移动WiMAX-引人瞩目的宽带无线接入技术
引言
近两年来WiMAX发展迅速，逐渐成为城域宽带无线接入技术发展的热点。在2004年10月正式发布固定宽带无线接入技术IEEE 802.16-2004标准（802.16d的最终版本）后，为了迎合全球通信产业发展移动化和宽带化结合的趋势，WiMAX论坛于2005年12月推出了支持移动性的宽带无线接入标准IEEE 802.16e-2005，从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。
1 WiMAX的主要标准规范
目前，IEEE 802.16空中接口标准主要包括IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e-2005。IEEE 802.16-2004是固定无线接入标准，对前几个IEEE 802.16标准进行了整合和修订，是相对比较成熟并且最具有实用性的标准版本。该标准可以应用于2GHz～11GHz非视距（NLOS）传输和 10GHz～66GHz视距（LOS）传输，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。而IEEE 802.16e-2005是802.16-2004的增强版，与前几个802.16系列标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准可同时支持固定和移动宽带无线接入系统，工作在<6GHz适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动（一般低于120km/h）。
1.1 WiMAX协议体系结构
WiMAX的协议体系结构模型如图1所示，包括物理层和媒体接入控制层（MAC）。MAC层又包含三个子层：特定服务汇聚子层，提供与更高层的接口，通过不同的汇聚方式更好地适配各种上层协议；公共部分子层，负责执行MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等；安全子层，提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。
图1 WiMAX的协议体系结构模型
为了支持移动性，IEEE 802.16e-2005的物理层和MAC层都有一定改进和增强，加入了一些新的特性。下面具体介绍一下IEEE 802.16e-2005在物理层和MAC层的改进。
1.2 物理层
WiMAX系统为满足各种不同应用场合制定了两个使用频段：10GHz～66 GHz与2GHz～11GHz。WiMAX在10GHz～66GHz频带内，定义了一个单载波调制模式的空中接口WirelessMAN-SC；在 2GHz～11GHz频段范围内，定义了三个空中接口规范：
（1）WirelessMAN-Sca：增强单载波调制模式。
（2）WirelessMAN-OFDM（正交频分多路复用）：使用256载波OFDM方式。这种空中接口通过时分复用接入方式多路访问不同的基站。
（3）WirelessMAN-OFDMA（正交频分多址接入）：使用2048载波OFDM方式。这种接口通过给每个接收机分配载波子集提供多路访问。
IEEE 802.16e-2005的物理层实现方式与802.16-2004是基本一致的，主要差别是对OFDMA进行了扩展，采用OFDM及其增强版本可扩展的 OFDMA（SOFDMA）。在IEEE 802.16-2004中，仅规定了2048点OFDMA。而在IEEE 802.16e-2005中，可以支持2048点、1024点、512点和128点OFDMA，以适应不同地理区域，适应20MHz到1.25MHz的信道宽带差异。OFDMA采用多载波调制方式，将载波分成若干个组，每个组里又有很多子载波以形成子信道。对于每一个子信道，编码和调制是独立自适应的，以便在更小的范围内优化信道（而不是在整个信道范围内优化）。同时，这种技术对频谱资源的使用进行了优化，并且通过给易受攻击的链路分配一种鲁棒体制加强室内覆盖。OFDMA技术如图2所示。
图2 OFDMA技术
OFDMA和SOFDMA同样有利于固定宽带业务，因为载波能更有效地分配频谱和减少干扰。另一方面，OFDMA和SOFDMA的安装和操作比 OFDM更复杂。将来服务提供商可能倾向于部署802.16e网络为固定和移动用户服务。很多商家已经宣布最初的802.16基站能够通过软件升级到 802.16e。SOFDMA已经得到标准制订者和设备生产商的广泛认可。值得注意的是，基于SOFDMA的韩国标准WiBro（无线宽带）已经使 IEEE相信了SOFDMA的优点。WiBro和802.16e相互补充，这两种技术的产品可共同使用。此外，Intel宣布SOFDMA将会成为室内和移动设备可选择的物理层实现方式。
