WiMAX（IP-OFDMA）的物理層參數(shù)和幀結(jié)構(gòu)

長期以來，WiMAX都宣稱自己是4G技術(shù)，是3G技術(shù)的終結(jié)者。但是，WiMAX在發(fā)展的過程中也遇到了不可克服的障礙，這就是WiMAX始終沒有獲得全球統(tǒng)一的頻譜資源。這對市場目標(biāo)為移動(dòng)通信的WiMAX來說，是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。如果沒有全球統(tǒng)一的頻譜，就不能提供完善的漫游服務(wù)，也就不能成為一個(gè)真正的移動(dòng)通信系統(tǒng)。 [關(guān)鍵字] 無線通信??WiMAX??IP-OFDMA??物理層??


　　1、引言

　　長期以來，WiMAX都宣稱自己是4G技術(shù)，是3G技術(shù)的終結(jié)者。但是，WiMAX在發(fā)展的過程中也遇到了不可克服的障礙，這就是WiMAX 始終沒有獲得全球統(tǒng)一的頻譜資源。這對市場目標(biāo)為移動(dòng)通信的WiMAX來說，是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。如果沒有全球統(tǒng)一的頻譜，就不能提供完善的漫游服務(wù)，也就不能成為一個(gè)真正的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

　　為了解決這個(gè)問題，從2006年下半年開始，WiMAX開始調(diào)整自己的市場策略。2007年1月，WiMAX論壇和IEEE正式向ITU提出申請，希望ITU將WiMAX作為一種新的3G技術(shù)，即第6種3G技術(shù)。

　　如果WiMAX能夠如愿成為一種新的3G技術(shù)，則WiMAX將能夠合法地使用ITU分配給3G的頻段，從而解決目前發(fā)展過程中的關(guān)鍵瓶頸。

　　需要特別指出的是，WiMAX論壇和IEEE并沒有將完整的803.16e技術(shù)提交給ITU，實(shí)際提交的技術(shù)被稱為IP-OFDMA技術(shù)，有以下兩個(gè)特點(diǎn)。

　　●只包括WiMAX的TDD部分，而不支持FDD。

　　●只支持5MHz帶寬和10MHz帶寬，不支持韓國WiBro使用的9MHz帶寬。

　　本文將著重探討IP-OFDMA技術(shù)的特點(diǎn)，及其與802.16e技術(shù)的區(qū)別。

　　2、使用頻段和帶寬

　　如前文所述，WiMAX在發(fā)展的初期，根本瓶頸是頻率問題。為了能夠獲得初期的發(fā)展空間，802.16e聲稱可以用于11GHz以下的所有頻段，且規(guī)定了1.25MHz，3.5MHz，5MHz，8.75MHz和10MHz等多種不同的帶寬。

　　IEEE802.16d的這種方式雖然解決了初期的發(fā)展問題，卻為進(jìn)一步發(fā)展設(shè)置了障礙。采用不同頻段和不同帶寬的設(shè)備之間不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，不能漫游，阻礙了產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，也阻礙了成本的進(jìn)一步降低。

　　在這種背景條件下，主要廠商支持成立了WiMAX論壇，共同推動(dòng)WiMAX技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化過程。WiMAX論壇的一項(xiàng)基本工作就是減少802.16e技術(shù)中的“可選項(xiàng)”的數(shù)量，以利于產(chǎn)品開發(fā)，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

　　

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表1 WiMAX論壇規(guī)定的頻段和帶寬


　　從表1可以看出，除了韓國WiBro使用的1A特性以外，WiMAX論壇已經(jīng)將目標(biāo)頻段確定為2.3GHz，2.5GHz和3.3～3.4GHz共三個(gè)頻段，基本帶寬定義為5/10MHz和3.5/7MHz兩個(gè)系列。

　　本次IEEE/WiMAX論壇提交給ITU的IP-OFDMA技術(shù)并沒有直接說明采用的頻段。但I(xiàn)EEE/WiMAX論壇提出的技術(shù)分析和宣傳材料都暗示IP-OFDMA技術(shù)就是WiMAX技術(shù)的3A特性，即2.5GHz頻段上采用5/10MHz帶寬。

　　3、OFDMA基本參數(shù)

　　

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表2 IP-OFDMA技術(shù)采用的基本的OFDMA參數(shù)


　　當(dāng)采用10MHz帶寬模式的時(shí)候，IP-OFDMA技術(shù)使用1024點(diǎn)的FFT。每個(gè)子載波的帶寬是10.94MHz，因此，F(xiàn)FT處理的帶寬是11.2MHz。但是，并非所有的子載波都被真正使用了，實(shí)際上，頻譜兩端共有183個(gè)子載波被用于保護(hù)頻帶，不發(fā)射信號(hào)，所以實(shí)際占用的帶寬是 9.2MHz。

