WiMAX与McWiLL技术的分析与比较.doc

McWiLL技术及其应用 1、McWiLL系统概述McWiLL（Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路）是国内自主研发的移动宽带无线接入（BWA）系统，也是SCDMA综合无线接入技术的宽带演进版。1.1系统指标McWiLL为全IP架构，全面支持固定、便携以及全移动模式下的语音、数据和多媒体业务，支持切换和漫游，终端最大移动速度可达120 km/h，主要系统指标如下。多址方式：CS-OFDMA（码扩正交频分多址）； 调制方式：QPSK、8PSK、16QAM和64QAM自适应； 基站系统射频信道带宽：5 MHz； 工作频段：400 MHz、1800 MHz、3300 MHz； 单基站吞吐量：峰值净吞吐率15 Mbit/s（5 MHz）； 单基站语音业务容量：支持300个并发语音信道； 覆盖半径：市区23 km，郊区813 km，链路预算160 dB； 输出功率：最大输出功率2 W； 接收灵敏度：-114 dBm/单信道，-93 dBm/满载。1.2关键技术McWiLL采用了CS-OFDMA、增强型智能天线、软件无线电、自适应调制编码、动态信道分配等关键技术，具有覆盖范围广、数据吞吐量高、并发用户容量大、11同频组网等特点。（1）CS-OFDMACS-OFDMA是SCDMA与OFDMA技术的有机融合。这种融合的多址技术既能克服传统CDMA系统在宽带数据传输时由扩展频谱引起的严重码间干扰，又可以有效对抗频率选择性衰落和相邻小区的干扰，从而实现窄带语音和宽带数据的可靠传送。（2）增强型智能天线在SCDMA系统智能天线技术的基础上，McWiLL采用增强型空间零陷等优化方案，能够自适应地将无线电信号导向期望的方向，使天线主波束对准接收用户，同时将零陷对准其他小区用户，从而降低外泄干扰强度。McWiLL增强型智能天线能选择性地接收移动/用户信号并删除或抑制干扰信号。如果在某方向探测到一个干扰源，系统就会在此方向产生一个零陷，从而使接收信号质量最佳化。McWiLL的增强型零陷技术大大提高了系统抗干扰能力，可以抑制比信号最多强20 dB的干扰。（3）软件无线电在McWiLL系统中，基站、用户终端的射频收发机与基带电路的接口是高速A/D或D/A变换器，全部基带信号的处理是在数字信号处理器中由软件完成的。当基于软件无线电开发新设备时，只需进行软件修改，这样就减少了设计、制造和测试时间，从而使产品更快上市。目前基于软件无线电技术，信威公司已经快速开发出工作在各种频率的McWiLL产品以及多模终端。（4）自适应调制编码McWiLL系统能够根据信道条件的变化，动态选择QPSKQAM64调制方式以及不同码率的RS码、TURBO码和LDPC码，从而使系统吞吐量最大化。1.3端到端网络构架McWiLL系统端到端的网络架构如图1所示。图1McWiLL端到端的网络架构McWiLL系统由终端设备、无线系统以及网元管理系统（EMS）三个部分组成。其中，CPE、M-IAD、PCMCIA卡、宽带手机等终端完成用户端设备与无线网络的连接，基站系统完成用户终端与骨干网络的连接，语音业务汇聚网关与NGN配合提供大容量语音通信功能。EMS完成对无线系统中的所有终端设备、基站系统的设备管理、系统监控、权限管理、带宽分配等操作。2、McWiLL系统的优势McWiLL系统设计充分考虑了我国的国情，在无线覆盖、同频组网、宽窄带业务融合、产品成熟度等方面优势明显。2.1链路预算高McWiLL采用业界领先的智能天线技术，通过空间波束赋形提高链路预算，8阵元智能天线系统下行链路预算可提高18 dB，上行链路预算可提高9 dB。同时，针对智能天线特性进行信令协议设计，这样可使McWiLL系统的链路预算达到160 dB以上，比其他宽带无线系统高约15 dB。较高的链路预算带来明显的优势：一是系统拥有更大的无线覆盖范围，如果覆盖区域相同，那么与其他宽带无线系统相比，McWiLL基站需要的数量更少，建网和维护成本更低；二是McWiLL系统比其他系统提供更高的衰减余量，从而提升NLOS传输性能和室内覆盖效果。例如，河北电信在廊坊安装了7个基站，达到了该城市80%的室内覆盖和几乎100%的室外覆盖。