導言：技術要求和商業需求正促使WiMAX無線網絡技術快速升溫。通信行業麵臨著進一步降低無線通信網絡成本的巨大壓力，而實現這一點的一個可能方法就是提高目 前(qian)的(de)移(yi)動(dong)網(wang)絡(luo)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)無(wu)線(xian)頻(pin)譜(pu)的(de)使(shi)用(yong)效(xiao)率(lv)。綜(zong)合(he)利(li)用(yong)一(yi)係(xi)列(lie)允(yun)許(xu)快(kuai)速(su)改(gai)變(bian)通(tong)信(xin)業(ye)務(wu)的(de)調(tiao)製(zhi)模(mo)式(shi)和(he)編(bian)碼(ma)模(mo)式(shi)的(de)先(xian)進(jin)技(ji)術(shu)，以(yi)及(ji)高(gao)級(ji)糾(jiu)錯(cuo)技(ji)術(shu)和(he)流(liu)量(liang)調(tiao)度(du)方(fang)案(an)，可(ke)以(yi)有(you) 效提高無線頻譜的使用效率。

類似於以太網和無線局域網（WLAN）技術規範，WiMAX無線網絡標準基於一種大幅降低企業網絡建設成本
、提高網絡效率的網絡設備設計理念。WiMAX無線網絡麵臨的最大挑戰是
，將其技術優勢拓展應用於範圍更加廣闊的公共網絡。

技術規範解讀

IEEE 802.16標準規定了一個包含兩個核心組件的係統：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
，基站控製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製管理網絡。

利用多個基站
，可以配置一個無線通信網絡。采用正交頻分複用（OFDM）技術
，這個小區的覆蓋範圍最高 可達方圓30英裏；但是，這是在良好的無線通信環境條件下，並且隻能提供最低數據率。一般而言，實際可行的小區覆蓋範圍約為5英裏甚或更小。請注意，也可 以在點到點（P2P）或網狀網絡結構中采用WiMAX標準，利用成對的定向天線，實現高於P2MP網絡的係統有效覆蓋範圍。

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，並且可以通過特定的彙聚層（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802.16wangluokuangjiajiegouzhong，keyigenjulianluzhuangkuang
，xiangyonghuzhongduandongtaifenpeishangxinghexiaxingtufapeizhi
，congershishidiweiyonghuzhongduanzhezhongxuanzetongxinrongliangheqiangjianxing。ciwai，xiangbiyufeizishiyingxitong，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並置到一個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）並置到一個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報頭冗餘造成的開銷。

802.16 MAC協議采用自矯正帶寬請求/shouyujizhi，xiaochulequerenyanchi，bingqieshixianleyouyuchuantongquerenjizhidefuwuzhiliang。qujueyugezhongyewudefuwuzhiliangheliuliangcanshu
，yonghuzhongduankeyixuanzeqingqiubutongdedaikuan。
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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，對用戶站點進行基於認證的鑒權。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係列任務，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後，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後
，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，這個係統可以部署各種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biao準zhun包bao括kuo許xu多duo值zhi得de關guan注zhu的de特te性xing
，其qi中zhong之zhi一yi就jiu是shi能neng夠gou實shi現xian很hen高gao的de服fu務wu質zhi量liang和he支zhi持chi信xin道dao資zi源yuan調tiao度du。對dui於yu服fu務wu提ti供gong商shang而er言yan，這zhe些xie特te性xing尤you為wei重zhong要yao，因yin為wei這zhe些xie特te性xing能neng夠gou最zui大da限xian度du地di提ti高gao無wu線xian信xin道dao利li用yong率lv和he係xi統tong吞tun吐tu量liang，並bing且qie能neng夠gou確que保bao達da到dao服fu務wu級ji別bie協xie議yi（SLA）中規定的要求（如圖3所示）。

基 於MAC實shi現xian的de基ji礎chu設she施shi能neng夠gou支zhi持chi各ge種zhong業ye務wu類lei型xing。各ge個ge用yong戶hu站zhan點dian和he基ji站zhan之zhi間jian的de帶dai寬kuan請qing求qiu和he授shou予yu機ji製zhi則ze實shi現xian了le服fu務wu質zhi量liang特te性xing。當dang前qian的de服fu務wu質zhi量liang機ji製zhi主zhu要yao包bao含han四si種zhong業ye 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。可以將用戶劃分為各種不同的優先級
，如標準 和高級（如圖4所示）。

