4G无线标准：LTE vs WiMAX - 通信/网络 - 电子工程师俱乐部

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长期演变(LTE)和WiMAX这两种技术都使用了先进的方法，如正交频分多址(OFDMA)和多入多出(MIMO)，而且它们也都是完全基于IP(互联网协议)，具有高速数据功能，可实行快速互联网访问和视频等高级应用。国际电信联盟(ITU)把LTE和WiMAX定义为3G。一些专家认为，这两种标准接近4G，更像是3.9G。

虽然这两种系统似乎竞争激烈，最终会有一个胜出，一个被淘汰，但事实可能并非如此。在某些地区的数据服务中也许存在竞争，但这并不代表全部。这两种标准是在不同历史背景下开发的，现在已有各自不同的用武之地。LTE明显是UMTS/WCDMA/HSPA和CDMA2000 3G等蜂窝技术的后继者，而WiMAX主要用于宽带无线连接和回程链路。

<strong>LTE技术</strong>

LTE技术是从最早的GSM语音技术、用于数据传送的GPRS和EDGE到目前的UMTS WCDMA和HSPA先进3G技术发展而来的。如今这个标准的大部分已经完成，但还没有最终定稿。目前LTE正处于冗长的ITU标准化过程，有望于今年晚些时候最终完成。

大多数蜂窝运营商同意将LTE用作4G标准，让全球几乎每个人享受新技术带来的快乐。这些运营商包括了美国的Verizon和Sprint，他们使用不同于 UMTS WCDMA标准的CDMA2000标准。中国则希望采用基于时分复用(TDD)而不是频分复用(FDD)的LTE变种。目前为止已有30多家运营商同意采用LTE，并计划在不久的将来将LTE集成到进系统中。

目前，处于运营中的LTE系统都是遍布全球各个地区的试验性系统。到2010年将可以见到一些正式的LTE，但大多数运营商暗示将从2011年开始或2012年以后开展大规模部署。

业界现还在积极推广仍然很新的3G系统，这些系统的工作状况非常良好。不过，LTE是必然的选择。更大的用户容量和更高的数据速率不仅支持目前和未来的视频等服务，而且支持数据密集型服务，比如手机上网等。

LTE 是专门针对移动应用设计的无线标准，下行链路数据速率高达100Mbps，上行链路速率高达50Mbps。相比之下，目前大多数HSPA 3G服务的最大下行速率只有14Mbps，上行速率只有5.7Mbps。更新的HSPA标准将最大下行链路和上行链路速率分别定义为84Mbps和 22Mbps，但这种系统目前还没有商用化。LTE具有的这些高速率可以让用户流畅地访问视频、互联网服务、游戏和其它数据密集型应用。

目前的WCDMA和HSPA信道使用5MHz带宽，而LTE设计使用不同的带宽，包括1.4、3、5、10、15和20MHz。每种带宽分别使用128、256、512、1024、1,536和2,048个快速傅里叶变换(FFT)子信道。

LTE原则上可以在当前已分配并具有足够带宽的任何蜂窝频率上正常工作，但并不是所有频率都适合较宽的带宽模式。在美国，LTE将运行在2.1GHz频段和700MHz分配频率。

LTE是严格的FDD技术，其发送和接收频段相互分开。下行链路和上行链路频率隔离度不是固定不变的，在最低频段上的变化范围从约12MHz至18MHz，在较高频率上高达340MHz至560MHz。更高的数据速率需要更宽的带宽，而且需要使用大量的频谱空间。

正交相移键控(QPSK)、16相正交幅度调制(16QAM)和64QAM是LTE常用的调制技术，具体取决于可用带宽和数据速率要求。LTE支持不同模式的MIMO，包括用于下行链路的4x4、2x2、2x1和1x1。典型蜂窝容量在5MHz带宽时为200左右。更宽的带宽可以使每个蜂窝基站的用户数增加到400个以上。频谱效率在5bit/Hz范围，但取决于物理层(PHY)细节。

OFDMA只用在下行链路，上行链路的无线技术是单载波频分多址(SC-FDMA)。选择OFDMA的原因主要是为了降低手机的功耗。这种技术的峰值与平均功率比(PAPR)要小于OFDM，但意味着可以使用更简单的射频功率放大器。这种技术支持1x2和1x1的MIMO模式。

LTE是一种蜂窝电话技术，但它也可以应用于高速宽带无线连接，比如USB适配器和数据卡，或者嵌入进笔记本和上网本。在这些领域，LTE将直接与WiMAX竞争。LTE毫微微蜂窝还能使高速服务直接进入家庭。

