WiMAX寬帶無線接入的頻譜分配及接口分析

文章探討了IEEE 802.16a/d/e WirelessMAN的實(shí)現(xiàn)，全球的頻譜管理組織已經(jīng)指定了用于寬帶部署的頻段，包括得到許可的和未得到許可的頻段。在討論功率問題以及未來頻譜分配的同時(shí)，本文還討論了射頻前端到基帶(SoC)的接口問題。

就在Wi-Fi無線局域網(wǎng)(WLAN)借助IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)快速起飛的時(shí)候，新近出現(xiàn)的基于IEEE 802.16無線城域網(wǎng)(MAN)標(biāo)準(zhǔn)的MAN也即將快速啟動(dòng)。就頻譜而言，IEEE 802.16a/d/e WirelessMAN也稱為WiMAX(微波接入的全球互操作性)。盡管802.16x設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性規(guī)范，WiMAX論壇，這個(gè)全球?qū)拵o線接入(BWA)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)提供了質(zhì)量控制和認(rèn)證以保證成功的標(biāo)準(zhǔn)化部署。WiMAX論壇的首要任務(wù)是聯(lián)合全球大量的參與者，包括芯片生產(chǎn)商、軟件開發(fā)商、設(shè)備生產(chǎn)商和服務(wù)提供商來支持 IEEE WirelessMAN/ETSI HyperMAN標(biāo)準(zhǔn)，并保證全球性的兼容性和互操作性，但同時(shí)還創(chuàng)建一個(gè)競(jìng)爭性的領(lǐng)域以降低服務(wù)提供商和用戶的成本。IEEE 802.16 和 WiMAX將推進(jìn)BWA以加速成本可接受的全球?qū)拵?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)部署。

圖1：WiMAX用戶站的基本框圖-不同的RF前端提供頻段靈活性。

然而，標(biāo)準(zhǔn)化并不意味全球的“一致”以及“所有”已部署的經(jīng)認(rèn)證的WiMAX設(shè)備的自動(dòng)互操作性。標(biāo)準(zhǔn)定義和建議了媒體訪問控制(MAC)層和物理層(PHY)的關(guān)鍵框架，MAC層根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行打包或解包以提供數(shù)據(jù)、語音和視頻， PHY層根據(jù)用戶需求和射頻(RF)連接質(zhì)量處理空中接口和調(diào)制方案。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了各種框架，但也允許提供商進(jìn)行定制以滿足特定的或區(qū)域性的市場(chǎng)需求，或者允許提供商通過增加增值特性來使自己區(qū)別于競(jìng)爭者。

更甚者，在全球范圍內(nèi)，不同區(qū)域的射頻接口存在變化。在這個(gè)方面，頻譜管理者在決定針對(duì)不同，甚至有時(shí)是競(jìng)爭業(yè)務(wù)的頻譜分配上扮演關(guān)鍵角色，如美國的聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)。通過這些管理者，政府可以使某些與世界其他地方一致或不一致的頻譜為某個(gè)指定的業(yè)務(wù)所用。對(duì)于WiMAX的全球部署來說也是這樣，盡管確實(shí)存在一些非常共同的RF問題，但是在頻譜的分配和管理上也存在大量的差異性。

但是，并不僅僅是管理的問題造成在WiMAX無線MAN全球部署上的RF頻段差異性，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的服務(wù)承載商和無線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(WISP) 也具有頻段的選擇問題?？捎玫暮鸵逊峙涞念l譜包括不同的已授權(quán)的和未授權(quán)(免授權(quán))的頻段，業(yè)務(wù)承載商可以選擇利用它獲得授權(quán)的頻譜來提供業(yè)務(wù)并/或選擇使用未授權(quán)頻譜。大多數(shù)WISP選擇使用未授權(quán)頻譜，因?yàn)檫@些頻譜免費(fèi)使用，大大降低最終用戶的成本。

