基于IP協(xié)議的LTE和WiMAX兩種技術(shù)的對比
長期演變(LTE)和WiMAX這兩種技術(shù)都使用了先進(jìn)的方法,如正交頻分多址(OFDMA)和多入多出(MIMO),而且它們也都是完全基于IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議),具有高速數(shù)據(jù)功能,可實行快速互聯(lián)網(wǎng)訪問和視頻等高級應(yīng)用。國際電信聯(lián)盟(ITU)把LTE和WiMAX定義為3G。一些專家認(rèn)為,這兩種標(biāo)準(zhǔn)接近4G,更像是3.9G。
雖然這兩種系統(tǒng)似乎競爭激烈,最終會有一個勝出,一個被淘汰,但事實可能并非如此。在某些地區(qū)的數(shù)據(jù)服務(wù)中也許存在競爭,但這并不代表全部。這兩種標(biāo)準(zhǔn)是在不同歷史背景下開發(fā)的,現(xiàn)在已有各自不同的用武之地。LTE明顯是UMTS/WCDMA/HSPA和CDMA2000 3G等蜂窩技術(shù)的后繼者,而WiMAX主要用于寬帶無線連接和回程鏈路。
LTE技術(shù)
LTE技術(shù)是從最早的GSM語音技術(shù)、用于數(shù)據(jù)傳送的GPRS和EDGE到目前的UMTS WCDMA和HSPA先進(jìn)3G技術(shù)發(fā)展而來的。如今這個標(biāo)準(zhǔn)的大部分已經(jīng)完成,但還沒有最終定稿。目前LTE正處于冗長的ITU標(biāo)準(zhǔn)化過程,有望于今年晚些時候最終完成。
大多數(shù)蜂窩運營商同意將LTE用作4G標(biāo)準(zhǔn),讓全球幾乎每個人享受新技術(shù)帶來的快樂。這些運營商包括了美國的Verizon和Sprint,他們使用不同于UMTS WCDMA標(biāo)準(zhǔn)的CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)。中國則希望采用基于時分復(fù)用(TDD)而不是頻分復(fù)用(FDD)的LTE變種。目前為止已有30多家運營商同意采用LTE,并計劃在不久的將來將LTE集成到進(jìn)系統(tǒng)中。
目前,處于運營中的LTE系統(tǒng)都是遍布全球各個地區(qū)的試驗性系統(tǒng)。到2010年將可以見到一些正式的LTE,但大多數(shù)運營商暗示將從2011年開始或2012年以后開展大規(guī)模部署。
業(yè)界現(xiàn)還在積極推廣仍然很新的3G系統(tǒng),這些系統(tǒng)的工作狀況非常良好。不過,LTE是必然的選擇。更大的用戶容量和更高的數(shù)據(jù)速率不僅支持目前和未來的視頻等服務(wù),而且支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型服務(wù),比如手機上網(wǎng)等。
LTE是專門針對移動應(yīng)用設(shè)計的無線標(biāo)準(zhǔn),下行鏈路數(shù)據(jù)速率高達(dá)100Mbps,上行鏈路速率高達(dá)50Mbps。相比之下,目前大多數(shù)HSPA 3G服務(wù)的最大下行速率只有14Mbps,上行速率只有5.7Mbps。更新的HSPA標(biāo)準(zhǔn)將最大下行鏈路和上行鏈路速率分別定義為84Mbps和22Mbps,但這種系統(tǒng)目前還沒有商用化。LTE具有的這些高速率可以讓用戶流暢地訪問視頻、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、游戲和其它數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。
目前的WCDMA和HSPA信道使用5MHz帶寬,而LTE設(shè)計使用不同的帶寬,包括1.4、3、5、10、15和20MHz。每種帶寬分別使用128、256、512、1024、1,536和2,048個快速傅里葉變換(FFT)子信道。
LTE原則上可以在當(dāng)前已分配并具有足夠帶寬的任何蜂窩頻率上正常工作,但并不是所有頻率都適合較寬的帶寬模式。在美國,LTE將運行在2.1GHz頻段和700MHz分配頻率。