虽然目前还没有LTE基础设施，但ITU和3GPP已经在研究真正的4G技术了。这种4G技术称高级国际移动通信(IMT-Advanced)，它定义了更为先进的LTE版本。特别要说明的是，IMT-Advanced或LTE- Advanced的移动数据速率将超过100Mbps，固定或漫游速率可达1Gbps。显然，达到这些指标需要依靠更高的带宽(>20MHz)、更大的MIMO模式和其它技术。尽管如此，人们见到这个标准或其应用还需要数年时间。

<strong>LTE部署问题</strong>

除了蜂窝系统由于采用全新技术而带来高额成本外，运营商还面临其它一些关键问题，包括交换式和分组式系统的区别、需要更多的基站、语音服务角色以及回程链路不足。目前所有蜂窝系统都是电路交换系统，而LTE是基于分组的系统。

这意味着运营商需要继续保留原来的电路交换系统和设备，以便为老用户和当前一些用户提供传统服务。但与此同时，新的分组系统必须要实施，并与所有现有系统保持兼容。

在美国，LTE最初会使用2.1GHz和2.6GHz左右较高的蜂窝频率。在这个频率，蜂窝基站覆盖范围要比典型的800MHz或900MHz基站小得多，因此需要更多的基站，从而大大增加了成本。唯一的希望是使用一些运营商拥有的最新700MHz分配频段，这个频率下的基站覆盖范围与当前基站相当，甚至稍好一些。

LTE是一种分组数据系统，设计时没必要考虑语音服务，因此运营商无疑会面临如何在LTE上实现语音的问题。有三种系统可以考虑。

第一种是电路交换(CS)回退，让运营商使用现有的电路交换3G技术处理LTE语音。第二种是IP多媒体子系统(IMS)，在这种情况下，网络可以处理任何服务。第三种系统是通过LTE通用访问传送语音(VoLGA)，此时电路交换语音在LTE网络上通过隧道传送。

最后，大多数蜂窝网络的回程通道还不够，特别对具有繁重3G业务的应用而言，因此，全面部署LTE确实是一种很好的解决方法。这意味着淘汰掉数百万条T1和T3线路，增加更快的微波回程，在可行的地方甚至采用光纤回程。

<strong>WiMAX准备就绪</strong>

虽然在微波接入方面缺少全球互操作性，但WiMAX比LTE领先很多。第一个IEEE802.16 WiMAX标准是在2003年批准的，现在称为固定WiMAX的802.16d标准发布于2004年，移动WiMAX版本802.16e发布于2006 年。多年来，WiMAX的开发和应用虽然缓慢但非常稳健。

WiMAX作为一种宽带无线访问(BWA)技术，可替代或竞争用于互联网访问的DSL和有线电视技术。虽然WiMAX在美国不太成功，但最终成功似乎不可阻挡。WiMAX在发展中国家已经取得了很大的成就，特别是那些安装新的有线电信系统不可能或不切实际的地方。

在印度、南美洲和其它地方已有许多BWA WiMAX装置用于电话、互联网服务和回程。韩国也使用802.16e WiMAX的同类技术BWA WiBro。日本的对应技术是XGP。

Sprint 和Clearwire准备在美国大量采用WiMAX提供BWA服务，特别是在一些较小型的城市。Clearwire的Clear服务现在已经推广到16个州48个以上的城市，并且还将继续增加。下行链路数据速率为1.5Mbps的基本服务价格为30美元。通过数据modem还能提供IP语音(VoIP)服务，每个月的费用是50美元。另外还能为笔记本电脑提供相应的数据卡。

随着美国政府向更偏远的不发达地区的宽带接入业务发展注入刺激资金，WiMAX有望得到进一步增长，包括Comcast和Time Warner在内的有线电视公司也在美国一些地区采用WiMAX提供BWA服务。

美国的WiMAX使用2.3GHz和2.5GHz频段，韩国使用2.7GHz。全球其它地区使用3.5GHz频段，不过美国还分配有3.65GHz频段和新的700MHz开放频段。虽然大多数频率分配落在2GHz至11GHz范围，但WiMAX的可用频率还可以在11GHz至66GHz之间。

802.16d 固定版本的WiMAX使用具有256个点和1024个子信道的FFT的OFDM和OFDMA技术。而在802.16移动版本中，WiMAX使用同样点数和 128、512和2048个子信道的FFT。802.16d的典型带宽为3.5、5、7、10和20MHz，802.16e的典型带宽为5、8.75、 10和20MHz。

