WiMAX宽带无线接入技术简介

WiMAX宽带无线接入技术简介

传统的蜂窝式电话可在大范围输入信号下工作。临近基站，其信号电平在-40dBm左右。尽管这并不是系统的设计目标，但当处于蜂窝的边缘，信号电平为-113dBm时，电话的通话质量还是令人满意的。

    较高功率的唯一优势是抗干扰性。在蜂窝基站规划早期，规划的重点是覆盖范围而不是抗干扰或网络容量。

    不过，如今大多数蜂窝系统都受到干扰的限制而不是范围的限制。因此，许多移动电话系统都需要昂贵的叉车式升级来适应不断增长的干扰限制。

    通常情况下，全向天线被定向天线所取代。有时，定向天线又被其他前后比更好的定向天线所取代。随着时间的流逝，选择合适的波束宽度和波束形状可为范围、容量及干扰抑制提供很好的综合解决方案。

    信噪比

    WiMAX的部署可能会重复这种效率低下的优化过程。在规划阶段，通常不会考虑WiMAX系统与传统蜂窝系统的差别。虽然新系统的规划方式可以和传统蜂窝电话系统的规划方式相同。但是，WiMAX的工作方式却大不相同。

    在传统移动电话系统中，如果覆盖范围足够大，并且信噪比（SNR）超过9dB，那么用户通话的效果就会非常清晰，用户会因此感到满意。即使用户的信噪比增加到20dB，通话效果仍然相同。

    然而，在基于WiMAX的系统中，20dB信噪比允许用户通过一种可以提供非常高的数据吞吐量的调制格式来接收信号。如果信噪比只有9dB，那么连接会慢得多，这是因为WiMAX系统使用了一种基于信噪比的自适应调制格式。这就与我们平常讲话时的状况一样。如果环境安静，那么讲话人可以说得很快且可以让人听懂。然而，如果很吵闹并且讲话人离得很远，那么他需要大声说话并且将语速放慢。同理，在嘈杂的环境中，通信链路效率很低。

    回波处理

    WiMAX与传统移动电话网络的另一个根本区别在于无线电调制。传统的蜂窝系统，如GSM，使用了一种信号载波系统。整个射频频谱被分割为频道，每个用户使用一个频段进行通信。而多路回波限制了用户的通信速率，它类似于人们在峡谷中大喊引起的回声。为了使通话清晰，用户需要放慢语速，以避免回波造成的干扰。WiMAX所使用的OFDM调制方式可以消除回波问题。会话被分成许多慢速的分会话，而每个分会话使用不同的频率。由于每个会话都很慢，所以回波就不再成为问题。每一个会话都在不同的频率上，因此相互之间不会发生干扰。对于峡谷里的个人通信而言，这种方法可能不太现实，但它在电路上非常容易实现。

    传统蜂窝电话系统的目标是使用9dBi或者更高的信噪比覆盖每个地方，消除盲点并实现低的多径。WiMAX系统则希望在无盲点的覆盖区域内得到最好的平均SNR值，而不太在意多径问题。考虑到WiMAX与传统蜂窝系统的这些根本区别，它们似乎不适合使用相同的规划方法和天线硬件。

    确定最好的配置是一项令人生畏的工作。因为每种配置不尽相同，而变量又太多。这些变量包括已使用的扇区数、频率重用机制、射频传播环境、塔高以及背景干扰级别。高级的优化过程加上传播模型可以帮助我们探究其中的一些问题。

    高级最优化仿真

    以下仿真使用Cost231模型—也称为哈塔模型PCS扩展。这种无线传播模型对哈塔模型和Okumura模型进行了扩展以覆盖更广的频谱范围，比如WiMAX常用的那些频段。

    读取基站天线的完整三维辐射图，并观察整个蜂窝的载波干扰比（C/I）。载波干扰比等价于信噪比，其侧重的信号是OFDM载波，而干扰来自使用相同载波的一些其他基站。

    模型中考虑了塔的高度。进行优化的变量包括天线的指向，塔上的天线数量以及塔高。目标是找到一个场址方案来提供可能达到的最大系统总容量，这是一项与蜂窝内平均载波干扰比密切相关的任务。

