WiMAX物理層的關(guān)鍵技術(shù)

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1、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò) WiMAX 物理層的關(guān)鍵技術(shù) 李煜 摘要：本文闡述了無線的大致分類，重點介紹了 WiMAX 城域網(wǎng)的概念、組成和它的物理層的主要技術(shù) 原理，即介紹 WiMAX 是采用什么技術(shù)將盡可能多的數(shù)據(jù)從一個端口傳遞到另一個端口。本文中主要介 紹的技術(shù)有信道編碼技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)、混合自動重傳、OFDM技術(shù)和多天線技術(shù)。通過對這 些技術(shù)的描述，目地是為了讓讀者對WiMAX物理層的工作原理有一個基本的認(rèn)識和了解。 關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；WiMAX;城域網(wǎng)；物理層 1 引言 接入網(wǎng)的作用是將用戶設(shè)備連接到核心網(wǎng)，使用戶設(shè)備可以通過核心網(wǎng)獲取各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。過去，接入網(wǎng) 主要采用有線接入，

2、其中銅線和光纖是市場競爭力較強(qiáng)的兩種接入介質(zhì)，但是成本較高，并且銅線的長度在 4~5km 就會出現(xiàn)高環(huán)阻的問題。為了達(dá)到安裝迅速，價格低廉的目地，無線接入技術(shù)便應(yīng)運而生了。 無線接入以其連接自由度高、開通部署迅速、運營維護(hù)簡便和成本費用低等有線不具備的優(yōu)勢，日益成為 市場上的熱點接入技術(shù)。近些年，寬帶無線接入成了目前通訊和信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)之一，它的技術(shù) 日益完善，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作也得到了足夠的重視并取得了積極的進(jìn)展。而 WiMAX 作為寬帶無線接入技術(shù)的一 種，以其傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等眾多優(yōu)點吸引了全球目光。 WiMAX 采用了 OFDM、AAS、MIMO 等比 較先進(jìn)的技術(shù)。

3、 2 WiMAX與IEEE802體系介紹 2.1 WiMAX概念介紹和802.16簡介 WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互聯(lián)接入。WiMAX 也叫 802 ? 16 無線 城域網(wǎng)或 802.16。 WiMAX 是一項新興的寬帶無線接入技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，數(shù)據(jù)傳輸距離最 遠(yuǎn)可達(dá) 50km。 固定無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)主要有802.16、802.16a、802.16d。其中802.16d是2?66GHZ固定寬帶無線接 入標(biāo)準(zhǔn)，是對802.16，802.16a, 802.16c的修訂，于200

4、4年6月在IEEE802委員會通過，它可應(yīng)用于2?11GHZ 非視距傳輸和10~66GHZ視距傳輸。 WiMAX與802.16是兩個不同的概念，802.16是IEEE關(guān)于無線局域網(wǎng)的一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而WiMAX則 是支持和推動802.16走向市場的組織聯(lián)盟，但兩者關(guān)系密不可分，所以WiMAX經(jīng)常成為802.16的代名詞。 2.2 IEEE802無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的介紹 (1)IEEE802.15:致力于無線個人局域網(wǎng)(WPAN)的物理層和MAC層的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是為個人使用的無 線設(shè)備提供通訊標(biāo)準(zhǔn)。代表有藍(lán)牙， UWB， UFC， ZigBee。 UWB 技術(shù)是一種使用 1GHZ 以上帶寬的

5、最先進(jìn)的 近距離無線通訊技術(shù)，具有保密性好，輻射低，成本低等優(yōu)點。NFC是種基于RFID(非接觸式射頻識別技術(shù)) 的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。 ZigBee 是一種介于藍(lán)牙和 RFID 無線標(biāo)記技術(shù)之間的技術(shù)，具備低功耗、低成本的特點。 ⑵IEEE802.11:針對的是局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。代表是Wi-Fio Wi-Fi的突出優(yōu)勢主要有以下幾點：第一，無 線電波覆蓋范圍廣，Wi-Fi的半徑可達(dá)100m。第二，雖然由Wi-Fi技術(shù)傳輸?shù)臒o線通訊信號質(zhì)量并不是很好， 但是傳輸速度很快，可達(dá)54Mbit/s，符合個人和社會信息化的需求。第三，成本比較低，用戶只要將支持無線 LAN的設(shè)備拿到該區(qū)域，即可上網(wǎng)。 (

6、3)IEEE802.16:針對的是城域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前，在城域網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用的寬帶無線接入技術(shù)包括 3.5GHZ 固定無線接入技術(shù)、 5.8GHZ 固定無線接入技術(shù)。它對 2?66GHZ 頻率范圍內(nèi)無線接入系統(tǒng)的底層標(biāo)準(zhǔn) 做出規(guī)范，它鎖規(guī)定的無線接入覆蓋范圍可達(dá)50km，因此802.16主要用于城域網(wǎng)范圍。 ⑷IEEE802.20:它為基于IP的移動寬帶無線接入技術(shù)而制定，它將提供基于最優(yōu)化的高速IP技術(shù)的無線數(shù) 據(jù)服務(wù)，并提供用戶便捷的移動終端設(shè)備。 3 WiMAX物理層的關(guān)鍵技術(shù) IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)定義的空中接口由物理層和MAC層組成，MAC層獨立于物理層，能夠支持不同

