WiMAX（IP-OFDMA）的物理层参数和帧结构

WiMAX（IP-OFDMA）的物理层参数和帧结构

长期以来，WiMAX都宣称自己是4G技术，是3G技术的终结者。但是，WiMAX在发展的过程中也遇到了不可克服的障碍，这就是WiMAX始终没有获得全球统一的频谱资源。这对市场目标为移动通信的WiMAX来说，是一个致命的缺点。如果没有全球统一的频谱，就不能提供完善的漫游服务，也就不能成为一个真正的移动通信系统。 [关键字] 无线通信  WiMAX  IP-OFDMA  物理层  


　　1、引言

　　长期以来，WiMAX都宣称自己是4G技术，是3G技术的终结者。但是，WiMAX在发展的过程中也遇到了不可克服的障碍，这就是WiMAX 始终没有获得全球统一的频谱资源。这对市场目标为移动通信的WiMAX来说，是一个致命的缺点。如果没有全球统一的频谱，就不能提供完善的漫游服务，也就不能成为一个真正的移动通信系统。

　　为了解决这个问题，从2006年下半年开始，WiMAX开始调整自己的市场策略。2007年1月，WiMAX论坛和IEEE正式向ITU提出申请，希望ITU将WiMAX作为一种新的3G技术，即第6种3G技术。

　　如果WiMAX能够如愿成为一种新的3G技术，则WiMAX将能够合法地使用ITU分配给3G的频段，从而解决目前发展过程中的关键瓶颈。

　　需要特别指出的是，WiMAX论坛和IEEE并没有将完整的803.16e技术提交给ITU，实际提交的技术被称为IP-OFDMA技术，有以下两个特点。

　　●只包括WiMAX的TDD部分，而不支持FDD。

　　●只支持5MHz带宽和10MHz带宽，不支持韩国WiBro使用的9MHz带宽。

　　本文将着重探讨IP-OFDMA技术的特点，及其与802.16e技术的区别。

　　2、使用频段和带宽

　　如前文所述，WiMAX在发展的初期，根本瓶颈是频率问题。为了能够获得初期的发展空间，802.16e声称可以用于11GHz以下的所有频段，且规定了1.25MHz，3.5MHz，5MHz，8.75MHz和10MHz等多种不同的带宽。

　　IEEE802.16d的这种方式虽然解决了初期的发展问题，却为进一步发展设置了障碍。采用不同频段和不同带宽的设备之间不能实现互联互通，不能漫游，阻碍了产业规模的扩大，也阻碍了成本的进一步降低。

　　在这种背景条件下，主要厂商支持成立了WiMAX论坛，共同推动WiMAX技术的产业化过程。WiMAX论坛的一项基本工作就是减少802.16e技术中的“可选项”的数量，以利于产品开发，扩大产业规模。

　　

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表1 WiMAX论坛规定的频段和带宽


　　从表1可以看出，除了韩国WiBro使用的1A特性以外，WiMAX论坛已经将目标频段确定为2.3GHz，2.5GHz和3.3～3.4GHz共三个频段，基本带宽定义为5/10MHz和3.5/7MHz两个系列。

　　本次IEEE/WiMAX论坛提交给ITU的IP-OFDMA技术并没有直接说明采用的频段。但IEEE/WiMAX论坛提出的技术分析和宣传材料都暗示IP-OFDMA技术就是WiMAX技术的3A特性，即2.5GHz频段上采用5/10MHz带宽。

　　3、OFDMA基本参数

　　

IP OFDMA 2.jpg

表2 IP-OFDMA技术采用的基本的OFDMA参数


　　当采用10MHz带宽模式的时候，IP-OFDMA技术使用1024点的FFT。每个子载波的带宽是10.94MHz，因此，FFT处理的带宽是11.2MHz。但是，并非所有的子载波都被真正使用了，实际上，频谱两端共有183个子载波被用于保护频带，不发射信号，所以实际占用的带宽是 9.2MHz。

　　当采用5MHz带宽的时候，IP-OFDMA技术使用512点的FFT，频谱两端共有保护子载波91个，实际使用带宽4.6MHz。

　　在不同带宽的系统中，除了子载波数量不同以外，包括子载波带宽在内的各项参数都保持不变。这样，不同带宽的系统可以最大限度地使用相同的高层，简化了系统设计。

　　4、OFDMA的符号结构和子信道结构

　　在IP-OFDMA技术中，所有的子载波分成三类。

　　●数据子载波，用于传输用户数据和控制信令。

　　●导频子载波，用于信道估计和同步。

　　●空子载波，不发送信号，用于保护带宽和零子载波。

　　数据子载波和导频子载波合称活动子载波。IP-OFDMA技术在下行链路上和上行链路上都将数据子载波进一步划分为不同的组，称为子信道。

　　每个子信道中的子载波有两种排列方式，一是分散（Diversity）方式，一种是连续（Contiguous）方式。一般来说，分散方式能够获得频率分集增益，也有利于消除小区间干扰，对高速移动业务比较有利；而连续方式对固定或者低速移动业务比较有利。