    网络优化

    首先，考虑基站天线波束形状的影响。这里比较了频率尺度变换的优质UMTS基站天线与波束宽度是90°3dB的WiMAX天线。其中，前者的波束宽度是72°3dB。

    尽管UMTS天线的增益更高，但WiMAX天线的反向辐射要低得多。UMTS型天线的波束掩模符合ETSISS1波束规格，而WiMAX天线的波束符合ETSISS3波束规格。

    在优化过程中以及制造商优化最佳总数据吞吐量时考虑的七塔格中，不推荐使用信道复用。优化结果如图1所示。

    图1制造商优化总数据吞吐量的结果

    每个塔用一个字母表示，相同的字母表示相同的塔配置。在图1中，彩色表示载波干扰比，而每个位置的容量都是从图中计算得到。有趣的是，优化者并没有选择蜂窝基站常用的标准的三扇区结构，而是为两个天线都选择了四扇区结构。可以看到，较紧凑的波束掩码会产生明显好得多的平均载波干扰比，从而产生更大的基站容量。通过查看覆盖图，可以了解得更深。

    图2WiMAX天线的低后瓣在扇区间提供较干净的过渡带

    图2所示为WiMAX天线的低后瓣在扇区间提供的较干净过渡带。在使用低性能UMTS型天线的系统中，手机可能会因为天线后瓣或设置不合适的波束宽度而形成的微蜂窝所引起“混淆”而不知道自己在哪个区。这样可能造成设备很难越区切换。

    上面的分析产生了这样的问题，WiMAX天线正确的天线波束宽度和旁瓣规格是什么？通常，答案要求设计一套工程上的折中。

    考虑操作员频谱受限，想要在地表周期性重复的七塔配置中获取七个可用的信道。通过仅选择七个信道，操作者已经提高最大突发容量。然而，可以找到一种重用模式来提供运转所需的载波干扰比这一点并不明显。

    很明显这是个具有挑战性的问题，这里允许优化者选择最佳天线及结构。

将赞助资金、热心的发达国家企业家以及较为广泛的WiMAX网络覆盖三方面因素结合起来，类似巴基斯坦这样的发展中国家可能会得到所需的无线网络解决方案，帮助这些贫穷但战略意义重大的国家改善其亟需改进的公共教育系统。

    巴基斯坦的WiMAX商机

    经过几年时间的网络部署后，WiMAX在巴基斯坦的发展非常顺利，现在正逐级成为该国电信基础设施的重要组成部分，其发展速度甚至已超越一些较发达国家。但是，TelecomPK（一个主要报道巴基斯坦电信业相关信息的博客网站）的美国主编BabarBhatti说，WiMAX仍面临许多挑战。

    在巴基斯坦，至少有三家企业已经部署并正式运行WiMAX网络。首都伊斯兰堡等大城市甚至已经出现了业务竞争，WiMAX服务价格最近也因此而有所下降。

    AbuDhabiGroup（总部位于阿拉伯联合酋长国）的分公司Wateen已在包括伊斯兰堡、卡拉奇和拉瓦尔品第在内的22个巴基斯坦城市推出了WateenHome服务。该公司于2006年启动该项服务，是最早进入WiMAX家庭市场的电信公司。

    此后，巴基斯坦最大的移动运营商Mobilink在卡拉奇推出了MobilinkInfinity服务。该公司是总部同样位于中东地区的埃及Orascom的子公司，其计划在拉合尔和伊斯兰堡等其它城市推出该项服务。

    Wi-tribe是一家仅提供宽带无线服务的企业，总部也位于中东地区。该公司今年已在拉合尔、伊斯兰堡和卡拉奇等城市推出服务。这三个城市都采用了3.5GHz频段的移动802.16eWiMAX技术。

    据WiMAX论坛称，至少还有另外两家运营商Supernet和BurraqTelecom也打算在巴基斯坦推出WiMAX服务。

    WiMAX网络支撑远程教育

    KZOEducation位于维吉尼亚州赫顿（Herndon），是一家主要开发在线交互学习内容和技术的公司。其总裁PhilCruver认为，在巴基斯坦靠自身的努力推动其公共教育系统发展的进程中，WiMAX将发挥“至关重要”的作用。

