WiMAX的发展现状和技术挑战

WiMAX的发展现状和技术挑战

WiMAX是基于IEEE 802.16和ETSI HiperMAN无线城域网（MAN）标准的无线数字通信技术。它可为固定站（例如台式电脑）提供高达50千米的宽带无线接入（BWA），为移动站（例如笔记本电脑、移动电话、个人媒体播放器和PDA）提供5 - 15千米的宽带无线接入。

与Wi-Fi等无线技术相比，WiMAX具有更强的抗干扰性，可提供更高的带宽利用率，并且可在更远距离上以更高的速率传输数据。WiMAX可在授权和非授权频率上进行操作，所以可为无线载波提供规范的环境和可行的经济模式。这些优势加上遍布全球的技术支持（例如正在全球进行的部署、频谱分配和标准化），使WiMAX成为在全球业务未覆盖地区快速、经济高效地开通超快速宽带无线接入的第一选择。

技术

WiMAX的固定版本（IEEE 802.16-2004）可使用2-11 GHz频段向固定设备提供非视距（NLOS）传输。较高的频率要求视距内的覆盖范围。固定WiMAX可在30英里的距离内，以高达75 Mbps的速度提供高吞吐率宽带连接。它基于正交频分多址（OFDM），使用多种导频音，并支持从BPSK到64 QAM的调制范围。WiMAX系统可以使用授权或非授权频谱中从1至28 MHz、包含256个子载波（192个数据子载波）的多种带宽。它可用于“最后一英里”宽带连接、热点和蜂窝回程，以及面向企业的高速企业连接等各种应用。

该标准的移动版本――IEEE 802.16e-2005是802.16-2004的扩展，用于2-6 GHz频段（参见表格）中的移动应用。它可以将WiMAX技术构建到笔记本电脑和其他移动设备中。

表1. 802.16无线技术比较。

WiMAX论坛是业界领先的组织，帮助加快基于IEEE 802.16标准的宽带无线网络的部署。该论坛创建于2001年，通过验证宽带无线产品的一致性和互操作性来达到这个目的。可在三个WiMAX论坛指定的认证实验室（WFDCL）中的任何一个实验室中，通过经WiMAX论坛认证的测试和验证程序进行认证。这些实验室包括：西班牙的AT4无线实验室、韩国的电信技术协会和中国的中国信息产业部电信研究院。

市场影响

WiMAX技术在全球的应用越来越广泛。Dell’Oro集团的分析家预测，到2011年，移动WiMAX市场的年复合增长率将超过50％。全球正在如火如荼进行的移动WiMAX试运营和商业部署证明了这种飞速增长。欧洲、印度、波多黎各、俄罗斯、韩国和美国等国家和地区纷纷开通此类业务。此外，许多运营商正计划部署类似的固定系统或努力使移动WiMAX设备通过认证。截止到2006年6月，超过200家运营商计划部署WiMAX或已经部署试运营或商用系统（参见图1）。

 
图1. 本表格由TeleGeography公司提供，突出显示了近期的部署，其中大多数网络计划在亚太地区部署或试运营。截止到2006年6月，全球网络总数超过117个，其中14个新网络计划在北美部署。

WiMAX能够为“最后一英里”宽带互联网业务提供价格更低、更灵活的高性能解决方案，因此在全球得到广泛部署。以典型的20-MHz通道带宽部署情况为例。WiMAX产品在近距离可支持65 Mbps的下行链路数据速率，在9-10千米的距离上可支持16 Mbps的下行链路数据速率。充足的带宽和传输范围能够支持几百家企业用户或数千个家庭用户同时高速访问三重播放应用（例如提供话音、数据和视频业务的应用）。
一些分析家认为固定WiMAX注定将像数字用户线（DSL）和电缆调制互联网接入技术一样得到广泛使用，而另一些分析家则认为其真正的发展潜力在于移动通信。移动WiMAX?为当前的蜂窝运营商提供了另一种选择，运营商可以使用它来补充城域网中的网络，以提供具有完整特性的多媒体移动应用（包括音频、数据和视频）。新的运营商可以部署该技术，与蜂窝网络进行比较。

当前的挑战

尽管其得到市场越来越多的认可，但是许多不利因素仍使WiMAX系统设计面临巨大挑战，包括当前需要更大覆盖范围、更快数据速率和更低价格的用户。802.16标准本身也存在问题，使得工程师在系统射频要求和架构方面需要考虑许多不同的因素。WiMAX系统是按时分双工（TDD）、频分双工（FDD）还是按半双工FDD部署的？WiMAX系统是基于超外差式还是基于直接转换式射频架构？如果不能有效解决这些挑战中的任何一个，都会妨碍WiMAX的应用，并直接关系到WiMAX产品的成功。现在面临的其他部分工程问题还包括：

