移动WiMAX系统（精选7篇）
移动WiMAX系统 第1篇
一、移动Wi MAX系统的相关内容
所谓Wi MAX, 也被称作为全球互通微波存取, 是一种无线网络宽带接入技术, 在无线网络通信中占有重要的地位。这种技术所需要的成本费用比较低, 在日益激烈的无线宽带市场中占有一席之地, 具有其独特的优势, 成为各大企业和供应商纷纷采用的技术之一。移动Wi MAX系统不仅在欧美地区广泛应用, 在亚洲地区的应用也有所成效。移动Wi MAX系统是一种主要应用于城域网的高速无线网络, 可促使不同厂商之间相互操作, 为其互操作性提供重要的保障。移动Wi MAX系统能够提供多项服务, 成为商业发展中必不可少的计算机网络信息技术, 为商业活动和企业生产提供了重要的互联网数据。移动Wi MAX系统是效果十分好、性能比较高的蜂窝网络, 其能够迅速地与各处的宽带覆盖区相连接, 另外其还能以移动电话服务的形式来实施宽带服务。作为一种城域网技术, Wi MAX以开放标砖为基础, 确保处于宽带覆盖区域内的任何一处都能连接到网络, 以为广大群众提供优质的网络服务, 满足人们对网络的需求。移动Wi MAX系统是一种新兴的、具有较大竞争优势的宽带无线网络, 其在高级无线技术的基础上进一步发展, 以加快信息传输的速度, 提高信息传输的容量。
二、移动Wi MAX系统中AMC技术分析
2.1自适应调制编码技术
在移动Wi MAX系统中, AMC技术即自适应调制编码技术是最为关键的技术之一。自适应调制编码技术主要是以无线信道的变化状况为依据, 来选择合适的调制和适宜的编码。采用AMC技术, 可以全面了解用户信息传输通道的状况, 并且据此来选择最合适的下行链路调制, 选用恰当的编码方式, 以确保用户的信息传输速度和容量, 提高数据吞吐率。自适应调制编码技术实施的前提条件是保证误比特率性能, 在此条件下对无线通信环境进行分析, 以动态的改变发送端的星座图大小、编码方案和发送功率等。
2.2自适应调制编码技术的性能仿真
在移动Wi MAX系统中, 可根据高阶调制编码方式和低阶调制编码方式来实施链路级仿真, 以分析这两种调制编码方式的性能。据试验发现, 当使用高阶调制编码方式的时候, 必须保障良好的信息传输通道环境, 以确保AMC技术发挥出更好的性能;当使用低阶调制编码方式的时候, 无论是条件较好或是较差的信道, 都能体现出AMC技术的性能, 但是在较差的信道条件中, 信息传输的速度比较慢。通过自适应调制编码技术, 对移动Wi MAX系统进行仿真, 根据试验发现, 当信息传输的速度达到每小时三千米的时候, 无论是上行链路还是下行链路, 用户所采用的MCS与CQI成正比。
2.3自适应调制编码技术受衰落的影响
在移动Wi MAX网络中, AMC技术会受衰落的影响, 主要来自于两个方面:一个是慢衰落的影响, 一个则是快衰落的影响。据分析可发现在Wi MAX系统中, 两种子信道的分配方式都受慢衰落的影响。当时间的相关性越高时, 信道的相关性也就越高。但是总的来说信道并未因时间因素而产生较大的变化。快衰落中不仅频率选择性衰落对信道相关性影响比较大, 而时间选择性衰落也同样对其产生了较大的影响。但是, 这两种衰落在对移动Wi MAX系统中的分布式子载波排列有着不同的影响。从时间选择性衰落角度来看, AMC技术必须保证其反馈时间比较短才能充分体现其性能;从频率选择性衰落角度来看, AMC技术必须减小信噪比估算与实际的误差, 以保障自适应调制编码技术的性能。
三、结束语
Wi MAX是我国无线宽带接入技术中的一种, 与其他技术相比, 移动Wi MAX网络的速率比较高, 信息传输的距离比较远, 涵盖的信息容量更大一些, 在运用上也较为灵活。移动Wi MAX技术中的AMC技术十分重要, 其对Wi MAX网络的信息传输速度具有重要的影响作用。为保障移动Wi MAX系统高速而稳定的运行, 必须加强对AMC技术的创新和改进, 以使其更好的应用于Wi MAX系统中, 提高AMC技术的性能。
参考文献
[1]邹伟.LTE自适应调制编码技术研究[D].南京邮电大学, 2011
[2]刘炀.WiMAX系统物理层传输技术研究与改进[D].北京邮电大学, 2009
[3]包灿.WiMAX标准和实现方案研究[D].南京邮电大学, 2010
移动WiMAX系统的增强无线技术 第2篇
802.16是IEEE关于无线城域网的一系列技术标准, 2005年底IEEE批准802.16e对802.16d标准的修订成为WiMAX (World Interoperability for Microwave Access) 演进过程中的一个重要里程碑, 它增加了支持移动性标准所需的特征和属性, 称为移动WiMAX[1]。它使用宽带无线接入技术和灵活的网络结构, 成功的融合了移动和固定宽带网络。移动WiMAX的空中接口采用可升级的OFDMA (scalable OFDMA, SOFDMA) , 不但能够改善非视距传播环境时多径的性能, 还能够适应带宽从1.25MHz到20MHz的变化。本文将介绍移动WiMAX所应用的部分无线技术:多天线技术、软频率复用技术。
2 多天线技术
由于一般常用矢量或矩阵表示接收端和发送端间的信号和链路属性, 而宽带系统中的可分辨多径较多, 多天线技术会引入复杂的矢量或矩阵运算。移动WiMAX所采用的OFDMA技术能够使得对于每一个子载波信号来说, 矢量信道是平坦衰落的。这使得发送端和接收端不需使用复杂的结构或均衡方式去解决频率选择性衰落的问题, 而使得多天线信号处理的复杂度大大降低。因此OFDMA能很好地支持多天线技术。移动WiMAX具有多种多天线技术来提升系统性能。
2.1 下行链路 (DL) 的波束成型
通过波束成型, 系统在接收端和发送端对信号进行多天线处理, 能够提高系统的覆盖和容量, 并且降低中断概率。波束成型一般需要两根天线以上, 移动WiMAX中基站的标准配置是4根天线, 并需要为上行接收和下行发送确定天线权重因子, 而移动台在下行接收中一般只配置1～2根天线, 而在上行发送中只配置1根天线。由于并没有限制基站天线阵元和基站的信号发送算法, 移动WiMAX可以有多种波束成型方案供选择。
2.2 下行链路 (DL) 的空时编码
移动WiMAX在下行链路支持空时编码。在收发都是2根天线的条件下可以实现最简单的空时编码。空时编码是一种实现开环发送分集的优良技术, 而由于在移动WiMAX中移动台标配有2根接收天线, 所以这种优势更容易体现。另外, 空时码在所有的传播环境中都能实现优良的性能, 它并不要求传输信道质量达到MIMO信道质量标准。在波束成型的应用场景下, 每一个空间数据流将会通过每个子载波上的OFDMA符号来传播。空时编码不能使链路的吞吐量增大, 这是因为在一个子载波上它是用两个OFDMA符号来传输两条空间数据流。
2.3 下行链路 (DL) 的空间复用
