WiMAX技術(shù)及應用

WIDE BAND NETWORK TRANSMISSION文章編號:1002-8692(2005)11-0073-04WMAX技術(shù)及應用·綜述曹宇輝,鄭偉,王匡(浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系,浙江杭州31027)【摘要】介紹了 WiMAX協(xié)議的歷史及優(yōu)勢,描述了其物理層和MAC層,把它與3C,Wi-Fi及MBWA進(jìn)行了比較,闡述了WMAX和Wi-Fi及MBWA的一種組網(wǎng)模式,敘述了 WiMAX在未來(lái)無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò )中的定位及在手機電視中的應用?！娟P(guān)鍵詞】全球微波接入互操作性;無(wú)線(xiàn)保真;第三代移動(dòng)通信技術(shù);移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)接入;IEEE80216標準;手機電視【中圖分類(lèi)號】TN9136【文獻標識碼】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又對已通過(guò)的IEEE802162004進(jìn)行擴展,正準備推出IEEE802.16e,增加了全球微波接入互操作性“ Worldwide Interop對移動(dòng)終端的支持ability for Microwave Access, WiMAX",是基宇22 WIMAX的優(yōu)勢IEEE802.16標準的寬帶無(wú)線(xiàn)接人城域網(wǎng)( Broad成本低,投資風(fēng)險較小;高容量,更長(cháng)的傳輸距band Wireless Access Metropolitan Area Network離;完善的Qo機制;更好的安全性。技術(shù)。 WiMAX能夠提供雙向互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù),速率高達每秒75Mbps,該技術(shù)能夠在50km范圍內進(jìn)3 WiMAX的主要技術(shù)特點(diǎn)行數據傳輸,覆蓋半徑達1.6km。 WIMAX能應用于WIMAX的優(yōu)勢主要由其技術(shù)特點(diǎn)決定。定義很多領(lǐng)域,包括“最后1000m”接入、熱點(diǎn)、蜂窩回的參考模型如圖1所示。業(yè)部將3.5GHz(3400-3430MHz,3500~3530MHz)和58GHz(5725-5850MHz)兩個(gè)頻帶劃為無(wú)線(xiàn)寬帶城域網(wǎng)接入的專(zhuān)用頻帶。2004年6月, INTELASA Server(s)經(jīng)和大連、成都簽署協(xié)議,在這兩個(gè)城市部WiMAX無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)(即IEEE802.16a)MSSBS2 WiMAX的發(fā)展歷程和優(yōu)勢圖1 WiMAX參考模型2.1 WIMAX發(fā)展歷程IEEE802.16標準最初于2001年12月獲得批WiMAX網(wǎng)絡(luò )由移動(dòng)用戶(hù)臺(MSS)、基站(BS)、認準,使用的頻率范圍為10~66GHz,支持在視距證和業(yè)務(wù)授權服務(wù)器(ASA)組成。其中ASA服務(wù)器(Los)范圍內執照許可和免執照許可頻段的通信;就是人們常說(shuō)的提供認證、授權和計費等功能的2003年1月,IEEE對802.16進(jìn)行了修改,推出的協(xié)AAA服務(wù)器。議稱(chēng)為802.16a,使用2~1GHz的頻率范圍,支持31協(xié)議結構非視距( NLOS)通信,引進(jìn)了OFDM等多項技術(shù);WIMAX的協(xié)議結構(也是其空中接口規范)主2004年6月推出的IEEE802.16d(即IEEE要由物理層和MAC層組成。MAC層又分成了380216REVd)是對802.16a標準的進(jìn)一步完善和補子層:特定服務(wù)匯聚子層( Service Specific Con充,增強了設備的互操作性,習慣上稱(chēng)為 Ieee vergence St中國煤化工( Common Part80216-2004,它支持15-20MH多種信道帶寬劃 Sublayer)和CNMH Ger)。其協(xié)議棧分方式,采用20MHz帶寬時(shí),單信道容量最高可達模型如圖2所示。N.12565mN281)\m073寬帶網(wǎng)絡(luò )與傳輸3.2物理層置不同的QoS參數,包括速率、延時(shí)等指標。