作者：田韬,张新程,周晓津,关山 编著
出版社：人民邮电出版社
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WiMAX16e无线网络技术与应用试读：
前言
WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）意即全球微波接入互操作性，是基于IEEE 802.16标准的无线城域网技术。近年来，美国和欧洲的主要电信运营商加入 WiMAX 阵营无疑增添了人们对 WiMAX 前景的信心，而且WiMAX联盟内1/4的成员都是电信运营商。WiMAX作为一项新兴的技术，能受到许多大运营商的关注本身就显示出其巨大的市场吸引力。WiMAX 能给终端用户提供真正的无线宽带网络接入服务，甚至是移动通信服务。可以想象，有了WiMAX 之后，用户将在很大程度上摆脱无线局域网的“热点”约束，从而实现更自由的移动网络应用。
本书内容共分7章。第1章是WiMAX 16e技术概述，阐述了WiMAX 16e系统的网络架构、协议结构及其标准的进展情况。第2章介绍了WiMAX 16e所采用的核心物理层技术——OFDMA，对 OFDM 的编码、调制、发射及接收等过程也做了详细的讲解。第3章介绍了WiMAX 16e的物理层的实现机制与过程，并详细讲述了测距、上行反馈及MIMO技术。第4章介绍了WiMAX 16e的MAC层，这一章主要是从协议规定的角度对WiMAX 16e的MAC层进行介绍，尤其对空闲模式及切换过程进行了细致的论述。第5章介绍了WiMAX 16e的业务应用。第6章介绍了WiMAX 16e的无线网络规划的技术要点。第7章介绍了WiMAX 16m的技术特性。本书中给出了大量的WiMAX 16e的示例，包括一些实际的测试及仿真结果，目的是希望能够使读者更好地理解相关的技术内容。
另外，本书在编写过程中还参考了业界专家、同行的著作，借鉴了华为、Nortel、中兴、Motorola等公司的经验，并得到了他们的帮助，在此一并深表感谢。
本书面向的读者为运营商，网络和终端制造商，业务提供商，高校学生。本书的内容仅代表作者个人的观点和见解，并不代表其所在公司的观点。
由于作者水平有限，加上时间仓促，书中不当之处在所难免，殷切希望业内专家以及广大读者批评指正。为了便于本书再版时能对书中差错加以修正，读者可将发现的具体问题发至ttian.tim@gamil.com，在此深表感谢。作者第1章WiMAX 16e协议体系1.1 WiMAX论坛与802.16系列标准1.1.1 IEEE 802.16工作组
作为宽带无线通信的推动者，美国电气和电子工程师协会（IEEE）于 1999年设立802.16工作组，开发工作于2～66GHz频带的无线接入系统空中接口物理层（PHY）和媒质接入控制层（MAC）规范，同时还有与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范。
2001年12月，基于单载波的物理层和TDM的MAC层协议，该工作组推出初始版本的标准802.16，其中MAC层从广泛使用的DOCSIS（Data Over Cable Service Interface Specification）标准引入许多崭新概念到无线标准中。无线城域网规范的802.16标准预计将实现无线连接的多媒体应用，并且在30英里的距离范围内提供一个可视的最后一英里技术。
IEEE 802.16 工作组在初始标准基础推出修正版本——802.16a，其中采用正交频率复用（OFDM）的物理层技术，MAC层支持OFDMA。802.16支持2～11GHz频段范围内的非视距应用，在长达31英里的距离内实现79Mbit/s的速度。IEEE 802.16a标准仅仅是IEEE 802.16标准的修改和扩展，不是一个独立的标准。
2004年继续修正制定新的标准规范IEEE 802.16-2004，该标准替代以往所有修正版本，形成第一个WiMAX解决方案的基础，是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。IEEE 802.16-2004 WiMAX方案提供广泛的固定宽带应用，被称为固定WiMAX技术，即WiMAX 16d。
WiMAX标准规范不同版本技术细节比较见表1-1。表1-1 WiMAX标准规范不同版本技术细节比较续表
2005年12月，IEEE工作组完成并且批准IEEE 802.16-2005标准，该标准继承 IEEE 802.16-2004 规范基础上新增对终端移动性的支持。作为增强版的 IEEE 802.16e的成功制定，无疑是WiMAX技术的一个最重要的里程碑。它工作在2～6GHz 频段，支持移动性的宽带无线接入空中接口标准，实现了高速数据业务的宽带无线移动接入，还支持基站或扇区间高层切换功能。基于该新版本的WiMAX解决方案支持游牧和移动宽带应用，通称为移动WiMAX技术（WiMAX 16e）。IEEE 802.16e能向下兼容IEEE 802.16d，802.16d/e标准具有的主要技术特征存在着一些差异，决定了两者应用场景的不同。
802.16d/e的物理层可选用单载波、OFDM和OFDMA共3种技术。因为OFDM和OFDMA只用于小于11GHz频段的信道条件传输，为了兼容10～66GHz频段的视距传输，这里802.16d/e采用了单载波这个选项。虽然在802.16d/e协议中，单载波物理层也可以用于 2～11GHz 频段，但通常认为 802.16d 典型的物理层技术是OFDM，802.16e的典型物理层技术是OFDMA。802.16d OFDM物理层采用256个子载波，OFDMA 物理层采用 2 048个子载波，信号带宽为 1.25～20MHz可变。802.16e对OFDMA物理层进行了修改，使其可以支持128、512、1 024和2 048共4种不同的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比，这种技术称为可扩展的 OFDMA。采用这种技术，系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。
