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2024年5月27日发(作者:)

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科技论文 

WiMAX无线宽带接入技术 

黄奇珊贾剑吴颖 

摘要:在技术日新月异的今天,曾经作为4G移动通信技术的WiMAX,与3G移动 

通信的界限越来越模糊。WiMAX商用化的进程值得我们关注,本文介绍了WiMAX 

的特点、应用领域,以及固定WiMAX系统的技术特点,以期让大家进一步了解和 

推动这方面的研究工作。 

关键词:WiMAX OFDMA OFDM宽带无线接入技术 

1引言 

近年来,宽带无线通信系统发展迅速。这来自于两方面的需求:一方面,传统宽带 

固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务,希望使用 

宽带接入移动服务;另一方面,传统的移动用户也不}葫足于简单的语音、短信和低速数 

据业务,希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动 

服务在技术和业务上呈现融合的趋势,宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术 

发展的趋势,并互为补充、互相促进。 

在此背景下,以IEEE 802系列为基础的宽带无线接入标准化工作正如火如茶的进 

行,其标准化的工作涵盖无线广域网、无线城域网、无线局域网、无线个域网,甚至无 

线身体域网。其中无线城域网技术指的是无线通信网络覆盖范围大于无线局域网的一种 

无线通信技术,它是为解决宽带接入“最后一英里”问题而专门设计的,它可以提供固定、 

移动、便携形式的宽带无线连接,并最终能够在非视距基站的情况下提供移动宽带无线 

连接。它的空中接El标准的制定,由IEEE 802,16工作组负责,与此同时,它在市场上 

的推广,由WiMAX论坛推动。IEEE 802.16标准中采用的相关技术,统称为WiMAX技 

术。 

无论民用还是军用,通信技术都在朝宽带化、网络化的方向迈进,可以预见不久的 

将来,WiMAX技术将在全球地面微波与移动通信中大规模应用,因此有必要开展该类 

信号的分析研究工作。 

2WiMAX技术 

2.1 WiMAX技术的特点I11[ 1 

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即微波接入全球互通, 

是一项基于IEEE 802.1 6标准的宽带无线接入城域网技术,其基本目标是提供一种在城 

域网一点对多点的多厂商环境下,可有效地互操作的宽带无线接入手段。WiMAX技术 

有以下一些优点: 

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1)传输距离远,WiMAX的无线信号传输距离最远可达50km,其网络覆盖面积是 

3G基站的lO倍,只要建设少数基站就能实现全覆盖,这样就使得无线网络应用的范围 

大大扩展; 

2)接入速率高,WiMAX所能提供的最高接入速率是70Mbi6s,这个速率是目前3G 

所能提供的宽带速率的3O倍,这对无线网络来说,是一个惊人的进步; 

3)提供广泛的多媒体通信服务,WiMAX能够实现电信级的多媒体通信服务,其中 

包括语音、数据和视频的传输; 

4)长距离下的高容量,WiMAX技术采用网络拓扑(Mesh)、智能天线、MIMO等 

技术改善非视距性能,出众的系统性能提供更强的远距离穿透阻挡物的能力; 

5)较高程度的智能化,WiMAX技术支持自适应调制和可变纠错码技术,基站可以 

根据实际情况权衡系统的吞吐量和覆盖范围,灵活的信道规划和带宽规划使得系统容量 

尽可能达到最大并适用于多种频率分配情况,可以根据信道传输条件,智能决定使用哪 

种调制技术,可以根据业务的分级不同,带宽进行按需分配; 