分层空时码 (Layer Space-Time Codes) 最早是由贝尔实验室的Foschini等人提出的, 其基本思想实在不同的天线上发射不同的数据流, 采用MIMO结构实现并行数据无线传输, 称为BLAST (Bell-laboratories Layered Space-Time Architecture) 。
其基本原理是将输入的信息比特分解成多个比特流, 独立的进行编码, 然后映射到多根发送天线, 接收端利用各个子信道因多径衰落而产生的不同特性来提取信息。根据信源消息与发射天线之间的映射关系, 可以将分层空时码 (LSTC) 分为水平、垂直和对角3类。分层空时码在解码时只利用了信道消息, 它的性能在很大程度上依赖于对信道的衰落环境和信道衰落特性的估计。虽然分层空时码 (LTSC) 的频带利用率比较高, 但是这是以部分分集增益为代价换来的。分层空时码 (LSTC) 要求接收天线数至少等于发送天线数, 这在实际中是个难题。实际上, 在分层空时结构中, 多发射天线用来实现高数据速率, 多接收天线用来进行空间多路信号的干扰抵消。
空间复用的优点为具有更高的峰值速率和增加覆盖范围, 峰值速率通常用于描述信道容量, 该指标对于比较不同移动通信系统的容量是一个很好的度量标准。
理论上用22的MIMO收发信机, 即2根发射天线, 2根接收天线, 采用空间复用技术可以增加2倍的峰值速率。通过空间复用, 两数据流可以在每个子载波的一个OFDMA符号上传送。因为移动台接收机也配备了两根天线, 它能够把两条数据流分开实现相对于单天线、波束成型以及空时码更高的吞吐量。
2.4 上行链路 (UL) 的协作空分复用
对于多用户MIMO的上行链路, 存在一种特殊的形式, 即每个用户终端只有一个天线, 但是它们之间存在一定协作的情况。移动WiMAX中已经采用了这种技术, 并将其称为协作空分复用 (CSM, Collaborative Spatial Multiplexing) [1,2]。
目前WiMAX、3GPP LTE、EDGE标准中所提到的协作MIMO, 都只能应用于上行链路, 而且两个移动台合作同时向基站发送数据, 而移动台之间是没有相互发送数据的 (即不存在relay) 。移动台在向基站发送数据的同时, 相互之间也发送数据这种类型的虚拟MIMO目前尚没有出现在任何标准中。
在上行中, 每个终端用户配备了1根发送天线。假设已经通过某种调度算法动态的将两个单天线发送的用户配成一对, 为了增强上行传输的性能, 两个用户可以在分配到的相同的频率和时间上进行协作传输, 这就如同是从同一个用户的2根天线发送的空分数据流。在这种情况下, 一个用户应该使用pattern A的UL title结构, 另一个用户使用pattern B的UL title结构。同非MIMO系统一样, 发射数据被编码、交织并映射到时频资源上。也就是说, 这两个用户将数据映射到相同的子载波上共享同一频率资源同时通信 (CSM) , 而此时其他用户可以通过将数据映射到与此不同的子载波上进行通信 (OFDMA) 。这就提高了整个系统的频谱利用率和即时的吞吐量。
接收端用相应的接收机接收, 比如MMSE (3GPP R1-051422便是采用MMSE) 。与ZF和ML相比, MMSE在接收性能和复杂度方面有一个比较好的折中, 是一个不错的选择。
3 软频率复用技术
移动Wi MAX采用蜂窝小区的网络拓扑结构, 但OFDM技术在蜂窝小区布网时, 最大的问题是小区边缘用户由于受邻小区干扰太大, 不能满足业务QoS需求。作为干扰协调技术的一种, 软频率复用可以较好的解决此问题[3]。
移动WiMAX支持一个频率的复用, 即为了使频谱效率最大, 所有的小区或扇区工作在相同的频率上。然而由于使用单一频率存在严重的共信道干扰 (Co-channe Interference, CCI) , 小区边缘用户的连接质量下降。对于移动WiMAX用户, 用户工作在子载波, 只占用全部信道带宽的一小部分。小区边缘的干扰问题可以比较容易的通过适当配置子载波的使用来解决, 而无需使用传统的频率规划。
软频率复用是指在小区中心区域的频率复用因子为1, 而在小区边缘区域的频率复用因子大于1。软频率复用通过对小区边缘的用户进行频率复用, 提高了这类用户的信噪比, 从而也提高了这部分用户的传输速率, 提高了公平性。
在本文的分析中, 我们将下行30个子信道中的10个用于专门承载小区边缘用户, 把这类用户划为major组;把其余的20个子信道用于专门承载小区中心的用户, 把这类用户划为minor组。
如图1所示, 处于小区中心的用户占用minor组子信道, 处于小区边缘的用户占用major组子信道, 并将各个小区的major组子信道相互不重叠以减少小区边缘干扰。
在软频率复用中, 分别设定major和minor这两组子信道的最大发送功率, 每一个子信道上的功率都不能超过这个值。一般情况下, major组的发送功率要高于minor组。Major组的子载波能够覆盖整个小区, 而minor组的子载波只能覆盖小区的内部。设定Power Ratio (PR) 表示minor组最大功率限和major组最大功率限的比值。当PR从0变到1时, 复用因子由3变到1。
通过调节PR, 软频率复用可以适应各个小区的业务分布。当小区边缘业务量大时, PR需要设定较小 (major组的比重大) 来获得小区边缘高传输速率。反之当业务主要集中在小区内部时需要将PR设定得较大[4]。
4 总结
通过加入移动特性, 一方面, WiMAX可以像原来设想的那样, 作为服务供应商和电信商最后一公里接入的技术手段, 同时还可成为运营商们搭建语音和数据骨干网络的主流技术。移动WiMAX考虑到在不同的信道条件下获得最优性能, 支持在多天线可选技术中的自适应转换。移动WiMAX引入了有别于传统频率复用技术的软频率复用技术, 可以改善边缘用户的连接质量, 支持多样的多播和广播业务。作为移动和固定宽带网络融合的宽带无线解决方案, 在宽带移动网络的演进过程中, WiMAX必将发挥重要的作用。
摘要：本文从多天线和干扰协调调度两个方面介绍移动WiMAX系统的增强无线技术, 特别介绍了多天线技术中的协作空分复用和干扰协调技术中的软频率复用。
关键词：移动WiMAX,多天线,协作空分复用,软频率复用
参考文献
[1]WiMAX Forum?Additional technical details supporting IP-OFDMA as an IMT-2000terrestrial radio interface.Revision1to document8F/1079-E, 10January2007
[2]殷勤业等.协作分集:一种新的空域分集技术[J].西安交通大学学报, 2005, 39 (6) :551-557
[3]R1-050507.Soft Frequency Reuse Scheme for UTRAN LTE.Huawei
移动WiMAX系统 第3篇
