WiMAX技术及应用前景分析

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2024年5月27日发(作者：)

维普资讯

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－　２ｏｏ７年１月２２日第４葛日　０穗　　ｍ　ｈ啪Ｗｂ　●哪　・技７ｌｔ搽讨・　

Ｗｉ　ＭＡＸ　

技术及应用前景分析　

中讯邮电咨询设计院

■ｂｈ　

王保利唐艳超　

‘　

ｗｉＭＡＸ作为当今热门的宽带接入技术，受到越来越　

多的关注和重视。本文主要从ＷｉｌＶ￣ＡＸ采用的关键技术和　

最大容量随天线数的增加而线性增加。　

应用前景两个角度进行介绍和分析。　

，

Ｃ＝【ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）］Ｂｌｏｇ２（ｐ／２）　（式２－１）　

（其中Ｂ为信号带宽，Ｐ为接收端平均信噪比，Ｉｎｉｎ（Ｍ　

Ｎ）为Ｍ，Ｎ的最小值）　

（２）ＭＩＭＯ＋ＯＦＤＭ　．　

Ｍ　Ｉ　ＭＯ系统虽然可以在一定程度上可以利用传播中的　

一

、

ＷｉＭＡＸ与８０２．１６　

多径分量，有效对抗多径衰落，但是对于宽带系统中突出　

ＷｉＭＡＸ是一项无线城域网（ＷＭＡＮ）技术，作为线缆　

和ＤＳＬ的无线扩展技术实现无线宽带接入。在２ＯＭＨｚ信道　

带宽、６４ＱＡＭ调制、最高的信道编码效率下，ｗｉＭＡＸ的理　

论最高速率可达Ｎ７５Ｍｂｉｔ／ｓ。　

符号间干扰。循环前缀ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ　Ｐｒｅｆｉｘ）通常取ＩＦＦＴ　

输出的有用符号的后Ｔｇ时间内的数据，将其复制添加到　

有用符号前，即形成循环扩展的ＯＦＤＭ信元，如图２所示。　

循环前缀时间长度Ｔｇ一般应为时延扩展均方根值的２到４　

的频率选择性深衰落，以往基于窄带技术的Ｍ　Ｉ　ＭＯ系统依　

然是无能为力的。　

目前解决Ｍ　Ｉ　ＭＯ系统中的频率选择性衰落的方案一般　

是利用均衡技术，还有一种是利用ＯＦＤＭ。因此，在ＯＦＤＭ　

的基础上合理开发空间资源，把ＭＩＭＯ和ＯＦＤＭ技术相结　

合，也就是ＭＩＭＯ＋ＯＦＤＭ，可以同时抵抗多径和频率选择　

根据是否支持移动特性，８０２．１６的空中接口标准又可　

分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入　

空中接口标准。ＩＥＥＥＳ０２．１６主要提供城域范围的宽带无线　

用户接入，面向企业、社区、家庭及公共部门，作为宽带网　

络的无线延伸。　

倍。子载波间隔△ｆ为有用符号周期长度的倒数（１／Ｔｂ）。　

在８０２．１６ｄ中，采用２５６个子载波的ＯＦＤＭ。循环前缀时间　

长度ＴｇＳＨ有用符号周期长度Ｔｂ的比值Ｇ的取值范围为１／４，　

１／８，１／１６，１／３２。　

性衰落，提供更高更好的数据传输速率。　

３．ＡＡｓ一自适应天线系统　

Ａ　ＡＳ实现系统参数自动调整，可通过波束定向实现，　

原理是用基带数字信号处理技术，通过先进的算法处理，　

对基站的接收和发射波束进行白适应的赋形，使天线主波　

作为宽带无线城域网的８０２．１６标准具有如下特点：支　

持ＬＯＳＳＨＮＬＯＳ传播，最大传输距离为５Ｏ公里，支持网格组　

网；支持可变速率传输，最高７５Ｍｂｉｔ／ｓ／２０ＭＨｚ￣双工方式　

可选择ＦＤＤ／ＴＤＤ；ＭＡＣ层的ＱｏＳ机制及多业务支持能力；　

开放的技术发展空间，支持ＭＩＭＯ等技术的运用；共享核心　

网，简明的网络发展之路。　

（２）ＯＦＤＭ技术特点　

①频谱利用率很高。ＯＦＤＭ信号的相邻子载波之间存　

在正交性，子信道的频谱相互重叠，可以最大限度地利用　

频谱利用率。而传统的频分复用系统中，子信道之间要留有　

足够的保护频带。　

束即最大增益点对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准　

干扰信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效　

地减少了多径效应所带来的影响，同时达到对干扰信号删　

除和抑制的目的。采用ＡＡＳ可以获得ＳＮＲ增益和减少同频　

干扰。　

②抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。由于ＯＦＤＭ　

二、ＷｉＭＡＸ关键技术　

１．ＯＦＤＭ—正交频分复用　

ＯＦＤＭ（ｉ交频分复用）技术实际上是ＭＣＭ（多载波调　

ＣＵ）的一种。其主要思想是：把高速数据流分散到多个正交　

的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降　

低，符号持续时间大大加长，因而对时延扩展有较强的抵　

