從WiMAX到LTE：不同寬帶無(wú)線接入技術(shù)殊途同歸

摘要　游牧和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入將成為未來(lái)通信市場(chǎng)的重要需求。WiMAX正是針對(duì)這一需求而專門(mén)發(fā)展的，其性能強(qiáng)、效率高、成本低，具有靈活的體制，可通過(guò)配置滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的要求。同樣，為了進(jìn)入寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)，3GPP首先發(fā)展了被稱為3.5G的HSDPA技術(shù)(可以大幅度提高分組數(shù)據(jù)的傳輸速率)，2004年底又決定發(fā)展長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)計(jì)劃，其指標(biāo)和技術(shù)都與WiMAX相近，可以說(shuō)是殊途同歸。面對(duì)LTE的競(jìng)爭(zhēng)，WiMAX要想在寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)中占有一席之地必須擁有好的頻率，使用地面電視廣播頻率可提供大面積覆蓋，降低成本。

關(guān)鍵詞　WiMAX　802.16d/e　3G　高速下行分組接入　高速上行分組接入　正交頻分多址

1、前言

　　隨著PDA和筆記本電腦的發(fā)展普及，用戶希望能夠隨時(shí)隨地上網(wǎng)，一個(gè)新的市場(chǎng)——“寬帶無(wú)線游牧/移動(dòng)接入”正在興起。寬帶無(wú)線接入技術(shù)面向一個(gè)固定和移動(dòng)通信融合的新市場(chǎng)，它可提供與寬帶有線固定接入并行的寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)，支持游牧和移動(dòng)應(yīng)用。它與寬帶固定接入使用共同的核心網(wǎng)、業(yè)務(wù)支持和AAA系統(tǒng)，其速率可達(dá)幾百kbit/s甚至幾十Mbit/s，終端主要是筆記本電腦和PDA。

　　目前的2.5G/3G手機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)是兩個(gè)不同的市場(chǎng)段。手機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基本是一個(gè)專網(wǎng)，下載速率在100kbit/s以下。智能手機(jī)可以接入互聯(lián)網(wǎng)，但是性能不理想沒(méi)有形成主流應(yīng)用。3G系統(tǒng)不能有效地滿足這一市場(chǎng)的需求，因此目前3G系統(tǒng)正在向3.5G(HSDPA/EV-DO)演化，開(kāi)始進(jìn)入寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)。

　　WiMAX(IEEE 802.16d/e)是固定(游牧)/移動(dòng)寬帶無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)，其無(wú)線鏈路的物理層和MAC層的設(shè)計(jì)考慮了突發(fā)型的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求，能夠自適應(yīng)無(wú)線信道環(huán)境，其核心網(wǎng)是標(biāo)準(zhǔn)的IP網(wǎng)。

　　3G系統(tǒng)在支持IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)頻譜效率低的原因是，其面向連接固定帶寬的結(jié)構(gòu)不適應(yīng)突發(fā)式IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。為此，3GPP在R5系統(tǒng)中增加了高速下行分組接入(HSDPA)(被稱為3.5G)，速率可以達(dá)到10Mbit/s以上，隨后將進(jìn)一步在R6中增加高速上行分組接入(HSUPA)，核心網(wǎng)也在向全I(xiàn)P網(wǎng)演化。為了能夠與WiMAX競(jìng)爭(zhēng)，3GPP在2004年底發(fā)展了長(zhǎng)期演化(LTE)計(jì)劃(被稱為3.9G)。

2、固定(游牧)/移動(dòng)寬帶無(wú)線接入802.16d/e

　　IEEE在其802工作組內(nèi)與802.3以太網(wǎng)工作組并行發(fā)展了系列的固定/移動(dòng)寬帶無(wú)線接入技術(shù)，包括無(wú)線局域網(wǎng)802.11、無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)802.15、無(wú)線城域網(wǎng)802.16和無(wú)線廣域網(wǎng)802.20。它們的無(wú)線鏈路的物理層和MAC層的設(shè)計(jì)都專門(mén)為滿足突發(fā)型的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能夠自適應(yīng)無(wú)線信道環(huán)境，共享的核心網(wǎng)是標(biāo)準(zhǔn)的IP網(wǎng)。IEEE 802.21被發(fā)展用來(lái)解決802系列中各種接入網(wǎng)、固定以太網(wǎng)以及蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)之間的基于移動(dòng)IP的漫游和切換問(wèn)題。這種體制符合IP化和NGN的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，具有優(yōu)越的性能。