挑战：严格的EVM要求

802.16标准规定，基于1%的包误码率，误差矢量振幅（EVM）最高为-31 dB。虽然此误码率和严格的接收机噪声系数（7 dB最大值）有助于WiMAX实现更大的覆盖范围，但必须满足EVM目标也有许多问题。例如，这意味着所有的系统模块都必须具有更好的线性特征，且相位噪声必须远远优于802.11中的设计。相应地，苛刻的相位噪声要求对合成器有影响，可能需要更长的稳定时间。

苛刻的EVM要求还对功率放大器（PA）有影响。在WiMAX系统中，PA必须提供更高的功率、具有更好的线性、能够处理高峰均功率比（PAPR）――大约10 dB。但因此它们也会消耗更多的功率，而且效率更低。结果，我们必须付出相当大的努力来开发更高效、线性度更好的PA，特别是在功耗至关重要的移动应用中。

挑战：接收机性能

802.16标准支持使用子信道，这意味着基站（BS）可以只通过部分数据子载波向指定用户传送信号，而不必使用全部192个数据子载波来进行传送。在较少载波上使用相同大小的功率可以扩大系统的覆盖范围，但是由于子载波的间距更小，因此对相位噪声和计时抖动的要求就更高。同样，必须使用高性能合成器。

在移动WiMAX接收机设计中增添MIMO功能可能使设计更加复杂。在移动站（MS）中寻找足够隔离两个接收天线的空间非常困难，但对确保信号恢复至关重要。区分多个数据流与接受信号的需求对处理器提出了更高要求。

WiMAX系统依赖多路径提供非视距（NLOS）覆盖。系统中使用的接收机特别容易受到相位噪声、计时抖动和频率失配/同步的影响。鉴于标准对于相位噪声和抖动的要求非常严格，这可能对系统提出严峻的挑战。通过扩大覆盖范围和数据速率来提高接收机的性能，将会有效地解决这一问题。如果接收机的性能不足，那么WiMAX系统的覆盖范围和数据速率以及价格都将会受到影响。

解决方案

安捷伦科技公司现在已是WiMAX论坛?主要成员，在2004年11月，安捷伦向市场推出了首款基于WiMAX的解决方案。凭借其创新的技术、无与伦比的专业经验和杰出的客户支持能力，安捷伦迅速确立了自己在WiMAX领域中的领先地位。安捷伦拥有很高的市场认同度，并且对WiMAX领域中客户所遇到的工程难题有很深入的了解。安捷伦将继续为市场提供广泛的解决方案。

安捷伦针对测试固定WiMAX和移动WiMAX的测量解决方案可涵盖产品的整个生命周期，从研发、设计验证和预先一致性到一致性测试和制造。这些最新的综合解决方案为工程师们提供部署WiMAX设备、网络和业务所需的可靠、可重复和一致的结果。

* 研发
无线连通性技术将继续面对一系列正在发展中的标准。然而，产品开发不能总是等到标准确定下来后才着手开展。为了在这个过程中给予帮助，安捷伦提供一种完整的综合研发设计和测试环境，包括仿真、表征和测量工具。例如，用于固定WiMAX和移动WiMAX的安捷伦高级设计系统（ADS）无线设计程序库、89601A系列矢量信号分析（VSA）软件、PSA系列高性能频谱分析仪和E6651A移动WiMAX测试仪等，可对元件和系统性能进行分析，因而使WiMAX设计成为流线型设计（参见图2）。

 
图2. Agilent 89601A VSA软件可为固定WiMAX信号和移动WiMAX信号的评测和故障诊断提供全面的WiMAX调制分析。它能够在从基带至11 GHz乃至更高频率上，以1.25至28 MHz的带宽测量WiMAX设备的各种性能，并支持先进的WiMAX特性，例如子信道化。

* 设计验证与预先一致性测试
在研发期间，工程师们必须确认他们的设计是否符合WiMAX标准。并且，为了保证基站和用户服务站符合不同国家所制定的各种条例，必须对WiMAX接收机和发射机都进行测试。此时，WiMAX信号的生成、检测、解调和故障诊断能力至关重要。用于802.16 WiMAX软件的Agilent Signal Studio，支持工程师快速、轻松地配置在元器件和接收机的设计验证和测试中符合固定和移动WiMAX的波形。Agilent ESG矢量信号发生器通过提供已校准的WiMAX测试信号来帮助简化上述过程（参见图3）。当用于ADS和VSA连接解决方案时，设计者有一个虚拟的原型解决方案。安捷伦PSA系列高性能频谱分析仪也在这个过程中给予帮助，对复杂WiMAX信号进行测量和监视。此外，E6651A移动WiMAX测试仪、MXA频谱分析仪和WiMAX设计检验测试系统也可帮助工程师验证WiMAX设计。同时，这些工具还为设计和测试WiMAX部件、子系统和系统提供强有力的解决方案。