随着现代通信网络技术的发展和电信业务的日益丰富, 用户宽带接入技术受到了越来越多的关注。一方面, 传统的固定宽带接入用户越来越不满足于固定宽带业务, 希望宽带服务能延伸到移动环境。另一方面, 传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信等低速服务, 而希望能享受到宽带服务。宽带移动化和移动宽带化使得宽带服务和移动服务逐渐融合。在众多的移动宽带技术中, WiMAX由于其性能上的优点得到了普遍的关注, 被誉为是“超级连接世界的真正无线宽带”[1]。
WiMAX (World Interoperability for Microwave Access, 微波接入全球互通) 是一种基于IEEE802.16-2004标准的宽带无线技术, 最初该技术仅定位于固定的宽带无线接入。基于802.16e的第二代WiMAX是支持移动特性的标准, 是一项基于IEEE802.16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环境下可有效地互通的宽带无线接入方案。
2 WiMAX的主要技术
由Shannon公式, 信道的极限信息传输速率C (bps) =Wlog2 (1+S/N) , 即实际带宽是最大数据传输速率与带宽利用率的乘积。提高实际带宽可以有三种方法:第一是增加带宽的利用率。相对于当前广泛使用的CDMA技术, WiMAX使用的是OFDM技术, 可以有效的提高信道利用率。第二是提高频率。第三是增加信噪比, 由于信噪比进行了取对数运算, 增加信噪比可谓事倍功半。
可见, 提高频率是增加带宽最直接有效的办法。在Wi MAX技术中, 802.16d标准使用在无线城域网, 采用低于11G的工作频段, 数据传输速率达到75Mbit/s, 而802.16e标准, 使用在移动无线局域网, 工作频段为采用2~6GHz, 数据传输速率达到30Mbit/s。再结合移动蜂窝技术, WiMAX技术的主要思路就比较清楚了, 它使用高频段和高发射功率, 从而获得比传统移动电话更高的带宽, 比WLAN技术更大的覆盖范围。具体的, WiMAX使用了下面所述的几种主要技术。
2.1 OFDM/OFDMA
WiMAX引进了正交频分复用 (OFDM) 和正交频分复用多址 (OFDMA) 技术。OFDM的基本思想是把信道分成若干正交子信道, 将高速数据流转换成并行的低速子数据流, 分配到每个子信道上进行传输。
在 (OFDM/OFDMA) 中, 频谱被分成许多的子载波, 子载波采用QPSK或QAM调制。通过采用多输入多输出 (MIMO) 技术, 每个天线发射不同的数据, 以增强信号通道吞吐量, 能够为用户提供4Mbit/s~70Mbit/s的数据速率。
2.2 HARQ技术
混合自动请求重传 (HARQ) 是在自动请求重传 (ARQ) 系统中混入和前向纠错编码 (FEC) 子系统。ARQ具有简单、可靠性高的优点, 但它的效率低、时延大。FEC则有效性较高, 但可靠性比ARQ低, 而且复杂度也较高。HARQ技术综合ARQ和FEC的优点, 可以自适应地基于信道条件提供精确的编码速率调节, 并补偿由于采用链路适配所带来的误码, 以提高系统性能。发送端发送的编码不仅能检错, 还具有一定的纠错能力, 这在一定程度上避免了FEC要求复杂的译码设备和ARQ信息连续性差的缺点, 误码率较低。
2.3 AMC技术
自适应调制编码 (AMC) 技术中的自适应是指当信道状态发生变化时, 发射端的发射功率保持不变, 调制和编码方式随信道状态变化而自适应的改变, 由此能在不同的信道状态下获得最大的吞吐量。在现代移动通信中, 系统拥有多种物理层 (PHY) 可供选择, 自适应调制编码就是根据信道的不同条件选择适当的PHY传输模式以达到最大的吞吐量。
WiMAX中的AMC技术必须根据WiMAX的技术特征来实现AMC功能。WiMAX物理层采用了OFDM技术, 时延扩展、多普勒频移、PAPR值、小区的干扰等信道因素对于OFDM解调性能有重要的影响, 这种影响在AMC算法中必须被考虑, 以调整系统编码调制方式, 达到系统瞬时最优性能。
2.4 MAC层技术
WiMax基站通过灵活的帧结构提前安排好了用户的传输过程, 从而能够为大量的用户提供接入服务。用户在首次连接到信道之前, 需要做一次先后接入顺序的处理。IEEE802.16标准中MAC层是为了实现无线宽带接入而开发的, 为了满足无线宽带更高的速率要求和更多样性的服务质量 (QoS) 要求。802.16标准的MAC层通过上行链路和下行链路的自适应分配, 为用户提供了QoS服务。MAC层定义了较为完整的QoS机制。在每一个信道中, 允许不同的用户共享每个终端, 用户可以根据自己的带宽和延迟情况调整QoS服务。802.16标准的MAC层的协议将是兼容性很强和高效的一种协议, 在中远距离高速率传输的无线宽带竞争中占有技术的优势。
在WiMax标准中, 针对不同的连接, MAC层可以分别设置不同的QoS参数, 包括速率、延时等指标。WiMax系统所定义的4种调度类型只针对上行的业务流。对于下行的业务流, 根据业务流的应用类型只有QoS参数的限制 (即不同的应用类型有不同的QoS参数限制) 而没有调度类型的约束。WiMAX系统定义了业务流的服务质量参数集, 提供面向链接的QoS保障。WiMAX支持固定速率、实时可变比特率 (VBR) 、非实时可变比特率、尽力而为四种业务类型, 这种差异化服务可以很好提供QoS服务。
2.5 快速蜂窝选择FCS
使用FCS, 确定“最好的”蜂窝不仅要考虑无线信号传播的条件, 还要考虑Activeset中小区的功率和码字空间的资源。有很多小区基站处于activeset, 但只有最适合的基站允许发送, 这样可以降低相互干扰, 提高系统容量。在较远的边缘处, 每条子信道的质量都比较低, 使用FCS策略可以选择一个服务小区, 使得链路的质量相对稳定。
2.6 安全性
为增强无线传输系统安全性, IEEE 802.16在MAC层中定义了一个保密子层来提供安全保障。保密子层主要包括两个协议:数据加密封装协议和密钥管理协议 (PKM) 。
3 WiMAX的性能特点
做为宽带无线接入的选择方案, WiMax有自己的技术优势:
3.1 远距离传输
WiMax的无线信号传输距离最远可达50公里, 是无线局域网所不能比拟的, 其网络覆盖面积是3G (3rd Generation) 基站的10倍, 只要建设少数基站就能实现全城覆盖, 这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。
3.2 高速宽带接入
WiMax所能提供的最高接入速度是70M, 是3G所能提供的宽带速度的30倍。WiMax采用与无线局域网标准802.11a和11g相同的OFDM调制方式, 因为WiMax可通过室外固定天线稳定地收发无线电波, 所以承载的比特数高于11a和11g。WiMax可实现74.81M的最大传输速度。
3.3 无“最后一公里”瓶颈限制
