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从WiMAX到LTE：不同宽带无线接入技术殊途同归    
 
侯自强  
 
摘要　游牧和移动宽带无线接入将成为未来通信市场的重要需求。WiMAX正是针对这一需求而专门发展的，其性能强、效率高、成本低，具有灵活的体制，可通过配置满足各种应用场景的要求。同样，为了进入宽带无线接入市场，3GPP首先发展了被称为3.5G的HSDPA技术(可以大幅度提高分组数据的传输速率)，2004年底又决定发展长期演进(LTE)计划，其指标和技术都与WiMAX相近，可以说是殊途同归。面对LTE的竞争，WiMAX要想在宽带无线接入市场中占有一席之地必须拥有好的频率，使用地面电视广播频率可提供大面积覆盖，降低成本。  
 
关键词　WiMAX　802.16d/e　3G　高速下行分组接入　高速上行分组接入　正交频分多址  
 
1、前言  
 
　　随着PDA和笔记本电脑的发展普及，用户希望能够随时随地上网，一个新的市场——“宽带无线游牧/移动接入”正在兴起。宽带无线接入技术面向一个固定和移动通信融合的新市场，它可提供与宽带有线固定接入并行的宽带无线接入业务，支持游牧和移动应用。它与宽带固定接入使用共同的核心网、业务支持和AAA系统，其速率可达几百kbit/s甚至几十Mbit/s，终端主要是笔记本电脑和PDA。  
 
　　目前的2.5G/3G手机移动数据业务和宽带无线接入业务是两个不同的市场段。手机数据业务基本是一个专网，下载速率在100kbit/s以下。智能手机可以接入互联网，但是性能不理想没有形成主流应用。3G系统不能有效地满足这一市场的需求，因此目前3G系统正在向3.5G(HSDPA/EV-DO)演化，开始进入宽带无线接入市场。  
 
　　WiMAX(IEEE 802.16d/e)是固定(游牧)/移动宽带无线城域网技术，其无线链路的物理层和MAC层的设计考虑了突发型的分组数据业务的要求，能够自适应无线信道环境，其核心网是标准的IP网。  
 
　　3G系统在支持IP数据业务时频谱效率低的原因是，其面向连接固定带宽的结构不适应突发式IP数据业务的需求。为此，3GPP在R5系统中增加了高速下行分组接入(HSDPA)(被称为3.5G)，速率可以达到10Mbit/s以上，随后将进一步在R6中增加高速上行分组接入(HSUPA)，核心网也在向全IP网演化。为了能够与WiMAX竞争，3GPP在2004年底发展了长期演化(LTE)计划(被称为3.9G)。  
 
2、固定(游牧)/移动宽带无线接入802.16d/e  
 
　　IEEE在其802工作组内与802.3以太网工作组并行发展了系列的固定/移动宽带无线接入技术，包括无线局域网802.11、无线个人域网802.15、无线城域网802.16和无线广域网802.20。它们的无线链路的物理层和MAC层的设计都专门为满足突发型的分组数据业务，能够自适应无线信道环境，共享的核心网是标准的IP网。IEEE 802.21被发展用来解决802系列中各种接入网、固定以太网以及蜂窝移动通信网之间的基于移动IP的漫游和切换问题。这种体制符合IP化和NGN的技术发展趋势，具有优越的性能。  
 
　　无线城域网802.16最初用于提供点到点高速视距传输的无线链路，可以用于上连干线，将802.11a无线接入热点连接到互联网，也可连接公司与家庭等环境至有线骨干线路，其工作频率为10-60GHz。之后进一步发展到点到多点、非视距传输的宽带无线接入网802.16a，可作为电缆调制解调器和DSL的补充，提供固定无线宽带接入，工作频率降低到2-11GHz。再后来完善成为802.16d，现在进一步发展成为可以支持移动应用的802.16e，工作频率降低到2-6GHz。  
 
