LTE和WiMAX的比較與未來展望

通信世界網消息(CWW) LTE和WiMAX的比較與未來展望

中國移動通信集團河南有限公司三門峽分公司　茹慧芳　王卓

摘 要：LTE和WiMAX技術及其產業(yè)鏈分別是由3GPP和IEEE研究、發(fā)展和推廣。雖然在技術層這兩種技術面有很強的相似性，但它們之間的競爭卻越演越烈。它們之間的競爭從兩個標準化組織分別提出各自的準4G標準（基于IEEE 802.16e的移動WiMAX技術和基于3GPP R8的LTE技術）開始，持續(xù)到4G標準（基于IEEE 802.16m的WiMAX 2.0和基于3GPP R10的LTE-A）的提出。表面上看，這種競爭隨著LTE技術獲得絕對的優(yōu)勢而結束，但實際上WiMAX正計劃與LTE技術在未來的多種混合接入模式中進行整合。

    本文通過討論這兩種技術間的相似性和差異性，即一種技術相對于另一種技術的優(yōu)點，找出使LTE技術在這場競爭中取得優(yōu)勢地位的關鍵因素，也探討了影響這兩種技術發(fā)展的諸如政策、歷史及經濟等非技術類因素。最后，結合當前LTE和WiMAX技術在其標準化過程中的動向，對這兩種技術未來的發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞：LTE； WiMAX； IEEE 802.16e；IEEE 802.16m；3GPP R8；3GPP R10

中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：

LTE and WiMAX: Comparison and Future Perspective

    Abstract: Two wireless technologies, WiMAX based on IEEE standards and LTE standardized by 3GPP, are two competing technologies, nevertheless, are very technically similar. This competition started with the advent of their pre-4G versions (802.16e for Mobile WiMAX and 3GPP release 8 for LTE) and continued with the advent of their 4G versions (WiMAX 2.0 based on IEEE 802.16 m and LTE-Advanced standardized by Release 10). It looks that the competition ended with the advantage of LTE. Plans are set for WiMAX to migrate/integrate with LTE in a multiple heterogeneous access technology mode. This article addresses the technical similarities and differences that advantage one technology over the other technology in order to determine which of these factors might have contributed to LTE winning. Non-technical factors of commercial and historical nature which might also advantage one technology over the other one are also explored. Finally, current activities in the standardization of both WiMAX and LTE are presented with a perspective on the prospects of both technologies.

Key words: LTE；WiMAX；IEEE 802.16e；IEEE 802.16m；3GPP R8；3GPP R10

　　1 引言

    WiMAX（全球微波互聯(lián)接入，Worldwide Interoperability for Microwave Access）是一種由IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會，Institute of Electrical and Electronics Engineers）提出的一種標準化技術。IEEE發(fā)布了一系列標準，其中IEEE 802.16系列標準的制定開始于2000年，目的在于提供一種無線城域網技術標準。IEEE 802.16系列標準中真正具有實用性的是2004年發(fā)布IEEE 802.16d標準[1]。這一標準是為固網用戶提供最后一公里的高吞吐率的無線數據接入技術，對傳統(tǒng)的DSL（數字用戶專線，Digital Subscriber Line）和同軸電纜運營商形成了真正的威脅。被認為是移動WiMAX或WiMAX 1.0的IEEE 802.16e 標準發(fā)布于2005年[2]。2011年3月，WiMAX 2.0即IEEE 802.16m標準發(fā)布，它所支持的數據速率是WiMAX 1.0的數倍。2012年，WiMAX 2.0被正式認定為4G（第四代移動通信技術，the 4 Generation mobile communication）標準[3]。4G技術是指符合ITU（國際電信聯(lián)盟，International Telecommunication Union）提出的IMT-Advanced（高級國際移動通信，International Mobile Telecommunications-Advanced）系統(tǒng)性能要求的技術，即對低速用戶下行峰值速率能夠達到1 Gbps，對高速用戶能夠達到100 Mbps，從而為移動用戶提供高級服務和應用[4]。

    LTE（長期演進，Long Term Evolution）是由3GPP（第三代合作伙伴計劃，The 3rd Generation Partnership Project）提出的一種通信技術標準，是TD-SCDMA（時分同步碼分多址，Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）, UMTS（通用移動通信系統(tǒng)，Universal Mobile Telecommunications System）和CDMA2000等3G（第三代移動通信技術，3rd-Generation）向4G演進的跨越性一步，對數據傳輸速率、系統(tǒng)容量以及延遲有著苛刻的要求[5]。2011年，3GPP基于UMTS R10 版本提出的LTE-A（LTE改進，LTE-Advanced）也是一種得到業(yè)界認可的4G技術標準[3]。

