摘要　本文首先介紹了移動WiMAX為支持高速移動數據業務所采用的關鍵技術，主要包括多天線技術和分組調度算法，然后闡述了移動WiMAX為符合國際電聯IMT-Advanced要求而提出的IEEE 802.16m增強標準，就其主要內容和標準化進程進行了詳細介紹，給出了未來演進思路和協議標準化計劃。

1、概述

在第三代移動通信（3G）領域，為了滿足迅速增長的對高速移動數據業務，特別是移動互聯網業務的需求，在3G標準的基礎上，提出了相關的增強技術，包括3GPP的短期演進HSDPA（高速下行分組接入）和HSUPA（高速上行分組接入）技術及3G長期演進（LTE）技術等；而在3GPP2中，其增強和演進技術包括cdma2000 1x EV-DO、1x EV-DV和超移動寬帶（UMB）。3G的增強只是暫時滿足了業務的寬帶化需求，最高傳輸速率有限，如HSDPA峰值速率不超過14.4 Mbit/s。從更長時間來看，考慮到多系統的相互融合，在3G長期演進的基礎上進一步演進，也就是第四代移動通信系統（4G）或者后3G移動通信系統（B3G），而國際電聯（ITU）則為其命名為IMT-Advanced[1]。IMT-Advanced預計于2010年前后開始商用，2015年開始大規模部署。該系統在低速移動的室內和室外環境中，將提供高達1 Gbit/s的小區吞吐量，在中高速移動的廣域環境下，將提供最高100 Mbit/s的峰值速率[2]。

在蜂窩移動通信系統演進的同時，無線寬帶接入系統也迅速發展。寬帶無線接入技術作為下一代通信網中最具發展潛力的接入技術之一，正受到業界越來越多的關注。移動WiMAX是目前無線寬帶接入技術的代表，它的技術標準IEEE 802.16e的目標是能夠向下兼容IEEE 802.16d。IEEE 802.16e協議作為固定接入技術的擴展，增加了終端用戶的移動性功能，從而使移動終端能夠在不同基站間進行切換和漫游。為了進一步提高移動WiMAX的無線接入性能，向IMT-Advanced的要求靠近，移動WiMAX的演進提到了議程，在IEEE 802系列標準中專門成立了IEEE 802.16m標準化工作組。

最近在日本召開的ITU-R第8F工作組會議上，作為WiMAX特別子集的IMT-2000新地面無線電接口“OFDMA TDD WMAN”被提交批準為下一級會議審批議題，這標志著WiMAX進入3G體系的戰略成功地走出了關鍵的第一步。實際上，移動WiMAX較目前的3G標準以及短期演進有很多的優勢，比如能更好地支持高速分組數據業務，能更便捷組網等，但其缺陷則是大規模蜂窩組網先天不足，所以如何增強目前的移動WiMAX，如何讓移動WiMAX更好地向IMT-Advanced演進，是目前業界關注的熱點問題也是未來需要重點研究和突破的難點之一。

本文首先闡述了移動WiMAX目前采用的關鍵技術，然后討論了移動WiMAX最新演進狀態，介紹了IEEE802.16m協議，討論了其如何向IMT-Advanced性能要求趨近，最后對移動WiMAX的發展進行了展望。

2、移動WiMAX關鍵技術

為了提高WiMAX系統性能，支持更高的傳輸速率，移動WiMAX在傳統的IEEE 802.16d協議基礎上，采用了許多關鍵技術，例如多輸入多輸出（MIMO）天線技術、干擾協調技術等，下面將分別介紹。

2.1　MIMO天線技術

對于未來的移動通信系統而言，如何在非視距的惡劣信道條件下保證高的服務質量（QoS）是一個關鍵問題，也是移動通信領域的研究重點。對于一般的單輸入單輸出（SISO）天線系統，如果要保證以上條件就需要較多的頻譜資源以及復雜的調制編碼技術，但是頻譜資源的有限和系統成本的要求，使SISO系統的發展遇到了瓶頸，這就使讓MIMO技術成為未來移動通信的關鍵技術。總的來說，移動WiMAX中的多天線技術可以分為3類，分別是波束賦形、空時編碼和空間復用。波束賦形是智能天線的關鍵技術，通過將主要能量對準期望用戶從而提高信噪比，有效抑制共道干擾。空時編碼分為空時格碼和空時塊碼，空時格碼可以使系統同時獲得編碼增益和分集增益。空時塊碼降低了譯碼復雜度，同時可以獲得2倍于接收天線數目的分集增益。空間復用在發射端發射相互獨立的信號，可以最大化MIMO系統的平均發射速率。在IEEE 802.16e中，雖然MIMO只是一個可選方案，但是空時編碼和空間復用技術都得到了應用，從而有效地提高了系統的容量和覆蓋，并且協議還給出了同時使用兩種技術的形式。同時對MIMO給出了相當完備的定義。

移動WiMAX支持2根天線、3根天線或4根天線。多天線系統可選用分集增益以提高信噪比和信道質量，也可選用復用增益以提高吞吐量。以2根天線為例，以下3個公式分別對應3種不同的天線陣形。