系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波　

符号速率，从而减弱多径传播影响，再通过采用加循环前　

缀作为保护间隔，甚至可以完全消除符号间干扰。　

③基于离散傅立叶变换（ＤＦＴ）的ＯＦＤＭ有快速算法。　

ＯＦＤＭ采用ＩＦＦＴＳＨＦＦＴ来实现多载波调制和解调，易用大　

规模集成电路实现。　

４．ＡＭＣ－Ｉ￣Ｉ适应调整编码　

通过自适应切换调制方式和编码方式来使吞吐量一信　

噪比曲线达到最佳。　

调制方式可白适应选用ＢＰＳＫ，ＱＰＳＫ，１６ＱＡＭ，　

２．ＭＩＭＯ一多输入多输出　

Ｍ　Ｉ　ＭＯ技术是一种多天线技术，它将多径作为有利因　

素加以利用。如图３所示，ＭＩＭＯ系统利用各发射接收天线　

间的通道响应独立，创造出多个并行空间信道，空时编码　

６４ＱＡＭ。相对ＨＳＤＰＡ最高支持１６ＱＡＭ，ｗｉＭＡＸ支持的　

最高阶调制方式为６４ＱＡＭ，更强调在信道条件较好时实现　

极高的峰值速率。　

编码方式可选用纠错能力强但解码延迟较大的块　

Ｔｕｒｂｏ码、卷积Ｔｕｒｂｏ码以及低复杂度、低延迟的ＬＤＰＣ码，　

适应高质量数据通信的要求。　

抗力，减小了符号间干扰的影响。通常在ＯＦＤＭ符号前加入　

保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展就可完全消　

除符号间干扰。　

形成多个信息子流，经多个信道在同一频带同时发送可以成　

（１）０ＦＤＭ的实现原理，可以利用离散傅立叶反变　

换／变换（ＩＤＦＴ／ＤＦＴ）代替多载波调制和解调，而ＤＦＴ　

５．ＡＲＱ－Ｉ￣动重发请求　

在ｗｉＭＡｘ技术的应用条件下（室夕　距离），无线信　

道的衰落现象非常显著，在质量不稳定的无线信道上运用　

ＴＣＰ／ＩＰ协议，其效率将十分低下。　

在链路层加入了Ａ　ＲＱ机制，减少到达网路层的信息差　

图３　ＭＩＭＯ系统图示　

有快速算法ＦＦＴ（快速傅立叶变换），便于大规模集成电路　

实现。　

错，可大大提高系统的业务吞吐量。　

三、ＷｉＭＡＸ试商用情况　

倍地增加系统容量。　

图１典型的基于ＩＦＦＴ／ＦＦＴ实现的０ＦＤＭ系统模型　

Ｍ　Ｉ　ＭＯ技术的核心是空时信号处理。空时编码是一种　

把编码、调制和空间分集结合起来的新兴技术，具有良好　

的频带利用率及性能。　

目前，ｗｉＭＡＸ论坛成员数已经增长￣ｆ］３５６个，其中包　

括１２１个服务提供商。全世界已经有１５Ｏ个以上基于ＩＥＥＥ　

８０２．１６－２００４标准的固定无线宽带的ＷｉＭＡＸ试验网络，但　

图１所示为一个典型的基于ＩＦＦＴ／ＦＦＴ实现的０ＦＤＭ　

（１）ＭＩＭＯ容量　

通过理论分析得知，在独立同分布的高斯信道条件下，　

当接收天线数大于发射天线数时，Ｍ　Ｉ　Ｍ０系统的容量随发　

射天线数近似呈线性增长。　・　

对于发射天线数为Ｍ，接收天线数为Ｎ的ＭＩＭ０系统，　

假定信道为独立的瑞利衰落信道，则信道容量Ｃ近似为式　

（２—１）所示，该式表明功率和带宽固定时，Ｍ　Ｉ　Ｍ０系统的　

系统模型。输入数据序列经过编码调制后被分割为Ｎ个并　

行的子信号，进行Ｉ　Ｆ　Ｆ　Ｔ变换，将Ｎ路频域信号转换到Ｎ路　

时域信号，添加循环前缀后的Ｎ路信号经并／串变换后串行　

发送出去。　

添加循环前缀的目的就是在０Ｆ　ＤＭ有用符号前加入保　

护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展就可完全消除　

目前ｗｉＭＡＸ的规模商用网还极少。已实施的多数以固定　

无线接人为主，或基于特定目的专用网，并且多为新兴运营　

商。国内目前还无商用网络。　

韩国是第一个已经正式启动ｗｉＢｒｏ（移动ＷｉＭＡＸ）商　

用网络的国家。韩国移动运营商ＳＫＴ计划用４年的时间使该　

网络覆盖到全国８４个城市。　

（下转第１１页）　

维普资讯

蠹任簟辑：磨钰ｔａｎｇｙｕ＠￣ｗｗ．ｎｅｔ．ｃｒｌ羹术簟辑：牛大伟　２００＂／￣１月２２巨筹４期　

ｃ　＿¨∞攮　，　－　ＨＨ嘲　

（上接第９页）　

・技７…一ｆ’　一ｔ搽讨・…’一　　

８０２．１６只定义了宽带无线接入的空中　

四、ＷｉＭＡＸ应用前景分析　

接口（物理层和Ｍ△Ｃ层）标准，其他层面还　

有待完善。标准化进程影响设备互通和市　

场规模以及产品进入市场的时间。　

业界普遍认为移动版本更成熟，除了　

提供切换等移动性特征外，在多用户接入、　

传输质量、数据安全等方面都有所加强。　

然而，目前厂家推出的主要是支持固定宽　

全探讨　

～　

・隧道：与保密隧道（ＳＳＨ）相似，我们将在下面讨论。　

利用Ｉｐｓｅｃ来实现ＶＰＮ以此来支持ＷＬＡＮ安全通信。比起ＷＥＰ来，Ｉｐｓｅｃ　ＶＰＮ　

将提供更为强大的机密性、完整性和可用性。　’　