调制方法包括二元相移键控(BPSK)、QPSK、16QAM和64QAM。调制方法自适应覆盖范围和其它环境条件。WiMAX也具有2x2收发格式的MIMO能力。总的蜂窝容量在100至200个用户之间。典型的频谱效率为3.75bits/Hz。

WiMAX 主要提供数据服务。在WiMAX上可以实现VoIP，但更适合固定服务而非移动手机。WiMAX更像是超长距离版本的Wi-Fi。它没有那么快，但覆盖范围可达数英里。你可以见到WiMAX USB适配器、数据卡以及笔记本和上网本中的嵌入式WiMAX。WiMAX毫微微蜂窝基站也在抓紧开发中。

数据速率取决于用户购买的服务、带宽、调制方式和其它因素，但在普通消费环境中WiMAX的典型速率是1至2Mbps。在最大带宽和其它条件下可达约75Mbps的最大速率。根据基站布置和数量，WiMAX覆盖范围从1英里至5英里左右。

用于回程时，在理想条件下最大范围可达30英里左右。至于复用方面，FDD或TDD都可以用，但大多数WiMAX使用TDD。最后，IEEE正在研究更新版的802.16m，其数据速率可以从100Mbps至1Gbps。这个速率能够很好地满足ITU对IMT-Advanced的要求，因此WiMAX有望成为IMT-Advanced定义中的一部分。

<strong>具有亮点的半导体方案</strong>

ADI公司有一系列射频产品可以用来实现LTE或WiMAX，其中AD935x收发器就是设计用于WiMAX与LTE用户端设备(CPE)和终端实现，也可以用于像毫微微蜂窝和微微蜂窝等小型基站。AD9356和AD9357分别工作在2.3至 2.7GHz和3.3至3.8GHz频段。这两种器件都采用双发送和接收链(用于MIMO)，并包含片上12位模数转换器(ADC)、数模转换器 (DAC)和频率合成器。


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图1：ADI的ADRF670x是一个带PLL和VCO的发送调制器(a)。ADRF660x混频下变频器包括一个用于单端50Ω输入的射频输入不平衡变压器和一个带VCO的PLL合成器(b)。这两个器件都适用于LTE和WiMAX基站设计。

ADRF670x 和ADRF660x同样用于这一领域(图1)。ADRF670x是一个模拟I/Q调制器，集成了射频输出开关和带集成式压控振荡器(VCO)的锁相环 (PLL)。这个器件的带宽可达500MHz，专门设计用于中频上变频发送信号通道。ADRF670x还具有较高的线性输出功率。ADRF660x是系列有源射频混频器，用于接收通道的下变频。ADRF660x包含一个用于单端50Ω输入的射频输入不平衡变压器和一个带集成式VCO的PLL合成器，其差分中频输出支持高达500MHz的频率。

picoChip公司提供的PC9608/9 LTE开发系统主要用于针对城域网、企业和住宅应用优化过的小型LTE基站。这套开发系统有望加快基站设计的上市时间。PC9608/9 LTE开发系统集成了基带、软件堆栈和射频单元，可以帮助设计师和运营商测试新网络架构的部署。

大多数LTE实现将是标准宏基站。然而，运营商认识到，大多数LTE被分配到较高频率将要求更小的基站，其中包括家庭毫微微蜂窝。


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图2：picoChip PC9608/9小型基站设计基于使用248或273迷你处理器的PC203 picoArray，可通过大量并行操作实现LTE的技术指标。

PC9068/9集成了兼容3GPP标准的运营级软件定义LTE modem，可以通过应用编程接口得到快速优化和定制。这套系统使用picoChip公司的PC203多内核picoArray芯片，同时支持TDD和FDD版本的LTE(图2)。

Wavesat 公司的Odyseey 9000主要用于手机、适配器、数据卡和其它移动无线设备。这个集成式系统级芯片(SoC)提供完全可编程的架构，可以轻松适应不断发展的LTE标准。 Odyssey 9000还能轻松实现WiMAX和日本的XGP等效标准。这是一个混合型芯片，整合了高效的DSP和硬件加速模块，可轻松支持LTE 100Mbps下行链路和后面的150Mbps版本。

OD9010是第一个芯片版本，提供完整的LTE协议栈，包括MAC、PDCP、RRC和NAS层。另外还提供参考设计。OD9050将在同一芯片组内提供3G和LTE功能。

“我们正在与一些领先运营商和OEM合作，开发具有完整可互操作性能的LTE器件，以满足LTE网络明年开始全球推广所提出的要求。”Wavesat公司总裁Rah Singh表示。

作者：Louis E. Frenzel