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学会刊物

 
移动WiMAX技术分析和展望
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摘要 移动WiMAX借助OFDMA等多项先进技术提供优质的移动宽带服务。它的设备制造、测试和认证发展迅速。移动WiMAX与3G技术互补,与E3G则呈现出竞争态势,但需求指标和核心技术的相似使其与后者的融合成为可能。

移动宽带接入是近年来移动通信领域内发展最快、受关注度最高的课题,而移动WiMAX又是移动宽带接入技术中的一大热门。IEEE802工作组在2005年12月完成了移动WiMAX空中接口(物理层和MAC层)的标准化工作,形成IEEE802.16e-2005标准,WiMAX Forum于2006年2月批准了移动WiMAX系统应用框架Release1,用来保证设备互操作性的测试。移动WiMAX基于正交频分复用接入(OFDMA)多址接入技术。业界一致认为OFDMA是下一代移动通信的基础,它能够提供更高的数据速率,支持增强型天线技术,在非视距条件下具有很好的抗多径和抗干扰性能,实现多用户大范围覆盖,支持多种用户模型,达到全移动性要求;它还支持多种应用场景,在同一网络基础上提供固定、游牧和移动接入。WiMAX可以在固定和移动之间自由选择,以提供更好的服务。

一、移动WiMAX技术分析

1.移动WiMAX的技术特点

移动WiMAX基于IEEE 802.16-2004的改进版本IEEE 802.16e-2005,增强了WirelessMAN-OFDMA空中接口,以保证对移动终端的支持。规范还特别定义了一些关键特征,在时速大于120km/h时,系统对移动宽带服务仍能提供充分的QoS保证。这些特征包括:

●上下行链路上都实现正交子信道、抗多径和抗自干扰。

●带宽可调,从1.25~20 MHz,包括快速傅立叶变换(FFT)。

●移动WiMAX提高了处理不对称数据的效率,改进天线系统增强信道性能。初始配置为TDD,在未来系统中将考虑FDD,以满足特殊市场和频率要求。

●在高速移动环境下,混合自动重传(H-ARQ:Hybrid-Automatic RepeatRequest)增强了系统健壮性,以应对多变的信道环境。

●基于连接的相关信号强度,频率选择性调度和多选择的子信道化可优化连接质量。

●节能管理支持电池供电的手持终端进行睡眠、空闲模式等节能操作。

●支持网络优化硬切换(HHO),使得开销最小,切换时延小于50 ms。

●多播和广播服务(MBS)把DVB-H和3GPPE-UTRA相结合,以实现单频率网络中的高速率、广覆盖;灵活的无限资源调配;低移动设备耗能;短信道转换时间。

●改进的天线系统(AAS)支持MIMO,波束成形,空时编码(STC)和空分复用等多种技术。

●零散频率再利用(Fractional Frequency Reuse)控制了联合信道干扰(CCI),频率再利用使频率效率损耗最小。

●5 ms的帧长在开销和延迟之间达到最优平衡。

基于cdma2000 1x EV-DV评价方法,移动WiMAX性能评估表明10 MHz信道下行扇区吞吐量可超过13Mbit/s,下行与上行的比值在3:1。根据吞吐量性能和上述特征,移动WiMAX可高效率提供:宽带增值业务,包括数据、视频、VoIP等;固定、游牧、便携和移动模型;非视距环境下的广域覆盖。

2.移动WiMAX设备测试和认证

2006年1月,WiMAX Forum公布了第一份固定WiMAX认证要求(certificationprofile);2006年中期,公布了移动WiMAX认证要求,促进了宽带无线接入和移动性基础设施提供商之间的公开标准化和互操作性工作。WiMAXForum预计2007年中旬会有通过其认证的移动WiMAX产品。WiMAX Forum已举行过两次移动WiMAXPlugfest测试,藉此为设备制造商之间提供进行互联互通的机会,尽早发现并解决问题。2007年1月中旬举行的第二次移动WiMAXPlugfest测试中,共有25家系统设备制造商和10家测试设备制造商完成Plugfest,,具体内容参见WiMAXForum的Plugfest报告。

移动WiMAX认证的第一波中,系统将达到2.3 GHz(SISO)的WiMAX Forum认证要求,接下来是3.5GHz(SISO)系统的认证。第二波将认证2.5 GHz(MIMO)系统。需要认证的用户设备包括CPE、PC卡(PCMCIA)、PCexpress、MiniPCI卡等。第一波中有3个试验室,分别在西班牙、韩国和中国。2006年第三季度开始的在西班牙马拉加的认证由AT4Wireless(旧称CETECOMSpain)负责,它是WiMAX最重要的认证和测试实验。2007年中期,TTA(TelecommunicationsTechnologyAssociation)将负责在韩国的测试。在北京的测试由中国信息产业部电信研究院(CATR)主持,预计在2007年10月开始。FDD设备的测试也在计划中。

