WiMAX宽带无线接入的频谱利用及接口分析

文章探讨了IEEE 802.16a/d/e WirelessMAN的实现，全球的频谱管理组织已经指定了用于宽带部署的频段，包括得到许可的和未得到许可的频段。在讨论功率问题以及未来频谱分配的同时，本文还讨论了射频前端到基带(SoC)的接口问题。

就在Wi-Fi无线局域网(WLAN)借助IEEE 802.11标准快速起飞的时候，新近出现的基于IEEE 802.16无线城域网(MAN)标准的MAN也即将快速启动。就频谱而言，IEEE 802.16a/d/e WirelessMAN也称为WiMAX(微波接入的全球互操作性)。尽管802.16x设置了标准化和互操作性规范，WiMAX论坛，这个全球宽带无线接入(BWA)产业协会提供了质量控制和认证以保证成功的标准化部署。WiMAX论坛的首要任务是联合全球大量的参与者，包括芯片生产商、软件开发商、设备生产商和服务提供商来支持IEEE WirelessMAN/ETSI HyperMAN标准，并保证全球性的兼容性和互操作性，但同时还创建一个竞争性的领域以降低服务提供商和用户的成本。IEEE 802.16 和 WiMAX将推进BWA以加速成本可接受的全球宽带网络部署。

然而，标准化并不意味全球的“一致”以及“所有”已部署的经认证的WiMAX设备的自动互操作性。标准定义和建议了媒体访问控制(MAC)层和物理层(PHY)的关键框架，MAC层根据标准协议对原始数据进行打包或解包以提供数据、语音和视频， PHY层根据用户需求和射频(RF)连接质量处理空中接口和调制方案。IEEE 802.16标准产生了各种框架，但也允许提供商进行定制以满足特定的或区域性的市场需求，或者允许提供商通过增加增值特性来使自己区别于竞争者。

更甚者，在全球范围内，不同区域的射频接口存在变化。在这个方面，频谱管理者在决定针对不同，甚至有时是竞争业务的频谱分配上扮演关键角色，如美国的联邦通信委员会(FCC)。通过这些管理者，政府可以使某些与世界其他地方一致或不一致的频谱为某个指定的业务所用。对于WiMAX的全球部署来说也是这样，尽管确实存在一些非常共同的RF问题，但是在频谱的分配和管理上也存在大量的差异性。

但是，并不仅仅是管理的问题造成在WiMAX无线MAN全球部署上的RF频段差异性，在一个区域内的服务承载商和无线互联网服务提供商(WISP)也具有频段的选择问题。可用的和已分配的频谱包括不同的已授权的和未授权(免授权)的频段，业务承载商可以选择利用它获得授权的频谱来提供业务并/或选择使用未授权频谱。大多数WISP选择使用未授权频谱，因为这些频谱免费使用，大大降低最终用户的成本。

图1：WiMAX用户站的基本框图- 不同的RF前端提供频段灵活性。

WiMAX无线城域网部署的频谱差异性导致了对具有不同RF的基站(BS)和用户站(SS)的需求。如图1中所展示，一个典型的WiMAX SS系统包括一个控制处理器、一个MAC单元、一个基带处理器(BBP)和一个模拟RF前端，这个RF前端的作用是将802.16x放入到一个授权的或未授权的频段中。设备提供商期望芯片制造商来提供完整的参考设计、材料清单、元件、软件/固件以及技术支持，以便他们能快速地生产WiMAX设备以满足这些RF差异化的市场需求。这种服务于某种特定频段的接口就是RF前端。

关注802.16d-提供PMP宽带网络连接的超视距点到多点频谱

得到WiMAX认证的BWA应用包括蜂窝网络回程(backhauling)、有线和无线LAN回程、无线MAN将BWA带入到家庭或商业中，作为DSL或有线接入之外的一个选择。然而，最大的爆发性市场增长将在802.16x未来版本解决了便携性和移动性问题，将BWA直接带入到终端用户的时候。这个“最后一英里”必然是利用超视距(NLOS)RF传播的点对多点的结构。在这个领域，WiMAX网络将以授权和免授权频段出现在全世界，在很多情况下代替802.16之前的已有业务。

