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打造與眾不同的WiMAX產(chǎn)品

發(fā)布時間:2012-08-08

導言:技術(shù)要求和商業(yè)需求正促使WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速升溫。通信行業(yè)面臨著進一步降低無線通信網(wǎng)絡(luò)成本的巨大壓力,而實現(xiàn)這一點的一個可能方法就是提高目 前的移動網(wǎng)絡(luò)中使用的無線頻譜的使用效率。綜合利用一系列允許快速改變通信業(yè)務(wù)的調(diào)制模式和編碼模式的先進技術(shù),以及高級糾錯技術(shù)和流量調(diào)度方案,可以有 效提高無線頻譜的使用效率。

類似于以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)規(guī)范,WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)標準基于一種大幅降低企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、提高網(wǎng)絡(luò)效率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計理念。WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)是,將其技術(shù)優(yōu)勢拓展應用于范圍更加廣闊的公共網(wǎng)絡(luò)。

技術(shù)規(guī)范解讀

IEEE 802.16標準規(guī)定了一個包含兩個核心組件的系統(tǒng):用戶站點(SS)或用戶端設(shè)備(CPE)和基站(BS)。一個基站和一個或多個用戶站點可以構(gòu)成一個 點到多點(P2MP)結(jié)構(gòu)的小區(qū)。在無線通信過程中,基站控制小區(qū)內(nèi)部的所有通信活動,包括任何用戶站點接入無線通信網(wǎng)絡(luò)、指配相應的服務(wù)質(zhì)量(QoS) 等級和根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全機制管理網(wǎng)絡(luò)。

利用多個基站,可以配置一個無線通信網(wǎng)絡(luò)。采用正交頻分復用(OFDM)技術(shù),這個小區(qū)的覆蓋范圍最高 可達方圓30英里;但是,這是在良好的無線通信環(huán)境條件下,并且只能提供最低數(shù)據(jù)率。一般而言,實際可行的小區(qū)覆蓋范圍約為5英里甚或更小。請注意,也可 以在點到點(P2P)或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中采用WiMAX標準,利用成對的定向天線,實現(xiàn)高于P2MP網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)有效覆蓋范圍。

802.16 MAC協(xié)議是專門針對P2MP無線接入環(huán)境而設(shè)計的,可以支持諸如ATM、以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)等傳輸協(xié)議,并且可以通過特定的匯聚層(如圖1所 示),適應未來的技術(shù)發(fā)展。MAC層還可以利用物理層來實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)吞吐量,同時提供符合ATM標準的服務(wù)質(zhì)量(QoS),如UGS、rtPS、 nrtPS和盡高帶寬(BE)(如圖2所示)。

在802.16網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)中,可以根據(jù)鏈路狀況,向用戶終端動態(tài)分配上行和下行突發(fā)配置,從而實時地為用戶終端折衷選擇通信容量和強健性。此外,相比于非自適應系統(tǒng),802.16網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了2倍(平均值)的通信容量。

802.16 MAC采用了一個可變長度協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)和其他創(chuàng)新概念,顯著提高了網(wǎng)絡(luò)效率。例如,可以將多個MAC PDU并置到一個SINGLE BURST(單次突發(fā)中),從而節(jié)省物理層(PHY)開銷。也可以將多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)并置到一個MAC PDU中,以節(jié)省MAC報頭開銷。通過數(shù)據(jù)包分段,可以利用多個幀來發(fā)送很大的SDU,確保服務(wù)質(zhì)量。此外,可以利用有效負載報頭壓縮,降低SDU報頭冗余造成的開銷。

802.16 MAC協(xié)議采用自矯正帶寬請求/授予機制,消除了確認延遲,并且實現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)確認機制的服務(wù)質(zhì)量。取決于各種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和流量參數(shù),用戶終端可以選擇請求不同的帶寬。
 
圖1——802.16協(xié)議堆棧
 
 
圖2——各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量等級
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802.16 協(xié)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(xiàn)的數(shù)據(jù)加密標準(DES),加密需要傳輸?shù)挠行ж撦d和輔助管理連 接。利用個人知識管理(PKM)協(xié)議,對用戶站點進行基于認證的鑒權(quán)。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(wǎng)絡(luò)都要執(zhí)行一系列任務(wù),以進行鑒別和同步基站和用戶站點。當基站下行信號實現(xiàn)同步后,上行信道描述符(UCD)將提供定時參數(shù)和初始測距 連接時隙數(shù)據(jù)。在用戶站點測距的過程中,基站將在用戶站點登錄后,為協(xié)商性能分配各種管理消息。利用PKM,可以為鑒權(quán)建立一個安全的輔助管理連接?,F(xiàn) 在,這個系統(tǒng)可以部署各種MAC業(yè)務(wù),通過采用各種IP協(xié)議的用戶連接進行通信。通過常規(guī)測距和信道狀況監(jiān)視,管理信道資源。