1.3 媒质接入控制（MAC）层
WiMAX系统（包括802.16e和802.16-2004）的MAC层最显著的特点是面向连接，即所有业务（包括本身是无连接的业务）在 802.16系统中都将映射到连接上，每条连接都有一个16比特的连接标志（CID）作为唯一标志。WiMAX的MAC层定义了较为完善的QoS机制， MAC层针对每个连接设置不同的QoS参数，包括速率、时延等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了不同的上行带宽调度模式，针对实时和非实时业务，固定比特率和可变比特率业务的特点采用不同的调度机制，实现带宽的灵活分配。其MAC层的设计既支持点对多点（PMP）结构，又支持网络（Mesh）结构，同时支持连续型业务和突发型业务，包括话音、数据、IP连接、VoIP等。为了解决无线传输环境的不稳定性，MAC层采用了无线链路自适应技术、ARQ和H-ARQ技术等来保证信息传输的可靠性和有效性。
IEEE 802.16e-2005在IEEE 802.16-2004的基础上在MAC层引入了很多新的特性。主要包括三个方面。
（1）切换技术
802.16e除了支持硬切换（HHO）外，还定义了宏分集切换（MDHO）和快速基站切换（FBSS），当移动端（MS）跨小区移动时，为其提供无缝连接。硬切换的特点是先中断与原服务基站的连接，再建立与目标基站的业务连接； 宏分集切换是移动端同时向/从多个基站发送/接收数据。而移动 WiMAX 所特有的快速基站切换，则利用选择分集和快速切换机制提高链路质量，当移动端跨小区移动时，MS同时监视激活集中的多个基站，但只与其中的一个目标基站（anchor BS，锚基站）进行通信。
（2）节电功能
为了降低功耗，延长移动设备的电池寿命，802.16e定义了休眠和空闲两种模式。休眠模式是用户站在预先协商的指定周期内暂时中止基站服务的一种状态。休眠模式对于用户站是可选的，对于基站是必须的。而空闲模式比休眠模式更省电，在进入空闲模式后，用户站只是在离散的状态下周期性地接收下行广播数据(包括寻呼消息和MBS业务)，并且在跨越多个基站的移动过程中，不需要进行切换和网络重新进入的过程。
（3）安全能力
802.16eMAC层协议栈的安全子层提供接入控制，通过电子签名认证用户和设备，并且应用密钥变换进行加密以保证数据传输的机密性。
2 WiMAX的技术优势
与现行的3G和WLAN技术（又称Wi-Fi）相比，WiMAX具有以下优势：
（1）传输距离远
WiMAX的传输距离最远可以达到50km，远大于无线局域网；网络覆盖范围为3G基站的10倍，只要建设少数的基站就能实现全城覆盖，扩大了无线网络的应用范围。
（2）数据传输速率高
WiMAX能实现70 Mbit/s的数据传输速率，是3G的30倍以上。与无线LAN标准802.11a和802.11g相同，WiMAX也采用OFDM调制方式，每个频道的带宽为20MHz。由于WiMAX可通过室外固定天线稳定地收发无线电波，无线电波可承载的比特数高于802.11a和802.11g，可以实现的最大传输速度为74.8Mbit/s。
（3）扩展性好
WiMAX的规划要求其能与Wi-Fi实现无缝漫游，也可作为数字用户线(DSL)等有线接入方式的无线的扩展，实现“最后一公里”的宽带接入。WiMAX将有望成为仅次于有线电视(CATV)和DSL的第三大宽带存取模式。
（4）服务质量高
WiMAX比Wi-Fi具有更好的可扩展性、安全性及服务质量（QoS），因此可以更好地实现电信级的多媒体通信服务。高带宽可以将IP网的缺点大大降低，从而大幅度提高VoIP的服务质量。
3 商用现状及发展趋势
WiMAX在商用化进程上已初步形成了芯片研发、设备生产、系统应用的产业链。以802.16e标准为主导的芯片研究发展迅速，Intel、意法半导体、Runcom、Beceem等公司已经可以陆续提供802.16e芯片组，且大部分终端芯片都支持MIMO/AAS技术。 2006年1月，Samsung公司宣布其WiMAX M8000手持设备通过802.16e直接连接到了WiMAX基站。在网络部署方面，2006年7月韩国KT公司推出了名为“WiBro”的移动 WiMAX商用服务，网络已覆盖首尔的部分热点地区，其市场定位是要与移动数据业务竞争，因此资费比HSDPA便宜20%左右。美国Sprint- Nextel公司也正式宣布投资30亿美元计划于2007年下半年在全美国范围内部署移动WiMAX网络，到2008年将覆盖1亿人口，主要针对DSL展开竞争。
