WIMAX16E技术建议书

1、wimax 802.16技术建议书北京中盛安泰科技有限公司2010.10说 明关于无线宽带业务：公司采用4g通信技术，主要开展以无线宽带专网应用项目为主，面向政府和行业用户，行业用户主要有公共安全行业、石油、化工、电力、矿产、农垦等行业。目 录1、wimax-16e系统概述42、wimax-16e系统方案621、设计原则622、产品选型624、标准的移动wimax解决方案73、移动wimax系统关键技术1331、ofdm技术1332、正交频分多址（ofdma）1433、tdd双工模式1534、mimo技术1535、波束赋予形和智能多天线技术1636、软件无线电2137、自适应调制和编码（amc

2、）技术2238、harq技术2339、qos机制23310、睡眠模式231、wimax-16e系统概述wimax技术已经在世界上的一百多个国家得到大规模的部署，在无线宽带接入领域处于绝对的技术和市场领先地位。早期的部署以wimax-16d为主，而现在的部署则以wimax-16e为主。wimax-16d支持固定和游牧两种方式，部署的场景以室外为主，而wimax-16e支持固定、游牧、便携和移动等多种方式，部署的场景以室内为主，也支持室外部署。所以我们认为wimax-16e是电信运营商进行无线宽带接入业务拓展的最佳技术选择。对无线宽带接入技术来讲，最大的挑战是带宽的问题，ofdm / ofdma技

3、术的出现，使无线宽带技术的发展进入了跨越式发展的阶段，ofdm使64qam第一次成为可商用的无线调制技术，无线频谱的净的利用效率可以达到3.0bit/hz。除此以外，多入多出（mimo）技术、空分多址（sdma）技术以及波束赋形（beamforming）技术的出现，不仅可以再次提高无线的带宽，还可以大大地改善无线链路的覆盖能力和链路的稳固性，从而达到运营级的标准、极大地节省了客户的投资。融合了上述所有技术的标准就是ieee 802.16e以及后续的ieee 802.16m，也就是我们通常说的移动wimax。移动wimax是第三代移动通信的全球标准之一，其实相对于其它的3g技术，移动wimax具

4、有显著的技术优势，所以在美国、日本、欧洲等发达国家，人们更习惯于称之为4g技术。移动wimax的802.16m标准就是4g的主要备选标准之一。移动wimax支持语音、数据、视频等多种业务的综合接入，支持固定、游牧、便携以及移动等各种应用场景。移动wimax支持2.3、2.5ghz、3.3ghz、3.5ghz、3.65ghz等多种频段。移动wimax支持5mhz、7mhz、10mhz等多种信道。移动wimax支持下行最大18mbps、上行最大56mbps（单个cpe）的吞吐量。在mimo b的情况下，系统的容量还可以提高一倍。移动wimax支持固定室外型cpe、室内modem、室内网关设备、us

5、b卡以及pda等各种终端。对于电信运营商来讲，不仅要考虑采用最先进的网络技术，还要考虑采用开放的、标准化的网络技术，二者同等重要。最先进的技术可以保护用户的投资，开放的、支持标准化的技术可以保证产业链的强力支持、保证客户有广泛的产品支持，当然还可以保证运营商网络的持续升级和演进。移动wimax产品经过两年的部署，产品和技术也出现了巨大的变化。早期的移动wimax产品仅仅支持2x2 mimo技术，覆盖能力不够强大，目前的移动wimax产品支持4x4 mimo，有的先进的产品还支持 6x6 mimo，除此以外有的产品还支持beamforming技术以及sdma，这些先进的技术的应用不仅使覆盖半径得

6、到成本的增加，系统的带宽也得到成倍的增加。早期的产品称为移动wimax产品，现在支持4x4 或6x6 mimo、beamforming以及sdma等先进的移动wimax称为增强性移动wimax产品。2、wimax-16e系统方案21、设计原则移动wimax网络应遵循以下原则：（1） 支持移动wimax系列标准（ieee 802.16e及系列标准），保证产品的持续开发，保证产品的平滑演进和持续升级到支持ieee 802.16m，提供足够的扩容扩充能力，满足客户不断地扩展新的业务的要求，并且保护客户的长期投资；（2） 产品必须达到运营级的标准，技术先进、部署简单、运行稳定可靠，可以保证系统长期稳定