在多址方面，802.16d/e在上行采用了TDMA，下行采用了TDM支持多用户传输。另一种多址方式是 OFDMA，以 2 048个子载波的情况为例，系统将所有可用的子载波分为32个子信道，每个子信道包含若干个子载波。多用户多址采用和跳频类似的方式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时域单位为 2 或3个符号周期。
在调制技术方面，802.16d/e 支持的最高阶调制方式为 64QAM，相对于蜂窝移动通信系统（3GPP HSDPA最高支持16QAM），802.16d/e更强调在信道条件较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求，802.16d/e 选用了块Turbo 码、卷积 Turbo 码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码，同时也考虑使用低复杂度、低时延的LDPC码。
在双工方面，802.16d/e支持FDD或者TDD两种方式，其物理层技术基本相同。相对而言，3G技术中FDD和TDD模式采用的物理层有较大的不同。802.16d/e在5MHz频带上可以实现约15Mbit/s的速率，频谱效率为3bit/s/Hz，与HSDPA类似。但是802.16d/e在固定或低速环境下可以使用更大带宽（20MHz），实现高达75Mbit/s的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。这充分体现出OFDM技术在使用更宽频带方面的优势。
802.16d/e标准支持全IP网络层协议，802.16d/e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络，但现有IP核心网缺乏有效的移动性管理能力。WiMAX论坛已经开始开发网络层协议，802.16 NetMAN工作组也已开展这方面的工作。同时，802.16协议也可以通过一个ATM汇聚子层将ATM信元映射到802.16d/e MAC层，具备支持3G核心网的潜力。也就是说，WiMAX支持和3G系统的互通和融合。
802.16d/e的MAC层支持多种QoS等级以适应VoIP、可视电话、流媒体、在线游戏、浏览、下载等不同的业务类型，包括主动分配带宽、实时轮询、非实时轮询和尽力而为，其中最后一种为竞争接入的调度机制。802.16e增加了节点模式，以支持移动终端，除正常工作状态外，还支持空闲状态和睡眠状态。1.1.2 IEEE 802.16系列规范
IEEE 802.16工作组围绕WiMAX16d/e还制定了其他一系列标准，分别定义了系统 MAC 层和物理层的管理信息库，相关的管理流程，设备的互操作性，对网络资源、移动性和频谱的有效管理。（1）802.16——固定宽带无线接入系统空中接口标准（10～66GHz）
定义工作在 10～66GHz 固定宽带无线接入系统空中接口标准，采用TDMIPDMA多址方式，单载波调制，本质上是为LMDS实现可互操作性而制定的一个标准，业务应用与LMDS相似。（2）802.16a——固定宽带无线接入系统空中接口标准（2～11GHz）
定义了工作在2～11GHz固定宽带无线接入系统空中接口标准，本质上是为 MMDS 实现可互操作性而制定的一个标准，其业务应用与 MMDS 相似。802.16a对802.16进行了扩展，MAC层提供 QoS保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。（3）802.16c——固定宽带无线接入系统的兼容性（10～66GHz）
802.16c是对802.16的增补文件，是使用10～66GHz频段802.16系统的兼容性标准。（4） 802.16d（IEEE 802.16-2004）——固定宽带无线接入空中接口标准（2～66GHz）
802.16d是802.16的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。802.16d对2～66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的 MAC 层和相对应的多个物理层。该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范。（5）802.16e（IEEE 802.16-2005）——固定和移动宽带无线接入空中接口标准（2～6GHz）
802.16a的增补版，是支持客户端移动性的规范，使用户可以在基站之间自由切换和漫游，进而实现在不同的802网络之间自由切换。该标准可同时支持固定和移动宽带无线接入系统，工作在小于6GHz适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动（一般低于120km/h）。本书后面章节会详述该规范的各层协议以及系统的组成。（6）802.16f（Fixed MIB）——固定宽带无线接入系统管理信息库标准
固定宽带无线接入系统空中接口MIB（Management Information Base）要求。（7）802.16g——固定和移动宽带无线接入系统管理平面流程和服务要求规范
规定固定和移动WiMAX的管理平面流程和服务要求，实现WiMAX设备的互操作性，以及对网络资源、移动性和频谱的有效管理。（8）802.16h（License-Exempt）——非执照频段的无线宽带系统标准
利用认知无线电技术使802.16系列标准，改进诸如策略和媒介接入控制等机制，以确保基于IEEE 802.16的免授权系统之间的共存，降低对其他基于IEEE 802.16免授权频段服务用户的干扰。（9）802.16i（Mobile MIB）——移动宽带无线接入系统管理信息库标准
移动宽带无线接入系统空中接口MIB（Management Information Base）要求。（10）802.16j（Mobile Multi-hop Relay）——移动宽带无线接入系统多跳中继技术标准