　　無(wú)線城域網(wǎng)802.16最初用于提供點(diǎn)到點(diǎn)高速視距傳輸?shù)臒o(wú)線鏈路，可以用于上連干線，將802.11a無(wú)線接入熱點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可連接公司與家庭等環(huán)境至有線骨干線路，其工作頻率為10-60GHz。之后進(jìn)一步發(fā)展到點(diǎn)到多點(diǎn)、非視距傳輸?shù)膶拵�無(wú)線接入網(wǎng)802.16a，可作為電纜調(diào)制解調(diào)器和DSL的補(bǔ)充，提供固定無(wú)線寬帶接入，工作頻率降低到2-11GHz。再后來(lái)完善成為802.16d，現(xiàn)在進(jìn)一步發(fā)展成為可以支持移動(dòng)應(yīng)用的802.16e，工作頻率降低到2-6GHz。

　　參照3GPP的定義，802.16d/e的運(yùn)行環(huán)境是：

　　●室內(nèi)環(huán)境，采用pico-cell室內(nèi)基站，覆蓋半徑＜100m；

　　●室外到室內(nèi)和游牧，采用micro-cell，100m＜覆蓋半徑＜1000m；

　　●車內(nèi)和高天線，采用macro-cell，覆蓋半徑＞1000m；

　　●混合環(huán)境，macro-cell和micro-cell重疊。

　　802.16有幾種物理層方案供不同蜂窩使用，適合不同應(yīng)用、頻率計(jì)劃和政策：

　　●OFDM(WMAN-OFDM空中接口)256點(diǎn)FFT，采用TDMA(時(shí)分多址)。

　　●OFDMA(WMAN-OFDMA空中接口)2048點(diǎn)FFT，采用OFDMA(正交頻分多址)。

　　●單載頻(WMAN-SCa空中接口)TDMA(TDD/FDD)BPSK、QPSK、4QAM、16QAM、64QAM、256QAM，多數(shù)廠商使用頻域均衡器補(bǔ)償多徑干擾造成的頻率衰落，解決信道均衡問(wèn)題。

　　單載頻系統(tǒng)主要用于點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸，不符合寬帶接入的需求。目前大部分商品化的系統(tǒng)采用2560FDM，多址采用TDMA。這種方法比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是由于客戶終端發(fā)射功率受峰值平均功率比(PAR)限制，無(wú)線鏈路增益不夠，必須使用室外天線再提供十多分貝的增益(如3.5GHz固定寬帶無(wú)線接入)。由于必須使用室外天線，所以實(shí)際上這種系統(tǒng)不能支持筆記本電腦游牧/移動(dòng)寬帶無(wú)線接入應(yīng)用。由于大部分WiMAX設(shè)備制造商是從原來(lái)的3.5GHz固定無(wú)線接入設(shè)備制造商轉(zhuǎn)變而來(lái)，因此目前的WiMAX商品大都屬于這一類。

　　適合游牧/移動(dòng)寬帶無(wú)線接入應(yīng)用的系統(tǒng)需要采用OFDMA。OFDMA結(jié)合了時(shí)分和頻分多址技術(shù)�？蛻艚K端可以在上行鏈路中只使用幾個(gè)子載頻，所以將發(fā)射功率集中在這幾個(gè)子載頻內(nèi)，能夠提高信噪比十幾分貝，滿足筆記本電腦0dB天線室內(nèi)接收需求。實(shí)際上802.16d-2004中已經(jīng)定義了這種工作方式，但是由于無(wú)商品化產(chǎn)品，耽誤了WiMAX的發(fā)展進(jìn)程。

　　802.16a/d的MAC層支持OFDM/OFDMA、ARQ(自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求)，在使用不需要許可證的頻段時(shí)可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率選擇(DFS)，還支持附加先進(jìn)天線系統(tǒng)(advanced antenna system，AAS)以提供更高的性能，以及支持網(wǎng)狀模型(mesh mode)工作，以TDD方式提供客戶到客戶之間的直接通信(這種方式只能工作在非許可證頻段)。

　　802.16d蜂窩半徑越小，能夠提供的容量越高。在室外游牧狀態(tài)，蜂窩半徑為2.5km時(shí)，每個(gè)蜂窩容量可以達(dá)到4.31(bit.s-1)/Hz；帶寬為5MHz時(shí)，傳輸速率為21.5Mbit/s，是WCDMA的幾十倍。通過(guò)采用多天線MIMO時(shí)空處理還可以進(jìn)一步提高速率。

