WiMAX物理層關(guān)鍵技術(shù)及其演進(jìn)
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(1)在物理層采用正交頻分復(fù)用，實現(xiàn)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
(3)可支持移動和固定的情況，移動速度最高可達(dá)120 km/h。
(4)帶寬劃分靈活，系統(tǒng)的帶寬范圍為1.25 MHz～20 MHz。WiMAX規(guī)定了幾個系列的帶寬：1.25 MHz的倍數(shù)系列、1.75 MHz的倍數(shù)系列。其中1.25 MHz倍數(shù)系列包括：1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz等，1.75 MHz倍數(shù)系列包括：1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、14 MHz等。
(5)使用先進(jìn)的多天線技術(shù)提高系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。
(6)采用混合自動重傳(HARQ)技術(shù)。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(fā)送操作都能夠為最終的正確解碼做出貢獻(xiàn)。主要分為兩類：追趕合并和遞增冗余。
(7)采用自適應(yīng)調(diào)制編解碼(AMC)技術(shù)。AMC根據(jù)接收信號的質(zhì)量，隨時調(diào)整分組包的調(diào)制、編碼方式、編碼速率，使得系統(tǒng)在能夠達(dá)到足夠的可靠性的基礎(chǔ)上，使用盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
(8)采用功率控制技術(shù)，目標(biāo)是最大化頻譜效率，而同時滿足其他系統(tǒng)指標(biāo)。
(9)采用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)增加通信質(zhì)量，擴(kuò)大覆蓋范圍。
從先進(jìn)國際移動通信和下一代移動網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求來看，未來移動通信的傳輸速率要求達(dá)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(zhì)量的同時達(dá)到很高的數(shù)據(jù)速率，在未來的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中，必須對物理層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行有效的演進(jìn)。
在802.16d/16e中均引進(jìn)了正交頻分復(fù)用(OFDM)和正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)技術(shù)，在未來的物理層技術(shù)演進(jìn)中，OFDM和 OFDMA仍然是主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。正交時分復(fù)用(OTDM)則是在最近倍受大家關(guān)注的另外一種復(fù)用技術(shù)，有可能成為未來的物理層復(fù)用技術(shù)之一。
1.1正交頻分復(fù)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(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號通過接收端采用相關(guān)技術(shù)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(guān)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(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點：
頻譜利用率很高。
抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。
采用動態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。
通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)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(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)。
除上述優(yōu)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(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低。
自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加。
OFDM作為保證高頻譜效率的調(diào)制方案已被一些規(guī)范及系統(tǒng)采用。OFDM將成為新一代無線通信系統(tǒng)中下行鏈路的最優(yōu)調(diào)制方案之一，也會和傳統(tǒng)多址技術(shù)結(jié)合成為新一代無線通信系統(tǒng)多址技術(shù)的備選方案。
1.2正交頻分復(fù)用多址
在OFDMA系統(tǒng)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(nèi)的用戶的定時偏差和頻率偏差足夠小，則系統(tǒng)內(nèi)就不會存在小區(qū)內(nèi)的干擾，比碼分系統(tǒng)更有優(yōu)勢。
由于OFDMA可以把跳頻技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合，因此可以構(gòu)成一種更為靈活的多址方案，此外由于OFDMA可以靈活地適應(yīng)帶寬要求，可以與動態(tài)信道分配技術(shù)結(jié)合使用來支持高速的數(shù)據(jù)傳輸。
在未來的物理層技術(shù)演進(jìn)中，OFDMA仍然會作為一種非常重要的關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)保留。
1.3單載波頻域均衡技術(shù)
在OFDM系統(tǒng)中，如何降低PAPR仍然是亟待解決的問題。不少演進(jìn)技術(shù)中為了避免PAPR的影響，已經(jīng)開始考慮采用單載波頻域均衡技術(shù)(SC-FDE)[3-4]，也稱為正交時分復(fù)用(OTDM)，原理框圖如圖1所示。
SC-FDE之所以越來越受關(guān)注，是因為有如下的優(yōu)點：
抗多徑能力強(qiáng)
頻譜效率高(與OFDM類似，甚至稍高)
沒有PAPR
帶外輻射小
實現(xiàn)簡單
采用自適應(yīng)技術(shù)
另外，SC-FDE易與其他技術(shù)結(jié)合，形成如下
CP-CDMA
CP-DS-CDMA
OTDM＋智能天線(發(fā)射機(jī))