中国的WiMAX市场也出现了新的动向。广东网通进行了WiMAX测试，并在全省主要城市部署了WiMAX基站；随后中国网通集团公司在全国范围内进行WiMAX的技术测试。此外其他几家运营商对WiMAX的态度也开始出现较大的转变，纷纷投入到WiMAX的测试中。值得一提的是，WiMAX能够满足2008年奥运会对无线宽带接入的高速率要求，给我国通信市场带来很大的市场机遇。同时，2010年在上海举办的世博会，也很有可能为WiMAX带来商机。
但是，我们也应该看到WiMAX在无线通信领域中发展并非一帆风顺，将会面临许多挑战。如频谱资源方面，WiMAX没有全球统一的无线频率，以及WiMAX技术要面对3G、HSDPA、802.20等竞争技术的挑战等。目前，任何一种通信技术都不可能独霸市场。WiMAX很有可能将 802.16e芯片内置到手机中，与3G甚至B3G融合，最终迈向4G，形成一个真正无缝的、无处不在的移动宽带网络，最大程度地满足用户的需要。
4 结束语
未来移动通信技术的发展趋势是移动通信宽带化、宽带通信移动化。移动WiMAX作为宽带无线接入技术，以建网速度快、建设成本低、覆盖面积广、频率效率高等特点逐渐受到运营商的青睐。随着WiMAX技术标准不断完善及系统功能开发的日趋成熟，这一平台将会使固话网络有更灵活的应用方式，移动网络有更佳的数据性能。同时，移动WiMAX在发展进程中也会面临许多挑战，但总的发展前景乐观。
参考文献
[1] Zakhia Abichar, Yanlin Peng, J. Morris Chang. WiMAX:The Emergence of Wireless Broadband [J]. IEEE, 2006, 8(4):44-48
[2] 胡乐明，胡宇，曹磊 等. W
近两年来WiMAX发展迅速，逐渐成为城域宽带无线接入技术发展的热点。在2004年10月正式发布固定宽带无线接入技术IEEE 802.16-2004标准（802.16d的最终版本）后，为了迎合全球通信产业发展移动化和宽带化结合的趋势，WiMAX论坛于2005年12月推出了支持移动性的宽带无线接入标准IEEE 802.16e-2005，从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。
1 WiMAX的主要标准规范
目前，IEEE 802.16空中接口标准主要包括IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e-2005。IEEE 802.16-2004是固定无线接入标准，对前几个IEEE 802.16标准进行了整合和修订，是相对比较成熟并且最具有实用性的标准版本。该标准可以应用于2GHz～11GHz非视距（NLOS）传输和 10GHz～66GHz视距（LOS）传输，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。而IEEE 802.16e-2005是802.16-2004的增强版，与前几个802.16系列标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准可同时支持固定和移动宽带无线接入系统，工作在<6GHz适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动（一般低于120km/h）。
1.1 WiMAX协议体系结构
WiMAX的协议体系结构模型如图1所示，包括物理层和媒体接入控制层（MAC）。MAC层又包含三个子层：特定服务汇聚子层，提供与更高层的接口，通过不同的汇聚方式更好地适配各种上层协议；公共部分子层，负责执行MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等；安全子层，提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。
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图1 WiMAX的协议体系结构模型
