通訊無所不在地影響我們的生活，包括電話、廣播、電視、電腦及新聞等。隨著通訊距離的增加，在訊號源與用戶間用同軸電纜及光纖連接的成本越來越高。無線方式提供了一種可行的技術，可用於低成本、遠距離連接到難於接到達的區域。WiMAX—即IEE 802.16x或Wireless MAN(無線都會網路)—以寬頻的速度提供了比802.11(Wireless LAN無線區域網路)更大區域範圍內的寬頻無線接取。
WIMAX架構
IEEE Working Group 16定義了兩種WiMAX網路接取方式，固定式(IEEE 802.16TM- 2004) 與移動式(IEEE 802.16eTM)。在固定方式中，透過固定天線(如衛星電視用戶接收站)來接取。在移動方式中，用戶接收站類似於IEEE 802.11 Wi-Fi的接收站，詳細的架構資訊請見參考資料[1,8]。
WIMAX如何工作
WiMAX需要兩個主要的部分來構一個可正常工作的網路，基地台(BS)作為中繼器，可連接到網路主幹網路上。終端用戶，則透過基地台實現寬頻無線接入
協議堆疊
IEEE 802.16協定堆疊模型有三個平面，分別為用戶、控制與管理，如圖3所示。IEEE標準802.16TM-2004主要解決了用戶與控制平面問題，它定義了這些平面中的兩個層，介質接取控制層(MAC)與物理層(PHY)。MAC層有三個子層，分別是業務特定會聚子層子層(CS)、部分共同會聚子層(MAC CPS)及安全子層。CS提供了上層流入流量所需的適配層，而MAC CPS實現了重要鏈路層功能，以解決幾個寬頻無線通訊問題。
IEEE 802.16(MAC層與物理層)的協定堆疊包括：
1. 亂數產生器
亂數產生器將用戶資料與已知的同步框架資料位元結合到一起。進入的資料首先由PN 定序器產生的同步的框架資料模糊掉了。結果產生的資料位元是不相關的。在接收器一側也進行相同的操作。
2. Reed Solomon編碼器
這種功能一般與多項式產生的誤差校正及檢測編碼與解碼方式相關。
3. 卷積碼編碼器
卷積碼編碼過程取決於輸入符號的過去的歷史/記憶體。編碼器的記憶體由其狀態表示，由v-bit二進位數字字表示。對每個“m”輸入位元，編碼器基於“m”輸入輸出“n”位，及“v”狀態位元，然後過渡到下一狀態。卷積碼編碼器的編碼速率由R=m/n<1來確定。
4. 交叉複用器
正向偵錯(FEC)代碼的性能可以用交叉複用器來改進，交叉複用器涉及到編碼位元流的排列，當離開編碼器後，相鄰的位在通道中傳輸時會儘量遠離地分隔在不同的域中。
5. 正交相位偏移鍵控(QPSK)轉換
QPSK可按符號對兩個位編碼，經過編碼的符號用灰色代碼映射到星座圖中。在每個相變時，載波的相位經過轉換地數位資訊的位元進行編碼。
6. 正交頻分多址技術(OFDMA)
傳輸包括S/P轉換來重新排列符號以執行IFFT操作。平行轉換的符號被安排到用戶基地台中，將符號分配到子通道中後，IFFT運行開始執行。在此之後，IFFT的輸出由串列運行轉換為並行運行。然後將最終得到的結果資料發射出去。
7. 測距
BS提供了MS最初通知一個在睡眠時間間隔出現的週期性測距時間，MS在此時間執行測距過程。初始通知包括在第一個消息中，說明MS是否應該終止睡眠模式來接收DL資料。第二個消息發射到MS，作為測距過程的一部分，以便MS在睡眠時間間隔內執行多個測距過程。
8. MAC管理
提供了一種管理MAC消息的方式，支援保留動態資源上寬頻有線系統中的上游資料流程量。有三種專門的MAC管理消息，動態會話添加、動態會話刪除及動態會話確認，控制有線數據機中濾波器規範的設置。RSVP(資源預約協議)是為用於典型有線數據機中的OSI協議層而改編的，實現了有效的網路頻寬/資源分配。
9. 優先順序排序
佇列中包括低優先順序佇列以實現最佳效果的(BE)流量，中等優先順序佇列用於流資料(如視訊圖像)，以及高級優先順序佇列用於語音流量，並以這種優先順序的順序排列。低優先順序與中等優先順序的流量，以輪流的加權方式處理，高優先順序的流量比兩者都要優先。
10. Scheduler
