WiMax系统及其设备研发.doc

袅膂莅螈羇莈芁螈肀膁蕿螇蝿莆薅螆羂腿蒁螅肄蒄莇螄膆芇蚆螃袆肀薂螂羈芅蒈袂肁肈莄袁螀芄芀袀袃肇蚈衿肅节薄袈膇膅蒀袇袇莀莆袆罿膃蚅袆肁荿薁羅膄膁蒇羄袃莇莃薀羆膀艿薀膈蒅蚈蕿袈芈薄薈羀蒃蒀薇肂芆莅薆膅聿蚄蚅袄芅薀蚄羇肇蒆蚄聿芃蒂蚃袈肆莈蚂羁莁蚇蚁肃膄薃蚀膅荿葿虿袅膂莅螈羇莈芁螈肀膁蕿螇蝿莆薅螆羂腿蒁螅肄蒄莇螄膆芇蚆螃袆肀薂螂羈芅蒈袂肁肈莄袁螀芄芀袀袃肇蚈衿肅节薄袈膇膅蒀袇袇莀莆袆罿膃蚅袆肁荿薁羅膄膁蒇羄袃莇莃薀羆膀艿薀膈蒅蚈蕿袈芈薄薈羀蒃蒀薇肂芆莅薆膅聿蚄蚅袄芅薀蚄羇肇蒆蚄聿芃蒂蚃袈肆莈蚂羁莁蚇蚁肃膄薃蚀膅荿葿虿袅膂莅螈羇莈芁螈肀膁蕿螇蝿莆薅螆羂腿蒁螅肄蒄莇螄膆芇蚆螃袆肀薂螂羈芅蒈袂肁肈莄袁螀芄芀袀袃肇蚈衿肅节薄袈膇膅蒀袇袇莀莆袆罿膃蚅袆肁荿薁羅膄膁蒇羄袃莇莃薀羆膀艿薀膈蒅蚈蕿袈芈薄薈羀蒃蒀薇肂芆莅薆膅聿蚄蚅袄芅薀蚄羇肇蒆蚄聿芃蒂蚃袈肆莈蚂羁莁蚇蚁肃膄薃蚀膅荿葿虿袅膂莅螈羇莈芁螈肀膁蕿螇蝿莆薅螆羂腿蒁螅肄蒄莇螄膆芇蚆螃袆肀薂螂羈芅蒈 WiMax 系統及其設備研發摘要：文章根據WiMAX系統的市場定位及設備需求，較詳細地探討了WiMAX系統及設備研發需要考慮的主要方面，包括需求和產品定義、技術整合、產品架構，以及目前產業鏈發展現狀及技術走向，並從中得出了一些有價值的結論。 文章認為WiMAX產品研發需要在借鑒WiFi模式的同時更多地完成技術整合，WiMAX必須繼續堅持其開放性、低成本及新技術的發展方向，致力於寬頻無線接入(BWA)及移動寬頻無線接入(MBWA)相互相容、相互補充的發展之路。 關鍵字：全球微波接入互操作性；寬頻無線接入；移動寬頻無線接入；研發 Abstract:This paper describes several main aspects of WiMAX system development. Based on the requirements of Broadband Wireless Access (BWA) markets, it discusses the product definition, technologies integration, architecture design, and the current status of WiMAX industry and technical tendency. Some results can be helpful for developing WiMAX systems. The paper also concludes that the WiMAX system development should pay more attention to the technology integration and pursue product development in the direction of maintaining openness, low cost and technology innovation. Both BWA and mobile BWA application should be considered at the design stage. Key words:WiMAX; BWA; MBWA；research and development WiMAX是一項廣域寬頻無線接入(BWA)技術，基於IEEE 802.16系列標準，與IEEE 802.15、IEEE 802.11系列技術形成面向不同傳輸環境的無線資料接入技術體系。WiMAX的特點在於能夠提供大範圍及高速率的無線接入(50 km範圍的覆蓋和75 Mb/s的資料速率)，同時支援非視距傳輸，因此，WiMAX定位於BWA是非常清晰的。沿襲IEEE 802.11以晶片為核心的設備開發模式，以低廉的單位帶寬成本進入市場，WiMAX應該很容易找到自身的發展之路。當然，WiMAX在計算其成本優勢時需要綜合考慮單位帶寬及單位覆蓋成本兩個因素。IEEE 802.16e則把WiMAX帶入移動寬頻無線接入(MBWA)領域。WiMAX在給整個移動通信領域帶來驚人變革的同時，不可避免地面對激烈競爭。對於移動通信系統來說，滿足用戶移動中通信的要求，首要的是具備對特定區域(如一個城市)的完整覆蓋，這是不同BWA系統成功應用的關鍵因素之一。