WiMAX系統及其設備研發

　　 

    作者：周宗儀

    摘要：文章根據WiMAX系統的市場定位及設備需求，較詳細地探討了WiMAX系統及設備研發需要考慮的主要方面，包括需求和產品定義、技術整合、產品架構，以及目前產業鏈發展現狀及技術走向，并從中得出了一些有價值的結論。

    文章認為WiMAX產品研發需要在借鑒WiFi模式的同時更多地完成技術整合，WiMAX必須繼續堅持其開放性、低成本及新技術的發展方向，致力于寬帶無線接入(BWA)及移動寬帶無線接入(MBWA)相互兼容、相互補充的發展之路。

    關鍵詞：全球微波接入互操作性；寬帶無線接入；移動寬帶無線接入；研發

    Abstract:Thispaperdescribesseveral main aspects of WiMAX system development. Based on the requirements of Broadband Wireless Aclearcase/" target="_blank" >ccess (BWA) markets, it discusses the product definition, technologies integration, architecture design, and the current status of WiMAX industry and techniCAl tendency. Some results can be helpful for developing WiMAX systems. The paper also concludes that the WiMAX system development should pay more attention to the technology integration and pursue product development in the direction of maintaining openness, low cost and technology innovation. Both BWA and mobile BWA application should be considered at the design stage.

    Keywords:WiMAX;BWA;MBWA；research and development

    WiMAX是一項廣域寬帶無線接入(BWA)技術，基于IEEE802.16系列標準，與IEEE802.15、IEEE802.11系列技術形成面向不同傳輸環境的無線數據接入技術體系。

    WiMAX的特點在于能夠提供大范圍及高速率的無線接入(50km范圍的覆蓋和75Mb/s的數據速率)，同時支持非視距傳輸，因此，WiMAX定位于BWA是非常清晰的。沿襲IEEE802.11以芯片為核心的設備開發模式，以低廉的單位帶寬成本進入市場，WiMAX應該很容易找到自身的發展之路。當然，WiMAX在計算其成本優勢時需要綜合考慮單位帶寬及單位覆蓋成本兩個因素。IEEE 802.16e則把WiMAX帶入移動寬帶無線接入(MBWA)領域。WiMAX在給整個移動通信領域帶來驚人變革的同時，不可避免地面對激烈競爭。對于移動通信系統來說，滿足用戶移動中通信的要求，首要的是具備對特定區域(如一個城市)的完整覆蓋，這是不同BWA系統成功應用的關鍵因素之一。WiMAX將可能與其他主流移動寬帶系統同時存在競爭與合作的關系，共同提供完整覆蓋，而終端采用多模式體制，通過在多種網絡間的業務平滑切換，實現無縫的寬帶移動接入。需要特別注意的是，基于IEEE 802.16e的WiMAX將保持對BWA的后向兼容性，能夠提供用戶在低速運動中高速率接入網絡的能力，而相應系統成本的額外增加非常有限。這樣一來，移動WiMAX更接近于對BWA的移動延伸，而不是與BWA的割裂，使得WiMAX將仍然能夠保持其原有的發展模式和清晰的定位。

    定位于BWA的WiMAX系統將首先應用于廣大的沒有數字用戶線(DSL)及缺乏有線數據網絡的地區[1]，面向寬帶接入、遠程教學及醫療、企業/社區互聯等應用。WiMAX能否進入城市市場，則取決于是否存在缺少有線網絡的網絡運營商及是否存在大量企業網絡互聯的需要。一旦終端的成本降低到一定水平，并且可以與其他終端設備集成在一起使用，則大眾消費市場將逐步成為WiMAX應用增長的推動力，尤其在基于IEEE802.16e標準的產品轉化為低成本產品之后。用于BWA市場的WiMAX產品將沿襲BWA的產品框架，即中心接入設備(CAP)與用戶設備(CPE)，以及支持格狀網(Mesh)組網的產品。

    支持移動的WiMAX應首先著眼于汽車等具有高附加值的流動設施，提供包括交通/地理輔助信息、媒體信息、娛樂內容、遠程企業/家庭在線等個性化服務[2]。MBWAWiMAX系統的產品框架將包括支持IEEE802.16e的基站、車載用戶站、固定用戶站，以及手持終端。