終端可高層WiMAX根據QoS和業(yè)務(wù)的傳輸參數發(fā)出帶寬請求特定服務(wù)匯聚子層物理層的空中WiMAX MAC層由高到低劃分為3個(gè)子層:AAC共用部分子層(MAC層接口技術(shù)有1)特定服務(wù)匯聚子層保密子層(PSWirelessMAN提供與更高層的接口,如與ATM、以太網(wǎng)和物理層(PHY)Wi-Fi的接口,通過(guò)使用不同的會(huì )聚方式更好地與圖2協(xié)議棧模型MAN OFDM上層協(xié)議匹配。WirelessMAN2)公共部分子層OFDMA和 WirelesshUman。其中: WHUMAN并不能執行MAC層的核心功能,包括系統接人、帶寬算一種獨立的接口方式,而是在免許可頻段采用以分配、打包、分幀、自動(dòng)重發(fā)和Qos等。上3種技術(shù)中的一種; WirelessMAN_SCa果用單載3)安全子層波自適應調制,上行鏈路采用TDMA方式,下行鏈執行鑒權、加密、密鑰交換等與安全有關(guān)的功路使用廣播方式進(jìn)行1點(diǎn)對多點(diǎn)的信號傳輸,基站能。給BS內所有的SS發(fā)射TDM信號,目標S檢測4 WIMAX與3G,W-Fi,MBWA的比較到是自己的時(shí)隙就啟動(dòng),開(kāi)始接收信號; Wireless-MAN_OFDM為采用256個(gè)子載波的OFDM調制技從寬帶無(wú)線(xiàn)接入標準本身講 WIMAX,3G,Wi術(shù),上行接入采用TDMA+ OFDMA,下行采用TDMF各有自已的覆蓋范圍。WMAX主要用于寬帶無(wú)方式; WirelessMAN_ OFDMA為采用2048個(gè)子載波線(xiàn)城域網(wǎng);WiF主要用于寬帶無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng);只有的OFDM調制技術(shù),上下行都采用TDMA+ OFDMA MBWA與3G同為寬帶無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng),但MBWA的傳方式。IEEE80216系統可工作在頻分雙工(FDD)輸容量更大。各種技術(shù)標準之間的關(guān)系如圖3和圖或時(shí)分雙工(TDD)方式。FDD需要成對的頻率,TDD則不需要,而且可以靈活地實(shí)現上下行帶寬動(dòng)態(tài)調整。 WirelessMAN OFDM和 Wireless-覆MAN OFDMA的各參數比較如表1所示。BMA 802.16a表1 WirelessMAN-OFDM與 WirelessMAN- OFDMA的主要參數比較主要參AN-OFDMA部01250頻段/GHFFT的長(cháng)度0211001WLAN可用子載波數1680/172/1728802.1580215.3a雙工方式FDD,TDD,H- FDD FDD,TDD,H-FD藍牙超寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)調制方式QPSK,16QAM,64 QAM QPSK,16QAM,64QAM傳輸速率Mbps可選用技術(shù)AAS,ARQ,Mch,SCAS,ARQ,STC保護時(shí)間效時(shí)間114,18,1/16,13214,1/8,16,132圖3各種標準覆蓋范圍與傳輸速率的關(guān)系典型帶寬/Hz13535m/14155m71428365.5/108.75/175子信道分配方法快速移動(dòng)多址方式D1TM,:TDM:TDMA+ OFDMA802.16a行3.3MAC層MAC層使用一種帶寬請求/準許自動(dòng)適應方案,有更好的QoS操作。為控制上行數據的帶寬分802.15配,標準定義了4種不同的業(yè)務(wù),分別為:主動(dòng)帶靜止藍牙WAN超寬帶寬分配業(yè)務(wù)(UGS),用于恒定比特率連接;實(shí)時(shí)輪詢(xún)無(wú)線(xiàn)技術(shù)業(yè)務(wù)(rtPS),周期性地為終端分配可變長(cháng)度的上行帶寬;非實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)( nrtPS),不定期地為終端分中國煤化工配可變長(cháng)度的上行帶寬;盡力而為業(yè)務(wù)(BE),盡可CNMHG能地利用空中資源傳送數據,但是不會(huì )對高優(yōu)先級圖4各標準的移動(dòng)速度與傳檜速率的關(guān)系的連接造成影響。MAC層針對每個(gè)連接可分別設74電提放郵/205年第12第281)WIDE BAND NETWORK TRANSMISSION41 WIMAX與3G的比較表4 WiMAX與MBWA的比較WiMAX和3G系統定位在數據帶寬需求較大的城市范圍內,存在重疊。 WiMAX與3G系統中的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)相比, WiMAX具有較大的技術(shù)優(yōu)勢WIMAX MBWA標準IEEE 802. 