WiMAX物理層的關(guān)鍵技術(shù)

計算機網(wǎng)絡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識和了解關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡；WiMAX;城域網(wǎng)；物理層1 引言接入網(wǎng)的作用是將用戶設備連接到核心網(wǎng)，使用戶設備可以通過核心網(wǎng)獲取各種網(wǎng)絡業(yè)務過去，接入網(wǎng) 主要采用有線接入，其中銅線和光纖是市場競爭力較強的兩種接入介質(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)阻的問題為了達到安裝迅速，價格低廉的目地，無線接入技術(shù)便應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)標準化工作也得到了足夠的重視并取得了積極的進展而 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 較先進的技術(shù)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 遠可達 50km固定無線接入空中接口標準主要有802.16、802.16a、802.16d其中802.16d是2?66GHZ固定寬帶無線接 入標準，是對802.16，802.16a, 802.16c的修訂，于2004年6月在IEEE802委員會通過，它可應用于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)標準，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)絡標準的介紹(1)IEEE802.15:致力于無線個人局域網(wǎng)(WPAN)的物理層和MAC層的標準化工作，目標是為個人使用的無 線設備提供通訊標準。

代表有藍牙， UWB， UFC， ZigBee UWB 技術(shù)是一種使用 1GHZ 以上帶寬的最先進的 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 是一種介于藍牙和 RFID 無線標記技術(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)的標準化工作代表是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的設備拿到該區(qū)域，即可上網(wǎng)3)IEEE802.16:針對的是城域網(wǎng)的標準化工作目前，在城域網(wǎng)已經(jīng)廣泛應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)的底層標準 做出規(guī)范，它鎖規(guī)定的無線接入覆蓋范圍可達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，并提供用戶便捷的移動終端設備。

3 WiMAX物理層的關(guān)鍵技術(shù)IEEE802.16標準定義的空中接口由物理層和MAC層組成，MAC層獨立于物理層，能夠支持不同的物理層 規(guī)范，以適應各種應用環(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)、自適應調(diào)制編碼技術(shù)、混合自動重 傳(H-ARQ)、正交頻分復用(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，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。

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) CTC(卷積Turbo碼)：單片Turbo碼的編碼/解碼運行速率達到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、 5/63) LDPC(低密度校驗碼)：其性能和Turbo碼接近，不用交織器，單次迭代復雜度低，編碼計算量大雖然 占主導地位的是Turbo碼，但它形式簡單，性能好，有較好的應用前景3.2 自適應調(diào)制編碼技術(shù)自適應調(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,64QAMQPSK,16QAM,64QAMCC(卷積碼)1/2，2/3，3/4，5/61/2，2/3，3/4，5/6CTC（卷積 Turbo 碼）1/2，2/3，3/4，5/61/2，2/3，3/4，5/63.3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)，并且可以自適應的基于信道條件 提供準確的編碼速率調(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)進行 Chase 合并，組成一個糾錯能力更強的碼字，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，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)務但是對存儲空間的需 求較高3.4 多天線技術(shù)WiAMX支持的多天線技術(shù)主要包括自適應天線(AAS)、多輸入多輸出(MIMO)a. 自適應天線技術(shù)(AAS):基于時分復用(TDD)模式因為時分復用下，上行和下行可以共用相同的頻帶資 源和頻分復用相比系統(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 JAASMIMO特征利用不用天線的相關(guān)特性，天線間距近理應不同天線的獨立特性，天線間距遠應用在較大的小區(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)(正交頻分復用技術(shù))OFDM 技術(shù)(正交頻分復用技術(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)(正交頻分復用技術(shù))的基本原理就是把高速的數(shù)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符號之前插入保護間隔， 令保護間隔大于無線信道的最大實驗擴展，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 ISI2) 傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶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OFDM 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)射機與接收機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遠大于信號的平均功率，導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)[1] 謝剛.WiMAX技術(shù)原理及應用[M].北京郵電大學出版社，2010[2] 劉波，安娜，黃旭林.WiMAX技術(shù)與應用詳解[M].人民郵電出版社，2007。