通过中继技术改善由无线信道环境导致的阴影衰落，扩大WiMAX基站覆盖范围，提高系统容量和性能，以减少有线互联带来的成本压力。这是一种基于WiMAX技术架构的基站式新标准，后续章节有详述。（11）802.16k（802.1D Bridging）——媒体接入控制（MAC）桥接规范（12）802.16m（Advanced Air Interface）——先进空中接口标准
目前最新的 802.16 家庭的技术标准，其目标是在“漫游”模式或高效率/强信号模式下，将设备的下行传输速度提高到1Gbit/s。同时这项标准也要求“高移动”模式，即传输速度达到100Mbit/s。严格地说来，802.16m并非WiMAX的组成部分，但是IEEE承诺将让802.16m和WiMAX兼容，还将与基于OFDMA的4G标准网络IMT-Advanced兼容，后续章节有详述。（13）802.16 Rev2
合并 802.16-2004 与后面的修订版本，包括 802.16-2004/Cor-1-2005、802.16e-2005、802.16f-2005、802.16g和802.16i，合并的802.16-2004/Cor2初稿。1.1.3 全球微波接入互操作性论坛——WiMAX FORUM
IEEE 802.16工作组制定出系统标准，一个完整端到端的网络应用还需要完善端到端应用管理流程，确保其节点设备兼容性及互用性。2001 年4 月，由业界领先的通信设备公司及器件公司共同成立了一个非盈利工业贸易联盟组织——全球微波接入互操作性论坛（WiMAX Forum）。该组织旨为规范业界宽带无线接入的服务需求并促其标准化，帮助并解决IEEE 802.16标准和ETSI HiperMAN标准实施的障碍，以推动WiMAX标准的市场化进程。IEEE和ETSI是标准制定者，WiMAX论坛组织是标准实施的推动者，现在WiMAX已成为IEEE 802.16标准的别称。
WiMAX 论坛使用与 Wi-Fi 联盟推动无线局域网行业发展的相同方法，制定完整的测试规范和认证体系，对相关厂家的产品进行测试和认证，并对那些通过认证的产品发放WiMAX认证标志[1]，从而鼓励所有的无线宽带接入相关产业的厂商遵循一个统一的规范，使各个产品之间具有良好的互操作性。WiMAX 论坛希望通过它的努力，加快符合IEEE 802.16技术标准的宽带无线接入设备的上市速度，从而加速全球最后一公里宽带的部署。WiMAX论坛发展情况如图1-1所示。图1-1 WiMAX论坛发展
论坛成立以来，随着市场化进程加快会员数量也迅速膨胀，几乎全球的主流设备提供商和集成商都一致支持WiMAX。截至2007年年底，共有536个公司加入WiMAX论坛，其中包括15家董事公司成员，120家高级公司成员。论坛成员公司扩大到通信行业的各个环节——运营商/服务提供商、系统设备制造公司、半导体器件公司和系统集成商等[2]，集中了各个行业领先的公司。
截止到目前，WiMAX论坛运营商会员共建成275个无线宽带接入系统的实验网，遍布全球65个国家。试验过或者已部署WiMAX系统的运营商包括了BT（英国）、France Telecom（法国）、Rogers（加拿大）、Korea Telecom（韩国）、KDDI（日本）、Telmex（墨西哥）、Unwired（澳大利亚）、Reliance（印度）和SingTel（新加坡）。2007年7月19日，Sprint Nextel和Clearwire宣布将要共同建设采用WiMAX 16e技术的美国第一个移动宽带网络，全面推进全球WiMAX系统的业务应用。
WiMAX论坛由认证工作组（CWG）、技术工作组（TWG）、网络工作组（NWG）、市场工作组（MWG）、漫游工作组（GRWG）和频谱工作组（RWG）等组成，如图1-2所示。WiMAX论坛的标准是由网络工作组和技术工作组制定。WiMAX论坛中的需求由需求工作组提出并输出给网络工作组，网络工作组制定WiMAX核心网络规范以满足需求工作组的要求。技术工作组负责制定测试规范，而认证工作组则根据技术工作组制定的测试规范要求进行WiMAX设备认证。图1-2 WiMAX论坛工作组组织结构和主要任务（1）认证工作组（CWG）
管理认证过程，包括一致性测试规程、互操作规程以及认证的流程，同时还负责认证实验室的建立以及质量监控。（2）技术工作组（TWG）
基于IEEE 802.16的OFDMA空中接口标准制定，维护一致性和互操作的测试规范，同时为系统定义技术规范需求。（3）网络工作组（NWG）
对现有的IEEE 802.16标准没有定义和涉及的部分（如MAC层之上网络规范）进行明确的定义和描述，制定IEEE 802.16以及核心网之外的网络单元、功能实体、消息和协议。（4）频谱工作组（RWG）
寻找和确定适用于WiMAX产品的许可频段，鼓励使用全球统一的频率带宽以最大限度利用频率资源，降低产品的制造成本。（5）市场工作组（MWG）
推动WiMAX Forum发展，建立全球宽带无线接入一致性和互联互通标准，确定WiMAX产品的市场定位，以推动宽带无线接入市场的发展。（6）应用工作组（AWG）
挖掘WiMAX产品极具竞争力的“杀手级”应用，推动宽带无线接入用户和市场的发展，为产品的研制提供指导。（7）需求工作组（SPWG）
为宽带无线接入系统定义系统需求，以保证产品满足当前和未来市场发展的需要。（8）发展科技工作组（ETWG）
维护相关正交分频多工的发展与效益，维护现有OFDM利益，开发新增固定OFDMA效益，制定WiMAX网络演进技术的技术规范。（9）全球漫游工作组（GRWG）
确保WiMAX网络全球漫游服务的能力及时符合市场要求。
WiMAX论坛发布了NWG规范R1.1版本，正在制定NWG1.5版本。在NWG R1.1版本中，对网络的接入、鉴权过程做了比较详细的规定，但只对互联网接入业务进行了比较详细的规范，而对VoIP业务、广播多播业务等没有进行详细的说明。同时，NWG1.1只能支持用户预先设置的业务QoS等级，不支持用户根据业务情况动态调整业务的QoS。NWG1.1也对漫游情况下网络流程没有给出详细的说明。因此，NWG1.1还只能支持互联网接入业务。