最后一公里的接入一直是制约通信网络发展的瓶颈, 随着无线通信技术的发展, 宽带无线接入逐渐成为用户新的选择。WiMAX具有频谱高效、覆盖面大、吞吐量高等特点, 可以将Wi-Fi热点连接到互联网, 解决用户的高速无线接入问题, 可以作为有线接入网络的无线扩展技术, 实现最后一公里的宽带接入。
3.4 多媒体通信服务
WiMax比Wi-Fi具有更好的可扩展性和安全性, 从而能够实现电信级的多媒体通信服务。高带宽可以将IP网的缺点大大降低, 从而大幅度提高VoIP、视频点播、网络电视的QoS。
目前, 这类应用在国外已经进行了试验检测。为各类车辆内的乘客提供高速移动状态下的多媒体服务、定位服务。如在城铁、地铁、公交车、火车上为乘客提供高速网络互动、到站提示、车辆定位、实时影视、广告等各类服务。
4 WiMAX应用推广及其关键问题
WiMAX论坛下的CPWG (Contribution to Service Provider Working Group) 工作组在2004年12月的WiMAX网络规范要求中把WiMAX网络所支持的应用分为三类, 分别是:普通IP应用, 高级IP应用和非IP应用。
在普通IP应用中支持非实时IP应用, 比如FTP, e-mail, Web浏览, 远程访问VPN等。普通服务的特点是尽力而为服务, 即对这些服务没有确定的QoS保证。
在高级IP应用支持所有准实时应用, 比如音频/视频 (A/V) 流, VoIP, 多媒体IP会议, IMS (IP多媒体子系统) 应用, 定位和在场触发IP应用等。可管理的IP服务提供特定的SLA (ServiceLevelAgreements) , 包括QoS。并支持不同的计费策略。
在非IP服务兼容支持目前已有的短消息服务 (Short Message Service, SMS) 和多媒体信息服务 (Multi-media Message Service, MMS) 。
WiMAX是继3G和WLAN (Wireless Local Area Network) 之后又一项被业界寄予高度厚望的技术。作为一种面向最后一公里接入领域的无线LAN技术, WiMAX可以在多个宽带相关领域得到广泛应用。在不便于部署传统有线宽带接入技术的区域, WiMAX将作为有效的宽带接入选择。
5 无线宽带技术从竞争到融合
WiMAX应用的推广最关键的障碍不是在技术上, 而是在于没有分配确定的全球统一的频谱。世界各国各地区的无线电管治政策和频谱分配状况差异很大, 各自的标准都有很大区别, 要在全球范围内统一WiMAX频谱是比较困难的。在几乎寸土寸金的无线频段中, WiMAX技术想获得一个适当频段, 将会付出一些代价。如果频谱不统一的状况没有得到解决, WiMAX设备制造商就必须为不同国家和地区制造不同频谱的设备, 而且WiMAX将无法实现全球漫游。
WiMAX网络覆盖面积是3G的10倍, 传输速率可达3G的30倍, 具有一定的技术优势, 但这种优势并不是绝对压倒性的。这种优势还不足以推动WiMAX去全面替代其它无线宽带技术。另外, 从技术自身角度来看, WiMAX还不具备公众移动通信网络的广域漫游、安全特性、终端便携等移动特性。其竞争对手如3G、WLAN、Wi-Fi技术也将会在应用中发展提高, 不断地挑战WiMAX的技术优势。
当前, 各种无线宽带技术都不足以在市场上获得绝对的垄断地位, 但不同的技术互相融合已成为大势所趋, 从竞争走向融合也是现代无线通信技术发展的必由之路。
6 结束语
市场需要真正的无线宽带服务。而现有应用的大多数技术还不能向用户提供真正的无线宽带体验的服务, 一场大规模的技术演变和变革就势在必行。而WiMAX因为其自身技术上的优势, 而被业界寄予厚望。从目前的情况来看, WiMAX很有可能成为4G标准的组成部分。在这场变革中, 无论是在发达国家还是在发展中国家, WiMAX都有良好的发展前景。当然, 无论哪种技术成为最终的胜利者, 获益者都会是消费者。
参考文献
[1]黄节.WiMAX——超级连接世界的真正无线宽带.现代电信科技, 2007, 33 (9) :60~61
[2]孙天伟, 黄朝喜.WiMAX无线宽带接入技术应用与研究.广西通信技术, 2007, (3) :13~16
[3]徐玉.超宽带无线技术标准之争.电信科学, 2004, (3) :33~35
[4]黄晓宇, 刘望军.3G移动无线宽带技术与WiMAX性能分析.中国无线电, 2006, (2) :29~32
移动WiMAX系统 第4篇
IEEE802.11的无线局域网能够提供高达1 Gbit/s的传输速度,且使用无授权的频谱,具有较低的成本,主要用于飞机场、购物中心等公共热点区域。但是,无线局域网覆盖范围较低,高速移动用户频繁的切换将导致通信服务质量下降。WiMAX具有较大的覆盖面积,高速移动切换频率低,适合高速移动的用户需求。因此,结合WiMAX和WLAN可满足高速移动、高数据传输的需求[1]。目前,IETF RFC3375[2]定义的移动IP在网络层实现了移动用户的异构网络切换,但在切换中将导致时延大、丢包等引起移动用户可察觉的服务质量的降低,甚至移动用户服务的中断。IETF仅仅考虑了网络层的延迟,并未有效利用底层的信息。因此,笔者采用IEEE802.21工作组提议的介质独立切换(Media Independent Handover,MIH)服务,屏蔽不同MAC层的差异,实现异构网络的快速、平滑、无缝切换。
2 MIH介质独立切换
IEEE 802.21工作组提议在第2,3层之间定义介质独立切换(MIH)子层,屏蔽不同MAC层的差异,实现IEEE 802和非IEEE 802异构网络的快速、平滑、无缝切换。其次,MIH定义了新的链路层服务访问点(SAP)为链路层提供统一接口,独立于特定的接入技术。再者,MIH定义了一组为高层提供切换的辅助功能,增强了切换执行[3]。MIH功能通过服务访问点SAP提供3种类型的服务:介质独立事件服务(MIES),介质独立命令服务(MICS)和介质独立信息服务(MIIS)。MIH参考模型如图1所示。
MIES负责检测和报道本地接口和远程接口的事件,提供了底层到高层单向服务。这些事件表示物理层和链路层的特征、状态可能发生的变化以及预测即将到来的改变。MIES事件服务划分为2种:LINK事件,在链路层内产生接收于MIH功能(MIHF);MIH事件,MIHF发起传输到上层MIH用户。
MICS指参考模型的高层向低层发送的命令,主要用于高层管理和控制本地链路相关的切换操作,获取最佳切换性能及推动最佳切换策略,以及支持询问目标网络的资源状态。
MIIS提供异构邻居网络拓扑、网络特征以及可用服务的信息,其目的是获取移动节点感兴趣区域的所有异构网络信息,促进这些网络之间的无缝切换[4]。
3 WLAN/WiMAX切换方案