此外,IEEE802.16的协议层(MAC层)具有带宽分配和服务质量(QoS)机制,引 

入了OFDMA上行/下行协议,可以对用户接入网络进行智能控制,不但改善了系统的时 

延特性,还提高了服务的可靠性,并且MAC层提供了一个专用子层来实现认证、保密 

和加密等功能,提高了系统的安全性。 

2.2 WiMAX技术国内外应用情况【3I.1ⅢJ 

具体地说,WiAX的应用划分为两类:固定接入应用模式和移动应用模式。固定 M

接入业务是WiAX基于802.M16d标准的最基本业务模型,组网模式与现在的点对多点固 

定无线接入相似,WiMAX固定应用模式的用户包括:企业用户、移动通信网络中基站 

和基站控制器互连的线路、有上网需求但用户分布分散的地方如农村及边远地区、受地 

形地貌限制有线网络无法进入的地方等等。WiAX移动应用模式采用符合IMEEE 802.16e 

标准的设备,其模式是面向个人用户的,提供支持切换和QoS机制的无线数据接入业务, 

可以通过蜂窝组网方式覆盖较大区域。 

2.2.1国内发展现状 

基于802.16的固定宽带无线接入设备系列标准即将出台,即YDB0lO~Ol4通信标准 

类技术报告。通信标准类技术报告(VDB)是由信息产业部指定中国通信标准化协会制定 

的,对于技术尚在发展中,又需有相应的标准性文件引导其发展的领域而制定的标准性 

文件。该系列标准内容涵盖了固定宽带无线接入设备的基站、用户站的技术要求和测试 

方法、接入系统接口技术要求,适用于公用电信网环境下的固定宽带无线接入系统。对 

于基于802.16e的移动WiAX,国内还未有相关政策规定出台。M 

目前,中兴公司和华为公司在固定WiAX领域成为主要的系统厂商,已经推出了 M

基于英特尔芯片的固定WiMAX产品,而且积极推动固定WiMAX在全球的商用部署。 

在移动WiMAX领域,中兴和华为也处在领先地位。 

在3G牌照未发情况下,中国四大运营商都把目光转向WiAX,M但主要采用802.16d 

标准的固定WiAX。中国电信在我国北方9省l市展开测试工作,中国联通方面也即 M

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将进入正式网络测试阶段,中国网通已进入设备采购阶段。近日,中国移动在青岛建设 

基于802.1 6e版本的移动WiMAX,这是国内的基础运营商第一次建设移动WiMAX网络, 

属于测试网络。为了迎接2008年奥运会,满足大规模的无线宽带接入需求,北京市已经 

开始建设覆盖北京市区的WiMAX网络。 

加拿大北电,第一家采用MIMO技术实现WiMAX解决方案推向市场,在日本成功 

完成了移动WiMAX测试,并签署了多个市政无线解决方案合同。在2006年年末,与 

中华电信达成协议,为中国台湾宜兰县政府部署IEEE802.16e移动WiMAX网络。 

2.2.2国外发展现状 

从2006年年初以来,全球范围的WiMAX部署发展迅速。截至当年6月底,全球得 

到WiMAX许可的企业已达到720多家,其中北美最多,共394家,而进行WiMAX试 

验和提供商用的运营商全球已超过175个,在韩国、日本、美国、英国、法国、俄罗斯、 

意大利等国有超过24个网络已经进入商用阶段。 

继固定WiMAX在国际市场上开始大规模商用之后,2006年移动WiMAX也进入了 

个新的发展阶段。韩国KT和SKT已经正式开始部署世界上第一个移动WiMAX商用 

网络。目前,日本KDDI、韩国、美国SprintNextel、越南等运营商对移动WiMAX进行 

了不同程度的测试和演示。据预测,到2009年亚洲将成为WiMAX最重要的市场。 

3 802.16标准体系 

3.1固定WiMAX和移动WiMAXT¨l_IHI 

WiMAX推广基于IEEE802.1 6和ETSI HIPERMAN协议的宽带接入设备,目的是确 

保不同宽带接入设备之间的兼容性和互操作性。由于ETSI HIPERMAN协议物理层技术 

规范,与IEEE802.16中OFDM物理层规范类似,所以目前的研究重点和设备都集中在 

IEEE802.16协议规范。WiMAX已经成为IEEE802.16标准的代名词,因此要了解WiMAX, 

必须了解802.16标准,表l给出了802.16标准发展完善的过程。 

表1 IEEE 802.16空中接口相关标准 

空中接口标准 频段 状态 

IEEE 802.16 固定宽带无线接入系统空中 2001年发布 

接口标准(10~66GHz) 

IEEE 802.16a 固定宽带无线接入系统空中 2003年发布 

接口标准(2~11GHz) 

IEEE 802.16c 固定宽带无线接入系统的兼 2002年发布 

容性(10~66GHz) 

IEEE 802.16d 固定宽带无线接入空中接口 2004年发布 

标准(2~66GHz)(对 

802.16/802.16a/802.16c的修 

订) 

IEEE 802.16e 支持固定和移动性的宽带无 2005年发布 

线接入空中接口标准(2~ 

66GHz) 