在IEEE 802.16-2005係統中管理移動性

IEEE 802.16-2005係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)要(yao)求(qiu)就(jiu)是(shi)在(zai)高(gao)速(su)移(yi)動(dong)中(zhong)實(shi)現(xian)越(yue)區(qu)切(qie)換(huan)並(bing)且(qie)保(bao)持(chi)很(hen)低(di)的(de)丟(diu)包(bao)率(lv)。雖(sui)然(ran)大(da)多(duo)數(shu)越(yue)區(qu)切(qie)換(huan)都(dou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)軟(ruan)件(jian)來(lai)完(wan)成(cheng)
，但(dan)是(shi)
，要(yao)實(shi)現(xian)高(gao)性(xing)能(neng)越(yue)區(qu)切(qie)換(huan)就(jiu)必(bi)須(xu)由(you)硬(ying)件(jian)來(lai)執(zhi)行(xing)部(bu)分(fen)處(chu)理(li)任(ren)務(wu)。

為了識別相鄰網絡並確定該網絡相對於相關移動終端（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，並測量信號強度，然後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yue區qu切qie換huan的de性xing能neng主zhu要yao體ti現xian在zai用yong戶hu從cong一yi個ge小xiao區qu進jin入ru另ling一yi個ge小xiao區qu時shi的de鑒jian權quan速su度du。區qu別bie在zai於yu是shi否fou能neng夠gou快kuai速su適shi應ying在zai移yi動dong中zhong不bu斷duan變bian化hua的de服fu務wu質zhi量liang要yao求qiu。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。
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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。基於正交頻分複用（OFDM）技術的正交頻分複用多址（OFDMA）技術不會受到符號間幹擾和頻率 選擇性衰落的影響。傳輸速率的高低取決於寬帶無線接入（BWA）係統是否能夠實現靈活、高效的資源分配。如果采用跳頻技術和自適應調製技術來分配副載波， 並bing且qie由you發fa射she機ji生sheng成cheng信xin道dao增zeng益yi，則ze可ke以yi大da幅fu提ti高gao係xi統tong性xing能neng。最zui優you解jie決jue方fang案an是shi每mei次ci都dou向xiang用yong戶hu分fen配pei最zui佳jia信xin道dao。當dang然ran，這zhe個ge過guo程cheng沒mei有you聽ting起qi來lai那na麼me簡jian單dan
，因yin為wei適shi用yong於yu某mou個ge用yong戶hu的de 最(zui)優(you)副(fu)載(zai)波(bo)也(ye)可(ke)能(neng)是(shi)適(shi)用(yong)於(yu)另(ling)一(yi)個(ge)用(yong)戶(hu)的(de)最(zui)優(you)副(fu)載(zai)波(bo)，並(bing)且(qie)這(zhe)個(ge)用(yong)戶(hu)沒(mei)有(you)其(qi)他(ta)良(liang)好(hao)副(fu)載(zai)波(bo)可(ke)供(gong)使(shi)用(yong)。服(fu)務(wu)質(zhi)量(liang)要(yao)求(qiu)的(de)定(ding)義(yi)是(shi)，在(zai)每(mei)次(ci)發(fa)射(she)中(zhong)，向(xiang)每(mei)個(ge)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)特(te)定(ding)的(de) 數據傳輸率和誤碼率（BER）。

雖然關於WiMAX標準及其相對於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標準非常適於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於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
，並且保持很低的係統成本。這種靈活伸縮性主要歸功於每個信道帶寬具備不同的FFT樣本數的子信道結構。

WiMAX技術規範還支持高級調製和編碼（AMC）子信道

、混合自動重複請求（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製。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係統的主要挑戰

在 實現WiMAX係統時，麵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，基於FPGA的加速器應當執行哪些任務。確定這種 yingjianheruanjianfengongdeguanjianshizhaodaoxitongxingnenghechuliyaoqiuyijichanpinshangshisuduzhijiandezuijiapinghengdian。qujueyushixianzhezhongzhezhongdefangshi，keyichanshengbutongdeyonghuduanshebeihejizhanshixian。

WiMAX 用戶端設備必須采用一個處理器
，並且借助硬件加速器，實現諸如循環冗餘碼校驗（CRC）和加密/解密等比較低級的MAC功能。另一方麵，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製功能

，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層實現的關鍵在於利用適當的隊列和調度機製，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
，設備製造商可以針對這個要求苛刻的係統設計領域
，提供靈活的平台
，開發、實現新的MAC層功能。

最新推出的Virtex-4 FX平台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平台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，有助於實現高級功能和產品差異化。得益於Xilinx推出的包含在低成本WiMAX FEC包中的優化Turbo Convolutional編解碼器，係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麵


，Xilinx技術也可以有所貢獻

，但限於篇幅，本文暫不討論。目前
，Xilinx器件通常用於實現射頻卡中的 高級DSP糾錯算法，以及振幅因素縮小（CFR）
、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
，並大幅降低基站的總成本。

結束語

雖然關 於WiMAX標準及其相對於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標準非常適於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。