3、3G發(fā)展分組高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的努力

　　3GPP和3GPP2都已認(rèn)識(shí)到他們目前的系統(tǒng)提供互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)的局限性，試圖在原來(lái)的體系框架內(nèi)，首先在下行鏈路中采用分組接入技術(shù)，大幅度提高IP數(shù)據(jù)下載和流媒體速率。

　　3GPP在R6中引入的HSUPA標(biāo)準(zhǔn)，使用與802.16d/e相似的三項(xiàng)技術(shù)：自適應(yīng)調(diào)制和編碼(AMC)、混合快速自動(dòng)重發(fā)(HARQ)和快速調(diào)度(采用時(shí)分多址+碼分多址)，以提高下行數(shù)據(jù)傳輸速率，適應(yīng)突發(fā)型分組數(shù)據(jù)的要求。

　　快速調(diào)度實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用HS-PDSCH(高速物理下行共享數(shù)據(jù)通道)，采用短幀每2ms一次調(diào)度分配信道資源給多個(gè)用戶，以適應(yīng)突發(fā)型分組數(shù)據(jù)，提供高的平均吞吐量。

　　與802.16d/e中采用OFDMA不同，HSDPA通過(guò)碼分復(fù)用將多個(gè)子信道復(fù)用結(jié)合在一起，構(gòu)成下行數(shù)據(jù)通道。HS-DSCH(高速下行共享數(shù)據(jù)通道)子信道幀長(zhǎng)度為2ms，包含三個(gè)時(shí)隙。將HS-DSCH子信道映射到物理信道時(shí)采用擴(kuò)譜技術(shù)，使用固定擴(kuò)譜系數(shù)SF=16得到物理子信道HS-PDSCH。15個(gè)擴(kuò)譜的物理子信道HS-PDSCH通過(guò)碼分復(fù)用結(jié)合在一起構(gòu)成HSDSCH。這樣，客戶站是以碼分和時(shí)分兩種方式共享信道。HSDPA和802.16d/e在分組數(shù)據(jù)共享信道的原理是一樣的，都是在子通道和時(shí)隙上進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)度，但是802.16d/e能夠提供的子信道要多一些，調(diào)度也更靈活。

　　HSDPA也采用AMC，每2ms進(jìn)行一次信道質(zhì)量測(cè)量，根據(jù)信道質(zhì)量指數(shù)(CQI)決定采用的調(diào)制和編碼方法。HSDPA可采用不同參數(shù)的QPSK和QAM調(diào)制。采用QPSK調(diào)制時(shí)一個(gè)物理子信道的傳輸速率為480kbit/s，采用64QAM調(diào)制時(shí)達(dá)到1440kbit/s，提高了三倍，而前述15個(gè)物理信道HS-PDSCH的碼分復(fù)用相當(dāng)于提高速率15倍，兩者合計(jì)提高速率45倍。這只是一個(gè)粗略的估計(jì)，說(shuō)明為什么在WCDMA框架內(nèi)，采用快速調(diào)度和自適應(yīng)調(diào)制編碼可以提高速率數(shù)十倍，達(dá)到與802.16d/e可以比較的水平。

　　HSDPA采用的另外一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是HARQ，其主要原理是：接收方在解碼失敗的情況下，保存接收到的數(shù)據(jù)，并要求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)，接收方將重傳的數(shù)據(jù)和先前接收到的數(shù)據(jù)在解碼之前進(jìn)行組合。HARQ技術(shù)可以提高系統(tǒng)性能，并可靈活地調(diào)整有效碼元速率，還可以補(bǔ)償由于采用鏈路適配所帶來(lái)的誤碼。

　　在WCDMA R5中引入HSDPA技術(shù)后，UTRAN部分的結(jié)構(gòu)基本不變，在Node B通過(guò)增加插卡，新增了MAC-hs功能塊，并在物理層新增了三種新的物理信道：15個(gè)高速物理下行共享信道、一個(gè)高速共享控制信道和一組上行的高速專用物理控制信道。

　　HSDPA另外一項(xiàng)改進(jìn)是將調(diào)度功能從基站控制器移到基站，這樣可以減小時(shí)延。目前，3GPP組織對(duì)MIMO與高階調(diào)制等技術(shù)在做進(jìn)一步的研究，希望可以繼續(xù)提高下行鏈路的數(shù)據(jù)速率。HSDPA實(shí)際使用的典型速率是：宏蜂窩為1-1.5Mbit/s，微蜂窩為4-6Mbit/s，微微蜂窩大于8Mbit/s。