16a/d/e但在移動(dòng)性方面又比較弱,因此,只能作為城域網(wǎng)而不能作為廣域網(wǎng)。3G和 WiMAX的性能比較如多址方式 OFDM/FDD TDD Flash- OFDM/FDD頻帶/GHz2-11,部分不要許可證0220~3.5,許可證表2所示帶寬/MHz表23G與 WiMAX的比較最高速率/Mbps主要參數念性能匱蓋范圍/km1.6~50WiMAX移動(dòng)性/km<120<250IEEE 802. 16a/de 3GPP, 3GPP2, ITU多址方式OFDM/FDD, TDD CDMA/FDD, TDD頻帶GHz2-11,部分不要許可證2,許可證5 WIMAX的應用帶寬/MH1.2520125或551 WiMAX與wi-Fi,MBwA的組合應用最高速率/Mbps從上面比較可以看出, WiMAX對超過(guò)時(shí)速120覆蓋/kmkm的移動(dòng)接入不支持,因此,還不足以取代3G,但移動(dòng)性/kmh<120>120作為寬帶無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)已很出色,因為在城市里時(shí)速頻譜利用率/(pHz)1.6能超過(guò)120km的移動(dòng)目標并不多,而且 WiMAX還42 WIMAX與wi-F的比較具有極高的傳輸速率。局部熱點(diǎn)的非移動(dòng)接入可以?xún)烧叨ㄎ坏姆秶煌?W-Fi為IE802,1lx交給無(wú)線(xiàn)寬帶局城網(wǎng)W-Fi去完成,而城市的個(gè)別標準的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)組織,而WiMAⅹ則為IEEE高速移動(dòng)接入(如地鐵、封閉高架路等)和其他非城80216x標準的無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)組織,兩者存在互補關(guān)市地區的移動(dòng)和非移動(dòng)接入的由支持IEEE8O220系。 WiMAX的覆蓋范圍較大,可擴展性較強,Qos性的WBMA覆蓋,非城區的局部熱點(diǎn)也由Wi-Fi覆能很好,而Wi-Fi不具有QoS性能。兩者的比較如蓋,如此組合效果(如圖5所示)將超過(guò)3G何止幾表3所示。倍,取代3G也是必然的趨勢。表3 WiMAX與Wi-Fi的比較主要參數WiMAX標準IEEE 802. 16a/d/EE 802.llw/b/g多址方式OFDM/FDD, TDD CKK, OFDM, H-TDD頻帶GHz2-11,部分不要許可證24,不要許可證火車(chē)、飛機帶寬/MHz125-2020或22移動(dòng)區域及野外Wi-Fi最高速率/MbpsWIMAX覆蓋范圍/km1.6-50室內<0.0915室外<04575移動(dòng)性/km<120靜止圖5 WiMAX與WiFi,MBWA的組合網(wǎng)頻譜利用率/(bp/Hx)3.7552 WiMAX改變了手機電枧的格局4.3 WIMAX與MBwA的比較手機電視有3種實(shí)現方式:利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現MBWA為以802.20為核心的蜂窩技術(shù),由的方式,如IPIV;利用衛星網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的方式Flarion公司和 ArrayComm公司發(fā)起制定的一種移DMB;手機中安裝數字電視接收模塊的方式,如動(dòng)無(wú)線(xiàn)標準。802.20的核心技術(shù)是 Flash-OFDM,運DVB-H,其傳輸碼率為128~384Kbps,在8MHz的行在3.5GHz以下頻段,在時(shí)速250km的情況下帶寬內可傳輸50套以上的手機電視節目。在國內,可實(shí)現1Mbps以上的移動(dòng)通信能力,因此,可以應CPRS現網(wǎng)能夠提供的帶寬只有25Kbps,2-3/,而用在鐵路、地鐵以及高速公路等環(huán)境中;而 WiMAX CDMA1X也僅能達到60-70Kbps,大約5-60s,而僅支持低于時(shí)速120km的移動(dòng)接人。MBWA在地只有在手機屏幕(通常為QCIF,176×144像素)上達域上的全覆蓋和高速的移動(dòng)性強于WiM到16fs的好的畫(huà)質(zhì)要128Kbps以中國煤化工機電視在實(shí)時(shí)WiMAX僅在一定區域內實(shí)現連續覆蓋,以提高數上穩定帶寬播放方面傾CNMHGE和DMB的據傳輸能力。兩者的比較如表4所示。