移动WiMAX的发展趋势

尽管目前的WiMAX市场存在一些泡沫成分，但其重要性却不可否认。而WiMAX框架的标准化，将有助于推动固定无线市场在多次无效起跑后的新发展。它可以让设备厂商使用现成的集成电路，并把成本降低至可以实现批量部署的水平上。目前全球20亿蜂窝电话用户中有许多处在没有固定网络的区域，从而为WiMAX提供了巨大的市场契机 —— 向全球数以亿计无法获得有线或者DSL接入的用户提供宽带接入。
虽然WiMAX的设计目标是通过只选用IEEE802.16标准的一个子集来最大限度保证互操作性，但它仍然包含了范围极宽的不同选项，每一种选项都对应于略有差异的技术或者要求，其中最重要的是移动WiMAX。许多人认为该技术有望超越3G。
将WiMAX应用于固定应用，在基础设施薄弱的地点用作一种宽带技术，显得非常有吸引力。但它所提供的让人更感振奋的机会则存在于移动性方面。

图1 WiMAX基站工作流程
部署方式的选择
WiMAX的部署可以有多种方式。一种是高带宽、点到点的回传，比如来自于2G/3G站点或者Wi-Fi热点的回传。城域以太网也是采用的这种方式，在这种架构中，它可以点到多点的架构来提供10Mbit/s甚至更高的带宽，从而与光纤网形成竞争。还有一种是“接入”，即运营商以1Mbit/s~10Mbit/s范围内的WiMAX来作为DSL或者有线电视接入技术的替代方案，这一方案有望实现更远的通信距离，从而会节省大量的成本。这是一种有竞争力的服务方案，其最大潜力则存在于尚未安装铜缆的地区—以WiMAX来实现对互联网的访问——这是一个将在全球范围内拥有数十亿用户的潜在市场。最后，自然还要提到移动应用：其覆盖的范围从游牧(nomadic)应用到便携应用再到真正高速的移动数据服务，这些特性为用户进一步增加了选择的空间。
就各种无线标准而言，WiMAX的独特之处就在于它并不限定具体的无线电类型，而是同时允许信道为1.75MHz～28MHz的 FDD和TDD，而且几乎能采用任何一种载波。WiMAX论坛已经定义了若干种标准的协议子集，以适应全球范围内的最常见要求，其中最流行的通道带宽为需授权的3.5MHz FDD，以及用于需授权和无需授权频带应用的10MHz TDD。其他标准的WiMAX标准带宽还有1.75MHz、3MHz、5MHz、7MHz和10MHz。而另外一些可选的带宽还可以和1.25MHz CDMA或者6MHz TV进行复用。
与其他无线标准相比——特别是Wi-Fi，多样化的频率和模式是WiMAX的一大与众不同之处。为Wi-Fi部署的基础设施既庞大又统一，而WiMAX面临的情况则要复杂得多，一方面是因为发射的功率水平较高，另一方面是因为所利用的无线频谱比较分散，同时覆盖了需授权的和无需授权的频带，各个国家对这些频段的规定也有所差异。
在频率和信道选择方面存在的多种选择，对WiMAX系统所使用的集成电路提出了苛刻的要求。WiMAX基站工作流程图如图1所示。要让一个系统适用于所有这些应用的特点，软件的灵活性就成为关键。例如，通过picoChip 的PC8520，可以使用户支持FDD或者TDD方式下的1.25MHz、1.75MHz、3MHz、3.5MHz、5MHz、6MHz、7MHz、8.75MHz 和10MHz信道宽度。同时该“软化”架构还可用于载波频率为450MHz~5.8GHz的各种系统中。
WiMAX产品的认证工作已经开始，其认证主要面向最流行的特性类别——工作于3.5GHz、带宽为3.5MHz的FDD和工作于5.8GHz 、带宽为10MHz的TDD。不过，在韩国，已经授权了2.3GHz的服务，而且即将于明年得到实施；在美国，2.5GHz~2.6GHz则为计划使用该频段的电信商所拥有。5.8GHz频率在许多国家是无需授权或者“非排他性授权”的。此外，在日本和美国，许多运营商们正在向着4.9GHz努力。