论坛目前正在制定的NWG1.5规范，主要对漫游和移动性管理、PCC（策略控制和计费）、IMS的融合、以及对支持广播多播、定位、MBS等业务进行了加强，同时要加入全球漫游的需求，进一步完善与其他系统（如 3G）的互通，其中最关键的是PCC和与IMS融合这两方面的增强。在PCC框架下，WiMAX将支持动态建立不同 QoS 等级的业务，并根据不同业务的计费策略来进行计费，将 WiMAX的QoS控制和计费相结合起来，以支持互联网接入、VoIP等多种QoS等级的业务。通过IMS的引入，可以有效增强WiMAX网络的业务提供能力。多媒体广播业务（MBS）是目前行业内公认的所谓下一个杀手级应用（Killer Application），所以对它的支持就显得尤为重要。为实现MBS业务，网络架构的设计中也需要作相应的考虑，例如广播节点间的业务同步、广播业务的鉴权、加密以及计费的机制与结构。对于漫游能力来讲，全球的频谱资源分配可能是目前更为迫切的话题，但是在网络架构的设计中同样需要考虑用户的认证与鉴权，业务的转移与计费等问题。
技术工作组制定的测试规范保证WiMAX设备的功能和性能，以及不同厂家之间的互操作性。技术工作组制定的规范中，最重要的有两个：系统功能参数概要（System Profile），给出了WiMAX标准中必选和可选的功能参数项；无线一致性测试（RCT），给出了无线接口的一致性测试规范。同时，TWG还根据WiMAX认证的两个阶段给出了测试规范的两个参数概要：Wave1 和 Wave2。Wave1 和Wave2 的主要差别在于：Wave2 采用了 MIMO 和波束成形（BF）技术，能大大提供网络的容量和覆盖。Wave2也是被广泛所看好和关注的版本。但目前Wave2的测试规范还在讨论过程中，目前只发布了Wave1的测试规范。
综合上面的描述，WiMAX 网络要能够支持多种业务、支持全国性组网，必须要支持NWG1.5规范要求。WiMAX网络在无线容量和覆盖上要和增强3G能够竞争的话，必须支持Wave2版本。但目前这两个规范还处于制定过程中，WiMAX的标准进程还需要进一步加快。1.2 频率资源与认证1.2.1 全球WiMAX频率资源划分
WiMAX 论坛目前初步建议 IEEE 802.16 标准互操作性认证的可选频率集中在4个频段上，分别是：2.3～2.4GHz，2.496～2.69GHz，3.4～3.6GHz，5.725～5.850GHz（无需许可证）。WiMAX 16e许可频段及相应信道特性见表1-2。表1-2 WiMAX 16e许可频段及相应信道特性
WiMAX 16e 许可频率除了上述 4个频段外，美国已经拍卖部分 UHF 频率（700MHz）作为无线宽带接入，新的使用许可从 2009 年1 月开始，目前计划拍卖698～806MHz频率中的62MHz频率。
WiMAX 部分频段已经在部分国家和地区拍卖，频段均不相同，这也成为WiMAX应用普及的最大障碍。对于移动WiMAX，目前世界上比较流行的做法是使用2.5GHz频段，也有极少部分地区使用3.5GHz频段，但是3.5GHz频段不能很好地发挥移动WiMAX的特性，特别是在移动性能上会大打折扣。
美国联邦通信委员会（FCC）将 3.65～3.70GHz 的频段分配给了 WiMAX，也仅50MHz，而拟分配的700MHz频段要等到2009年电视数字化后才能释放出来。英国为 WiMAX 分配了 2 010～2 025MHz、2 290～2 302MHz 和 2 500～2 690MHz等频段共196MHz，虽然比较富余，但要同时容纳2个以上运营商频率仍显不足。新加坡将2.3GHz上的50MHz和2.5GHz上的90MHz分配给了WiMAX。意大利同意将用于军用的3.4～3.6GHz共200MHz频率重新分配给WiMAX技术用于多家运营商，但由于频段较高也主要用于固定 WiMAX 业务。韩国将 2.3～2.4GHz频段的100MHz频率规划给了WiBro业务，分给3个运营商，每个运营商获得27MHz频率，中间有4.5MHz隔离带。即使WiMAX发展最快的韩国，在频率配置上也远没有满足移动WiMAX大规模组网的需求。香港电讯管理局宣布将启用2.3～2.4GHz的频段以及2.5～2.69GHz的频段，并将这两个频段的相关牌照在2007年第四季度进行公开拍卖后。中国台湾省2.5GHz和5.8GHz频段被批准可使用部署WiMAX技术。
2007年10月于日内瓦召开的世界无线电通信大会（WRC-07）讨论和确定了4G的全球性频谱规划。国际电信联盟（ITU）划定了第三代及第四代移动通信系统的4个新频段，其中包括3.4～3.6GHz的200MHz带宽、698～806MHz的108MHz带宽、450～470MHz的20MHz带宽以及分配给IMT_Advanced的2.3～2.4GHz的100MHz带宽。1.2.2 中国频率资源现状
WiMAX许可频段的频率资源现状如图1-3所示。图1-3 WiMAX许可频段的频率资源现状
2.3GHz频段（2 300～2 400MHz）已在中国的3G频率规划中划分给3G TDD作为补充频段。
2 400～2 483.5MHz已被划分为开放频段，用于Wi-Fi、无线接入系统、蓝牙技术设备、点对点或点对多点扩频通信设备的共用频段，也是工业、科学和医疗设备的共用频段。
2.5GHz频段（2 500～2 690MHz）被ITU作为3G的扩充频段，中国在ITU大会上曾为保护中国3G系统的补充频段和扩充频段进行了艰苦的斗争和极大的努力，为中国3G业务的最大化发展提供了频谱资源保障。在2007年10月ITU在日内瓦举行的世界无线电大会上，与会国家通过投票正式批准无线宽带WiMAX成为3G标准，WiMAX标准终于获得全球统一的频谱，以OFDMA WMAN TDD的名义成为3G新成员。
3.4GHz频段（3 300～3 400MHz）的主要业务排序是无线电定位业务、固定和移动业务，信产部分配这个频段作为宽带无线接入 TDD 系统实验网（BWA）使用，但是信产部并没有明确 BWA 系统类型。该频段在中国部分区域还被其他系统占用，包括雷达和射电天文等。中国无线通信标准研究组（CWTS）已经完成分析报告，指出BWA和雷达系统、射电天文系统能共同工作在这个频段内。
3.5GHz 频段（3 400～3 600MHz）中除去已分配给地面固定接入业务的31.5×2MHz（3 400～3 430/3 500～3 530MHz）外，还有 137.5MHz 未分配频率。但以上两段未分配的频率都已列入地面固定无线接入扩展频率计划。3 600～4 200MHz固定业务主要是大容量微波接力干线网络。现有无线电定位业务应尽早移出3 400～3 800MHz，从2005年起，不得启用新设备，现有设备可用到报废为止。
