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摘要 WiMAX可以为大范围内的大量用户提供高带宽的无线语音和数据业务，具有巨大的商业价值。但是，当前的WiMAX技术大多基于传统系统，没有考虑WMAN对大容量需求的特殊性和系统的快速发展。本文首先概述了WiMAX的最新研究动态——IEEE 802.16-2004标准的物理层和介质接入控制层的技术特点，分析探讨了WiMAX技术当前存在的问题，并在此基础上介绍和评价了WiMAX的各种性能增强技术和扩展方案。
关键词 WiMAX 系统容量 可扩展性 小区规划 空间复用 调制机制
1、引言
固定宽带无线接入技术[1-9]使用无线介质为许多离散的用户站点提供高带宽的语音、数据和多媒体业务，在组网、安装、维护方面灵活快捷，而且系统开发运营成本低，具有巨大的商业价值，必将成为未来的主流技术。无线城域网(WMAN)标准IEEE802.16——WiMAX是第一个用于固定宽带无线接入的商业标准，定义了物理(PHY)层和介质接入控制(MAC)层的许多技术，但是大多基于现有的传统系统(例如802.11无线局域网系统)，并没有考虑WMAN对大容量需求的特殊性和系统的快速发展，因此有必要采取一些增强技术和系统扩展方案增强网络的可扩展性和系统性能。
本文首先概述了WiMAX的最新研究动态——IEEE 802.16-2004标准的PHY层和MAC层技术，分析探讨了固定宽带无线接入技术当前存在的问题，并在此基础上提出了一些性能增强技术和系统扩展方案，利用这些技术和方案可以显著增加固定宽带无线接入系统的数据容量、用户容量和覆盖区域，增强系统的灵活性并支持系统的持续增长。
2、WiMAX标准现状
IEEE 802.16标准最初工作在10-66GHz频段，仅支持视距(LOS)传输和点到点通信。扩展后的802.16a标准工作在2-11GHz的较低频段，允许非视距(NLOS)传输和点到多点(PMP)通信，支持Mesh(网状)拓扑结构，并且允许灵活的用户部署和操作。2004年，802.16-2004标准将802.16和802.16a空中接口标准进行了融合，可以应用于2-11GHz NLOS传输和10-66GHz LOS传输。
2.1 物理层技术
IEEE 802.16-2004标准定义了三个不同的PHY层调制机制，可以和MAC层技术结合使用提供可靠的端到端连接。这些空中接口规范是：
●WMAN-SC：单载波调制的空中接口规范。
●WMAN-OFDM(正交频分复用)：256载波OFDM机制。
●WMAN-OFDMA：2048载波OFDM机制。通过给各个接收机分配载波子集，提供了多个接入，所以这个版本通常称为OFDM多址接入(0FDMA)。
在这三个空中接口规范中，由于多载波信号的均衡处理很简单，所以两个基于OFDM的系统更适合NLOS操作。而且，相比其他两个规范，256载波的WMAN-OFDM具有较低的峰平比、更快的FFT(快速傅立叶变换)计算以及更宽松的频率同步要求，所以设备供应商们更倾向于使用它。
2.1.1 自适应调制和编码
根据802.16-2004标准定义，下行链路(DL)和上行链路(UL)允许的调制机制是二进制移相键控(BPSK)、四进制移相键控(QPSK)、16进制正交幅度调制(QAM)和64QAM。标准定义了7种调制机制和码率的组合(如表1所示)，可以根据信道和干扰条件的不同，实现各种数据速率和鲁棒性的折衷。
[table]
调制机制 | 卷积码码率 | 总码率 | 信息/符号 |
BPSK | 1/2 | 1/2 | 0.5 |
QPSK | 2/3 | 1/2 | 1 |
QPSK | 5/6 | 3/4 | 1.5 |
16QAM | 2/3 | 1/2 | 2 |
16QAM | 5/6 | 3/4 | 3 |
64QAM | 3/4 | 2/3 | 4 |
64QAM | 5/6 | 3/4 | 4.5 |