IEEE 802.16f 固定宽带无线接入系统空中 2005年发布 

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电信技术研究 

接口MIB标准 

2007年第l0期 

IEEE 802.16g 固定和移动宽带无线接入系 预计2007年发布 

统空中接口的管理平面流程 

和服务标准 

IEEE 802.16h 

IEEE 802.16i 

IEEE 802.16j 

免牌照的频带上运作的无线 预计2008年发布 

网络系统标准 

宽带无线接入系统空中接口 预计2009年发布 

移动MIB标准 

WiMAX架构标准 未定 

IEEE 802.16k 兼容WiMAX局域和城域网 预计2010年发布 

络MAC网桥,与802.16桥接 

的扩展标准 

IEEE 802.16m 兼容WiMAX和4G的新标准 未定 

在802.16系列标准中,目前商用的标准主要有两种:IEEE 802.16d和IEEE 802.16e, 

即固定WiMAX和移动WiMAX。表2给出了IEEE 802.16d和IEEE 802.16e标准参数的 

比较。 

表2 IEEE 802.16d和IEEE 802.16e标准参数比较【 l 

技术参数 

于载圾数 

802.1 6d 

256(0FDM) 

802.1 6e 

256(0FDM) 

2048(0FDMA) 

带觅(MHz) 

数段(GHz) 

1.75—2O 

2—1 1 

128、512、1O24、2O48 

(0FDMA) 

l。25—2O 

<6 

移动 I生 

传输技木 

崮定或慢携 甲f艮牛速 <12Okm/h) 

单载扳、OFDM 

|耻力 多0FDMA耋吉台。l uMA(上:}丁)、TDM(卜 丁) 

数谱分凹 单位 于1看j重 

上力瓦 FDD或TDD 

I【I睾僵逯翠 75(20MHz) 15(5MHz) 

(Mbit/s) 

买际奋吐量 38(1OMHz) 6—9(阜运卜) 

(Mbit/s) 

侧 U7Y ̄-K 

佰j笪编码 

链踞目j直厦 

小 l甘J切抉 

增强型坟木 

QPSK、16QAM、64QAM 

巷枳码、坎Turbo 、巷枳Turbo ̄、LDPC 

码 

AMC、 ≮基j空帮U、HARQ 

/1、夏搿 又子子 

智再芝大线、_芏时 、至分多址、宏分榘 

(16e)、Me8h网络拓扑 

馁八控制 

QoS 

自’黾偎 ,

主动常霓分臼已、轮词、晃争後八相结合 

义泞UGS、Rt PS、Nrt PS席口BE4柙QoS等皲 

/1、夏搿 叉恃至 (Id1e)、唾甘氏便工弋 

802.16对物理层提出了四种协议,分别是:WirelessMAN—SC、WirelessMAN—SCa、 

WirelessMAN—OFDM和WirelessMAN—OFDMA,其中前两个协议基于单载波调制技术, 

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后两个基于OFDM技术。从表中可以看到,这两个标准的物理层规范基本一致,都采用 