    LTE和WiMAX這兩種技術之間雖然有很多的相似之處，但是它們之間的競爭，從它們各自準4G標準的發(fā)布就已經開始，并持續(xù)到4G標準的提出。最終，WiMAX似乎放棄了這場競爭，選擇了在未來的WiMAX-A（WiMAX 改進，WiMAX-Advanced）標準中與LTE技術相融合。本文討論了這兩種技術在技術方面的相似之處和不同點，精確定位到它們各自相對于對方的優(yōu)勢所在，同時也探討了影響這兩種技術發(fā)展的諸如政策、歷史及經濟等非技術類因素。最后，本文結合當前LTE和WiMAX技術未來的發(fā)展計劃，對這兩種技術的發(fā)展前景進行了展望，并對WiMAX技術的可替代性進行了討論。

    本文剩下的部分由以下章節(jié)組成：第二節(jié)展示了LTE和WiMAX技術的演進；第三節(jié)展示了這兩種技術的顯著特征；第四節(jié)討論了這兩種技術之間的關鍵技術差異；第五節(jié)討論了一些影響彼此發(fā)展的非技術因素；第六節(jié)討論了這兩種技術的未來；最后一節(jié)為本文總結。

2 標準的演進

    圖1展示了LTE和WiMAX技術的演進過程。LTE技術起源于電信運營商、3GPP協(xié)會和3GPP2（第三代合作伙伴計劃2，3rd Generation Partnership Project 2）協(xié)會所倡導第1、2、3代移動通信技術。1G（第1代移動通信技術，First Generation）技術是以歐洲的TACS（全入網通信系統(tǒng)，Total Access Communications System）和AMPS（高級移動電話系統(tǒng)，Advantage Mobile Phone System）為代表的模擬通信系統(tǒng)。2G（第2代移動通信技術，Second Generation）時代為數字通信時代，除語音業(yè)務外，可以傳輸低速的數據業(yè)務，以GSM（全球移動通信系統(tǒng)，Global System for Mobile Communication）和CDMA-ONE通信標準為代表。2.5G階段采用增強型分組交換技術，例如GPRS（通用分組無線服務技術，General Packet Radio Service）和EDGE（增強型數據速率GSM演進技術，Enhanced Data Rate for GSM Evolution），實現中等速率數據傳輸，而語音業(yè)務仍為電路交換。IMT-2000（國際移動電話系統(tǒng)-2000，International Mobile Telecom System-2000）是由ITU提出的3G系統(tǒng)，與多媒體技術相結合，能夠處理聲音、圖像、視頻等多種形式數據，能夠提供與物聯(lián)網連接的多種信息服務。其中WCDMA（寬帶碼分多址，Wideband Code Division Multiple Access）在歐洲和世界其他國家和地區(qū)被廣泛采用，CDMA2000（碼分多址2000，Code Division Multiple Access 2000）是主要用于北美的3G技術。WCDMA和CDMA2000都是頻分雙工系統(tǒng)，采用一對頻帶分別用作發(fā)送和接收。第三種3G標準為中國主導的TD-SCDMA，利用時分雙工技術實現數據在同一個頻段內的發(fā)送和接收。3G系統(tǒng)仍舊采用的是電路交換和分組交換技術相結合。在增強型3G階段，HSPA（高速分組接入，High-Speed Packet Access）極大提升了WCDMA、TD-SCDMA系統(tǒng)分組數據的傳輸速率；CDMA2000系統(tǒng)也發(fā)展了相應的EV-DO和EV-DV版本，實現了高速數據業(yè)務傳輸，并且能同時在一個CDMA載頻上能同時支持話音和數據。

    3GPP R8標準提出了基于OFDM（正交頻分復用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術的全IP的LTE技術標準，有TDD（時分雙工，Time Division Duplexing）和FDD（頻分雙工，Frequency Division Duplexing）兩種模式，即TDD-LTE和FDD-LTE。由北美3GPP2主導的UMB（超移動寬帶，Ultra Mobile Broadband）是CDMA2000系列標準基于OFDM技術的演進升級版本，最終退出了LTE的標準競爭。TDD-LTE由TD-CDMA演進而來。雖然LTE仍是3G標準，但是它所支持的無線速率是基本3G系統(tǒng)的數倍，因此LTE又被稱為準4G或3.9G，而在商業(yè)上通常稱之為4G。

