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从WiMAX到LTE:不同宽带无线接入技术殊途同归

从WiMAX到LTE:不同宽带无线接入技术殊途同归

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。  
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。
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