为了支持移动性，IEEE 802.16e-2005的物理层和MAC层都有一定改进和增强，加入了一些新的特性。下面具体介绍一下IEEE 802.16e-2005在物理层和MAC层的改进。
1.2 物理层
WiMAX系统为满足各种不同应用场合制定了两个使用频段：10GHz～66 GHz与2GHz～11GHz。WiMAX在10GHz～66GHz频带内，定义了一个单载波调制模式的空中接口WirelessMAN-SC；在 2GHz～11GHz频段范围内，定义了三个空中接口规范：
（1）WirelessMAN-Sca：增强单载波调制模式。
（2）WirelessMAN-OFDM（正交频分多路复用）：使用256载波OFDM方式。这种空中接口通过时分复用接入方式多路访问不同的基站。
（3）WirelessMAN-OFDMA（正交频分多址接入）：使用2048载波OFDM方式。这种接口通过给每个接收机分配载波子集提供多路访问。
IEEE 802.16e-2005的物理层实现方式与802.16-2004是基本一致的，主要差别是对OFDMA进行了扩展，采用OFDM及其增强版本可扩展的 OFDMA（SOFDMA）。在IEEE 802.16-2004中，仅规定了2048点OFDMA。而在IEEE 802.16e-2005中，可以支持2048点、1024点、512点和128点OFDMA，以适应不同地理区域，适应20MHz到1.25MHz的信道宽带差异。OFDMA采用多载波调制方式，将载波分成若干个组，每个组里又有很多子载波以形成子信道。对于每一个子信道，编码和调制是独立自适应的，以便在更小的范围内优化信道（而不是在整个信道范围内优化）。同时，这种技术对频谱资源的使用进行了优化，并且通过给易受攻击的链路分配一种鲁棒体制加强室内覆盖。OFDMA技术如图2所示。
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图2 OFDMA技术
OFDMA和SOFDMA同样有利于固定宽带业务，因为载波能更有效地分配频谱和减少干扰。另一方面，OFDMA和SOFDMA的安装和操作比 OFDM更复杂。将来服务提供商可能倾向于部署802.16e网络为固定和移动用户服务。很多商家已经宣布最初的802.16基站能够通过软件升级到 802.16e。SOFDMA已经得到标准制订者和设备生产商的广泛认可。值得注意的是，基于SOFDMA的韩国标准WiBro（无线宽带）已经使 IEEE相信了SOFDMA的优点。WiBro和802.16e相互补充，这两种技术的产品可共同使用。此外，Intel宣布SOFDMA将会成为室内和移动设备可选择的物理层实现方式。
1.3 媒质接入控制（MAC）层
WiMAX系统（包括802.16e和802.16-2004）的MAC层最显著的特点是面向连接，即所有业务（包括本身是无连接的业务）在 802.16系统中都将映射到连接上，每条连接都有一个16比特的连接标志（CID）作为唯一标志。WiMAX的MAC层定义了较为完善的QoS机制， MAC层针对每个连接设置不同的QoS参数，包括速率、时延等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了不同的上行带宽调度模式，针对实时和非实时业务，固定比特率和可变比特率业务的特点采用不同的调度机制，实现带宽的灵活分配。其MAC层的设计既支持点对多点（PMP）结构，又支持网络（Mesh）结构，同时支持连续型业务和突发型业务，包括话音、数据、IP连接、VoIP等。为了解决无线传输环境的不稳定性，MAC层采用了无线链路自适应技术、ARQ和H-ARQ技术等来保证信息传输的可靠性和有效性。
IEEE 802.16e-2005在IEEE 802.16-2004的基础上在MAC层引入了很多新的特性。主要包括三个方面。
（1）切换技术
802.16e除了支持硬切换（HHO）外，还定义了宏分集切换（MDHO）和快速基站切换（FBSS），当移动端（MS）跨小区移动时，为其提供无缝连接。硬切换的特点是先中断与原服务基站的连接，再建立与目标基站的业务连接； 宏分集切换是移动端同时向/从多个基站发送/接收数据。而移动 WiMAX 所特有的快速基站切换，则利用选择分集和快速切换机制提高链路质量，当移动端跨小区移动时，MS同时监视激活集中的多个基站，但只与其中的一个目标基站（anchor BS，锚基站）进行通信。
（2）节电功能