    與WiFi應用相結合，WiMAX可以作為WiFi接入點之間的骨干連接，采用Mesh組網技術編織起一張全無線寬帶接入網絡，可以吸納采用WiFi技術的運營商及企業用戶加入到WiMAX陣營，并且可以克服WiMAX終端可能存在的成本問題[3,4]。

    考慮到WiMAX網絡的投資和建設需要足夠的資源，目前，仍然需要電信運營商或政府部門作為首要的網絡建設和運營者。因此，用于大范圍城域覆蓋的WiMAX系統將需要運營支撐系統與之配合使用[5]。

    根據國際電信聯盟(ITU)及中國的無線電頻率劃分狀況，今后可以用于IEEE802.16使用的頻段將分布在3.3～3.7GHz、5.1～5.3GHz、5.7～5.8 GHz等頻段。

    1  WiMAX的系統開發

    WiMAX系統開發必須基于IEEE802.16d/e標準，根據IEEE對WiMAX系統的定義，整合各種相關技術，才能設計出在性能及成本上具有綜合優勢的產品及解決方案。

    WiMAX系統開發可分為開發規劃與開發實施兩個主要階段。開發規劃階段將完成對開發產品的定義、WiMAX及其他多種技術的選擇和整合、核心芯片及開發平臺的選擇等工作。這一階段對于系統開發至關重要。產品開發實施階段將完成所規劃產品的硬件、天饋、軟件以及支持和測試系統的設計和開發工作。

    由于WiMAX系統設計從物理層、媒體訪問控制(MAC)層再到網絡協議層所使用和支持的技術的選擇空間較WiFi系統有了很大的擴充，因此在對除核心技術和機制之外的其他技術和機制的處理上，需要設備制造商針對自身產品的定位作認真的考慮。例如，很多被列為可選的非強制實施技術將有助于產品功能的差異化，而WiMAX標準對多種信道分配及服務質量(QoS)實施能力的支持也將有助于設備制造商定義出某些具有市場針對性的產品。

    由于IEEE802.16e兼容IEEE802.16d標準，兩者在設備的系統設計上將具有很強的相似性，因此，在系統設計當中可通盤考慮兩者的產品相關性，從芯片、開發平臺及產品的硬件、軟件設計中堅持前期產品對后期產品的開發保持一致性是非常重要的，這將極大地降低開發周期和成本，使產品開發具有良好的延續性。

    1.1多技術整合

    表1給出了IEEE802.16中采用的主要技術。

    WiMAX系統開發中涉及標準強制實施的技術、非強制實施的技術，以及標準未規定使用的技術。系統開發在保持對強制實施技術支持基礎上，需要考慮對非強制實施技術以及未規定技術的合理選擇和使用。

    針對BWA應用，產品定位在高速率、大范圍廣域互聯方面，因此，以下幾點需要重點予以考慮：

    (1)如何保證大范圍覆蓋？

    (2)如何提高頻譜效率，以及系統吞吐率，包括多用戶下的系統吞吐率？

    (3)如何保證特定業務或用戶的QoS？

    (4)如何簡化網絡的布設，降低組網成本？

    針對MBWA應用，產品定位將在BWA的基礎上，增加對用戶移動性的支持，以下幾點需要重點加以考慮：

    (1)如何有效解決時變信道的衰落？

    (2)如何保持高的頻譜效率，兼顧考慮移動和非移動用戶的信道使用？

    (3)如何保證覆蓋的無縫？

    (4)如何保證各種業務在切換過程的連續性(假設他們對連續性的要求是有差異的)？

    (5)如何進一步有效地支持用戶的節點模式？

    (6)如何提供用戶在WiMAX與其他寬帶無線網絡間的切換和漫游？

    上述問題都是在技術整合的過程中需要回答的問題。例如針對BWA的問題，可以給出下列技術選擇：

    (1)通過使用扇區、波束成型智能天線陣列，或是采用多輸入多輸出(MIMO)及簡單空時編碼，來綜合解決覆蓋范圍以及容量等問題。

    (2)在覆蓋技術已提供高信噪比(SNR)的情況下，提供更高階調制方式(例如256QAM等)，或者采用MIMO并行傳輸，或者信道分配采用有信道質量加權的算法，提高頻譜效率。