了OFDM技术和OFDMA技术,主要区别在于后者对WirelessMAN—OFDMA进行了扩 

展。鉴于我国目前铺设的WiMAX网络大部分为固定WiMAX,并且移动WiMAX的物理 

层规范与固定WiMAX基本一致,下面我们详细介绍基于802.1 6d的固定WiMAX。 

3.2固定无线接入fljf 11 1。f 1 

图1是802.16d网络参考模型,包括了两个平面,数据/控制平面与管理平面。无线 

空中接口标准分别定义了MAC层和物理层。图2是802.16d网络体系模型,从图中可以 

看到,WiMAX网络体系包括核心网、用户基站(ss)、基站(Bs)、接力站 s)、用户终端 

设备(TE)和网管。 

(1)核心网络:WiMAX连接的核心网络通常为传统交换网或因特网。WiMAX提供 

核心网络与基站问的连接接口,但WiMAX系统并不包括核心网络。 

(2)基站:提供用户基站与核心网络间的连接,通常采用扇形/定向天线或全向天线, 

可提供灵活的子信道部署与配置功能,并根据用户群体状况不断升级扩展网络。 

(3)用户基站:属于基站的一种,提供基站与用户终端设备问的中继连接。基站与 

用户基站问采用动态适应性信号调制模式。 

(4)接力站:在点到多点体系结构中,接力站通常用于提高基站的覆盖能力,也就 

是说充当一个基站和若干个用户基站(或用户终端设备)问信息的中继站。 

(5)用户终端设备:提供用户终端设备的接入。但用户终端设备本身并不属于WiMAX 

系统。 

(6)网管系统:用于监视和控制网内所有的基站和用户基站,提供查询、状态监控、 

软件下载、系统参数配置等功能。 

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J 1 l 

标准范畴 

一一一一一一一一一一一I 广一一一一一一一一一一一一一 

I ●● 

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I 

- 

l I I 管理实体 

I 特定服务汇聚子层● -1 4- 

l I I 特定服务汇聚子层 

I I 

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公共部分子屠 I ●I 

● 叫 l+ 

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公共部分予层.’- 

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安全子层 ・ 一 |I 一 --氨萌嘻~-l 

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管理平面 

………一一 

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' , 

数据控制平面 

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图1 IEEE 802.16空中接口协议栈模型【 1 

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一 

TE 

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- 

TE 

图2 WiMAX体系结构【J8] 

T T# 

3.2.1固定无线接入的网络结构1 11 11 。1 

IEEE 802.16支持两种网络拓扑结构:一种是双向的点对多点(PM )网络结构,另 

外一种是网格(Mesh)网络结构。其中,Mesh网络结构在802.16d中是可选模式。Mesh 

网络和PMP网络的最主要的不同是:在PMP网络中,数据交换只发生在BS和ss之间; 

但是在Mesh网络中,数据交换也可以直接在两个ss之间进行。 

在PMP网络中,一个BS可以同时与多个独立的ss进行交互,其拓扑结构如图3所示。 

Bs采用划分扇区的天线,那么位于同一个频率或者扇区的所有ss接收相同的信息。下 

行链路以广播的方式进行工作,所有的ss只接收来自BS所有数据当中发往自己的那一 

部分。另一方面,所有的ss以按需的方式共享上行链路。如果ss有数据需要发送,首 

先发送宽带请求消息,BS根据ss提供的QoS参数,在可用带宽允许的情况下,根据所 

使用的服务类型,为ss分配一定的带宽。 

图3 PMP拓扑结构【J9J 

在Mesh网络中,能够提供接入骨干网服务的节点被称为Mesh BS,其余节点称为 

Mesh SS,除了上述节点,Mesh网络还有邻居节点、邻域节点以及扩展邻域节点。Mesh 

网络的拓扑结构如图4所示。 

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图4 Mesh拓扑结构[ 】【20】 

3.2.2固定无线接入的物理层技术I¨¨11 1 

前面已经提到,802.16对物理层提出了四种协议,本文重点关注后两个协议。由于 

目前尚未有成熟的IEEE802.16d的OFDMA技术芯片,因此目前大多数厂商倾向于采用 

OFDM方式作为IEEE802.16d的固定接入系统的物理层技术方案,即采用 

WirelessMan—OFDM协议。图5给出802.16d系统物理层仿真系统。 

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图5 802.16d系统物理层仿真系统【" 

从图中可以看到,物理层突发数据首先进行信道编码,信道编码包括随机化、FEC 

编码、比特交织和映射过程,其中FEC编码包括级联的RS卷积编码(RS—CC)。完成信 

道编码之后,将此时组成的符号通过IFFT转换,此后再加入循环前缀(CP),组成一个 

OFDM完整的符号。OFDM符号再经过成形滤波以及D/A转换,调制为带通信号后发 

送。在接收端,将接收到的数据进行A/D转换,再进行下变频和降采样滤波,以此得到 

基带数据。将处理后的数据首先进行帧检测,当模块检测到有帧到达的时候,启动同步、 

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信道均衡以及解码的过程。其中同步过程主要指时域的小数倍频偏估计、频域的整数倍 

频偏估计、符号定时误差估计,再经过信道估计之后,最终将得到的补偿修正过的数据 

进行与接收端一一对应的反操作,即解映射、解交织、解码等最终得到接收内容 。 

3.2.3固定无线接入的MAC层Il儿 

IEEE 802.16d协议在MAC层处理方面,下行方向主要实现将Intemet的IP数据流 

映射到MAC层连接上,然后通过物理层发往空中;上行方向就是接收物理层的信号, 

组装成MAC层PDU,然后转换为IP数据包发往Intemet。 

MAC层是面向连接的,所有ss的数据业务以及与此相联系的QoS要求都是在“连接” 

