连接。WiMAX还提供了包括灵活的信道规划在内的部署与配置伸缩性，使运营商能够根据所拥有的许可，或无需许可频段资源灵活规划信道带宽，并根据用户群体状况不断升级扩展网络。如对拥有20MHz频谱的运营商而言，既可以将其划分为2个10MHz信道、也可以将其划分为4个5MHz信道。另外，对于城郊与农村等偏远地区而言，WiMAX还提供了可满足语音和低延迟视频服务应用的QoS服务质量支持，并且能够使服务商基于同一基站同时支持采用T1类型连接的企业用户和采用DSL等类型连接的家庭消费用户。除此之外，为了保护用户信息安全、尤其是为满足企业用户对商业应用数据安全的需求，WiMAX技术还提供了强大的隐私与加密保护，可通过身份认证与数据加密等途径，保障数据传输安全。

　　5、WiMAX主要应用领域

　　作为一种面向最后一英里接入领域的无线MAN技术，WiMAX可以广泛应用于多个宽带相关领域。尤其是在城郊和农村等DSL与Cable Modem服务有效覆盖范围以外、或不便于部署传统宽带接入技术的区域，WiMAX技术更是大有用武之地。即使在有电缆和DSL的地区，WiMAX也可以填补某些空白区。因为DSL与Cable Modem等宽带接入服务由于受技术特性等客观条件的限制，在服务范围上都有其各自的局限。如DSL接入的有效覆盖范围仅限于距中心3英里以内的区域，这就将许多城郊附近的区域排除在了DSL服务之外；Cable Modem的局限性主要表现在，部分有线公司由于原有网络架构过于陈旧等方面的原因，无法向网内用户提供Cable Modem接入服务；同时卫星宽带接入虽然较少受到地理环境的限制，但服务价格过于高昂，超出了多数普通用户的承受能力。在这种情况下，WiMAX无疑是一种理想的宽带接入选择。

　　典型的WiMAX应用布署通常由安装于建筑物上的基站或塔式基站和家庭或办公场所内的用户接入终端组成，传输距离最高可达50km，通常情况下的有效覆盖范围可达7~10km，在这一范围内，这一技术的非视距传输特性与穿透性都极为理想。而在单一基站的3~5km覆盖范围内，还可以提供高达75Mbps的带宽。另外我们从WiMAX的技术参数也能看出它能解决802.11节点至因特网的连接，并为“最后一km”宽带接入提供了一种传统的电缆、数字用户线DSL和T1/E1等方式的替代接入方式；它能提供最远50km的业务覆盖范围，用户并不需要与基站间保持直接视距可见就可以获得宽带的连接，每个基站最大可以提供280Mbps的数据速率，足以胜任数以百计的T1/E1型高业用户以及数以千计的家庭DSL型业务的同时连接。因此WiMAX即可直向最终用户，加速802.11热点和家庭小型办公室的无线局域网建设 ；同时也很适合边远地区发展的需要。值得一提的是，IEEE 802.16e将为802.16a扩展出热点间的漫游能力，使用户穿梭在各个地方的无线因特网服务区时，得到不间断的连续服务。WiMAX也能满足不同服务水平的需要，为企业提供T1的数据访问速度，为家庭提供DSL的服务水平。WiMAX也有很强的安全性能和质量服务（QoS）性能，能支持语音和图像服务要求的最低的等待时间。WiMAX的应有可用图五表示：

　　WiMAX的传输距离达到了50km，如果远的传输距离，决定了WiMAX无线系统的用户接入容量很大。直观地讲，在方圆50km的范围内，可能将会有成千上万的用户同时通过WiMAX无线系统进行数据传输，在这样的情况下，就要求WiMAX无线系统在同一时刻内可以容量很多的用户。

　　一般来讲，802.11同时接入的用户数量只有10多个，而WiMAX则可以达到上万个。其原因就在于WiMAX使用了时分多址技术（TDMA）。

　　TDMA是通信技术中基本多址技术之一，在2G（为GSM）移动通信系统中多被采用。它是把时间分割成周期性的帧（Frame），每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

　　TDMA较之FDMA（频分多址：按照传输信号的载波频率的不同来划分的方式）具有通信口号质量高，保密较好，系统容量较大等优点，但它必须有精确的定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信，技术上比较复杂。

　　由于无线电波在采用同样的频宽的情况下，采用不同的调制技术，一般会得到不同的数据传输率。由此可见，调制技术在无线传输中起到了比较重要的作用。现在，我们先来介绍一下WiMAX标准的调制技术。

　　WiMAX采用QPSK（Quaternary Phase Shift Keying）四相移相键控调制、16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交振幅调制和64-QAM三项调制技术。其中，QPSK四相移相键控调制技术是在二相移相键控基础上发展起来的。二相移相键控的原理比较简单，就是利用载波的Q、pai相位来表示二进制1和0。由于跨度过大，后来推出了四相移相键控调制来代替。四相移相键控调制利用载波的四种不同相位（0度、90度、180度和270度）来表达不同的熂，实际性能可比二相移相键控调制高一倍。

　　相比之下，QAM正交振幅调制技术在机理上更为复杂。待发送的数据在专门的比特/符号编码器内分成速率各为原来1/2的两路信号，并分别与一对正交调制分量相乘、求和后输出。接收端完成相反过程，正交解调出两个相反码流，均衡器补偿由信道引起的失真，判决器识别复数信号并映射回原始的二进制信号。与其它调制技术相比，QAM正交振幅调制技术具有充分利用带宽、抗噪声强等特点，广泛使用于各种信号传输技术中。