ＷｉＭＡＸ物理層關鍵技術及其演進

摘要：WiMAX技術發展迅速，但是為了獲得高效可靠的通信性能，并支持更高速率的移動環境，需要物理層關鍵技術進一步演進。為了支持移動性，IEEE 802.16e標準(移動寬帶無線接入)在IEEE 802.16d標準(固定的寬帶無線接入)的基礎上進行了改進，在物理層引入了正交頻分復用與多入多出相結合的技術，使傳輸速度成倍提高的同時能夠支持一定的移動性。在未來的IEEE 802.16m中還將會引入更加先進的空中接口技術。

關鍵詞：全球微波互操作；多輸入多輸出；正交頻分復用；物理層關鍵技術

Abstract:The Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) technology has developed rapidly. However， the key technology for the Physical Layer (PHY) of WiMAX system requires further evolution for acquiring effective and reliable communication performance and supporting higher-speed moving environments，. Based on IEEE 802.16d (for fixed broadband wireless access systems)， IEEE 802.16e (for mobile broadband wireless access systems)， introduces a combination of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Multiple Input Multiple Output (MIMO) technologies into the PHY to support mobility. It enables the transmission rate doubled while supports mobility to some extent. In the future， IEEE 802.16m will adopt more advanced air interface technologies.

Key words: WiMAX; MIMO; OFDM; key technology for PHY

以IEEE 802.16e標準為基礎的寬帶無線技術已經成為WiMAX技術的主流，接入無線網絡已經成為很多人生活的一部分。為了滿足人們對傳輸速率日益增長和高速移動性的要求，IEEE在相繼推出了802.16a、802.16d、802.16e后，IEEE即將提出下一代的先進空口技術標準——802.16m。2006年12月IEEE啟動了IEEE 802.16m標準的制訂工作，很多全球著名廠家將參與其中。

WiMAX物理層的技術特點[1]：

(1)在物理層采用正交頻分復用，實現高效的頻譜利用率。

(2)雙工方式：支持時分雙工(TDD)、頻分雙工(FDD)，同時也支持半雙工頻分雙工(HFDD)。FDD需要成對的頻率，TDD則不需要，而且可以實現靈活的上下行帶寬動態分配。半雙工頻分雙工方式降低了終端收發器的要求，從而降低了對終端收發器的要求。

(3)可支持移動和固定的情況，移動速度最高可達120 km/h。

(4)帶寬劃分靈活，系統的帶寬范圍為1.25 MHz～20 MHz。WiMAX規定了幾個系列的帶寬：1.25 MHz的倍數系列、1.75 MHz的倍數系列。其中1.25 MHz倍數系列包括：1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz等，1.75 MHz倍數系列包括：1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、14 MHz等。

(5)使用先進的多天線技術提高系統容量和覆蓋范圍。

(6)采用混合自動重傳(HARQ)技術。混合自動重傳操作中融合了前向糾錯(FEC)的功能，使得每一次分組包的發送操作都能夠為最終的正確解碼做出貢獻。主要分為兩類：追趕合并和遞增冗余。

(7)采用自適應調制編解碼(AMC)技術。AMC根據接收信號的質量，隨時調整分組包的調制、編碼方式、編碼速率，使得系統在能夠達到足夠的可靠性的基礎上，使用盡可能高的數據傳輸速率。

(8)采用功率控制技術，目標是最大化頻譜效率，而同時滿足其他系統指標。

(9)采用先進的信道編碼技術增加通信質量，擴大覆蓋范圍。

從先進國際移動通信和下一代移動網絡的技術需求來看，未來移動通信的傳輸速率要求達到百兆比特位每秒甚至吉比特位每秒，目前的IEEE 802.16e中最高的物理層速率是75 Mb/s，為了能夠在保證通信質量的同時達到很高的數據速率，在未來的標準演進中，必須對物理層的關鍵技術進行有效的演進。

1 OFDM和OFDMA技術

在802.16d/16e中均引進了正交頻分復用(OFDM)和正交頻分復用多址(OFDMA)技術，在未來的物理層技術演進中，OFDM和OFDMA仍然是主要的關鍵技術之一。正交時分復用(OTDM)則是在最近倍受大家關注的另外一種復用技術，有可能成為未來的物理層復用技術之一。

1.1 正交頻分復用

OFDM[2]的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸。正交信號通過接收端采用相關技術分開，可以在一定條件下減少子信道間干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道可看作平衰落信道，從而消除了符號間干擾(ISI)。由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

