WiMAX（IP-OFDMA）的物理層參數和幀結構

長期以來，WiMAX都宣稱自己是4G技術，是3G技術的終結者。但是，WiMAX在發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一的頻譜資源。這對市場目標為移動通信的WiMAX來說，是一個致命的缺點。如果沒有全球統一的頻譜，就不能提供完善的漫游服務，也就不能成為一個真正的移動通信系統。 [關鍵字] 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，是3G技術的終結者。但是，WiMAX在發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一的頻譜資源。這對市場目標為移動通信的WiMAX來說，是一個致命的缺點。如果沒有全球統一的頻譜，就不能提供完善的漫游服務，也就不能成為一個真正的移動通信系統。

　　為了解決這個問題，從2006年下半年開始，WiMAX開始調整自己的市場策略。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，即第6種3G技術。

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

　　需要特別指出的是，WiMAX論壇和IEEE并沒有將完整的803.16e技術提交給ITU，實際提交的技術被稱為IP-OFDMA技術，有以下兩個特點。

　　●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技術的特點，及其與802.16e技術的區別。

　　2、使用頻段和帶寬

　　如前文所述，WiMAX在發展的初期，根本瓶頸是頻率問題。為了能夠獲得初期的發展空間，802.16e聲稱可以用于11GHz以下的所有頻段，且規定了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展問題，卻為進一步發展設置了障礙。采用不同頻段和不同帶寬的設備之間不能實現互聯互通，不能漫游，阻礙了產業規模的擴大，也阻礙了成本的進一步降低。

　　在這種背景條件下，主要廠商支持成立了WiMAX論壇，共同推動WiMAX技術的產業化過程。WiMAX論壇的一項基本工作就是減少802.16e技術中的“可選項”的數量，以利于產品開發，擴大產業規模。

　　

IP OFDMA 1.jpg

表1 WiMAX論壇規定的頻段和帶寬


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

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

　　3、OFDMA基本參數

　　

IP OFDMA 2.jpg

表2 IP-OFDMA技術采用的基本的OFDMA參數


　　當采用10MHz帶寬模式的時候，IP-OFDMA技術使用1024點的FFT。每個子載波的帶寬是10.94MHz，因此，FFT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，實際上，頻譜兩端共有183個子載波被用于保護頻帶，不發射信號，所以實際占用的帶寬是 9.2MHz。

　　當采用5MHz帶寬的時候，IP-OFDMA技術使用512點的FFT，頻譜兩端共有保護子載波91個，實際使用帶寬4.6MHz。

　　在不同帶寬的系統中，除了子載波數量不同以外，包括子載波帶寬在內的各項參數都保持不變。這樣，不同帶寬的系統可以最大限度地使用相同的高層，簡化了系統設計。

　　4、OFDMA的符號結構和子信道結構

　　在IP-OFDMA技術中，所有的子載波分成三類。

　　●數據子載波，用于傳輸用戶數據和控制信令。

　　●導頻子載波，用于信道估計和同步。

　　●空子載波，不發送信號，用于保護帶寬和零子載波。

　　數據子載波和導頻子載波合稱活動子載波。IP-OFDMA技術在下行鏈路上和上行鏈路上都將數據子載波進一步劃分為不同的組，稱為子信道。

　　每個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（Contiguous）方式。一般來說，分散方式能夠獲得頻率分集增益，也有利于消除小區間干擾，對高速移動業務比較有利；而連續方式對固定或者低速移動業務比較有利。

　　其中分散方式又可以進一步劃分為下行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OFDM符號有14個子載波，其中包括12個數據子載波和2個導頻子載波。每一對OFDM符號構成一個群（Cluster）。群（Cluster）中的數據子載波和導頻子載波分配如圖1所示。每個子信道由兩個群（Cluster）構成。 10MHz帶寬的系統共有30個子信道，而5MHz帶寬的系統有15個子信道。每個子信道包括48個數據子載波。

　　

IP OFDMA 3.jpg

圖1 群（Cluster）中的數據子載波和導頻子載波分配

上行鏈路的PUSC（部分使用子信道）方式的構成方式與下行鏈路類似，但具體參數有所不同。下行鏈路的基本單位是塊（Tile），由三個符號構成。塊（Tile）中數據子載波和導頻子載波的構成如圖2所示。每個子信道由六個塊（Tile）構成。這樣，10MHz帶寬的系統共有35個子信道，而5MHz 帶寬的系統有17個子信道。雖然子信道數量與上行鏈路不同，但每個子信道包括的數據子載波相同，都是48個。

