移動WiMAX與EV-DO、HSPA的技術(shù)比較

摘要　移動WiMAX技術(shù)是寬帶無線通信領(lǐng)域的一個重要分支，市場占有率正在迅速上升。1x EV/DO和HSPA是當(dāng)前3G領(lǐng)域的最重要組成部分。論文詳細(xì)分析了移動WiMAX、1x EV/DO和HSPA 3者之間的異同點，重點介紹了移動WiMAX系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。

1、引言

HSPA、EV/DO和移動WiMAX是當(dāng)前的主流無線寬帶通信技術(shù)。其增強(qiáng)技術(shù)特點和商用時間如表1所示：

表1　移動WiMAX、EV/DO和HSPA特點和商用時間表

移動WiMAX、EV/DO和HSPA按照工作方式和空中接口上所采用的技術(shù)不同導(dǎo)致了系統(tǒng)工作方式上差異，它們各有特點和側(cè)重點，并以移動WiMAX技術(shù)見長。它們的主要區(qū)別如表2所示。

表2　移動WiMAX、EV/DO和HSPA區(qū)別比較

可以看到，三者既有共同點，也有不同點。EV/DO和HSPA是3G系統(tǒng)的增強(qiáng)技術(shù)，主要是為了滿足上行或下行數(shù)據(jù)要求而提出的。而移動WiMAX技術(shù)是移動通信的發(fā)展方向。

2、移動WiMAX、EV/DO和HSPA比較

2.1　移動WiMAX、EV/DO和HSPA共同特征分析

在增強(qiáng)數(shù)據(jù)的吞吐量方面，1x EV/DO、HSPA和移動WiMAX在技術(shù)實現(xiàn)上存在一些共同點，主要包括：AMC（自適應(yīng)編碼調(diào)制）、HARQ（混合自動重傳機(jī)制）、快速調(diào)度等。

2.1.1　AMC

在1x EV/DO和HSPA規(guī)范中，AMC已經(jīng)取代了原有的下行功率控制方式。在1x EV/DO Rev　B中可引入64 QAM調(diào)制方式來增強(qiáng)下行峰值速率。1x EV/DO Rev A和HSUPA引入AMC來增強(qiáng)其上行數(shù)據(jù)速率。其方法是將有限數(shù)量的傳送格式與特定的數(shù)據(jù)包大小進(jìn)行映射，超過的部分可以縮減。然而，這種分裂的方式、或者填充到預(yù)設(shè)的包格式的方式，可能會引起數(shù)據(jù)包收斂時的過載。

移動WiMAX在上、下行鏈路上也都支持AMC數(shù)據(jù)包可變大小的方式。由于采用了OFDMA正交上行子信道，上行鏈路可以支持64QAM或16QAM調(diào)制。盡管這種提前調(diào)度方式能很好地支持可變數(shù)據(jù)包的大小，但還是可能存在過載現(xiàn)象。對于分裂或者填充時存在過載時，可以通過壓縮解決。表3是各系統(tǒng)根據(jù)自身特點采用AMC后的情況概述對比：

表3　移動WiMAX、1x EV/DO和HSPA采用AMC技術(shù)后的情況對比

2.1.2　HARQ

HARQ作為一個重要的提高無線信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄�，幾乎所有的主流通信系統(tǒng)都支持。但由于系統(tǒng)制式的不同，不同系統(tǒng)支持的具體HARQ方式有所不同。移動WiMAX和HSPA支持HARQ CC（跟蹤合并）。因為在HARQ CC中，所有的轉(zhuǎn)發(fā)方式是相同的，這很容易擴(kuò)展到不同的傳送技術(shù)中（諸如MIMO）；而1xEV/DO支持支持HARQ增量冗余（增量冗余），這是因為在HARQ增量冗余中，所有的數(shù)據(jù)包都是先分成若干個子數(shù)據(jù)包，再編碼的傳送的。這符合1xEV/DO的特點。

3個系統(tǒng)都支持多信道的HARQ。移動WiMAX和HSPA采用完全異步的操作方式。在異步操作時，數(shù)據(jù)包在接受到一個NACK后，有基站進(jìn)行調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)。異步操作允許在轉(zhuǎn)發(fā)之間有不同的延遲；而1x EV/DO支持同步操作，即所有的轉(zhuǎn)發(fā)都有固定間隔。同步操作允許先于轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行調(diào)度。

2.1.3　多用戶快速調(diào)度

多用戶快速調(diào)度由基站執(zhí)行，并受到流量QoS需求和CQI信道反饋等因素的制約。多用戶快速調(diào)度的目的是將信道資源用于無線條件最好的用戶。HSPA和1x EV/DO、移動WiMAX都使用了快速調(diào)度功能。

HSPA與1xEV-DO相同，主要根據(jù)信道條件、待發(fā)射的數(shù)據(jù)量和業(yè)務(wù)的優(yōu)先級等因素進(jìn)行調(diào)度。HSUPA的快速調(diào)度是盡可能抑制上行干擾和功率過載，而1xEV-DO進(jìn)行多用戶快速調(diào)度時將綜合考慮到AMC和HARQ等因素。