　　参照3GPP的定义，802.16d/e的运行环境是：  
 
　　●室内环境，采用pico-cell室内基站，覆盖半径＜100m；  
 
　　●室外到室内和游牧，采用micro-cell，100m＜覆盖半径＜1000m；  
 
　　●车内和高天线，采用macro-cell，覆盖半径＞1000m；  
 
　　●混合环境，macro-cell和micro-cell重叠。  
 
　　802.16有几种物理层方案供不同蜂窝使用，适合不同应用、频率计划和政策：  
 
　　●OFDM(WMAN-OFDM空中接口)256点FFT，采用TDMA(时分多址)。  
 
　　●OFDMA(WMAN-OFDMA空中接口)2048点FFT，采用OFDMA(正交频分多址)。  
 
　　●单载频(WMAN-SCa空中接口)TDMA(TDD/FDD)BPSK、QPSK、4QAM、16QAM、64QAM、256QAM，多数厂商使用频域均衡器补偿多径干扰造成的频率衰落，解决信道均衡问题。  
 
　　单载频系统主要用于点到点的传输，不符合宽带接入的需求。目前大部分商品化的系统采用2560FDM，多址采用TDMA。这种方法比较简单，容易实现，但是由于客户终端发射功率受峰值平均功率比(PAR)限制，无线链路增益不够，必须使用室外天线再提供十多分贝的增益(如3.5GHz固定宽带无线接入)。由于必须使用室外天线，所以实际上这种系统不能支持笔记本电脑游牧/移动宽带无线接入应用。由于大部分WiMAX设备制造商是从原来的3.5GHz固定无线接入设备制造商转变而来，因此目前的WiMAX商品大都属于这一类。  
 
　　适合游牧/移动宽带无线接入应用的系统需要采用OFDMA。OFDMA结合了时分和频分多址技术。客户终端可以在上行链路中只使用几个子载频，所以将发射功率集中在这几个子载频内，能够提高信噪比十几分贝，满足笔记本电脑0dB天线室内接收需求。实际上802.16d-2004中已经定义了这种工作方式，但是由于无商品化产品，耽误了WiMAX的发展进程。  
 
　　802.16a/d的MAC层支持OFDM/OFDMA、ARQ(自动重发请求)，在使用不需要许可证的频段时可以进行动态频率选择(DFS)，还支持附加先进天线系统(advanced antenna system，AAS)以提供更高的性能，以及支持网状模型(mesh mode)工作，以TDD方式提供客户到客户之间的直接通信(这种方式只能工作在非许可证频段)。  
 
　　802.16d蜂窝半径越小，能够提供的容量越高。在室外游牧状态，蜂窝半径为2.5km时，每个蜂窝容量可以达到4.31(bit.s-1)/Hz；带宽为5MHz时，传输速率为21.5Mbit/s，是WCDMA的几十倍。通过采用多天线MIMO时空处理还可以进一步提高速率。  

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3、3G发展分组高速数据业务的努力

　　3GPP和3GPP2都已认识到他们目前的系统提供互联网接入业务的局限性，试图在原来的体系框架内，首先在下行链路中采用分组接入技术，大幅度提高IP数据下载和流媒体速率。

　　3GPP在R6中引入的HSUPA标准，使用与802.16d/e相似的三项技术：自适应调制和编码(AMC)、混合快速自动重发(HARQ)和快速调度(采用时分多址+码分多址)，以提高下行数据传输速率，适应突发型分组数据的要求。

　　快速调度实现多用户复用HS-PDSCH(高速物理下行共享数据通道)，采用短帧每2ms一次调度分配信道资源给多个用户，以适应突发型分组数据，提供高的平均吞吐量。

　　与802.16d/e中采用OFDMA不同，HSDPA通过码分复用将多个子信道复用结合在一起，构成下行数据通道。HS-DSCH(高速下行共享数据通道)子信道帧长度为2ms，包含三个时隙。将HS-DSCH子信道映射到物理信道时采用扩谱技术，使用固定扩谱系数SF=16得到物理子信道HS-PDSCH。15个扩谱的物理子信道HS-PDSCH通过码分复用结合在一起构成HSDSCH。这样，客户站是以码分和时分两种方式共享信道。HSDPA和802.16d/e在分组数据共享信道的原理是一样的，都是在子通道和时隙上进行规划和调度，但是802.16d/e能够提供的子信道要多一些，调度也更灵活。