WiMAX將可能與其他主流移動寬頻系統同時存在競爭與合作的關係，共同提供完整覆蓋，而終端採用多模式體制，通過在多種網路間的業務平滑切換，實現無縫的寬頻移動接入。需要特別注意的是，基於IEEE 802.16e的WiMAX將保持對BWA的後向相容性，能夠提供用戶在低速運動中高速率接入網路的能力，而相應系統成本的額外增加非常有限。這樣一來，移動WiMAX更接近於對BWA的移動延伸，而不是與BWA的割裂，使得WiMAX將仍然能夠保持其原有的發展模式和清晰的定位。定位於BWA的WiMAX系統將首先應用于廣大的沒有數位用戶線(DSL)及缺乏有線資料網路的地區1，面向寬頻接入、遠端教學及醫療、企業/社區互聯等應用。WiMAX能否進入城市市場，則取決於是否存在缺少有線網路的網路運營商及是否存在大量企業網路互聯的需要。一旦終端的成本降低到一定水準，並且可以與其他終端設備集成在一起使用，則大眾消費市場將逐步成為WiMAX應用增長的推動力，尤其在基於IEEE 802.16e標準的產品轉化為低成本產品之後。用於BWA市場的WiMAX產品將沿襲BWA的產品框架，即中心接入設備(CAP)與用戶設備(CPE)，以及支援格狀網(Mesh)組網的產品。支援移動的WiMAX應首先著眼於汽車等具有高附加值的流動設施，提供包括交通/地理輔助資訊、媒體資訊、娛樂內容、遠端企業/家庭線上等個性化服務2。MBWA WiMAX系統的產品框架將包括支援IEEE 802.16e的基站、車載用戶站、固定用戶站，以及手持終端。與WiFi應用相結合，WiMAX可以作為WiFi接入點之間的骨幹連接，採用Mesh組網技術編織起一張全無線寬頻接入網路，可以吸納採用WiFi技術的運營商及企業用戶加入到WiMAX陣營，並且可以克服WiMAX終端可能存在的成本問題3, 4。考慮到WiMAX網路的投資和建設需要足夠的資源，目前，仍然需要電信運營商或政府部門作為首要的網路建設和運營者。因此，用於大範圍城域覆蓋的WiMAX系統將需要運營支撐系統與之配合使用5。根據國際電信聯盟(ITU)及中國的無線電頻率劃分狀況，今後可以用於IEEE 802.16使用的頻段將分佈在3.33.7 GHz、5.15.3 GHz、5.75.8 GHz等頻段。1 WiMAX的系統開發WiMAX系統開發必須基於IEEE 802.16d/e標準，根據IEEE對WiMAX系統的定義，整合各種相關技術，才能設計出在性能及成本上具有綜合優勢的產品及解決方案。WiMAX系統開發可分為開發規劃與開發實施兩個主要階段。開發規劃階段將完成對開發產品的定義、WiMAX及其他多種技術的選擇和整合、核心晶片及開發平臺的選擇等工作。這一階段對於系統開發至關重要。產品開發實施階段將完成所規劃產品的硬體、天饋、軟體以及支援和測試系統的設計和開發工作。由於WiMAX系統設計從物理層、媒體訪問控制(MAC)層再到網路協定層所使用和支援的技術的選擇空間較WiFi系統有了很大的擴充，因此在對除核心技術和機制之外的其他技術和機制的處理上，需要設備製造商針對自身產品的定位作認真的考慮。例如，很多被列為可選的非強制實施技術將有助於產品功能的差異化，而WiMAX標準對多種通道分配及服務品質(QoS)實施能力的支援也將有助於設備製造商定義出某些具有市場針對性的產品。由於IEEE 802.16e相容IEEE 802.16d標準，兩者在設備的系統設計上將具有很強的相似性，因此，在系統設計當中可通盤考慮兩者的產品相關性，從晶片、開發平臺及產品的硬體、軟體設計中堅持前期產品對後期產品的開發保持一致性是非常重要的，這將極大地降低開發週期和成本，使產品開發具有良好的延續性。1.1 多技術整合表1給出了IEEE 802.16中採用的主要技術。WiMAX系統開發中涉及標準強制實施的技術、非強制實施的技術，以及標準未規定使用的技術。系統開發在保持對強制實施技術支援基礎上，需要考慮對非強制實施技術以及未規定技術的合理選擇和使用。針對BWA應用，產品定位在高速率、大範圍廣域互聯方面，因此，以下幾點需要重點予以考慮：(1)如何保證大範圍覆蓋？(2)如何提高頻譜效率，以及系統吞吐率，包括多用戶下的系統吞吐率？(3)如何保證特定業務或用戶的QoS？(4)如何簡化網路的佈設，降低組網成本？