OFDM技術之所以越來越受關注，是因為OFDM有很多獨特的優點：

● 頻譜利用率很高。

● 抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強。

● 采用動態子載波分配技術能使系統達到最大比特率。

● 通過各子載波的聯合編碼，可具有很強的抗衰落能力。

● 基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里葉變換(FFT)和逆快速傅里葉變換(IFFT)來實現調制和解調，易用數字信號處理器(DSP)實現。

除上述優點以外，OFDM也有3個較明顯的缺點：

● 對頻偏和相位噪聲敏感。

● 峰均功率比(PAPR)大，導致發送端放大器功率效率較低。

● 自適應的調制技術使系統復雜度有所增加。

OFDM作為保證高頻譜效率的調制方案已被一些規范及系統采用。OFDM將成為新一代無線通信系統中下行鏈路的最優調制方案之一，也會和傳統多址技術結合成為新一代無線通信系統多址技術的備選方案。

1.2 正交頻分復用多址

在OFDMA系統中，用戶僅僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個幀內的用戶的定時偏差和頻率偏差足夠小，則系統內就不會存在小區內的干擾，比碼分系統更有優勢。

由于OFDMA可以把跳頻技術和OFDM技術相結合，因此可以構成一種更為靈活的多址方案，此外由于OFDMA可以靈活地適應帶寬要求，可以與動態信道分配技術結合使用來支持高速的數據傳輸。

在未來的物理層技術演進中，OFDMA仍然會作為一種非常重要的關鍵技術繼續保留。

1.3 單載波頻域均衡技術

在OFDM系統中，如何降低PAPR仍然是亟待解決的問題。不少演進技術中為了避免PAPR的影響，已經開始考慮采用單載波頻域均衡技術(SC-FDE)[3-4]，也稱為正交時分復用(OTDM)，原理框圖如圖1所示。

SC-FDE之所以越來越受關注，是因為有如下的優點：

● 抗多徑能力強

● 頻譜效率高(與OFDM類似，甚至稍高)

● 沒有PAPR

● 帶外輻射小

● 實現簡單

● 采用自適應技術

另外，SC-FDE易與其他技術結合，形成如下技術：

● CP-CDMA

● CP-DS-CDMA

● OTDM＋智能天線(發射機)

● OTDM＋分集接收(接收機)

新一代的無線通信系統對系統的性能、成本、尺寸、功率和能耗提出了嚴格的要求。SC-FDE系統具有較強的克服頻率選擇性衰落的能力，克服了OFDM系統的不足，使得接收機的實現更為簡單。SC-FDE也可以和OFDM共存于一個雙向傳輸系統，以便更靈活、更高效地發揮兩種技術的優勢。另外，SC-FDE技術還可以與多輸入多輸出(MIMO)技術相結合，提高頻譜利用率，改善系統性能，在寬帶無線通信領域有著廣闊的應用前景。采用SC-FDE是未來高速無線通信系統的一個極具競爭力的方案。

2 幀結構

IEEE 802.16e物理層定義了幾種雙工方式：TDD、FDD和HFDD。這幾種方式都使用突發數據傳輸格式，這種傳輸格式支持自適應的突發業務數據，傳輸參數(調制方式、編碼方式、發射功率等)可以動態調整，但是需要媒體訪問控制(MAC)層協助完成。在TDD模式下，每個物理幀長度固定，上下行的切換點可以自適應調整，下行在先，上行在后，這樣杜絕了上行方向的競爭。同時，上下行和下上行子幀之間可以插入收發時隙，以留出必要的保護間隔。資源的調度和分配可以在基站(BS)上集中控制，使得信道可以靈活地全部用于上行或下行。另外，針對不同的應用場景，在幀結構中定義了多種排列方式，提高頻譜利用率以及克服多徑衰落。802.16e還采用了128/512/1 024/2 048個可變子載波的OFDMA方式，使設備信道帶寬可在1.75 MHz～20 MHz間靈活調配，從而使其具備更強的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保證WiMAX終端在移動環境中的使用。

未來幀結構，必須增強對多天線的各種應用模式簡單高效的調度，支持各種物理層關鍵技術的演進。

3 多輸入多輸出

頻率資源的使用是有限的，無論在時域、頻域還是碼域上處理信道容量均不會超過山農限。多天線的使用使得不同用戶的信號可以用不同的空間特征來表征，使得空域資源的使用成為可能。空域處理可以在不增加帶寬的情況下成倍地提升信道容量，也可以改善通信質量、提高鏈路的傳輸可靠性。

3.1 多天線的應用模式

未來的多天線技術應用模式必將是靈活多變的，主要多天線的應用模式包括：

(1)接收分集(單輸入多輸出時)