    ITU在2003年提出了的IMT-Advanced概念，明確了4G系統(tǒng)架構和總體設計目標，并將2009年10月定為4G技術規(guī)范建議書的最后提交日期[4]。ITU要求IMT-Advanced系統(tǒng)峰值速率達到1Gbps，當終端移動速度在500km/h時能夠達到100Mbps，同時對分組交換時延、VoIP（Voice over Internet Protocol）系統(tǒng)效率也提出了更高的要求，此外對頻譜效率尤其是小區(qū)覆蓋邊緣區(qū)域的頻譜效率有嚴格的要求，以實現高吞吐率。LTE-A是基于3GPP 2011年發(fā)布的UMTS R10標準，是經過官方認可的滿足IMT-Advanced性能要求的4G標準。

    WiMAX是由IEEE系列標準演進而來的一種無線通信技術，例如IEEE802.3以太網標準、IEEE 802.11 WiFi無線技術等。早期在城域無線寬帶技術方面的一些研究都是基于非移動的無線接入技術。由于系統(tǒng)頻段較高，需采用視距傳播，且容易受到雨、霧等天氣的影響，這些研究大多沒有取得實質性的成果。第一個具有實用價值的技術標準是2004年發(fā)布的IEEE 802.16d標準[1]。IEEE 802.16d標準旨在為固網用戶提供最后一公里高速率的無線接入，對傳統(tǒng)的DSL和同軸電纜運營商形成了真正的威脅。2005年發(fā)布的IEEE 802.16e標準是移動WiMAX或WiMAX 1.0技術的基礎[2]。在第一個3G技術標準誕生許多年后，WiMAX技術在2007年被正式認定為3G技術[6]。2011年3月發(fā)布的IEEE 802.16m標準被為認為是WiMAX的2.0版本。IEEE 802.16m對802.16e標準的空中接口進行了改進，在滿足IMT-Advanced性能要求的同時，又能與先前的802.16系列標準兼容。WiMAX 2.0所能提供的峰值速率是WiMAX 1.0的數倍，能夠滿足ITU IMT-Advanced系統(tǒng)的性能要求，是另一個被官方認可的4G技術標準[4]。實際上LTE-A和WiMAX 2.0標準都還沒有最終定型，許多WiMAX技術倡導者有計劃將WiMAX技術與LTE-A技術相融合。如圖1最右邊所示（Beyond 4G/Evolved 4G/Evolved 3G），雙方都制定了未來的技術發(fā)展規(guī)劃，詳細內容將在下文進行探討。

3 LTE和WiMAX的技術特征

    LTE和WiMAX都是基于全IP的技術標準，采用相同的分組核心網，這使得它們都能很好的支持VoIP業(yè)務產生的突發(fā)數據流量。同樣這兩種技術標準也都采用了OFDMA（正交頻分多址，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）技術。在OFDM系統(tǒng)中，子載波將相互正交，頻譜效率得到提升，同時有助于降低ISI（符號間干擾，Inter-Symbol Interference）和系統(tǒng)自適應均衡的復雜性，對頻率選擇性衰落和窄帶干擾也有較強的容忍度。在OFDMA系統(tǒng)中，時頻資源能夠得到周期性復用，使得系統(tǒng)性能最大化[7]。除了以上幾點外，還有一些重要特點如下[8]：

    1) 子載波信道重分配：在頻譜分配上，一些子載波用于數據傳輸，一些子載波作為保護帶寬或導頻。數據和導頻被周期性地隨機分配在不同的子信道上，換句話說就是跳頻，頻域上所有的信道都在跳變。這樣可以實現干擾平均化，減少系統(tǒng)糾錯，恢復系統(tǒng)性能[9]。將系統(tǒng)子載波分為多個組，每個小區(qū)只使用其中的一個或多個子載波組，這叫做PUSC（Partial Usage of Sub-Carriers），降低了本小區(qū)與鄰小區(qū)之間的干擾。另一種技術是FFR（部分頻率復用，Fractional Frequency Reuse），即用戶在小區(qū)覆蓋的中心區(qū)域時能夠使用到所有的頻點，而在兩個小區(qū)覆蓋的交界處，兩個小區(qū)的用戶分別使用不同的頻點，以此來降低小區(qū)間的干擾水平。

    2) SOFDMA（可擴展OFDMA，Scalable OFDMA）：LTE和WiMAX（如WiMAX 1.0和WiMAX 2.0）都采用了SOFDMA技術。系統(tǒng)子載波數目隨著系統(tǒng)帶寬的變化而變化，而子載波間的間隔始終是不變得，因此對移動著的用戶而言，多普勒效應對系統(tǒng)性能的影響是不變的。WiMAX 16e的系統(tǒng)帶寬可以在1.25MHz~28MHz間任意設定，LTE R8系統(tǒng)支持的系統(tǒng)帶寬可以為1.25, 2.5, 5, 10, 15, 20 MHz。