天下No11 2005(Sum No 281)\MDED ENGINEERING寬帶網(wǎng)絡(luò )與傳輸WIMAX以其高傳輸速率使依托移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的并行的ALU(算術(shù)邏輯運算單元),每個(gè)周期允許3IPrⅤ完全可以達到實(shí)時(shí),而又省去手機為接收個(gè)oFDM處理中的復雜乘法同時(shí)運算,運用了高級DVB-H和DMB信號所附加的芯片成本,從而使加密技術(shù)(3DES,AES,和RC4)的安全處理IPTV可以單獨完成手機電視的全部工作,成為手機3)輸人輸出和接口電視的主角。模塊射頻接口支持為 WiMAX許可和免許可頻53 WIMAX將促進(jìn)三網(wǎng)融合帶設計的IF和基帶IQ,集成雙模數微數模轉換器以移動(dòng)通信網(wǎng)、 Internet與廣播電視網(wǎng)三網(wǎng)融合是及一個(gè)高性能鎖相環(huán)來(lái)驅動(dòng)轉換器,集成l0/100必然趨勢。因為 WiMAX的大通信容量,與Wi-Fi,Mbps以太網(wǎng)MAC層及MII接口,可外接物理層。時(shí)MBWA組合必然取代3G,成為新一代的移動(dòng)網(wǎng),而分復用的接口,主要應用于模擬語(yǔ)音或TE1連接。且還可用來(lái)傳輸網(wǎng)絡(luò )數據,可首先促進(jìn)移動(dòng)通信網(wǎng)6結論與 Internet的融合;其次, WiMAX支持點(diǎn)到多點(diǎn)的通信,并具有完善的QoS機制,良好的交互性,使大WiMAX用作無(wú)線(xiàn)寬帶城域網(wǎng)優(yōu)勢明顯,它在量的對延時(shí)比較敏感的數據都能得到及時(shí)的傳輸,整個(gè)無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)系統中的位置是無(wú)法替代的,隨著(zhù)大大提高了網(wǎng)絡(luò )媒體的傳播速度,必然促進(jìn)IT技術(shù)的不斷成熟, WiMAX與其他無(wú)線(xiàn)寬帶標準的的發(fā)展,進(jìn)而融合無(wú)線(xiàn)廣播電視網(wǎng),完成無(wú)線(xiàn)系統組合(或者 WiMAX提高高速移動(dòng)的接入能力),必的三網(wǎng)融合。將取代3G,改變手機電視的格局,進(jìn)而促進(jìn)無(wú)線(xiàn)系三網(wǎng)融合的模型框圖如圖6所示,用戶(hù)的點(diǎn)播統的三網(wǎng)融合或交互信息通過(guò) WiMAX組合(包括Wi-Fi和MB2005年7月14日,在加拿大溫哥華舉行的WA)網(wǎng)絡(luò )和聯(lián)合運營(yíng)平臺傳送到節目供應商,將數 WIMAX論壇成員會(huì )上,已著(zhù)手尋求全球統一頻段字電視節目通過(guò)DVB-T或以IⅣV的形式通過(guò)以推動(dòng)WMAX作為全球性標準,而25GHz被廣WMAx組合網(wǎng)傳給用戶(hù),用戶(hù)之間的語(yǔ)音通話(huà)或泛認為是最適合部署WMAX的頻段。2005年1l數據業(yè)務(wù)直接由 WiMAX組合網(wǎng)完成,用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)In月10至1l日wiMAⅹ高峰論壇將在北京召開(kāi)。這ternet可由 WiMAX組合網(wǎng)通過(guò)ISP或直接訪(fǎng)些都說(shuō)明 WiMAX的時(shí)代就要來(lái)臨了。節目供應商DⅤBT(DvB-H)參考文獻[1]湯子健. 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Scalable OFDMA Physical Layer inhmIntel允許 Intel PRO/Wireless5116的生產(chǎn)可以通802.16 WirelessMAN. Intel Technology Jouma,2004,8(3)過(guò)第三方的ODM實(shí)現。[7] Govindan Nair, Joey Chou, Tomasz Madejski, et a芯片的主要參數和應用:IEEE 802.16 Medium Access Control and Service provisi1)調制解調g. Intel Technology Journal, 2004, 83)符合IEEE802.16-2004標準,支持256點(diǎn)者簡(jiǎn)介OFDM物理層,10MHz信道頻寬,采用TDD和HFDD復用模式,釆用了Reed和卷積編碼、前向糾錯宇輝(1970-),碩士生,主研圄像壓縮與編碼鄭偉(1974-),講師,博士,主研HDTV、圖像處理和集和自適應調制。成電路設V凵中國煤化工2)處理王利用雙核ARM946E-S引擎完成物理層、MAC碼率圖形CNMHG°v圖像處理和低層以及應用協(xié)議處理。數字信號處理引擎采用3個(gè)責任編輯:劉伯義收稿日期:2005-10-1776電視郵/200年第11(總第281則)