WiMAX系统及其设备研发 WiMAX, 设备, 系统, 研发

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摘要：文章根据WiMAX系统的市场定位及设备需求，较详细地探讨了WiMAX系统及设备研发需要考虑的主要方面，包括需求和产品定义、技术整合、产品架构，以及目前产业链发展现状及技术走向，并从中得出了一些有价值的结论。 
文章认为WiMAX产品研发需要在借鉴WiFi模式的同时更多地完成技术整合，WiMAX必须继续坚持其开放性、低成本及新技术的发展方向，致力于宽带无线接入(BWA)及移动宽带无线接入(MBWA)相互兼容、相互补充的发展之路。
关键词：全球微波接入互操作性；宽带无线接入；移动宽带无线接入；研发

Abstract:This paper describes several main aspects of WiMAX system development. Based on the requirements of Broadband Wireless Access (BWA) markets, it discusses the product definition, technologies integration, architecture design, and the current status of WiMAX industry and technical tendency. Some results can be helpful for developing WiMAX systems. The paper also concludes that the WiMAX system development should pay more attention to the technology integration and pursue product development in the direction of maintaining openness, low cost and technology innovation. Both BWA and mobile BWA application should be considered at the design stage.

Key words:WiMAX; BWA; MBWA；research and development

 

    WiMAX是一项广域宽带无线接入(BWA)技术，基于IEEE 802.16系列标准，与IEEE 802.15、IEEE 802.11系列技术形成面向不同传输环境的无线数据接入技术体系。
    WiMAX的特点在于能够提供大范围及高速率的无线接入(50 km范围的覆盖和75 Mb/s的数据速率)，同时支持非视距传输，因此，WiMAX定位于BWA是非常清晰的。沿袭IEEE 802.11以芯片为核心的设备开发模式，以低廉的单位带宽成本进入市场，WiMAX应该很容易找到自身的发展之路。当然，WiMAX在计算其成本优势时需要综合考虑单位带宽及单位覆盖成本两个因素。IEEE 802.16e则把WiMAX带入移动宽带无线接入(MBWA)领域。WiMAX在给整个移动通信领域带来惊人变革的同时，不可避免地面对激烈竞争。对于移动通信系统来说，满足用户移动中通信的要求，首要的是具备对特定区域(如一个城市)的完整覆盖，这是不同BWA系统成功应用的关键因素之一。WiMAX将可能与其他主流移动宽带系统同时存在竞争与合作的关系，共同提供完整覆盖，而终端采用多模式体制，通过在多种网络间的业务平滑切换，实现无缝的宽带移动接入。需要特别注意的是，基于IEEE 802.16e的WiMAX将保持对BWA的后向兼容性，能够提供用户在低速运动中高速率接入网络的能力，而相应系统成本的额外增加非常有限。这样一来，移动WiMAX更接近于对BWA的移动延伸，而不是与BWA的割裂，使得WiMAX将仍然能够保持其原有的发展模式和清晰的定位。
    定位于BWA的WiMAX系统将首先应用于广大的没有数字用户线(DSL)及缺乏有线数据网络的地区[1]，面向宽带接入、远程教学及医疗、企业/社区互联等应用。WiMAX能否进入城市市场，则取决于是否存在缺少有线网络的网络运营商及是否存在大量企业网络互联的需要。一旦终端的成本降低到一定水平，并且可以与其他终端设备集成在一起使用，则大众消费市场将逐步成为WiMAX应用增长的推动力，尤其在基于IEEE 802.16e标准的产品转化为低成本产品之后。用于BWA市场的WiMAX产品将沿袭BWA的产品框架，即中心接入设备(CAP)与用户设备(CPE)，以及支持格状网(Mesh)组网的产品。
    支持移动的WiMAX应首先着眼于汽车等具有高附加值的流动设施，提供包括交通/地理辅助信息、媒体信息、娱乐内容、远程企业/家庭在线等个性化服务[2]。MBWA WiMAX系统的产品框架将包括支持IEEE 802.16e的基站、车载用户站、固定用户站，以及手持终端。
    与WiFi应用相结合，WiMAX可以作为WiFi接入点之间的骨干连接，采用Mesh组网技术编织起一张全无线宽带接入网络，可以吸纳采用WiFi技术的运营商及企业用户加入到WiMAX阵营，并且可以克服WiMAX终端可能存在的成本问题[3, 4]。
    考虑到WiMAX网络的投资和建设需要足够的资源，目前，仍然需要电信运营商或政府部门作为首要的网络建设和运营者。因此，用于大范围城域覆盖的WiMAX系统将需要运营支撑系统与之配合使用[5]。
    根据国际电信联盟(ITU)及中国的无线电频率划分状况，今后可以用于IEEE 802.16使用的频段将分布在3.3～3.7 GHz、5.1～5.3 GHz、5.7～5.8 GHz等频段。
1 WiMAX的系统开发
    WiMAX系统开发必须基于IEEE 802.16d/e标准，根据IEEE对WiMAX系统的定义，整合各种相关技术，才能设计出在性能及成本上具有综合优势的产品及解决方案。
    WiMAX系统开发可分为开发规划与开发实施两个主要阶段。开发规划阶段将完成对开发产品的定义、WiMAX及其他多种技术的选择和整合、核心芯片及开发平台的选择等工作。这一阶段对于系统开发至关重要。产品开发实施阶段将完成所规划产品的硬件、天馈、软件以及支持和测试系统的设计和开发工作。
    由于WiMAX系统设计从物理层、媒体访问控制(MAC)层再到网络协议层所使用和支持的技术的选择空间较WiFi系统有了很大的扩充，因此在对除核心技术和机制之外的其他技术和机制的处理上，需要设备制造商针对自身产品的定位作认真的考虑。例如，很多被列为可选的非强制实施技术将有助于产品功能的差异化，而WiMAX标准对多种信道分配及服务质量(QoS)实施能力的支持也将有助于设备制造商定义出某些具有市场针对性的产品。
    由于IEEE 802.16e兼容IEEE 802.16d标准，两者在设备的系统设计上将具有很强的相似性，因此，在系统设计当中可通盘考虑两者的产品相关性，从芯片、开发平台及产品的硬件、软件设计中坚持前期产品对后期产品的开发保持一致性是非常重要的，这将极大地降低开发周期和成本，使产品开发具有良好的延续性。