802.16使用外部RS(Reed-Solomon)分组码级连内部卷积码。RS码是使用GF(28)从系统RS码(N=255，K=239，T=8)推导而来的，因此与系统RS码相比增加了大约10%的开销。内部卷积码的约束长度为7，并且码率可以为1/2、2/3、3/4或者5/6(如表1所示)。还可以使用Turbo码改善系统的覆盖范围和容量，不过这会增加译码延迟和系统的复杂度。
2.1.2 空时分组码
根据802.16-2004标准的定义(可选部分)，可以在DL中实现空时分组码(STBC)，以提供增强的时间和空间分集特性。接收机根据接收信号，对发送信号执行最大似然(ML)估计。还可以利用多根天线的接收分集，从而进一步增强系统性能。由于接收分集不需要额外的发射功率，所以接收分集优于发射分集。
2.1.3 自适应天线系统
802.16-2004标准还提供了允许使用智能天线系统的可选特性和信号结构。它定义了一个单独的PMP帧结构，允许使用定向波束(每个波束都指向一个或者多个用户站点)传输DL和UL突发数据。还定义了基站(BS)和用户站点(SS)之间的额外信号，允许SS为BS提供信道质量反馈，将每个定向波束和特定子载波的信道响应的实部和虚部提供给BS，BS可以在这个反馈的频率域指定分辨率，即标准允许SS为每4个、8个、16个、32个或64个子载波提供信道响应。
2.2 MAC层技术
IEEE 802.16的MAC层是为PMP宽带无线接入应用设计的，要满足非常高的数据速率应用的需求，以及许多服务质量(QoS)要求。802.16 MAC层是基于“连接”的，即所有终端的数据业务以及与此相关的QoS要求都是基于“连接”进行的，MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数。
信道带宽可以是1.25MHz、1.5MHz和1.75MHz的整数倍，最大值是20MHz。标准定义了四种不同的上行带宽调度模式：请求带宽分配业务、实时轮询业务、非实时轮询业务、尽力而为业务。802.16接入系统在每个终端有多个连接、每个终端有多个QoS级别以及有大量统计复用用户的情况下也非常有效。它充分利用了许多请求机制，平衡了无竞争接入的稳定性和面向竞争接入的效率。无竞争接入机制要求每个用户必须先获得发送权，然后才能发送数据，这种方式不会产生冲突，并且在负载较重的情况下可以获得很高的信道利用率；而基于竞争的接入机制是各个用户竞争使用信道，不需要取得发送权就可以发送数据，这种方式在负载较轻的情况下可以获得良好的延迟特性，但无法为每个用户保证传输带宽，不适合实时业务或需要QoS保证的业务要求。
IEEE 802.16-2004标准的MAC层分为汇聚子层、公共部分子层和安全子层。汇聚子层将传输层的特有业务映射到足以有效携带任何业务类型的MAC层。公共部分子层与传输机制无关，负责将MAC业务数据单元(SDU)分段为MAC协议数据单元(PDU)、QoS控制以及MAC PDU的时间进度和重传。安全子层负责MAC层认证和加密功能。
IEEE 802.16标准支持频分复用(FDD)和时分复用(TDD)。在FDD模式中，还额外地支持无帧FDD操作，即MAC PDU的传输不包含帧结构，并且是异步的。BS处的MAC层创建DL帧(TDD子帧)，帧头是用于同步和信道估计的前导码。前导码之后是帧控制头(FCH)，规定了一帧的其他部分的突发模式，即规定了每个突发数据包所采用的调制编码机制和长度。FCH之后是一个或者多个下行突发数据包，每个突发数据包都由整数个OFDM符号组成的，并且根据突发模式加以发送。
按照鲁棒性递减的顺序发送数据突发包，允许SS在遭受可能会引起同步丢失的突发错误之前接收到可靠的数据。在DL中，FCH之后就是TDM部分，并且TDM用于主动提供的授予服务，这对具有严格延迟限制的恒定比特速率的应用来说非常有用。
3、WiMAX存在的问题
随着互联网的快速发展，多媒体数据通信业务的需求增长以及数据密度(数据吞吐量和覆盖范围)的持续增长对固定宽带无线接入网络的系统性能和可扩展性提出了挑战。因此，为了满足用户数和业务量的增长，WiMAX系统的总容量(包括支持的用户数、数据速率和覆盖范围)必须最优并且可按需扩展，而且网络要能够支持新业务。