WiMAX無線城域網(wǎng)部署的頻譜差異性導(dǎo)致了對(duì)具有不同RF的基站(BS)和用戶站(SS)的需求。如圖1中所展示，一個(gè)典型的WiMAX SS系統(tǒng)包括一個(gè)控制處理器、一個(gè)MAC單元、一個(gè)基帶處理器(BBP)和一個(gè)模擬RF前端，這個(gè)RF前端的作用是將802.16x放入到一個(gè)授權(quán)的或未授權(quán)的頻段中。設(shè)備提供商期望芯片制造商來提供完整的參考設(shè)計(jì)、材料清單、元件、軟件/固件以及技術(shù)支持，以便他們能快速地生產(chǎn)WiMAX設(shè)備以滿足這些RF差異化的市場(chǎng)需求。這種服務(wù)于某種特定頻段的接口就是RF前端。

1 關(guān)注802.16d-提供PMP寬帶網(wǎng)絡(luò)連接的超視距點(diǎn)到多點(diǎn)頻譜

得到WiMAX認(rèn)證的BWA應(yīng)用包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)回程(backhauling)、有線和無線LAN回程、無線MAN將BWA帶入到家庭或商業(yè)中，作為 DSL或有線接入之外的一個(gè)選擇。然而，最大的爆發(fā)性市場(chǎng)增長將在802.16x未來版本解決了便攜性和移動(dòng)性問題，將BWA直接帶入到終端用戶的時(shí)候。這個(gè)“最后一英里”必然是利用超視距(NLOS)RF傳播的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)領(lǐng)域，WiMAX網(wǎng)絡(luò)將以授權(quán)和免授權(quán)頻段出現(xiàn)在全世界，在很多情況下代替802.16之前的已有業(yè)務(wù)。

當(dāng)前，人們關(guān)注2GHz到6GHz的頻段。這些是已分配的帶寬，相對(duì)于10GHz到66GHz的可用帶寬來說很窄。10GHz以下的微波頻段被稱為厘米波段，10GHz以上的為毫米波段。毫米波段具有很寬的信道帶寬，提供很大的數(shù)據(jù)容量，因此通常非常適合非常高數(shù)據(jù)速率視距回程應(yīng)用(主要管線)，而厘米波段非常適合于多點(diǎn)、超視距、支線和最后一英里分布應(yīng)用。

IEEE 802.16d支持固定NLOS BWA來替代或作為對(duì)DSL和線纜接入在最后一英里的補(bǔ)充，這是WiMAX部署的第一波。進(jìn)一步，IEEE 802.16e將在2005年被批準(zhǔn)，將加入移動(dòng)和便攜特性以支持像筆記本和PDA在6GHz以下頻率的應(yīng)用。在這些部署中，授權(quán)和免授權(quán)頻譜都將被利用到。??

2 授權(quán)和免授權(quán)頻譜

圖2顯示了2GHz到6GHz頻率范圍內(nèi)BWA可用的頻段。注意這些頻段是以授權(quán)或免授權(quán)來標(biāo)示的，授權(quán)頻段是指那些被承運(yùn)商所有的，它們已經(jīng)為用這些頻段支付費(fèi)用，免授權(quán)頻段是免費(fèi)給任何試驗(yàn)或企業(yè)應(yīng)用的。基于IEEE 802.11a/b/g的Wi-Fi占用免授權(quán)頻段，盡管在這些頻段中存在相競(jìng)爭的技術(shù)，但已經(jīng)經(jīng)驗(yàn)證非常穩(wěn)定。在每個(gè)頻段內(nèi)，信道間距相對(duì)較窄，因此相對(duì)于高頻率的微米波段的信道來說限制了數(shù)據(jù)率。

很多無線ISP尋求利用免授權(quán)頻段，因?yàn)檫@是免費(fèi)的，不僅節(jié)省局域網(wǎng)絡(luò)部署的成本還節(jié)省時(shí)間，這同樣也節(jié)省用戶的成本，并提供了DSL和電纜調(diào)制解調(diào)器服務(wù)以外的選擇。在美國，免授權(quán)頻段同樣具有吸引力，因?yàn)樵?GHz-6GHz的頻率范圍內(nèi)沒有多少授權(quán)頻譜可用。另外一方面，擁有授權(quán)頻段的主要承載商可以推銷他們的服務(wù)為“商業(yè)級(jí)”的服務(wù)，因?yàn)樗麄儽徽J(rèn)為是穩(wěn)定而可靠的，享有主要品牌的聲譽(yù)。