　　當(dāng)采用5MHz帶寬的時(shí)候，IP-OFDMA技術(shù)使用512點(diǎn)的FFT，頻譜兩端共有保護(hù)子載波91個(gè)，實(shí)際使用帶寬4.6MHz。

　　在不同帶寬的系統(tǒng)中，除了子載波數(shù)量不同以外，包括子載波帶寬在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)都保持不變。這樣，不同帶寬的系統(tǒng)可以最大限度地使用相同的高層，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　4、OFDMA的符號(hào)結(jié)構(gòu)和子信道結(jié)構(gòu)

　　在IP-OFDMA技術(shù)中，所有的子載波分成三類。

　　●數(shù)據(jù)子載波，用于傳輸用戶數(shù)據(jù)和控制信令。

　　●導(dǎo)頻子載波，用于信道估計(jì)和同步。

　　●空子載波，不發(fā)送信號(hào)，用于保護(hù)帶寬和零子載波。

　　數(shù)據(jù)子載波和導(dǎo)頻子載波合稱活動(dòng)子載波。IP-OFDMA技術(shù)在下行鏈路上和上行鏈路上都將數(shù)據(jù)子載波進(jìn)一步劃分為不同的組，稱為子信道。

　　每個(gè)子信道中的子載波有兩種排列方式，一是分散（Diversity）方式，一種是連續(xù)（Contiguous）方式。一般來說，分散方式能夠獲得頻率分集增益，也有利于消除小區(qū)間干擾，對高速移動(dòng)業(yè)務(wù)比較有利；而連續(xù)方式對固定或者低速移動(dòng)業(yè)務(wù)比較有利。

　　其中分散方式又可以進(jìn)一步劃分為下行PUSC（部分使用子信道），上行PUSC和下行FUSC（完全使用子信道）共三種方式。

　　下行鏈路PUSC（部分使用子信道）方式，即每個(gè)OFDM符號(hào)有14個(gè)子載波，其中包括12個(gè)數(shù)據(jù)子載波和2個(gè)導(dǎo)頻子載波。每一對OFDM符號(hào)構(gòu)成一個(gè)群（Cluster）。群（Cluster）中的數(shù)據(jù)子載波和導(dǎo)頻子載波分配如圖1所示。每個(gè)子信道由兩個(gè)群（Cluster）構(gòu)成。 10MHz帶寬的系統(tǒng)共有30個(gè)子信道，而5MHz帶寬的系統(tǒng)有15個(gè)子信道。每個(gè)子信道包括48個(gè)數(shù)據(jù)子載波。

　　

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圖1 群（Cluster）中的數(shù)據(jù)子載波和導(dǎo)頻子載波分配

上行鏈路的PUSC（部分使用子信道）方式的構(gòu)成方式與下行鏈路類似，但具體參數(shù)有所不同。下行鏈路的基本單位是塊（Tile），由三個(gè)符號(hào)構(gòu)成。塊（Tile）中數(shù)據(jù)子載波和導(dǎo)頻子載波的構(gòu)成如圖2所示。每個(gè)子信道由六個(gè)塊（Tile）構(gòu)成。這樣，10MHz帶寬的系統(tǒng)共有35個(gè)子信道，而5MHz 帶寬的系統(tǒng)有17個(gè)子信道。雖然子信道數(shù)量與上行鏈路不同，但每個(gè)子信道包括的數(shù)據(jù)子載波相同，都是48個(gè)。

　　

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圖2 塊（Tile）中數(shù)據(jù)子載波和導(dǎo)頻子載波的構(gòu)成


　　下行FUSC（全部使用子信道）方式與PUSC方式不同。FUSC方式的每個(gè)子信道只涉及一個(gè)符號(hào)，導(dǎo)頻子載波通過一個(gè)生成公式均勻分布在整個(gè)頻段中，給所有的子信道共用。每個(gè)子信道48個(gè)數(shù)據(jù)子載波，也均勻分布在整個(gè)頻段中。10MHz帶寬的系統(tǒng)只有16個(gè)子信道，而5MHz帶寬的系統(tǒng)有8 個(gè)子信道。

　　連續(xù)的子載波排列方式可以細(xì)分為下行AMC方式和上行AMC方式。兩種方式的結(jié)構(gòu)完全相同。9個(gè)子載波構(gòu)成一個(gè)塊（Bin），其中包括8個(gè)數(shù)據(jù)子載波和一個(gè)導(dǎo)頻子載波。一個(gè)基本分配單位（Slot）包括一定數(shù)量的塊（Bin）和符號(hào)。塊和符號(hào)的組合有以下四種情況：（6個(gè)塊，1個(gè)符號(hào)）、（3 個(gè)塊，2個(gè)符號(hào)）、（2個(gè)塊，3個(gè)符號(hào)）和（1個(gè)塊，6個(gè)符號(hào)）。使用連續(xù)子載波排列方式的時(shí)候，用戶可以選擇頻率響應(yīng)特性最好的子信道，從而獲得多用戶分集增益。