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1.1 多技术整合
表1给出了IEEE 802.16中采用的主要技术。
WiMAX系统开发中涉及标准强制实施的技术、非强制实施的技术，以及标准未规定使用的技术。系统开发在保持对强制实施技术支持基础上，需要考虑对非强制实施技术以及未规定技术的合理选择和使用。

针对BWA应用，产品定位在高速率、大范围广域互联方面，因此，以下几点需要重点予以考虑：
(1)如何保证大范围覆盖？
(2)如何提高频谱效率，以及系统吞吐率，包括多用户下的系统吞吐率？
(3)如何保证特定业务或用户的QoS？
(4)如何简化网络的布设，降低组网成本？


针对MBWA应用，产品定位将在BWA的基础上，增加对用户移动性的支持，以下几点需要重点加以考虑：
(1)如何有效解决时变信道的衰落？
(2)如何保持高的频谱效率，兼顾考虑移动和非移动用户的信道使用？
(3)如何保证覆盖的无缝？
(4)如何保证各种业务在切换过程的连续性(假设他们对连续性的要求是有差异的)？
(5)如何进一步有效地支持用户的节点模式？
(6)如何提供用户在WiMAX与其他宽带无线网络间的切换和漫游？


上述问题都是在技术整合的过程中需要回答的问题。例如针对BWA的问题，可以给出下列技术选择：


(1)通过使用扇区、波束成型智能天线阵列，或是采用多输入多输出(MIMO)及简单空时编码，来综合解决覆盖范围以及容量等问题。


(2)在覆盖技术已提供高信噪比(SNR)的情况下，提供更高阶调制方式(例如256QAM等)，或者采用MIMO并行传输，或者信道分配采用有信道质量加权的算法，提高频谱效率。


(3)在信道分配算法、MAC层/协议层队列调度机制，以及网络接入控制与负载平衡上采用部分或联合控制策略，综合保证具有用户及业务针对性的QoS机制的实施。


(4)考虑支持Mesh组网能力，并且使系统设备与网络管理实体具有自动发现、自动配置等功能，大大增加网络布设和覆盖的灵活性，同时降低网络管理的复杂性。


技术的选择和整合需要综合考虑，范围涉及系统产品的定义、系统实现复杂度及成本的计算、芯片及开发平台的选择、开发及合作资源的规划等诸多问题。不同于无线局域网的系统开发，WiMAX包括更多的需要解决的问题以及更多的可以选择的技术手段，技术选择的空间正是设备制造商在技术及产品功能开发上发挥自身优势的一个广阔舞台。