LTE是嚴(yán)格的FDD技術(shù),其發(fā)送和接收頻段相互分開。下行鏈路和上行鏈路頻率隔離度不是固定不變的,在最低頻段上的變化范圍從約12MHz至18MHz,在較高頻率上高達(dá)340MHz至560MHz。更高的數(shù)據(jù)速率需要更寬的帶寬,而且需要使用大量的頻譜空間。
正交相移鍵控(QPSK)、16相正交幅度調(diào)制(16QAM)和64QAM是LTE常用的調(diào)制技術(shù),具體取決于可用帶寬和數(shù)據(jù)速率要求。LTE支持不同模式的MIMO,包括用于下行鏈路的4x4、2x2、2x1和1x1。典型蜂窩容量在5MHz帶寬時為200左右。更寬的帶寬可以使每個蜂窩基站的用戶數(shù)增加到400個以上。頻譜效率在5bit/Hz范圍,但取決于物理層(PHY)細(xì)節(jié)。
OFDMA只用在下行鏈路,上行鏈路的無線技術(shù)是單載波頻分多址(SC-FDMA)。選擇OFDMA的原因主要是為了降低手機的功耗。這種技術(shù)的峰值與平均功率比(PAPR)要小于OFDM,但意味著可以使用更簡單的射頻功率放大器。這種技術(shù)支持1x2和1x1的MIMO模式。
LTE是一種蜂窩電話技術(shù),但它也可以應(yīng)用于高速寬帶無線連接,比如USB適配器和數(shù)據(jù)卡,或者嵌入進(jìn)筆記本和上網(wǎng)本。在這些領(lǐng)域,LTE將直接與WiMAX競爭。LTE毫微微蜂窩還能使高速服務(wù)直接進(jìn)入家庭。
雖然目前還沒有LTE基礎(chǔ)設(shè)施,但I(xiàn)TU和3GPP已經(jīng)在研究真正的4G技術(shù)了。這種4G技術(shù)稱高級國際移動通信(IMT-Advanced),它定義了更為先進(jìn)的LTE版本。特別要說明的是,IMT-Advanced或LTE- Advanced的移動數(shù)據(jù)速率將超過100Mbps,固定或漫游速率可達(dá)1Gbps。顯然,達(dá)到這些指標(biāo)需要依靠更高的帶寬(>20MHz)、更大的MIMO模式和其它技術(shù)。盡管如此,人們見到這個標(biāo)準(zhǔn)或其應(yīng)用還需要數(shù)年時間。
LTE部署問題
除了蜂窩系統(tǒng)由于采用全新技術(shù)而帶來高額成本外,運營商還面臨其它一些關(guān)鍵問題,包括交換式和分組式系統(tǒng)的區(qū)別、需要更多的基站、語音服務(wù)角色以及回程鏈路不足。目前所有蜂窩系統(tǒng)都是電路交換系統(tǒng),而LTE是基于分組的系統(tǒng)。
這意味著運營商需要繼續(xù)保留原來的電路交換系統(tǒng)和設(shè)備,以便為老用戶和當(dāng)前一些用戶提供傳統(tǒng)服務(wù)。但與此同時,新的分組系統(tǒng)必須要實施,并與所有現(xiàn)有系統(tǒng)保持兼容。
在美國,LTE最初會使用2.1GHz和2.6GHz左右較高的蜂窩頻率。在這個頻率,蜂窩基站覆蓋范圍要比典型的800MHz或900MHz基站小得多,因此需要更多的基站,從而大大增加了成本。唯一的希望是使用一些運營商擁有的最新700MHz分配頻段,這個頻率下的基站覆蓋范圍與當(dāng)前基站相當(dāng),甚至稍好一些。
LTE是一種分組數(shù)據(jù)系統(tǒng),設(shè)計時沒必要考慮語音服務(wù),因此運營商無疑會面臨如何在LTE上實現(xiàn)語音的問題。有三種系統(tǒng)可以考慮。
第一種是電路交換(CS)回退,讓運營商使用現(xiàn)有的電路交換3G技術(shù)處理LTE語音。第二種是IP多媒體子系統(tǒng)(IMS),在這種情況下,網(wǎng)絡(luò)可以處理任何服務(wù)。第三種系統(tǒng)是通過LTE通用訪問傳送語音(VoLGA),此時電路交換語音在LTE網(wǎng)絡(luò)上通過隧道傳送。
最后,大多數(shù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回程通道還不夠,特別對具有繁重3G業(yè)務(wù)的應(yīng)用而言,因此,全面部署LTE確實是一種很好的解決方法。這意味著淘汰掉數(shù)百萬條T1和T3線路,增加更快的微波回程,在可行的地方甚至采用光纖回程。
WiMAX準(zhǔn)備就緒