3 頻段分配

3.5GHz -- 3.5GHz頻段是一段已授權(quán)頻譜，在很多歐洲和亞洲國家可以用在BWA上，但在美國卻不行。這個(gè)頻段是最擁擠的，代表最大的全球BWA市場(chǎng)，覆蓋了從3.3GHz-3.6GHz的300MHz帶寬，這個(gè)頻段為大管線回程到廣域網(wǎng)(WAN)業(yè)務(wù)提供了非常大的靈活性。主要的承載商采用這個(gè)授權(quán)頻譜可以通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)和WiMAX設(shè)備的低成本為用戶提供具有競(jìng)爭性的收費(fèi)。

5GHz U-NII & WRC頻段 - 免授權(quán)國家信息基礎(chǔ)設(shè)施(U-NII)頻段擁有三個(gè)主要的頻段：低和中U-NII頻段 (5,150-5,350)(802.11a)、WRC(新)(5,470-5,725)以及上端U-NII / ISM頻段 (5,725-5,850)。Wi-Fi存在于低和中U-NII頻段，這已經(jīng)得到證實(shí)可以適用于BWA。很多重疊的5GHz頻段標(biāo)志著BWA在全球的增長。最新分配的世界無線電大會(huì)(WRC) 5,470-5,725MHz頻段大大增加了免授權(quán)頻段帶寬。大多數(shù)WiMAX運(yùn)行在U- NII 5,725-5,850MHz頻段的上端，因?yàn)樵谶@個(gè)頻段很少有競(jìng)爭性業(yè)務(wù)和干擾，也就是Wi-Fi和室外功率允許在2到4瓦的范圍，而在低和中 U-NII頻段的功率只有1W。分析家和商業(yè)人士認(rèn)為WiMAX在免授權(quán)頻率內(nèi)將有強(qiáng)勁的增長。

WCS - 兩個(gè)無線通信業(yè)務(wù)(WCS)頻段是兩個(gè)15MHz的頻率片斷，分別為2,305MHz到2,320MHz和2,345MHz到 2,360MHz。兩者之間的25MHz頻率間隙分配用來作為數(shù)字音頻無線業(yè)務(wù)(DARS)，這產(chǎn)生了由DARS地面中繼器導(dǎo)致的潛在干擾問題。在這些頻段的成功部署將要求非常高的頻率效率，例如Wi-Fi和WiMAX都采用正交頻分復(fù)用(OFDM)。

2.4GHz ISM - 2.4GHz工業(yè)、科技和醫(yī)學(xué)(ISM)頻段為免授權(quán)的，為BWA的部署提供了大約80MHz的帶寬。當(dāng)前的Wi-Fi 就存在于這個(gè)頻段，已經(jīng)證明能為WLAN提供穩(wěn)定的服務(wù)。未來規(guī)定可以互操作的MAC和BBP要求的WiMAX類(profile)將同時(shí)帶來這兩種業(yè)務(wù)，為用戶提供大范圍移動(dòng)性的互補(bǔ)操作。

MMDS - 多信道多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)(MMDS)頻譜包括在2,500MHz到2,690MHz范圍內(nèi)，間距為6MHz的31個(gè)信道，還包括教學(xué)電視固定服務(wù)(ITFS)。由于最初用作教育電視的目的，這個(gè)頻譜沒有得到充分的利用，美國FCC已經(jīng)將這個(gè)頻譜分配給BWA業(yè)務(wù)。BWA提供商通過FCC的拍賣和/或者向ITFS租用信道來獲得對(duì)這個(gè)頻譜的利用。在美國，Sprint和Nextel是這里主要的頻譜擁有者。分析家希望在未來的若干年內(nèi)，在這個(gè)頻段內(nèi)BWA市場(chǎng)有很大的增長。

由于高增長和應(yīng)用的潛力，WiMAX論壇專注于其初始的MMDS的類建立和認(rèn)證工作，3.5GHz已授權(quán)頻段和免授權(quán)U-NII 5GHz頻段較少干擾，能提供合理的功率水平以及足夠的帶寬。這有助于保證全球WiMAX BWA業(yè)務(wù)的高增長率，因?yàn)檫@些頻段代表著最大的潛在市場(chǎng)，而且由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)而可以實(shí)現(xiàn)較低的成本。