IETF MIP为网络层移动性管理协议,仅仅实现异构网络的网络层切换,对于影响无缝切换性能的网络选择和切换初始化并未包含于MIP协议。在IEEE 802.21协议中,本地MIHF和远程MIHF交互消息可以有效得到链路标识、有效链路、链路质量、资源分配、网络拥塞等多属性值,更适合异构网络多准则的网络选择;MIH事件服务可以有效指示链路质量,有效判断是否启动切换。此外,IETF MIPSHOP正在研究不同接入网络之间MIH消息的传输优化MIP切换性能;IEEE 802.11u定义了新的MAC会聚功能,协同IEEE 802.21提供不同协议层之间的服务,IEEE 802.16g扩展服务接入点,将支持MIH相关的原语[1]。因此,笔者以WLAN与WiMAX之间的垂直切换为例,详细描述MIH辅助MIP实现快速、平滑、无缝切换。移动节点MN能够在第一时间从网络接口获取相关信息,移动节点发起、网络辅助切换更适合异构网络,因此切换类型选为移动节点发起、网络辅助。其中,具有MIH功能的MN目前连接到WLAN网络,候选网络为WiMAX网络;MIIS为介质独立信息服务器,存储候选网络信息。基于MIH框架的WLAN/WiMAX切换流程如图2所示,切换信息的描述具体如下:
1)MN最初连接到WLAN网络,周期性监听网络端口。一旦MN接收到包含WiMAX接入点的信标时,询问自身MIHF模块周围候选网络的信息(消息1),MN MI-HF转发询问消息2到网络运营商(或第三方网络)的介质独立信息服务器MIIS。这些询问候选网络信息以消息3和4返回移动节点,包括网络接口、网络性能、网络经济成本、安全性等信息。
2)当移动节点L2预测到连接即将断开时发送消息5和消息6,指示在一段时间间隔内链路断开。此消息包含预测链路断开的时间间隔以及链路下降的原因。MN扫描候选网络状态,发现WiMAX候选网络,获取候选网络DL_MAP,UL_MAP,DCD,UCD参数。
3)MN L3使用消息7询问MIHF切换发起的候选网络资源,MIHF通过消息8到服务WLAN网络确定候选网络有效资源状态,服务网络与候选网络交互确定可用资源信息。消息8包含最小QoS资源需求、候选链路列表。消息9和10作为MN的响应信息,包含依次排序的首选候选网络列表。
4)在获得候选网络信息后,移动节点依据候选网络有效资源、用户喜好、成本等判决准则选择最佳的候选网络。移动节点切换到WiMAX接口,建立与WiMAX网络的新L2连接。消息11和12指示新链路可用,移动节点向WiMAX网络进行MIP注册、绑定更新、重定向IP信息流。
5)当切换在高层完成时,MN L3发送切换完成消息到MIHF,MIHF转发至候选网络指示切换的完成(消息13和14)。消息15和16释放WLAN网络中为MN分配的资源及移动节点相应的通信端口。消息17和18通知MN此次切换过程完成[4,5]。
4 切换性能分析
4.1 仿真场景
采用了NIST提供的移动性协议模块,此模块引入了MIH功能能够提供异构网络的垂直切换仿真。仿真场景如图3所示。其中,譸)表示发送端,(1)表示路由器,(3)表示WLAN接入点,(5)表示WiMAX基站;(2)表示多接口移动节点,包含WLAN接口(节点(4))和WiMAX接口(节点(5))。譸)和(1)、(1)和(3)、(1)和(5)为有线连接,(3)和(4)、(5)和(6)为无线连接。节点譸)以0.1 s时间间隔发送分组大小为1 240 byte的固定比特速率CBR流量。在仿真时间5～60 s期间,移动节点以1 m/s速度由WLAN覆盖区移入WiMAX区域。在5 s时,分组传输方向为(1),(2),(3),(4)。在52.328 145 708 s时,移动节点切换到WiMAX网络,分组传输方向为譸),(1),(5),(6)。
4.2 切换时延和丢包分析
定义接收时延为移动节点接收第N组与第(N+1)组所耗时间,发生切换时产生的接收时延为切换时延。表1为移动节点接收分组一览表,分析表中数据计算异构网络切换时延和丢包率。由表可知,在52.328 145 708 s时刻发生切换,切换前节点(3)发送节点(4)接收,切换后节点(5)发送节点(6)接收,验证了MN从WLAN网络切换到WiMAX网络。从表中事件产生时间得知,在WLAN网络中接收时延为0.049 s与WiMAX接收时延0.048 s大致相等,传输环境不同可能上下稍有浮动。切换时延为节点(6)接收时间与节点(4)接收时间之差,即52.328 369 462s-51.976 468 509 s=0.351 900 953 s。由分组ID知,切换丢包为980-971=9个分组。
分析NS-2生成的trace文件,使用gnuplot画图工具直观地观察仿真过程基于MIH的接收时延(如图4所示)和MN接收的CBR序列号(如图5所示)分别与仿真时间的关系,图中实心点为接收的分组。在图4和图5中,切换前后网络处于正常状态,接收时延和接收分组比较稳定,仅在切换时刻接收时延急剧增加、接收分组丢失。这是因为切换时发生链路交换、IP连通性重新建立和位置更新。其中,链路交换为L2断开和重连接,IP连通性主要为移动检测、IP地址配置和地址冲突检测,位置更新为IP地址绑定更新、完成绑定更新直到接收到第一个分组[6,7]。
5 小结
下一代无线网络将是异构IP网络,而异构网络的切换管理将是研究的重中之重。因此,笔者在2,3层之间引入了MIH功能屏蔽不同MAC层技术带来的差异,结合MIPv6实现WLAN/WiMAX异构网络的垂直切换。NS-2引入NIST提供的移动性协议模块,有效地验证了基于MIH的WLAN/WiMAX异构网络切换的可用性,并分析了切换产生的时延和丢包率。但是,从分析结果来看无法满足异构网络的快速、平滑的无缝切换,需要进一步缩短切换时每个步骤产生的时延,优化切换性能。另一方面,结合MIH与FMIPv6验证异构接入网络(如UMTS,CDMA2000,WLAN,WiMAX)垂直切换性能将是未来研究的方向。此外,异构网络切换的多属性切换判决准则、乒乓效应、切换信令开销、不同接入网络之间QoS映射等,也是未来切换管理研究对象。
摘要：下一代无线网络将是异构IP网络,为了提供无缝切换服务,结合IETF提议的移动IPv6(MIPv6)协议与IEEE802.21工作组提出介质独立切换(MIH)标准,设计出一种基于MIH异构网络宏移动性的垂直切换方案。在NS-2仿真环境中,验证了此方案的可用性,详细分析了网络切换时延和丢包率,并根据分析结果提出进一步研究方向。
关键词：WiMAX,WLAN,移动IPv6,介质独立切换,垂直切换
参考文献
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WiMAX系统终端软件设计 第5篇
随着IEEE 802.16标准的日益成熟,WiMAX时代已经到来。参与到WiMAX技术推广和市场应用中的厂商也越来越多,各大厂商都想以自己开发的成熟产品在WiMAX应用中掌握主动权[3,4],这就使得基于标准的基站和终端的开发显得尤为重要。本文基于IEEE 802.16e标准,给出WiMAX终端软件系统总体架构设计方案。