2.2真正11同频组网由于无线频率资源非常宝贵，且BWA所要求的频率资源比语音通信系统多数10倍，因此对BWA系统来说，11同频组网尤为重要。CS-OFDMA、智能天线零陷、动态信道分配等技术相结合，可使McWiLL真正实现11同频组网，只需5 MHz频率资源，即可大规模组网，且大规模同频组网性能稳定。CS-OFDMA的码扩功能有很强的抗邻区同频干扰功效，在物理层和高层协议上进行特殊设计后，可使智能天线的空间零陷技术得到最大程度的发挥，并可消除邻区同频干扰。在以上两种技术无法消除同频干扰的情况下，可采用动态信道分配技术克服同频干扰。McWiLL系统的同频组网性能已经在河北电信、江西电信、山西网通、首都机场等试验网中得到验证。2.3超大语音业务容量及提供宽窄带融合业务McWiLL实现了高效语音和数据业务的融合，空中接口对语音业务采用特殊处理模式，有效避免了VoIP带来的大带宽开销和语音质量（因无线传输环境变化）的不可控制。在5 MHz带宽内，McWiLL系统能够提供15 Mbit/s的数据吞吐量或300路双向并发语音，且实现语音和宽带数据业务同半径覆盖。运营商可在一张McWiLL网络中提供高端移动数据、中低端语音以及企业用户的语音和数据综合接入，还可灵活调整业务承载比例。McWiLL用于农村，既可很好地满足当前农村电话普及的要求，又能随着农村信息化的深入实现村村上网。2.4产品成本低且成熟度高McWiLL产品采用“大基站小终端”的设计思想，与其他宽带无线基站相比，基站成本基本相当，但终端产品成本远低于其他宽带无线终端，接近GSM和大灵通终端成本，并能同时支持语音和宽带数据业务。2004年，McWiLL固定版本商用。重庆移动McWiLL试验网于2004年4月开始试运营，至今一直运行稳定。McWiLL全移动版本于2006年年底推出，CPE、PC卡、M-IAD、无线伴侣、MEM模块等系列化终端已经面市，目前正在进行大规模的商用试验网建设。2.5国家授权频率及SCDMA现有的用户基础在频谱资源方面，作为SCDMA的宽带演进技术，McWiLL继承了SCDMA综合无线接入系统的空中接口射频特性，拥有国家授权的17851805 MHz频率资源。McWiLL采用软件无线电架构，原有的SCDMA窄带系统可以平滑演进到McWiLL，现网约400万的SCDMA用户无需更换终端即可接入McWiLL网络。3、应用案例McWiLL系统自推出以来，已建设了很多商用试验网。例如，贵州McWiLL农村党员干部现代远程教育示范网，首都机场及空军某机场商用试验网等。下面以青岛国际帆船赛试验网为例介绍McWiLL的应用。在2006年8月青岛国际帆船赛上，奥运会帆船委员会（简称奥帆委）采用了信威公司的McWiLL系统实现海上比赛现场的视频监控。青岛奥运帆船赛共有A、B、C、D、E共5个海域赛区，A、B、C、D共4个赛区采用BWA。覆盖海域的两个基站分设在海情大厦和网通大厦，两个站点距离为3 km，采用单扇区同频组网方式。实测显示，基站覆盖距离达17.5 km，基站天线无缝覆盖了A、B、C、D共4个赛区，如图2所示。图2赛区地理位置分别设立三个视频监控点，用于实时观察赛事情况，并实现了在“起点船”上移动上网以及制证中心10台电脑的联网办公。整个赛程，移动视频监控清晰流畅，Internet接入高速稳定。在国际帆船赛比赛中，还从未有过以无线方式实时传送海上比赛视频的先例。此次国内自主宽带接入技术成功服务奥运赛事，成为国际帆船赛的一大亮点，并获得一致好评。WiMAX与McWiLL技术的分析与比较随着互联网和多媒体业务的迅猛发展，人们对带宽的需求越来越大，并且迫切要求终端设备能够实现自由移动。但传统的接入技术难以同时满足宽带和移动两方面的技术要求，为此业界开发了宽带无线接入技术。这种技术以其低廉的成本、高的传输速率和方便、快捷、灵活的接入方式，受到人们的越来越多的关注。在我国，WiMAX和McWiLL是最具代表性和最具发展潜力的两种无线接入技术，可为用户提供高速上网、视频点播、VoIP、在线游戏以及移动办公等多种业务，满足人们随时随地的业务需求，因此有着广阔的应用前景。1、WiMAX技术WiMAX全称为全球微波接入互操作性，是基于IEEE 802.16标准的一项无线城域网技术，可提供最后一公里的固定和移动宽带无线接入。