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( 802.16d/e)是为这一需求专门发展的，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。其基本技术主要是：快速规划调度，实现突发分组数据共享多个子信道构成的无线链路；自适应调制和编码；快速自动重发。进一步将采用MIMO等空间时间处理技术来提高性能。3G是按照话音为主业务需求设计的，面向连接，提供固定带宽信道，用于突发分组数据IP业务效率很低。为了进入宽带无线接入市场，3GPP发展被称为3.5G的HSPA (1xEV DO)，可以大幅度提高分组数据的传输速率。为了与WiMax竞争2004年底3GPP决定发展长期演进计划LTE，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提供大面积覆盖，降低成本将大幅度提高WiMax的竞争能力。
关键词 WiMax；802.16d/e；3G；HSDPA；HSUPA；OFDMA

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。宽带无线接入是一个面向固定和移动通信融合的新市场，提供与宽带有线固定接入并行的宽带无线接入，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。宽带无线接入的速率要求达到几百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100 kbit/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。目前3G移动通信正在向3.5G (HSDPA/EV-DO) 演化，开始进入宽带无线接入市场。

　　WiMax采用IEEE 802.16d/e 是固定(游牧)/移动宽带无线城域网，其无线电链路的物理层和MAC层被专门设计满足突发型的分组数据业务，能够自适应无线信道环境，而核心网是标准的IP网。IEEE 802.21被发展用来解决802系列各种有线/无线、固定/移动网络（Wi-Fi,、WiMax和固定以太网等）以及蜂窝移动通信之间基于移动IP协议的漫游和切换问题。这种体制符合IP化的技术发展趋势，具有优越的性能。

　　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，在3GPP R5中增加了高速下行分组接入（HSDPA，被称为3.5G）后，好的情况下速率可以达到10Mbit/s以上。进一步在R6中将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年底决定发展长期演化计划LTE（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。它们的无线电链路的物理层和MAC层被专门设计满足突发型的分组数据业务，自适应无线信道环境，而共享的核心网是标准的IP网。IEEE 802.21被发展用来解决802系列中上述各种接入网以及固定以太网等以及蜂窝移动通信网之间的基于移动IP协议的漫游和切换问题。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线无线链路，用做上连干线将802.11a无线接入热点连接到互联网，也可连结公司与家庭等环境至有线骨干线路。工作频率10～60GHz。进一步发展到点到多点、非视线的宽带无线接入网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。后来进一步完善成为 802.16d，再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2～6 GHz。

802.16d/e的运行环境参照3GPP (ETSI TR 101 112 )定义运行环境是：
　　1)室内环境，采用 pico-cell室内基站，覆盖半径 (r) < 100 m；
　　2)室外到室内和游牧，采用micro-cell，100 m < 覆盖半径(r) <1000 m；
　　3)车内和高天线，采用 macro-cell，覆盖半径(r) > 1000 m；
　　4)混合，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。
　　1)OFDM (WirelessMAN-OFDM空中接口)256点FFT，采用时分多址TDMA(TDD时分双工/FDD频分双工)。
　　2)OFDMA(WirelessMAN-OFDMA空中接口)2048点FFT，采用正交频分多址OFDMA(TDD/FDD)。
　　3)单载频(WirelessMAN-SCa. 空中接口) TDMA (TDD/FDD) BPSK, QPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM 。多数厂商使用频域均衡器补偿多途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256OFDM，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，无线电链路增益不够必须使用室外天线提供增益十多分贝（如3.5GHz固定宽带无线接入），由于必须使用室外天线，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3.5 GHz固定无线接入设备制造商转来的，因此目前的WiMax 商品大都属于这一类，不能支持笔记本电脑游牧应用。
    适合游牧/移动宽带无线接入应用的系统需要采用正交频分多址OFDMA。OFDMA 结合时分和频分多址技术。由于客户终端可以在上行链路中只使用几个子载频，可以将发射功率集中在这几个子载频内，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，但是设备制造商集中力量做256OFDM TDMA 室外天线固定接入系统。而将这种系统留给802.16e 去解决，耽误了WiMax的发展进程。