这种情形与成熟的蜂窝技术形成了鲜明对比，后者针对应用于已确立标准上的每一个频移都提出了新的描述，例如与GSM截然不同的CDMA450或者PCS。
提供授权的频段(例如，许多国家中的3.5GHz)可以让运营商们进行频率的规划，而对于无需授权的频段(例如5.8GHz)，则需要使用不同的技术。虽然运营商们认为，对于Wi-Fi来说，多路接入已经够用，但是对于WiMAX来说其需要的无线接入控制机制则要严格得多，这将大大增加其PHY层和MAC层的复杂性。
而且该技术可以支持 的对象种类极为多样化，从而其所需遵循的物理规律也更为严格。在高频下要保证移动服务的覆盖范围变得极为困难，蜂窝小区也会明显变小。
另外，在环境问题方面，WiMAX和Wi-Fi也有很大不同。Wi-Fi针对局域覆盖，通信距离相对较短，无线环境比较简单。WiMAX则相反，其应用方式极其多样，许多应用需要具有极长的通信距离，相应的信道条件也各不相同。尤其在移动通信应用中，由于具有快速衰落特性，会让情况变得更为复杂。这就是IEEE 802.16框架下的PHY信号处理要比IEEE 802.11复杂得多、而且DSP算法的难度也要高得多的原因所在。

WiMAX特性类别描述
在IEEE802.16的第一个版本中通过对10GHz~66GHz的较高频率的利用，解决了视距环境中的通信问题。而在802.16- 2004(即802.16d)中则描述了2GHz~11GHz范围内的特性，从而可以支持非视距环境。
在802.16d推出之后，人们的注意力又转移到了802.16e移动标准的开发上来，这将引发与3G蜂窝网络的竞争。802.16e实现了进一步的扩展，推出了可扩展OFDMA系统，以复杂性的增加为代价实现了进一步的改进，即在该系统中，可扩展的FFT的规模与信道成正比。此外，在该标准中还将添加更为复杂的PHY层处理以及切换信号，以便使在车辆内的用户能完成从一个基站到另一个基站的无缝切换。802.16d的前向纠错使用了卷积编码，而在802.16e内，可以选择通过功能极强但非常复杂的卷积增强码来对这种纠错进行扩展。在WiBRO中，这是一个强制性的选项。
在802.16d中，上行链路的子信道化是一个可选的功能，它已引起运营商们的极大兴趣。通过该选项使得一个用户基站可以将其发射功率集中于OFDM全体副载波的一个子集上，进而使上行链路的预算得到改善，并相应转换为覆盖面和容量等方面的提高。多个用户基站可以通过调度实现在不同子信道上的同时发射。它实质上是OFDMA的一种形式，虽然不是802.16e标准所提到的 “那种OFDMA”。
WiMAX的设计从一开始就考虑到了对智能天线系统功能的支持，这些功能包括RX天线分集、TX天线分集、波束成形、空时编码(STC)以及MIMO。由于对干扰的抑制能力和系统的增益不断提高，这些功能特色不久将被引入WiMAX产品中，而且这些产品将越来越贴近人们的购买力。
移动WiMAX相比其他移动宽带技术具有的优势包括：
出众的空中链路技术：可扩展的OFDMA是一种非常前沿、先进的调制方法，即使在富有挑战性的多径环境中它也可以可靠地提供很高的性能。
网络效率：WiMAX从本质上来看是一种基于IP的系统，它可以为移动数据网络营造一种开放的架构，从而能显著降低系统的复杂性和成本。
充分的QoS：WiMAX包括了先进的、通用性好的MAC层，能对QoS管理提供极好的支持。这对于多媒体和话音服务来说极为重要。
应用： 在WiMAX中，应用的透明性，可以带来与有线接入相当甚至更出色的性能，从而将促使人们采用相应的服务。
移动性
目前的WiMAX标准802.16d，仅针对固定应用，而802.16e则添加了对移动性的支持，事实上由于它的链路预算优于802.16d，它也有望被一些固定的设施所采用。
