WiMAX標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范與主要挑戰(zhàn)

類似于以太網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)規(guī)范，WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基于一種大幅降低企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、提高網(wǎng)絡(luò)效率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)理念。WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)是，將其技術(shù)優(yōu)勢(shì)拓展應(yīng)用于范圍更加廣闊的公共網(wǎng)絡(luò)。

技術(shù)規(guī)范解讀

IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)包含兩個(gè)核心組件的系統(tǒng)：用戶站點(diǎn)（SS）或用戶端設(shè)備（CPE）和基站（BS）。一個(gè)基站和一個(gè)或多個(gè)用戶站點(diǎn)可以構(gòu)成一個(gè) 點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）結(jié)構(gòu)的小區(qū)。在無(wú)線通信過(guò)程中，基站控制小區(qū)內(nèi)部的所有通信活動(dòng)，包括任何用戶站點(diǎn)接入無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、指配相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS） 等級(jí)和根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制管理網(wǎng)絡(luò)。

利用多個(gè)基站，可以配置一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，這個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍最高 可達(dá)方圓30英里；但是，這是在良好的無(wú)線通信環(huán)境條件下，并且只能提供最低數(shù)據(jù)率。一般而言，實(shí)際可行的小區(qū)覆蓋范圍約為5英里甚或更小。請(qǐng)注意，也可 以在點(diǎn)到點(diǎn)（P2P）或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中采用WiMAX標(biāo)準(zhǔn)，利用成對(duì)的定向天線，實(shí)現(xiàn)高于P2MP網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)有效覆蓋范圍。

802.16 MAC協(xié)議是專門針對(duì)P2MP無(wú)線接入環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可以支持諸如ATM、以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）等傳輸協(xié)議，并且可以通過(guò)特定的匯聚層（如圖1所 示），適應(yīng)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展。MAC層還可以利用物理層來(lái)實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)提供符合ATM標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)質(zhì)量（QoS），如UGS、rtPS、 nrtPS和盡高帶寬（BE）（如圖2所示）。

在802.16網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)中，可以根據(jù)鏈路狀況，向用戶終端動(dòng)態(tài)分配上行和下行突發(fā)配置，從而實(shí)時(shí)地為用戶終端折衷選擇通信容量和強(qiáng)健性。此外，相比于非自適應(yīng)系統(tǒng)，802.16網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了2倍（平均值）的通信容量。

802.16 MAC采用了一個(gè)可變長(zhǎng)度協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）和其他創(chuàng)新概念，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)效率。例如，可以將多個(gè)MAC PDU并置到一個(gè)SINGLE BURST（單次突發(fā)中），從而節(jié)省物理層（PHY）開(kāi)銷。也可以將多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）并置到一個(gè)MAC PDU中，以節(jié)省MAC報(bào)頭開(kāi)銷。通過(guò)數(shù)據(jù)包分段，可以利用多個(gè)幀來(lái)發(fā)送很大的SDU，確保服務(wù)質(zhì)量。此外，可以利用有效負(fù)載報(bào)頭壓縮，降低SDU報(bào)頭冗余造成的開(kāi)銷。

802.16 MAC協(xié)議采用自矯正帶寬請(qǐng)求/授予機(jī)制，消除了確認(rèn)延遲，并且實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)確認(rèn)機(jī)制的服務(wù)質(zhì)量。取決于各種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和流量參數(shù)，用戶終端可以選擇請(qǐng)求不同的帶寬。

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圖1——802.16協(xié)議堆棧

圖2——各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)

802.16 協(xié)議中的保密層采用了與DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)相同的模型。利用密碼塊鏈接（CBC）模型中實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES），加密需要傳輸?shù)挠行ж?fù)載和輔助管理連 接。利用個(gè)人知識(shí)管理（PKM）協(xié)議，對(duì)用戶站點(diǎn)進(jìn)行基于認(rèn)證的鑒權(quán)。利用RSA公共密鑰方法和x.509認(rèn)證，在基站和用戶站點(diǎn)之間傳遞密鑰。

任 何SS器件接入網(wǎng)絡(luò)都要執(zhí)行一系列任務(wù)，以進(jìn)行鑒別和同步基站和用戶站點(diǎn)。當(dāng)基站下行信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步后，上行信道描述符（UCD）將提供定時(shí)參數(shù)和初始測(cè)距 連接時(shí)隙數(shù)據(jù)。在用戶站點(diǎn)測(cè)距的過(guò)程中，基站將在用戶站點(diǎn)登錄后，為協(xié)商性能分配各種管理消息。利用PKM，可以為鑒權(quán)建立一個(gè)安全的輔助管理連接?，F(xiàn) 在，這個(gè)系統(tǒng)可以部署各種MAC業(yè)務(wù)，通過(guò)采用各種IP協(xié)議的用戶連接進(jìn)行通信。通過(guò)常規(guī)測(cè)距和信道狀況監(jiān)視，管理信道資源。