服務(wù)質(zhì)量(QoS)和信道資源調(diào)度

WiMAX標準包括許多值得關(guān)注的特性,其中之一就是能夠?qū)崿F(xiàn)很高的服務(wù)質(zhì)量和支持信道資源調(diào)度。對于服務(wù)提供商而言,這些特性尤為重要,因為這些特性能夠最大限度地提高無線信道利用率和系統(tǒng)吞吐量,并且能夠確保達到服務(wù)級別協(xié)議(SLA)中規(guī)定的要求(如圖3所示)。

基 于MAC實現(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施能夠支持各種業(yè)務(wù)類型。各個用戶站點和基站之間的帶寬請求和授予機制則實現(xiàn)了服務(wù)質(zhì)量特性。當前的服務(wù)質(zhì)量機制主要包含四種業(yè) 務(wù):UGS(主動授予業(yè)務(wù))、rtPS(實時輪詢業(yè)務(wù))、nrtPS(非實時輪詢業(yè)務(wù))和BE(盡高帶寬業(yè)務(wù)),可以為視頻、音頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等提供其需要 的服務(wù)質(zhì)量等級。由數(shù)據(jù)包調(diào)度程序(Packet Scheduler)負責為一個用戶的各種不同業(yè)務(wù)類型調(diào)度相應的資源。也就是說,到達用戶實現(xiàn)SLA的要求。可以將用戶劃分為各種不同的優(yōu)先級,如標準 和高級(如圖4所示)。

在IEEE 802.16-2005系統(tǒng)中管理移動性

IEEE 802.16-2005系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要求就是在高速移動中實現(xiàn)越區(qū)切換并且保持很低的丟包率。雖然大多數(shù)越區(qū)切換都可以通過軟件來完成,但是,要實現(xiàn)高性能越區(qū)切換就必須由硬件來執(zhí)行部分處理任務(wù)。

為了識別相鄰網(wǎng)絡(luò)并確定該網(wǎng)絡(luò)相對于相關(guān)移動終端(MSS)的特性,基站將定期廣播一條相鄰節(jié)點通告管理消息。所有MSS都要掃描相鄰的基站,并測量信號強度,然后通過執(zhí)行測距和相關(guān)步驟,選擇適當?shù)南噜徎?,準備進行越區(qū)切換。

越區(qū)切換的性能主要體現(xiàn)在用戶從一個小區(qū)進入另一個小區(qū)時的鑒權(quán)速度。區(qū)別在于是否能夠快速適應在移動中不斷變化的服務(wù)質(zhì)量要求。MSS可以是固定的,也可以是移動的,服務(wù)質(zhì)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。
 
圖3——802.16標準中規(guī)定的數(shù)據(jù)包調(diào)度,實現(xiàn)了資源最大化
 

圖4——數(shù)據(jù)包調(diào)度程序的功能及其為不同用戶類型調(diào)度相應的資源
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分配子信道,實現(xiàn)MAC層/物理層交互

隨 著用戶數(shù)量日益增加,多徑衰落和路徑損耗變得更加顯著?;谡活l分復用(OFDM)技術(shù)的正交頻分復用多址(OFDMA)技術(shù)不會受到符號間干擾和頻率 選擇性衰落的影響。傳輸速率的高低取決于寬帶無線接入(BWA)系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)靈活、高效的資源分配。如果采用跳頻技術(shù)和自適應調(diào)制技術(shù)來分配副載波, 并且由發(fā)射機生成信道增益,則可以大幅提高系統(tǒng)性能。最優(yōu)解決方案是每次都向用戶分配最佳信道。當然,這個過程沒有聽起來那么簡單,因為適用于某個用戶的 最優(yōu)副載波也可能是適用于另一個用戶的最優(yōu)副載波,并且這個用戶沒有其他良好副載波可供使用。服務(wù)質(zhì)量要求的定義是,在每次發(fā)射中,向每個用戶提供特定的 數(shù)據(jù)傳輸率和誤碼率(BER)。

