WiMAX物理层的关键技术

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1、 计算机网络 WiMAX物理层的关键技术 李 煜 摘要：本文阐述了无线的大致分类，重点介绍了WiMAX城域网的概念、组成和它的物理层的主要技术原理，即介绍WiMAX是采用什么技术将尽可能多的数据从一个端口传递到另一个端口。本文中主要介绍的技术有信道编码技术、自适应调制编码技术、混合自动重传、OFDM技术和多天线技术。通过对这些技术的描述，目地是为了让读者对WiMAX物理层的工作原理有一个基本的认识和了解。 关 键 词：无线网络；WiMAX；城域网；物理层 1 引言 接入网的作用是将用户设备连接到核心网，使用户设备可以通过核心网获取各种网络业务。过去，接入网主要采

2、用有线接入，其中铜线和光纤是市场竞争力较强的两种接入介质，但是成本较高，并且铜线的长度在4~5km就会出现高环阻的问题。为了达到安装迅速，价格低廉的目地，无线接入技术便应运而生了。 无线接入以其连接自由度高、开通部署迅速、运营维护简便和成本费用低等有线不具备的优势，日益成为市场上的热点接入技术。近些年，宽带无线接入成了目前通讯和信息技术领域发展最快的技术之一，它的技术日益完善，相关标准化工作也得到了足够的重视并取得了积极的进展。而WiMAX作为宽带无线接入技术的一种，以其传输速率高、业务丰富多样等众多优点吸引了全球目光。WiMAX采用了OFDM、AAS、MIMO等比较先进的技术。 2 W

3、iMAX与IEEE802体系介绍 2.1 WiMAX概念介绍和802.16简介 WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入。WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16。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。 固定无线接入空中接口标准主要有802.16、802.16a、802.16d。其中802.16d是2~66GHZ固定宽带无线接入标准，是对802.16，802.16a，802.16c的修订，于2004年6月在IEEE802委员会通过，

4、它可应用于2~11GHZ非视距传输和10~66GHZ视距传输。 WiMAX与802.16是两个不同的概念，802.16是IEEE关于无线局域网的一系列技术标准，而WiMAX则是支持和推动802.16走向市场的组织联盟，但两者关系密不可分，所以WiMAX经常成为802.16的代名词。 2.2 IEEE802无线网络标准的介绍 (1) IEEE802.15:致力于无线个人局域网(WPAN)的物理层和MAC层的标准化工作，目标是为个人使用的无线设备提供通讯标准。代表有蓝牙，UWB，UFC，ZigBee。UWB技术是一种使用1GHZ以上带宽的最先进的近距离无线通讯技术，具有保密性好，辐射低，成本

5、低等优点。NFC是种基于RFID(非接触式射频识别技术)的互联网技术。ZigBee是一种介于蓝牙和RFID无线标记技术之间的技术，具备低功耗、低成本的特点。 (2) IEEE802.11:针对的是局域网的标准化工作。代表是Wi-Fi。Wi-Fi的突出优势主要有以下几点：第一，无线电波覆盖范围广，Wi-Fi的半径可达100m。第二，虽然由Wi-Fi技术传输的无线通讯信号质量并不是很好，但是传输速度很快，可达54Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。第三，成本比较低，用户只要将支持无线LAN的设备拿到该区域，即可上网。 (3) IEEE802.16:针对的是城域网的标准化工作。目前，在城域

6、网已经广泛应用的宽带无线接入技术包括3.5GHZ固定无线接入技术、5.8GHZ固定无线接入技术。它对2~66GHZ频率范围内无线接入系统的底层标准做出规范，它锁规定的无线接入覆盖范围可达50km，因此802.16主要用于城域网范围。 (4)IEEE802.20:它为基于IP的移动宽带无线接入技术而制定，它将提供基于最优化的高速IP技术的无线数据服务，并提供用户便捷的移动终端设备。 3 WiMAX物理层的关键技术 IEEE802.16标准定义的空中接口由物理层和MAC层组成，MAC层独立于物理层，能够支持不同的物理层规范，以适应各种应用环境。物理层由传输汇集子层(TCL)和物理媒质依赖子层

7、(PMD)组成，TCL将收到的MAC层数据分段，封装成TCL协议数据单元(PDU)。PMD则具体执行信道编码，调制解调等过程。 根据使用频道的不同，WiMAX物理层的关键技术有：信道编码技术、自适应调制编码技术、混合自动重传(H-ARQ)、正交频分复用(OFDM)和多天线技术。 3.1信道编码技术 信道编码的基本做法：在发送端给被传输的信息序列(人为的)附加一些监督码元，这些码元与信息码元之间具有某种规则关联，这个过程称为信道编码。信号码元和监督码元共同组成一个码字。一旦传输过程中发生错误，则信息码元和监督码元之间的关系就会被破坏，接收端通过校验就可以达到发现和纠正错误的目地。WiMAX

8、中用到的信道编码类型有： (1) CC(卷积码)：如果在解码过程中发生错误，解码器可能发生突发性错误，为此需要在卷积码上部采用RS码块，用来解决突发性的错误，卷积码分为两种：a.基本卷积码：它的效率为η=1/2，虽然编码效率低，但是纠错能力强。b 收缩卷积码：如果传输信道质量好，为提高编码效率，可以采取收缩截短卷积码。收缩截短卷积码有：η=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8几种编码效率。编码效率越高，一定带宽内可传输的有效比特率越大，但纠错能力越弱。 (2) CTC(卷积Turbo码)：单片Turbo码的编码/解码运行速率达到40Mbit/s。该芯片集成了一个32*32的交织器，其性能