1.2 基站设备
一般基站(中心站)可以划分为一体化小容量基站与容量可伸缩的大容量基站两种，根据不同的产品

定义，还可以衍生出具有不同网络或其他功能的产品。基站系统开发的规划流程如图1所示。



一体化小容量基站一般指用于提供单小区/扇区覆盖的系统设备，不具有容量扩展能力，但方便设备的布设和使用(与其他BWA系统设备的使用非常相似)。一体化小容量基站通用结构如图2所示。大容量基站通过使各个覆盖子系统高效共用网络处理、支持系统资源而降低单位信道的成本，由于具有易于扩展和伸缩的特性，非常方便容量升级、硬件升级等后续工作的开展。大容量基站通用结构如图3所示。[8, 9]


一体化基站一般由射频收发模块、物理层基带处理、MAC层协议处理、网络处理器以及其他接口、存储及支持系统组成。考虑到芯片集成能力的不断提高，物理层及MAC层处理，甚至网络处理器将可以实现单芯片解决方案。射频收发模块的选择主要是看其对多天线收发的支持，以及在高阶调制、正交频分复用(OFDM)多载波使用中的动态范围与稳定性。MAC层的协议处理分为硬件及软件处理两部分，硬件部分负责高效的执行发送及接收队列、底层信道分配、报文封装/解封装、硬件加密等任务，软件部分则负责MAC层队列及流量控制、信道分配及QoS算法、对硬件MAC的控制、安全及其他机制的处理等各种任务。MAC层软件部分将与其他协议层任务运行在网络处理器上。应根据系统开发的需要及芯片的选择决定网络处理器所采用的实时操作系统。另一种选择是，如果基带处理芯片上集成了高速嵌入式处理器，则MAC层软件可以选择运行在该高速嵌入式处理器上，而非实时任务及网络任务则运行在网络处理器上，嵌入式处理器及网络处理器可以采用不同的操作系统。
大容量基站一般采用模块化设计，射频模块、基带及MAC层处理、网络及其他任务处理可以板卡的形式作为系统组件，各系统组件通过PCI总线通信。MAC层处理采用基带及MAC层处理卡上独立的处理器或嵌入式处理器来完成。
在基带芯片的选择上，需要关注其是否支持MIMO技术、调制方式、双工方式，支持的物理信道带宽、OFDM的处理性能，对加密方式的支持等项目。如Wavesat公司推出的支持IEEE 802.16d的物理层芯片DM256，其功能如表2所示。需要在对芯片充分了解的基础上，才能选用。
1.3 WiMAX的用户终端
WiMAX终端主要包括CPE及用户站(STA)类型，CPE类型主要用于提供IP网络接口的点对点、点对多点应用；STA类型则主要面向单用户接入，可以用于BWA及MBWA WiMAX系统的普通终端用户接入，提供的接口包括IP网络接口、PCMCIA等不同的选择，面向不同的终端产品。

与基站设备比较，终端设备将更加受限于安装、尺寸、电源、功率等诸多问题，尤其是MBWA的应用更是如此。与WiFi的应用类似，即使对于BWA的应用，STA类型的终端预计仍有很大需求(主要用于用户通过笔记本电脑之类的终端直接接入BWA网络)。这就对片上系统(SoC)芯片及射频(RF)部分的设计提出了更加苛刻的要求，低功率SoC方案，以及多天线、多载波情况下的RF设计是解决问题的关键。通用的用户终端结构如图4所示。

(图片较大，请拉动滚动条观看)

与基站设备相比，终端设备对成本及市场投放价格也更加敏感，目前的WiMAX终端成本包括天线及网络接口在内，大致在150～120美元之间。预计在2005年下半年，终端成本将下降到100美元以下；2006年下半年，将下降到约50美元。除了芯片设计及工艺因素外，终端成本主要取决于WiMAX市场规模的发展状况。