由于部分終端受尺寸大小、發射功率和成本等的影響，通常在發送端只有1根天線，基站使用多根接收天線，實現接收分集，理想情況下可獲得10logN r(dB)的增益，N r為基站接收天線的個數。容量隨著接收天線的個數對數增加。應用場景如圖2所示。

(2)發送分集(多輸入單輸出時)

終端1根接收天線，基站多根發送天線，理想情況下可獲得10logN t(dB)的增益，N t為基站發送天線的個數。容量隨著發送天線的個數對數增加。應用場景如圖3所示。

(3)波束形成(多輸入單輸出時)

終端只有一根天線，基站使用多根發送天線，實現波束形成，由于在發端已經得到了H 矩陣，波束形成比發送分集信噪比提高3 dB。必須經過上行測量或者上行反饋獲取信道信息，才能夠進行波束形成。

(4)空時編碼(多輸入多輸出時)

未來的通信系統中，終端會走向多樣化，部分終端可以擁有多根天線，這樣通信鏈路的上下行均可實現多輸入多輸出(MIMO)，MIMO示意圖如圖4所示。空時編碼是MIMO的主要應用形式之一，正交的空時分組編碼可以獲得滿分集增益，空時網格編碼不僅能夠獲得部分的分集增益，同時也能夠獲得編碼增益。

(5)空間復用(多輸入多輸出時)

MIMO的另一種主要的應用形式是空間復用。空間復用技術使得信道容量成倍地增長變為可能。使用空間復用技術必須滿足：N r≥N t，使用迫零和干擾對消進行逐符號檢測，發端無需知道信道信息，無需通道校正，當信道容量下降時，復用系數應該自適應改變。

(6)智能天線(先進的多天線系統)

智能天線的一個主要的任務是如何獲取和利用信號的空間方向信息，并通過陣列信號處理改善信號的質量，從而提高系統的性能。天線陣列的加權在基帶通過數字信號處理完成，自適應陣列技術屬于其中的一部分。自適應天線陣列是智能天線技術的研究重點和發展方向。

3.2 多天線技術的空域自適應

未來的多天線技術必將實現空域自適應鏈路。根據信道的變化，可以實現目標為最大的數據傳輸速率的鏈路自適應和平均信道容量最大的鏈路自適應。

實現目標為最大的數據傳輸速率的鏈路自適應的設計原則：

(1)移動環境下的MIMO信道是變化的，容量也是變化的。

(2)在低秩信道下并非發射天線越多信道容量越大，可以通過合理地選擇發射天線來提升系統容量。

實現目標為平均信道容量最大的鏈路自適應的設計原則：

(1)當收發天線之間的衰落系數互不相關且服從相同的分布時，MIMO系統將獲得可觀的信道容量。但是由于陣元間距和實際通信環境所限，各對收發天線間的衰落系數往往是相關的。研究表明，在相關性較強的情況下，信道容量會大幅降低。

(2)在相關衰落信道中應該合理設計天線陣間距和排布方式來盡量降低陣元之間信道響應的相關系數。

4 混合自動重傳

HARQ是一種新的將自動重傳(ARQ)和前向差錯編碼結合的物理層技術，主要分為3類。I型HARQ，只是把FEC和ARQ簡單地結合起來，雖然在一定程度上解決了FEC和ARQ本身的缺陷，但是由于每次只是簡單地把出錯數據分組丟棄，要求發端重傳該數據組，沒有充分利用出錯的數據分組當中的有用信息，導致整體數據傳輸效率不高。II型HARQ，在I型的基礎上，以碼合并產生解碼增益的思想充分利用了每次發送的數據分組當中包含的有用信息，但是在II型HARQ當中重發的數據分組包含新增的冗余信息(將有用信息合并在一起產生的新的數據分組)，而并不包含原始數據信息，因此不具備自解碼能力，如果原始數據分組被破壞嚴重或丟失，那么無論重傳多少次也無法正確解碼，這是II型一個很大的缺點。III型HARQ，為了克服II型HARQ的缺點，III型HARQ無論是原始數據包還是重傳數據包都包含原始數據信息，僅通過對重發數據包進行解碼就能夠恢復出原始數據信息。靈活采用III型HARQ中單冗余版本，可以更好地提升系統的性能。