３．保密接口层（ＳＳＬ）与保密隧道（ＳＳＨ）　

ＳＳＬ（ｓｅｃｕｒｅ　ｓｏｃｋｅｔ　ｌａｙｅｒ）采用了一种公开的密钥加密。首先用户必须发送一　

个权利说明，包括用户名、密码等以表明自己的身份，这个说明经终端服务器识别，用　

户便可登陆。但是接下来出现了一个问题，就是服务站点发送给用户的信息中仍可能　

有机密信息，这样攻击者仍可以接收到站点发来的信息，从而使我们的信息失窃。　

１．应用模式和发展阶段　

ＷｉＭＡＸ具有如下四种应用模式。　

（１）固定接入：固定接入业务是ＷｉＭＡ　Ｘ运营　

网络中最基本的业务模型，类似于固定ＤＳＬ或电　

缆宽带业务。这种应用不支持便携式连接或切　

换。终端可以选择或者将连接改变到信号最佳　

的基站。终端一般采用室外天线和Ｏ　Ｄ　Ｕ（室外单　

带无线接入的符合８０２．１６ｄ标准的产品。而　

支持８０２．１６ｅ标准的支持移动宽带无线接　

入的产品还多处于开发阶段。　

元），规模商用时间约为２００６年。　

用不支持便携式连接或切换。终端可以选择　

或者将连接改变到信号最佳的基站。终端一般采　

用室外天线和ＯＤＵ（室外单元）。　

（２）游牧式：游牧式业务是固定接入方式发展　

的下一个阶段，终端可以从不同的接入点，接入　

个运营商的ＷｉＭ　Ａ　Ｘ网络，不支持不同基站之　

一

而且从目前８０２．１６ｄ产品的测试隋况看，　

非视距情况下，数据传输速率和基站覆盖半　

径都和理论值还有一定差距。尤其室内终端　

的数据传输速度还不是很令人满意。　

（３）ＷｉＭＡＸ与Ｗｉ－Ｆｉ｛￣３Ｇ的关系问题　

由于ＷｉＭＡＸ与Ｗｉ—Ｆｉ、３Ｇ等技术将　

会在市场上共同存在，并不存在谁取代谁　

的问题，因此，是否能实现这些技术应用　

之间的互联互通，将决定ＷｉＭＡ　Ｘ能否进　

一

间的切换。此种应用可以和固定接入同时提供。　

一

ＳＳＨ（ｓｅｃｕｒｅ　ｓｈｅｌ１）仍像ＳＳＬ一样采用公开的密钥，但由于它同时还结合了私有　

密钥的使用，从而解决了ＳＳＬ的安全漏洞。ＳＳＨ提供几种安全等级供用户选择，其安　

全性高于Ｔｅｌｎｅｔ、Ｒ－ｃｏｍｍａｎｄｓ等，同时ＳＳＨ还提供端口到端口的隧道通信机制来　

保证特殊通信的安全。　

４．静态ＡＲＰ　

（３）便携式：便携式业务是游牧式发展的下　

个阶段，在步行速度下具有有限的切换能力。　

当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固　

步拓展市场空间。由于ＷｉＭ　Ａ　Ｘ技术在　

应用领域与Ｗｉ－Ｆｉ｛￣３Ｇ技术客观上存在部　

分重叠的市场，这固然有利于ＷｉＭ　Ａ　Ｘ分　

食Ｗｉ＿Ｆｉ与３Ｇ的市场蛋糕，但反过来也不　

定式业务和游牧式业务相同。此应用场景主要　

面向家庭接入和商务人士用户市场，终端一般为　

ＰＣＭＣＩＡ卡，放置在便携机里；市场容量较大，规　

模商用时间估计要￣２００７年以后。　

ＡＲＰ协议通信过程首先是用户向服务器发送自己的ＩＰ地址到网络上，一旦服务　