    (3)在信道分配算法、MAC層/協議層隊列調度機制，以及網絡接入控制與負載平衡上采用部分或聯合控制策略，綜合保證具有用戶及業務針對性的QoS機制的實施。

    (4)考慮支持Mesh組網能力，并且使系統設備與網絡管理實體具有自動發現、自動配置等功能，大大增加網絡布設和覆蓋的靈活性，同時降低網絡管理的復雜性。

    技術的選擇和整合需要綜合考慮，范圍涉及系統產品的定義、系統實現復雜度及成本的計算、芯片及開發平臺的選擇、開發及合作資源的規劃等諸多問題。不同于無線局域網的系統開發，WiMAX包括更多的需要解決的問題以及更多的可以選擇的技術手段，技術選擇的空間正是設備制造商在技術及產品功能開發上發揮自身優勢的一個廣闊舞臺。

    1.2基站設備

    一般基站(中心站)可以劃分為一體化小容量基站與容量可伸縮的大容量基站兩種，根據不同的產品定義，還可以衍生出具有不同網絡或其他功能的產品?；鞠到y開發的規劃流程如圖1所示。

    一體化小容量基站一般指用于提供單小區/扇區覆蓋的系統設備，不具有容量擴展能力，但方便設備的布設和使用(與其他BWA系統設備的使用非常相似)。一體化小容量基站通用結構如圖2所示。大容量基站通過使各個覆蓋子系統高效共用網絡處理、支持系統資源而降低單位信道的成本，由于具有易于擴展和伸縮的特性，非常方便容量升級、硬件升級等后續工作的開展。大容量基站通用結構如圖3所示。[8,9]

    一體化基站一般由射頻收發模塊、物理層基帶處理、MAC層協議處理、網絡處理器以及其他接口、存儲及支持系統組成?？紤]到芯片集成能力的不斷提高，物理層及MAC層處理，甚至網絡處理器將可以實現單芯片解決方案。射頻收發模塊的選擇主要是看其對多天線收發的支持，以及在高階調制、正交頻分復用(OFDM)多載波使用中的動態范圍與穩定性。MAC層的協議處理分為硬件及軟件處理兩部分，硬件部分負責高效的執行發送及接收隊列、底層信道分配、報文封裝/解封裝、硬件加密等任務，軟件部分則負責MAC層隊列及流量控制、信道分配及QoS算法、對硬件MAC的控制、安全及其他機制的處理等各種任務。MAC層軟件部分將與其他協議層任務運行在網絡處理器上。應根據系統開發的需要及芯片的選擇決定網絡處理器所采用的實時操作系統。另一種選擇是，如果基帶處理芯片上集成了高速嵌入式處理器，則MAC層軟件可以選擇運行在該高速嵌入式處理器上，而非實時任務及網絡任務則運行在網絡處理器上，嵌入式處理器及網絡處理器可以采用不同的操作系統。

    大容量基站一般采用模塊化設計，射頻模塊、基帶及MAC層處理、網絡及其他任務處理可以板卡的形式作為系統組件，各系統組件通過PCI總線通信。MAC層處理采用基帶及MAC層處理卡上獨立的處理器或嵌入式處理器來完成。

    在基帶芯片的選擇上，需要關注其是否支持MIMO技術、調制方式、雙工方式，支持的物理信道帶寬、OFDM的處理性能，對加密方式的支持等項目。如Wavesat公司推出的支持IEEE802.16d的物理層芯片DM256，其功能如表2所示。需要在對芯片充分了解的基礎上，才能選用。

    1.3WiMAX的用戶終端

    WiMAX終端主要包括CPE及用戶站(STA)類型，CPE類型主要用于提供IP網絡接口的點對點、點對多點應用；STA類型則主要面向單用戶接入，可以用于BWA及MBWAWiMAX系統的普通終端用戶接入，提供的接口包括IP網絡接口、PCMCIA等不同的選擇，面向不同的終端產品。

    與基站設備比較，終端設備將更加受限于安裝、尺寸、電源、功率等諸多問題，尤其是MBWA的應用更是如此。與WiFi的應用類似，即使對于BWA的應用，STA類型的終端預計仍有很大需求(主要用于用戶通過筆記本電腦之類的終端直接接入BWA網絡)。這就對片上系統(SoC)芯片及射頻(RF)部分的設計提出了更加苛刻的要求，低功率SoC方案，以及多天線、多載波情況下的RF設計是解決問題的關鍵。通用的用戶終端結構如圖4所示。