但是，尽管802.16-2004标准的物理层提供了许多优化技术，并且MAC层标准也提供了大量的带宽分配和QoS机制，仍然存在一些问题，需要进一步的研究和改进：
●MAC层还有许多调度和预约管理的细节没有定义，这将制约系统容量的增加和网络扩展。
●数据密度的持续增长对WiMAX网络的系统性能和可扩展性提出挑战[3]。
●许多宽带无线接入系统工作在非常拥挤的频带，带宽限制是制约网络扩展性的一个主要问题。
●资源分配的灵活性对于满足突发业务和按需分配容量非常重要，必须考虑每个比特的费用或者网络传递带宽的总费用。
●无线Mesh网络是下一代无线网络的关键技术[7]，802.16标准必须能够支持无线Mesh网络的部署和实现。而现有的PHY层和MAC层技术并不是针对802.16Mesh网络的具体特点而设计的。
●BS和SS处的射频设备的费用太高，这在许多情况下阻碍了固定无线宽带接入市场的发展。
4、WiMAX的发展方向
为了满足用户数和业务量的增长、满足系统扩展需求、降低设备成本以及支持无线Mesh网络，WiMAX必须采取一些增强技术和系统扩展方案来增强网络的可扩展性，并且最优化固定宽带无线接入系统的容量和带宽利用率。
4.1 小区规划
进一步将每个小区划分为微小区[8]，每个微小区只有较小的覆盖范围，且每个相邻无线路由器的位置放置使小区之间的覆盖区域没有空白，这样可以增加地理覆盖和减小无线路由器的间隔。因此，在无需LOS通信的25GHz以下的载波频率处，扩展了覆盖区域。但是，在较高的频率处，LOS需求仍然会影响系统覆盖范围的可扩展性(例如，在现有的用户建筑物前出现了一幢新的建筑物，阻挡了LOS路径)。
还可以增加每个无线路由器的扇区数，从而获得更高的数据容量。通常，用4个90°扇区天线构建系统，每个天线覆盖一个扇区。通过将扇区数从4个增加到8个，即天线数也由4个增加到8个，并且保持全向覆盖，可以将数据速率增加两倍。将小区划分为更多的扇区，可有效地产生更多支持更高数据速率的子信道，从而可以增加网络容量。越来越多的路由器覆盖相同的地理区域，每个路由器需要的带宽较少，因此可以减少设备花费。
4.2 频率重用
频率重用可以增加数据容量：将可用信道划分为群，并且将每个群中的信道频率分配给小区或者扇区，相邻小区或者扇区工作在不同的频率子信道，并且确保这些频率不会相互干扰。因此，使用的频率较多，可以进一步隔开使用相同频率的小区或者扇区。改善可扩展性的另一个方法是优化现有资源的利用率。尽管为每个小区或者扇区分配了固定带宽，但是利用信道借用的方法，这个带宽可以在实际应用中浮动，允许忙小区或扇区利用相邻小区或扇区的未使用信道。
还可以通过改变每个信道的极化方式来优化频率重用[9]。可交替使用水平和垂直极化，来最大化边界扇区之间的隔离度，并且成倍增加信道利用率。交替极化频率重用如图1所示，H表示水平极化，V表示垂直极化，通过两个频率和交替极化可以提供四个子信道。尽管这种方法提供了额外的子信道，并且对现有网络的改动很少，但是在恶劣的天气条件下需要显著的衰减容限，并且在高阶调制机制下需要的容限更大。
4.3 多址方式
时分多址(TDMA)适合支持数据突发，频分多址(FDMA)适合支持速率恒定的数据通道。为了保证每个用户随时都可以接入信道，并且在非对称业务流的情况下保证下行数据带宽的动态分配，使信道的带宽利用率最大，通常在DL中使用TDMA，而在UL中使用FDMA。但TDMA和FDMA均属于基于竞争的集中式MAC，并不适合无线Mesh网络，必须为802.16 Mesh网络重新设计分布式的TDMA MAC层协议[7]，或者直接采用分布式的多址接入机制——带碰撞避免的载波侦听多址接入(CSMA/CA)。CSMA/CA机制的工作流程是：当发送方A希望发送数据时，首先检测介质是否空闲，若介质为空闲，则送出RTS(请求发送)信号，接收方B收到RTS信号后，将发送响应信号CTS(允许发送)，当A收到CTS包后，随即开始发送数据包，B收到数据包后，将以包内的CRC(循环冗余校验)的数值来检验包数据是否正确，若检验结果正确，则B发送响应ACK包，告知A数据已经被成功接收。当A没有收到B的ACK包时，将认为包在传输过程中丢失，而一直重新发送包。由于CSMA/CA的频率重用率非常低，并且可达吞吐量也比TDMA MAC低，这将限制802.16 Mesh网络的进一步扩展。但是，在无线Mesh网络中几乎没有TDMA MAC协议，重新设计基于TDMA的分布式MAC协议的成本和复杂度都很高。所以，有必要设计CSMA/CA和TDMA的混合多址接入机制，即设计一个覆盖CSMA/CA协议的分布式TDMA MAC协议。