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1.4 WiMAX运营支撑系统

支持固定/移动接入的WiMAX网络如图5所示。对于运营商大规模布设的WiMAX系统，需要与运营有关的支撑系统来管理设备、用户与业务资源。这一支撑系统包括认证与计费系统、网络管理系统以及IP增值业务系统。对于宽带网络运营商而言，很容易将WiMAX网络与宽带网络统一进行管理。不过，当MBWA WiMAX系统提供移动业务时，需要增加与用户位置及移动性管理有关的网络实体。考虑到IEEE 802.16e的切换及漫游标准尚未标准化，这里不便就其工作方式进行讨论，不过，该位置登记实体预计将与3G系统的类似实体非常相似。
支持固定/移动接入的WiMAX网络如图5所示。对于运营商大规模布设的WiMAX系统，需要与运营有关的支撑系统来管理设备、用户与业务资源。这一支撑系统包括认证与计费系统、网络管理系统以及IP增值业务系统。对于宽带网络运营商而言，很容易将WiMAX网络与宽带网络统一进行管理。不过，当MBWA WiMAX系统提供移动业务时，需要增加与用户位置及移动性管理有关的网络实体。考虑到IEEE 802.16e的切换及漫游标准尚未标准化，这里不便就其工作方式进行讨论，不过，该位置登记实体预计将与3G系统的类似实体非常相似。



2 WiMAX产业链发展的现状
WiMAX在WiMAX组织的推动下，已经形成了包括芯片制造商、接入及终端系统设备商、网络系统设备商、运营商等在内的完整产业链，主要基带芯片开发商、RF芯片制造商、设备制造商见表3。由于WiMAX依赖于核心芯片作为上游产品，因此，与初具规模的产业链相比，芯片开发与制造短期内将是WiMAX发展的“瓶颈”。



2.1 芯片开发
目前，主要有4家芯片设计厂商从事WiMAX基带处理芯片的开发，分别是Intel、Fujitsu微电子、Wavesat和Sequans公司。


Intel在2004年9月发布了支持IEEE 802.16d的CPE SoC芯片，名为Rosedale。该芯片已经交由少数设备厂商进行CPE产品开发。Intel预计将在2006年提供内置于笔记本电脑的WiMAX芯片，并在2007年提供用于掌上设备的WiMAX芯片。


位于加拿大蒙特利尔的半导体设计公司Wavesat在2004年9月也发布了其WiMAX芯片，名为DM256，并将基于DM256芯片的完整设计交由其合作伙伴美国的Atmel公司完成后续开发。
Fujitsu微电子计划于2005年第二季度发布基于IEEE 802.16d芯片。其WiMAX芯片的开发要早于Intel。
一家位于法国巴黎的公司Sequans也正在进行SoC芯片及相应软件解决方案的开发。

2.2 系统产品开发
加拿大Redline Communications公司早在2003年10月就发布了第一个符合IEEE 802.16a标准的产品设备AN-100。该系统工作在3.5 GHz频段，已经在欧洲、中东和亚洲获得了固定接入许可，可以提供70 Mb/s的吞吐量，视距范围达到45 km。该产品可工作于点对点，点对多点的不同方式。


AN-100 产品功能如下[10]：

3.4～3.8 GHz频段，应用于非视距传输。
信道带宽：3.5/7/14 MHz。
频谱效率：5 b/s/Hz，最大速率70 Mb/s (14 MHz)。
双工方式：动态TDD，HD-FDD。
信道编码效率：1/2，2/3，3/4。
覆盖距离：视距45 km，非视距3 km。
接收灵敏度：-88 dBm。
动态调制方式：QPSK、16/64QAM。
加密方式：DES(用于业务处理)、3DES(用于密钥交互)。
支持协议：MAC、IEEE 802.16a。

2004年6月，Alvarion公司推出了支持IEEE 802.16a的BreezeMAX3500平台，该产品系列工作在3.5 GHz频段，已经通过欧洲及亚太运营商的测试。


3 WiMAX系统的发展方向

3.1 IEEE 802.16e造就移动WiMAX
IEEE 802.16e将有助于将WiMAX带入个人消费的广阔市场。IEEE 802.16e特别强调对IEEE 802.16d的后向兼容。


IEEE 802.16e的特点主要有：

物理层能够进行时变信道下的信号解调。
支持用户站在基站间完成硬切换。
用户站可以工作在休眠(节电)模式。
兼容IEEE 802.16d，在空中接口帧结构上同时提供对固定及移动终端的传输支持。