3.4～3.5GHz频谱在中国的使用现状如图1-4所示。图1-4 3.4～3.5GHz频谱在中国的使用现状
5.8GHz 频段是无需牌照的 WiMAX 可用频段。中国国家无线电管理委员会（SRRC）2002年正式批准该频段可被宽带无线接入技术（802.11）、蓝牙以及一些扩展频谱的无线区域环路（WLL）使用，但SRRC声称802.16d并不在允许使用的技术范围内。1.2.3 WiMAX产品认证
WiMAX 将有助于无线城域网产业的形成，为了把可互操作性引入 BWA 市场，WiMAX 论坛建立了一套独特的基本特点子集，可在“系统功能参数概要”中加以分类，这是所有合格系统必须满足的。
系统功能参数概要包括完整一套的 MAC 和 PHY 层功能和相应参数，基于IEEE 802.16标准和ETSI HiperMAN标准，规范定义了WiMAX系统。除了MAC和PHY层功能外，系统概要定义了射频参数、双工模式和发射功率等级等参数。系统功能参数概要由TWG提交技术提案，最终被WiMAX论坛批准。
认证功能参数概要是系统参数概要的一个子集，对每个应用频段定义了支持的信道带宽，双工方式（例如3.5GHz、5MHz、TDD）。通过认证测试的WiMAX产品最终会获得某个认证概要的认证，不同认证概要的选择仅仅是基于市场考虑。认证概要是由认证工作组定义并提交，经WiMAX论坛批准生效。
认证测试包括3个阶段：原理一致性测试，物理和射频一致性测试，以及互联互通测试。所有认证测试均需符合系统和认证功能参数概要。
某个系统/认证功能概要集的认证产品会标识出相应认证版本。类似于软件版本，新的版本包括实质增加的功能参数要求，相应于新功能的测试覆盖范围，新版本向下兼容。例如1.0版本升级到2.0版本，参数功能均向下兼容。为缩短认证产品上市时间，紧凑安排执行认证的时间表，每个版本的认证一般均会经过多个阶段，称为Wave。
系统/认证功能概要集示意图如图1-5所示。
WiMAX论坛最终是为促进低成本的宽带无线接入服务进入市场。基于标准的互操作解决方案能够扩大产业规模，促进 WiMAX 论坛认证产品的价格和性能更具市场竞争力。2006年1月，WiMAX论坛宣布了第一款商用产品达到WiMAX论坛认证的设计要求。至今大约有30种固定无线宽带接入产品获得认证。最初的认证依据802.16-2004规范，WiMAX论坛计划2008年初开始认证移动WiMAX产品。
WiMAX论坛宣布建立先进认证实验室开放给移动WiMAX的认证测试和产品评估。WiMAX设备生产商可以立即提交他们的2.3GHz和2.5GHz移动WiMAX设备进行测试。WiMAX论坛认证实验室总部设在西班牙的AT4无线实验室，论坛已经在中国北京（中国信息产业部电信研究院）、中国台湾，以及韩国（电信技术协会）建立另外3个认证实验室，不久将在美国、日本、印度以及中国台湾（第2个实验室）建立4个新的实验室进行正式的Mobile WiMAX认证测试。
进行正式认证测试程序之前，召集多个厂商在某个地方集中互相进行测试，这种会议被称为插拔大会（Plugfest）。插拔大会的测试方式已经被多个技术联盟所认可并获得广泛应用。插拔大会可在认证之前提供给多家厂商一个机会，用来验证产品中潜在不明确的问题，改善测试环境和标准兼容性。插拔的目的具体在于：图1-5 系统/认证功能概要集示意图
① 确定产品中不符合标准解释的部分；
② 确定硬件或者软件中互操作性的问题；
③ 鼓励开放明确的测试技术讨论，并且寻找解决方法；
④ 帮助厂商做好准备工作以进入正式认证测试程序；
⑤ 不断改善的互操作性测试的质量，确保WiMAX认证程序。
WiMAX论坛认证工作组决定插拔大会每4个月就举行1次，地点涉及遍布全球的多个实验室。特殊情况下，WiMAX 论坛 CWG 也会安排额外插拔测试，为厂商进行最新的版本认证做准备。插拔大会的日程安排会提前在WiMAX论坛网站公示给所有CWG或者TWG的成员企业。1.3 WiMAX 802.16e体系架构
图1-6描述WiMAX网络整体框架的各个组成部分以及其核心网络所需的各种网络节点单元。WiMAX技术针对不同的应用场景可以有不同的解决方案。（1）采用WiMAX作为传输手段（802.16-2001）
如图1-6中所描绘的场景，WiMAX可用来在两点之间中继用户数据。WiMAX传输方案是点到点无线传输，需要定向天线，这种应用完全是静止的。（2）固定和游牧宽带接入（802.16d）
图1-6中右上区域中的基站被用来替代DSL技术的宽带接入技术给静止用户或者游牧的笔记本用户。该方式支持非视距传送，允许的应用场景更加灵活。图1-6 WiMAX应用的网络架构（3）宏蜂窝技术（802.16e）
右上区域的3个不同移动终端表明了WiMAX系统的不同典型应用。
① 移动终端A：系统能够提供笔记本用户与现有的 GPRS或者 HSPA数据卡相同的应用。移动和游牧应用的最大区别就在于能否支持切换或其他移动功能。
② 移动终端B：智能手机提供VoIP应用。
③ 移动终端 C：车中使用的移动终端如图1-6 中所示的右上区域最下方的MS，此时可提供全面无缝的802.16e移动功能。1.4 WiMAX 16e接口及其协议栈介绍1.4.1 WiMAX 16e接口
WiMAX 16e的高性能是与其严密完善的体系结构密切相关，规范中的体系结构如图1-7所示，WiMAX/802.16网络架构的构建基于全IP的WiMAX端到端的网络架构，网络分为连接业务网（CSN）和接入业务网（ASN）两部分，R1～R5是标准的参考点。图1-7 WiMAX 16e体系结构图
接入网（ASN）作为一个逻辑实体，管理IEEE 802.16空中接口，为WiMAX用户提供无线接入；连接服务网络（CSN）是一套网络功能的组合，为WiMAX用户提供IP连接，可以由路由器、AAA代理或服务器、用户数据库、Internet网关设备等组成；网络接入提供商（NAP）和网络服务提供商（NSP），支持多个 NSP 共享同一个NAP内的一个或者多个ASN，支持一个NSP与多个NAP管理的多个ASN连接。