7、地提供电信业务。22、产品选型（1） 移动wimax基站本公司自研的产品。该产品是按照ieee 802.16e标准研究开发的运营级的全室外宏基站产品；（2） 移动wimax用户端产品选用自研的cpe系列产品，包括室外型cpe、室内modem、usb卡以及支持wifi功能的modem设备等，目前usb卡已经完成；（3） 选用自研的网络管理系统及机架服务器；（4） 天馈系统根据组网需要，以本公司4x4为主，也可选用美国times microwave公司的6x6系列产品；（5） 选用运营级的aaa系统；（6） 选用室外型机柜及电源系统；（7） 室外网线和室外电源线选用中国品牌；（8） 安装材料及抱杆

8、等需要定制；24、标准的移动wimax解决方案对于大规模的网络部署，我们建议采用标准的移动wimax网络架构。标准的移动wimax的网络架构包括：移动或固定用户（ms）、基站（bts）、接入网关（asn gw）、归属代理（home agent）、aaa服务器以及核心业务网络等部分。移动wimax的主要标准接口包括：r1接口（ms和bs之间的空中接口）、r6接口（bs和agw之间的标准接口）、r3接口（agw和核心网的home agent、aaa等之间的接口）。24移动wimax标准网络架构25、频率规划本项目拥有15mhz的3.3ghz资源，可以划为3个5mhz的信道，作为网络覆盖使用。采用1

9、x 33频率复用方式，该频率复用方式是指总共使用3个频点，以一个基站分三个扇区，每个扇区各使用一个不同的频点（a、b、c），并以一个基站三个扇区为复用簇实现全网无缝连续覆盖组网。此种规划方法的优点在于：u 可以充分利用分散的频率资源u 无需复杂的子载波置换方式调度算法，实现较简单，系统开销小u 系统干扰小，同一基站相邻扇区间无同频干扰，同频小区子信道冲突小、干扰小u 覆盖范围广，初始建网成本低，建网风险低u 建网快，干扰易控制，网络规划与优化简单原则上，我们不建议采用1x 13频率复用方式，该频率复用方式是指总共使用1个频点，以一个基站分三个扇区，每个扇区各使用同一个频点（a），并以一个基站三

10、个扇区为复用簇实现全网无缝连续覆盖组网。最大问题是扇区之间以及基站的边际间会产生同频干扰。26、链路预算在进行wimax系统无线设计时，我们首先用链路预算分析方法以粗略估计为满足一定条件，如为达到所要求的上下行速率时，小区所能覆盖的范围，从而得到指定区域内提供覆盖所需的基站规模。链路预算粗略计算基站与终端间所允许的最大空间路径衰耗，即对基站和终端间下行、上行路径上一系列衰耗，增益和参数的加减运算。根据计算出的最大链路衰耗值，通过传播模型以及地形类别来确定平均基站扇区覆盖半径和区域。根据每种地形地貌的基站小区半径，以及该地区内这几种地形地貌的覆盖范围，我们便可以根据面积公式得出满足覆盖要求所需的

11、最少基站数。理论上，标准移动wimax 系统可以覆盖15公里的半径，本公司现有的基站可以覆盖20-24公里的半径，但是当考虑到传输速率、建筑阻挡等要求，实际情况可能需要具体分析。假设条件： 密集城区：以25m基站天线高度为例，覆盖设计要求90，单扇区5mhz频率资源，采用usb室外场景，采用mimo matrix-a技术，边缘调制方式为qpsk 1/2，tdd比例为31：15； 普通城区：以30m基站天线高度为例，覆盖设计要求90，单扇区5mhz频率资源，采用usb室外场景，采用mimo matrix-a技术，边缘调制方式为qpsk 1/2，tdd比例为31：15；下表为密集城区规划时链路预算