針對MBWA應用，產品定位將在BWA的基礎上，增加對用戶移動性的支援，以下幾點需要重點加以考慮：(1)如何有效解決時變通道的衰落？(2)如何保持高的頻譜效率，兼顧考慮移動和非移動用戶的通道使用？(3)如何保證覆蓋的無縫？(4)如何保證各種業務在切換過程的連續性(假設他們對連續性的要求是有差異的)？(5)如何進一步有效地支援用戶的節點模式？(6)如何提供用戶在WiMAX與其他寬頻無線網路間的切換和漫遊？上述問題都是在技術整合的過程中需要回答的問題。例如針對BWA的問題，可以給出下列技術選擇：(1)通過使用磁區、波束成型智慧天線陣列，或是採用多輸入多輸出(MIMO)及簡單空時編碼，來綜合解決覆蓋範圍以及容量等問題。(2)在覆蓋技術已提供高信噪比(SNR)的情況下，提供更高階調製方式(例如256QAM等)，或者採用MIMO平行傳輸，或者通道分配採用有通道品質加權的演算法，提高頻譜效率。(3)在通道分配演算法、MAC層/協定層佇列調度機制，以及網路接入控制與負載平衡上採用部分或聯合控制策略，綜合保證具有用戶及業務針對性的QoS機制的實施。(4)考慮支援Mesh組網能力，並且使系統設備與網路管理實體具有自動發現、自動配置等功能，大大增加網路佈設和覆蓋的靈活性，同時降低網路管理的複雜性。技術的選擇和整合需要綜合考慮，範圍涉及系統產品的定義、系統實現複雜度及成本的計算、晶片及開發平臺的選擇、開發及合作資源的規劃等諸多問題。不同于無線局域網的系統開發，WiMAX包括更多的需要解決的問題以及更多的可以選擇的技術手段，技術選擇的空間正是設備製造商在技術及產品功能開發上發揮自身優勢的一個廣闊舞臺。1.2 基站設備一般基站(中心站)可以劃分為一體化小容量基站與容量可伸縮的大容量基站兩種，根據不同的產品定義，還可以衍生出具有不同網路或其他功能的產品。基站系統開發的規劃流程如圖1所示。一體化小容量基站一般指用於提供單社區/磁區覆蓋的系統設備，不具有容量擴展能力，但方便設備的佈設和使用(與其他BWA系統設備的使用非常相似)。一體化小容量基站通用結構如圖2所示。大容量基站通過使各個覆蓋子系統高效共用網路處理、支援系統資源而降低單位通道的成本，由於具有易於擴展和伸縮的特性，非常方便容量升級、硬體升級等後續工作的開展。大容量基站通用結構如圖3所示。8, 9一體化基站一般由射頻收發模組、物理層基帶處理、MAC層協定處理、網路處理器以及其他介面、存儲及支援系統組成。考慮到晶片集成能力的不斷提高，物理層及MAC層處理，甚至網路處理器將可以實現單晶片解決方案。射頻收發模組的選擇主要是看其對多天線收發的支援，以及在高階調製、正交頻分複用(OFDM)多載波使用中的動態範圍與穩定性。MAC層的協定處理分為硬體及軟體處理兩部分，硬體部分負責高效的執行發送及接收佇列、底層通道分配、報文封裝/解封裝、硬體加密等任務，軟體部分則負責MAC層佇列及流量控制、通道分配及QoS演算法、對硬體MAC的控制、安全及其他機制的處理等各種任務。MAC層軟體部分將與其他協定層任務運行在網路處理器上。應根據系統開發的需要及晶片的選擇決定網路處理器所採用的即時操作系統。另一種選擇是，如果基帶處理晶片上集成了高速嵌入式處理器，則MAC層軟體可以選擇運行在該高速嵌入式處理器上，而非即時任務及網路任務則運行在網路處理器上，嵌入式處理器及網路處理器可以採用不同的作業系統。大容量基站一般採用模組化設計，射頻模組、基帶及MAC層處理、網路及其他任務處理可以板卡的形式作為系統元件，各系統元件通過PCI匯流排通信。MAC層處理採用基帶及MAC層處理卡上獨立的處理器或嵌入式處理器來完成。在基帶晶片的選擇上，需要關注其是否支援MIMO技術、調製方式、雙工方式，支援的物理通道帶寬、OFDM的處理性能，對加密方式的支援等專案。如Wavesat公司推出的支援IEEE 802.16d的物理層晶片DM256，其功能如表2所示。需要在對晶片充分瞭解的基礎上，才能選用。1.3 WiMAX的用戶終端WiMAX終端主要包括CPE及用戶站(STA)類型，CPE類型主要用於提供IP網路介面的點對點、點對多點應用；STA類型則主要面向單用戶接入，可以用於BWA及MBWA WiMAX系統的普通終端用戶接入，提供的介面包括IP網路介面、PCMCIA等不同的選擇，面向不同的終端產品。與基站設備比較，終端設備將更加受限於安裝、尺寸、電源、功率等諸多問題，尤其是MBWA的應用更是如此。