1 WiMAX终端的软件设计架构
IEEE 802.16e终端软件系统构建于ARK平台之上,用于实现控制面主要功能和部分数据面功能[5]。向下通过物理层驱动同物理层进行数据交换以及控制;向上通过虚拟网卡驱动和系统网络协议层交换业务数据(见图1)。
2 软件系统划分和层次结构
根据系统功能要求,软件系统可划分为CS,MAC,Phy Ctrl,Phy Driver模块[6,7]。其中MAC实现主要协议功能,该模块较为复杂,按照实现层次可分为配置管理、连接/服务流管理、传输控制和消息处理4个子模块[3,4,5,6,7,8]。不同模块的层次关系如图2所示。
主要数据和控制流程依据下列几条:
1) 来自网络层的业务数据通过虚拟网络驱动进入CS层,CS层对其进行分类,并将同分类结果(CID)送往MAC层,进入对应的MAC发送队列,等待发送。
2) 来自MAC层消息处理模块产生的信令根据对应管理连接CID进入MAC发送队列,等待发送。
3) MAC TX/RX模块收到来自Phy Driver的ULMAP后进行解析调度,从MAC发送队列中取出对应数据,根据相应发送策略构建MAC PDU,通过PHY Ctrl模块发送至Phy Driver。
4) 接收数据由Phy Driver送至Phy Ctrl,进入MAC TX/RX模块,经过分片重组和组包拆分之后根据CID分别送往消息处理模块和CS层,其中消息处理模块再解析出PDU中的消息,送至对应状态机进行处理;发送至CS层的数据将PDU还原出网络数据包后,通过虚拟网络驱动送至网络层。
5) 终端在进行信道扫描同步、测距、基本能力协商、注册、服务流等过程中从状态配置管理模块中读取终端配置信息参数,在同基站交互过程中记录基站基本信息和交互信息。
6) 初始测距过程中,在从基站获取管理连接后,通过连接管理模块建立管理连接基本信息。
7) 在DSA/DSD过程中,通过连接/服务流管理模块建立数据连接和服务流基本信息,同时通过CS原语通知CS添加删除分类和头压缩规则。
3 终端软件模块化
3.1 CS
CS层实现上层服务的接入转换工作,本方案主要包括对上层数据包进行分类以及服务原语处理两部分。CS层通过虚拟网络驱动直接挂接到网络协议栈,由上层协议栈中的处理进程调用。通过虚拟网卡的两个接口函数Tx函数和Rx函数以及服务原语与下层的CPS进行服务控制和数据交换。
CS层实现上层协议栈与CPS之间的数据交换。一方面,CS接收上层协议栈的数据包,进行分类,并根据分类结果将数据包送往下层的CPS。另一方面,接收CPS数据包,将其递交给上层协议栈。
根据IEEE 802.16中提供的参考模型,CS和CPS可以按照具体的功能进行层次划分,之间通过服务原语进行服务控制和数据交换。规范中提供参考的有DSA、DSD相关的服务原语。
在本方案中不考虑实现DSC过程,另外由于与CPS数据交换采用更便捷的实现方式,DATA原语不需要实现。
3.2 MAC
按照实现层次可分为终端状态/配置管理、连接/服务流管理、传输控制和消息处理4个子模块。
3.2.1 终端状态/配置管理
终端状态/配置管理包括终端的基本信息,系统状态信息等。具体可分为以下3个:
1) 终端基本信息,即MAC Address,Vendor ID等标识信息。
2) 终端配置信息,包括SBC,REG,DSA交互过程中的预设参数和BS协商的最终参数,以及定时器、重试次数参数。
3) 基站信道信息,包括BSID,CHNID,Burst Profile等信息,这些参数是在终端接入过程中通过信道扫描、DCD、UCD等信令获取的。
4) 终端状态信息
包括各层状态机相关父子状态、各定时器标识以及各重试记录。
3.2.2 连接/服务流管理
连接/服务流管理模块用于管理在终端侧实际使用的连接和服务流,主要工作包括建立连接/服务流,激活连接/服务流,删除连接/服务流。
连接管理还包括对管理连接、广播连接等特殊连接的管理控制。
服务流管理主要功能为相应数据结构初始化和维护,连接管理除了对应内部空间的维护还需要向传输模块提供连接队列统计接口。
连接管理模块中广播连接等特殊连接在初始接入是由MAC自行建立,管理连接在初始测距过程中尽力,这些连接的建立维护不通过服务流管理模块。数据连接的建立删除依赖和服务流控制,由于系统定义不包括DSC过程,在DSA过程除了协商建立服务流外还同时建立对应数据连接。
所有连接以Connetion Chain方式管理,Connetion Chain相当于上行/下行数据管理和数据缓存机构,该机构以CID作为唯一索引,除了保存基于该CID的系统参数(QoS,ARQ等)信息以外,同时,保存着以该CID作为标识的IN/OUT队列,以及队列中BLOCK的各种状态与信息。
3.2.3 传输控制
传输控制包括上行调度/带宽请求、MAC PDU构造、ARQ这3部分。
1) 上行调度/带宽请求。
上行调度和带宽请求机制由ULMAP的事件PHY Ctrl解析UL MAP后,将过滤后的MAP IE送至传输控制模块。一方面调度根据连接的QoS要求和发送队列的实际情况进行调度,构造上行数据。一方面构造每个数据连接的带宽请求。
2) MAC PDU构造。
MAC PDU构造包括分片组包处理,MAC头处理等。
3) 目前暂不支持ARQ功能。
3.2.4 消息处理
消息处理实现的功能主要包括网络登录与初始化、周期性的测距、服务流管理以及SS控制。SS端的消息处理机制的顶层状态。
初始化阶段实现网络登录与系统初始化功能,分为4个子模块来实现,即初始化测距、能力协商、认证授权以及注册。其他几个功能模块如服务流管理、测距以及控制消息的管理单独成一子模块实现。
3.3 Phy Ctrl
Phy Ctrl包括Phy Conf,ULMAP Decode和Phy Ctrl Tx/RX共3部分。
1) Phy Conf
通过Phy Driver接口对物理层寄存器进行读写操作,配置硬件运行环境,配置射频参数等。
2) ULMAP Decode
Phy Driver在底层接收到ULMAP后会及时将ULMAP送至Phy Ctrl,ULMAP负责解析ULMAP消息并进行过滤,分解终端需要的数据MAPIE和CDMA IE,将相关信息送至MAC传输模块。
3) Phy Ctrl TX/RX
数据收发接口,进行简单数据缓存,提供MAC与Phy Driver交互通道。
3.4 Phy Driver
实现实际对物理层器件操作维护,包括初始化等必须工作。
4 小结
从WiMAX实际开发项目入手,基于移动宽带无线接入空中接口标准IEEE 802.16e协议标准具体要求,给出终端软件系统总体架构方案。
参考文献
[1]IEEE Std 802.16TM—2009,IEEE standard for local and metropolitan areanetworks,part16:air interface for fixed broadband wireless access sys-tems[S].2009.