    Cruver希望其公司开发的Web2.0学习技术能够贡献一份力量，帮助这个需求庞大但资源匮乏的国家以极低的成本提供优质的教育。

    巴基斯坦的识字人数大约只有50%，而女孩所占的比例更低。现在，该国拥有大约130万名教师，但是要达到所需的标准（教育方面），还需要将这个数字翻一番。

    Cruver的想法是，通过WiMAX网络提供基于交互式流视频的学习课程。KZO公司已自己出资，在伊斯兰堡开始试点项目。该项目将两所学校（一所男子学校，一所女子学校）的网络连接到巴基斯坦运营商WateenTelecom运营的WiMAX网络。

    该举措的最终目标是借助可用资源，基于国内外优秀教师的授课视频来构建远程学习模块。虽然在巴基斯坦，教师培训也至关重要，但Cruver表示：“我们想做的就是告诉人们有哪些事情可以通过网络完成。”

    因为竞争，WiMAX服务价格在巴基斯坦有所下降，Cruver称，KZO每月只需支付21美元，试点项目中的两所学校即可获得1Mbit/s带宽的宽带网络服务。

    KZO公司的试点项目将侧重于技术教育，在这方面，公司已有现成的面向企业客户的课程内容和专业知识。Cruver认为，这种方式也同样适用于其它领域的课程。

    不过，一切才刚刚开始，使用WiMAX全面部署KZO技术的资金尚未就绪。但在寻找资金方面，Cruver持乐观态度。

    KZO有理由乐观。该公司是美国研究学会（AmericanInstitutesforResearch，AIR）实施的 Links to Learning: Education Support to Pakistan（ED-LINKS）项目的子承包商，该项目由美国国际开发署（The United States Agency for International Development，USAID）援助9千万美元，历时5年。

    ED-LINKS项目主要致力于改进教师教学，不过它是一个多方面的计划。KZO公司的当前工作直接面向学生。它开展了一项交流计划，让巴基斯坦的高中生分批来到美国，进行为时两周的文化和教育交流。

    在美国，巴基斯坦学生将完成一个由KZO公司使用其交互式电子学习工具提供的密集型技术技能培训计划。此外，这些学生还将完成关于美国文化和历史的速成课程。

    在ED-LINKS交流项目中，KZO公司用来提供教学内容的技术（在巴基斯坦，正开始用于远程学习）是其子公司KZOInnovations开发的。该公司表示，在多个基于流视频的电子学习产品中，其平台远远超出了其它电子学习产品。

    KZO技术可使用几乎来自所有来源的视频，包括专业制作的课程和录制的电话会议。他们真正的竞争优势是Web2.0功能。借助该功能，用户可以在视频播放时实时发送文本讯息。此外，他们还可以在视频播放过程中添加标签和其它注释，以便进行索引和扩展。

    数月后访问该互联网内容的用户，可以使用这些标签定位到课程的特定部分。注释可能包括早期用户对该内容的评论，以及网上相关内容的链接。Cruver说：“现在，我们称之为Learning2.0”。

    几年前创建的KZOInnovations，专注开发面向商业应用的KZO知识资产，电子学习平台是其中的成果之一。

    由于KZO技术是围绕流视频创建的，因此要用它进行远程教学就必须采用宽带互联网接入，而这在巴基斯坦等大多数发展中国家都尚未实现。不过，虽然巴基斯坦在其它方面问题缠身，比如经济不振、资金不足的教育系统，但电信业却是它的一大亮点。

    WiMAX发展中的现实挑战

    据称，Wateen在过去的发展过程中遇到了一些障碍，其中包括由于运行初期网络性能不稳定，客户端设备容易出现故障，Wateen服务遭到了客户的投诉等。现在，有了WiMAX网络的支持，这些问题已得到解决。

    但是，WiMAX客户端设备的费用为50～80美元，这对较为贫穷的巴基斯坦民众来说也是一种经济上的负担。因此，毫不奇怪，运营商将企业列为首要客户目标，高端移动办公人士为第二，而教育机构则为最末。

    而Cruver对Wateen服务非常满意。他说：“服务开通速度很快，交了钱就开通了，24小时不间断运行。”

    当地应用WiMAX业务最大的问题来自于断电，每次断电都能使网络瘫痪好几个小时。但是，正如Cruver所说的，断电是巴基斯坦日常生活中的一部分，参与试点项目的所有相关方对此都已习惯。

    尽管经常出现断电现象，但仍有上百个学生注册了KZO学校平台的社交网络课程。只要一恢复供电，教师就会蜂拥下载课程计划。