目前已经发布的802.16系列标准有802.16、 802.16a、802.16c、802.16d和802.16e，其中802.16d标准（发布名称为IEEE 802.16-2004）是802.16、802.16a和802.16c的整合和修订版本，主要对工作于266GHz频段的固定无线接入系统空中接口的物理层（PHY）和媒质接入层（MAC） 进行规范1，是目前最成熟和最具实用性的一个标准；而802.16e标准（发布名称为IEEE 802.16-2005）则是为了支持移动性而制定的标准，它增加了对小于6GHz许可频段移动无线接入的支持，支持用户站以120km/h的车辆速度移动2，支持基站或扇区间的高层切换功能。除以上版本外，正在发展和计划发展的802.16系列标准还包括802.16f、802.16g、802.16h、802.16i、802.16k、802.16m等版本，基于这些标准的WiMAX技术也将逐步被完善。WiMAX技术支持ATM和IP两种数据接口，主要应用于高速传输的数据业务，但它同时也支持语音、视频等多媒体业务的传输。802.16d系统在采用OFDM调制方式和20MHz信道带宽下，最大传输速率可达75Mbit/s，最大的覆盖范围可达50km，典型的覆盖半径为515km，因此已成为解决接入网“最后一公里”瓶颈的有效手段。而802.16e系统在5MHz的信道带宽下，也可以实现15Mbit/s的数据传输速率，它的典型覆盖范围为几公里。2、McWiLL技术多载波无线信息本地环（McWiLL，Multi_Carrier Wireless Information Local Loop），是我国自主开发的宽带无线接入技术。McWiLL技术源于同步码分多址（SCDMA）技术，是在SCDMA技术基础上的演进和革新。早期 R1R3版本的SCDMA系统属于窄带SCDMA技术体系，主要侧重于语音通信，同时兼顾低速率的数据业务，而后从2003年开始，McWiLL技术开始研发，目前开发的McWiLL系统主要包括R4和R5两个版本，其中R4版本主要应用于固定无线接入系统，针对的是高速传输的宽带数据业务，并且已经获得了试验频段分配。而R5版本的McWiLL则定位于高速移动无线接入系统，支持120km/h的终端移动速度和漫游、切换等功能，同时支持高速数据业务和高效语音业务，并且针对我国现有的电信业务模式，专门定义了用于语音承载的物理信道和资源控制单元，目前此版本已经进入到系统测试阶段。McWiLL系统是完全基于IP分组交换的宽带无线系统，采用宏蜂窝网络结构3，覆盖半径可达1050km，典型市内覆盖半径13km，可以实现真正意义上的非视距传输。传输速率上，5MHz的信道带宽下，R4系统的最大净荷吞吐量可达8Mbit/s，终端最大峰值数据速率3Mbit/s，而R5系统的基站净荷吞吐量可达15Mbit/s，终端最大峰值数据速率为5Mbit/s。3、WiMAX和McWiLL技术的分析与比较WiMAX和McWiLL既有很多相似点，又存在差异，表1给出了它们的主要技术特征。本文主要对两种接入技术的物理层和媒质访问层进行详细的分析与比较。表1McWiLL与WiMAX技术特征3.1物理层技术比较（1）使用频率和调制技术方面。WiMAX使用1066GHz的许可频段和小于11 GHz的许可与免许可频段，支持小于6GHz许可频段的移动接入。对于1066GHz的许可频段，标准定义了WirelessMAN-SC物理层，采用单载波调制方式，应用于视距传输，可选信道带宽为20MHz、25MHz或28MHz。而对于小于11 GHz的工作频段，标准定义了WirelessMAN-SCa、WirelessMAN-OFDM、WirelessMAN-OFDMA三种物理层规范，主要用于非视距传输，其中：SCa物理层采用增强的单载波调制方式；OFDM物理层采用256个子载波的OFDM调制；OFDMA物理层则采用2048个子载波的OFDM调制方式。由于OFDMA具有比OFDM更加灵活的资源分配方式，因此通常认为OFDM物理层应用于固定无线接入系统，而OFDMA物理层则主要应用于移动无线接入系统。并且为了支持移动性，802.16e标准还对OFDMA物理层进行了扩展，支持128、256、512、1024、 2048个子载波的OFDM调制，以适应各地区从1.2520MHz的不同信道带宽。 