器收到请求便发送自己的ＭＡｃ地址给用户，这样用户便可以与之进行通信。但是目前　

许多系统采取的是主机　旦收到一个数据包，便将包中的Ｉ　Ｐ与Ｍ　Ａ　Ｃ地址认为是匹配　

的，从而将其添加到自己的地址转换列表中，如果将来再与之通信，便使用该ＭＡＣ地　

址进行请求即可，这种方式称为动态Ａ　Ｒ　但这就给网络攻击者以可乘之机，他们将　

服务器的ＩＰ和自己的ＭＡＣ传给用户，同时将用户的ＩＰ和自己的ＭＡＣ传给服务器，从而　

在二者之间插入了—一个中间站，进行窃取、修改甚至伪造信息等不法行为。而使用静态　

ＡＲＰ￣］可以有效地避免这种网络威胁。　

５．应用密码学的使用　

应用密码学的兴起为我们实现Ｗ　Ｌ　Ａ　Ｎ通信安全提供了一个新的途径，用户可以　

（４）全移动：支持车速移动下无中断的应用，　

面向个人用户市场，可漫游切换，终端一般为　

ＰＤＡ；市场容量很大，商用时间估计要￣２００８年　

甚至２００９年以后。　

可避免地会遭受到这两种技术的打压，从　

而使市场空间狭小。　

｛４）ＯＦＤＭ技术专利问题　

高通公司九年前就关注到了ＯＦＤＭ　

技术，做了大量研发工作，拥有很多专利。　

ＷｉＭＡ　Ｘ从固定标准发展到移动标准，内　

今天，８０２．１６标准已从支持固定宽带无线　

接入的８０２．１６ｄ发展到支持移动和固定宽带无线　

接入的８０２．１６ｅ。ＷｉＭＡＸ的应用模式也将从固　

含很多高通掌握的知识产权，如果情况真　

是这样，高通公司一定会像对待Ｃ　ＤＭ　Ａ一　

样，收取专利费用。总之ＯＦＤＭ技术的专　

利问题是绕不过的，何况这项技术还要延　

定宽带无线接入到游牧接入再发展到终端可移　

动的便携式、支持低速移动性的便携形式，并最　

终将支持有ＱｏＳ保障的高速移动宽带无线接入。　

ＷｉＭＡＸ论坛提出并说明了ＷｉＭＡＸ网络从固定　

向移动网络发展的阶段，ＷｉＭＡＸ论坛的成员正　

在向这个方向努力。　

伸到未来的４Ｇ中，除非根本不打算采用这　

种技术。　

（５）产业链　

在应用层利用加密算法软件（甚至可以编写自己算法软件）先对自己的数据进行加　

密，然后再通过发送设备发出去。这样在接收端的接收用户只需要利用相同的算法软　

件即可得到完整的信息，同时也提高了数据传输的安全性。　

目前ＷｉＭＡＸ从标准制定到设备开发　

芯片制造以及测试仪器仪表各环节，多厂商　

合作开发的环境已经初步形成，产业链初　

具规模。　

电信运营商的态度极大影响ＷｉＭ　Ａ　Ｘ　

的发展。ＷｉＭ　Ａ　Ｘ建网需要建立基站，与　

三、Ｗｉ＿Ｆｉ网络安全策略　

总的来说，好的安全策略并不是某一种或者几种方法和工具，而是要设置层层　

安全屏障，这样才能有效地阻止网络黑客的攻击。网络安全策略的具体运用总体上　

可以分为网络建立前的安全策略制订阶段和网络建立后的维护阶段两部分。　

２．ＷｉＭＡＸ面临的问题　

由于采用了许多先进的技术，ＷｉＭＡＸ具　

有投资少、建设快、传输速率高等一系列优点，　

ＷｉＭＡＸ理论上可以应用于广域接入、企业宽带接　

入、家庭最后一公里接入、热点覆盖、移动宽带接　