資料封包scheduler用於調度分配不同會話相關的資料封包，以將多個會話中資料封包傳輸過程的包延遲降到最低，可能有不同的需求和不同傳輸速率。收到資料封包時，scheduler根據會話是否有即將進入的資料封包、會話中前一資料封包結束時間，及資料封包的到達時間指定一個開始時間。scheduler根據所需的傳輸時間確定資料封包的結束時間，根據其長度/速度，向資料封包的開始時間添加傳輸時間。
11. 分片
無線發送/接收單元(WTRU)包括一個資料碎片整理單元，用於整理WTRU接收的碎片資料。WTRU並不發送碎片資料。WTRU含有一個處理器，一個資料分片單元、一個發射器及一個分片選擇單元。分片與重組的傳輸資料封包在硬體流水線中經過處理，以達到線速率處理流量，無需通常由主處理器/輔助運算器提供的儲存與轉發操作。硬體流水線可執行資料封包分片與重組，使用加密的隧道執行逐段的加密。網路設備的資料封包分片可包括一個硬體流水線，可在設備的輸入資料封包記憶體與MAC及加密/隧道發出碎片間進行分片。
12. 級聯
由一個無線網路構成，包括一個發射設備與多個接收設備。發射設備配置為可接收多個資料封包，準備包頭、為每個資料封包準備訊號場，作為級聯的資料封包頭廣播、第一個訊號場、第一個資料封包，第二個訊號場及第二個數據封包。
模擬與建立模組
對WiMAX進行模組建立與模擬面臨著很大的挑戰。為了解決這個問題，我們需要將通常相互獨立使用的兩種模擬方法結合起來。訊號模擬用於改善物理層的無線介面性能，而協定模擬用於提高上層協定的性能。
因此，用於評估WiMAX性能的工具最好能在相同的軟體中整合兩種環境。這允許模型間實現更全面的交互，而不只是參數交換。另一個優勢是如果需要更簡單的分析時，可用簡單的參數替換詳細的模型。最終，由於IEEE 802.16的複雜性，建模方法應用注意平衡模型複雜性、模型細節等級、模型範圍及計算性能等相關的缺點。
WiMAX用戶基地台物理層根據HiperMAN標準來進行建模與模擬。此模型必須經過編碼，然後下載到FPGA或DSP晶片上進行測試。同樣，MAC層要可以被下載到相同的晶片上。這樣，就建立了整個用戶基地台建模型。使用Simulink進行基於模型的設計的優勢是其冗餘性及誤差較小，這些誤差可在建模的不同階段檢測到並進行校正。而且，即使在晶片上測試之前，就可以測試對不同給定標準的檢驗，降低了硬體與勞動力成本。
這種基於模型的WiMAX物理層設計可作為晶片設計主要的模型，因為其中包括所有必要的參數。每個模組在測試前以C語言編程，並記錄到任何硬體描述語言(HDL)中。
對無線寬頻接入需要的激增，當今的多數應用都需要固定、漫遊、可攜式及行動的資料接取，以及固定與移動語音服務及內容流傳輸，WiMAX有助於滿足這些應用的需要。
參考資料
1. WiMAX論壇：技術規範白皮書，“Broadband Radio Access Networks (BRAN) HiperMan Physical (PHY) Layer”
2. WiMAX論壇：技術規範白皮書“OFDM Processing Survey”
3. The Mathworks Inc.:Communication Blockset for use with Simulink
4. IEEE Communication Magazine, Vol. 43, No.1, 2, January 2005
5. IEEE Networks Magazine, Vol. 27, No.2, January 2005
6. IEEE Wireless Communication Magazine, Vol. 43, No. 1, January 2005
7. Scientific American Journal, Vol. 25, No. 6, March 2004
8. www.wimaxforum.com
9. www.ieeeexplore.com
10. www.acm.com
11. www.mathworks.com.
12. www.edaboard.com
13. www.altera.com
14. www.drdobbs.com
作者簡介
Sankarnarayan Jagannathan博士是印度邦加羅爾Tata Elxsi公司的著作及專利部門的主管。
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