　　

IP OFDMA 4.jpg

圖2 塊（Tile）中數據子載波和導頻子載波的構成


　　下行FUSC（全部使用子信道）方式與PUSC方式不同。FUSC方式的每個子信道只涉及一個符號，導頻子載波通過一個生成公式均勻分布在整個頻段中，給所有的子信道共用。每個子信道48個數據子載波，也均勻分布在整個頻段中。10MHz帶寬的系統只有16個子信道，而5MHz帶寬的系統有8 個子信道。

　　連續的子載波排列方式可以細分為下行AMC方式和上行AMC方式。兩種方式的結構完全相同。9個子載波構成一個塊（Bin），其中包括8個數據子載波和一個導頻子載波。一個基本分配單位（Slot）包括一定數量的塊（Bin）和符號。塊和符號的組合有以下四種情況：（6個塊，1個符號）、（3 個塊，2個符號）、（2個塊，3個符號）和（1個塊，6個符號）。使用連續子載波排列方式的時候，用戶可以選擇頻率響應特性最好的子信道，從而獲得多用戶分集增益。

　　在IP-OFDMA系統中，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消息中設置適當的指示比特來確定當前究竟使用了那種方式。

　　5、TDD方式的幀結構

　　在802.16e中，規定了FDD和TDD兩種雙工方式，并且規定了5ms，10ms和20ms等多種不同的幀結構。但在IP-OFDMA技術中，只定義了5ms幀長度的TDD方式。

　　IP-OFDMA技術采用的幀結構如圖3所示。

　　

IP OFDMA 5.jpg

圖3 IP-OFDMA技術采用的幀結構


　　每個幀可以進一步劃分為下行子幀和上行子幀，兩者之間用適當的保護時隙分隔。下行子幀與上行子幀之間的保護時隙叫做TTG（傳輸/接收轉換間隔），上行子幀與下一個幀的下行子幀之間的保護時隙叫做RTG（接收/傳輸轉換間隔）。這兩個參數是根據基站天線接口上的信號確定的，在實際使用中，還需要考慮無線信號的傳播時延。

　　每個幀都由Preamble開始，Preamble是這個幀的第一個符號，用于同步功能。

　　緊接在Preamble之后是幀控制報頭（FCH），包括當前幀的控制信息，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提供了移動臺繼續解調其他消息所必須的基礎信息，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消息規定了下行鏈路上的信息，包括以下內容。

　　●幀長度。802.16e支持多種幀長度，但IP-OFDMA技術僅僅支持5ms幀長度。

　　●將下行幀進一步劃分為不同的突發（Burst），不同的突發可以分配給不同的用戶，從而實現多用戶接入。

　　●確定可選的載波和符號分配方式，如FUSC等。

　　UL-MAP消息規定了上行鏈路上的信息，包括以下內容。

　　●下行鏈路上突發（Brust）的分配方式。

　　●上行Ranging信道的工作方式。

　　上行信道的ACKCH主要給移動臺用于回應下行信道的HARQ證實信息。

　　上行信道的快速反饋信道（CQICH）主要給移動臺用于反饋信道狀態信息。

　　上行Ranging信道主要給移動臺用于執行閉環時間、頻率和功率調節，以及帶寬申請。它可以進一步細分為四種類型。

　　●初始Ranging，用于移動臺接入網絡。

　　●周期性Ranging，當移動臺和網絡建立連接以后，周期性地報告狀態。

　　●切換Ranging。

　　●帶寬申請。

　　6、結束語

　　IEEE和WiMAX論壇是一種非常松散的標準化組織，為了平衡各個方面的利益，他們發布的標準往往包含大量的可選項。這些可選項破壞了最終產品之間的兼容性，成為產業發展的障礙。從802.16e到WiMAX論壇，再到IP-OFDMA技術，標準的可操作性在不斷地改善，為產業取得突破性進展創造了條件。

　　另外，IP-OFDMA技術成為IMT-2000技術之一，打破了3G技術和市場的格局，對整個行業的發展都將產生巨大的影響。整個移動通信行業將向何處發展，仍然需要拭目以待。