WiMAX和LTE兩種寬帶無線接入技術

隨著PDA和筆記本電腦的發展普及，用戶希望能夠隨時隨地上網。寬帶無線接入技術面向一個固定和移動通信融合市場，它可提供與寬帶有線固定接入并行的寬帶無線接入業務，支持游牧和移動應用。它與寬帶固定接入使用共同的核心網、業務支持和AAA系統，其速率可達幾百kbit/s甚至幾十Mbit/s，終端主要是筆記本電腦和PDA。

??? 2.5G/3G手機移動數據業務和寬帶無線接入業務是兩個不同的市場段。手機數據業務基本是一個專網，下載速率在100kbit/s以下。智能手機可以接入互聯網，但是性能不理想沒有形成主流應用。3G系統不能有效地滿足這一市場的需求，因此目前3G系統正在向3.5G(HSDPA/EV-DO)演化，開始進入寬帶無線接入市場。

??? WiMAX(IEEE802.16d/e)是固定(游牧)/移動寬帶無線城域網技術，其無線鏈路的物理層和MAC層的設計考慮了突發型的分組數據業務的要求，能夠自適應無線信道環境，其核心網是標準的IP網。

??? 3G系統在支持IP數據業務時頻譜效率低的原因是，其面向連接固定帶寬的結構不適應突發式IP數據業務的需求。為此，3GPP在R5系統中增加了高速下行分組接入(HSDPA)(被稱為3.5G)，速率可以達到10Mbit/s以上，隨后將進一步在R6中增加高速上行分組接入(HSUPA)，核心網也在向全IP網演化。為了能夠與WiMAX競爭，3GPP在2004年底發展了長期演化(LTE)計劃(被稱為3.9G)。

??? 2、固定(游牧)/移動寬帶無線接入802.16d/e

??? IEEE在其802工作組內與802.3以太網工作組并行發展了系列的固定/移動寬帶無線接入技術，包括無線局域網802.11、無線個人域網 802.15、無線城域網802.16和無線廣域網802.20。它們的無線鏈路的物理層和MAC層的設計都專門為滿足突發型的分組數據業務，能夠自適應無線信道環境，共享的核心網是標準的IP網。IEEE802.21被發展用來解決802系列中各種接入網、固定以太網以及蜂窩移動通信網之間的基于移動 IP的漫游和切換問題。這種體制符合IP化和NGN的技術發展趨勢，具有優越的性能。

??? 無線城域網802.16最初用于提供點到點高速視距傳輸的無線鏈路，可以用于上連干線，將802.11a無線接入熱點連接到互聯網，也可連接公司與家庭等環境至有線骨干線路，其工作頻率為10-60GHz。之后進一步發展到點到多點、非視距傳輸的寬帶無線接入網802.16a，可作為電纜調制解調器和 DSL的補充，提供固定無線寬帶接入，工作頻率降低到2-11GHz。再后來完善成為802.16d，現在進一步發展成為可以支持移動應用的 802.16e，工作頻率降低到2-6GHz。

??? 參照3GPP的定義，802.16d/e的運行環境是：

??? ●室內環境，采用pico-cell室內基站，覆蓋半徑＜100m；

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

??? ●車內和高天線，采用macro-cell，覆蓋半徑＞1000m；

??? ●混合環境，macro-cell和micro-cell重疊。

??? 802.16有幾種物理層方案供不同蜂窩使用，適合不同應用、頻率計劃和政策：

??? ●OFDM(WMAN-OFDM空中接口)256點FFT，采用TDMA(時分多址)。

??? ●OFDMA(WMAN-OFDMA空中接口)2048點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，多數廠商使用頻域均衡器補償多徑干擾造成的頻率衰落，解決信道均衡問題。

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

??? 適合游牧/移動寬帶無線接入應用的系統需要采用OFDMA。OFDMA結合了時分和頻分多址技術?？蛻艚K端可以在上行鏈路中只使用幾個子載頻，所以將發射功率集中在這幾個子載頻內，能夠提高信噪比十幾分貝，滿足筆記本電腦0dB天線室內接收需求。實際上802.16d-2004中已經定義了這種工作方式，但是由于無商品化產品，耽誤了WiMAX的發展進程。