與WiFi的應用類似，即使對於BWA的應用，STA類型的終端預計仍有很大需求(主要用於用戶通過筆記本電腦之類的終端直接接入BWA網路)。這就對片上系統(SoC)晶片及射頻(RF)部分的設計提出了更加苛刻的要求，低功率SoC方案，以及多天線、多載波情況下的RF設計是解決問題的關鍵。通用的用戶終端結構如圖4所示。(圖片較大，請拉動捲軸觀看)與基站設備相比，終端設備對成本及市場投放價格也更加敏感，目前的WiMAX終端成本包括天線及網路介面在內，大致在150120美元之間。預計在2005年下半年，終端成本將下降到100美元以下；2006年下半年，將下降到約50美元。除了晶片設計及工藝因素外，終端成本主要取決於WiMAX市場規模的發展狀況。1.4 WiMAX運營支撐系統支援固定/移動接入的WiMAX網路如圖5所示。對於運營商大規模佈設的WiMAX系統，需要與運營有關的支撐系統來管理設備、用戶與業務資源。這一支撐系統包括認證與計費系統、網路管理系統以及IP增值業務系統。對於寬頻網路運營商而言，很容易將WiMAX網路與寬頻網路統一進行管理。不過，當MBWA WiMAX系統提供移動業務時，需要增加與用戶位置及移動性管理有關的網路實體。考慮到IEEE 802.16e的切換及漫遊標準尚未標準化，這裏不便就其工作方式進行討論，不過，該位置登記實體預計將與3G系統的類似實體非常相似。2 WiMAX產業鏈發展的現狀WiMAX在WiMAX組織的推動下，已經形成了包括晶片製造商、接入及終端系統設備商、網路系統設備商、運營商等在內的完整產業鏈，主要基帶晶片開發商、RF晶片製造商、設備製造商見表3。由於WiMAX依賴于核心晶片作為上游產品，因此，與初具規模的產業鏈相比，晶片開發與製造短期內將是WiMAX發展的“瓶頸”。2.1 晶片開發目前，主要有4家晶片設計廠商從事WiMAX基帶處理晶片的開發，分別是Intel、Fujitsu微電子、Wavesat和Sequans公司。Intel在2004年9月發佈了支持IEEE 802.16d的CPE SoC晶片，名為Rosedale。該晶片已經交由少數設備廠商進行CPE產品開發。Intel預計將在2006年提供內置於筆記本電腦的WiMAX晶片，並在2007年提供用於掌上設備的WiMAX晶片。位於加拿大蒙特利爾的半導體設計公司Wavesat在2004年9月也發佈了其WiMAX晶片，名為DM256，並將基於DM256晶片的完整設計交由其合作夥伴美國的Atmel公司完成後續開發。Fujitsu微電子計畫於2005年第二季度發佈基於IEEE 802.16d晶片。其WiMAX晶片的開發要早於Intel。一家位於法國巴黎的公司Sequans也正在進行SoC晶片及相應軟體解決方案的開發。2.2 系統產品開發加拿大Redline Communications公司早在2003年10月就發佈了第一個符合IEEE 802.16a標準的產品設備AN-100。該系統工作在3.5 GHz頻段，已經在歐洲、中東和亞洲獲得了固定接入許可，可以提供70 Mb/s的吞吐量，視距範圍達到45 km。該產品可工作於點對點，點對多點的不同方式。AN-100 產品功能如下10： 3.43.8 GHz頻段，應用於非視距傳輸。 通道帶寬：3.5/7/14 MHz。 頻譜效率：5 b/s/Hz，最大速率70 Mb/s (14 MHz)。 雙工方式：動態TDD，HD-FDD。 通道編碼效率：1/2，2/3，3/4。 覆蓋距離：視距45 km，非視距3 km。 接收靈敏度：-88 dBm。 動態調製方式：QPSK、16/64QAM。 加密方式：DES(用於業務處理)、3DES(用於密鑰交互)。 支援協定：MAC、IEEE 802.16a。 2004年6月，Alvarion公司推出了支援IEEE 802.16a的BreezeMAX3500平臺，該產品系列工作在3.5 GHz頻段，已經通過歐洲及亞太運營商的測試。3 WiMAX系統的發展方向3.1 IEEE 802.16e造就移動WiMAXIEEE 802.16e將有助於將WiMAX帶入個人消費的廣闊市場。IEEE 802.16e特別強調對IEEE 802.16d的後向相容。IEEE 802.16e的特點主要有： 物理層能夠進行時變通道下的信號解調。 