    與基站設備相比，終端設備對成本及市場投放價格也更加敏感，目前的WiMAX終端成本包括天線及網絡接口在內，大致在150～120美元之間。預計在2005年下半年，終端成本將下降到100美元以下；2006年下半年，將下降到約50美元。除了芯片設計及工藝因素外，終端成本主要取決于WiMAX市場規模的發展狀況。

    1.4WiMAX運營支撐系統

    支持固定/移動接入的WiMAX網絡如圖5所示。對于運營商大規模布設的WiMAX系統，需要與運營有關的支撐系統來管理設備、用戶與業務資源。這一支撐系統包括認證與計費系統、網絡管理系統以及IP增值業務系統。對于寬帶網絡運營商而言，很容易將WiMAX網絡與寬帶網絡統一進行管理。不過，當MBWAWiMAX系統提供移動業務時，需要增加與用戶位置及移動性管理有關的網絡實體?？紤]到IEEE802.16e的切換及漫游標準尚未標準化，這里不便就其工作方式進行討論，不過，該位置登記實體預計將與3G系統的類似實體非常相似。

    2  WiMAX產業鏈發展的現狀

    WiMAX在WiMAX組織的推動下，已經形成了包括芯片制造商、接入及終端系統設備商、網絡系統設備商、運營商等在內的完整產業鏈，主要基帶芯片開發商、RF芯片制造商、設備制造商見表3。由于WiMAX依賴于核心芯片作為上游產品，因此，與初具規模的產業鏈相比，芯片開發與制造短期內將是WiMAX發展的“瓶頸”。

    2.1芯片開發

    目前，主要有4家芯片設計廠商從事WiMAX基帶處理芯片的開發，分別是Intel、Fujitsu微電子、Wavesat和Sequans公司。

    Intel在2004年9月發布了支持IEEE802.16d的CPESoC芯片，名為Rosedale。該芯片已經交由少數設備廠商進行CPE產品開發。Intel預計將在2006年提供內置于筆記本電腦的WiMAX芯片，并在2007年提供用于掌上設備的WiMAX芯片。

    位于加拿大蒙特利爾的半導體設計公司Wavesat在2004年9月也發布了其WiMAX芯片，名為DM256，并將基于DM256芯片的完整設計交由其合作伙伴美國的Atmel公司完成后續開發。Fujitsu微電子計劃于2005年第二季度發布基于IEEE802.16d芯片。其WiMAX芯片的開發要早于Intel。一家位于法國巴黎的公司Sequans也正在進行SoC芯片及相應軟件解決方案的開發。

    2.2系統產品開發

    加拿大RedlineCommunications公司早在2003年10月就發布了第一個符合IEEE802.16a標準的產品設備AN-100。該系統工作在3.5GHz頻段，已經在歐洲、中東和亞洲獲得了固定接入許可，可以提供70 Mb/s的吞吐量，視距范圍達到45 km。該產品可工作于點對點，點對多點的不同方式。

    AN-100產品功能如下[10]：

    3.4～3.8GHz頻段，應用于非視距傳輸。

    信道帶寬：3.5/7/14MHz。

    頻譜效率：5b/s/Hz，最大速率70Mb/s(14 MHz)。

    雙工方式：動態TDD，HD-FDD。

    信道編碼效率：1/2，2/3，3/4。

    覆蓋距離：視距45km，非視距3km。

    接收靈敏度：-88dBm。

    動態調制方式：QPSK、16/64QAM。

    加密方式：DES(用于業務處理)、3DES(用于密鑰交互)。

    支持協議：MAC、IEEE802.16a。

    2004年6月，Alvarion公司推出了支持IEEE802.16a的BreezeMAX3500平臺，該產品系列工作在3.5GHz頻段，已經通過歐洲及亞太運營商的測試。