为了降低功耗，延长移动设备的电池寿命，802.16e定义了休眠和空闲两种模式。休眠模式是用户站在预先协商的指定周期内暂时中止基站服务的一种状态。休眠模式对于用户站是可选的，对于基站是必须的。而空闲模式比休眠模式更省电，在进入空闲模式后，用户站只是在离散的状态下周期性地接收下行广播数据(包括寻呼消息和MBS业务)，并且在跨越多个基站的移动过程中，不需要进行切换和网络重新进入的过程。
（3）安全能力
802.16eMAC层协议栈的安全子层提供接入控制，通过电子签名认证用户和设备，并且应用密钥变换进行加密以保证数据传输的机密性。
2 WiMAX的技术优势
与现行的3G和WLAN技术（又称Wi-Fi）相比，WiMAX具有以下优势：
（1）传输距离远
WiMAX的传输距离最远可以达到50km，远大于无线局域网；网络覆盖范围为3G基站的10倍，只要建设少数的基站就能实现全城覆盖，扩大了无线网络的应用范围。
（2）数据传输速率高
WiMAX能实现70 Mbit/s的数据传输速率，是3G的30倍以上。与无线LAN标准802.11a和802.11g相同，WiMAX也采用OFDM调制方式，每个频道的带宽为20MHz。由于WiMAX可通过室外固定天线稳定地收发无线电波，无线电波可承载的比特数高于802.11a和802.11g，可以实现的最大传输速度为74.8Mbit/s。
（3）扩展性好
WiMAX的规划要求其能与Wi-Fi实现无缝漫游，也可作为数字用户线(DSL)等有线接入方式的无线的扩展，实现“最后一公里”的宽带接入。WiMAX将有望成为仅次于有线电视(CATV)和DSL的第三大宽带存取模式。
（4）服务质量高
WiMAX比Wi-Fi具有更好的可扩展性、安全性及服务质量（QoS），因此可以更好地实现电信级的多媒体通信服务。高带宽可以将IP网的缺点大大降低，从而大幅度提高VoIP的服务质量。
3 商用现状及发展趋势
WiMAX在商用化进程上已初步形成了芯片研发、设备生产、系统应用的产业链。以802.16e标准为主导的芯片研究发展迅速，Intel、意法半导体、Runcom、Beceem等公司已经可以陆续提供802.16e芯片组，且大部分终端芯片都支持MIMO/AAS技术。 2006年1月，Samsung公司宣布其WiMAX M8000手持设备通过802.16e直接连接到了WiMAX基站。在网络部署方面，2006年7月韩国KT公司推出了名为“WiBro”的移动 WiMAX商用服务，网络已覆盖首尔的部分热点地区，其市场定位是要与移动数据业务竞争，因此资费比HSDPA便宜20%左右。美国Sprint- Nextel公司也正式宣布投资30亿美元计划于2007年下半年在全美国范围内部署移动WiMAX网络，到2008年将覆盖1亿人口，主要针对DSL展开竞争。
中国的WiMAX市场也出现了新的动向。广东网通进行了WiMAX测试，并在全省主要城市部署了WiMAX基站；随后中国网通集团公司在全国范围内进行WiMAX的技术测试。此外其他几家运营商对WiMAX的态度也开始出现较大的转变，纷纷投入到WiMAX的测试中。值得一提的是，WiMAX能够满足2008年奥运会对无线宽带接入的高速率要求，给我国通信市场带来很大的市场机遇。同时，2010年在上海举办的世博会，也很有可能为WiMAX带来商机。
但是，我们也应该看到WiMAX在无线通信领域中发展并非一帆风顺，将会面临许多挑战。如频谱资源方面，WiMAX没有全球统一的无线频率，以及WiMAX技术要面对3G、HSDPA、802.20等竞争技术的挑战等。目前，任何一种通信技术都不可能独霸市场。WiMAX很有可能将 802.16e芯片内置到手机中，与3G甚至B3G融合，最终迈向4G，形成一个真正无缝的、无处不在的移动宽带网络，最大程度地满足用户的需要。
4 结束语
未来移动通信技术的发展趋势是移动通信宽带化、宽带通信移动化。移动WiMAX作为宽带无线接入技术，以建网速度快、建设成本低、覆盖面积广、频率效率高等特点逐渐受到运营商的青睐。随着WiMAX技术标准不断完善及系统功能开发的日趋成熟，这一平台将会使固话网络有更灵活的应用方式，移动网络有更佳的数据性能。同时，移动WiMAX在发展进程中也会面临许多挑战，但总的发展前景乐观。
参考文献
[1] Zakhia Abichar, Yanlin Peng, J. Morris Chang. WiMAX:The Emergence of Wireless Broadband [J]. IEEE, 2006, 8(4):44-48
[2] 胡乐明，胡宇，曹磊 等. W