    3) AMC (自適應調制編碼，Adaptive Modulation and Coding)：LTE和WiMAX都采用了AMC技術。由于低階調制方式相對于高階調制方式具有更強的魯棒性，系統(tǒng)可以根據用戶信道的質量情況，及時調整調制方式。當信道質量較好的時候，采用16QAM（相正交振幅調制，Quadrature Amplitude Modulation）或64QAM等高階調制方式，通過提高編碼效率提升系統(tǒng)傳輸速率。當信道質量較差，即用戶信號信噪比較低時，采用QPSK（正交相移鍵控，Quadrature Phase Shift Keying）等魯棒性較強的低階調制，確保鏈路質量即傳輸誤碼率保持在用戶或系統(tǒng)可以接受的范圍。另一方面，當采用16QAM調制方式的用戶的信號質量得到改善時，系統(tǒng)可以將調制方式切換到64QAM這樣的高階調制方式，提高系統(tǒng)容量和傳輸效率。當AMC與OFDM技術相結合時，將會為系統(tǒng)帶來更大的增益，因為AMC更加適用于噪聲平均的寬帶信道[10]。LTE和WiMAX標準的另一個特征是使用了HARQ（混合自動重傳，Hybrid Automatic Repeat Request）技術，用于錯誤檢測和多天線系統(tǒng)，從而進一步增強系統(tǒng)性能和數據速率。

    4) 系統(tǒng)幀結構：由于WiMAX 1.0的幀長為5ms，而LTE的子幀只有1ms，因此WiMAX 1.0相比LTE具有更長的時延。WiMAX 2.0將一個5ms幀分成了8個子幀，每個子幀長5/8ms，同時保留了5ms的幀結構用于和WiMAX 1.0系統(tǒng)兼容。WiMAX 2.0系統(tǒng)還定義了一個長度為20ms的超幀，通過合并一般幀頭和控制比特，來減少系統(tǒng)幀頭的整體開銷。WiMAX 2.0系統(tǒng)的三層幀結構，有助于提升VoIP業(yè)務的QOS（服務質量，Quality of Service）。LTE系統(tǒng)也采用了類似的3層幀結構，其基本時隙長度為0.5ms，子幀長度為1ms，超幀長度為10ms。LTE-A和WiMAX 2.0系統(tǒng)的幀結構如圖2所示。

圖2 幀結構：（a）WiMAX 2.0幀結構；（b）LTE-A幀結構。

    5) 載波聚合：為了達到IMT-A系統(tǒng)對峰值速率的要求，LTE-A和WiMAX 2.0系統(tǒng)通過增加傳輸帶寬的方式來提升系統(tǒng)所能支持的峰值速率，這兩中系統(tǒng)的信號最大帶寬分別達到了40MHz和100MHz。由于在現實中不可能直接找到一個具有如此大帶寬的頻帶，系統(tǒng)子載波必須分布在多個頻帶內，這就是所謂的多載波/載波聚合。任何一個信道的子載波可以在一個連續(xù)的頻帶內，也可以來自不同的頻帶。

    6) 小區(qū)吞吐量：除了峰值速率外，IMT-A系統(tǒng)對小區(qū)邊緣吞吐量也有嚴格的要求。目前LTE-A和WiMAX 2.0系統(tǒng)已經能夠輕松地達到這一要求[11] [12]。例如WiMAX 2.0系統(tǒng)在小區(qū)中心和小區(qū)邊緣的頻率效率能夠分別達到2.6 bit/s/Hz/sector和0.09 bit/s/Hz/sector，分別超過了IMT-A系統(tǒng)要求的2.2 bit/s/Hz/sector和0.06 bit/s/Hz/sector。

    7) LTE-A和WiMAX 2.0還支持許多其他技術來提升傳輸速率[11] [13] [14] 。例如：Femto（家庭基站），能夠以最大的數據速率提供住宅內部的移動通信能力，提升小區(qū)吞吐量。LTE-A系統(tǒng)中采用的8 × 8 MIMO（多入多出技術，Multiple-Input Multiple-Output）。

    CoMP（協(xié)同多點傳輸，Coordinated Multiple Points）技術，多個基站可以協(xié)同參與為一個終端傳輸數據或者聯(lián)合接收一個終端發(fā)送的數據。尤其在小區(qū)覆蓋的邊緣區(qū)域，系統(tǒng)可將用戶置于幾個基站的同一頻率上，幾個基站同時為該用戶服務，降低小區(qū)間干擾，提升邊緣用戶的覆蓋性能和頻譜效率。

   使用中繼點來延伸覆蓋，提高小區(qū)邊緣吞吐率。

    LTE-A和WiMAX 2.0采用SON（自組織網絡，Self-Organizing Networks）技術組網，利于操作、維護費用的降低和系統(tǒng)性能的提升。