 
图3. Agilent ESG矢量信号发生器具有多种功能，可对几乎所有现行和正在评审的空中接口标准（例如WiMAX）进行性能评测。与Signal Studio软件连用，它还能提供预配置和用户配置的WiMAX波形，开发商可在6 GHz频率时激励WiMAX元件。

* 一致性测试
一致性测试可保证与其他WiMAX设备的互操作性，并使当前用户享受可靠的最终用户体验。安捷伦的WiMAX测试产品结合了最新的业界所需的测量，并构建到AT4无线MINT RCT系统中。MINT T2110包括根据WiMAX CS 103 001测试标准进行的基站和用户站发射机和接收机测试案例。

安捷伦现在还可提供基于Agilent E6651A移动WiMAX测试仪的IEEE 802.16e 2005协议一致性测试（PCT）解决方案。利用具有PCT能力的Agilent E6651A移动WiMAX测试仪，设备开发商和测试部门能够运行有效的协议测试方案，来验证他们的实施是否符合WiMAX标准。

* 制造
开发WiMAX接收机和部件的工程师们需要信号生成和分析工具，以检验是否与尚在发展的WiMAX一致性测试要求相符合。带有Signal Studio for WiMAX软件的Agilent MXG矢量信号发生器能提供评测所需的基于标准的信号，而Agilent MXA信号分析仪则能使工程师对WiMAX信号进行分析。另一些产品如E6651A移动WiMAX测试仪和MXZ-1000 WiMAX制造测试系统也在这个过程中给予帮助。同时，这些解决方案为目前的工程师们提供用于设计和生产环境的完整而快速的WiMAX测试系统。

其他的一些安捷伦领先产品包括：

* MIMO/第2波测试支持
安捷伦测量解决方案中对WiMAX论坛第2波系统提供支持，能够精确而又经济高效地测试移动WiMAX产品中的多路输入多路输出（MIMO）和其他第2波功能。安捷伦测量解决方案中特定的第2波增强功能包括：
* 矢量信号分析（VSA）软件和Signal Studio软件――用于下行链路、上行链路协作式MIMO的矩阵A和矩阵B信号，以及创建HARQ猝发和上行链路测探区。请注意Signal Studio软件还可提供对STC/MIMO的支持，并具有支持波束赋形的上行链路探测和在波形中嵌入MIMO衰减的特性。
* 移动WiMAX测试仪――新型交互通道标准和MIMO通道测量，可支持工程师直接通过Tx天线或在衰减之后表征发射信号。

* EXA信号分析仪
Agilent EXA可为那些不想影响速度、精度、应用范围或先进连通性而又对预算较为敏感的工程师提供灵活、可扩展的信号分析（参见图4）。作为业内最快的经济型信号分析仪，它能够使开发工程师和制造工程师经济高效地对新设计进行故障诊断，增加制造吞吐量，或分析9 kHz至3.6、7.0、13.6和26.5 GHz频率范围内复杂的、随时间变化的信号。

 
图4. Agilent EXA在一台仪器中，无缝集成了多种基于标准的测量（例如：ACPR、信道功率、占用带宽、频谱发射模板、CCDF、触发脉冲功率和杂散信号发射）和安捷伦业界领先的矢量信号分析（VSA）软件。

结论

WiMAX正试图使点到多点的宽带网络接入得以广泛应用，并且该网络没有和配线选件相关的开销和距离限制。对于这种新兴技术和WiMAX应用的全面成功来说，物理层信号的生成、检测、解调和故障诊断能力至关重要。作为WiMAX测试和测量的领先厂商，安捷伦科技将一如继往地提供各种解决方案，来解决固定和移动WiMAX标准所带来的独特挑战。安捷伦科技曾经向市场推出首款基于研发的WiMAX解决方案，现在安捷伦是WiMAX论坛的主要成员。其测量解决方案目前已用于WiMAX认证测试中。

安捷伦的创新解决方案在帮助WiMAX市场的壮大方面起着关键作用，同时，其丰富的技术经验使它能够预见到任何可能产生的设计难题。随着市场的发展和技术的进步，安捷伦将继续对WiMAX提供支持，不断开发和推出新的解决方案。