7、的物理層 規(guī)范，以適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境。物理層由傳輸匯集子層(TCL)和物理媒質(zhì)依賴子層(PMD)組成，TCL將收到的MAC 層數(shù)據(jù)分段，封裝成TCL協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)。PMD則具體執(zhí)行信道編碼，調(diào)制解調(diào)等過程。 根據(jù)使用頻道的不同， WiMAX 物理層的關(guān)鍵技術(shù)有：信道編碼技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)、混合自動重 傳(H-ARQ)、正交頻分復(fù)用(OFDM)和多天線技術(shù)。 3.1 信道編碼技術(shù) 信道編碼的基本做法：在發(fā)送端給被傳輸?shù)男畔⑿蛄?人為的)附加一些監(jiān)督碼元，這些碼元與信息碼元之間 具有某種規(guī)則關(guān)聯(lián)，這個過程稱為信道編碼。信號碼元和監(jiān)督碼元共同組成一個碼字。一旦傳輸過程中發(fā)生錯 誤，

8、則信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關(guān)系就會被破壞，接收端通過校驗就可以達(dá)到發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤的目地。WiMAX 中用到的信道編碼類型有： (1) CC(卷積碼)：如果在解碼過程中發(fā)生錯誤，解碼器可能發(fā)生突發(fā)性錯誤，為此需要在卷積碼上部采用RS 碼塊，用來解決突發(fā)性的錯誤，卷積碼分為兩種：a.基本卷積碼：它的效率為n =1/2，雖然編碼效率低，但是糾 錯能力強(qiáng)。 b 收縮卷積碼：如果傳輸信道質(zhì)量好，為提高編碼效率，可以采取收縮截短卷積碼。收縮截短卷積 碼有： n =1/2、 2/3、 3/4、 5/6、 7/8幾種編碼效率。編碼效率越高，一定帶寬內(nèi)可傳輸?shù)挠行П忍芈试酱?，但糾 錯能力越弱。 (2) CT

9、C(卷積Turbo碼)：單片Turbo碼的編碼/解碼運行速率達(dá)到40Mbit/s。該芯片集成了一個32*32的交 織器，其性能和傳統(tǒng)的RS外碼和卷積內(nèi)碼級聯(lián)一樣好，其效率比傳統(tǒng)“RS+卷積碼”高，目前支持的編碼格式 有 1/2、 2/3、 3/4、 5/6。 (3) LDPC(低密度校驗碼)：其性能和Turbo碼接近，不用交織器，單次迭代復(fù)雜度低，編碼計算量大。雖然 占主導(dǎo)地位的是Turbo碼，但它形式簡單，性能好，有較好的應(yīng)用前景。 3.2 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù) 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)是以數(shù)據(jù)傳輸速率和誤碼率之間的平衡為準(zhǔn)則，根據(jù)瞬時信道質(zhì)量狀況，選擇與信噪 比相匹配的最佳調(diào)制和編碼方案。其

10、作用是根據(jù)信道的質(zhì)量情況，選擇最合適的調(diào)試和編碼方式，通過編碼和 調(diào)制的方式組合，可以支持不同的傳輸速率。每個符號所傳輸?shù)挠行畔⒈忍?調(diào)制階數(shù)*編碼效率。這個技術(shù) 的基本方法是根據(jù)對信道的測量結(jié)果，在信道條件好的時候就采用高階調(diào)制和高編碼速率，達(dá)到更高的速率； 反之則采用低階調(diào)制和低編碼速率，以保證傳輸性能。WiMAX支持BPSK, QPSK，16QAM，64QAM多種調(diào) 制方式。下表為WiMAX支持的調(diào)制和解碼方式： 表 1. WiMAX 支持的調(diào)制和編碼方式 下行(DL) 上行(UL) QPSK,16QAM,64QAM QPSK,16QAM,64QAM CC(卷積碼)

11、 1/2，2/3，3/4，5/6 1/2，2/3，3/4，5/6 CTC（卷積 Turbo 碼） 1/2，2/3，3/4，5/6 1/2，2/3，3/4，5/6 3.3混合自動重傳(H-ARQ) 差錯控制技術(shù)是提高無線信道傳輸可靠性的主要手段。差錯控制技術(shù)主要包括自動重傳方案(ARQ)(檢測到 誤碼就丟棄或者是重傳)和Turbo碼和卷積碼采用的前向差錯編碼(FEC)(不僅有檢錯還有糾錯的功能)。 H-ARQ對接收到的誤碼先進(jìn)行糾錯，如果能糾正就不用重發(fā)，否則重發(fā)，并且可以自適應(yīng)的基于信道條件 提供準(zhǔn)確的編碼速率調(diào)節(jié)。主要分為3種類型： (1) Chase合并H-ARQ：重