4 LTE和WiMAX的技術差異

    由上節(jié)所述，LTE和WiMAX在系統(tǒng)架構和設計目標方面具有許多技術方面的相似之處，例如：都采用了基于扁平IP架構的OFDMA技術，通過應用各項技術達到甚至超過了IMT-A系統(tǒng)的性能要求。然而，這兩種標準間也存在著許多技術上的差異。WiMAX 1.0相對于LTE系統(tǒng)，以及WiMAX 2.0相對于LTE-A系統(tǒng)的技術差異主要有以下幾方面：

    1) 雙工模式：LTE和WiMAX技術都能夠支持TDD和FDD兩種雙工模式。雖然移動通信技術經過幾代的發(fā)展，但FDD模式仍是大多數電信公司的主流選擇。而TD-LTE是中國國自主提出的3G標準——TD-SCDMA演進而來，近年來才逐漸受到關注。另一方面，WiMAX至始至終聚焦在TDD，將來最有可能與WiMAX技術結合的LTE標準是TD-LTE。

    2) 頻譜方面：LTE和LTE-A使用的是得到許可證的IMT-2000的頻段，例如700、900、1800、2100或2600 MHz頻段。而WiMAX使用的頻段是2.3、2.5、3.5或5.8 GHz。LTE系統(tǒng)可用頻段相對較低，相比較WiMAX具有明顯的覆蓋優(yōu)勢，增大了LTE技術用于公共廣域網的機會。目前也有一些運營商已經開始嘗試利用自己所擁有的WiMAX頻段部署LTE網絡。

    3) 子載波間隔：LTE系統(tǒng)的子載波間隔為15KHz，WiMAX 2.0系統(tǒng)的子載波間隔為10.94KHz。較大的子載波間隔，使得LTE系統(tǒng)對多普勒頻移有更大的容忍度，支持的用戶終端的移動速度也將更高。LTE系統(tǒng)可以支持終端移動速度為350kmph，而WiMAX 1.0系統(tǒng)支持的最大速度僅為120kmph，直到WiMAX 2.0系統(tǒng)才能夠支持到350kmph。

    4) 接入技術：LTE-A系統(tǒng)采用的下行接入技術OFDMA，上行接入技術為SC-FDMA（單載波頻分多址，Single-carrier Frequency-Division Multiple Access）。SC-FDMA相比較OFDMA來說，PAPR（峰均比，Peak-to-Average-Power-Ratio）能夠降低3~5dB。因此SC-FDMA技術能夠改善上行鏈路質量，提升網絡覆蓋能力和小區(qū)邊緣用戶的吞吐率。WiMAX 2.0系統(tǒng)的上下行鏈路均采用的是SOFDMA技術。相對于SC-FDMA，OFDM的主要優(yōu)勢能夠對抗多徑信號傳播，使其尤其適用于寬帶通信系統(tǒng)[15]。

    除了以上幾各方面，文獻[16]從安全和企業(yè)IP網絡整合兩個方面，對LTE和WiMAX應用于企業(yè)環(huán)境時的異同之處進行了對比分析。研究結果表明LTE和WiMAX技術都可以用于下一代移動企業(yè)網絡的建設和發(fā)展。在安全性方面，由于WiMAX的認證協(xié)議，使得WiMAX天生就能滿足企業(yè)的安全要求。

    所以可以得出結論，LTE的設計標準對移動性、數據吞吐量和系統(tǒng)容量的關注度極高。這些因素固然重要，但相對于其他一些因素，這些因素可能不會影響一個技術的普及。對于這一問題，我們將在第5節(jié)中進行討論。

5 其他方面的差異和影響因素

    除了技術方面的差異外，運營商和監(jiān)管等因素的調整和制約，也會導致LTE和WiMAX之間相互的優(yōu)勢地位發(fā)生改變。

    相對于LTE的商用，WiMAX網絡的出現和部署要更早。在美國，由Clearwire公司和Sprinit公司合伙部署WiMAX的商用網絡。在韓國、俄羅斯、日本等國的許多大公司也都在部署和推廣WiMAX網絡。由于固定線路基礎設施的缺乏，諸如印度這樣的發(fā)展中國家發(fā)現，即使是非移動版本的WiMAX技術也能夠滿足他們對寬帶網絡需求[17]。

    WiMAX采用TDD技術，因此不需要使用成對的頻譜資源資源，同時上下行鏈路在時隙分配上也具有很大靈活性，更適合于數據傳輸。這使得WiMAX替代有線DSL網絡成為可能。另一方面，移動通信運營商建設的3GPP 2G、3G和LTE網絡，仍需要分別為上下行鏈路配置單獨的頻帶，因此頻譜租賃和設備成本都非常昂貴，當然TD-LTE網絡除外。