ASN 的功能与基于分组数据的移动通信的无线接入网功能基本相同，包括移动性管理、无线资源管理，鉴权和安全，QoS控制，网络发现，接入、寻呼、空闲和休眠模式管理，以及外部代理等。因此，在逻辑上，上述功能的设计和分解可以大量参考和借鉴传统移动通信的技术成果和积累，体现出技术的后发优势。
ASN的参考模型如图1-8所示。ASN由基站BS和接入网关ASN GW组成，BS 逻辑上连接到一个或者多个 ASN GW，ASN GW之间基于标准的R4参考点进行互通。ASN包含多个ASN GW时，ASN 内的移动性可能涉及 R4 控制和承载平面，对于所有 R4 接口的协议和流程，ASN内参考点R4应该与ASN之间的 R4 完全一致。另外，ASN 可以连接到多个 CSN，为不同网络业务运营商的CSN提供无线接入服务。图1-8 ASN参考模型
ASN采用BS-ASN GW二级结构。对比3G接入网中基站——基站控制器——接入网关的三级结构，WiMAX ASN这种二级结构简化了控制和管理流程，有利于减小切换过程中的时延和数据丢失，实现VoIP等QoS要求高的实时业务。
在这个二级结构中，BS负责与无线相关的802.16的物理层和MAC层处理和控制，包括切换、功率控制、网络接入、上下行链路资源调度、空中接口业务QoS等级、更新无线资源状态、更新MS活动状态（激活和休眠）、密钥管理和会话管理等功能。ASN GW负责网络相关的内容，包括承载平面的路由或网桥、ASN间位置管理和寻呼、移动IP下的外部代理FA等功能。
此外，ASN中还存在一些在不同网元之间协调联动的功能需求，如无线资源管理、切换控制、寻呼控制、位置登记、外部代理功能（FA）等。各个设备制造商由于不同的技术优势和开发历史，对这一问题有着不同的理解和实现方案。经过讨论和融合，最终在WiMAX网络规范中形成了A、B和C 3种不同的ASN Profile的定义。按照WiMAX网络规范的要求，每个厂商的ASN解决方案应该至少支持上述3种ASN Profile之一。
ASN Profile A是将上述这些主要功能全部配置于ASN GW，而在BS仅配置一些必要的客户端功能，形成所谓的集中式（centralized）方案。该Profile 定义了BS和ASN GW之间的R6接口，以及相应的互操作要求。ASN Profile C则是将无线资源管理和切换控制的主要功能配置于BS，而寻呼控制、位置登记、外部代理功能则配置于ASN GW。这样就形成了所谓的部分分布式（Partially Distributed）方案。该Profile也同样定义了BS和ASN GW之间的R6接口，以及相应的互操作要求，只是具体接口内容与Profile A有所不同。与Profile A和Profile C不同，ASN Profile B则是一个完全分布式（Fully Distributed）的方案，上述各个功能实体可以按照厂商的理解灵活分布在不同的网元之上，而不对这些网元之间的接口进行定义。这就意味着在该Profile内将不存在R6接口，也不需要定义相应的互操作要求。
除了ASN Profile之外，WiMAX网络规范中各个功能（例如IP地址、安全、QoS、移动性管理等）的技术实现中包含多种方式，网络部署时可以根据需要灵活选择配置。但多种实现方式在互通等方面也将带来一系列问题。因此，NWG计划启动网络互通测试（NWIOT），以产品认证的方式规范网络基本功能实现方式，以保证不同设备商网络产品的互通。
R1～R8参考点具体定义如下：
R1参考点，移动用户台MSS与接入网ASN之间的接口；
R2参考点，移动用户台MSS与连接服务网络CSN之间的逻辑接口；
R3参考点，接入网络ASN和连接服务网络CSN之间互操作的接口；
R4参考点，处理接入网络网关ASN GW间移动性相关的一系列控制和承载平面协议；
R5参考点，拜访CSN与归属CSN之间互操作的一系列控制和承载平面协议；
R6参考点，BS和ASN GW之间的接口，因ASN Profile 的选择不同控制面会有所差别，承载面为隧道方式，可以采用GRE、VLAN或MPLS隧道；
R8参考点，BS之间的参考点。
对WiMAX网络架构远期的发展将体现在WiMAX网络技术规范Release 2.0中。目前讨论的目标是能够支持更多的IP业务，同时开放ASN内部接口，增加ASN内部模块的互操作功能，即开放BS与ASN GW之间的R6接口，使不同供应商的BS和ASN GW设备可以在同一个ASN内部实现互联互通，从而增强网络部署与供应商选择的灵活性、降低网络部署成本。1.4.2 WiMAX协议栈
IEEE 802.16协议规定了媒体接入控制层（MAC）和物理层（PHY）的规范。WiMAX协议栈参考模型如图1-9所示。
1.媒体接入控制层
IEEE 802.16媒体接入控制层（MAC）规范和大多数协议一样采用分层结构，包括特定业务汇聚子层（CS，Service Specific Convergence Sublayer）、公共部分子层（CPS，Common Part Sublayer）和安全子层（SS，Security Sublayer）。CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务；CPS子层实现主要MAC功能，CPS子层可分为数据平面和控制平面；SS子层负责媒体接入控制层认证和加密功能。
2.物理层
在IEEE 802.16中，物理层由传输汇聚子层（TC）和物理媒质依赖子层（PMD）组成。TC层负责把收到的MAC-PDU封装成TC-PDU，并执行接入竞争方案和控制同步逻辑；PMD主要执行信道编码、调制等处理。图1-9 WiMAX协议栈参考模型1.5 WiMAX 16e系统优势
WiMAX技术已经被部署到许多网络中，这都源于WiMAX具有超越现有3G网络的优势，这些优势在网络部署或者网络运营将会带来变革，例如降低成本等，帮助运营商建设一个高效无线宽带接入网络。WiMAX 系统优势体现在如下几个方面。（1）灵活的系统结构
WiMAX系统支持多种接入，包括点到点、点到多点、单播覆盖等。（2）保密性高
支持AES和3DES。通过加密空中连接，WiMAX提供用户终端安全保密的接入方式，阻止用户被偷听或者所使用的数据业务被盗取。（3）QoS
WiMAX能够动态优化系统资源以适应承载的数据类型（UGS、rtPS、ertPS、nrtPS和BE）。（4）网络快速部署