同时,众多服务提供商也开始测试移动WiMAX系统,包括有线运营商、3G和2G移动运营商、DSL和cablemodem运营商、竞争性本地交换运营商(CLEC:Competitive Local ExchangeCarrier)、WISP(Wireless ISP)和移动虚拟网络运营商(MVNO:Mobile Virtual NetworkOperators)等。

3.移动WiMAX相关标准的进展

为了使移动WiMAX系统具有更好的兼容性和互通性,IEEE802.16工作组还围绕802.16e标准制定了其他一系列标准。其中802.16g规定固定和移动WiMAX的管理平面流程和服务要求,实现WiMAX设备的互操作性,以及对网络资源、移动性和频谱的有效管理;802.16i定义移动WiMAX的MIB要求以及相关管理流程;802.16j针对802.16e的移动多跳中继组网方式进行研究,以改善由无线信道环境导致的阴影衰落效应,扩大信号覆盖范围。以上三个标准预计都会在2007年完成制定工作。

IEEE802.16工作组也在积极研究移动WiMAX的演进,并为此成立了802.16m预研组。802.16m的目标是成为ITU的IMT-Advanced标准之一,技术指标是固定条件下传输速率达1Gbit/s,移动条件下达100Mbit/s。IEEE表示,802.16m可能用到和802.16e不同的技术,它并非WiMAX标准之一,但要保证兼容OFDMA技术。

二、移动WiMAX和其他移动宽带技术的关系

1.移动WiMAX和传统3G技术互补

和传统的3G系统相比,WiMAX性能的增强源自不同的技术侧重点。WiMAX是以基于IP的数据服务为基础发展起来的,移动宽带是其核心应用,而3G的初衷是话音应用,在话音流量上的效率要高于WiMAX。二者在技术上互补,具体说来WiMAX的优势在于:

●更好的性能。高容量基站为每个用户提供高吞吐量、低时延、支持多种时延和带宽敏感的应用。

●多种多样的设备。采用IP结构的WiMAX系统使其更容易支持多种新设备,比如:PDA、游戏终端、MP3、车载装置等。

●前沿技术。OFDMA带来高吞吐量和更优的室内覆盖。完善的QoS机制保证移动运营商能够提供各种高级业务。先进的天线技术可以进一步提高吞吐量和覆盖率。

●低开销。WiMAX具有很高的频谱利用率,利于网络运营商部署低价的基础设施,产品价格也得以降低。

●商业价值。首个移动WiMAX产品认证将于2007年中期完成,商业部署也将随之而来。

●全球可用。移动WiMAX有3段频谱(2.3~2.4 GHz,2.496~2.69 CHz,3.4~3.6GHz),在大多数国家都可获得。WiMAX Forum已开始设计全球漫游的框架。

2.移动WiMAX和E3G由竞争走向融合

移动WiMAX的IP核心网,以及对IP多媒体子系统(IMS)和多媒体消息服务(MMD)的支持,使它能够很容易地和现有IP网进行互操作(如图1所示)。网络运营商可以在更灵活、分层的框架下单独开发应用,应用模板也更易修改和再利用。为促进与其他技术的融合,WiMAXForum成立了网络工作组,与服务提供商、IEEE、ETSI、3GPP和3GPP2等合作,保证统一的网络架构,推动互操作、漫游,以及与现有和将来的蜂窝(包括E3G)及有线技术共享基础结构。

 

图1 3G、Wi-Fi和WiMAX共存的IMS网络

E3G全称为演进型3G(Evolved 3G),它在3GPP和3GPP2中分别被称为LTE(Long TermEvolution)和AIE(Air Interface Evolution)。从图2中可以看出,移动WiMAX比LTE及EV-DORevC有2~4年的先机。在需求指标方面,E3G支持带宽达20 MHz,峰值速率可达50 Mbit/s上下,覆盖范围最大至100km,利用现有2G、3G及其扩展频段,话音由VoIP提供,具有完备的QoS支持,终端类型多样。在核心技术方面,3GPP的LTE规范已经与OFDMA结合,3GPP2也在按此方向进行。功率控制、自适应调制编码(AMC)和H-ARQ这些在WiMAX中早有应用的成熟技术都将在LTE/AIE中得到使用。此外,MIMO等增强的天线技术也在考虑之中。无论是需求指标还是核心技术,E3G技术和移动WiMAX都有很多相似点,这就意味着两者存在着直接竞争,同时技术上的趋同也提供了融合的可能性。现在,WiMAX和E3G之间的关系还不是很明朗,多种未定的非技术因素将影响其发展前景。

 

图2 E3G和WiMAX发展路线

三、移动WiMAX产业链发展

截至2007年2月,WiMAXForum在整个产业链上拥有414名成员,来自51个国家和地区,其中包括70家元件提供商、91家系统商、137家服务提供商以及内容提供商等。随着WiMAX的发展,全球各大厂商均将发展重心移到了移动WiMAX系统上。