当前，人们关注2GHz到6GHz的频段。这些是已分配的带宽，相对于10GHz到66GHz的可用带宽来说很窄。10GHz以下的微波频段被称为厘米波段，10GHz以上的为毫米波段。毫米波段具有很宽的信道带宽，提供很大的数据容量，因此通常非常适合非常高数据速率视距回程应用(主要管线)，而厘米波段非常适合于多点、超视距、支线和最后一英里分布应用。

IEEE 802.16d支持固定NLOS BWA来替代或作为对DSL和线缆接入在最后一英里的补充，这是WiMAX部署的第一波。进一步，IEEE 802.16e将在2005年被批准，将加入移动和便携特性以支持像笔记本和PDA在6GHz以下频率的应用。在这些部署中，授权和免授权频谱都将被利用到。

授权和免授权频谱

图2显示了2GHz到6GHz频率范围内BWA可用的频段。注意这些频段是以授权或免授权来标示的，授权频段是指那些被承运商所有的，它们已经为用这些频段支付费用，免授权频段是免费给任何试验或企业应用的。基于IEEE 802.11a/b/g的Wi-Fi占用免授权频段，尽管在这些频段中存在相竞争的技术，但已经经验证非常稳定。在每个频段内，信道间距相对较窄，因此相对于高频率的微米波段的信道来说限制了数据率。

很多无线ISP寻求利用免授权频段，因为这是免费的，不仅节省局域网络部署的成本还节省时间，这同样也节省用户的成本，并提供了DSL和电缆调制解调器服务以外的选择。在美国，免授权频段同样具有吸引力，因为在2GHz-6GHz的频率范围内没有多少授权频谱可用。另外一方面，拥有授权频段的主要承载商可以推销他们的服务为“商业级”的服务，因为他们被认为是稳定而可靠的，享有主要品牌的声誉。

频段分配

3.5GHz -- 3.5GHz频段是一段已授权频谱，在很多欧洲和亚洲国家可以用在BWA上，但在美国却不行。这个频段是最拥挤的，代表最大的全球BWA市场，覆盖了从3.3GHz-3.6GHz的300MHz带宽，这个频段为大管线回程到广域网(WAN)业务提供了非常大的灵活性。主要的承载商采用这个授权频谱可以通过规模经济和WiMAX设备的低成本为用户提供具有竞争性的收费。

5GHz U-NII & WRC频段 - 免授权国家信息基础设施(U-NII)频段拥有三个主要的频段：低和中U-NII频段(5,150-5,350)(802.11a)、WRC(新)(5,470-5,725)以及上端U-NII / ISM频段(5,725-5,850)。Wi-Fi存在于低和中U-NII频段，这已经得到证实可以适用于BWA。很多重叠的5GHz频段标志着BWA在全球的增长。最新分配的世界无线电大会(WRC) 5,470-5,725MHz频段大大增加了免授权频段带宽。大多数WiMAX运行在U-NII 5,725-5,850MHz频段的上端，因为在这个频段很少有竞争性业务和干扰，也就是Wi-Fi和室外功率允许在2到4瓦的范围，而在低和中U-NII频段的功率只有1W。分析家和商业人士认为WiMAX在免授权频率内将有强劲的增长。

WCS - 两个无线通信业务(WCS)频段是两个15MHz的频率片断，分别为2,305MHz到2,320MHz和2,345MHz到2,360MHz。两者之间的25MHz频率间隙分配用来作为数字音频无线业务(DARS)，这产生了由DARS地面中继器导致的潜在干扰问题。在这些频段的成功部署将要求非常高的频率效率，例如Wi-Fi和WiMAX都采用正交频分复用(OFDM)。

图2：2GHz到6GHz厘米波段可以用在BWA。

2.4GHz ISM - 2.4GHz工业、科技和医学(ISM)频段为免授权的，为BWA的部署提供了大约80MHz的带宽。当前的Wi-Fi就存在于这个频段，已经证明能为WLAN提供稳定的服务。未来规定可以互操作的MAC和BBP要求的WiMAX类(profile)将同时带来这两种业务，为用户提供大范围移动性的互补操作。