OTDM＋分集接收(接收機(jī))
新一代的無線通信系統(tǒng)對系統(tǒng)的性能、成本、尺寸、功率和能耗提出了嚴(yán)格的要求。SC-FDE系統(tǒng)具有較強(qiáng)的克服頻率選擇性衰落的能力，克服了 OFDM系統(tǒng)的不足，使得接收機(jī)的實現(xiàn)更為簡單。SC-FDE也可以和OFDM共存于一個雙向傳輸系統(tǒng)，以便更靈活、更高效地發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢。另外， SC-FDE技術(shù)還可以與多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)相結(jié)合，提高頻譜利用率，改善系統(tǒng)性能，在寬帶無線通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。采用SC-FDE 是未來高速無線通信系統(tǒng)的一個極具競爭力的方案。
2 幀結(jié)構(gòu)
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(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式，這種傳輸格式支持自適應(yīng)的突發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，傳輸參數(shù)(調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)射功率等)可以動態(tài)調(diào)整，但是需要媒體訪問控制(MAC)層協(xié)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(yīng)調(diào)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(fā)時隙，以留出必要的保護(hù)間隔。資源的調(diào)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(yīng)用場景，在幀結(jié)構(gòu)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(shè)備信道帶寬可在1.75 MHz～20 MHz間靈活調(diào)配，從而使其具備更強(qiáng)的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保證WiMAX終端在移動環(huán)境中的使用。
未來幀結(jié)構(gòu)，必須增強(qiáng)對多天線的各種應(yīng)用模式簡單高效的調(diào)度，支持各種物理層關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)。
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(nóng)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?？沼蛱幚砜梢栽诓辉黾訋挼那闆r下成倍地提升信道容量，也可以改善通信質(zhì)量、提高鏈路的傳輸可靠性。
3.1多天線的應(yīng)用模式
未來的多天線技術(shù)應(yīng)用模式必將是靈活多變的，主要多天線的應(yīng)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(fā)射功率和成本等的影響，通常在發(fā)送端只有1根天線，基站使用多根接收天線，實現(xiàn)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(shù)。容量隨著接收天線的個數(shù)對數(shù)增加。應(yīng)用場景如圖2所示。
(2)發(fā)送分集(多輸入單輸出時)
終端1根接收天線，基站多根發(fā)送天線，理想情況下可獲得10logN t(dB)的增益，N t為基站發(fā)送天線的個數(shù)。容量隨著發(fā)送天線的個數(shù)對數(shù)增加。應(yīng)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(fā)送天線，實現(xiàn)波束形成，由于在發(fā)端已經(jīng)得到了H 矩陣，波束形成比發(fā)送分集信噪比提高3 dB。必須經(jīng)過上行測量或者上行反饋獲取信道信息，才能夠進(jìn)行波束形成。
(4)空時編碼(多輸入多輸出時)
未來的通信系統(tǒng)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(xiàn)多輸入多輸出(MIMO)，MIMO示意圖如圖4所示?？諘r編碼是MIMO的主要應(yīng)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(wǎng)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(fù)用(多輸入多輸出時)
MIMO的另一種主要的應(yīng)用形式是空間復(fù)用?？臻g復(fù)用技術(shù)使得信道容量成倍地增長變?yōu)榭赡堋Ｊ褂每臻g復(fù)用技術(shù)必須滿足：N r≥N t，使用迫零和干擾對消進(jìn)行逐符號檢測，發(fā)端無需知道信道信息，無需通道校正，當(dāng)信道容量下降時，復(fù)用系數(shù)應(yīng)該自適應(yīng)改變。
(6)智能天線(先進(jìn)的多天線系統(tǒng))
智能天線的一個主要的任務(wù)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(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的性能。天線陣列的加權(quán)在基帶通過數(shù)字信號處理完成，自適應(yīng)陣列技術(shù)屬于其中的一部分。自適應(yīng)天線陣列是智能天線技術(shù)的研究重點和發(fā)展方向。
3.2多天線技術(shù)的空域自適應(yīng)
未來的多天線技術(shù)必將實現(xiàn)空域自適應(yīng)鏈路。根據(jù)信道的變化，可以實現(xiàn)目標(biāo)為最大的數(shù)據(jù)傳輸速率的鏈路自適應(yīng)和平均信道容量最大的鏈路自適應(yīng)。
實現(xiàn)目標(biāo)為最大的數(shù)據(jù)傳輸速率的鏈路自適應(yīng)的設(shè)計原則：
(1)移動環(huán)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(fā)射天線越多信道容量越大，可以通過合理地選擇發(fā)射天線來提升系
實現(xiàn)目標(biāo)為平均信道容量最大的鏈路自適應(yīng)的設(shè)計原則：
(1)當(dāng)收發(fā)天線之間的衰落系數(shù)互不相關(guān)且服從相同的分布時，MIMO系統(tǒng)將獲得可觀的信道容量。但是由于陣元間距和實際通信環(huán)境所限，各對收發(fā)天線間的衰落系數(shù)往往是相關(guān)的。研究表明，在相關(guān)性較強(qiáng)的情況下，信道容量會大幅降低。