12、的详细过程：场景参数下行业务上行业务地物环境密集城区扇区3扇区信道带宽 （mhz）5子载波数512子载波分配方式pusc with all scpusc with all sc边缘调制方式qpsk 1/2qpsk 1/2基站天线配置mimo matrix amimo matrix a基站天线数量66终端天线数量22终端类型usb终端位置室外置换区参数pusc with all scpusc with all sc可用子载波数840 840分配子信道数303 占用的数据子载波数72048 边缘速率 (mbps)4.180.09发射下行上行每天线口输出功率 (dbm)33.00 23.00 导频突

13、发功率 (db)-0.46 0.00 馈缆损耗 (db)1.50 0.00 天线增益 (dbi)18.00 2.00 eirp (dbm)56.04 25.00接收下行上行天线增益 (dbi)2.00 18.00 馈缆损耗 (db)0.00 3.00 噪声系数 (db)6.50 6.00 背景噪声 (dbm/hz)-174.0 -174.0 子载波宽度 (khz)10.9375 10.9375 解调门限(db)3.002.00等效接收机灵敏度 (dbm)-96.38 -108.80最小电平要求 (dbm)-98.38-123.80 最大路径损耗下行上行室外阴影衰落标准差 (db)10区域覆盖概

14、率要求90%阴影衰落余量 (db)7.6快衰落余量 (db)2.00 2.00 干扰余量 (db)0.2 0.2 系统增益 (db)149.92 148.80最大路径损耗 (db)140.12 139.00扇区覆盖下行上行终端天线高度 (m)1.50 基站天线高度 (m)30.00 频率 (mhz)3300.00 3300.00 传播模型cost231-hata扇区半径 (km)1.301.20如上所示，在密集城区，站高30m时，基站的覆盖半径为1.20km。如果是普通城区，站高30m时，基站的覆盖半径为1.80km。2 7、容量规划单站（三扇区）容量计算，采用5mhz信道带宽，tdd 比例为

15、31:15，天线配置为mimo matrix-a，通过如下公式可计算单站吞吐量：单基站平均吞吐量信道带宽5mhz频率复用方式1*3*3tdd 时分比例下行:上行=31:15dlultotal平均吞吐量/单基站 (mbps)2110263、移动wimax系统关键技术31、ofdm技术ofdm是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而ofdm技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽

16、小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。ofdm技术有以下优点：频谱利用率高ofdm系统中各个子载波的正交性使子信道的频谱可以重叠，因此ofdm系统的频谱利用率得到了大大提高。带宽扩展强ofdm系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，因此具有很好的带宽扩展性，但并不会明显增加fft尺寸带来的系统复杂度。抗多径衰落通过对高速数据流进行串并转换，每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，因此每个子载波上的信道可以看成是平坦衰落信道，有效地对抗多径干扰。自适应调制和动态信道分配ofdm系统的一个显著特点是可以在不同的频带采用不同的调制编码方式以更好地适应信道的频率选择性。另一方面，通过动

17、态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，从而提高系统性能。实现mimo技术较简单由于mimo技术的天线之间的干扰（iai）和符号间干扰（isi）混合在一起，采用ofdm与mimo相结合的技术，可以降低mimo接收和信道均衡混合处理的接收机复杂度。尽管如此，ofdm技术还存在过高的峰均功率比（papr）、对频率偏移非常敏感等缺点，这是在ofdm系统设计中需要特别注意的问题。32、正交频分多址（ofdma）ofdma：正交频分多址接入，ofdm是一种特殊的多载波通信方案，它将一个频段分割成若干相互正交的离散的子载波，各子载波相互正交，用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，

18、每个码流都用一个子载波发送。子载波的正交性使得各子载波的频带即便混叠也可以正确解调出各子载波上的调制信息。因此ofdm无需带通滤波器来分隔子载波，而是只需通过简单的快速傅立叶变换（fft）就可以选用正交波形进行调制。正交频分多址（ofdma）的概念类似于fdma，是在ofdm技术基础上发展起来的，应用于下行链路时又可以被称为多用户ofdm（multiuser ofdm）。由于ofdm技术中各个子载波之间相互独立，每个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率电平，所以ofdma技术可以给每一个用户分配符号内部分可用的子载波。从这一点上来说，它和fdma是等价的；然而ofdma技术中各个子载

