WiMAX技術——實現無線寬帶業務承諾

技術規范解讀

IEEE 802.16標準規定了一個包含兩個核心組件的系統：用戶站點（SS）或用戶端設備（CPE）和基站（BS）。一個基站和一個或多個用戶站點可以構成一個點到多點（P2MP）結構的小區。在無線通信過程中，基站控制小區內部的所有通信活動，包括任何用戶站點接入無線通信網絡、指配相應的服務質量（QoS）等級和根據網絡安全機制管理網絡。

利用多個基站，可以配置一個無線通信網絡。采用正交頻分復用（OFDM）技術，這個小區的覆蓋范

802.16 MAC協議是專門針對P2MP無線接入環境而設計的，可以支持諸如ATM、以太網和互聯網協議（IP）等傳輸協議，并且可以通過特定的匯聚層（如圖1所示），適應未來的技術發展。MAC層還可以利用物理層來實現很高的數據吞吐量，同時提供符合ATM標準的服務質量（QoS），如UGS、rtPS、nrtPS和盡高帶寬（BE）（如圖2所示）。

在802.16網絡框架結構中，可以根據鏈路狀況，向用戶終端動態分配上行和下行突發配置，從而實時地為用戶終端折衷選擇通信容量和強健性。此外，相比于非自適應系統，802.16網絡實現了2倍（平均值）的通信容量。

802.16 MAC采用了一個可變長度協議數據單元（PDU）和其他創新概念，顯著提高了網絡效率。例如，可以將多個MAC PDU并置到一個SINGLE BURST（單次突發中），從而節省物理層（PHY）開銷。也可以將多個業務數據單元（SDU）并置到一個MAC PDU中，以節省MAC報頭開銷。通過數據包分段，可以利用多個幀來發送很大的SDU，確保服務質量。此外，可以利用有效負載報頭壓縮，降低SDU報頭冗余造成的開銷。

802.16 MAC協議采用自矯正帶寬請求/授予機制，消除了確認延遲，并且實現了優于傳統確認機制的服務質量。取決于各種業務的服務質量和流量參數，用戶終端可以選擇請求不同的帶寬。

　　圖1——802.16協議堆棧

　　圖2——各類業務的服務質量等級

802.16協議中的保密層采用了與DOCSIS標準相同的模型。利用密碼塊鏈接（CBC）模型中實現的數據加密標準（DES），加密需要傳輸的有效負載和輔助管理連接。利用個人知識管理（PKM）協議，對用戶站點進行基于認證的鑒權。利用RSA公共密鑰方法和x.509認證，在基站和用戶站點之間傳遞密鑰。

任何SS器件接入網絡都要執行一系列任務，以進行鑒別和同步基站和用戶站點。當基站下行信號實現同步后，上行信道描述符（UCD）將提供定時參數和初始測距連接時隙數據。在用戶站點測距的過程中，基站將在用戶站點登錄后，為協商性能分配各種管理消息。利用PKM，可以為鑒權建立一個安全的輔助管理連接。現在，這個系統可以部署各種MAC業務，通過采用各種IP協議的用戶連接進行通信。通過常規測距和信道狀況監視，管理信道資源。

服務質量（QoS）和信道資源調度

WiMAX標準包括許多值得關注的特性，其中之一就是能夠實現很高的服務質量和支持信道資源調度。對于服務提供商而言，這些特性尤為重要，因為這些特性能夠最大限度地提高無線信道利用率和系統吞吐量，并且能夠確保達到服務級別協議（SLA）中規定的要求（如圖3所示）。

          圖3——802.16標準中規定的數據包調度，實現了資源最大化。

基于MAC實現的基礎設施能夠支持各種業務類型。各個用戶站點和基站之間的帶寬請求和授予機制則實現了服務質量特性。當前的服務質量機制主要包含四種業務：UGS（主動授予業務）、rtPS（實時輪詢業務）、nrtPS（非實時輪詢業務）和BE（盡高帶寬業務），可以為視頻、音頻和數據業務等提供其需要的服務質量等級。由數據包調度程序(Packet Scheduler)負責為一個用戶的各種不同業務類型調度相應的資源。也就是說，到達用戶實現SLA的要求?？梢詫⒂脩魟澐譃楦鞣N不同的優先級，如標準和高級（如圖4所示）。

在IEEE 802.16-2005系統中管理移動性

IEEE 802.16-2005系統的一個關鍵要求就是在高速移動中實現越區切換并且保持很低的丟包率。雖然大多數越區切換都可以通過軟件來完成，但是，要實現高性能越區切換就必須由硬件來執行部分處理任務。

為了識別相鄰網絡并確定該網絡相對于相關移動終端（MSS）的特性，基站將定期廣播一條相鄰節點通告管理消息。所有MSS都要掃描相鄰的基站，并測量信號強度，然后通過執行測距和相關步驟，選擇適當的相鄰基站，準備進行越區切換。