雖然關(guān)于WiMAX標準及其相對于傳統(tǒng)無線通信標準的優(yōu)越性的討論始終沸沸揚揚,但是,當前的發(fā)展趨勢表明,WiMAX標準非常適于在無線通信網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。

伸縮自如的OFDMA

IEEE 802.16無線城域網(wǎng)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于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(yōu)網(wǎng)絡(luò)性能,并且保持很低的系統(tǒng)成本。這種靈活伸縮性主要歸功于每個信道帶寬具備不同的FFT樣本數(shù)的子信道結(jié)構(gòu)。

WiMAX技術(shù)規(guī)范還支持高級調(diào)制和編碼(AMC)子信道、混合自動重復請求(HARQ)、高效率上行子信道結(jié)構(gòu)、多入多出(MIMO)、覆蓋增強安全信道、不同的副載波分配技術(shù)和多樣化機制。WiMAX MAC層利用CQI和HARQ請求的反饋信息,實現(xiàn)了靈活伸縮性。

實現(xiàn)WiMAX系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)

在 實現(xiàn)WiMAX系統(tǒng)時,面臨的最為嚴峻的挑戰(zhàn)大概是確定處理器應當執(zhí)行哪些任務(wù)以及硬件或者更確切的說,基于FPGA的加速器應當執(zhí)行哪些任務(wù)。確定這種 硬件和軟件分工的關(guān)鍵是找到系統(tǒng)性能和處理要求以及產(chǎn)品上市速度之間的最佳平衡點。取決于實現(xiàn)這種折衷的方式,可以產(chǎn)生不同的用戶端設(shè)備和基站實現(xiàn)。

WiMAX 用戶端設(shè)備必須采用一個處理器,并且借助硬件加速器,實現(xiàn)諸如循環(huán)冗余碼校驗(CRC)和加密/解密等比較低級的MAC功能。另一方面,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(shù)據(jù)包。要在硬件中實現(xiàn)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(xiàn)了速度較慢的管理和控制功能,同時利用支持硬件加速的FPGA邏輯結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了速度較快的數(shù)據(jù)通道功能。

MAC層實現(xiàn)的關(guān)鍵在于利用適當?shù)年犃泻驼{(diào)度機制,實現(xiàn)處理“三網(wǎng)融合”的語音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。雖然IEEE 802.16標準對此類功能做出了明確規(guī)定,但是各種競爭性解決方案實現(xiàn)這種特性的具體方式卻各不相同,有了Xilinx FPGA,設(shè)備制造商可以針對這個要求苛刻的系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域,提供靈活的平臺,開發(fā)、實現(xiàn)新的MAC層功能。

最新推出的Virtex-4 FX平臺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(zhí)行這些指令,改變邏輯結(jié)構(gòu),從而簡化了硬件/軟件劃分過程。

Xilinx平臺FPGA還可以支持諸如高性能前向糾錯(FEC)等先進的數(shù)字信號處理(DSP)功能,有助于實現(xiàn)高級功能和產(chǎn)品差異化。得益于Xilinx推出的包含在低成本W(wǎng)iMAX FEC包中的優(yōu)化Turbo Convolutional編解碼器,系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)靈活的FEC解決方案。

當 然,WiMAX基站設(shè)計還包含許多其他方面,Xilinx技術(shù)也可以有所貢獻,但限于篇幅,本文暫不討論。目前,Xilinx器件通常用于實現(xiàn)射頻卡中的 高級DSP糾錯算法,以及振幅因素縮?。–FR)、數(shù)字預矯正(DPD)和數(shù)字上變頻器(DUC)和數(shù)字下變頻器(DDC)等應用。通過以數(shù)字化方式矯正 功率放大器(PA)的特性,可以利用更加經(jīng)濟劃算的模擬射頻電路,從而節(jié)省大量元件成本,并大幅降低基站的總成本。

結(jié)束語

雖然關(guān) 于WiMAX標準及其相對于傳統(tǒng)無線通信標準的優(yōu)越性的討論始終沸沸揚揚,但是,當前的發(fā)展趨勢表明,WiMAX標準非常適于在無線通信網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)語音、 數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。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(chǎn)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(chǎn)品,占領(lǐng)市場先機。
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