4 發(fā)射和接收信號(hào)強(qiáng)度

發(fā)射和接收信號(hào)的功率水平和功率控制對(duì)于任何WiMAX中的系統(tǒng)效率來說都非常的重要，功率水平必須得到有效管理以保證穩(wěn)定的通信和減少潛在的干擾。此外，根據(jù)每個(gè)用戶的情況進(jìn)行功率水平動(dòng)態(tài)控制，決定于用戶的規(guī)格、到BS的距離。

正如WiMAX標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定，2GHz到11GHz的厘米波段的接收功率水平是相同的。接收器必須能準(zhǔn)確地解碼最低信道功率為 -30dBm(1uW)的信號(hào)，并能承受0dBm(1mW)的強(qiáng)信號(hào)，而且不損壞前端電路。此外，Rx應(yīng)該能夠提供最低60dB的鏡像抑制。 WiMAX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“鏡像抑制要求必須包含于產(chǎn)生在接收器射頻和其后的中頻的所有鏡像條件中”。堅(jiān)持這些要求將保證在近距離和遠(yuǎn)距離條件下可靠地工作。??

5 傳輸要求

不利用子信道(單一載波)的用戶站必須提供30dB范圍的功率控制。對(duì)于利用子信道的SS(OFDM)(這種SS將包括所有2GHz到11GHz的經(jīng)認(rèn)證的WiMAX SS)，發(fā)射器必須具有50dB的動(dòng)態(tài)功率控制，控制步進(jìn)不小于1-dB。功率控制精確度必須在高達(dá)30 dB范圍內(nèi)達(dá)到+/-1.5dB以內(nèi)，或者在30dB以上達(dá)到+/-3dB。

對(duì)于BS發(fā)射器，輸出功率電平控制必須不低于10dB。實(shí)際的發(fā)射功率取決于用戶的距離、傳輸特性、信道帶寬和調(diào)制方案(BPSK、QPSK、 16QAM、64QAM)。BPSK是數(shù)據(jù)效率最低的調(diào)制方法，在SS與BS之間距離很遠(yuǎn)的情況下采用，因此需要更高的發(fā)射功率。而64QAM提供非常高的數(shù)據(jù)效率(每個(gè)符號(hào)的位數(shù))，當(dāng)SS與BS的距離相對(duì)較近的時(shí)候采用，因此需要較低發(fā)射功率。

6 SoC與RF接口

參照?qǐng)D1，RF前端與SoC之間的接口涉及到用于處理操作和發(fā)射器和接收器的內(nèi)部管理功能，以及I/Q信號(hào)到A/D和D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接口控制信號(hào)。調(diào)制器電路發(fā)送到SoC的接收數(shù)據(jù)應(yīng)該是差分的“I”和 “Q”信號(hào)。可以在接收端采用衰減器來處理校準(zhǔn)和增益控制，以保證最大的位利用率、轉(zhuǎn)換效率以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換效率。

7 WiMAX未來的頻譜

當(dāng)前全球在進(jìn)行WiMAX和其他類似寬帶無線接入業(yè)務(wù)部署時(shí)，正在考慮額外的頻段。在日本，2007年后將用到4.9GHz-5.0GHz的頻段，同時(shí)也在考慮將來采用5.47GHz-5.725GHz頻段。前者在BS部署時(shí)需要得到授權(quán)，將支持5MHz、10MHz和20MHz帶寬，而后者有可能不需要授權(quán)，可能支持20MHz帶寬。

北美市場(chǎng)正顯示出在4.9GHz寬頻公共安全頻段部署WiMAX的興趣。甚至有興趣使用得到授權(quán)的800MHz和免授權(quán)的915MHz ISM頻段作為WiMAX和類似業(yè)務(wù)的部署。

WiMAX標(biāo)準(zhǔn)將使期待已久的能滿足用戶移動(dòng)性、語音服務(wù)和高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的頻譜效率和吞吐量得以實(shí)現(xiàn)。由于其超視距特性，因此可以允許更多用戶接入，實(shí)現(xiàn)更低的部署成本、更大的容量，以及因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化和互操作性帶來的低CPE成本而滲透到大眾消費(fèi)市場(chǎng)。更不用說，它是寬帶移動(dòng)性實(shí)現(xiàn)的無障礙途徑，將成為“4G”的基礎(chǔ)，提供真正的自由移動(dòng)性。

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