??? 802.16a/d的MAC層支持OFDM/OFDMA、ARQ(自動重發請求)，在使用不需要許可證的頻段時可以進行動態頻率選擇(DFS)，還支持附加先進天線系統(advancedantennasystem，AAS)以提供更高的性能，以及支持網狀模型(meshmode)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，蜂窩半徑為2.5km時，每個蜂窩容量可以達到4.31(bit.s-1)/Hz；帶寬為5MHz時，傳輸速率為21.5Mbit/s，是WCDMA的幾十倍。通過采用多天線MIMO時空處理還可以進一步提高速率。

??? 3、3G發展分組高速數據業務的努力

??? 3GPP和3GPP2都已認識到他們目前的系統提供互聯網接入業務的局限性，試圖在原來的體系框架內，首先在下行鏈路中采用分組接入技術，大幅度提高IP數據下載和流媒體速率。

??? 3GPP在R6中引入的HSUPA標準，使用與802.16d/e相似的三項技術：自適應調制和編碼(AMC)、混合快速自動重發(HARQ)和快速調度(采用時分多址+碼分多址)，以提高下行數據傳輸速率，適應突發型分組數據的要求。

??? 快速調度實現多用戶復用HS-PDSCH(高速物理下行共享數據通道)，采用短幀每2ms一次調度分配信道資源給多個用戶，以適應突發型分組數據，提供高的平均吞吐量。

??? 與802.16d/e中采用OFDMA不同，HSDPA通過碼分復用將多個子信道復用結合在一起，構成下行數據通道。HS-DSCH(高速下行共享數據通道)子信道幀長度為2ms，包含三個時隙。將HS-DSCH子信道映射到物理信道時采用擴譜技術，使用固定擴譜系數SF=16得到物理子信道HS- PDSCH。15個擴譜的物理子信道HS-PDSCH通過碼分復用結合在一起構成HSDSCH。這樣，客戶站是以碼分和時分兩種方式共享信道。HSDPA 和802.16d/e在分組數據共享信道的原理是一樣的，都是在子通道和時隙上進行規劃和調度，但是802.16d/e能夠提供的子信道要多一些，調度也更靈活。

??? HSDPA也采用AMC，每2ms進行一次信道質量測量，根據信道質量指數(CQI)決定采用的調制和編碼方法。HSDPA可采用不同參數的QPSK和 QAM調制。采用QPSK調制時一個物理子信道的傳輸速率為480kbit/s，采用64QAM調制時達到1440kbit/s，提高了三倍，而前述15 個物理信道HS-PDSCH的碼分復用相當于提高速率15倍，兩者合計提高速率45倍。這只是一個粗略的估計，說明為什么在WCDMA框架內，采用快速調度和自適應調制編碼可以提高速率數十倍，達到與802.16d/e可以比較的水平。

??? HSDPA采用的另外一項關鍵技術是HARQ，其主要原理是：接收方在解碼失敗的情況下，保存接收到的數據，并要求發送方重傳數據，接收方將重傳的數據和先前接收到的數據在解碼之前進行組合。HARQ技術可以提高系統性能，并可靈活地調整有效碼元速率，還可以補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。

??? 在WCDMAR5中引入HSDPA技術后，UTRAN部分的結構基本不變，在NodeB通過增加插卡，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個高速物理下行共享信道、一個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另外一項改進是將調度功能從基站控制器移到基站，這樣可以減小時延。目前，3GPP組織對MIMO與高階調制等技術在做進一步的研究，希望可以繼續提高下行鏈路的數據速率。HSDPA實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3GPPR6中引入的HSUPA將解決上行鏈路分組化問題，提高上行速率，進一步引入自適應波束成形和MIMO等天線陣處理技術，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，屬于中期演化技術，受原體制束縛較大，性能不夠理想。3GPP發現在HSDPA和ITU部署的B3G之間存在一個空檔，這正是WiMAX的目標。在一段時間內的寬帶無線接入市場上，HSDPA、HSUPA與WiMAX的競爭將處于劣勢。為了提高3G在新興的寬帶無線接入市場的競爭力，擺脫Qualcom的CDMA專利制約，需要發展LTE(longtermevolution)計劃，以填補這一空檔?；舅枷胧遣捎眠^去為B3G或4G發展的技術來發展LTE，使用3G頻段占有寬帶無線接入市場。2004年12月3GPP雅典會議決定由3GPPRAN工作組負責開展LTE研究，將于2006年6月完成，2007年6月推出。