19、波频谱互相混叠，采用基于载波频率正交的快速傅立叶变换（fft）调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波间的正交，并不需要在用户之间设置保护频带从而避免了频率资源的浪费。ofdma技术中各个用户所使用的子载波也并不一定连续，而是允许以子载波为单位任意分配，因而具有比fdma更高的灵活性，大大提高了频带利用率，这在频谱资源日益紧张的今天显得尤为重要。33、tdd双工模式tdd模式，频谱利用效率更高，网络部署和业务提供更加灵活。使用一个无线信道在不同的时间间隙发送和接收数据，在无线帧中发送和接收的间隙分配可以通过配置来完成，因此tdd系统中每个无线信道的总的可用带宽

20、可以在上行和下行之间共享，上/下行的带宽分配按照不同的比率根据业务的不同由配置完成，这样对于非对称性业务（如internet业务），系统的效率更高，运营商的投资回报会更好。 系统支持的上下行带宽分配比率：上行下行30%70%40%60%50%50%60%40%70%30%34、mimo技术wimax 16e协议定义了三种采用空时编码的开环mimo发射矩阵，分别为matrix a、matrix b和matrix c。matrix a采用发射分集结构，可获得分集增益；matrix b采用空间复用结构，可获得复用增益；matrix c采用分集与复用的混合结构，可以同时获得复用增益和分集增益。对下行公

21、共信道，协议规定不能采用空时编码，此时可采用cdd（cyclic delay diversity，循环时延分集）获得分集增益。cdd技术通过在不同的天线上发射同一数据流的不同延迟副本，以获得多径分集效果，从而提升公共信道的覆盖。另外，对数据信道还可以采用cdd与matrix a或matrix b的结合，进一步提高分集性能或分集加复用性能。35、波束赋予形和智能多天线技术智能天线是一种信号处理技术，它采用阵列天线及时空信号处理技术，充分利用移动用户的空间方位信息来提高移动通信的传输质量、系统容量。传统基站天线将功率辐射至目标用户以外的方向是对功率的浪费，这些其它方向的辐射还将对其它用户造成干扰。

22、智能天线的概念是其辐射模式不固定，而是针对具体的用户与现时辐射条件定制，可以形象理解为天线阵定制了多个波束指向具体的终端。这将提高功率与频谱的利用效率，同时提高了灵敏度、减弱了干扰。通俗地讲，多天线系统就是收发双方都采用多根天线进行收发。通过适当的发射信号形式和接收机设计，多天线技术可以在不显著增加无线通信系统成本的同时，提高系统容量。从技术上讲，采用多天线技术后，可获得下列增益：功率增益（power gain）。采用多天线发射时，由于有n个发射通道，发射的总功率相当于单天线发射的n倍，因此可以获得10log（n）db的功率增益。虽然在单天线发射时也可以增加发射功率，但对功放的要求将提高，实现

23、难度增大，从而成本也会相应增加。 阵列增益（array gain）。阵列增益是指在发射总功率相同的前提下，对接收端平均信噪比的改善量。通过对信号的相干合并，各种多天线系统都可以获得阵列增益。也就是说，采用多天线技术后，可提高接收信噪比。 空间分集增益（space diversity gain）。由于无线信道的衰落特性，单天线系统的信号可能存在深衰落。采用多天线技术后，通常各天线间隔足够远，可保证不同天线的信号衰落相对独立。因此，合并后的接收信号的信噪比波动将变得平稳，从而改善了接收信号质量，这就是空间分集增益。 干扰抑制增益（cochannel interference reduction g

24、ain）。在蜂窝移动通信系统中，由于存在频率复用，因此小区间干扰不可忽视。与白噪声不同，干扰信号为有色噪声，可在接收端通过适当的多天线空域加权，合并期望信号的同时，抑制干扰信号，从而获得对接收端平均信干噪比的改善，这就是干扰抑制增益。 空间复用增益（spatial multiplexing gain）。空间复用增益是指在相同发射功率和相同带宽的前提下，对数据吞吐量/传输速率的改善。空间复用增益可通过在相同的时频资源上传送多个并行的数据流获得，而这些复用的数据流通过不同的天线来区分。下行波束赋形（beamforming） beamforming是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量