　　HSDPA也采用AMC，每2ms进行一次信道质量测量，根据信道质量指数(CQI)决定采用的调制和编码方法。HSDPA可采用不同参数的QPSK和QAM调制。采用QPSK调制时一个物理子信道的传输速率为480kbit/s，采用64QAM调制时达到1440kbit/s，提高了三倍，而前述15个物理信道HS-PDSCH的码分复用相当于提高速率15倍，两者合计提高速率45倍。这只是一个粗略的估计，说明为什么在WCDMA框架内，采用快速调度和自适应调制编码可以提高速率数十倍，达到与802.16d/e可以比较的水平。

　　HSDPA采用的另外一项关键技术是HARQ，其主要原理是：接收方在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传的数据和先前接收到的数据在解码之前进行组合。HARQ技术可以提高系统性能，并可灵活地调整有效码元速率，还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。

　　在WCDMA R5中引入HSDPA技术后，UTRAN部分的结构基本不变，在Node B通过增加插卡，新增了MAC-hs功能块，并在物理层新增了三种新的物理信道：15个高速物理下行共享信道、一个高速共享控制信道和一组上行的高速专用物理控制信道。

　　HSDPA另外一项改进是将调度功能从基站控制器移到基站，这样可以减小时延。目前，3GPP组织对MIMO与高阶调制等技术在做进一步的研究，希望可以继续提高下行链路的数据速率。HSDPA实际使用的典型速率是：宏蜂窝为1-1.5Mbit/s，微蜂窝为4-6Mbit/s，微微蜂窝大于8Mbit/s。

　　在3GPP R6中引入的HSUPA将解决上行链路分组化问题，提高上行速率，进一步引入自适应波束成形和MIMO等天线阵处理技术，可将下行峰值速率提高到30Mbit/s左右。

　　HSDPA和HSUPA被称为3.5G技术，属于中期演化技术，受原体制束缚较大，性能不够理想。3GPP发现在HSDPA和ITU部署的B3G之间存在一个空档，这正是WiMAX的目标。在一段时间内的宽带无线接入市场上，HSDPA、HSUPA与WiMAX的竞争将处于劣势。为了提高3G在新兴的宽带无线接入市场的竞争力，摆脱Qualcom的CDMA专利制约，需要发展LTE(long term evolution)计划，以填补这一空档。基本思想是采用过去为B3G或4G发展的技术来发展LTE，使用3G频段占有宽带无线接入市场。2004年12月3GPP雅典会议决定由3GPP RAN工作组负责开展LTE研究，将于2006年6月完成，2007年6月推出。

　　LTE将选择新的空中无线接口标准(0FDMA呼声很高)，使用带宽从1.25MHz到20MHz，速率下行达到100Mbit/s，上行达到50Mbit/s。LTE还将发展新的网络结构。此前3GPP的演化方案包括HSPDA都是在原有RAN和核心网的基础上逐步演进，受限制较大。所以LTE将在原来的3G无线接入网之外，建立一个新的全IP化的RAN和与固网融合的纯IP的核心网，以满足宽带无线接入的需求。这样移动通信系统将不再自成系统，而只是提供宽带移动无线接入，真正实现了固定网和移动网的融合。目前LTE工作组正在紧锣密鼓地从需求开始全面开展工作，由于在3GPP内部意见并没有完全统一，能否达到预定目标还存在一些问题。

　　在我国与LTE对应的计划被称为E3G，“863”计划中与B3G对应的Future计划被考虑用于发展E3G，参与LTE的发展工作。在3GPP2方面正在执行类似的被称为空中接口演进(air interface evolution，AIE)的计划。

4、未来宽带无线接入市场的竞争态势

　　WiMAX面向的是宽带无线接入市场，3G移动通信面向的是以手机为主的蜂窝移动通信系统，一般来说它们之间是互补的关系。但是当3GPP面向宽带无线接入市场发展HSDPA，尤其是发展LTE之后就出现了竞争关系。从上面的分析中我们可以看到WiMAX和3GPP LTE面对的是同一市场，指标是相近的，采用技术也是类似的，可以说是殊途同归。

