【IT168 技术文档】WiMAX存在IEEE802.16d（固定版）和IEEE802.16e（移动版）两个版本，由于802.16d只支持固定宽带无线应用，商业模式主要是对固定接入手段的有效补充，已经不是BWA市场发展的重点；而802.16e全面支持固定、便携、以及移动模式下的各种应用，代表WiMAX技术发展的方向。加上16d和16e互不兼容， Intel、西门子、摩托罗拉、诺基亚、三星、阿尔卡特、北电等国际主流厂商都已确定802.16e为其主导产品标准；中兴、华为等国内主流厂商也将802.16e作为重点。因此本文主要对基于802.16e的WiMAX系统进行分析。

　　一、WiMAX关键技术及其优缺点

　　本部分对WiMAX系统中采用的OFDM/OFDMA以及MIMO两项核心技术进行客观分析。

　　1.1 OFDM/OFDMA

　　正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是WiMAX宽带无线接入系统的核心技术之一。OFDM 是目前已知的频谱效率最高的一种多载波传输技术，它将高速数据流经串/并变换分解成若干低速子数据流，并行调制到频谱相互重叠，但在符号周期上正交的多个子信道上。OFDM的基本原理和频谱特点分别如图1和图2所示。

　　OFDMA是WiMAX 802.16e系统采用的多址技术，OFDMA在OFDM的基础上采用多个子载波（sub-carrier）捆绑为1个子信道（sub-channel）的方法，可以使无线频谱资源得到灵活使用。

　　OFDM/OFDMA具有以下优点。

　　1、抗多径干扰能力强

　　OFDM子数据流的码元周期远大于原始数据流的码元周期，抗多径信道时延弥散能力大大提高（图3）。尤其适合多径干扰严重的城市地区。

　　在图3中，高速原始数据流经过多径信道后，相邻符号相互重叠，产生了严重的码间干扰（ISI）。而经过OFDM调制后，各子数据流没有产生ISI。

　　2、频率利用率高

　　由图2可见，OFDM各子载波的频谱相互重叠，其频带利用率约为传统单载波调制的2倍。也就是说在相同的带宽下，OFDM提供的数据速率约为传统单载波调制的2倍，这也是WiMAX系统数据吞吐量高的主要原因之一。

　　3、易于DSP实现低复杂度的接收机

　　模拟OFDM调制实现起来非常困难，1971年Weinstein等人提出用离散傅立叶变换（DFT）完成OFDM信号的调制和解调，进一步可以采用快速傅立叶变换（FFT）并用数字方式实现，从而有效地降低系统的复杂度和成本，促进了OFDM技术的实用化。近年来，数字信号处理（DSP）理论和技术以及超大规模集成电路（VLSI）技术的发展极大地促进了OFDM技术在宽带数据传输和消费类电子产品中的应用。

　　OFDM/OFDMA技术本身也存在一些缺点。

　　1、峰均比（峰值功率/平均功率）较高

　　峰均比高导致终端功耗较大，而且需要采用线性范围大的功率放大器，为开发手持型终端以及降低终端成本带来较大的挑战。这也是WiMAX 802.16e迟迟不能推出手持型终端的一个重要原因。

　　2、对子载波频偏敏感

　　此外，OFDM必须保证子载波之间的正交性，对频偏非常敏感。终端与基站做相对运动时，多普勒效应会引起无线频率的变化。

　　(1)

　　式(1)中，Δf为最大多普勒频移，v为相对运动速率，c为光速，fc为载波频率。例如载波频率为2.5GHz，终端相对基站以120km/h移动，产生的最大多普勒频移为278Hz，这时系统吞吐量将严重下降。也就是说OFDM技术对移动性支持较差，这也是WiMAX 802.16e系统不支持高速移动的重要原因之一。

　　1.2 MIMO

　　在发射端和接收端分别安装M阵元和N阵元的阵列天线，只要阵列天线各阵元之间的距离足够远，就可以认为在发射端和接收端之间建立了M×N条独立同分布的空间信道（图4），从而在空域引入了冗余，实现空间分集，这也就是所谓的多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术。

　　MIMO技术最大的优势在于能够在不增加系统带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信系统的数据速率，是WiMAX系统的又一核心技术。从理论上讲，在带宽一定的条件下，系统数据速率可以随M和N的增大无限增加下去。