　　在IP-OFDMA系統(tǒng)中，下行PUSC是必須使用的方式，其他幾種方式是可選方式。基站可以在MAP消息中設(shè)置適當(dāng)?shù)闹甘颈忍貋泶_定當(dāng)前究竟使用了那種方式。

　　5、TDD方式的幀結(jié)構(gòu)

　　在802.16e中，規(guī)定了FDD和TDD兩種雙工方式，并且規(guī)定了5ms，10ms和20ms等多種不同的幀結(jié)構(gòu)。但在IP-OFDMA技術(shù)中，只定義了5ms幀長度的TDD方式。

　　IP-OFDMA技術(shù)采用的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　

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圖3 IP-OFDMA技術(shù)采用的幀結(jié)構(gòu)


　　每個(gè)幀可以進(jìn)一步劃分為下行子幀和上行子幀，兩者之間用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)隙分隔。下行子幀與上行子幀之間的保護(hù)時(shí)隙叫做TTG（傳輸/接收轉(zhuǎn)換間隔），上行子幀與下一個(gè)幀的下行子幀之間的保護(hù)時(shí)隙叫做RTG（接收/傳輸轉(zhuǎn)換間隔）。這兩個(gè)參數(shù)是根據(jù)基站天線接口上的信號(hào)確定的，在實(shí)際使用中，還需要考慮無線信號(hào)的傳播時(shí)延。

　　每個(gè)幀都由Preamble開始，Preamble是這個(gè)幀的第一個(gè)符號(hào)，用于同步功能。

　　緊接在Preamble之后是幀控制報(bào)頭（FCH），包括當(dāng)前幀的控制信息，如DL-MAP和UL-MAP消息的長度、編碼方案和使用的子信道等。FCH攜帶的信息量不大，但FCH提供了移動(dòng)臺(tái)繼續(xù)解調(diào)其他消息所必須的基礎(chǔ)信息，因此非常重要。

　　MAP消息分別提供下行鏈路和上行鏈路上子信道分配信息和其它控制信息。其中DL-MAP消息規(guī)定了下行鏈路上的信息，包括以下內(nèi)容。

　　●幀長度。802.16e支持多種幀長度，但I(xiàn)P-OFDMA技術(shù)僅僅支持5ms幀長度。

　　●將下行幀進(jìn)一步劃分為不同的突發(fā)（Burst），不同的突發(fā)可以分配給不同的用戶，從而實(shí)現(xiàn)多用戶接入。

　　●確定可選的載波和符號(hào)分配方式，如FUSC等。

　　UL-MAP消息規(guī)定了上行鏈路上的信息，包括以下內(nèi)容。

　　●下行鏈路上突發(fā)（Brust）的分配方式。

　　●上行Ranging信道的工作方式。

　　上行信道的ACKCH主要給移動(dòng)臺(tái)用于回應(yīng)下行信道的HARQ證實(shí)信息。

　　上行信道的快速反饋信道（CQICH）主要給移動(dòng)臺(tái)用于反饋信道狀態(tài)信息。

　　上行Ranging信道主要給移動(dòng)臺(tái)用于執(zhí)行閉環(huán)時(shí)間、頻率和功率調(diào)節(jié)，以及帶寬申請。它可以進(jìn)一步細(xì)分為四種類型。

　　●初始Ranging，用于移動(dòng)臺(tái)接入網(wǎng)絡(luò)。

　　●周期性Ranging，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)建立連接以后，周期性地報(bào)告狀態(tài)。

　　●切換Ranging。

　　●帶寬申請。

　　6、結(jié)束語

　　IEEE和WiMAX論壇是一種非常松散的標(biāo)準(zhǔn)化組織，為了平衡各個(gè)方面的利益，他們發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)往往包含大量的可選項(xiàng)。這些可選項(xiàng)破壞了最終產(chǎn)品之間的兼容性，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙。從802.16e到WiMAX論壇，再到IP-OFDMA技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的可操作性在不斷地改善，為產(chǎn)業(yè)取得突破性進(jìn)展創(chuàng)造了條件。

　　另外，IP-OFDMA技術(shù)成為IMT-2000技術(shù)之一，打破了3G技術(shù)和市場的格局，對整個(gè)行業(yè)的發(fā)展都將產(chǎn)生巨大的影響。整個(gè)移動(dòng)通信行業(yè)將向何處發(fā)展，仍然需要拭目以待。