1.设备制造商推出多种移动WiMAX产品

2006年底,第一部移动WiMAX产品问世,紧接着2007年上半年出现了有更高吞吐量的产品。摩托罗拉和德州仪器合作开发移动WiMAX设备,包括各种终端产品;Altech和SamsungElectronics在南非合作进行移动WiMAX实验网的部署;KyoceraWireless开发移动WiMAX用户终端设备,由RuncomTechnologies提供芯片;北电为中华电信部署中国台湾首个移动WiMAX网络,配合“移动台湾应用推动计划”(M-taiwan)项目全面部署整合性无线宽带网络服务;阿尔卡特朗讯、LG、诺基亚等设备商同时希望能够将3G和移动WiMAX融合;中国的中兴、华为两大厂商已放弃了原来固定WiMAX设备的计划,转而研发移动WiMAX设备。

测试设备方面,安捷伦和Innowireless联合开发出E6651 A MobileWiMAX测试集,使得设备商加速802.16e终端的生产。

此外,还有多家企业提供接入服务网关、用户终端设备、网络管理以及网络整合与优化服务。

2.运营商积极参与系统建设

(1)固定和移动运营商:韩国KT、意大利电信、美国Sprint Nextel等

2006年,韩国发起了名为WiBro的2.3~2.4G服务,这是最早的移动WiMAX系统。WiBro使用移动WiMAX系统配置,达到移动WiMAX认证要求,且取得了商业成功,是全球其他运营商借鉴的对象。韩国KT用WiBro补充其MVNO和移动宽带服务。意大利电信也表示,移动WiMAX非常符合他们宽带业务的发展要求,且已在都灵冬奥会上测试了WiMAX产品,提供“triple-play”服务。美国运营商SprintNextel计划两年中将投资30亿美元部署移动WiMAX网络。

(2)3G移动运营商:日本KDDI、意大利电信等

二者均将WiMAX作为其3G网络的补充,提供扩展能力。KDDI计划在EV-DO上附加移动WiMAX,并已成功测试了两种技术之间的切换。他们认为移动WiMAX是IP核心网支持MMD的第一步,音乐和视频的下载以及流媒体是WiMAX的关键应用。

(3)2G移动运营商:日本Yozan等

并不运营3G网络的2G移动运营商希望采用新的技术来支持移动Internet,WiMAX就是很好的选择,他们可能在3G运营商之前直接采用下一代技术。

(4)有线DSL和cable modem运营商:美国Comcast、法国电信等

掌握有固定基础设施,希望在有限的范围内提供固定WiMAX,然后将移动WiMAX作为其有线宽带的补充。

3.政策在WiMAX建设中起积极作用

以中国台湾为例,M-taiwan计划希望建立起WiMAX产业链,也是WiMAX设备、网络及应用的实验床。M-taiwan从启动到现在,短时间内取得了一定的成功。直接投资15亿美金,超过80家企业参与,巩固了整个产业链。此计划的成功也说明,一项新技术不仅需要足够的需求、坚实的基础、充足的供给,还需要一个公平的竞争环境。中国台湾将在2007年6月发放一些区域性执照,有利于新兴运营商加入到提供WiMAX服务的行列中。M-taiwan计划为其他想要利用WiMAx的地方提供了很好的参照,加速了全球WiMAX的发展。

四、发展建议

目前占据移动宽带市场的两大技术是:3G和Wi-Fi(游牧的),从中可以获取一些经验。

3G能够提供大范围移动覆盖,但是不能支持带宽和时延敏感的业务,它正在快速演进,但是交换方式、基于话音的特点限制其提供数据应用。与此相比,WiMAX和正在计划中的LTE更适合提供IP数据业务。Wi-Fi在全球的成功应用表明,市场驱动比常规的市场推广策略更为有效。尽管有HiperLAN和HomeRF与之竞争,但市场迅速选择了Wi-Fi作为主导。Wi-Fi的广泛应用通过植入笔记本的芯片实现,它降低了运营商的开销,也不必考虑和现有蜂窝网的兼容。事实上,正是这种方式刺激了新商业模式(WISP)、新产品服务(无约束数据接入)和新应用环境(宾馆、列车等)的出现。这都是移动WiMAX在发展过程中可以借鉴的。

移动WiMAX在现有和将来宽带技术中都占有重要地位,能够很好地满足用户对于覆盖和容量的需求。需求的增长由基础结构开销的竞争、可承受的服务计划、高用户带宽、更为自由的内容以及接入方式、更多可选的设备、多接口支持等因素带来。此外需要考虑的问题是,如何更好地利用移动WiMAX,发挥其优势,并且保持其长期有效性。

 
来源:中国联通网站

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