　　MIMO技术的最大缺点在于要求各阵元之间的距离足够远，至少要求天线各阵元之间的距离大于1/4载波波长。例如载波频率为2.5GHz时，要求各阵元之间的距离最小为3cm。这一要求在基站侧容易实现，而在手持终端上安装2根以上天线比较困难，从而限制了系统数据速率进一步提高。

　　本部分对WiMAX802.16e系统三个重要指标--系统吞吐量、覆盖范围、移动性--进行分析。

　　2.1 WiMAX 802.16e系统吞吐量分析

　　WiMAX 802.16e系统吞吐量S的计算公式如下：

　　(2)

　　式(2)中，Nb为1帧中的信息比特数，Tf为帧长。

　　以带宽为5MHz的WiMAX 802.16e系统为例，系统帧长Tf=5ms。只要算出1帧中的信息比特数，通过式(2)就能得到系统的吞吐量。

　　根据IEEE802.16-2005规范，1个OFDM符号的周期为100.8μs（其中OFDM循环前缀CP＝1/8），1个5ms的帧中共有49个OFDM符号；1个OFDM符号包含384个数据子载波；每个子载波承载一个经过编码的QAM符号。

　　WiMAX 802.16e系统支持的最高调制阶数为64QAM、最高编码效率为3/4。这时1个数据子载波承载的数据比特数为：  个。

　　容易得到1个OFDM符号承载的数据比特数N1=384×4.5=1728个。

　　WiMAX 802.16e典型帧结构如图5所示。

　　从图5可见，802.16e帧的下行开销包括Preamble（前同步头）、FCH（帧控制头）、DL_MAP、UL_MAP（上下行MAP消息）合计约3个OFDM符号；上行开销包括ACK（应答）、CQI（信道质量指示）、Ranging（测距）合计约2个OFDM符号，那么1帧中用于传输有用户数据信息的共有44个OFDM符号。

　　容易得到1帧中的信息比特数Nb=44×1728=76032个。根据式（2）得到5MHz带宽的WiMAX 802.16e系统的理论最大吞吐量S=76032 bits/5×10-3 s=15.2Mbps。

　　2.2 覆盖能力分析

　　众所周知，无线覆盖取决于链路预算。不妨将WiMAX 802.16e系统配置为：基站采用8阵元天线，每阵元输出功率为1W（30dBm），基站天线增益为18dBi；终端类型为CPE，发射功率250mW（24dBm），CPE天线增益为8dBi。系统上下行的链路预算如下表所示。

　　表1 WiMAX 802.16e系统典型链路预算

　　通过上表可以得出，上下行允许的最大路径损耗分别为167dB和162dB。扣除对数阴影衰落裕量8dB以及与室内覆盖间建筑物穿透损耗10dB，WiMAX 802.16e系统的上下行链路预算分别为149dB和144dB。即，在采用固定式CPE终端的条件下，WiMAX 802.16e系统的链路预算约为144dB，比3G系统约高15dB，其基站覆盖范围比3G基站大。

　　需要指出的是，如果针对移动手持终端（天线增益减少10dB，发射功率减少3dB），那么WiMAX 802.16e系统的链路预算与3G系统相当。如果像3G那样建设覆盖全城的WiMAX 802.16e移动网络的话，基站覆盖范围可能与3G相当。

　　2.3 移动性分析

　　IEEE802.16-2005已经定义了WiMAX空中接口的物理层和MAC层，其中也定义了支持移动性的各种MAC消息流程。全移动能力光有空中接口部分是不够的，还需要高层协议和核心网的支持，而WiMAX 802.16e MAC层之上采用的协议以及核心网部分尚待完善，暂时还不能构成一个完整的移动通信系统。

　　三、小结

　　WiMAX采用了OFDM/OFDMA以及MIMO等先进技术，无线频率利用率较高（3bps/ Hz），能够在有限的带宽内提供较高的数据吞吐量（15Mbps/5MHz）。网络进行热点覆盖时，基站能够覆盖较大的范围，而且网络可以提供部分的移动性。

　　从OFDM技术本身来看，不支持高速移动，加上WiMAX 802.16e移动网络结构还有待完善，因此近期还不能提供全移动模式下的各种应用。采用OFDM和MIMO技术的手持型终端的推出也面临功耗和成本的挑战。就目前来看，WiMAX提供的主要业务应该是具有一定移动性的宽带数据业务，最初的终端类型为室内/室外型CPE以及PC卡，手机和PDA终端的推出可能还需要一段时间。