1、通訊三 wimax 技術與原理 石利芬 WiMax 技术与原理 在此处键入文档的摘要。摘要通常是对文档内容的简短总结。在此处键入文档的摘要。摘要通常是对文档内容的简短总结。 1 / 26 目录 WiMAX 的发展 . 2 WiMAX 关键技术 . 3 正交分频多任务 OFDM . 3 多天线技术 . 5 WiMAX 中典型的差错控制编码 . 7 Reed-Solomon code . 7 Convolutional code 的原理 . 11 LDPC . 12 WiMAX 中的加密算法 . 16 DES 加密算法 . 16 RSA 加密算法 . 22 WiMAX 的优缺 点与应用 . 24
2、WiMAX 的五大优势与三大劣势 . 24 WiMAX 的应用 . 24 参考文献 . 25 2 / 26 WiMax 技术与原理 摘要 ： 本文介绍了 Wimax 的发展及应用前景，主要包含五章，第一章是对 wimax 的概述，第二章讲了 wimax 中用到的关键技术：正交分频多任务和多重天线技术，第三章着重介绍了Wimax 信道编码中的 R-S code、卷积码和 LDPC code 的原理，第四章主要讲的是 wimax 中的加密技术： DES 和 RSA 的基本原理和安全性分析等，最后一章是对 wimax 优缺点的评价。 关键词： 正交分频多任务 多天线技术 差错控制编码 加密算法 1
3、WiMax 的发展 WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入。WiMAX 也叫 80216 无线城域网或 802.16。 WiMAX 是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达 50km。 WiMAX 还具有 QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。 WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、 AAS、 MIMO 等先进技术， 随着技术标准的发展， WiMAX 逐步实现宽带业务的移动化，而 3G 则实现移动业务的宽带化，两种网络的
4、融合程度会越来越高。 WiMax 的基本工作原理如下 : 从实用角度看， WiMAX 的操作与无线上网相似，但是速度更快，传播距离更远，并且可供更多的用户使用。由于电话和 电缆 公司还没有把必要的电缆铺设到边远地区，因此那里目前仍没有宽带网络接入， WiMAX 有潜力消除这些无信号区。 WiMAX 系统由两 部分组成： WiMAX 发射塔 ：在概念上与手机发射塔相似。单台 WiMAX 发射塔可以覆盖非常大的面积约 8,000 平方公里。 WiMAX 接收机 ：接收机和天线可以是一个小盒子或一张 PCMCIA 卡，也可以像如今的无线上网接入方式一样内置到膝上型电脑中。 WiMAX 发射塔站可以使
5、用高带宽的有线连接（例如 T3 线路）直接连接到互联网。它也可以使用视线微波链接与另一个 WiMAX 发射塔连接。这种与第二个发射塔的连接（经常称为回程），以及单塔所具有的约 8,000 平方公里的覆盖能力，使得 WiMAX 能够覆盖边远的农村地区 WiMAX 实际上可以提供两种形式的无线服务： 一种是 非视线 无线上网型服务，计算机上的小天线可与发射塔连接。在这种模式下，WiMAX 使用较低的频率范围 2GHz 到 11GHz（与无线上网相似）。较低波长传输不容易被物理障碍物干扰，传输可以很好地衍射、弯曲或绕过障碍物。 另一种是 视线 型服务，安装在屋顶或电杆上的固定截抛物面天线直指 WiM
6、AX 发射塔。视线型连接功率更强大、更稳定，因此可以在错误更少的情况下发送大量数据。视线型传送使用 较高的频率 ，其范围可以达到 66GHz。频率越高，干扰越少，同时又有高得多的带宽。 无线上网型接入方式局限于半径为大约 6到 10 公里的范围（相当于 65平方公里的覆盖范围，与手机的覆盖范围差不多）。通过使用更强大的视线型天线， WiMAX 发射站可以将数据发送到以该发射站为中心，半径为大约 48公里范围（ 9,300 平方公里的覆盖范围）内设置的已启用 WiMAX的计算机或 路由器 上。这就是 WiMAX能够达到其最大传送范围的原因。 2. wimax 关键技术 3 / 26 2.1 正交
7、分频多任务 OFDM 2.1.1 多载波技术概述 正交分频多任务（ Orhtogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）是一种多载波调变技术。 同时利用多个不同频率的载波传送及接收信号，如 图 2-1 所示。 OFDM即利用数个 (2的次方 )正交的子载波传送信号。 OFDM变是多载波调变的特例，其使用数个正交载波调变信号，在每个子载波间不需要有 Guard band 间隔大大的增加了带宽使用效率，且 OFDM更有 bit allocation 的概念，即通道环境 好的子载波就加大该载波的power或提高调变 等级 (ex:BPSK-QAM)， b
