全球微波接入互操作性

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)即全球微波接入互操作性，是基於IEEE802.16標準的一項無線城域網接入技術，其信號傳輸半徑可達50公里，基本上能覆蓋到城郊。正是由於這種遠距離傳輸特性，WiMAX將不僅僅是解決無線接入的技術，還能作為有線網絡接入(Cable、DSL)的無線擴展，方便地實現邊遠地區的網絡連接。由於成本較低，將此技術與需要授權或免授權的微波設備相結合之後，將擴大寬帶無線市場，改善企業與服務供應商的認知度。一如當年對提高802.11使用率有很大功勞的Wi-Fi聯盟，WiMAX也成立了論壇。WiMAX論壇2001年由眾多無線通信設備/器件供應商發起組成，是一個非盈利性組織，以英特爾為首，目標是促進IEEE802.16標準規定的寬帶無線網絡的應用推廣，提高大眾對寬頻潛力的認識，保證採用相同標準的不同廠家寬帶無線接入設備之間的互通性，力促供應商解決設備兼容問題，藉此加速WiMAX技術的使用率，讓WiMAX技術成為業界使用IEEE802.16系列寬頻無線設備的標準。WiMAX的優勢實現更遠的傳輸距離：WiMAX能實現的50公里的無線信號傳輸距離是無線局域網所不能比擬的。網絡覆蓋面積是3G發射塔的10倍，只要少數基站建設就能實現全城覆蓋，這樣就使得無線網絡應用的範圍大大擴展。更高速的寬帶接入：WiMAX所能提供的最高接入速度是70M，這個速度是3G所能提供的寬帶速度的30倍。優良的最後一公里網絡接入服務：作為一種無線城域網技術，它可以將Wi-Fi熱點連接到互聯網，也可作為DSL等有線接入方式的無線擴展，實現最後一公里的寬帶接入。WiMAX可為50公里線性區域內提供服務，用户無需線纜即可與基站建立寬帶連接。多媒體通信服務：由於WiMAX較之Wi-Fi具有更好的可擴展性和安全性，從而能夠實現電信級的多媒體通信服務。基於上述優勢，WiMAX將能給用户提供真正的無線寬帶網絡服務，甚至是移動通信服務。可以想象，實現WiMAX之後，用户將在很大程度上擺脱無線局域網“熱點”的約束，從而實現更自由的移動網絡服務。WiMAX的網絡架構WiMAX網絡架構的目標是基於IEEE-802.16和IETF協議，構建基於全IP的WiMAX端到端的網絡架構，包含參考模型、參考點以及模塊化的功能分解，滿足可運營的固定/遊牧/便攜/簡單移動/全移動模式下多種寬帶應用場景的要求、滿足不同等級QoS的各種現有業務的需求以及與現有的有線或無線網絡互連互通。

其中網絡各實體如下：接入網ASN：作為一個邏輯實體，管理IEEE802.16空中接口，為WiMAX用户提供無線接入。連接服務網絡CSN：CSN是一套網絡功能的組合，WiMAX用户提供IP連接。由路由器、AAA代理或服務器、用户數據庫、Internet網關設備等組成。作為全新的WiMAX系統的一個新建網絡實體，也可以利用部分現有的網絡設備實現CSN功能。網絡接入提供商NAP和網絡服務提供商NSP:支持多個NSP共享同一個NAP內的一個或者多個ASN網絡，支持一個NSP與多個NAP管理的多個ASN連接。WiMAX的應用WiMAX技術體系的核心價值在於城域覆蓋與大帶寬傳輸，WiMAX主要適用於有線網絡覆蓋不到的地區、城市，用以解決固定人口的寬帶接入問題以及移動人羣的寬帶接入問題，特別適合城域網的無線高速接入。WiMAX適用的場合有兩類：無DSL等其他有線覆蓋方式時及現有DSL、移動網絡等的傳輸帶寬不夠時。業務類型主要有三種：固定無線接入：作為DSL等有線接入方式的補充，在固定地點接入WiMAX網絡。無縫無線接入：適用於商務人羣等流動性高的人羣，以及交通、物流等移動辦公需求強的行業，可以在不同地點接入WiMAX網絡。漫遊移動接入：隨着WiMAX的發展，802.16E將會有比較好的移動網絡接入特性；能實現步行或車載的無縫漫遊。WiMAX的前景WiMAX在未來要獲得比較好的應用，必須解決頻率分配問題、系統與終端的性價比以及殺手級應用問題。WiMAX終端的價格目前比較貴，未來用户終端的價格需要低於100美金以下，才具備啓動市場的條件。同時WiMAX所用的頻率在各國不相同，在部分國家為開放的公眾頻段。對WiMAX 頻率的有效分配與管理，將成為影響WiMAX發展的重要因素。目前WiMAX發展最缺的還是市場驅動因素，在一般的應用模式下，用户並不需要如此高的帶寬。因此開發與WiMAX帶寬相匹配的應用將成為其能否健康發展的重影響因素。WiMAX認證的首要動機是希望企業通過較低廉的價格、更高水準的表現、更快速的創新隨時隨地上網，擴大寬頻無線連網的市場，進而帶動硬件製造商與服務供應商的前景。服務供應商與企業享有設備與設備之間的互通性；硬件供應商可以減少產品規範的差異性，降低生產成本。WiMAX的到來意味着網絡更為普及，不僅在家或辦公室可以上網，在路上也可以隨時上網遨遊 ^[1]  。