    為了追求更高的性能，IEEE的一系列WiMAX版本，都是模塊化的獨立的標準體系，這使得它與3GPP標準間的兼容性無法實現。例如WiMAX 2.0（4G版WiMAX）不支持傳統(tǒng)的3GPP的設備，這意味著不能切換到2G（GSM）和3G（UMTS）網絡。但是另一方面，3GPP則為歐洲、北美和中國主導的2、3G標準向LTE的演進提供了清晰的思路，同時LTE-A能夠后向兼容以前所有的技術標準。因此，世界上部署了3GPP網絡的運營商會發(fā)現它們的網絡易于升級，而且它們能將自己已經獲取頻譜資源用于LTE網絡，例如2G設備退網后的2G頻譜，這就是一個非常好的商業(yè)案例。

    中國將依照自己制定的演進路線，實現其主導的3G標準——TD-SCDMA向LTE-A的平滑演進[18]。為了節(jié)約投資，并能夠充分利用現有的網絡設施，中國在制定TD-LTE標準的時候就充分結合TD-SCDMA的技術特點，確保TD-LTE能夠后向兼容TD-SCDMA，實現TD-SCDMA技術的平滑演進。與此同時，由于WiMAX支持的頻譜非常有限，使得已經部署了3GPP網絡的運營商很難轉向WiMAX網絡的建設。

    盡管WiMAX在其早期階段取得了一定的優(yōu)勢，但最終的贏家還是LTE。LTE的成功主要是因為支持技術的后向兼容性，這奠定了它能夠擁有雄厚的用戶資源，盡管這些客戶中有許多還僅僅使用的是2G網絡。表1將3GPP的LTE和IEEE 802.16到WiMAX的演進過程進行對比。IEEE標準的優(yōu)勢是一開始就采用OFDMA技術、提供高速率的數據傳輸、全IP化、網絡結構扁平化等，首先局部區(qū)域的無線網絡數據接入服務，在取得成功后，向支持移動性和語音通話的方向發(fā)展。另一方面，與WiMAX的發(fā)展路線正好相反，3GPP的目標首先是提供廣覆蓋和無處不在的網絡服務，隨后逐漸采用一些新技術，如WiMAX一開始就用到的OFDMA、TDD、全IP、扁平化的網絡結構、高傳輸速率等，使得3GPP首先獲得了巨大的用戶群體，然后又能夠充分利用WiMAX已經成熟的關鍵技術。在種種這些因素的綜合作用下，LTE取得了成功。

　　6 LTE和WiMAX的未來

    扁平化的網絡、全IP、TDD等先進技術和理念使得WiMAX比LTE具有一定的技術優(yōu)勢。3GPP從純電路交換的2G技術，演進到半分組交換的2.5G和3G技術，最終演進為全分組交換的LTE和LTE-A。一開始電信運營商服務對象就是大眾客戶，目標是建設公共網絡和實現廣覆蓋。而WiMAX的目標是為細分市場提供寬帶服務。連同上網討論的一些因素，是人們意識到，WiMAX技術缺乏與其它技術標準間的兼容性，WiMAX標準體系過于孤立，在3GPP的系列標準面前，尤其是備受關注的LTE面前失去了應有的競爭力。為應對這種局面，WiMAX論壇已經制定多個計劃，其中的一個就是促進與LTE技術的融合。

6.1 WiMAX的未來

    WiMAX未來的發(fā)展方向主要有3個不同的方向：

    1) 與LTE或其它多址技術相結合。2012年年底，WiMAX論壇采納了WiMAX與LTE和諧共存的建議[19]。WiMAX 2.2將聚焦在與多種無線接入技術的兼容性方面以及載波聚合和負載平衡等關鍵技術。預計能同時支持WiMAX和LTE兩種標準和多種接入技術的網絡將在2014年年內出現。

    2) 無線以太網。WiMAX技術將被用于航空、能源、電力等這種對可靠性、安全性、帶寬有較高要求的專有網絡細分市場上，用于對它們自身的管理。這就是所謂的無線以太網。

    3) 對于那些已經獲得了TDD頻譜牌照的運營商來說，堅持部署WiMAX網絡。在日本、韓國、馬來西亞和美國等這樣的傳統(tǒng)市場中，其市場發(fā)展在未來一段時間內仍將繼續(xù)增長。日本最大的WiMAX運營商UQ和馬來西亞的運營商YTEL已經有了持續(xù)部署WiMAX 2.0網絡的計劃。