　　在3GPP R6中引入的HSUPA將解決上行鏈路分組化問(wèn)題，提高上行速率，進(jìn)一步引入自適應(yīng)波束成形和MIMO等天線陣處理技術(shù)，可將下行峰值速率提高到30Mbit/s左右。

　　HSDPA和HSUPA被稱為3.5G技術(shù)，屬于中期演化技術(shù)，受原體制束縛較大，性能不夠理想。3GPP發(fā)現(xiàn)在HSDPA和ITU部署的B3G之間存在一個(gè)空檔，這正是WiMAX的目標(biāo)。在一段時(shí)間內(nèi)的寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)上，HSDPA、HSUPA與WiMAX的競(jìng)爭(zhēng)將處于劣勢(shì)。為了提高3G在新興的寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，擺脫Qualcom的CDMA專利制約，需要發(fā)展LTE(long term evolution)計(jì)劃，以填補(bǔ)這一空檔�；�本思想是采用過(guò)去為B3G或4G發(fā)展的技術(shù)來(lái)發(fā)展LTE，使用3G頻段占有寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)。2004年12月3GPP雅典會(huì)議決定由3GPP RAN工作組負(fù)責(zé)開(kāi)展LTE研究，將于2006年6月完成，2007年6月推出。

　　LTE將選擇新的空中無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)(0FDMA呼聲很高)，使用帶寬從1.25MHz到20MHz，速率下行達(dá)到100Mbit/s，上行達(dá)到50Mbit/s。LTE還將發(fā)展新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此前3GPP的演化方案包括HSPDA都是在原有RAN和核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上逐步演進(jìn)，受限制較大。所以LTE將在原來(lái)的3G無(wú)線接入網(wǎng)之外，建立一個(gè)新的全I(xiàn)P化的RAN和與固網(wǎng)融合的純IP的核心網(wǎng)，以滿足寬帶無(wú)線接入的需求。這樣移動(dòng)通信系統(tǒng)將不再自成系統(tǒng)，而只是提供寬帶移動(dòng)無(wú)線接入，真正實(shí)現(xiàn)了固定網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)的融合。目前LTE工作組正在緊鑼密鼓地從需求開(kāi)始全面開(kāi)展工作，由于在3GPP內(nèi)部意見(jiàn)并沒(méi)有完全統(tǒng)一，能否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)還存在一些問(wèn)題。

　　在我國(guó)與LTE對(duì)應(yīng)的計(jì)劃被稱為E3G，“863”計(jì)劃中與B3G對(duì)應(yīng)的Future計(jì)劃被考慮用于發(fā)展E3G，參與LTE的發(fā)展工作。在3GPP2方面正在執(zhí)行類似的被稱為空中接口演進(jìn)(air interface evolution，AIE)的計(jì)劃。

4、未來(lái)寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)

　　WiMAX面向的是寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)，3G移動(dòng)通信面向的是以手機(jī)為主的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)它們之間是互補(bǔ)的關(guān)系。但是當(dāng)3GPP面向?qū)拵�無(wú)線接入市場(chǎng)發(fā)展HSDPA，尤其是發(fā)展LTE之后就出現(xiàn)了競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。從上面的分析中我們可以看到WiMAX和3GPP LTE面對(duì)的是同一市場(chǎng)，指標(biāo)是相近的，采用技術(shù)也是類似的，可以說(shuō)是殊途同歸。

　　3GPP決定發(fā)展LTE是一次有戰(zhàn)略意義的決定，對(duì)于其未來(lái)的發(fā)展有深遠(yuǎn)影響。盡管目前LTE的發(fā)展能否擺脫原來(lái)體系結(jié)構(gòu)的束縛還有疑問(wèn)，但是其成員是目前3G的主流運(yùn)營(yíng)商，力量雄厚又擁有3G頻率使用許可證，他們發(fā)展的LTE即使性能差一些，在寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)上仍然擁有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，而且他們一旦擁有LTE就不會(huì)再考慮使用WiMAX等競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)。此外，LTE使用3G的頻率，甚至可以使用2G的頻率，有較好的穿透能力，保障系統(tǒng)有較高的性能價(jià)格比。