8、it allocation 使得 OFDM带宽使用效率更加高。 图 2-1 多载波发送 图 2-2 多载波接收 (t)*y(t)dt=0 (f)Y(f)df=0 为了避免子载波间互相干扰，多载波系统对于子载波间的正交性要求相当高。为了满足子载波间彼此正交，子载波的频率间隔需要有一定要求来满足式 在此可以由下述的有限频带的带通讯号来进行说明解释此一要求： 假定我们目前要分析两子载波频率 f1, f2之间的间隔 f ，我们先计算其交互相关性 (cross-correlation) 其中 f=f1 f2表两个载波间的频率间隔， 在上式中若 fT = n 其中 n 为一个非零整数，如： f=n/T 则
9、此时 R=0 即代表这两个子载 波在符元周期内为正交。 4 / 26 2.1.2 系统架构特性 OFDM 系统方块图如上两图所示，其结构主要包含以下部分： 并列转串行， 正交分频多任务系统设计中最重要的观念就是并行数据传输，并行数据传输的技术是透过串行至并行转换器实现。正交分频多任务系统把数据载送到较小带宽的子载波上，相当于将每一个并行资料分别经过不同的子载波调变后传送。一般的串行传输系统中，是把讯号以连续序列的方式传送出去，当讯号的传输速率很高时，讯号的频谱可能大到占满整个可 用的带宽，此时讯号会因为通过频率选择性衰减信道而造成讯号的失真。相对的，在并行传输系统中，数据是同时并行进行传输，每
10、一个个别并行讯号占有较小的带宽，所以讯号所经过的信道频率响应 (frequency response)可以视为是平坦 FFT 的应用，增强其自身到更高度效率的实际操作上。 由图 2-2 可知 s(t)讯号： 对 t=NTs取样 取 f=1 / NTS,fk=kf 得 ： 由上式得 OFDM可以用 DFT FFT 技术实现。反快速傅立叶变换和快速傅立叶变换算法为反离散傅立叶变换和离散傅立叶变换之快速硬件实现。在 IEEE 802.11a 里，反快速傅立叶变换和快速傅立叶变换的大小为 N = 64。 环形前缀和保护间隔（ cyclic prefix and Guard interval）， 传送讯
11、号在通过具有多重路径干扰的信道后，会造成前一个符元的后端部份干扰到下一个符元的前端，此称之为符元间的干扰 (ISI)。 为了克服 ISI 的问题，在 OFDM symbol 前端加入一 保护区间 (Guard Interval)，如附录 Pic 3 所示。为了对抗信号因信道延迟的影响 Gurad interval(Tg)长度要大于最大的 Delay spread，即 Tgdelay spread time。在保护区间未放信号的 OFDM 系统称 ZP-OFDM(zero padding)。 ZP-OFDM有比较低的传输功率，但在接收端接收于 zero padding区域信号时，会破坏载波的正交
12、性造成 载波间的干扰 (ICI)，所以复制 OFDM symbol 后半段信号并摆放于保护区间 内，称之为循环前缀 (cyclic prefix)； 循环前缀会造成带宽效益下降，故必须小于 OFDM symbol 长度的 1/4。如 :一个 OFDM symbol 共有 256 个子载波，则其循环字长度为 64个位。 信道估计及均衡器 由于在讯号传输时，接收端收到的讯号是传送讯号和信道响应作用过的结果，所以为了解出传送讯号势必要得到信道响应，所以要作通道估计。在高速移动环境时变通道估计更是重要，不好的通道估计会造成会造成误码率上升；信道估计常见的方法就是加入 测试讯号 (training sy
13、mbol)，由测试讯号得到测试讯号 那些点的信道响应对信道其它点作估计，进而求出整个通道响应。均衡器由信道估计的结果对接收讯号作信道补偿，降低错误率。 由于 OFDM 将带宽切割成数个小频带，故更接近通道的相干带宽，所以讯号受到信道失真变小，故可以用简单的一阶均衡器补偿。 2.1.3 使用 OFDM 遇到的问题 5 / 26 使用 OFDM 最大的困扰就是遇到各种同步问题 （ symbol timing offset）。 当接收信号进入 fft时，要找到适当起点从起点后选取多点作离散傅立叶变换，将讯号从时域转回频域，若选取太早或太晚都会产生 ISI。 上式 Z 表接收讯号 ,X表传送讯号 ,H
14、 则是信道响应 ,V 则是 AWGN 噪声，由本式可见 STO会造成接收讯号 相位改变、 ISI 及振幅失真。 抽样时钟偏移（ sampling clock offset）， 由于传送端及接收端的采样率不一样，会造成取样点的误差，而且越后面的子载波 SCO误差会越大，第 11 个子载波已经 差到一个OFDM 载 波间隔的大小。 SCO 会造成 振幅失真，相位飘移 (phase shift),ICI 等影响。 载波相位偏移（ carrier phase offset） ，传送端在传送端最后会乘上一载波 f1 使基频讯号载至旁频，在传送端要将旁频降回基频会再乘上一载波 f2，由于 f1 f2 两载