雖然在微波接入方面缺少全球互操作性,但WiMAX比LTE領(lǐng)先很多。第一個IEEE802.16 WiMAX標(biāo)準(zhǔn)是在2003年批準(zhǔn)的,現(xiàn)在稱為固定WiMAX的802.16d標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于2004年,移動WiMAX版本802.16e發(fā)布于2006年。多年來,WiMAX的開發(fā)和應(yīng)用雖然緩慢但非常穩(wěn)健。
WiMAX作為一種寬帶無線訪問(BWA)技術(shù),可替代或競爭用于互聯(lián)網(wǎng)訪問的DSL和有線電視技術(shù)。雖然WiMAX在美國不太成功,但最終成功似乎不可阻擋。WiMAX在發(fā)展中國家已經(jīng)取得了很大的成就,特別是那些安裝新的有線電信系統(tǒng)不可能或不切實際的地方。
在印度、南美洲和其它地方已有許多BWA WiMAX裝置用于電話、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和回程。韓國也使用802.16e WiMAX的同類技術(shù)BWA WiBro。日本的對應(yīng)技術(shù)是XGP。
Sprint和Clearwire準(zhǔn)備在美國大量采用WiMAX提供BWA服務(wù),特別是在一些較小型的城市。Clearwire的Clear服務(wù)現(xiàn)在已經(jīng)推廣到16個州48個以上的城市,并且還將繼續(xù)增加。下行鏈路數(shù)據(jù)速率為1.5Mbps的基本服務(wù)價格為30美元。通過數(shù)據(jù)modem還能提供IP語音(VoIP)服務(wù),每個月的費用是50美元。另外還能為筆記本電腦提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)卡。
隨著美國政府向更偏遠(yuǎn)的不發(fā)達(dá)地區(qū)的寬帶接入業(yè)務(wù)發(fā)展注入刺激資金,WiMAX有望得到進(jìn)一步增長,包括Comcast和Time Warner在內(nèi)的有線電視公司也在美國一些地區(qū)采用WiMAX提供BWA服務(wù)。
美國的WiMAX使用2.3GHz和2.5GHz頻段,韓國使用2.7GHz。全球其它地區(qū)使用3.5GHz頻段,不過美國還分配有3.65GHz頻段和新的700MHz開放頻段。雖然大多數(shù)頻率分配落在2GHz至11GHz范圍,但WiMAX的可用頻率還可以在11GHz至66GHz之間。
802.16d固定版本的WiMAX使用具有256個點和1024個子信道的FFT的OFDM和OFDMA技術(shù)。而在802.16移動版本中,WiMAX使用同樣點數(shù)和128、512和2048個子信道的FFT。802.16d的典型帶寬為3.5、5、7、10和20MHz,802.16e的典型帶寬為5、8.75、10和20MHz。
調(diào)制方法包括二元相移鍵控(BPSK)、QPSK、16QAM和64QAM。調(diào)制方法自適應(yīng)覆蓋范圍和其它環(huán)境條件。WiMAX也具有2x2收發(fā)格式的MIMO能力。總的蜂窩容量在100至200個用戶之間。典型的頻譜效率為3.75bits/Hz。
WiMAX主要提供數(shù)據(jù)服務(wù)。在WiMAX上可以實現(xiàn)VoIP,但更適合固定服務(wù)而非移動手機。WiMAX更像是超長距離版本的Wi-Fi。它沒有那么快,但覆蓋范圍可達(dá)數(shù)英里。你可以見到WiMAX USB適配器、數(shù)據(jù)卡以及筆記本和上網(wǎng)本中的嵌入式WiMAX。WiMAX毫微微蜂窩基站也在抓緊開發(fā)中。
數(shù)據(jù)速率取決于用戶購買的服務(wù)、帶寬、調(diào)制方式和其它因素,但在普通消費環(huán)境中WiMAX的典型速率是1至2Mbps。在最大帶寬和其它條件下可達(dá)約75Mbps的最大速率。根據(jù)基站布置和數(shù)量,WiMAX覆蓋范圍從1英里至5英里左右。