IEEE 802.16標準定義的空中接口由物理層和MAC層組成。MAC層獨立於物理層，能支持多種不同的物理層規範，以適應各種應用環境。

物理層由傳輸匯聚子層(TCL)和物理媒質依賴子層(PMD)組成，通常説的物理層主要是指PMD。TCL將收到的MAC層數據分段，封裝成TCL協議數據單元(PDU)。PMD則具體執行信道編碼、調製解調等一系列處理過程。MAC層採用分層結構，分為三個子層：特定服務匯聚子層(CS)、公共部分子層(CPS)和安全子層。

1) CS子層負責和高層接口，匯聚上層不同業務。它將通過服務訪問點(SAP)收到的外部網絡數據轉換和映射為MAC業務數據單元，並傳遞到MAC層的SAP。協議提供了多個CS規範作為與外部各種協議的接口，可實現對ATM、IP等協議數據的透明傳輸。

2) CPS子層實現主要的MAC功能，包括系統接入、帶寬分配、連接建立和連接維護等。它通過MAC層SAP接收來自各種CS層的數據並分類到特定的MAC連接，同時對物理層上傳輸和調度的數據實施QoS控制。

3) 安全子層的主要功能是提供認證、密鑰交換和加解密處理。該子層支持128位、192位及256位加密系統，並採用數字證書的認證方式，以保證信息的安全傳輸 ^[2]  。

（1）應用頻率寬

802.16技術可以應用的頻段非常寬，包括10-66GHz頻段，<11GHz頻段和<11GHz免許可頻段。

（2）調製方式靈活

在802.16標準中，定義了三種物理層實現方式：單載波、OFDM、OFDMA。

（3）QoS機制完善

在802.16標準中，在MAC層定義了較為完整的QoS機制。MAC層針對每個連接可以分別設置不同的QoS參數，包括速率、延時等指標。

OFDM技術的基本思想是將信道的可用帶寬劃分成若干相互正交的子載波，在每個子載波上獨立進行數據傳輸，從而實現對高速串行數據流的低速並行傳輸。它由傳統的頻分複用(FDM)技術演變而來，區別在於OFDM是通過DFT(離散傅立葉變換)和IDFT而不是傳統的帶通濾波器來實現子載波之間的分割。各子載波可以部分重疊，但仍然保持正交性，因而大大提高了系統的頻譜利用率。此外，數據的低速並行傳輸增強了OFDM抵抗多徑干擾和頻率選擇性衰落的能力。在OFDM技術的基礎上結合頻分多址(FDMA)，將信道帶寬內可用的子載波資源分配給不同的用户使用，就是OFDMA ^[3]  。

多天線技術在不增加系統帶寬的情況下可以成倍地提升信道容量，從而實現更高的數據傳輸速率和更大的覆蓋範圍，或改善信號傳輸質量。802.16標準支持的多天線技術包括多輸入多輸出和自適應天線系統兩大類。

