5．5　WiMAX

WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access），即全球微波互联接入，WiMAX的另一个名字是802．16。

2007年10月19日，日内瓦召开的国际电信联盟（ITU）无线通信（Radio Assembly）全体会议上，无线宽带技术WiMAX被批准正式成为3G标准。WiMAX与WCDMA、CD－MA2000和TD－SCDMA三者并列为四大主流3G国际标准。

WiMAX系统主要有两个技术标准，一个是指满足固定宽带无线接入的WiMAXa　802．16d标准，另一个是满足固定和移动的宽带无线接入技术WiMAX802．16e标准。

WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM／OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的发展趋势一致：移动、宽带。

1．移动WiMAX技术的特点

（1）移动WiMAX技术物理层特点

为了使移动WiMAX技术具有更好的性能和更广阔的应用前景，其物理层设计颇具特点，其主要特点具体如下：

①所使用的频段

IEEE　802．16d所推荐使用的频段是2～11GHz，它综合考虑了世界无线电频谱占用情况和移动及非视距传播需求，802．16e为了支持移动性推荐其频率范围为6GHz以下。

②OFDM／OFDMA

在802．16d／16e中均引进了正交频分复用（OFDM）和正交频分复用多址（OFDMA）技术，在未来的物理层技术演进中，OFDM和OFDMA仍然是主要的关键技术之一。

正交频分复用OFDM的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号通过接收端采用相关技术分开，可以在一定条件下减少子信道间干扰（ICI）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可看作平衰落信道，从而消除了符号间干扰（ISI）。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

OFDM技术有很多独特的优点：频谱利用率很高；抗多径干扰与频率选择性衰落能力强；采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率；通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力；基于离散傅立叶变换（DFT）的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT）来实现调制和解调，易用数字信号处理器（DSP）实现。

正交频分复用多址OFDMA：把跳频技术和OFDM技术相结合构成一种更为灵活的多址方案，系统中，用户仅仅使用所有的子载波中的一部分，如果同一个帧内的用户的定时偏差和频率偏差足够小，则系统内就不会存在小区内的干扰，比码分系统更有优势。

（2）移动WiMAX技术接入层特点

IEEE　802．16标准可以在同一信道中支持视频、音频数据流，同时支持突发性的高速率数据需求。MAC算法分配给单个终端用户的资源可以从一个时隙到整个帧，这样在任何时间都可以根据需求向某一个特定的用户终端提供动态范围非常大的吞吐量。

移动WiMAX接入层的特点主要表现在以下3个方面：

①QoS

在不对称的上下行容量、良好的资源划分方式和灵活的资源分配机制下，移动WiMAX可以提供有QoS保障的数据服务和应用。移动WiMAX根据需求不同提供不同QoS的服务。

②移动性管理

对于移动通信而言，电池的寿命和越区切换是两个关键的因素。移动WiMAX在这两方面都做了精心设计。

首先，移动WiMAX有良好的功率管理机制。移动WiMAX技术支持睡眠和空闲两种省电模式：睡眠模式在移动台与基站失去联系的情况下启用，在睡眠模式下移动台的功率和对基站空中接口资源的使用都将最小化；空闲模式是指在移动台穿越被多个基站重叠覆盖的区域时周期性地接收广播信道的消息而不在某个基站进行注册，这样对于移动台可以避免进行频繁越区切换而对于基站可以减少空中接口资源和越区切换通信量。

其次，IEEE　802．16e定义了3种越区切换方式，即硬切换、快速BS切换和宏分集切换。其中，硬切换是必须支持的切换方式，快速BS切换和宏分集切换是两种可选的模式。移动台可以通过当前的服务BS广播的消息获得相邻小区的信息，或者通过请求分配扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评估，寻找潜在的目标小区。切换既可以由MS决策发起，也可以由BS决策发起。在进行快速基站切换（FBSS）时，MS只与AnchorBS进行通信。所谓快速是指不用执行HO过程中的步骤就可以完成从一个AnchorBS到另一个AnchorBS的切换。支持FBSS对于MS和BS来说是可选的。进行宏分集切换（MDHO）时，MS可以同时在多个BS之间发送和接收数据，这样可以获得分集合并增益以改善信号质量。支持MDHO对于MS和BS来说是可选的。