(2)在相關(guān)衰落信道中應(yīng)該合理設(shè)計天線陣間距和排布方式來盡量降低陣元之間信道響應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。
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(jié)合的物理層技術(shù)，主要分為3類。I型HARQ，只是把FEC和ARQ簡單地結(jié)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(shù)據(jù)分組丟棄，要求發(fā)端重傳該數(shù)據(jù)組，沒有充分利用出錯的數(shù)據(jù)分組當(dāng)中的有用信息，導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)傳輸效率不高。II型HARQ，在I型的基礎(chǔ)上，以碼合并產(chǎn)生解碼增益的思想充分利用了每次發(fā)送的數(shù)據(jù)分組當(dāng)中包含的有用信息，但是在II型HARQ當(dāng)中重發(fā)的數(shù)據(jù)分組包含新增的冗余信息(將有用信息合并在一起產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)分組)，而并不包含原始數(shù)據(jù)信息，因此不具備自解碼能力，如果原始數(shù)據(jù)分組被破壞嚴(yán)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(shù)據(jù)包還是重傳數(shù)據(jù)包都包含原始數(shù)據(jù)信息，僅通過對重發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼就能夠恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)信息。靈活采用III型HARQ中單冗余版本，可以更好地提升系統(tǒng)的性能。
5 自適應(yīng)調(diào)制編碼
自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)的基本思路就是根據(jù)信道條件分配傳輸功率和碼率，以提高傳輸速率或系統(tǒng)吞吐量。自適應(yīng)技術(shù)有兩個步驟：
(1)傳輸信道參數(shù)的測量。
(2)在優(yōu)化預(yù)先指定的代價函數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇一種或多種傳輸參數(shù)。
但是有一個假設(shè)前提，信道變化不能很快，否則選擇的信道參數(shù)很難與信道實際情況相匹配。所以自適應(yīng)技術(shù)只適用于多普勒擴(kuò)展不是很大的情況。自適應(yīng)技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中具有很明顯的優(yōu)勢，因為在室內(nèi)環(huán)境中傳播時延很小，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的相對速度也很慢。在這種情況下，自適應(yīng)技術(shù)可以逐幀使用。主要的自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)包括：自適應(yīng)調(diào)整功率級別，調(diào)整星座圖大小，調(diào)整碼速，同時調(diào)整功率級別和星座圖大小，同時調(diào)整星座圖大小和符號速率，同時調(diào)整功率和傳輸速率，同時調(diào)整碼速、符號速率和星座圖大小。
6 信道編碼
信道編碼技術(shù)在無線通信中是必不可少的，通過信道編碼(糾錯碼)實現(xiàn)差錯控制是高速通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一。802.11d/e標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，Woven卷積碼已經(jīng)被中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會寫入新一代無線通信空中接口技術(shù)綱要。
其中RS分組碼、卷積編碼、卷積Turbo碼、分組Turbo碼等在文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)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(jīng)成為了下一代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-S2)的一項關(guān)鍵技術(shù)。如果在WiMAX中應(yīng)用LDPC 碼，由于LDPC碼有很好的抗衰落性，編碼增益很高，接收機(jī)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(qiáng)無線聯(lián)盟(EWC)的草案中，LDPC碼仍然是一個可選(非強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(tǒng)結(jié)構(gòu)可完全包容傳統(tǒng)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(lián)碼的擴(kuò)展，相信Woven卷積碼在未來的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中將會得到廣泛的應(yīng)用。
7 結(jié)束語
WiMAX已作為一種寬帶網(wǎng)絡(luò)解決方案得到了很多運營商的認(rèn)可。在WiMAX領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)誕生了802.16d/e標(biāo)準(zhǔn)，不久的將來 802.16m也將應(yīng)運而生，該標(biāo)準(zhǔn)使用了當(dāng)前無線通信領(lǐng)域中的多項先進(jìn)技術(shù)，其產(chǎn)品將擁有高速數(shù)據(jù)傳輸能力和較大的覆蓋區(qū)域，容易和其他無線通信網(wǎng)絡(luò)融合。
WiMAX標(biāo)準(zhǔn)將對無線寬帶網(wǎng)市場產(chǎn)生巨大的推動力。隨著網(wǎng)上多媒體技術(shù)的日益應(yīng)用發(fā)展，傳輸速率更高的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將會涌現(xiàn)，無線寬帶網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)的投資前景將會非常樂觀。在在無線寬帶網(wǎng)用戶和國際眾多運營商的雙重推動下，未來幾年內(nèi)，高速WiMAX網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將會成為未來網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)主流之一。
8 參考文獻(xiàn)
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