　　802.16a/d的媒体访问控制层MAC层要求支持OFDM/OFDMA，支持自动重发 ARQ 。在使用不需要许可证的频段时可以动态频率选择 (DFS) 。他可以支持附加先进天线系统 Advanced Antenna System (AAS)以提供更高的性能，还可以支持网状模型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2.5 km时，每个蜂窝容量可以达到4.31 bit/sec/Hz。带宽为5 MHz时，为21.5 Mbit/s，是WCDMA的几十倍。通过采用多天线MIMO时空处理可以进一步提高速率几倍。

3 3G发展分组高速数据业务的努力

　　3GPP和3GPP2都认识他们目前的系统用来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R5以后系统中引入HSDPA标准，并且在R6中引入HSUPA标准。HSDPA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）和快速调度时分码分多址，来提高下行数据数据传输速率，适应突发分组数据的要求。

　　快速调度实现多用户复用共享下行（上行）高速共享数据通道 HS-PDSCH。采用短帧每2 ms一次调度分配信道资源给多个用户，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采用码分复用，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子信道帧长度为2 ms，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通过码分复有结合在一起构成总的HS-DSCH。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/ed能够提供的子信道要多些，调度也更灵活。

　　HSDPA也采用自适应调制编码，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。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480 kbit/s，采用64QAM调制时达到1440 kbit/s，提高了三倍。而前述15个物理信道HS-PDSCH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供速率数十倍。达到与802.11d/e可以比较的水平。

　　HSDPA采用的另外一项关键技术是快速混合自动重传(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。混合自动重传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由基站控制器移到基站，这样可以降低时延。目前，3GPP组织对MIMO与高阶调制等技术在做进一步的研究，希望可以进一步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1～1.5 Mbit/s，微蜂窝4～6 Mbit/s，微微蜂窝 >8 Mbit/s。

　　在3GPP R6中将引入HSUPA解决上行链路分组化问题，提高上行速率。再进一步将引入自适应波束成形和MIMO等天线阵处理技术将下行峰值速率提高到30 Mbit/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之间存在有一个空档，这正是WiMax的目标。在一段时间内，在宽带无线接入市场上，与WiMax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，需要发展长期演化技术LTE（long term evolution），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工作组负责开展无线电接口长期演化LTE研究。2006年6月完成，2007年6月推出LTE标准。参加工作的包括3GPP的200个成员。

　　LTE将选择新的空中无线电接口标准（OFDMA呼声很高），使用带宽从1.25MHz到20MHz，速率容量下行100 Mbit/s，上行50 Mbit/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。LTE将在原来的3G无线接入网之外，建立一个新的全IP化的无线接入网（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。真正实现了固定和移动网络融合。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，不愿意放开原系统从头开始的势力仍然很强大，能否达到预订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AIE（air interface evolution）的演化计划。

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，一般说来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问题，但是其成员是目前3G的主流运营商，其力量雄厚又拥有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。而且一旦他们拥有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业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进入的竞争的运营商。Intel等IT设备制造商是WiMax的坚定的、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3.4～3.8 GHz 许可证频率 和 5.725～5.85 GHz 免许可证频率。很多国家允许使用更高的频率，将其当作 5 GHz 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2.3～2.7 GHz 许可证，目前只有韩国将2.3～2.4 GHz频率分配给WiMax 。国际上主要集中争取2.5～2.6 GHz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 < 1 GHz 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 (710～722 MHz，740～746 MHz) ，未来可能拍卖更低频率的频道(698～746 MHz)或更高频率的频道(747～794 MHz)。在我国无线电管理委员会已经将798～862 MHz频率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700 MHz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 感知无线区域域网(WRAN) 标准工作组（2004年11月）。其目的是发展空中接口( MAC and PHY) 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，具有干扰保护机制，以便作为次要使用者使用54～862 MHz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IEEE802.16h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。这种系统可以看出是空中的“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( 802.16d/e)是为这一需求专门发展的，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是按照话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 (1xEV DO)之后仍感不足，为了与WiMax竞争3GPP决定发展长期演进计划LTE，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。