人等所有宽带接入市场，将成为无线通信业新的亮　

点。但在ＷｉＭＡＸ由不断发展成熟到真正取得市场　

成功和认可的过程中仍然面临很多问题和挑战。　

（１）频谱问题　

“频谱问题仍然是ＷｉＭＡＸ发展道路上最　

大的障碍”。ＷｉＭＡＸ论坛主席Ｒｏｎａｌｄ　Ｒｅｓｎｉｃｋ　

坦言，“频谱问题非常复杂，每个国家都不同，　

Ｗｉ＿Ｆｉ不同，ＷｉＭＡＸ要获得市场成功必　

须要得到运营商的大力支持。运营商的加　

（一）安全策略制订　

个网络要想拥有一个好的安全策略，在网络建设的筹划阶段就应当将其考虑　

在内，而不是在网络建成后才予以考虑的。这样就会避免安全策略为了迁就已经成型　

一

入也有利于解决Ｗ　ｉ　Ｍ　Ａ　Ｘ未来可能面临的　

互联互通问题。目前，ＷｉＭＡＸ论坛有１／４　

的成员是电信运营商。　

（６）特色业务　

ＷｉＭＡＸ目前缺乏清晰的商业模式与　

特色业务。ＷｆＭＡＸ能否成功最终还是以　

用户的接受和市场的选择作为衡量标准，　

目前ＷｉＭＡＸ应用并没有体现出与其它　

Ｂ３Ｇ技术的不同，即现有的业务应用并没　

有体现出ＷｉＭＡＸ技术的优势。　

的网络而存在一些漏洞。下面的安全策略制订原则是我们制定网络安全策略必须考　

虑的。　

１．理论联系实际：分析理论上的和实际上可能发生的风险，这样将有助于杜绝尽　

可能多的攻击　、　

２．财力结合实际：结合网络的重要级别来采取具体的保护措施。比如你是一个　

ＳＯＨＯ用户，那么为了实现网络登陆鉴权，有ＳＳＩＤ￣ＮＷＥＰ就足够了，但这两种方法对　

所以解决频谱问题非常困难。”他认为，对　

于ＷｉＭＡＸ来说，最重要的频段是２．３ＧＨｚ到　

２．５ＧＨｚ。　

于大型Ｗｉ＿Ｆｉ网络来说是绝对不行的，必须采取更专业的方法和工具。　

３．针对性防护：如果你的网络安全核心是保护信息，就必须加强对数据的保护；　

如果是防止Ｉｌｌｉｃｉｔ　ｕｓｅ，就必须加强登陆管理。　

在３．５ＧＨｚ频带上，按照我国目前的频率分配　

情况，一个运营商拥有的频率是２×１０．５ＭＨｚ，仅　

可以支持３Ｊ－３．５ＭＨｚ的载波。但如果需要实现连　

续组网，ＷｉＭＡＸ和ＧＳＭ一样，需要考虑频率干扰　

与频率规划的问题，一般需要６　８个载波，也就是　

需要近２０－３０ＭＨｚｘ２的频率对，这在我国目前的　

３．５ＧＨｚ频带及频谱分配方式下是难以实现的。　

３．结论　

ＷｉＭＡＸ主要应用于固定和低速移动　

下的宽带接入，在有线设施不发达的国家　

和地区可以替代ＸＤＳＬ成为主要的宽带接　

（二）安全策略维护　

安全策略的制定不是一劳永逸的，它并不能保证我们的网络将是永久安全的。　

网络攻击者会不遗余力的开发出更新、更有杀伤力的攻击方法和工具，所以安全策略　

的定期检验和维护是必要的，这一过程将是长期、反复的。　

（２）标准和产品成熟度　

入技术。ＷｉＭ　Ａ　Ｘ距离成功商用还有很长　

的路要走，固定、半固定宽带无线接入很快　

能具备商用条件，而提供游牧／移动宽带　

无线接入还要加快进度。　

本文标签： 技术网络无线接入宽带