15、波相位的不同在升降频之间 会造成 carrier phase offset。传送接收端的相对运动的督普勒效应也会造成相位 carrier phase offset。 Carrier phase offset 会造成接收讯号 相位飘移及 ICI。在产生高频载波时由 于都会有起始相位，所以很难用人为因素使传送端高频载波和接收端载波完全同步。 载波频率偏移（ carrier frequency offset） ，如同 phase offset 传送升频及接收端降频载波的频率不同步，会造成 carrier frequency offset。传送及接收端的相对运动所产生的 doppler shift 也
16、会产生 CFO。 SCO越后面子载波偏移会越大，但 CFO则是每个子载波所受到的 frequency shift 都是相同。在高速移动环境下 CFO 影响更严重。 CFO 会造成严重的 ICI 效应 峰均比的问题 ， 由于 OFDM 讯号是由多个调变后的子载波讯号的线性迭加，因此可能会 造成比平均讯号准位高的瞬间尖峰讯号，进而产生高峰值对均值功率比效应 ，在正交分频多任务系统中，高峰均比会造成的问题主要有下列两个： 在数字模拟转换的过程中，要经过量化程序，在量化过程中使用相同量化位的量化器时，因为讯号变大量化噪声也就变大，故讯号失真就变严重。如果要降低量化噪声就要增加量化位使量化位阶便多，如此
17、就增加量化过程的复杂度及成本。 在射频电路功率放大器中，其线性放大讯号有一定范围， 当讯号振幅大于某一范围就进入饱和区，在饱和区信号会因非 线性放大而失真。 OFDM 讯号是由多个调变过的子载波讯号的线性迭佳而成，当载波数变多讯号功率可能超过放大器线性区域造成信道失真。 2.2 多天线技术 WiMAX(全球互通微波接入 )技术是以 IEEE 802.16系列标准为基础的宽带无线接入技术，可以在固定和移动的环境中提供高速的数据、语音和视频等业务，兼具了移动、宽带和 IP化的特点，近年来发展迅速，逐渐成为宽带无线接入领域的发展热点之一。 作为解决最后一公里的最佳接入方式的无线宽带接入技术， WiM
18、AX 必须采用多天线技术来提高自身的竞争力。 2.2.1 多天线技术 的优势 随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为无线通信事业发展的“ 瓶颈 ” 。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。 多天线技术因其能在不增加带宽的情况下提高传输效率和频谱利用率而获得广泛的青6 / 26 睐。 多天线技术相比单天线技术具有如下优势： (1)使用多天线后增加了信号的相干性，从而获得数组增益。 (2)提高了分集增益。分集增益是通过利用多径来获得的，当某一条路径性能变坏时不会影响系统的性能。在无线衰落信道里，可以增加接收信号强度的稳定性从而提高传输
19、信息的可靠性。分集增益可以在空间 (天线 )、时域 (时间 )和频域 (频率 )3 个维度上获得。 (3)消除了共通道干扰。使用多天线后通过分析干扰的不同通道响应，消除共信道的干扰信号。 IEEE 802.16 标准支持诸如 Alamouti 方案的空时码、自适应天线 (AAS)和 MIMO 技术在内的多天线技术。作为一种能有效改善系统抗衰落性能的技术， IEEE802.16e 将通过空时编码实现的发射分集作为标准的一个可选项。 2 2.2 多天线技术在 WiMAX 系统中的应用 2.2.2.1 自适应天线系统 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
20、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。 在 WiMAX 系统中 AAS 的设计和应用都是基于时分复用 (TDD)模式。因为在 TDD模式下，上行和下行共享相同的频带资源，可以利用上 (下 ) 行信道的信息得到下 (上 )行信道的信息，在基站 (终端 )可以利用上下行通道的互惠性比较方便地计算波束形成的权值。而在频分复用(FDD)模式下，上行和下行的通道一般是不同的，难以通过上 (下 )行的信 息获得下 (上 )行信道信息。要想计算波束形成的权值，只有通过回馈，这将增大整个系统的开销。 在 WiMAX