　　3GPP决定发展LTE是一次有战略意义的决定，对于其未来的发展有深远影响。尽管目前LTE的发展能否摆脱原来体系结构的束缚还有疑问，但是其成员是目前3G的主流运营商，力量雄厚又拥有3G频率使用许可证，他们发展的LTE即使性能差一些，在宽带无线接入市场上仍然拥有很强的竞争力，而且他们一旦拥有LTE就不会再考虑使用WiMAX等竞争的技术。此外，LTE使用3G的频率，甚至可以使用2G的频率，有较好的穿透能力，保障系统有较高的性能价格比。

　　WiMAX是由IT界发展的宽带无线接入技术，由于没有原体制的束缚，最符合宽带接入市场的需求。由于LTE的出现，可能采用WiMAX的运营商主要是固网运营商和新运营商。Intel等IT设备制造商是WiMAX坚定的、强有力的支持者，他们希望通过WiMAX进入宽带无线接入市场。Intel在未来笔记本电脑中捆绑WiMAX的承诺增强了WiMAX的竞争能力。

　　当今困扰WiMAX发展的主要问题是频率问题。目前已经认可的频率是3.4-3.8GHz许可证频率和5.725-5.85GHz免许可证频率。很多国家允许使用更高的频率，将其当作5GHz免许可证频段的一部分，目的是室外应用。由于其穿透力差，使用这些频率的WiMAX系统不可能和LTE竞争。正待批准的频率是2.3-2.7GHz许可证频率，目前只有韩国将2.3-2.4GHz频率分配给WiMAX。国际上主要集中争取2.5-2.6GHz的频率。这些频率仍然偏高，与3G移动通信频率相比性能较差。

　　WiMAX发展宽带无线接入的最佳和可能选择是使用电视广播频段(UHF)。由于UHF频道的穿透力好，可以实现大面积覆盖，便于降低成本、提高竞争能力。目前全球不少地方开始了争取分配＜1GHz频段用于宽带无线接入的努力。在美国正在争取使用许可证+免许可证频段，已经拍卖到频道54、55、59(710-722MHz，740-746MHz)，未来可能拍卖更低频率的频道(698-746MHz)或更高频率的频道(747-794MHz)。在我国，无线电管理委员会已经将798-862MHz频段从广电总局手中收回自己直接管理。

　　在美国正在磋商免许可证使用低于700MHz的空白电视频道。美国FCC提出使用这些频率必须采用感知无线电，以避免干扰。为此IEEE设立了IEEE 802.22感知无线区域网(WRAN)标准工作组，其目的是发展空中接口(MAC和物理层)在各种不同地理区域提供宽带无线接入，包括人口稀少的农村地区，空中接口具有干扰保护机制，以便作为次要使用者使用54-862MHz的电视频段。这样WiMAX又多了一个竞争者。为此，IEEE 802.16又成立了IEEE 802.16h工作组，致力于改进诸如策略和媒体接入控制增强等机制，以确保基于IEEE 802.16的免许可证系统之间的共存，以及与有主要使用者的系统之间的共存。IEEE 802.16h使WiMAX能够满足FCC的要求，作为次要使用者使用空白的地面电视频道。

　　使用空白地面电视频率的WiMAX系统将具有优异的性能和极强的竞争力，尤其是在农村边远地区，将成为消除“数字鸿沟”的有效手段。这种系统可以看作是空中的“电缆调制解调器”与地面数字电视广播融合形成网络新媒体。

5、结束语

　　游牧和移动宽带无线接入将成为未来通信市场的重要需求。WiMAX是为这一需求专门发展的宽带无线接入技术，性能强、效率高、成本低，其灵活的体制通过配置可以满足各种应用场景的要求。3G是按照语音为主业务需求设计的，不能满足宽带无线接入的需求。为了进入宽带无线接入市场，3GPP发展被称为3.5G的HSPA之后仍感不足，为了与WiMAX竞争，3GPP决定发展LTE计划，其指标和技术都与WiMAX相近，可以说是殊途同归。WiMAX的发展受频率分配的制约，能否使用地面电视广播频段对WiMAX发展至关重要。