服務(wù)質(zhì)量（QoS）和信道資源調(diào)度

WiMAX標(biāo)準(zhǔn)包括許多值得關(guān)注的特性，其中之一就是能夠?qū)崿F(xiàn)很高的服務(wù)質(zhì)量和支持信道資源調(diào)度。對(duì)于服務(wù)提供商而言，這些特性尤為重要，因?yàn)檫@些特性能夠最大限度地提高無(wú)線信道利用率和系統(tǒng)吞吐量，并且能夠確保達(dá)到服務(wù)級(jí)別協(xié)議（SLA）中規(guī)定的要求（如圖3所示）。

基 于MAC實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施能夠支持各種業(yè)務(wù)類型。各個(gè)用戶站點(diǎn)和基站之間的帶寬請(qǐng)求和授予機(jī)制則實(shí)現(xiàn)了服務(wù)質(zhì)量特性。當(dāng)前的服務(wù)質(zhì)量機(jī)制主要包含四種業(yè) 務(wù)：UGS（主動(dòng)授予業(yè)務(wù)）、rtPS（實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)）、nrtPS（非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)）和BE（盡高帶寬業(yè)務(wù)），可以為視頻、音頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等提供其需要 的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)。由數(shù)據(jù)包調(diào)度程序(Packet Scheduler)負(fù)責(zé)為一個(gè)用戶的各種不同業(yè)務(wù)類型調(diào)度相應(yīng)的資源。也就是說(shuō)，到達(dá)用戶實(shí)現(xiàn)SLA的要求?？梢詫⒂脩魟澐譃楦鞣N不同的優(yōu)先級(jí)，如標(biāo)準(zhǔn) 和高級(jí)（如圖4所示）。

在IEEE 802.16-2005系統(tǒng)中管理移動(dòng)性

IEEE 802.16-2005系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要求就是在高速移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)越區(qū)切換并且保持很低的丟包率。雖然大多數(shù)越區(qū)切換都可以通過(guò)軟件來(lái)完成，但是，要實(shí)現(xiàn)高性能越區(qū)切換就必須由硬件來(lái)執(zhí)行部分處理任務(wù)。

為了識(shí)別相鄰網(wǎng)絡(luò)并確定該網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于相關(guān)移動(dòng)終端（MSS）的特性，基站將定期廣播一條相鄰節(jié)點(diǎn)通告管理消息。所有MSS都要掃描相鄰的基站，并測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，然后通過(guò)執(zhí)行測(cè)距和相關(guān)步驟，選擇適當(dāng)?shù)南噜徎?，?zhǔn)備進(jìn)行越區(qū)切換。

越區(qū)切換的性能主要體現(xiàn)在用戶從一個(gè)小區(qū)進(jìn)入另一個(gè)小區(qū)時(shí)的鑒權(quán)速度。區(qū)別在于是否能夠快速適應(yīng)在移動(dòng)中不斷變化的服務(wù)質(zhì)量要求。MSS可以是固定的，也可以是移動(dòng)的，服務(wù)質(zhì)量配置也可以變化。SLA甚至可以針對(duì)移動(dòng)用戶終端和固定用戶終端采用不同的策略。

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圖3——802.16標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)據(jù)包調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了資源最大化

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圖4——數(shù)據(jù)包調(diào)度程序的功能及其為不同用戶類型調(diào)度相應(yīng)的資源

隨 著用戶數(shù)量日益增加，多徑衰落和路徑損耗變得更加顯著。基于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的正交頻分復(fù)用多址（OFDMA）技術(shù)不會(huì)受到符號(hào)間干擾和頻率 選擇性衰落的影響。傳輸速率的高低取決于寬帶無(wú)線接入（BWA）系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)靈活、高效的資源分配。如果采用跳頻技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)來(lái)分配副載波， 并且由發(fā)射機(jī)生成信道增益，則可以大幅提高系統(tǒng)性能。最優(yōu)解決方案是每次都向用戶分配最佳信道。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程沒(méi)有聽(tīng)起來(lái)那么簡(jiǎn)單，因?yàn)檫m用于某個(gè)用戶的 最優(yōu)副載波也可能是適用于另一個(gè)用戶的最優(yōu)副載波，并且這個(gè)用戶沒(méi)有其他良好副載波可供使用。服務(wù)質(zhì)量要求的定義是，在每次發(fā)射中，向每個(gè)用戶提供特定的 數(shù)據(jù)傳輸率和誤碼率（BER）。

雖然關(guān)于WiMAX標(biāo)準(zhǔn)及其相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)越性的討論始終沸沸揚(yáng)揚(yáng)，但是，當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)表明，WiMAX標(biāo)準(zhǔn)非常適于在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。