無線信道的時變和衰落特性決定了信道容量是一個時變的隨機變量，要最大限度地利用信道容量，只有使發送速率也隨之相應變化，也就是説編碼調製方式應該具有自適應特性。自適應調製編碼(AMC)技術就是根據信道條件動態調整編碼和調製方式，以提高傳輸速率或系統吞吐量。基本方法是根據對信道質量的測量結果，在信道條件較好時使用高階調製和高編碼速率(例如64QAM，5/6碼率)，以實現更高的峯值速率；而在信道條件較差時使用低階調製和低編碼速率(例如QPSK，1/2碼率)，以保證傳輸性能。通過改變調製編碼方式而不是發射功率來改善性能，還可以在很大程度上降低因發射功率提高而引入的額外干擾。

混合自動重傳請求(H-ARQ)是一種將自動重傳請求(ARQ)和前向糾錯編碼結合在一起的技術，可以用來減輕信道與干擾抖動對數據傳輸造成的負面影響。

H-ARQ的基本工作過程如下：將一個或多個待發送MAC層數據單元串聯起來，根據物理層的具體規範進行編碼，生成4個H-ARQ子包。基站每次只發送一個子包。由於4個子包之間存在很大的相關性，收端無需獲得全部子包，也能夠正確譯碼。因此，終端在收到第一個子包後，就嘗試譯碼。如果譯碼成功，終端立即回送一個確認(ACK)消息給基站，阻止其發送後續子包。如果譯碼失敗，終端回送否認(NACK)消息，請求基站發送下一個子包，依次類推。終端每次將根據接收到的所有子包來譯碼，以提高譯碼成功率。由此可以看出，H-ARQ採用了最為簡單的停等重傳機制，以降低控制開銷和收發緩存空間。此時如果使用OFDMA物理層，則可以巧妙地克服停等協議信道利用率低的缺陷。因此，協議中僅規定OFDMA物理層提供對H-ARQ的支持。

802.16e規定在上行和下行鏈路中都要進行功率控制，以全面提升系統的性能。總的發射功率由固定部分和動態調整部分組成。

媒體訪問控制機制的設計是任何一個採用共享信道方式的無線接入系統必須要考慮的問題。與IEEE 802.11的載波監聽/衝突避免(CSMA/CA)策略不同，IEEE802.16採取的方式是在物理層將時間資源進行分片，通過時間區分上行和下行。每個物理幀的幀長度固定，由上行和下行兩部分組成，上行和下行的切換點可以通過MAC層的控制自適應調整。在TDD模式下，每一幀由n個時隙組成。下行是廣播的，上行是SS發向BS的。下行在先，上行在後。對於寬帶無線接入系統而言，這種媒體訪問機制兼顧了靈活性和公平性，每個SS都有機會發送數據，避免了長期競爭不到信道的現象出現；其次，每個SS都只在屬於自己的發送時段內才發送數據，可以保證任何時刻，媒體上只有一個數據流傳輸；再次，這種機制便於進行QoS、業務優先級以及帶寬等方面的控制。

WiMAX是第一個提出在MAC層提供QoS保證的無線接入標準。眾所周知，無線信道上多徑、衰落等因素的影響會導致較高的誤碼率和丟包率，數據傳輸的可靠性和有效性難以得到保障。為滿足高速多媒體業務對時延、帶寬、丟失率等指標的更高要求，WiMAX的MAC層定義了一系列嚴格的QoS控制機制，可以在無線接入網部分為不同業務提供不同質量的服務。同時，這種服務是面向連接的。

當移動用户站(MS)在運動中離開原BS的覆蓋範圍或者其他BS可以提供質量更好的服務時，需要執行切換(HO)流程。通過BS廣播的網絡拓撲消息，MS可以獲得相鄰小區的DCD/UCD信息。BS還能為MS分配掃描週期以對鄰近的基站進行掃描和測距，評估其物理層信道質量，為可能進行的切換確定尋找潛在的目標BS。實際的切換流程可以由MS發起也可以由BS發起，該切換屬於硬切換。此外，IEEE 802.16e定義了兩種可選的切換模式：宏分集切換(MDHO)和快速BS切換(FBSS)。MDHO允許MS同時與多個BS通信，以獲得分集增益，提高鏈路質量。在FBSS中，MS無需執行常規切換過程，就可以實現在一個BS集合中的任意兩個BS間的快速切換 ^[4]  。