5 自適應調制編碼

自適應調制編碼(AMC)的基本思路就是根據信道條件分配傳輸功率和碼率，以提高傳輸速率或系統吞吐量。自適應技術有兩個步驟：

(1)傳輸信道參數的測量。

(2)在優化預先指定的代價函數的基礎上，選擇一種或多種傳輸參數。

但是有一個假設前提，信道變化不能很快，否則選擇的信道參數很難與信道實際情況相匹配。所以自適應技術只適用于多普勒擴展不是很大的情況。自適應技術在室內環境中具有很明顯的優勢，因為在室內環境中傳播時延很小，發射機和接收機間的相對速度也很慢。在這種情況下，自適應技術可以逐幀使用。主要的自適應調整技術包括：自適應調整功率級別，調整星座圖大小，調整碼速，同時調整功率級別和星座圖大小，同時調整星座圖大小和符號速率，同時調整功率和傳輸速率，同時調整碼速、符號速率和星座圖大小。

6 信道編碼

信道編碼技術在無線通信中是必不可少的，通過信道編碼(糾錯碼)實現差錯控制是高速通信中的關鍵技術之一。802.11d/e標準采用了RS分組碼、卷積編碼、卷積Turbo碼、分組Turbo碼、低密度稀疏檢驗矩陣碼(LDPC)等糾錯編碼技術，Woven卷積碼已經被中國通信標準化協會寫入新一代無線通信空中接口技術綱要。

其中RS分組碼、卷積編碼、卷積Turbo碼、分組Turbo碼等在文獻[5]中有詳細的描述。LDPC作為一種新的糾錯編碼的方法，是一類可以用非常稀疏的奇偶校驗矩陣定義的線性分組碼，已經成為了下一代衛星數字視頻廣播標準(DVB-S2)的一項關鍵技術。如果在WiMAX中應用LDPC碼，由于LDPC碼有很好的抗衰落性，編碼增益很高，接收機在較低的信噪比情況下仍然可以擁有較低的誤碼率，可以使覆蓋范圍得到提升。盡管在目前增強無線聯盟(EWC)的草案中，LDPC碼仍然是一個可選(非強制)實施的編碼方法，但是有理由相信LDPC碼將在未來的802.16系列標準中扮演重要角色。1997年Host、Johannesson等人提出了Woven卷積碼[6]。Woven碼借助了“編織”的概念將多個卷積成員碼巧妙地結合起來，因此它不僅繼承了卷積碼的很多特性并具有了較大的自由距離，而且其系統結構可完全包容傳統分組碼、卷積碼以及各類Turbo碼，Woven碼是對以卷積碼為分量碼的串行級聯碼的擴展，相信Woven卷積碼在未來的標準演進中將會得到廣泛的應用。

7 結束語

WiMAX已作為一種寬帶網絡解決方案得到了很多運營商的認可。在WiMAX領域內已經誕生了802.16d/e標準，不久的將來802.16m也將應運而生，該標準使用了當前無線通信領域中的多項先進技術，其產品將擁有高速數據傳輸能力和較大的覆蓋區域，容易和其他無線通信網絡融合。WiMAX標準將對無線寬帶網市場產生巨大的推動力。隨著網上多媒體技術的日益應用發展，傳輸速率更高的無線網絡設備將會涌現，無線寬帶網設備和服務的投資前景將會非常樂觀。在在無線寬帶網用戶和國際眾多運營商的雙重推動下，未來幾年內，高速WiMAX網絡的應用將會成為未來網絡的技術主流之一。

8 參考文獻

[1] IEEE 802.16e-2005. IEEE standard for local and metropolitan area networks， Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems， Amendent 2: For physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operations in licensed bands [S]. 2006.

[2] 佟學儉， 羅濤. OFDM移動通信技術原理與應用 [M]. 北京:人民郵電出版社， 2003.

[3] IEEE 802.16-2004. IEEE standard for local and metropolitan area networks， Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems [S]. 2004.

[4] CCSA WG6. 新一代無線通信空中接口技術綱要 [S]. V4.0. 2006.

[5] 王新梅， 肖國鎮. 糾錯碼原理與方法 [M]. 西安:西安電子科技大學出版社， 2001.

[6] Host S， Johannesson R， Zyablov V， et al. A first encounter with binary Woven convolutional codes [C]//Proceedings of International Symposium Communication Theory and Applications， Jul 1997， Lake District， UK. 1997:13-18.

收稿日期：2007-01-19

劉巧艷，西安電子科技大學碩士畢業。工作于中興通訊股份有限公司CDMA研究所西安開發部，先后參加了B3G、TD-SCDMA、WiMAX的預研工作，主要研究領域為無線通信的空中接口技術。已參與申請專利15個，發表論文3篇。

余秋星，西北工業大學博士畢業。工作于中興通訊股份有限公司CDMA研究所西安開發部，先后參加了B3G、TD-SCDMA、WiMAX的預研工作，主要研究領域為無線通信的空中接口技術。已參與申請專利10個，發表論文8篇。