    無線技術是解決能源、航空這種場景覆蓋問題的最佳解決方案。這為WiMAX提供了應一個可選擇的發(fā)展方向，即為專用網絡定制方案，在這樣的細分市場進一步發(fā)展。2013年年初正式發(fā)布的WiGRID是一種基于IEEE 802.16e的廣域網技術[20]。它能夠滿足能源、電力行業(yè)對服務網絡高實時性和高安全性的要求，為智能電網或能源系統(tǒng)的遙測、監(jiān)控和管理提供網絡技術支撐[21]。為了能夠支撐這類服務，WiMAX仍需要一步優(yōu)化上行鏈路，減少時延、擴大覆蓋范圍，增強覆蓋能力[20]，其設備能力也要能夠支持1.4 GHz、1.8 GHz、2.3 GHz、3.65 GHz和5.8 GHz等多個常用頻段[20]。在面對用擁塞問題時，公用WiMAX、LTE和3GPP的其它網絡標準所能提供的服務可靠性也是不一樣的，WiMAX能有效避免網絡擁塞。另一方面，公共蜂窩網絡可用于智能計量服務，因為公共蜂窩網的網絡覆蓋較好，同時這種應用對網絡的時延和安全性要求也相對較低[22]，配電站的監(jiān)測則建議采用基于WiMAX技術的專用無線系統(tǒng)。例如文獻[22]中提出了WiMAX可以與SCADA（數據采集與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，Supervisory Control And Data Acquisition）共用223~225 MHz的頻譜資源的建議，僅需要對WiMAX的MAC（媒介訪問控制，Media Access Control）層和物理層協(xié)議進行簡單的修改，實現對干擾的處理即可。

    AeroMACS技術是WiMAX技術的一種，可用于機場的基礎通訊設施的建設。在運輸業(yè)、石油業(yè)以及天然氣業(yè)等與其類似的細分市場中，也有相應的網絡需求。另外，基于WiMAX的無線以太網視訊分享技術也可以為移動醫(yī)療等類似應用提供支撐。

    WiMAX向LTE融合的目的是，打開無線接入技術和產業(yè)體系大門，超越WiMAX 1.0和2.0[23]。隨著網絡演進，WiMAX 2.2標準會使運營商具備靈活利用IP寬帶數據網絡的能力，并使其網絡能夠支持采用其他帶無線接入技術的設備，包括TD-LTE設備 (WiMAX/LTE雙模設備)。TD-LTE對WiMAX運營商的影響，用WiMAX論壇主席的話說就是[24]：“我沒有看到TD-LTE網絡的出現會讓WiMAX網絡退出市場。我認為，在一定時期內將形成WiMAX和TD-LTE相互補充、并行發(fā)展的網絡格局。至于這個時期能夠持續(xù)多久，時間會告訴你�！�

    向LTE融合過程，必須要對各級網絡設備的軟件和硬件進行升級，包括核心網、傳輸網以及為多模異構接入技術提供支撐的各種設備。由于WiMAX網絡的用戶規(guī)模遠小于3GPP運營商，融入3GPP會為WiMAX運營商帶來巨大的用戶資源和豐富的產業(yè)體系，對于融合過程中所產生的費用，運營商是樂意接受的。相反，這種融合也會為3GPP運營商獲得原先WiMAX用戶資源的一個機會。雖然WiMAX在某些亞洲國家發(fā)展勢頭強勁，但這很大程度上是由于這一技術在航空和運輸等細分專用市場的應用取得了成功，而不是大眾網絡市場。只有成功地與LTE融合， WiMAX才能在服務原有細分專用市場的同時，還能服務于大眾網絡市場。這看起來更像是一個獨特的合作，即替代競爭方法本身的方法就是接受競爭。

6.2 LTE的未來

    3GPP提供了一個現有技術平滑演進到LTE和LTE-A的方案。經過大量研究取得的成果會在近年新的3GPP版本中進行公布。即將發(fā)布的3GPP R12及其后續(xù)版本同產業(yè)級探索（如何提升移動寬帶的實用性？如何提供更穩(wěn)定的服務質量？如何在頻譜資源稀缺的情況下滿足急速增長的數據需求？）一樣，意義重大[25]。

    目前的無線寬帶網絡，信號覆蓋不連續(xù)，數據速率飄忽不定。3GPP R12及R13的設計目標就是提供一個穩(wěn)定的無線寬帶網絡，也就是這個網絡能夠隨時隨地地滿足持續(xù)呈指數增長的數據業(yè)務需求。2012年，當在斯洛文尼亞召開的3GPP TSG全會結束后，Keith Mallinson在他的文章《2020 Vision for LTE》[26]中提到了一組數字3×6×56 = 1008，即預計到2020年，LTE系統(tǒng)所占用的頻譜資源將達到目前的3倍，系統(tǒng)頻譜效率將達到目前的6倍，平均小區(qū)密度將達到目前的56倍。未來將有許多技術[10,11,26,27]，使得這一巨大的變化成為可能。未來LTE技術的變化主要有以下幾方面：