由于兼容性的存在，使得系统设备在设计开发上预计可以有很好的继承性，但对低成本单芯片终端解决方案的需求将会很大。诸如定位及位置信息等功能将会考虑进基站和终端的设计中。

3.2 WiMAX+WiFi+WPAN的结合
WiMAX作为WiFi网络的主干，可充分利用其支持网格组网的特点，这样同时也解决了WiFi发展的“瓶颈”——组网问题。另外，从网络覆盖互补的角度来看，在广域覆盖环境中，WiMAX可以作为首选；在局域覆盖中，WiFi(如IEEE 802.11n)可以作为首选；配合蓝牙等无线个人网(WPAN)技术成本低廉的优势，有望形成WiMAX+WiFi+WPAN结合的局面。


在产品形式上，双模的WiFi接入点(DMAP)设备是一个候选。DMAP包括WiFi-AP及WiMAX-SS模块，WiFi用于用户接入，WiMAX用于与主干网互联。进一步，WiMAX模块也可以是基站(BS)模块，利用格状网(Mesh)技术实现与主干网互联，并支持WiMAX用户的接入。另一种候选的产品是多模终端，可以工作在WiMAX及WiFi模式下，动态选择接入WiMAX或WiFi网络。考虑到WiFi技术将嵌入到3G等其他广域无线数据终端上，WiMAX+WiFi双模终端的出现将是很自然的结果。

3.3 MIMO及智能天线的运用
MIMO技术非常适合城市范围内多径环境下的无线信号处理，包括提供空间分集以及多路信道并行传输，是提高WiMAX系统覆盖范围及吞吐量的合适技术。智能天线则有利于提高基站与运动物体的方向性空间增益以及对干扰信号的方向性抑制。不过，在城市多径弥散的环境中，MIMO可能将会更受设备开发商的欢迎。


基站一侧增加天线阵列应该没有问题。随着天线阵列处理技术的发展，目前，终端一侧增加2～3个阵元的天线阵列已经可以容易地实现。基于IEEE 802.11n的系统将在接入设备及用户站上采用多天线MIMO技术。


4 结束语
WiMAX技术通过将BWA标准化，正在使宽带无线领域发生显著的变革，使人们不再因为WiFi的有限覆盖而头痛，也不会止步于3G的低速率数据传输。尤其是当WiMAX的MBWA标准IEEE 802.16e出现的时候，会让更多的消费者迈入无线信息时代。本文根据这一变革中市场对系统及设备的需求，探讨了WiMAX产品开发所涉及的各个主要方面，从中可以看出，基站设备的开发需要通过精心选择合适的技术方向来获得竞争优势，而IEEE 802.16标准的双向兼容性将使设备的持续开发获益；终端的普及将带动WiMAX的规模化发展，而终端的形式及成本将决定这一发展的速度；与WiFi等互补的无线数据网络的融合将互惠互利，但可以预见到，技术的竞争会一直持续，因此，WiMAX必须坚持向开放性、低成本与新技术的方向前进。


5 参考文献
[1] BWCS Ltd. WiFi,WiMAX and 802.20, The Disruptive Potential of Wireless Broadband [Z], 2004.
[2] Pyramid Research. Wi-Fi and WiMAX: Unwiring the World, Sizing the Opportunity, Analyzing the Players, Demystifying the Hype [Z], 2003.
[3] Intel. Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions [Z], 2004.
[4] Intel. Understanding WiMAX and 3G for Portable/Mobile Broadband and Wireless [Z], 2004.
[5] IEEE 802.16 Medium Access Control and Service Provisioning[J]. Intel Technology Journal, 2004, 8(3).
[6] IEEE P802.16-REVd-2004 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems [S].
[7] IEEE 802.16a IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz [S].
[8] Fujitsu Microelectronics America. Fujitsu Solutions for WiMAX-Certified Products for Next-Generation Broadband Wireless Access [Z], 2004.
[9] Wavesat Inc. Chips for A New Wireless World [Z], 2004.
[10] Redline Inc. AN-100 System Specification [Z].


作者简介：
周宗仪，毕业于加拿大皇后大学，电子工程学博士。现为华中科技大学特聘教授，研究领域包括宽带无线接入技术和蜂窝移动通信技术。现主要从事OFDM宽带无线接入系统和新一代移动通信无线链路技术的研究开发。已在国内外学术刊物上发表论文20余篇，联合申报宽带无线通信中国专利十余项。