21、体系中， AAS 是一种可选技术，在上下行链路中都可以选择支持该技术。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，也可以采用自我调整的方式。 2 2.2.2 多输入多输出技术 IMO 技术最早是由 Marconi 于 1908 年提出来的，它利用在基站和终端使用多天线来抑制信道衰落，从而大幅度地提高信道的容量、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)和多输入单输出 (MISO)。 MIMO 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间
22、域结合起来进行信号处理。因此， MIMO 技术可以看作是智能天线的扩展。广义的 MIMO 技术包括发射分集技术和空间复用技术。发射分集技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号 (信号的具体形式不一定完全相同 )，达到空间分集的效果，从而提高通道的可靠性，降低误码率。空间复用技术与发射分集不同，它在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大提高系 统的容量和频谱利用率。 WiMAX 协议中同时使用空时编码和空间复用的形式，可以显著地提高系统的容量和频谱利用率。 目前 MIMO 已经成为了 IEEE 802.16 中多天线的一个选项，并且在 IEEE802.16e 中也得到了体现
23、。 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。 2.2.2.3 空时发射分集 发射分集最大的优点在于可以在基站端使用多天线，可以避免在接收端使用多天线对终端设备造成的压力，从而减少 802.16 市场化时带来的阻碍。 在 MIMO 中，空时发射分集 模式主要通过空时编码来实现。空时编码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低通道误码率。使用空时码时，7 / 26 在发端不知道信道状态信息的情况下，系统仍能实现最大分集增益。常见的空时码有空时分组码 (STBC)和空时格码 (STTC)，其中 STBC
24、 因其相对简单的编解碼过程而获得了广泛的应用。 802.16d 标准中采用两根发射天线的发射分集，以对抗阻挡视距和非直视距造成的深衰落，主要依据的就是 Alamouti 方案的空时码 (STC)编码，该方案的关键特性是两根发射天线的两个序列之间的正交性 。对两发射天线系统， Alamouti 编码能获得最大的分集增益，并且从编码发展的历史上说， Alamouti 方案是为发射天线数为 2的系统提供完全发射分集增益的一种空时分组码，且译码时只需要对接收信号进行简单的处理，大大减化了计算的复杂度。 2.2.2 4 空间复用 空间复用技术是指在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行译
25、码，主要是为了提高系统的传输速率。目前利用空分复用的方法来提高信道容量的方法主要是各种分层空时码 (如 BLAST)。贝尔实验室分层空时算法 (BLAST)结构不是通过信号变换 (编码 、调制、映像等 )引入符号间的正交性，而是充分利用了通道的多径特点，解除了信号之间的相关性。 BLAST 结构主要分为垂直 -贝尔实验室分层空时算法 (V-BLAST)和对角线 -贝尔实验室分层空时算法 (D-BLAST)： V-BLAST 将 M 个比特流编码、映像和交织后通过互相独立的天线发射出去，充分发掘了分集增益，而且每一个信息流可以单独检测。 D-BLAST 也先经过相同的处理，但是各编码块分配给不同
26、的天线发送，从而减小了因某一个独立通道传输效果较差而导致的系统整体性能的下降，但意味着更加复杂的收发设备。 BLAST 结 构最大程度上发掘了频谱效率，但是一般需要接收天线数目大于或等于传输天线数目，而这一点在下行链路难以实现；另外因为使用不同的链路传输独立的信号，那么如果一条链路被损坏，那么将面对不可挽回的错误。 分集与复用相结合 空时发射分集能获得额外的分集增益和编码增益，但不能提高数据速率；空间复用虽然能最大化 MIMO 系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益。将空时发射分集和空间复用相结合的方案既能提供分集增益又可以提高系统容量，从而得到高频谱效率和传输质量的良好折衷，但是处理起
27、来比单独使用分集或复用要复杂一些。 2.2.4 智能 MIMO 移动 WiMAX 还支持各种 MIMO 模式之间的自适应 MIMO转换 (AMS)，这也叫做智慧 MIMO。如图 1所示。智能 MIMO根据信道条件，选择合适的 MIMO 模式，在不降低覆盖范围的情况下提高频谱利用率。采用智慧 MIMO 方式，可以克服不同场景带来的不确定性，使 MIMO 技术具有更广泛的应用场景。如对于同网络下的不同终端，其天线数目可能是不同的，因而若在同一小区采用相同的 MIMO 传输方法，难以达到优化设计目标。此外，用户经历的衰落也是不一样的，自我调整选择不同 MIMO技术以适应通道变化，可以优化系统 性能。