25、对准目标用户，从而提高目标用户的解调信噪比，这对改善小区边缘用户吞吐率特别有效。beamforming可以获得阵列增益、分集增益和复用增益。beamforming通常有两大类实现方式：mimo beamforming和doa beamforming。 mimo beamforming（简称mimo-bf）技术。利用信道信息对发射数据进行加权，形成波束的一种波束赋形方法。mimo-bf技术又可分为开环和闭环两种模式。 开环beamforming技术利用上行信道信息，对发射信号进行加权，不需要接收端反馈信道信息给发射端，发射端通过上行信道自行估计得到。开环 beamforming技术对覆盖和吞吐量

26、的提升都有比较明显的效果。但是，由于需要利用上行信号估计下行发送权值，处理时延大，因此适用于低速场景。另外，开环beamforming技术利用了上下行信道的互易特性，故系统实现时需要对各个收发通路进行校正。 闭环beamforming技术需要终端反馈信道信息如码本（codebook）给发射端，利用反馈信息对发射信号进行加权。同样由于受反馈时延的影响，闭环beamforming技术也只在低速场景有较好的性能。另外，由于受反馈精度的影响，闭环beamforming技术总体上比开环的性能要略差，但系统实现相对简单，不需要对天线收发通道进行校正。根据业界情况，目前tdd系统只使用开环beamformi

27、ng技术，而闭环beamforming技术则应用于fdd系统。 doa beamforming（简称doa-bf）技术。通过估计信号的到达角（doa：direction of arrinal），利用doa信息生成发射权值，使发射波束主瓣对准最佳路径方向的一种波束赋形方法。与mimo-bf相比，doa-bf有以下特点： 1）doa-bf技术要求天线阵列间距小（通常小于一个载波波长），在多径丰富的场合分集效果比较差，在非直视径（nlos：non line of sight）场合，由于doa估计不准也会使性能下降。因此，doa-bf技术对密集城区使用效果不是很理想，而对农村和郊区等场合比较有效。但从

28、业务发展的角度考虑，农村和郊区的业务量需求通常不高，采用doa-bf实现的代价又比较高，因此实用意义不大。 而mimo-bf技术通常由于天线间距都比较大，搜集多径的能力比较强，特别适合在话务量高的密集城区使用，以提升系统容量，有效降低高话务区域的建网成本或扩容成本。 2）doa-bf技术对天线阵元的一致性要求比较高。因此，系统实现时不仅需要进行收发通道校正，还需要进行天线校正，而校正不理想时会使系统性能下降，故doa-bf系统实现复杂度比较高。 目前，doa-bf技术成功应用的案例不多，业界普遍看好mimo-bf技术。下行mimo+bf 由于beamforming技术在同一时刻只发射一个数据流

29、，没有复用增益，为了进一步提高吞吐量，还可将beamforming技术与空时编码结合起来，构成beamforming+matrix a或beamforming+matrix b的发射结构，统称为mimo+bf。mimo+bf可以大幅提高系统吞吐量。 上行多天线接收分集 上行接收分集是最常用的多天线技术，在基站侧对多根天线接收到的信号进行相干合并，从而获得阵列增益。 上行csm（collaborate spatial multiplex） 上行csm技术是指将两个单发射天线的终端调度在相同的时频资源上，通过复用来提升上行的容量。选择协作终端时，要保证用户之间的正交性，对调度算法有较高的要求。 以

30、上各种多天线技术各有其优缺点，对不同的场合技术性能也有比较大的差异。因此，在实际系统选择使用多天线技术时，需要综合考虑各种因素，并且要求实现各种mimo技术的自适应切换，以适应不断变化的无线环境，达到最高的吞吐量或尽可能大的覆盖。 提升系统容量 wimax论坛的仿真结果表明，采用多天线技术可大幅提升系统容量。仅采用双天线开环mimo 22 matrix a和b的自适应切换与12相比，下行方向频谱效率提升约55-60%，上行方向频谱效率提升约35%。 如果采用beamforming或者beamforming与mimo结合的方式，系统容量还将大幅提升。与开环22 mimo相比，42 mimo-bf