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[3]曹宇辉,郑伟,王匡.WiMAX技术及应用[J].电视技术,2005,29(11):77-80.
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[6]吴立.IEEE802.16e终端MAC层的研究与设[D].成都:西南交通大学,2010.
[7]刘凯.IEEE802.16e终端MAC层处理芯片的研究与设计[D].上海:上海交通大学,2010.
WiMAX系统物理层关键技术 第6篇
关键词：全球微波接入互操作性 (WiMAX) ,正交频分复用 (OFDM) ,混合自动请求重传 (HARQ) ,自适应调制编码 (AMC) ,多输入多输出 (MIMO)
一、引言
WiMAX的英文全称为“Worldwide Interoperability for Microwave Access”, 对应的中文译名是“微波接入全球互通”。它以IEEE 802.16系列宽带无线标准为基础, IEEE 802.16标准定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和对应的多种物理层[1]。它是按照两层结构体系组织的, 定义了一个物理层和一个MAC层, MAC层独立于物理层, 能支持多种不同的物理层规范, 以适应各种应用环境。
媒体接入控制 (MAC) 层位于物理层之上, 主要负责控制用户接入到共享的无线媒质以及将数据组成帧格式来传输MAC层又分成了三个子层:特定服务汇聚子层 (CS) 、公共部分子层 (CPS) 和安全子层 (SS) [1]。
最底层是物理层, 该层的协议主要是用于规范频率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输速率和时分复用结构等参数的[2]。物理层由传输汇聚子层 (TCS) 和物理媒质依赖子层 (PMD) 组成, 通常说的物理层主要是指PMD子层TCS将收到的MAC层数据分段, 封装成TCS协议数据单元 (PDU) PMD则具体执行信道编码、调制解调等一系列处理过程。
W i M A X物理层的特点可概括为:W i M A X物理层采用正交频分复用技术, 频谱利用率较高;支持时分双工 (TDD) 频分双工 (FDD) , 同时也支持半双工频分双工 (HFDD) [3];可支持移动和固定的情况, 移动速度最高可达120km/h;带宽划分灵活, 系统的带宽范围为1.25～20M H z;使用先进的多天线技术提高系统容量和覆盖范围;采用了混合自动重传 (HARQ) 、自适应调制编解码 (AMC) 和功率控制技术;采用了先进的信道编码技术增加通信质量, 扩大覆盖范围。
二、关键技术
2.1正交频分复用 (OFDM)
根据多径信道在频域中表现出的频率选择性衰落特性, 人们提出了正交频分复用 (OFDM) 的调制技术。OFDM将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起, 使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力, 是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一[4]。
正交频分复用的基本过程是:
(1) 用户信号以串行的方式输入发送器, 这些码字先被送入一个并/串行转换器中, 通过串/并行变换, 分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输, 在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道, 每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制。
(2) 该OFDM码随后被送入一个IFFT的模块, 进行快速傅立叶逆变换。
(3) 计算出快速傅立叶逆变换样值之后, 一个保护间隔被加到了样值前, 形成一个循环拓展的OFDM信息码字。
(4) 循环拓展信息码的样值再次通过一个并/串转换器模块。然后按照串行的方式通过信道 (经过适当的滤波和调制) 。当并/串行转换结束后, 则开始传输OFDM码。
(5) 接收到的信号经过一个串/并行转换器, 并且把保护间隔清除掉。
(6) 清除了保护间隔之后, 信号将会经过一个快速傅立叶变换模块, 把信号从时域转换到频域。信号经过一个并/串行转换模块进行并/串变换, 就完成了对原始OFDM信号的接收, 如图1所示。
OFDM系统存在以下优点:
(1) 抗多径干扰强。抗多径干扰和频率选择性衰落能力强, 由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上, 大大降低了各子载波的符号速率, 从而减弱多径传播的影响, 而且采用了加循环前缀作为保护间隔的方法, 基本上可消除符号间干扰的影响。
(2) 均衡器复杂度低。为了抵抗衰落信道的影响, 传统的单载波系统需要做时域均衡, 采用了多抽头的均衡器, 而OFDM系统只需做简单的频域均衡即可 (单抽头均衡器) 。
(3) 频谱利用率很高。OFDM可以使相邻子载波间没有频率间隔, 允许子信道的频谱相互重叠, 能够更有效地提高频谱利用率。OFDM合成信号的频谱非常接近于矩形, 当子载波个数很大时, 频带利用率可接近于Nyquist极限。
(4) 实现方便。OFDM系统的调制和解调可以通过离散傅立叶反变换 (IDFT) 和离散傅立叶变换 (DFT) 来实现, 而IDFT和DFT都有相应的快速算法IFFT和FFT。随着大规模集成电路技术和DSP技术的发展, IFFT和FFT都是非常容易实现的。OFDM调制方式具有频谱利用率高、实现过程简单以及抗干扰和抗衰落能力强等优点, 但也存在一些内在的局限和设计中必须注意的问题, 如峰平比 (PAPR) 高、均衡和同步问题等
2.2混合自动请求重传 (HARQ)
混合自动请求重传 (HARQ) 技术因为提高了频谱效率, 所以可以明显提高系统吞吐量, 同时因为重传可以带来合并增益, 所以间接扩大系统的覆盖范围。在IEEE802.16的协议中虽然规定了信道编码方式有卷积码 (CC) 、卷积Turbo码 (CTC) 和低密度校验码 (LDPC) 编码, 但是对于HARQ方式, 根据目前的协议, IEEE802.16中只支持CC和CTC的HARQ方式。具体规定为:在IEEE802.16协议中, HARQ方法在MAC部分是可选的。HARQ功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中用消息SBC被确定和协商的。HARQ是基于每个连接的, 它可以通过消息DSA/DSC确定每个服务流是否有HARQ的功能。
2.3自适应调制编码 (AMC)
自适应调制编码 (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WiMA X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、小区的干扰等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中, 用于调整系统编码调制方式, 达到系统瞬时最优性能。IEEE802.16支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM多种调制方式。在信道纠错编码方面, IEEE802.16采用了截短RS编码和卷积码级联的纠错编码, 并且还支持分组Turbo码、卷积Turbo码、LDPC码。IEEE802.16可以根据不同的调制方式和纠错编码方法组合成多种发送方案, 系统可以根据信道状况的好坏以及传输的需求, 选择一个合适的传输方案。比如说, 当信道状态差时, 可以选择例如QPSK低阶的调制方式, 当信道状况好时, 可以选择例如64QAM高阶的调制方式。自适应调制与编码给无线传输系统带来了很好的抗衰落性能。
2.4 MIMO
多入多出 (MIMO) 是未来无线通信领域研究的一个关键技术。对于未来移动通信系统而言, 如何能够在非视距和恶劣信道下保证高的QoS是一个关键问题, 也是移动通信领域的研究重点。对于单入单出 (SISO) 系统, 如果要满足上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术, 而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着SISO系统的发展, 所以MIMO是未来移动通信的关键技术。M I MO技术主要有两种表现形式, 即空间复用和空时编码。这两种形式在WiMAX协议中都得到了应用。协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。目前MIMO技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中, 但是目前很少有成熟的产品出现, 估计在MIMO技术的研发和实现上, 还需要一段时间才能够取得突破。支持MIMO是协议中的一种可选方案, 协议对MIMO的定义已经比较完备了, MIMO技术能显著地提高系统的容量和频谱利用率, 可以大大提高系统的性能, 将被多数设备制造商所支持。
参考文献
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[2]曾献敏.OFDM自适应调制技术研究[D].200901.