    1) 更大的系統(tǒng)帶寬，更高階的3D-MIMO技術，高階調制，微小區(qū)等措施，都能使的小區(qū)的峰值速率、平均速率及小區(qū)邊緣的速率實現倍增。

    2) 宏蜂窩小區(qū)將位于多層網絡的頂層，在它的覆蓋范圍內，隨機分布著大量的Micro小區(qū)、Pico小區(qū)以及Femto小區(qū)，這些小區(qū)使用的頻帶都比宏蜂窩小區(qū)高。逐漸形成混合型網絡結構。這種體系結構有助于均衡高流量小區(qū)的業(yè)務量，從而提高系統(tǒng)總體吞吐量。也有利于減少覆蓋空洞，提升對室內高流量業(yè)務的支撐能力，但是對不同類型小區(qū)間的移動性以及ICIC（小區(qū)間干擾協(xié)調，Inter-Cell Interference Coordination）處理效率要求更高。在3GPP運營商的網絡中，和femto小區(qū)技術一樣，無線WIFI（無線保真，WirelessFidelity）將在為數據業(yè)務熱點或室內用戶提供寬帶支撐方面發(fā)揮越來越重要的作用。

    3) 對TDD-LTE技術更為依賴，需要進一步增強上下行間的干擾控制和業(yè)務分配。

    4) 在基站側配置8個接收天線，使用交叉極化天線和更高的載波頻率，進一步改進上行鏈路性能。

    5) 采用3D-MIMO和大規(guī)模天線的波束賦形技術。天線陣列的元件多達64個，使得扇區(qū)內的頻率實現再利用，獲得額外的頻率增益。

7 結論

    本文旨在比較LTE和WiMAX這兩種無線通信技術，從技術角度論述了LTE在它和WiMAX在關于未來公共網絡市場的競爭中取得勝利的因素。文章還對這兩種技術的未來方向進行了展望。

    本文首先回顧了這兩種技術的演進歷程。LTE從無線電話標準演進而來，WiMAX是由數據網絡演進而來。移動通信技術由以語音業(yè)務為中心逐漸轉向以數據業(yè)務為中心，而WiMAX技術一開始就聚焦于寬帶數據業(yè)務，后期才開始提供語音服務。這兩種技術都采用了扁平化的全IP網絡結構、多址接入技術和雙工模式。二者技術上的不同之處主要在于：所分配的頻率資源不同、子載波間隔不同、幀結構不同以及上行接入技術不同等。LTE能夠支持更高的吞吐量、系統(tǒng)容量和移動性。

    影響這兩種技術標準之間競爭力的因素不僅僅是技術方面的，其他方面的因素對最終的競爭結果也會造成影響。最終的結果是：人們意識到，WiMAX必須與LTE相融合，而不是繼續(xù)競爭。這就決定了WiMAX未來的演進方向。另外，WiMAX也可以朝著向航空、運輸、能源這樣的細分市場提供專用無線網絡接入技術服務的方向發(fā)展，因為基于WiMAX技術的專用網絡可以有效避免網絡擁塞情況的出現。WiMAX與LTE技術標準的融合，也可以使WiMAX運營商既能服務細分專用網絡市場，又能提供公共服務。WiMAX論壇目前正在不斷完善標準，為實現WiMAX系列標準與LTE相融合而努力。從終端到基站，再到核心網，許多軟件和硬件都需要進行調整，使得系統(tǒng)能夠支持多種通信標準，提升系統(tǒng)的反向兼容能力。在公共廣覆蓋網絡建設方面，留給WiMAX的機會已經不多，WiMAX的持續(xù)發(fā)展，在很大程度要依賴于其在航空和運輸等細分專用市場方面取得的成功，而不是大眾網絡市場。

    另一方面，3GPP一直在積極改進LTE和其它現有技術的服務能力。兩個新的技術版本——3GPP R12和R13正在編寫中。改進的目標是不斷提升系統(tǒng)覆蓋能力，提供更高速、穩(wěn)定的數據傳輸服務，以滿足數據業(yè)務需求的爆炸是增長。多項技術改進和新技術被提出，用于3D扇區(qū)、微小區(qū)、ICIC、多模TDD等關鍵技術的實現�？梢哉f，在不久的將來，LTE將在公共移動網絡發(fā)展方面成為有主導地位的技術標準，而WiMAX在專用網絡發(fā)展領域將具有更多的發(fā)展機會。

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作者：茹慧芳 王卓 來源：通信世界網