從WiMAX到LTE：不同寬帶無線接入技術(shù)殊途同歸

侯自強(qiáng)

摘要　游牧和移動寬帶無線接入將成為未來通信市場的重要需求。WiMAX正是針對這一需求而專門發(fā)展的，其性能強(qiáng)、效率高、成本低，具有靈活的體制，可通過配置滿足各種應(yīng)用場景的要求。同樣，為了進(jìn)入寬帶無線接入市場，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)展長期演進(jìn)(LTE)計劃，其指標(biāo)和技術(shù)都與WiMAX相近，可以說是殊途同歸。面對LTE的競爭，WiMAX要想在寬帶無線接入市場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，用戶希望能夠隨時隨地上網(wǎng)，一個新的市場——“寬帶無線游牧/移動接入”正在興起。寬帶無線接入技術(shù)面向一個固定和移動通信融合的新市場，它可提供與寬帶有線固定接入并行的寬帶無線接入業(yè)務(wù)，支持游牧和移動應(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)移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和寬帶無線接入業(yè)務(wù)是兩個不同的市場段。手機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基本是一個專網(wǎng)，下載速率在100kbit/s以下。智能手機(jī)可以接入互聯(lián)網(wǎng)，但是性能不理想沒有形成主流應(yīng)用。3G系統(tǒng)不能有效地滿足這一市場的需求，因此目前3G系統(tǒng)正在向3.5G(HSDPA/EV-DO)演化，開始進(jìn)入寬帶無線接入市場。

　　WiMAX(IEEE 802.16d/e)是固定(游牧)/移動寬帶無線城域網(wǎng)技術(shù)，其無線鏈路的物理層和MAC層的設(shè)計考慮了突發(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競爭，3GPP在2004年底發(fā)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(nèi)與802.3以太網(wǎng)工作組并行發(fā)展了系列的固定/移動寬帶無線接入技術(shù)，包括無線局域網(wǎng)802.11、無線個人域網(wǎng)802.15、無線城域網(wǎng)802.16和無線廣域網(wǎng)802.20。它們的無線鏈路的物理層和MAC層的設(shè)計都專門為滿足突發(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)展用來解決802系列中各種接入網(wǎng)、固定以太網(wǎng)以及蜂窩移動通信網(wǎng)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(shù)發(fā)展趨勢，具有優(yōu)越的性能。

　　無線城域網(wǎng)802.16最初用于提供點到點高速視距傳輸?shù)臒o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(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)展到點到多點、非視距傳輸?shù)膶拵�無線接入網(wǎng)802.16a，可作為電纜調(diào)制解調(diào)器和DSL的補(bǔ)充，提供固定無線寬帶接入，工作頻率降低到2-11GHz。再后來完善成為802.16d，現(xiàn)在進(jìn)一步發(fā)展成為可以支持移動應(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(shù)廠商使用頻域均衡器補(bǔ)償多徑干擾造成的頻率衰落，解決信道均衡問題。

　　單載頻系統(tǒng)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(tǒng)采用2560FDM，多址采用TDMA。這種方法比較簡單，容易實現(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(tǒng)不能支持筆記本電腦游牧/移動寬帶無線接入應(yīng)用。由于大部分WiMAX設(shè)備制造商是從原來的3.5GHz固定無線接入設(shè)備制造商轉(zhuǎn)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(yīng)用的系統(tǒng)需要采用OFDMA。OFDMA結(jié)合了時分和頻分多址技術(shù)。客戶終端可以在上行鏈路中只使用幾個子載頻，所以將發(fā)射功率集中在這幾個子載頻內(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。實際上802.16d-2004中已經(jīng)定義了這種工作方式，但是由于無商品化產(chǎn)品，耽誤了WiMAX的發(fā)展進(jìn)程。