支援用戶站在基站間完成硬切換。 用戶站可以工作在休眠(節電)模式。 相容IEEE 802.16d，在空中介面幀結構上同時提供對固定及移動終端的傳輸支援。 由於相容性的存在，使得系統設備在設計開發上預計可以有很好的繼承性，但對低成本單晶片終端解決方案的需求將會很大。諸如定位及位置資訊等功能將會考慮進基站和終端的設計中。3.2 WiMAX+WiFi+WPAN的結合WiMAX作為WiFi網路的主幹，可充分利用其支持網格組網的特點，這樣同時也解決了WiFi發展的“瓶頸”組網問題。另外，從網路覆蓋互補的角度來看，在廣域覆蓋環境中，WiMAX可以作為首選；在局域覆蓋中，WiFi(如IEEE 802.11n)可以作為首選；配合藍牙等無線個人網(WPAN)技術成本低廉的優勢，有望形成WiMAX+WiFi+WPAN結合的局面。在產品形式上，雙模的WiFi接入點(DMAP)設備是一個候選。DMAP包括WiFi-AP及WiMAX-SS模組，WiFi用於用戶接入，WiMAX用於與主幹網互聯。進一步，WiMAX模組也可以是基站(BS)模組，利用格狀網(Mesh)技術實現與主幹網互聯，並支援WiMAX用戶的接入。另一種候選的產品是多模終端，可以工作在WiMAX及WiFi模式下，動態選擇接入WiMAX或WiFi網路。考慮到WiFi技術將嵌入到3G等其他廣域無線資料終端上，WiMAX+WiFi雙模終端的出現將是很自然的結果。3.3 MIMO及智慧天線的運用MIMO技術非常適合城市範圍內多徑環境下的無線信號處理，包括提供空間分集以及多路通道平行傳輸，是提高WiMAX系統覆蓋範圍及吞吐量的合適技術。智慧天線則有利於提高基站與運動物體的方向性空間增益以及對干擾信號的方向性抑制。不過，在城市多徑彌散的環境中，MIMO可能將會更受設備開發商的歡迎。基站一側增加天線陣列應該沒有問題。隨著天線陣列處理技術的發展，目前，終端一側增加23個陣元的天線陣列已經可以容易地實現。基於IEEE 802.11n的系統將在接入設備及用戶站上採用多天線MIMO技術。4 結束語WiMAX技術通過將BWA標準化，正在使寬頻無線領域發生顯著的變革，使人們不再因為WiFi的有限覆蓋而頭痛，也不會止步於3G的低速率資料傳輸。尤其是當WiMAX的MBWA標準IEEE 802.16e出現的時候，會讓更多的消費者邁入無線資訊時代。本文根據這一變革中市場對系統及設備的需求，探討了WiMAX產品開發所涉及的各個主要方面，從中可以看出，基站設備的開發需要通過精心選擇合適的技術方向來獲得競爭優勢，而IEEE 802.16標準的雙向相容性將使設備的持續開發獲益；終端的普及將帶動WiMAX的規模化發展，而終端的形式及成本將決定這一發展的速度；與WiFi等互補的無線資料網路的融合將互惠互利，但可以預見到，技術的競爭會一直持續，因此，WiMAX必須堅持向開放性、低成本與新技術的方向前進。5 參考文獻1 BWCS Ltd. WiFi,WiMAX and 802.20, The Disruptive Potential of Wireless Broadband Z, 2004.2 Pyramid Research. Wi-Fi and WiMAX: Unwiring the World, Sizing the Opportunity, Analyzing the Players, Demystifying the Hype Z, 2003.3 Intel. Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions Z, 2004.4 Intel. Understanding WiMAX and 3G for Portable/Mobile Broadband and Wireless Z, 2004.5 IEEE 802.16 Medium Access Control and Service ProvisioningJ. Intel Technology Journal, 2004, 8(3). 6 IEEE P802.16-REVd-2004 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems S.7 IEEE 802.16a IEEE Standard