③安全性

移动WiMAX使用了当今最为先进的安全性技术，因此它的安全性能也十分突出，它主要使用的技术包括以下几个方面：

码字管理协议版本2（Privacy and Key Management Protocol）是IEEE　802．16e加密的基础，其他诸如通信量加密编码、切换键交换以及多播和广播安全信息等加密措施均以它为基石。

用户和设备鉴权：移动WiMAX提供基于SIM卡、数字认证、用户名／密码等多种用户和设备鉴权方式。

通信量加密编码：通信量加密编码有周期性的码字更新机制，系统能持续不断地转换码字从而更加提高了系统的安全性。

2．WiMAX的技术优势

WiMAX的技术优势可以简要概括为以下几点：

（1）传输距离远

WiMAX的无线信号传输距离最远可达50km，是无线局域网所不能比拟的，其网络覆盖面积是3G（3rdGeneration，第三代移动通信）基站的10倍，只要建设少数基站就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。

（2）接入速度高

WiMAX所能提供的最高接入速度是70Mbit／s，这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。对无线网络来说，这的确是一个惊人的进步。

（3）无“最后一公里”瓶颈限制

作为一种无线城域网技术，它可以将Wi－Fi热点连接到互联网，也可作为DSL（Digi－talSubscriberLine，数字用户线）等有线接入方式的无线扩展，实现最后1km的宽带接入。WiMAX可为50km线性区域内的用户提供服务，用户无须线缆即可与基站建立宽带连接。

（4）提供广泛的多媒体通信服务

由于WiMAX较之Wi－Fi具有更好的可扩展性和安全性，从而能够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QoS（服务质量）。

从技术层面讲，WiMAX更适合用于城域网建设的“最后一公里”无线接入部分，尤其是对于新兴的运营商更为合适。

3．移动WiMAX与3G性能比较

（1）移动WiMAX与3G系统参数的比较

1xEV－DO和HSDPA／HSUPA是主流3G标准的演进方向，它们最初构想是以移动语音业务为主要的网络提供数据服务。1xEV DO和HSPDA／HSPA在继承3G标准优点的同时也受到3G标准局限性的限制。而WiMAX最初是为固定宽带无线接入和最优化的宽带数据服务而发展的，正因为如此WiMAX也曾面临着不断增加移动性需求的挑战。表5．10对1xEV DO，HSPDA／HSPA以及移动WiMAX系统参数进行了比较。

表5．10　移动WiMAX和3G标准系统参数的比较

（2）抗多径干扰和自干扰性能的比较

在OFDMA系统中，子信道在循环前缀窗中保持了正交性，可以有效降低码间干扰，因此多径信号的数量不会影响系统的性能。

在CDMA系统中，通常使用RAKE接收机来抗多径衰落。除了多径衰落以外，频点偏移、多普勒效应等都会使CDMA系统受到小区内其他用户的干扰甚至是自干扰。这些干扰可以通过时域均衡器加以减弱，但CDMA系统不可能像OFDMA系统那样完全消除这些干扰。因此，在无线通信系统多径干扰十分普遍的情况下，OFDMA系统比CDMA系统具有更好的健壮性和更低的复杂性。

4．WiMAX宽带移动技术的主要应用场景

（1）固定应用场景

固定接入业务是802．16运营网络中最基本的业务模型，包括用户因特网接入、传输承载业务及Wi－Fi热点回程等。

（2）游牧应用场景

游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中。在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入；在两次不同网络的接入中，传输的数据将不被保留。在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游，并应具备终端电源管理功能。

（3）便携应用场景

在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小区切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展，从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。当终端进行切换时，用户将经历短时间（最长为2s）的业务中断或者感到一些延迟。切换过程结束后，TCP／IP应用对当前IP地址进行刷新，或者重建IP地址。

（4）简单移动应用场景

在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到60～120km／h时，数据传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程中，数据包的丢失将控制在一定范围，最差的情况下，TCP／IP会话不中断，但应用层业务可能有一定的中断。切换完成后，QoS将重建到初始级别。简单移动和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。移动数据业务是移动场景（包括简单移动和全移动）的主要应用，包括目前被业界广泛看好的移动E－mail、流媒体、可视电话、移动游戏、移动VoIP（MVoIP）等业务，同时它们也是占用无线资源较多的业务。

（5）全移动应用场景

在这一场景下，用户可以在移动速度为120km／h甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务。当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。