　　802.16a/d的MAC層支持OFDM/OFDMA、ARQ(自動重發(fā)請求)，在使用不需要許可證的頻段時可以進(jìn)行動態(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，每個蜂窩容量可以達(dá)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(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相似的三項技術(shù)：自適應(yīng)調(diào)制和編碼(AMC)、混合快速自動重發(fā)(HARQ)和快速調(diào)度(采用時分多址+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通過碼分復(fù)用將多個子信道復(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(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個擴(kuò)譜的物理子信道HS-PDSCH通過碼分復(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)制時一個物理子信道的傳輸速率為480kbit/s，采用64QAM調(diào)制時達(dá)到1440kbit/s，提高了三倍，而前述15個物理信道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(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(jìn)是將調(diào)度功能從基站控制器移到基站，這樣可以減小時延。目前，3GPP組織對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之間存在一個空檔，這正是WiMAX的目標(biāo)。在一段時間內(nèi)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(fā)展LTE(long term evolution)計劃，以填補(bǔ)這一空檔�；�本思想是采用過去為B3G或4G發(fā)展的技術(shù)來發(fā)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3GPP RAN工作組負(fù)責(zé)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(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將在原來的3G無線接入網(wǎng)之外，建立一個新的全I(xiàn)P化的RAN和與固網(wǎng)融合的純IP的核心網(wǎng)，以滿足寬帶無線接入的需求。這樣移動通信系統(tǒng)將不再自成系統(tǒng)，而只是提供寬帶移動無線接入，真正實現(xiàn)了固定網(wǎng)和移動網(wǎng)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(nèi)部意見并沒有完全統(tǒng)一，能否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)還存在一些問題。

　　在我國與LTE對應(yīng)的計劃被稱為E3G，“863”計劃中與B3G對應(yīng)的Future計劃被考慮用于發(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)的計劃。

4、未來寬帶無線接入市場的競爭態(tài)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(jī)為主的蜂窩移動通信系統(tǒng)，一般來說它們之間是互補(bǔ)的關(guān)系。但是當(dāng)3GPP面向?qū)拵�無線接入市場發(fā)展HSDPA，尤其是發(fā)展LTE之后就出現(xiàn)了競爭關(guān)系。從上面的分析中我們可以看到WiMAX和3GPP LTE面對的是同一市場，指標(biāo)是相近的，采用技術(shù)也是類似的，可以說是殊途同歸。

　　3GPP決定發(fā)展LTE是一次有戰(zhàn)略意義的決定，對于其未來的發(fā)展有深遠(yuǎn)影響。盡管目前LTE的發(fā)展能否擺脫原來體系結(jié)構(gòu)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(fā)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(qiáng)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(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)有較高的性能價格比。

　　WiMAX是由IT界發(fā)展的寬帶無線接入技術(shù)，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(xiàn)，可能采用WiMAX的運營商主要是固網(wǎng)運營商和新運營商。Intel等IT設(shè)備制造商是WiMAX堅定的、強(qiáng)有力的支持者，他們希望通過WiMAX進(jìn)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(qiáng)了WiMAX的競爭能力。

　　當(dāng)今困擾WiMAX發(fā)展的主要問題是頻率問題。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競爭。正待批準(zhǔn)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(fā)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(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(shè)立了IEEE 802.22感知無線區(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又多了一個競爭者。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�；�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)的競爭力，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

　　游牧和移動寬帶無線接入將成為未來通信市場的重要需求。WiMAX是為這一需求專門發(fā)展的寬帶無線接入技術(shù)，性能強(qiáng)、效率高、成本低，其靈活的體制通過配置可以滿足各種應(yīng)用場景的要求。3G是按照語音為主業(yè)務(wù)需求設(shè)計的，不能滿足寬帶無線接入的需求。為了進(jìn)入寬帶無線接入市場，3GPP發(fā)展被稱為3.5G的HSPA之后仍感不足，為了與WiMAX競爭，3GPP決定發(fā)展LTE計劃，其指標(biāo)和技術(shù)都與WiMAX相近，可以說是殊途同歸。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WiMAX發(fā)展至關(guān)重要。