伸縮自如的OFDMA

IEEE 802.16無(wú)線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的OFDMA物理層模型提出了“靈活伸縮性”這個(gè)概念。一個(gè)伸縮自如的物理層允許基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案在從1.25MHz至20 MHz的信道帶寬上，以固定的副載波間隔，向固定用戶終端和便攜式/移動(dòng)用戶終端，提供最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)性能，并且保持很低的系統(tǒng)成本。這種靈活伸縮性主要?dú)w功于每個(gè)信道帶寬具備不同的FFT樣本數(shù)的子信道結(jié)構(gòu)。

WiMAX技術(shù)規(guī)范還支持高級(jí)調(diào)制和編碼（AMC）子信道、混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（HARQ）、高效率上行子信道結(jié)構(gòu)、多入多出（MIMO）、覆蓋增強(qiáng)安全信道、不同的副載波分配技術(shù)和多樣化機(jī)制。WiMAX MAC層利用CQI和HARQ請(qǐng)求的反饋信息，實(shí)現(xiàn)了靈活伸縮性。

實(shí)現(xiàn)WiMAX系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)

在 實(shí)現(xiàn)WiMAX系統(tǒng)時(shí)，面臨的最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)大概是確定處理器應(yīng)當(dāng)執(zhí)行哪些任務(wù)以及硬件或者更確切的說(shuō)，基于FPGA的加速器應(yīng)當(dāng)執(zhí)行哪些任務(wù)。確定這種 硬件和軟件分工的關(guān)鍵是找到系統(tǒng)性能和處理要求以及產(chǎn)品上市速度之間的最佳平衡點(diǎn)。取決于實(shí)現(xiàn)這種折衷的方式，可以產(chǎn)生不同的用戶端設(shè)備和基站實(shí)現(xiàn)。

WiMAX 用戶端設(shè)備必須采用一個(gè)處理器，并且借助硬件加速器，實(shí)現(xiàn)諸如循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）和加密/解密等比較低級(jí)的MAC功能。另一方面，基站則需要從比較 低級(jí)的MAC加速器，升級(jí)為通過(guò)慢速通道/快速通道處理數(shù)據(jù)包。要在硬件中實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，基站的MAC層利用處理器（FPGA上的嵌入式處理器或外接處理 器）實(shí)現(xiàn)了速度較慢的管理和控制功能，同時(shí)利用支持硬件加速的FPGA邏輯結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了速度較快的數(shù)據(jù)通道功能。

MAC層實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于利用適當(dāng)?shù)年?duì)列和調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)處理“三網(wǎng)融合”的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。雖然IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此類功能做出了明確規(guī)定，但是各種競(jìng)爭(zhēng)性解決方案實(shí)現(xiàn)這種特性的具體方式卻各不相同,有了Xilinx FPGA，設(shè)備制造商可以針對(duì)這個(gè)要求苛刻的系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提供靈活的平臺(tái)，開(kāi)發(fā)、實(shí)現(xiàn)新的MAC層功能。

最新推出的Virtex-4 FX平臺(tái)FPGA包含了一個(gè)短時(shí)延輔助處理器接口（APU）。通過(guò)這個(gè)接口，可以將自定義指令整合到軟件代碼中，再通過(guò)執(zhí)行這些指令，改變邏輯結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化了硬件/軟件劃分過(guò)程。

Xilinx平臺(tái)FPGA還可以支持諸如高性能前向糾錯(cuò)（FEC）等先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能，有助于實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能和產(chǎn)品差異化。得益于Xilinx推出的包含在低成本W(wǎng)iMAX FEC包中的優(yōu)化Turbo Convolutional編解碼器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以快速部署這些高效率的FPGA核心，在WiMAX基帶芯片中實(shí)現(xiàn)靈活的FEC解決方案。

當(dāng) 然，WiMAX基站設(shè)計(jì)還包含許多其他方面，Xilinx技術(shù)也可以有所貢獻(xiàn)，但限于篇幅，本文暫不討論。目前，Xilinx器件通常用于實(shí)現(xiàn)射頻卡中的 高級(jí)DSP糾錯(cuò)算法，以及振幅因素縮?。–FR）、數(shù)字預(yù)矯正（DPD）和數(shù)字上變頻器（DUC）和數(shù)字下變頻器（DDC）等應(yīng)用。通過(guò)以數(shù)字化方式矯正 功率放大器（PA）的特性，可以利用更加經(jīng)濟(jì)劃算的模擬射頻電路，從而節(jié)省大量元件成本，并大幅降低基站的總成本。

結(jié)束語(yǔ)

雖然關(guān) 于WiMAX標(biāo)準(zhǔn)及其相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)越性的討論始終沸沸揚(yáng)揚(yáng)，但是，當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)表明，WiMAX標(biāo)準(zhǔn)非常適于在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、 數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。早在WiMAX標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的最初階段，Xilinx就已積極參與其中。我們的產(chǎn)品擁有獨(dú)特的特性組合，能夠幫助我們的客戶迅速推出 WiMAX產(chǎn)品，占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)。