用于回程時,在理想條件下最大范圍可達(dá)30英里左右。至于復(fù)用方面,F(xiàn)DD或TDD都可以用,但大多數(shù)WiMAX使用TDD。最后,IEEE正在研究更新版的802.16m,其數(shù)據(jù)速率可以從100Mbps至1Gbps。這個速率能夠很好地滿足ITU對IMT-Advanced的要求,因此WiMAX有望成為IMT-Advanced定義中的一部分。
具有亮點的半導(dǎo)體方案
ADI公司有一系列射頻產(chǎn)品可以用來實現(xiàn)LTE或WiMAX,其中AD935x收發(fā)器就是設(shè)計用于WiMAX與LTE用戶端設(shè)備(CPE)和終端實現(xiàn),也可以用于像毫微微蜂窩和微微蜂窩等小型基站。AD9356和AD9357分別工作在2.3至2.7GHz和3.3至3.8GHz頻段。這兩種器件都采用雙發(fā)送和接收鏈(用于MIMO),并包含片上12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和頻率合成器。
圖1:ADI的ADRF670x是一個帶PLL和VCO的發(fā)送調(diào)制器(a)。ADRF660x混頻下變頻器包括一個用于單端50Ω輸入的射頻輸入不平衡變壓器和一個帶VCO的PLL合成器(b)。這兩個器件都適用于LTE和WiMAX基站設(shè)計。
ADRF670x和ADRF660x同樣用于這一領(lǐng)域(圖1)。ADRF670x是一個模擬I/Q調(diào)制器,集成了射頻輸出開關(guān)和帶集成式壓控振蕩器(VCO)的鎖相環(huán)(PLL)。這個器件的帶寬可達(dá)500MHz,專門設(shè)計用于中頻上變頻發(fā)送信號通道。ADRF670x還具有較高的線性輸出功率。ADRF660x是系列有源射頻混頻器,用于接收通道的下變頻。ADRF660x包含一個用于單端50Ω輸入的射頻輸入不平衡變壓器和一個帶集成式VCO的PLL合成器,其差分中頻輸出支持高達(dá)500MHz的頻率。
PicoChip公司提供的PC9608/9 LTE開發(fā)系統(tǒng)主要用于針對城域網(wǎng)、企業(yè)和住宅應(yīng)用優(yōu)化過的小型LTE基站。這套開發(fā)系統(tǒng)有望加快基站設(shè)計的上市時間。PC9608/9 LTE開發(fā)系統(tǒng)集成了基帶、軟件堆棧和射頻單元,可以幫助設(shè)計師和運營商測試新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的部署。
大多數(shù)LTE實現(xiàn)將是標(biāo)準(zhǔn)宏基站。然而,運營商認(rèn)識到,大多數(shù)LTE被分配到較高頻率將要求更小的基站,其中包括家庭毫微微蜂窩。
圖2:picoChip PC9608/9小型基站設(shè)計基于使用248或273迷你處理器的PC203 picoArray,可通過大量并行操作實現(xiàn)LTE的技術(shù)指標(biāo)。
PC9068/9集成了兼容3GPP標(biāo)準(zhǔn)的運營級軟件定義LTE modem,可以通過應(yīng)用編程接口得到快速優(yōu)化和定制。這套系統(tǒng)使用picoChip公司的PC203多內(nèi)核picoArray芯片,同時支持TDD和FDD版本的LTE(圖2)。
Wavesat公司的Odyseey 9000主要用于手機、適配器、數(shù)據(jù)卡和其它移動無線設(shè)備。這個集成式系統(tǒng)級芯片(SoC)提供完全可編程的架構(gòu),可以輕松適應(yīng)不斷發(fā)展的LTE標(biāo)準(zhǔn)。Odyssey 9000還能輕松實現(xiàn)WiMAX和日本的XGP等效標(biāo)準(zhǔn)。這是一個混合型芯片,整合了高效的DSP和硬件加速模塊,可輕松支持LTE 100Mbps下行鏈路和后面的150Mbps版本。
OD9010是第一個芯片版本,提供完整的LTE協(xié)議棧,包括MAC、PDCP、RRC和NAS層。另外還提供參考設(shè)計。OD9050將在同一芯片組內(nèi)提供3G和LTE功能。
“我們正在與一些領(lǐng)先運營商和OEM合作,開發(fā)具有完整可互操作性能的LTE器件,以滿足LTE網(wǎng)絡(luò)明年開始全球推廣所提出的要求?!盬avesat公司總裁Rah Singh表示。