越區切換的性能主要體現在用戶從一個小區進入另一個小區時的鑒權速度。區別在于是否能夠快速適應在移動中不斷變化的服務質量要求。MSS可以是固定的，也可以是移動的，服務質量配置也可以變化。SLA甚至可以針對移動用戶終端和固定用戶終端采用不同的策略。

　　圖4——數據包調度程序的功能及其為不同用戶類型調度相應的資源

分配子信道，實現MAC層/物理層交互

隨著用戶數量日益增加，多徑衰落和路徑損耗變得更加顯著?；谡活l分復用（OFDM）技術的正交頻分復用多址（OF

雖然關于WiMAX標準及其相對于傳統無線通信標準的優越性的討論始終沸沸揚揚，但是，當前的發展趨勢表明，WiMAX標準非常適于在無線通信網絡上實現語音、數據和視頻業務。

伸縮自如的OFDMA

IEEE 802.16無線城域網標準中的OFDMA物理層模型提出了“靈活伸縮性”這個概念。一個伸縮自如的物理層允許基于標準的解決方案在從1.25MHz至20 MHz的信道帶寬上，以固定的副載波間隔，向固定用戶終端和便攜式/移動用戶終端，提供最優網絡性能，并且保持很低的系統成本。這種靈活伸縮性主要歸功于每個信道帶寬具備不同的FFT樣本數的子信道結構。

WiMAX技術規范還支持高級調制和編碼（AMC）子信道、混合自動重復請求（HARQ）、高效率上行子信道結構、多入多出（MIMO）、覆蓋增強安全信道、不同的副載波分配技術和多樣化機制。WiMAX MAC層利用CQI和HARQ請求的反饋信息，實現了靈活伸縮性。

實現WiMAX系統的主要挑戰

在實現WiMAX系統時，面臨的最為嚴峻的挑戰大概是確定處理器應當執行哪些任務以及硬件或者更確切的說，基于FPGA的加速器應當執行哪些任務。確定這種硬件和軟件分工的關鍵是找到系統性能和處理要求以及產品上市速度之間的最佳平衡點。取決于實現這種折衷的方式，可以產生不同的用戶端設備和基站實現。

WiMAX用戶端設備必須采用一個處理器，并且借助硬件加速器，實現諸如循環冗余碼校驗（CRC）和加密/解密等比較低級的MAC功能。另一方面，基站則需要從比較低級的MAC加速器，升級為通過慢速通道/快速通道處理數據包。要在硬件中實現這個功能，基站的MAC層利用處理器（FPGA上的嵌入式處理器或外接處理器）實現了速度較慢的管理和控制功能，同時利用支持硬件加速的FPGA邏輯結構，實現了速度較快的數據通道功能。

MAC層實現的關鍵在于利用適當的隊列和調度機制，實現處理“三網融合”的語音、數據和視頻業務。雖然IEEE 802.16標準對此類功能做出了明確規定，但是各種競爭性解決方案實現這種特性的具體方式卻各不相同,有了Xilinx? FPGA，設備制造商可以針對這個要求苛刻的系統設計領域，提供靈活的平臺，開發、實現新的MAC層功能。

最新推出的Virtex-4 FX平臺FPGA包含了一個短時延輔助處理器接口（APU）。通過這個接口，可以將自定義指令整合到軟件代碼中，再通過執行這些指令，改變邏輯結構，從而簡化了硬件/軟件劃分過程。

Xilinx平臺FPGA還可以支持諸如高性能前向糾錯（FEC）等先進的數字信號處理（DSP）功能，有助于實現高級功能和產品差異化。得益于Xilinx推出的包含在低成本WiMAX FEC包中的優化Turbo Convolutional編解碼器，系統設計師可以快速部署這些高效率的FPGA核心，在WiMAX基帶芯片中實現靈活的FEC解決方案。

當然，WiMAX基站設計還包含許多其他方面，Xilinx技術也可以有所貢獻，但限于篇幅，本文暫不討論。目前，Xilinx器件通常用于實現射頻卡中的高級DSP糾錯算法，以及振幅因素縮?。–FR）、數字預矯正（DPD）和數字上變頻器（DUC）和數字下變頻器（DDC）等應用。通過以數字化方式矯正功率放大器（PA）的特性，可以利用更加經濟劃算的模擬射頻電路，從而節省大量元件成本，并大幅降低基站的總成本。關于這方面的詳細信息，請登錄：www.xilinx.com/cn/esp/wireless。 

結束語

雖然關于WiMAX標準及其相對于傳統無線通信標準的優越性的討論始終沸沸揚揚，但是，當前的發展趨勢表明，WiMAX標準非常適于在無線通信網絡上實現語音、數據和視頻業務。早在WiMAX標準化進程的最初階段，Xilinx就已積極參與其中。我們的產品擁有獨特的特性組合，能夠幫助我們的客戶迅速推出WiMAX產品，占領市場先機。