移動WiMAX在上行和下行鏈路上都應(yīng)用了快速調(diào)度機(jī)制。與HSPA、1x EV-DO不同，移動WiMAX能在上、下行鏈路的每個幀頭上組播調(diào)度信息到各個子幀，因此其調(diào)度效率極高。這尤其適合突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快、信道質(zhì)量變化迅速的環(huán)境。

2.2　WiMAX、EV/DO和HSPA不同特征比較

EV/DO和HSPA設(shè)計的初期主要是為了滿足語音業(yè)務(wù)的需求。與基于CDMA制式的3G系統(tǒng)不同，移動WiMAX的設(shè)計主要是用來滿足對寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，同時兼顧高質(zhì)量的語音業(yè)務(wù)。移動WiMAX的物理層進(jìn)一步改進(jìn)了OFDMA功能，加入了前導(dǎo)碼和小型子信道的劃分功能。因而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，并由于移動WiMAX支持全移動IP機(jī)制而簡化了移動管理。

2.2.1　多徑和自干擾允許

在CDMA系統(tǒng)中，RAKE接收機(jī)通常用來抵抗多經(jīng)衰落。然而，除了多經(jīng)效應(yīng)外，諸如頻偏、多普勒效應(yīng)、缺乏時間的同步等因素也可能導(dǎo)致CDMA系統(tǒng)同一小區(qū)用戶的內(nèi)部干擾。這些干擾盡管可以通過時域均衡器得到緩解，但不能象OFDMA那樣徹底解決。

OFDMA物理層還支持子信道化。移動WiMAX的OFDMA物理層在上行和下行均支持子信道化，并根據(jù)不同的子信道情況采用不同的調(diào)制編碼方式，從而提高信道利用率。采用OFDMA方式的改進(jìn)后，移動WiMAX多徑信道內(nèi)的子信道維持其正交性。正交子信道同時降低了系統(tǒng)的時間同步要求。因此，在多徑效應(yīng)普遍的無線寬帶系統(tǒng)中，采用OFDMA的移動WiMAX相比于CDMA系統(tǒng)顯得健壯而簡單，并允許自干擾的存在。

2.2.2　信道帶寬的可擴(kuò)充特性

移動WiMAX的信道帶寬可擴(kuò)充性是系統(tǒng)采用了OFDMA技術(shù)后最重要的優(yōu)點之一。可擴(kuò)充特性是指在調(diào)整子載波頻率間距時，通過調(diào)整FFT大小來適應(yīng)信道帶寬（見表2）。當(dāng)調(diào)整子載波頻率間距和符號的持續(xù)時間時，物理上的時間和頻率資源是固定的。因此，擴(kuò)充信道帶寬對上層的影響有限。OFDMA采用多個子載波（sub-carrier）捆綁為1個子信道（sub-channel）的方法，可以使無線頻譜資源得到靈活使用，可擴(kuò)充性的帶寬給移動WiMAX帶來了高性能的小區(qū)吞吐量和QoS能力。

而1xEV/DO和HSPA在給定的信道帶寬內(nèi)（由表2可知），對信道的帶寬變化非常敏感，這是因為信號占滿了整個信道，而在頻域上沒有與OFDMA信號類似的調(diào)制特性來適應(yīng)可擴(kuò)展特性。事實上，CDMA碼和幀結(jié)構(gòu)都可以通過優(yōu)化來適應(yīng)新的信道帶寬，這也是LTE（長期演進(jìn)）發(fā)展所考慮的一部分。

2.2.3　正交上行鏈路多址接入

移動WiMAX由于采用了OFDMA技術(shù)，其子信道的正交性相比于CDMA具有無可比擬的優(yōu)勢。因為OFDMA系統(tǒng)中用戶被分配到信道的不同子部分，多用戶之間壓根不存在MAI（多址干擾）問題。因此，OFDMA支持上行高階調(diào)制，并能獲得上行高效頻譜效率。

CDMA系統(tǒng)的每個用戶信息是基于整個信道的轉(zhuǎn)發(fā)，在目前比較盛行的同步CDMA系統(tǒng)中，用戶之間的多址接入和MAI大大制約了其上行鏈路的頻譜效率（國產(chǎn)的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA除外，這主要是由于TD-SCDMA系統(tǒng)的核心技術(shù)特點充分提高了頻譜效率）。而采用OFDMA技術(shù)的移動WiMAX系統(tǒng)能在上、下行鏈路的數(shù)據(jù)吞吐方面進(jìn)行平衡。正交的子信道還能為上行鏈路提供更好的控制調(diào)度和資源分配。因此，其上行鏈路的性能可以得到很好的預(yù)期效果，QoS也能更好地執(zhí)行。

2.2.4　支持TDD頻譜效率

移動WiMAX支持時分雙工（TDD）、頻分雙工（FDD），同時也支持半雙工頻分（HFDD）。而且更傾向于支持TDD模式，這主要是由于TDD模式的優(yōu)異性能所決定的。這也是移動WiMAX能夠有效地與TD-SCDMA技術(shù)結(jié)合的原因。