相比有线宽带方案，可以免除传输入户的庞大工程。运营商可以申请牌照频率也可以申请无需牌照的频率。（5）多层服务
WiMAX支持数据业务提供商和终端客户之间的服务等级协议（Service Level Agreement），将来也会支持针对不同终端客户提供不同的服务等级协议。（6）互操作性
WiMAX系统是完全基于开放接口的接入网标准，实现互操作性简便易行。（7）支持便携终端接入
类似现有的宏蜂窝网络，便携终端可在任何地点接入网络。（8）支持终端移动性
802.16e增加了许多支持移动性的关键功能，例如切换等。（9）网络建设成本效益高
开放标准确保支持已有网络核心网，支持多厂家设备。（10）覆盖更大
支持多种调制方式，包括BIT/SK、QPSK、16QAM和64QAM，使得系统可以获得优化覆盖或性能的能力。（11）高数据容量
采用高阶调制方式64QAM，系统可以提供高无线带宽。（12）非视距支持1.6 WiMAX 16e关键技术
本节主要介绍WiMAX 16e关键技术。
1.OFDM-PHY，高频谱利用率
OFDMA不需要FDMA中必不可少的保护频带，允许频谱重叠使用，其相邻子载波间隔很小。每个用户可以使用 OFDM 所有子载波中的一个（或一组），OFDMA 的分配机制非常灵活动态分配子载波的数量，可以对不同的子载波使用不同的调制方式及发射功率。
OFDM/OFDMA技术与以CDMA技术为支撑的3G技术相比，具有频谱效率高、带宽扩展性强、频域资源分配方便、有利于改善射频功率峰均比等优点，同时也具有抗多径衰落和易与 MIMO 技术联合运用的优点。射频功率峰均比的改善，既可舒缓射频设备设计压力，又能够减小对邻近链路的干扰。
2.先进天线技术MIMO,AAS,MIMO波束成形
自适应天线（AAS）可以实现系统参数自动调整，获得信噪比（SNR）增益，减少同频干扰。自适应天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准期望信号到达方向，同时对干扰形成零陷，抑制干扰，实现期望信号的最佳接收。采用AAS技术可以提高系统容量、扩大覆盖范围、提高通信的可靠性、降低运营成本等。AAS在实现时既可以采用多波束选择的方式，也可以采用自适应的方式。
MIMO技术利用在基站和终端使用多天线来抑制信道衰落，大幅度地提高了信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。根据收发天线的数量，MIMO还可以包括单输入多输出（SIMO）、多输入单输出（MISO）、多输入多输出（MIMO）。802.16协议支持的MIMO模式分为3种：空时发射分集模式、空间复用模式和分集与复用相结合模式。移动WiMAX还支持各种MIMO模式之间的自适应MIMO转换（AMS），这也叫做智能MIMO。
3.IP框架
WiMAX技术最初的设计理念就是基于IP架构来设计的。IEEE 802.16协议族定义了WiMAX网络的空中物理层和MAC层接口，旨在为城域网的接入层提供基于IP的、具备端到端QoS保障的无线接入。
作为IP系统的二层接入部分，WiMAX以其全IP化的设计，可以完全融入现有网络架构，充分利用已有的传输网和核心网。WiMAX 基站向上提供标准的以太网接口，可以方便地融入IP城域网和核心网，为缺乏管线资源的地区提供迅速系统部署以及各类应用服务。固定用户终端可以直接下连二层交换机、IAD、WLAN等设备，移动终端可直接接入网络，获得数据、语音等丰富的业务内容。
IP QoS机制植入于MAC层。在这种QoS机制的保障下，WiMAX能够真正地合理分配资源，既满足公平性原则，也能平衡不同用户的业务容量需求，从而最大限度地利用有限频谱资源。
4.Mesh技术应用
WiMAX 16j为无线Mesh 网标准，是一种多跳中继组网技术。该标准中定义了2类节点：中继站和移动无线基站，以及3种应用模式：固定基础设施应用模式、楼内应用模式、移动平台应用模式。利用 Mesh 方式，可以有效地增强接入网覆盖。利用中继站节点可以消除网络中一些SNR非常低的点。这项标准对解决WiMAX 802.16e系统全覆盖问题起着非常重要的作用。
Mesh 应用模式采用多个基站（BS）以网状网方式扩大无线覆盖区。其中，有一个基站作为业务接入点（SAP）与核心网相连，其余基站（BS）以无线链路与该SAP相连。因此，作为SAP的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点，而其余基站并非简单的中继站（RS）功能，而是业务的接入点。
Mesh应用模式的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸。对于市郊等远离骨干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围，其规摸取决于基站半径、覆盖区大小等因素。
5.面向连接的QoS，HARQ，AMC
802.16 MAC 层是基于“连接”的，即所有终端的数据业务以及与此相关的QoS 要求，都是基于“连接”进行的。每一个“连接”均由一个标识符（CID）来唯一进行标识。在802.16标准中，MAC层定义了较为完整的QoS机制。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的Qos参数，包括速率、延时等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，802.16标准还定义了如下5种不同的上行带宽调度模式。（1）非请求的带宽分配业务（UGS），用于恒定比特率连接；（2）实时轮询业务（rtPS），周期性地为终端分配可变长度的上行带宽；（3）扩展实时轮询服务（ertPS），其支持变速率编码和静默压缩，可节省上行资源；与UGS、RTPS相比，VoIP容量可以提升21%以上；（4）非实时轮询业务（nrtPS），不定期地为终端分配可变长度的上行带宽；（5）尽力而为业务（BE），尽可能地利用空中资源传送数据，但是不会对高优先级的连接造成影响。