??? LTE將選擇新的空中無線接口標準(0FDMA呼聲很高)，使用帶寬從1.25MHz到20MHz，速率下行達到100Mbit/s，上行達到 50Mbit/s。LTE還將發展新的網絡結構。此前3GPP的演化方案包括HSPDA都是在原有RAN和核心網的基礎上逐步演進，受限制較大。所以 LTE將在原來的3G無線接入網之外，建立一個新的全IP化的RAN和與固網融合的純IP的核心網，以滿足寬帶無線接入的需求。這樣移動通信系統將不再自成系統，而只是提供寬帶移動無線接入，真正實現了固定網和移動網的融合。目前LTE工作組正在緊鑼密鼓地從需求開始全面開展工作，由于在3GPP內部意見并沒有完全統一，能否達到預定目標還存在一些問題。

??? 在我國與LTE對應的計劃被稱為E3G，“863”計劃中與B3G對應的Future計劃被考慮用于發展E3G，參與LTE的發展工作。在3GPP2方面正在執行類似的被稱為空中接口演進(airinterfaceevolution，AIE)的計劃。

??? 4、未來寬帶無線接入市場的競爭態勢

??? WiMAX面向的是寬帶無線接入市場，3G移動通信面向的是以手機為主的蜂窩移動通信系統，一般來說它們之間是互補的關系。但是當3GPP面向寬帶無線接入市場發展HSDPA，尤其是發展LTE之后就出現了競爭關系。從上面的分析中我們可以看到WiMAX和3GPPLTE面對的是同一市場，指標是相近的，采用技術也是類似的，可以說是殊途同歸。

??? 3GPP決定發展LTE是一次有戰略意義的決定，對于其未來的發展有深遠影響。盡管目前LTE的發展能否擺脫原來體系結構的束縛還有疑問，但是其成員是目前3G的主流運營商，力量雄厚又擁有3G頻率使用許可證，他們發展的LTE即使性能差一些，在寬帶無線接入市場上仍然擁有很強的競爭力，而且他們一旦擁有 LTE就不會再考慮使用WiMAX等競爭的技術。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，保障系統有較高的性能價格比。

??? WiMAX是由IT界發展的寬帶無線接入技術，由于沒有原體制的束縛，最符合寬帶接入市場的需求。由于LTE的出現，可能采用WiMAX的運營商主要是固網運營商和新運營商。Intel等IT設備制造商是WiMAX堅定的、強有力的支持者，他們希望通過WiMAX進入寬帶無線接入市場。Intel在未來筆記本電腦中捆綁WiMAX的承諾增強了WiMAX的競爭能力。

??? 當今困擾WiMAX發展的主要問題是頻率問題。目前已經認可的頻率是3.4-3.8GHz許可證頻率和5.725-5.85GHz免許可證頻率。很多國家允許使用更高的頻率，將其當作5GHz免許可證頻段的一部分，目的是室外應用。由于其穿透力差，使用這些頻率的WiMAX系統不可能和LTE競爭。正待批準的頻率是2.3-2.7GHz許可證頻率，目前只有韓國將2.3-2.4GHz頻率分配給WiMAX。國際上主要集中爭取2.5-2.6GHz的頻率。這些頻率仍然偏高，與3G移動通信頻率相比性能較差。

??? WiMAX發展寬帶無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，可以實現大面積覆蓋，便于降低成本、提高競爭能力。目前全球不少地方開始了爭取分配＜1GHz頻段用于寬帶無線接入的努力。在美國正在爭取使用許可證+免許可證頻段，已經拍賣到頻道54、55、59 (710-722MHz，740-746MHz)，未來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，無線電管理委員會已經將798-862MHz頻段從廣電總局手中收回自己直接管理。

??? 在美國正在磋商免許可證使用低于700MHz的空白電視頻道。美國FCC提出使用這些頻率必須采用感知無線電，以避免干擾。為此IEEE設立了 IEEE802.22感知無線區域網(WRAN)標準工作組，其目的是發展空中接口(MAC和物理層)在各種不同地理區域提供寬帶無線接入，包括人口稀少的農村地區，空中接口具有干擾保護機制，以便作為次要使用者使用54-862MHz的電視頻段。這樣WiMAX又多了一個競爭者。為此， IEEE802.16又成立了IEEE802.16h工作組，致力于改進諸如策略和媒體接入控制增強等機制，以確?；贗EEE 802.16的免許可證系統之間的共存，以及與有主要使用者的系統之間的共存。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系統將具有優異的性能和極強的競爭力，尤其是在農村邊遠地區，將成為消除“數字鴻溝”的有效手段。這種系統可以看作是空中的“電纜調制解調器”與地面數字電視廣播融合形成網絡新媒體。

??? 5、結束語