　　其中分散方式又可以进一步划分为下行PUSC（部分使用子信道），上行PUSC和下行FUSC（完全使用子信道）共三种方式。

　　下行链路PUSC（部分使用子信道）方式，即每个OFDM符号有14个子载波，其中包括12个数据子载波和2个导频子载波。每一对OFDM符号构成一个群（Cluster）。群（Cluster）中的数据子载波和导频子载波分配如图1所示。每个子信道由两个群（Cluster）构成。 10MHz带宽的系统共有30个子信道，而5MHz带宽的系统有15个子信道。每个子信道包括48个数据子载波。

　　

IP OFDMA 3.jpg

图1 群（Cluster）中的数据子载波和导频子载波分配

上行链路的PUSC（部分使用子信道）方式的构成方式与下行链路类似，但具体参数有所不同。下行链路的基本单位是块（Tile），由三个符号构成。块（Tile）中数据子载波和导频子载波的构成如图2所示。每个子信道由六个块（Tile）构成。这样，10MHz带宽的系统共有35个子信道，而5MHz 带宽的系统有17个子信道。虽然子信道数量与上行链路不同，但每个子信道包括的数据子载波相同，都是48个。

　　

IP OFDMA 4.jpg

图2 块（Tile）中数据子载波和导频子载波的构成


　　下行FUSC（全部使用子信道）方式与PUSC方式不同。FUSC方式的每个子信道只涉及一个符号，导频子载波通过一个生成公式均匀分布在整个频段中，给所有的子信道共用。每个子信道48个数据子载波，也均匀分布在整个频段中。10MHz带宽的系统只有16个子信道，而5MHz带宽的系统有8 个子信道。

　　连续的子载波排列方式可以细分为下行AMC方式和上行AMC方式。两种方式的结构完全相同。9个子载波构成一个块（Bin），其中包括8个数据子载波和一个导频子载波。一个基本分配单位（Slot）包括一定数量的块（Bin）和符号。块和符号的组合有以下四种情况：（6个块，1个符号）、（3 个块，2个符号）、（2个块，3个符号）和（1个块，6个符号）。使用连续子载波排列方式的时候，用户可以选择频率响应特性最好的子信道，从而获得多用户分集增益。

　　在IP-OFDMA系统中，下行PUSC是必须使用的方式，其他几种方式是可选方式。基站可以在MAP消息中设置适当的指示比特来确定当前究竟使用了那种方式。

　　5、TDD方式的帧结构

　　在802.16e中，规定了FDD和TDD两种双工方式，并且规定了5ms，10ms和20ms等多种不同的帧结构。但在IP-OFDMA技术中，只定义了5ms帧长度的TDD方式。

　　IP-OFDMA技术采用的帧结构如图3所示。

　　

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图3 IP-OFDMA技术采用的帧结构


　　每个帧可以进一步划分为下行子帧和上行子帧，两者之间用适当的保护时隙分隔。下行子帧与上行子帧之间的保护时隙叫做TTG（传输/接收转换间隔），上行子帧与下一个帧的下行子帧之间的保护时隙叫做RTG（接收/传输转换间隔）。这两个参数是根据基站天线接口上的信号确定的，在实际使用中，还需要考虑无线信号的传播时延。

　　每个帧都由Preamble开始，Preamble是这个帧的第一个符号，用于同步功能。

　　紧接在Preamble之后是帧控制报头（FCH），包括当前帧的控制信息，如DL-MAP和UL-MAP消息的长度、编码方案和使用的子信道等。FCH携带的信息量不大，但FCH提供了移动台继续解调其他消息所必须的基础信息，因此非常重要。

　　MAP消息分别提供下行链路和上行链路上子信道分配信息和其它控制信息。其中DL-MAP消息规定了下行链路上的信息，包括以下内容。

　　●帧长度。802.16e支持多种帧长度，但IP-OFDMA技术仅仅支持5ms帧长度。

　　●将下行帧进一步划分为不同的突发（Burst），不同的突发可以分配给不同的用户，从而实现多用户接入。

　　●确定可选的载波和符号分配方式，如FUSC等。

　　UL-MAP消息规定了上行链路上的信息，包括以下内容。

　　●下行链路上突发（Brust）的分配方式。

　　●上行Ranging信道的工作方式。

　　上行信道的ACKCH主要给移动台用于回应下行信道的HARQ证实信息。

　　上行信道的快速反馈信道（CQICH）主要给移动台用于反馈信道状态信息。

　　上行Ranging信道主要给移动台用于执行闭环时间、频率和功率调节，以及带宽申请。它可以进一步细分为四种类型。

　　●初始Ranging，用于移动台接入网络。

　　●周期性Ranging，当移动台和网络建立连接以后，周期性地报告状态。

　　●切换Ranging。

　　●带宽申请。

　　6、结束语

　　IEEE和WiMAX论坛是一种非常松散的标准化组织，为了平衡各个方面的利益，他们发布的标准往往包含大量的可选项。这些可选项破坏了最终产品之间的兼容性，成为产业发展的障碍。从802.16e到WiMAX论坛，再到IP-OFDMA技术，标准的可操作性在不断地改善，为产业取得突破性进展创造了条件。

　　另外，IP-OFDMA技术成为IMT-2000技术之一，打破了3G技术和市场的格局，对整个行业的发展都将产生巨大的影响。整个移动通信行业将向何处发展，仍然需要拭目以待。