　　WiMAX是由IT界發(fā)展的寬帶無(wú)線接入技術(shù)，由于沒(méi)有原體制的束縛，最符合寬帶接入市場(chǎng)的需求。由于LTE的出現(xiàn)，可能采用WiMAX的運(yùn)營(yíng)商主要是固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和新運(yùn)營(yíng)商。Intel等IT設(shè)備制造商是WiMAX堅(jiān)定的、強(qiáng)有力的支持者，他們希望通過(guò)WiMAX進(jìn)入寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)。Intel在未來(lái)筆記本電腦中捆綁WiMAX的承諾增強(qiáng)了WiMAX的競(jìng)爭(zhēng)能力。

　　當(dāng)今困擾WiMAX發(fā)展的主要問(wèn)題是頻率問(wèn)題。目前已經(jīng)認(rèn)可的頻率是3.4-3.8GHz許可證頻率和5.725-5.85GHz免許可證頻率。很多國(guó)家允許使用更高的頻率，將其當(dāng)作5GHz免許可證頻段的一部分，目的是室外應(yīng)用。由于其穿透力差，使用這些頻率的WiMAX系統(tǒng)不可能和LTE競(jìng)爭(zhēng)。正待批準(zhǔn)的頻率是2.3-2.7GHz許可證頻率，目前只有韓國(guó)將2.3-2.4GHz頻率分配給WiMAX。國(guó)際上主要集中爭(zhēng)取2.5-2.6GHz的頻率。這些頻率仍然偏高，與3G移動(dòng)通信頻率相比性能較差。

　　WiMAX發(fā)展寬帶無(wú)線接入的最佳和可能選擇是使用電視廣播頻段(UHF)。由于UHF頻道的穿透力好，可以實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋，便于降低成本、提高競(jìng)爭(zhēng)能力。目前全球不少地方開(kāi)始了爭(zhēng)取分配＜1GHz頻段用于寬帶無(wú)線接入的努力。在美國(guó)正在爭(zhēng)取使用許可證+免許可證頻段，已經(jīng)拍賣到頻道54、55、59(710-722MHz，740-746MHz)，未來(lái)可能拍賣更低頻率的頻道(698-746MHz)或更高頻率的頻道(747-794MHz)。在我國(guó)，無(wú)線電管理委員會(huì)已經(jīng)將798-862MHz頻段從廣電總局手中收回自己直接管理。

　　在美國(guó)正在磋商免許可證使用低于700MHz的空白電視頻道。美國(guó)FCC提出使用這些頻率必須采用感知無(wú)線電，以避免干擾。為此IEEE設(shè)立了IEEE 802.22感知無(wú)線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)標(biāo)準(zhǔn)工作組，其目的是發(fā)展空中接口(MAC和物理層)在各種不同地理區(qū)域提供寬帶無(wú)線接入，包括人口稀少的農(nóng)村地區(qū)，空中接口具有干擾保護(hù)機(jī)制，以便作為次要使用者使用54-862MHz的電視頻段。這樣WiMAX又多了一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者。為此，IEEE 802.16又成立了IEEE 802.16h工作組，致力于改進(jìn)諸如策略和媒體接入控制增強(qiáng)等機(jī)制，以確保基于IEEE 802.16的免許可證系統(tǒng)之間的共存，以及與有主要使用者的系統(tǒng)之間的共存。IEEE 802.16h使WiMAX能夠滿足FCC的要求，作為次要使用者使用空白的地面電視頻道。

　　使用空白地面電視頻率的WiMAX系統(tǒng)將具有優(yōu)異的性能和極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，尤其是在農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)，將成為消除“數(shù)字鴻溝”的有效手段。這種系統(tǒng)可以看作是空中的“電纜調(diào)制解調(diào)器”與地面數(shù)字電視廣播融合形成網(wǎng)絡(luò)新媒體。

5、結(jié)束語(yǔ)

　　游牧和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入將成為未來(lái)通信市場(chǎng)的重要需求。WiMAX是為這一需求專門(mén)發(fā)展的寬帶無(wú)線接入技術(shù)，性能強(qiáng)、效率高、成本低，其靈活的體制通過(guò)配置可以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的要求。3G是按照語(yǔ)音為主業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)的，不能滿足寬帶無(wú)線接入的需求。為了進(jìn)入寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)，3GPP發(fā)展被稱為3.5G的HSPA之后仍感不足，為了與WiMAX競(jìng)爭(zhēng)，3GPP決定發(fā)展LTE計(jì)劃，其指標(biāo)和技術(shù)都與WiMAX相近，可以說(shuō)是殊途同歸。WiMAX的發(fā)展受頻率分配的制約，能否使用地面電視廣播頻段對(duì)WiMAX發(fā)展至關(guān)重要。