    3  WiMAX系統的發展方向

    3.1IEEE802.16e造就移動WiMAX

    IEEE802.16e將有助于將WiMAX帶入個人消費的廣闊市場。IEEE802.16e特別強調對IEEE802.16d的后向兼容。

    IEEE802.16e的特點主要有：

    物理層能夠進行時變信道下的信號解調。

    支持用戶站在基站間完成硬切換。

    用戶站可以工作在休眠(節電)模式。

    兼容IEEE802.16d，在空中接口幀結構上同時提供對固定及移動終端的傳輸支持。

    由于兼容性的存在，使得系統設備在設計開發上預計可以有很好的繼承性，但對低成本單芯片終端解決方案的需求將會很大。諸如定位及位置信息等功能將會考慮進基站和終端的設計中。

    3.2WiMAX+WiFi+WPAN的結合

    WiMAX作為WiFi網絡的主干，可充分利用其支持網格組網的特點，這樣同時也解決了WiFi發展的“瓶頸”——組網問題。另外，從網絡覆蓋互補的角度來看，在廣域覆蓋環境中，WiMAX可以作為首選；在局域覆蓋中，WiFi(如IEEE802.11n)可以作為首選；配合藍牙等無線個人網(WPAN)技術成本低廉的優勢，有望形成WiMAX+WiFi+WPAN結合的局面。

    在產品形式上，雙模的WiFi接入點(DMAP)設備是一個候選。DMAP包括WiFi-AP及WiMAX-SS模塊，WiFi用于用戶接入，WiMAX用于與主干網互聯。進一步，WiMAX模塊也可以是基站(BS)模塊，利用格狀網(Mesh)技術實現與主干網互聯，并支持WiMAX用戶的接入。另一種候選的產品是多模終端，可以工作在WiMAX及WiFi模式下，動態選擇接入WiMAX或WiFi網絡?？紤]到WiFi技術將嵌入到3G等其他廣域無線數據終端上，WiMAX+WiFi雙模終端的出現將是很自然的結果。

    3.3MIMO及智能天線的運用

    MIMO技術非常適合城市范圍內多徑環境下的無線信號處理，包括提供空間分集以及多路信道并行傳輸，是提高WiMAX系統覆蓋范圍及吞吐量的合適技術。智能天線則有利于提高基站與運動物體的方向性空間增益以及對干擾信號的方向性抑制。不過，在城市多徑彌散的環境中，MIMO可能將會更受設備開發商的歡迎。

    基站一側增加天線陣列應該沒有問題。隨著天線陣列處理技術的發展，目前，終端一側增加2～3個陣元的天線陣列已經可以容易地實現?；贗EEE802.11n的系統將在接入設備及用戶站上采用多天線MIMO技術。

    4結束語

    WiMAX技術通過將BWA標準化，正在使寬帶無線領域發生顯著的變革，使人們不再因為WiFi的有限覆蓋而頭痛，也不會止步于3G的低速率數據傳輸。尤其是當WiMAX的MBWA標準IEEE802.16e出現的時候，會讓更多的消費者邁入無線信息時代。本文根據這一變革中市場對系統及設備的需求，探討了WiMAX產品開發所涉及的各個主要方面，從中可以看出，基站設備的開發需要通過精心選擇合適的技術方向來獲得競爭優勢，而IEEE802.16標準的雙向兼容性將使設備的持續開發獲益；終端的普及將帶動WiMAX的規?；l展，而終端的形式及成本將決定這一發展的速度；與WiFi等互補的無線數據網絡的融合將互惠互利，但可以預見到，技術的競爭會一直持續，因此，WiMAX必須堅持向開放性、低成本與新技術的方向前進。

    5參考文獻

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    [8]FujitsuMicroelectronicsAmerica. Fujitsu Solutions for WiMAX-Certified Products for Next-Generation Broadband Wireless Access [Z], 2004.

    [9]WavesatInc.Chips for A New Wireless World [Z], 2004.

    [10]RedlineInc.AN-100 System Specification [Z].

    作者簡介：

    周宗儀，畢業于加拿大皇后大學，電子工程學博士?，F為華中科技大學特聘教授，研究領域包括寬帶無線接入技術和蜂窩移動通信技術?，F主要從事OFDM寬帶無線接入系統和新一代移動通信無線鏈路技術的研究開發。已在國內外學術刊物上發表論文20余篇，聯合申報寬帶無線通信中國專利十余項。

原文轉自：http://www.kjueaiud.com