其中A天線陣形采用了分集增益，用1根接收天線即可解出信號，多天線傳輸碼率為1。B天線陣形采用了復用增益，多天線傳輸碼率為2，提高了吞吐量，但要求接收端采用2根天線，對于現在小型移動終端，實現2根天線的MIMO系統尚有天線技術方面的困難。另一方面對于B天線陣形的發送方式，協議還提供了天線選擇的配合方式，這樣就減少了小型移動終端天線配置的技術要求，但B天線陣形會降低多天線傳輸碼率，不能使復用天線陣形獲得最優的吞吐量性能。C天線陣形是一種基于Gold碼的多天線陣形，可以得到的傳輸碼率為2，并且可以得到一部分分集增益，但編碼復雜度高。

圖1是水平分層空時碼的實現流程。它從比特級就分開處理，并分別進行編碼和調制。

圖1　水平分層空時碼

圖2是垂直分層空時碼的實現流程，與水平分層空時碼不同，垂直分層空時碼在調制之后才分開，相比而言，垂直分層空時碼性能會更好，因為其同一編碼塊的比特經歷了不同的信道，有空間交織的效果，但它們的性能都無法達到仙農容量。

圖2　垂直分層空時碼

圖3所示為cdma 2000 1x EV-DO、HSPA（HSDPA/HSUPA）、移動WiMAX等系統的頻譜效率對比。EV-DO和HSPA均采用CDMA技術，相比之下，采用OFDM技術的WiMAX系統無論在上行還是下行都有更高的頻譜利用率。在移動WiMAX系統中，相比SIMO（單入多出）技術，MIMO有更高的頻譜利用率和更優化的系統性能。

圖3　不同移動通信系統頻譜效率對比

為了配合多天線的配置和提高WiMAX對移動性的支持，移動WiMAX在IEEE 802.16e協議中對用作估計信道的導頻進行了完善。多天線系統如果依然使用單天線中的導頻，導頻信號將產生嚴重的天線間干擾，所以協議在時頻資源上將不同天線正交，以減小干擾。圖4所示是2根天線時正交導頻位置。需要注意的是，為了提高移動性能，移動WiMAX協議將占用部分數據載頻以加強導頻的密集度，克服高速移動帶來的多普勒頻移和快衰影響。

圖4　2根天線配置時導頻位置實例

移動WiMAX協議中高級天線系統（AAS）即目前業界常說的智能天線技術，它是使用多個天線陣元，自適應地調整天線模式，將波束對準每個單獨的用戶，以達到擴大覆蓋和提高系統容量的目的。AAS的作用在于：

●通過生成多個波束對準多個用戶進行空分復用來提高頻譜效率；

●對多個信號進行相關合并以提高處理后SNR（信噪比）的增益；

●可以使用波束賦形的零陷技術來降低鄰小區干擾。作為移動WiMAX協議中的可選部分，AAS起到了很好的兼容新設備與新技術的作用，為技術的發展演進提供了協議保證和信令支持。

移動WiMAX中多天線系統的應用增強了系統性能，提高了頻譜利用效率，增加了系統吞吐量。而多天線技術又是移動通信發展的必然趨勢，其在原來時、頻、碼的資源上又增加了空間維度，使無線通信系統更大程度地滿足了現代數據業務大吞吐量的要求。

2.2　干擾協調調度技術

移動WiMAX系統依然采用蜂窩小區的網絡拓撲結構，但OFDM技術在蜂窩小區布網時，最大的問題是小區邊緣用戶由于受鄰小區干擾太大，不能滿足業務QoS需求。對此有3種解決方案。

方案一，在干擾大的小區邊緣添加中繼以增加信號強度，但這樣新增加的中繼節點又會對鄰小區產生新的干擾，當中繼多時網絡拓撲變得更加復雜。

方案二，利用多天線提高小區邊緣用戶性能，但鄰小區也需采用多天線，同時干擾也會相應加大。

方案三：如圖5所示的蜂窩網絡小區結構中，小區中心采用頻率復用因子為1，而小區邊緣采用頻率復用因子為3，這樣小區邊緣就可得到相對好的信噪比，提高用戶業務質量。這樣小區邊緣采用大于1的頻率復用因子以減少小區邊緣用戶干擾的干擾協調技術可以提高小區邊緣用戶的QoS，滿足數據業務的高吞吐量要求。

圖5　基于小區邊緣干擾協調的小區拓撲結構

目前，移動WiMAX大多采用方案三來提高系統頻譜效率，在這種網絡結構下，小區內部和小區邊緣如何分配子載波，在已分配的子載波上如何分配功率是實際布網中遇到的關鍵問題之一。分配方法可以是靜態分配，即在各小區內部固定采用一些子載波，并固定分配功率，也可是動態分配，即根據實際場景的負載分布來確定資源分配，同時根據QoS來分配資源。根據現有的資源和網絡結構來實現用戶不同業務的QoS是干擾協調最大的優勢。

3、向IMT-Advanced邁進

移動WiMAX的下一步演進將是邁向IMT-Advanced，與其他B3G技術相融合，成為IMT-Advanced家族成員之一。這一步演進，就是通過新定義的IEEE 802.16m標準的制訂來實現的。

IMT-Advanced是ITU-R給后3G（B3G）或者稱為4G移動通信系統的正式命名，其目標是成為3G和B3G之后的下一代移動通信系統。IMT-Advanced技術需要實現更高的數