2.2.5　頻率的選擇性調(diào)度

1x EV/DO和HSPA的信號占用了整個帶寬，而移動WiMAX的信號只占用帶寬的一部分。在無線寬帶信道中，傳播條件隨著不同環(huán)境下的用戶而不斷改變，移動WiMAX支持頻率的選擇性調(diào)度來充分利用多用戶頻率差異，從而提高服務(wù)質(zhì)量。移動WiMAX的相鄰子載波可以交換，這為基于相同信號長度的移動用戶分配相同的子載波成為可能。這與TDMA/CDMA相比大大增加了容量和服務(wù)質(zhì)量。

2.2.6　頻率復(fù)用與干擾解決

HSPA、1xEV/DO和移動WiMAX都支持頻率復(fù)用。例如將所有小區(qū)或扇區(qū)操作放在同一個頻率信道上以最大化頻譜利用率。然而，由于頻率再利用存在的嚴(yán)重干擾，小區(qū)邊界的用戶可能無法滿足鏈路質(zhì)量要求。HSPA和1x EV/DO通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載來解決此類干擾問題。但是這種調(diào)整造成了系統(tǒng)容量的損失和業(yè)務(wù)的下降。移動WiMAX系統(tǒng)中，用戶是基于子信道操作的，子信道只占用整個信道帶寬的一小部分，小區(qū)邊界存在干擾時，系統(tǒng)通過子信道使用情況進(jìn)行重配置。避免了負(fù)載調(diào)整造成的容量損失問題。在移動WiMAX中，子信道的分裂和可交換功能使得其再利用功能靈活多變。

2.2.7　QoS

為了滿足寬帶無線業(yè)務(wù)的市場需求，WiMAX技術(shù)應(yīng)運而生。同時，面向連接的QoS必須在空中接口上提供精準(zhǔn)的業(yè)務(wù)控制。盡管空中接口通常是移動網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)面向連接的QoS還是能提供有效的端到端的控制。業(yè)務(wù)流參數(shù)可以通過MAC消息對動態(tài)業(yè)務(wù)需求自動適應(yīng)地進(jìn)行動態(tài)管理。業(yè)務(wù)流在上行和下行方向提供相同的控制機(jī)制。此外，由于子信道是正交的，上行和下行都不存在內(nèi)部干擾問題。因此，基站可以輕易地控制上行和下行方向的鏈路質(zhì)量和QoS。

WiMAX的空中接口定義了5種QoS等級：主動授予業(yè)務(wù)（UGS）、實時輪詢業(yè)務(wù)（rtPS）、實時輪詢業(yè)務(wù)（rtPS）、非實時輪詢業(yè)務(wù)（NrtPS）、和BE（Best Effort）。這些業(yè)務(wù)對于VoIP、視頻直播、流媒體和Internet接入等具有無可比擬的優(yōu)勢。

反觀3G系統(tǒng)的QoS，則存在著諸多限制。3G系統(tǒng)只有優(yōu)先級和非優(yōu)先級的QoS策略，當(dāng)業(yè)務(wù)流量大時，優(yōu)先級的業(yè)務(wù)完全擠兌了非優(yōu)先級的業(yè)務(wù)。這對于各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求極其不利。

2.2.8　先進(jìn)天線技術(shù)

與HSPA和1xEV/DO不同，移動WiMAX因為采用了OFDM/OFDMA和TDD模式，適合采用波束賦形、STC（空時碼）、SM（空域多路復(fù)用）、AAS（自適應(yīng)天線系統(tǒng)）和MIMO（多入多出）等先進(jìn)天線技術(shù)。這些天線技術(shù)是無線通信技術(shù)發(fā)展的方向，能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下，大大提高系統(tǒng)的容量、覆蓋和無線傳輸性，將來具有廣泛的應(yīng)用。

這些技術(shù)也可以看作3G系統(tǒng)中，智能天線和軟件無線電的未來發(fā)展演進(jìn)方向。

3、結(jié)論

HSPA和1x EV/DO與WiMAX的本質(zhì)區(qū)別在于它們的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法。3G是一項基于語音的技術(shù)，目標(biāo)是向數(shù)據(jù)方向演進(jìn)；而移動WiMAX是一項數(shù)據(jù)的技術(shù)，其目標(biāo)是向移動化演進(jìn)。兩者各有側(cè)重點。移動WiMAX由于物理層采用了OFDMA技術(shù)和多天線等技術(shù)，顯得極具優(yōu)勢。這些優(yōu)勢是現(xiàn)實的，實在的，甚至已經(jīng)實現(xiàn)了的。從網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)來看，HSPA和1xEV/DO和WiMAX互為補(bǔ)充、相互競爭并共存。隨著TD-SCDMA在國內(nèi)的可能大規(guī)模部署，移動WiMAX將可能成為TD-HSPA的重要補(bǔ)充。