MMDS - 多信道多点分配业务(MMDS)频谱包括在2,500MHz到2,690MHz范围内，间距为6MHz的31个信道，还包括教学电视固定服务(ITFS)。由于最初用作教育电视的目的，这个频谱没有得到充分的利用，美国FCC已经将这个频谱分配给BWA业务。BWA提供商通过FCC的拍卖和/或者向ITFS租用信道来获得对这个频谱的利用。在美国，Sprint和Nextel是这里主要的频谱拥有者。分析家希望在未来的若干年内，在这个频段内BWA市场有很大的增长。

由于高增长和应用的潜力，WiMAX论坛专注于其初始的MMDS的类建立和认证工作，3.5GHz已授权频段和免授权U-NII 5GHz频段较少干扰，能提供合理的功率水平以及足够的带宽。这有助于保证全球WiMAX BWA业务的高增长率，因为这些频段代表着最大的潜在市场，而且由于规模经济而可以实现较低的成本。

发射和接收信号强度

发射和接收信号的功率水平和功率控制对于任何WiMAX中的系统效率来说都非常的重要，功率水平必须得到有效管理以保证稳定的通信和减少潜在的干扰。此外，根据每个用户的情况进行功率水平动态控制，决定于用户的规格、到BS的距离。

正如WiMAX标准中所规定，2GHz到11GHz的厘米波段的接收功率水平是相同的。接收器必须能准确地解码最低信道功率为-30dBm(1uW)的信号，并能承受0dBm(1mW)的强信号，而且不损坏前端电路。此外，Rx应该能够提供最低60dB的镜像抑制。WiMAX标准规定“镜像抑制要求必须包含于产生在接收器射频和其后的中频的所有镜像条件中”。坚持这些要求将保证在近距离和远距离条件下可靠地工作。

传输要求

不利用子信道(单一载波)的用户站必须提供30dB范围的功率控制。对于利用子信道的SS(OFDM)(这种SS将包括所有2GHz到11GHz的经认证的WiMAX SS)，发射器必须具有50dB的动态功率控制，控制步进不小于1-dB。功率控制精确度必须在高达30 dB范围内达到+/-1.5dB以内，或者在30dB以上达到+/-3dB。

对于BS发射器，输出功率电平控制必须不低于10dB。实际的发射功率取决于用户的距离、传输特性、信道带宽和调制方案(BPSK、QPSK、16QAM、64QAM)。BPSK是数据效率最低的调制方法，在SS与BS之间距离很远的情况下采用，因此需要更高的发射功率。而64QAM提供非常高的数据效率(每个符号的位数)，当SS与BS的距离相对较近的时候采用，因此需要较低发射功率。

SoC与RF接口

参照图1，RF前端与SoC之间的接口涉及到用于处理操作和发射器和接收器的内部管理功能，以及I/Q信号到A/D和D/A数据转换器的接口控制信号。调制器电路发送到SoC的接收数据应该是差分的“I”和 “Q”信号。可以在接收端采用衰减器来处理校准和增益控制，以保证最大的位利用率、转换效率以及模数转换器(ADC)转换效率。

WiMAX未来的频谱

当前全球在进行WiMAX和其他类似宽带无线接入业务部署时，正在考虑额外的频段。在日本，2007年后将用到4.9GHz-5.0GHz的频段，同时也在考虑将来采用5.47GHz-5.725GHz频段。前者在BS部署时需要得到授权，将支持5MHz、10MHz和20MHz带宽，而后者有可能不需要授权，可能支持20MHz带宽。

北美市场正显示出在4.9GHz宽频公共安全频段部署WiMAX的兴趣。甚至有兴趣使用得到授权的800MHz和免授权的915MHz ISM频段作为WiMAX和类似业务的部署。WiMAX标准将使期待已久的能满足用户移动性、语音服务和高数据速率应用的频谱效率和吞吐量得以实现。由于其超视距特性，因此可以允许更多用户接入，实现更低的部署成本、更大的容量，以及因为标准化和互操作性带来的低CPE成本而渗透到大众消费市场。更不用说，它是宽带移动性实现的无障碍途径，将成为“4G”的基础，提供真正的自由移动性。