4.4 天线优化和空间复用
对于工作在高频的无线系统，通过使用定向天线可以获得非常高的增益，并能阻止来自其他方向的多径信号。并且，高增益天线(特别是安装在高处的那些天线)和使用高增益放大器的大信号发射功率也便于扩大小区范围。通常，可以通过调整发射机和天线增益来控制可扩展性，改善地理覆盖。优化天线使自由空间衰减造成的信号损耗大大减少，从而最大化覆盖范围。
通过同时在时间域和空间域上对数据编码，STBC提供了空间分集和对抗衰落的鲁棒性。但是，由于在每根天线上发送了冗余信息，所以分集的代价是牺牲了峰值数据率。空间复用(SM)也称为MIMO(多入多出)，其数据速率增加的倍数在原理上与发射天线数成正比(因为每根发射天线都携带不同的数据符号流)。因此，如果发射天线数是M，并且每个符号流的数据速率是尺，那么空间复用时的发射数据速率就是MR。
尽管SM理论上可以实现的传输速率比STBC机制更高，但是因为天线之间缺少冗余度，所以减少了分集，导致链路级误差性能较差，并且可能会减少实际可达吞吐量，特别是在低SNR(信噪比)的情况下。为了解决这个问题，可使用空间复用的一个简单扩展——线性空时预编码/译码[10]。
4.5 调制机制
调制机制也极大地影响了网络的可扩展性，高阶调制机制可以增加数据容量。在考虑小区重叠控制和好的失真允许的条件下，QPSK是最佳的。但是，与高阶QAM机制相比，它的带宽利用率较低。虽然通过增加阶数可以增加网络容量，但是代价是更高的设备花费(因为接收机结构更加复杂)和更加严重的小区间干扰。这可能会减小小区的覆盖范围，并且增加共信道干扰。
如果将几种调制机制很好地组合，可以补偿这类影响。如图2所示，使用16QAM和64QAM的扇区可以增加数据容量，但是这些扇区的覆盖范围较小。因此，可以利用16个QPSK子信道提供小区外部的覆盖区域，用8个16QAM子信道覆盖小区内部区域，最后使用64QAM为靠近基站的用户提供高带宽的链路。通过让位于小区边缘的每个用户利用QPSK扇区，可以降低覆盖范围减小的影响。
4.6 干扰抵消
固定宽带无线接入系统的一个主要问题是为位于小区边界的用户提供可靠的高速率数据。由于WiMAX系统的用户移动性非常低，小区边界上的用户很可能永远呆在那里，所以干扰抵消在这里比在传统蜂窝系统中的地位更重要。解决干扰问题的一个方法是为用户研究一个低复杂性的干扰抵消接收机，类似概念目前已经用于GSM系统[11]。需要新的研究和开发，在不显著增加价格和用户设备的复杂性的基础上，将现有的基于多载波的干扰抵消研究应用于固定宽带无线接入系统。
干扰情况会随着BS和扇区的增加以及业务模式的改变而改变，并且TDD系统内的干扰处理比FDD系统内的更具挑战性。TDD系统内的干扰处理取决于扇区中的TDD帧之间的同步程度。缓解BS间干扰的一个办法是在受害BS处通过使用额外的高定向天线接收高信噪比的干扰信号，然后使用这个信号和接收到的上行信号一起来估计干扰成分，对干扰信号的估计可以改善BS接收机所做的判决。另一种方法是，当没有足够的数据填满复用器时，可以在TDD操作中的“空闲”间隔期间关闭发射机，从而减少干扰的产生。
5、结束语
WiMAX的下一步研究方向应该是降低设备成本，组网灵活，能够根据业务模式(例如地理位置、上行和下行链路的需求、服务类型以及服务质量等)的改变动态地分配资源，增强可扩展性，并且具有针对无线Mesh网络特点专门设计的物理层和高层技术。
参考文献
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