[3]张秀峰.OFDM系统中自适应调制与编码技术研究[D].200805.
移动WiMAX系统 第7篇
关键词：多天线技术,无线通信,WiMAX
移动通信由最初的第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统发展到了目前各国已经逐渐投入使用的第二代宽带数字移动通信系统, 正向着大系统容量、高服务质量、多业务 (话音、图像、数据等) 的方向前进。未来的移动通信系统第四代移动通信系统 (亦有称“超二代 (B3G) ”移动通信系统) 的概念也已出现。
无线通信, 特别是无线移动通信深刻地影响着我们每个人的生活。随着通信技术的飞速发展和通信产业链的不断成熟, 无线通信产品最初只是高端商务群体才能拥有的奢侈品, 到现在已飞入寻常百姓家。和传统的有线通信中相比较, 无线通信最为关键的两个特点是空中接口和无线信道。其中, 连接基站和移动用户的桥梁就是接收和发送天线, 因此天线技术是无线通信中最为关键的技术之一, 就是利用VC++6.0设计一个仿真平台, 仿真基站不同接收天线数目的解码性能。
1 移动通信中的频分复用技术
频分复用 (FDM, Frequency Division Multiplexing) 就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带 (或称子信道) , 每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和, 同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰, 应在各子信道之间设立隔离带, 这样就保证了各路信号互不干扰 (条件之一) 。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作, 每一路信号传输时可不考虑传输时延, 因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用 (FDM) 外, 还有一种是正交频分复用 (OFDM) 。
2 多天线相比于单天线的优势
多天线技术相比单天线技术具有如下优势:
2.1 阵列增益
使用多天线后增加了信号的相干性, 从而获得阵列增益。
2.2 分集增益
提高了分集增益。分集增益是通过利用多径来获得的, 当某一条路径性能变坏时不会影响系统的性能。在无线衰落信道里, 可以增加接收信号强度的稳定性从而提高传输信息的可靠性。分集增益可以在空间 (天线) 、时域 (时间) 和频域 (频率) 3个维度上获得。
2.3 共信道干扰消除
消除了共信道干扰。使用多天线后通过分析干扰的不同信道响应, 消除共信道的干扰信号。
3 多天线技术在Wi MAX系统中的应用
3.1 自适应天线系统
AAS可以实现系统参数自动调整, 获得信噪比 (SNR) 增益, 减少同频干扰。自适应天线利用数字信号处理技术, 产生空间定向波束, 使天线主波束对准期望信号到达方向, 同时对干扰形成零陷, 抑制干扰, 实现期望信号的最佳接收。
在Wi MAX系统中AAS的设计和应用都是基于时分复用 (TDD) 模式。因为在TDD模式下, 上行和下行共用相同的频带资源, 可以利用上 (下) 行信道的信息得到下 (上) 行信道的信息, 在基站 (终端) 可以利用上下行信道的互惠性比较方便地计算波束形成的权值。而在频分复用 (FDD) 模式下, 上行和下行的信道一般是不同的, 难以通过上 (下) 行的信息获得下 (上) 行信道信息。要想计算波束形成的权值, 只有通过反馈, 这将增大整个系统的开销。在Wi MAX体系中, AAS是一种可选技术, 在上下行链路中都可以选择支持该技术。采用AAS技术可以提高系统容量、扩大覆盖范围、提高通信的可靠性、降低运营成本等。AAS在实现时既可以采用多波束选择的方式, 也可以采用自适应的方式。
3.2 多输入多输出技术
MIMO技术的核心是空时信号处理, 也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。因此, MIMO技术可以看作是智能天线的扩展。广义的MIMO技术包括发射分集技术和空间复用技术。发射分集技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号 (信号的具体形式不一定完全相同) , 达到空间分集的效果, 从而提高信道的可靠性, 降低误码率。空间复用技术与发射分集不同, 它在不同的天线上发射不同的信息, 获得空间复用增益, 从而大大提高系统的容量和频谱利用率。Wi MAX协议中同时使用空时编码和空间复用的形式, 可以显著地提高系统的容量和频谱利用率。
目前MIMO已经成为了IEEE 802.16中多天线的一个选项, 并且在IEEE802.16e中也得到了体现。802.16协议支持的MIMO模式分为3种:空时发射分集模式、空间复用模式和分集与复用相结合模式。
4 仿真结果
利用VC++6.0构造Wi MAX上行浮点仿真平台, 得出在2根接收天线和4根接收天线的性能比较。
从图1中我们可以很容易得到这样一个规律:当误码率相同时, 四根接收天要比两根接收天线好8db左右, 由此我们可以说当通信性能相同时, 四根接收天线所需的信噪比要比两根接收天线低。
5 结论
在一定范围内接收天线的数目越多, 无线通信的性能越高。其他因素一定时, 四根接收天线所需的信噪比要比两根接收天线低。其原理如下:首先考虑只有一个发射天线, 接收端使用天线选择的情况, 这是成为混合天线选择的最大率合并分集系统。在每个时刻从NR个接收天线中选择其中SNR最高的前LR个天线, 然后将这LR个接收天线使用最大比合并。由于最大比合并的接收SNR等于所有天线接收SNR之和, 因此接收天线数目多可以获得更好的性能。
参考文献
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