12、傳的時間與初次發(fā)送的時間相同。發(fā)送方每次發(fā)送一個完整的編碼碼字，接收端 將每次接收的數(shù)據(jù)和之前收到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行 Chase 合并，組成一個糾錯能力更強(qiáng)的碼字，實現(xiàn)增量冗余的目 地。 (2) 增量冗余H-ARQ：重傳分組不是整個碼塊簡單的重復(fù)，而是會增加一些附加信息，一提高解碼的成功率。 (3) 可變增量冗余H-ARQ:可變增量冗余H-ARQ即重傳的數(shù)據(jù)包包含附加信息，但每次重傳都可以獨立解 碼。這種H-ARQ綜合了上述兩種H-ARQ的特點，每次重傳都包含了系統(tǒng)信息和冗余信息，接收的信息可以累 計，而接收的冗余信息可以進(jìn)行聯(lián)合解碼。這種H-ARQ適用于那些對可靠性較高的業(yè)務(wù)。但是對存儲空間

13、的需 求較高。 3.4 多天線技術(shù) WiAMX支持的多天線技術(shù)主要包括自適應(yīng)天線(AAS)、多輸入多輸出(MIMO)。 a. 自適應(yīng)天線技術(shù)(AAS):基于時分復(fù)用(TDD)模式。因為時分復(fù)用下，上行和下行可以共用相同的頻帶資 源和頻分復(fù)用相比系統(tǒng)開銷較低。 b. 多輸入多輸出技術(shù)(MIMO):核心是空時信號處理，也就是利用空間中分布的多個天線將時間域和空間域 結(jié)合起來進(jìn)行信號。兩者區(qū)別如表2所示： 表2相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 * 11 1 J J J AAS MIMO 特征 利用不用天線的相關(guān)特性，天線間距近 理應(yīng)不同天線的獨立特性，天線間距遠(yuǎn) 應(yīng)用 在較大的小

14、區(qū)使用性能較好，天線位置較高 在微小區(qū)、室內(nèi)使用效果比較好 基 站 通道數(shù)較多，且對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響較大，系統(tǒng)架構(gòu)需 要專門為AAS優(yōu)化 有兩通道的，主要是基帶信號處理，對系統(tǒng)架 構(gòu)影響較小 終端 影響小，僅增加部分指令 影響大，要求終端支持多天線 3.5 OFDM技術(shù)(正交頻分復(fù)用技術(shù)) OFDM 技術(shù)(正交頻分復(fù)用技術(shù))是多載波調(diào)制中比較特殊的一種，它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以 被看作是一種復(fù)用技術(shù)。OFDM技術(shù)的最大的優(yōu)點是能有效對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，且具有較高的頻 譜利用率。 1. 技術(shù)原理 OFDM 技術(shù)(正交頻分復(fù)用技術(shù))的基本原理就是把高速的數(shù)

15、據(jù)通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的 若干個子信道中進(jìn)行傳輸。由于每個自信道中的符號周期都會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑延時 擴(kuò)展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的影響。為了更好的消除這種影響，可以在OFDM符號之前插入保護(hù)間隔， 令保護(hù)間隔大于無線信道的最大實驗擴(kuò)展，這樣可以最大限度的消除由于多徑帶來的符號間干擾(ISI)。具體流 程如圖1所示： 圖 1. OFDM 系統(tǒng)仿真 2. OFDM 的優(yōu)點 (1)高速率數(shù)據(jù)流通過串/并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增減，從而有效的減少由于無 線信道的時間彌散帶來的 ISI。 (2) 傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶

16、分為若干個不相交的子頻帶來并行傳輸數(shù)據(jù)流，各個子信道之間要保 留足夠的保護(hù)頻帶。由于OFDM系統(tǒng)的各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，所以O(shè)FDM 系統(tǒng)可以最大限度的利用頻譜資源。 (3) 各個子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過采用傅立葉反變換和離散傅立葉變換來實現(xiàn)。 (4) 無線數(shù)據(jù)傳輸一般存在非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，這也就 要求物理層支持非對稱高速率數(shù)據(jù)傳輸， OFDM 系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中 的不同傳輸速率。 3.OFDM 的缺點 由于OFDM系統(tǒng)存在多個正交的子載波，而且輸出信號是多個子信道的疊

17、加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存 在以下缺點： (1) 易受頻率偏差的影響。傳輸過程中出現(xiàn)的無線信號頻譜偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻 率偏差，都會是 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞。 (2) 存在較高的峰值平均功率比。多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一 致時，所得到的疊加信號的瞬時功率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比，可能會帶來信 號畸變，是信號的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個子信道的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)性能惡化。 References (參考文獻(xiàn)) [1] 謝剛.WiMAX技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京郵電大學(xué)出版社，2010 [2] 劉波，安娜，黃旭林.WiMAX技術(shù)與應(yīng)用詳解[M].人民郵電出版社，2007