28、为支持自适应 MIMO模式选择，发射端需要得到更多的包括通道或权重的回馈信息。 3 WiMax 中的典型差错控制编码 3.1 Reed-Ssolomon Code 基本原理 RS码是一类有很强纠错能力的多进制码，它是由 I. S. Reed和 G. Solomon两位博士各自于 1960年首先提出来的。它在计算器纠错系统，特别是储存系统如：光盘 (CD、 DVD)和磁盘、磁带中用的很普遍，并 已广泛使用在多媒体通讯上 33。 RS code在不同的应用上会使用不同的译码算法除错，例如 CD-ROM就使用皮德森算法 (Peterson algorithm)，可除两个未知错8 / 26 或四个已知
29、错； DVD就使用可除八个未知错或十六个已知错。以下为其应用的范围： 储存装置 (Storage devices including tape， Compact Disk， DVD) 无线电、移动电话及微波 (Wireless or cellular telephones， microwave links) 卫星通讯 (Satellite communications) 数字电视 (Digital television / DVB， HDTV) 高速电话线传输 (ADSL， xDSL) RS code 在科技界已广泛使用于各种应用上，例如 Altera 及 Xilinx 公司现已把 RS Co
30、de实现为 Megacore Function，以后将如同组件般直接叫入使用，这意味着 RS 译码器的应用已渐趋成熟。其译码器 (Decoder)比编码器复杂且慢，所以如何提升译码器的速度，就变成非常重要的主题 . 在实现 RS code之前，须先决定抗未知错数 t (抗 t 个 error)，因而需要 2t个冗余数据(redundant data)。此外，假设每笔数据 (symbol)的位数为 m，则构成一个 Galois Field-GF( m2 )，因此一组 codeword的长度 (包括冗余数据 )最多为 12 mn 。根据以上所述，一组 codeword内的有效数据 (informa
31、tion)量为 k=n-2t。因此可定义 RS (n, k)， n-k=2t，其代表 k笔原始资料 (information)，为了抗最多 t个未知错或 2t个已知错，需附加 2t笔冗余，总共 n笔数据形成一组 codeword，由此计算数据比率 (data rate)为 nk 。由此可知， n为依照位数所设定，若为了具备较好的抗错能力而选择较大的 t值，因而造成 k值减少，则一组codeword内所占的 information数量减少，将会降低传输率 (throughput)，造成不良之影响。 然而在某些应用情况下，位数为 m，但 information量所导出之 codeword并 不如上
32、述定义之 12 mn 值大。此时需以 shorten code的方法，在较大的 m值下，使用较短的 codeword。举例说明： 当决定的抗错力是解两个 erasure(已知错 )或是一个 error，因此设计为运用两笔冗余数据的 RS code，但是为了配合计算机数据表示及传递规格，所采用的位数为 m=8 (8 位 )，故一组 codeword最多为 255128 个 symbol，此时，如果 information量小于 255的话，就必须利用 shorten code的方法，将 n值调整为适当大小。 RS code最主要的运算都是建立在 Galois Field理论基础上，主要先了解其乘
33、法 25及加法的意义及动作原理，则可 开始了解 RS code。如上述定义位数 m之后，须根据 m值定出primitive polynomial，以便产生 GF( m2 )的主要元素 (primitive element)，作为日后编码或译码用。关于 primitive polynomial通常使用具有最小项次(degree)式子 。因此令 m=8，使用的 primitive polynomial为： 1)( 2348 xxxxxp 式中 ”+” 号为 Galois Field之数学运算的加法，其代表 exclusive-or运算。将上式代入值使得 p( )=0，可找出所有 GF( 82 )的元素，并建立一个元素表，此表为以后编码或译码时所使用的元素值，如表 3-1。 9 / 26 表 3-1 初始元素表 2.1.1 Reed-Ssolomon Code 范例 假设我们编码一个能纠两位错，长度为 7的 RS码，其生成举证如下： 65324665432543213321043210XXXXgXXXXXgXXXXXgGF（ 8）的基本元素表如下：