31、在下行方向的频谱效率提升约10%左右，而42 mimo+bf在下行方向的频谱效率提升约60%。可见，mimo和beamforming结合的性能增益是显著的。 如果采用beamforming或者beamforming与mimo结合的方式，系统容量还将大幅提升。与开环24 mimo相比，66 mimo-bf在下行方向的频谱效率提升约20%左右，而66 mimo+bf在下行方向的频谱效率提升约40%。可见，mimo和beamforming结合的性能增益是显著的。从以上数据可见，多天线技术可显著提升频谱效率，是解决系统容量问题的行之有效的手段。峰值速率的提高将大大提升用户体验，为更丰富的业务运营创造了

32、条件，从而为运营商建立盈利的商业模式创造了条件，也为整个wimax产业的持续发展创造了条件。 改善网络覆盖 wimax系统的覆盖通常是上行受限，而上行采用多天线接收可显著改善覆盖。采用2天线分集接收，上行覆盖将改善3db以上（与单天线接收相比），采用4天线分集接收，可改善4-5db，而采用6天线分集接收，可改善7-8db。下行方向采用beamforming技术后，将波束能量对准目标用户，对改善小区边缘用户的吞吐率有显著效果。 由此可见，多天线技术的应用能显著改善网络的覆盖，大大减少基站数目。 降低建设和维护成本 根据前文分析可知，采用多天线技术后系统容量显著增加，初期建网时不需要使用多个载频进

33、行铺设，有效降低设备的采购成本。同时，天线配置灵活，可以满足不同区域的建网需求。在cbd等话务量比较大的密集城区，可采用6t6r的配置满足容量需求；而在郊区、农村等以满足覆盖要求为主的场合，则可采用 2t4r的配置满足覆盖要求。多天线系统优良的覆盖性能将使站址数大大减少，特别是对于专用网络运营商来说，不仅减少了设备的采购成本，而且大大降低了站址租赁和建设成本。 多天线系统虽然增加了天线数，但对天线的要求却没有明显提高。部署和维护都比较简单，进一步降低了网络的维护成本。 综上所述，优良的多天线技术将大幅提升频谱效率，降低每比特成本，有效提升用户体验，还可以提高覆盖，改善小区边缘用户的吞吐率，减少

34、基站数目，降低建网及维护成本。因此，对于wimax等新一代无线通信系统，多天线技术的性能是决定wimax产品核心竞争力的重要因素之一。36、软件无线电软件无线电是近年来随着微电子及计算机技术高速发展而产生的一种新的无线电技术, 相对于传统的基于asic的无线技术, 它具有许多优越性。随着大规模集成电路技术的不断进步和芯片处理速度不断提高，使得在dsp芯片或通用cpu芯片平台上,利用软件来完成以前用asic实现的多种数字信号处理功能得以实现。由于软件所具有的灵活性、廉价等特点, 在软件无线电通信系统中可以实现多种通信协议的兼容, 便于通信技术升级, 同时可以引入多种先进的动态调整技术, 从而大大

35、提高无线通信系统的功能和服务质量, 有利于各种通信新标准的实施和兼容,使无线通信系统实现极大的灵活性和开放性。37、自适应调制和编码（amc）技术现实中的无线通信环境都是多种多样且随时变化的。为了能在这样的环境下实现数据信号的正确传输，可采用自适应调制方式。自动检测信道质量，通过改变上下下行信道的调制方式来动态调整传输速率，以适应不同的传输环境和干扰波动，提高系统的整体吞吐量。移动wimax系统的动态调制方式分为bpsk，qpsk，16qam1，64qam。由于信道帧结构引入特殊时隙，信道和噪声估计较准并不需考虑用户间的干扰。根据信道质量进行动态调制可以使系统的吞吐量最优化amc在wimax的应用中有其特有的技术要求，由于amc技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以amc技术必须根据wimax的技术特征来实现amc功能。与cdma技术不同的是，由于wimax物理层采用的是ofdm技术，所以时延扩展、多普勒频移、papr值、小区的干扰等对