802.16可以根据业务的需要提供实时、非实时的不同速率要求的数据传输服务。802.16目前主要面向提供宽带数据业务，也可以提供VoIP业务。802.16系统的QoS机制可以根据业务的实际需要来动态分配带宽，具有较大的灵活性。因此从以上的分析可以看出，802.16可以在无线接入网部分为不同业务提供不同质量的服务。
6.QoS机制
在WiMAX标准中，MAC层定义了较为完整的QoS机制。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。WiMAX系统所定义的5种调度类型只针对上行的业务流。对于下行的业务流，根据业务流的应用类型只有 QoS 参数的限制（即不同的应用类型有不同的 QoS 参数限制）而没有调度类型的约束，因为下行的带宽分配是由BS中的Buffer中的数据触发的。这里定义的QoS参数都是针对空中接口的，而且是这5种业务的必要参数。
7.HARQ
作为物理层前向纠错和链路层自动重传相结合的差错控制技术，HARQ提高了频谱效率，明显提高了系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，所以间接扩大了系统的覆盖范围。在 16e 的协议中虽然规定了信道编码方式有卷积码（CC）、卷积Turbo码（CTC）和低密度校验码（LDPC）编码，但是对于HARQ方式，根据目前的协议，16e中只支持CC和CTC的HARQ方式，具体规定为：在16e协议中，混合自动重传要求（HARQ）方法在MAC部分是可选的。HARQ功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中用消息 SBC 被确定和协商的。HARQ是基于每个连接的，它可以通过消息DSA/DSC确定每个服务流是否有HARQ的功能。
HARQ 是将 ARQ（自动重复请求）和 FEC（前向信道纠错编码）相结合的一种差错控制方案。ARQ具有高可靠性、低复杂度的特点，但它的效率低、时延大；FEC 则有效性较高。但可靠性比 ARQ 低，而且复杂度也较高。将二者结合起来，优势互补，就产生了混合型ARQ，即HARQ技术。
HARQ技术是在ARQ系统中嵌入一个FEC子系统，发送端发送的码不仅能检错，还具有一定的纠错能力。这在一定程度上避免了FEC要求复杂的译码设备和ARQ信息连贯性差的缺点，并能达到较低的误码率。
AMC在WiMAX的应用中有其特有的技术要求，由于AMC技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以AMC技术必须根据WiMAX的技术特征来实现AMC功能。与CDMA技术不同的是，WiMAX物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、PAPR值、小区的干扰等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到 AMC 算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。WiMAX 标准定义了多种编码调制模式，包括卷积编码、分组Turbo编码（可选）、卷积Turbo码（可选）、零咬尾卷积码（Zero Tail-biting CC，可选）和LDPC（可选），并对应不同的码率，主要有1/2、3/5、5/8、2/3、3/4、4/5、5/6等码率。1.7 WiMAX与B3G技术标准
根据覆盖范围在IEEE 802涉及的无线领域中，目前主要分为4类无线接入技术，分别是个域网（PAN:802.15）、局域网WiFi（LAN:802.11）、城域网WiMAX （MAN:802.16）、广域网（WAN:802.20），各种无线通信网络标准覆盖区域如图1-10所示。IEEE 802.15是由IEEE制定的一种蓝牙无线通信规范标准，应用于无线个人区域网。802.11 是我们常说的无线局域网 Wi-Fi 标准，而 802.16 则是城域网WiMAX 无线标准的系列标准。802.20 标准定位于宽带高速移动数据业务，其业务定位和使用范围与 3G 系统相似。由于这种竞争关系，工作组成员提出多种实现技术，同时厂商之间也存在较大的利益争夺，因此标准化进程一度非常缓慢。目前基于欧洲标准的3G-LTE技术方案已经成为实际上的WAN标准。图1-10 各种无线通信网络标准覆盖区域
图1-11集中描述了目前主流的WAN/MAN技术比较和演进路标，其中数据吞吐速率是指该技术标准的峰值速率，单信道带宽定义在各个框图内。在向4G 发展的演变过程中，空中接口技术从 CDMA 技术向 OFDM 技术发展已经成为共识，多天线MIMO技术融入各种B3G技术中。LTE引入MIMO（多输入多输出）天线等技术极大的提高了移动通信的带宽，MIMO 同时也是802.16e/m WiMAX和802.11n Wi-Fi无线互联网所青睐的技术。这些技术细节会在后面章节详细描述。
值得注意的是，随着北美主要运营商Verizon已经确定LTE作为CDMA技术的演进方向，cdma 2000 演进路标现在已支持从 EV-DO Rev.A 直接演进到 LTE 2×2 MIMO方案。不论是LTE还是UMB，都将和EV-DO Rev.A是叠加的关系，不存在前向兼容的问题。所以LTE也可作为EV-DO Rev.A的演进方向，而且获得厂家的广泛支持。
GSM和UMTS/HSPA技术发展各个阶段的系列标准由3GPP组织规范。第三代合作伙伴计划（3GPP）是领先的3G技术规范机构，是由欧洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、韩国的TTA以及美国的T1在1998年底发起成立的，旨在研究制定并推广基于演进的GSM核心网络的3G标准，即WCDMA、TD-SCDMA、EDGE等。中国无线通信标准组（CWTS）于1999年加入3GPP。设备厂商的产品可支持某种版本的规范，对应于不同的技术描述。理解 3GPP 的版本差别是非常重要的，例如R7优化了HSPA中VoIP的应用，同时引入演进的EDGE的概念增强了GSM数据功能。为让读者更好理解WAN/MAN各种技术演进趋势，将3GPP的不同版本技术特点总结如下。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]