9、和传统的RS外码和卷积内码级联一样好，其效率比传统“RS+卷积码”高，目前支持的编码格式有1/2、2/3、3/4、5/6。 (3)LDPC(低密度校验码)：其性能和Turbo码接近，不用交织器，单次迭代复杂度低，编码计算量大。虽然占主导地位的是Turbo码，但它形式简单，性能好，有较好的应用前景。 3.2 自适应调制编码技术 自适应调制编码技术是以数据传输速率和误码率之间的平衡为准则，根据瞬时信道质量状况，选择与信噪比相匹配的最佳调制和编码方案。其作用是根据信道的质量情况，选择最合适的调试和编码方式，通过编码和调制的方式组合，可以支持不同的传输速率。每个符号所传输的有效信息比特=调制阶数

10、*编码效率。这个技术的基本方法是根据对信道的测量结果，在信道条件好的时候就采用高阶调制和高编码速率，达到更高的速率；反之则采用低阶调制和低编码速率，以保证传输性能。WiMAX支持BPSK，QPSK，16QAM，64QAM多种调制方式。下表为WiMAX支持的调制和解码方式： 表1. WiMAX支持的调制和编码方式 下行(DL) 上行(UL) QPSK,16QAM,64QAM QPSK,16QAM,64QAM CC(卷积码) 1/2，2/3，3/4，5/6 1/2，2/3，3/4，5/6 CTC(卷积Turbo码) 1/2，2/3，3/4，5/6 1/2，2/3，3/

11、4，5/6 3.3 混合自动重传(H-ARQ) 差错控制技术是提高无线信道传输可靠性的主要手段。差错控制技术主要包括自动重传方案(ARQ)(检测到误码就丢弃或者是重传)和Turbo码和卷积码采用的前向差错编码(FEC)(不仅有检错还有纠错的功能)。 H-ARQ对接收到的误码先进行纠错，如果能纠正就不用重发，否则重发，并且可以自适应的基于信道条件提供准确的编码速率调节。主要分为3种类型： (1)Chase合并H-ARQ：重传的时间与初次发送的时间相同。发送方每次发送一个完整的编码码字，接收端将每次接收的数据和之前收到的所有数据进行Chase合并，组成一个纠错能力更强的码字，实现增量

12、冗余的目地。 (2)增量冗余H-ARQ：重传分组不是整个码块简单的重复，而是会增加一些附加信息，一提高解码的成功率。 (3)可变增量冗余H-ARQ：可变增量冗余H-ARQ即重传的数据包包含附加信息，但每次重传都可以独立解码。这种H-ARQ综合了上述两种H-ARQ的特点，每次重传都包含了系统信息和冗余信息，接收的信息可以累计，而接收的冗余信息可以进行联合解码。这种H-ARQ适用于那些对可靠性较高的业务。但是对存储空间的需求较高。 3.4 多天线技术 WiAMX支持的多天线技术主要包括自适应天线(AAS)、多输入多输出(MIMO)。 a.自适应天线技术(AAS)：基于时分复用(TDD)

13、模式。因为时分复用下，上行和下行可以共用相同的频带资源和频分复用相比系统开销较低。 b.多输入多输出技术(MIMO)：核心是空时信号处理，也就是利用空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号。两者区别如表2所示： 表2. 相关数据结构之间的关系 AAS MIMO 特 征 利用不用天线的相关特性，天线间距近 理应不同天线的独立特性，天线间距远 应 用 在较大的小区使用性能较好，天线位置较高 在微小区、室内使用效果比较好 基 站 通道数较多，且对系统结构影响较大，系统架构需要专门为AAS优化 有两通道的，主要是基带信号处理，对系统架构影响较小

14、终 端 影响小，仅增加部分指令 影响大，要求终端支持多天线 3.5 OFDM技术(正交频分复用技术) OFDM技术(正交频分复用技术)是多载波调制中比较特殊的一种，它可以被看作是一种调制技术，也可以被看作是一种复用技术。OFDM技术的最大的优点是能有效对抗频率选择性衰落或窄带干扰，且具有较高的频谱利用率。 1. 技术原理 OFDM技术(正交频分复用技术)的基本原理就是把高速的数据通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个自信道中的符号周期都会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径延时扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。为了更好的消除这种影响，

15、可以在OFDM符号之前插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大实验扩展，这样可以最大限度的消除由于多径带来的符号间干扰(ISI)。具体流程如图1所示: 图1. OFDM系统仿真 2. OFDM的优点 (1)高速率数据流通过串/并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增减，从而有效的减少由于无线信道的时间弥散带来的ISI。 (2)传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。由于OFDM系统的各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，所以OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。 (3)各个子信道的正

16、交调制和解调可以通过采用傅立叶反变换和离散傅立叶变换来实现。 (4)无线数据传输一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量，这也就要求物理层支持非对称高速率数据传输，OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中的不同传输速率。 3.OFDM的缺点 由于OFDM系统存在多个正交的子载波，而且输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在以下缺点： (1) 易受频率偏差的影响。传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会是OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏。 (2) 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远远大于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比，可能会带来信号畸变，是信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统性能恶化。 References (参考文献) [1] 谢刚.WiMAX技术原理及应用[M].北京邮电大学出版社，2010 [2] 刘波, 安娜, 黄旭林.WiMAX技术与应用详解[M].人民邮电出版社，2007