McWiLL目前只使用有许可证的400MHz、1.8GHz、3.3GHz频段，支持120MHz的信道带宽，在用户稀疏的农村地区用 400MHz的McWiLL系统建设低密度大面积覆盖的“薄网”，而在用户稠密的城市地区用1800MHz或3300MHz的McWiLL系统建设高容量的“稠网”，用户可以使用多频终端在城市与农村之间无缝切换，从而最大限度提高网络利用率，降低网络建设成本。R4版本McWiLL系统的物理层采用多载波同步码分多址（MC-SCDMA）技术，它克服了传统CDMA系统面对无线宽带数据传输时因扩展频谱而引起的码间干扰问题，是并行传输FDM技术 和 CDMA技术的有效融合；而R5版本的McWiLL系统则采用先进的码扩正交频分多址（CS-OFDMA）技术，它先对调制符号进行码扩处理，即将每个符号做8倍的扩频，然后再做OFDMA调制，由于每个符号在频域上实现了扩频，因此可以有效对抗时域的瞬时干扰或时间选择性衰落，并且由于码扩处理将每个符号的能量分到了整个信道的频带内，因此在接收端还可以实现频率分集接收。（2）双工方式方面。WiMAX在许可频段采用TDD、FDD或者HFDD的双工方式，在免许可频段则只允许使用TDD模式，且必须支持动态频率选择（DFS）技术。采用TDD双工模式时，系统上下行子帧的划分是动态调整的，可由特定的系统参数来控制，支持220ms的帧长设计。而对于 McWiLL系统，则只设计采用TDD双工模式，帧长固定为10ms，且包含8个时隙，上下行时隙个数的比例可调，支持1:7、2:6、3:5、4:4、 5:3、6:2、7:1模式的上下行比例。（3）多址接入技术方面。WiMAX采用TDMA和OFDMA的多址接入方式，而McWiLL则采用CS-OFDMA方式进行接入。CS- OFDMA技术利用了SCDMA和OFDMA各自的优点，有机地将OFDMA、TDMA和SCDMA技术融合在一起，因此更加灵活。（4）调制与编码方面。WiMAX支持BPSK、QPSK、16QAM、64QAM的调制方式，而McWiLL则支持QPSK、8PSK、 16QAM、64QAM的调制方式，两者都支持卷积码、Turbo码、LDPC等信道编码方式，以及都支持自适应调制与编码（AMC）和混合自动重传请求（HARQ）等链路自适应技术。（5）空间处理技术方面。WiMAX和McWiLL的物理层也都支持自适应天线系统（AAS）、多入多出（MIMO）等多天线技术，但 WiMAX采用动态频率选择技术（DFS）来减小频率间干扰，而McWiLL则采用空间零陷和动态信道分配等来增强智能天线的抗干扰能力，并且这些处理算法可以完全通过软件无线电来实现。3.2MAC技术比较（1）业务的QoS方面。WiMAX系统MAC的最大特点是面向连接，所有SS的数据传输以及与此相关联的QoS要求，都是基于连接来实现的。高层到达的数据包依据一定规则将被映射到某一连接上，并由一个16bit的连接标识符（CID）唯一标识，针对此连接，系统可以设置不同的QoS参数，包括速率、时延、时延抖动等指标。为了更好地控制上行带宽的分配，WiMAX系统定义了4种不同的调度模式，分别为主动带宽授予（UGS），周期性地分配固定长度的带宽以支持恒比特率传输，如E1/T1，VoIP等业务；实时轮询业务（rtPS），周期性地分配可变长度的上行带宽，如MPEG视频业务等；非实时轮询业务（nrtPS），不定期地分配可变长度的上行带宽，如数据下载等；尽力而为业务（BE），尽可能地利用空中资源来传送数据，如网页浏览等。此外，为了提高带宽使用效率，802.16e增加定义了扩展的实时轮询业务（ErtPS）类型，BS将像UGS一样主动为其提供单播授权，分配可变长度的上行带宽，如带有静默压缩的VoIP业务等。McWiLL系统同样也具备较完整的QoS机制，定义了实时、高级、尽力的3种业务调度类型，可以提供基于业务的等级服务。根据包头的指示字段，McWiLL将所有业务划分为8个不同的优先级，基站根据优先级来决定数据的发送顺序。为了实现不同业务的不同QoS， McWiLL系统还提供了64种服务脚本，这些脚本规定了最小、最大用户上下行速率、最大和平均队列大小、拥 塞控制等参数。（2）对语音业务的支持方面。与WiMAX相比，McWiLL系统MAC层的最大特点是实现了语音与数据业务的融合设计，在承载宽带数据业务的同时，充分考虑了对窄带语音的支持。WiMAX系统中，语音业务是以VoIP方式传输的，协议栈采用包头加语音净荷