的范畴中实现的。每一个“连接”均由一个连接标识符(CID)来唯一地标识。MAC层包括 

了三个子层:面向业务的会聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层。 

(1)面向业务会聚子层通过业务会聚服务访问点向上面的外部网络数据提供服务, 

负责完成外部网络数据与CPS子层数据之间的映射。标准中定义了两种CS子层规范,以 

便与不同的上层协议进行接口,包括ATM CS子层及Packet CS子层。 

(2)公共部分子层提供MAC层的核心功能,包括系统接人、带宽分配、连接建立和 

维护等。它是提供服务质量(QoS),保证服务的关键。 

(3)安全子层通过一套加密算法包来对需要发送的数据进行加密操作,具备鉴权、 

安全的密钥交换以及加密等功能,802.16d标准的安全子层由数据包的加密封装协议和密 

钥管理协议两个部分组成。802.16d通过加密ss和BS之间的连接给用户提供秘密接入固 

定宽带无线网络的能力。 

4总结 

WiMAX宽带无线接入技术,正受到业界越来越多的关注。固定WiMAX已经在发 

达国家商用化,我国正处于铺设阶段。本文介绍了WiAX技术的特点和国内外应用情 M

况,对802.16标准体系的发展做了简单梳理。重点介绍了固定WiAX,从系统角度对 M

固定WiMAX的网络体系,物理层技术以及MAC层协议做了介绍。 

参考文献 

[1】彭木根,王文博等.下一代宽带无线通信系统OFDM&wIMAx.北京:机械工业出 

版社.2007 

[2】曾春亮,张宁等.WIMAX]802.16原理与应用.北京:机械工业出版社.2007 

【31 http://www.WlMAXforum.cn/,2007,8,1 5 

[4】http://www.WIAXfMorum.org/home/,2007,8,1 5 

[5】http://www.ccidcom.com/China3G/Tech/200706/2002 1.html 

[6]http://tech.sina.com.cn/t/2007-04-17/23201470170.shtm—l 

 65746537

32.shtml 

[7]http://news.newhua.com/html/Net

news/2007-./26/07726101

[8 ht8]tp://www.cnii.com.c ̄20060529/ca36 1 767.htm 

html 

[9]http://news.ccidnet.com/art/1032/20061207/969897

1.

[10】http://www.wimax.org.cn/thread-1669-1-1.html,2007,8,15 

[11】IEEE 802.16—2001,IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16:Air 

Interface or fFixed Broadband Wireless Access Systems[S】,2002 

——

_

40 

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[12]IEEE 802.16a,IEEE Standard orf Local and metropolitan area networks Part 16:Air 

Interface or fFixed Broadband Wireless Access Systems.Medium Access Control 

Modiifcations and Additional Physical Layer Speciifcations for 2—1l GHz fS1,2003 

[13]IEEE 802.16—2004(Revision ofIEEE 802.16.2001),IEEE Stndard faor Local and 

Metropolitn aArea Networks Part l 6:Air Interface orf Fixed Broadband Wireless Access 

Systems[S】,2004 

f1 4】IEEE 802.1 6e,IEEE Stndard faor Local and Metropolitn Araea Networks—Part 1 6:Air 

Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems—Amendment 2: 

Physical nd Mediaum Access Control Layers for Combined Fixed nd aMobile Operation 

in Licensed Bands[S】,2006 

[15] 曹淑敏.宽带无线移动通信技术发展现状及趋势信息产业部电信研究院(CATR), 

中国通信标准化协会(CCSA).2005 

[16】吴军力,侯晓林,尹长川,乐光新.瑞利衰落信道下OFDM系统多址接入方案的性 

能比较.重庆邮电学院学报.2004 

【1 7]E.Kurniawan,A.S.Madhukumar,Francois Chin.PERFORMANCE ANALYSIS OF 

BROADBAND WIRELESS ACCESS SYSTEMS WITH ANTENNA SELECTION.The 

1 7th Annual IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio 

Communications(PIMRC’06) 

[18】王建峰,黄国策.WiMAX网络体系结构及其应用模式探讨.移动通信.2006 

f19】杨瑶.Wimax Mesh模式安全机制研究.计算机工程与应用.2007 

[20]刘觅,彭木根,王文博.基于IEEE 802.16标准的Mesh机制研究.数据通信.2005 

f21J彭木根,王英杰,王文博.宽带无线Mesh网络的应用与挑战.数据通信.2007 

[22】胡豪.WiMAX系统的软件无线电设计实现.浙江大学硕士学位论文.2006 

[23]牛虹,宋家友.IEEE802.16d固定宽带无线接入技术及应用.微计算机信息.2006 

4】 

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