802.16e标准开发的中心工作是修订802.16中的PHY和MAC层规范，以同时解决固定接入和移动接入的需要。由于每一个版本内部都有不同的分类特性描述，情况会有点复杂，802.16d中的PHY 特性使用了OFDM256，而802.16e中的PHY则基于可扩展的OFDMA，现在还在规划进一步增强MAC的功能，以便更适合于移动应用。韩国的WiBRO标准是目前唯一一种已经确定下来的移动WiMAX，其理论数据率可达到18.4Mb/s(下行链路)和6.1Mb/s(上行链路)，信道带宽为10MHz。802.16e还可以为固定应用提供诸多好处，尽管人们预计802.16d和802.16e将并行存在，但802.16e将最终完全占领固定和移动应用。
与802.16d类似的是，802.16e标准也使用了QPSK、16QAM和64QAM调制方式，但不同的是802.16e采用了一种使用128、512、1024或者2048子载波的OFDMA，而非802.16d所用的256子载波OFDM。两者可选用的信道宽度均相同，但为保证移动性，802.16e所预期的1.6~3.2km的覆盖半径仅仅是802.16d的一半。同时，802.16e也只针对工作在6GHz以下的系统，相比之下，802.16d的工作频率则高达11GHz。
OFDMA是可扩展的，通过子载波的使用可实现所分配频带的共享，并通过不断变化的信道宽度来提高性能。从而移动装置的功率可以集中在能在特定环境中提供最佳传播特性的载波上，而且可以随着移动应用的环境变化来对其进行调节。在固定的传输环境中，可以通过改变子载波的分配，实现更密集的分布，而且这可以改善覆盖能力。
当要求一个系统具有移动性时，多种信道的变化和失真的影响就显露出来，如深衰落、突然频移和多普勒效应等。这些影响中有些确实会影响到PHY层，而有些则会影响到PHY－MAC的交互。自适应调制通过在传播条件良好时提高数据率，而在条件恶劣时降低数据率的办法来提升可靠性，将能显著提高性能。
为克服移动时带来的上述问题，需要采用新的PHY层来确保OFDM中有足够的导频信号，而且应该有充分的前导同步码和中间同步码以确保信令的可靠性和各时序的同步化。802.16d所用的OFDM256，并不具备实现这一特性的设计灵活性。虽然有可能通过更为频繁地刷新对底层的算法进行改进，但它实质上缺乏实现上述特性所需的自由度。现在，人们正在讨论各种不同的扩展。而802.16e则通过提供用来处理移动性服务的更完善的PHY层来增加更多的功能特征。
切换
对于移动系统来说切换一直是个挑战，而且由于OFDMA调制方案本身就带来了复杂性，因此该问题变得更为困难。移动 IP具有“慢”切换的特点，但许多服务都要求无缝连接(VoIP、VPN等)——蜂窝网络中的复杂性，很大程度上来自于如何在跨越边界时维持这些连接。
在蜂窝边界处信号品质出现下降时，就需要切换到一个新的基站。但这将带来诸多的问题，因为终端需要同时与两个或者更多的基站进行通信，这意味着每个基站必须实现同步化，而且相互间也要进行充分的通信，以使移动终端可以进行测量并决定切换主控制方的地点。同时，切换移交本身也需要一系列复杂的对话。
在GSM中，移交是通过基站控制器(BSC)来管理，在3G中则是通过RNC管理的，而在WiBRO中，等效的控制被称为接入控制路由器(ACR)。这就需要各种不同的网关节点，这些节点必须能确保外界看到的IP地址是相同的，同时又能管理好内部的识别关系。
WiBRO在启用时将具有移动能力，但只具有“简化”的切换移交能力，在这一过程中，会话可以进行，但并非完全透明。业界正在致力于引入真正的透明性，有望在2007或2008年实现。
目前这一点正在被WiMAX论坛标准化。人们提出了各种不同的架构。有些具有全新的、全IP化的特点，如WiBRO的ACR。其它的则寄希望于利用现有的架构，如3GPP或者3GPP2。一个共同的思路似乎是在围绕IMS来形成核心网络。

结语
由于WiMAX可提供如此之多的选择，因此对它的支持难度明显要高于对Wi-Fi的支持。灵活性将是成功得到采用的关键，因为实地部署方面遇到的挑战将导致必须根据要求不断变化方案。当标准化尚未完成时，这将是一个要考虑的主要问题。