LTE和WiMAX的比较与未来展望

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 1 引言

WiMAX是一种由IEEE(提出的一种标准化技术。IEEE发布了一系列标准,其中IEEE 802.16系列标准的制定开始于2000年,目的在于提供一种无线城域网技术标准。IEEE 802.16系列标准中真正具有实用性的是2004年发布IEEE 802.16d标准。这一标准是为固网用户提供最后一公里的高吞吐率的无线数据接入技术,对传统的DSL和同轴电缆运营商形 成了真正的威胁。被认为是移动WiMAX或WiMAX 1.0的IEEE 802.16e 标准发布于2005年。2011年3月,WiMAX 2.0即IEEE 802.16m标准发布,它所支持的数据速率是WiMAX 1.0的数倍。2012年,WiMAX 2.0被正式认定为4G标准。4G技术是指符合ITU提出的IMT-Advance系统性能要求的技术,即对低速用户下行峰值速率能够达到1Gbps,对高速用户能够达到100 Mbps,从而为移动用户提供高级服务和应用。

LTE是由3GPP提出的一种通信技术标准,是TD-SCDMA, UMTS和CDMA2000等3G向4G演进的跨越性一步,对数据传输速率、系统容量以及延迟有着苛刻的要求。2011年,3GPP基于UMTS R10 版本提出的LTE-A也是一种得到业界认可的4G技术标准。

LTE和WiMAX这两种技术之间虽然有很多的相似之处,但是它们之间的竞争,从它们各自准4G标准的发布就已经开始,并持续到4G标准的提出。最 终,WiMAX似乎放弃了这场竞争,选择了在未来的WiMAX-A(WiMAX 改进,WiMAX-Advanced)标准中与LTE技术相融合。 本文讨论了这两种技术在技术方面的相似之处和不同点,精确定位到它们各自相对于对方的优势所在,同时也探讨了影响这两种技术发展的诸如政策、历史及经济等非技术类因素。最后,本文结合当前LTE和WiMAX技术未来的发展计划,对这两种技术的发展前景进行了展望,并对WiMAX技术的可替代性进行了讨论。

本文剩下的部分由以下章节组成:第二节展示了LTE和WiMAX技术的演进;第三节展示了这两种技术的显著特征;第四节讨论了这两种技术之间的关键技术差异;第五节讨论了一些影响彼此发展的非技术因素;第六节讨论了这两种技术的未来;最后一节为本文总结。

2 标准的演进

图1展示了LTE和WiMAX技术的演进过程。LTE技术起源于电信运营商、3GPP协会和3GPP2协会所倡导第1、2、3代移动通信技术。1G技术是以欧洲的TACS和AMPS为代表的模拟通信系统。2G时代为数字通信时代,除语音业务外,可以传输低速的数据业务,以GSM和CDMA-ONE通信标准为代表。2.5G阶段采用增强型分组交换技术,例如GPRS和EDGE,实现中等速率数据传输,而语音业务仍为电路交换。IMT-2000是由ITU提出的3G系统,与多媒体技术相结合,能够处理声音、图像、视频等多种形式数据,能够提供与物联网连接的多种信息服务。其中WCDMA在欧洲和世界其他国家和地区被广泛采用,CDMA2000是主要用于北美的3G技术。WCDMA和CDMA2000都是频分双工系统,采用一对频带分别用作发送和接收。第三种3G标准为中国主导的 TD-SCDMA,利用时分双工技术实现数据在同一个频段内的发送和接收。3G系统仍旧采用的是电路交换和分组交换技术相结合。在增强型3G阶段,HSPA极大提升了WCDMA、TD-SCDMA系统分组数据的传输速率;CDMA2000系统也发展了相应的EV-DO和EV-DV版本,实现了高速数据业务传输,并且能同时在一个CDMA载频上能同时支持话音和数据。

3GPP R8标准提出了基于OFDM技术的全IP的LTE技术标准,有TDD和FDD两种模式,即TDD-LTE和FDD-LTE。由北美3GPP2主导的UMB是CDMA2000系列标准基于OFDM技术的演进升级版本,最终退出了LTE的标准竞争。TDD-LTE由TD-CDMA演进而来。虽然LTE仍是3G 标准,但是它所支持的无线速率是基本3G系统的数倍,因此LTE又被称为准4G或3.9G,而在商业上通常称之为4G。

ITU在2003年提出了的IMT-Advanced概念,明确了4G系统架构和总体设计目标,并将2009年10月定为4G技术规范建议书的最后 提交日期。ITU要求IMT-Advanced系统峰值速率达到1Gbps,当终端移动速度在500km/h时能够达到100Mbps,同时对分组 交换时延、VoIP系统效率也提出了更高的要求,此外对频谱效率尤其是小区覆盖边缘区域的频谱效率有严格的要求,以实现高吞吐率。LTE-A是基于 3GPP 2011年发布的UMTS R10标准,是经过官方认可的满足IMT-Advanced性能要求的4G标准。

WiMAX是由IEEE系列标准演进而来的一种无线通信技术,例如IEEE802.3以太网标准、IEEE 802.11 WiFi无线技术等。早期在城域无线宽带技术方面的一些研究都是基于非移动的无线接入技 术。由于系统频段较高,需采用视距传播,且容易受到雨、雾等天气的影响,这些研究大多没有取得实质性的成果。第一个具有实用价值的技术标准是2004年发 布的IEEE 802.16d标准。IEEE 802.16d标准旨在为固网用户提供最后一公里高速率的无线接入,对传统的DSL和同轴电缆运 营商形成了真正的威胁。2005年发布的IEEE 802.16e标准是移动WiMAX或WiMAX 1.0技术的基础。在第一个3G技术标准诞生许多年后,WiMAX技术在2007年被正式认定为3G技术。2011年3月发布的IEEE 802.16m标准被为认为是WiMAX的2.0版本。IEEE 802.16m对802.16e标准的空中接口进行了改进,在满足IMT-Advanced性能要求的同时,又能与先前的802.16系列标准兼容。 WiMAX 2.0所能提供的峰值速率是WiMAX 1.0的数倍,能够满足ITU IMT-Advanced系统的性能要求,是另一个被官方认可的4G技术标准。实际上LTE-A和WiMAX 2.0标准都还没有最终定型,许多WiMAX技术倡导者有计划将WiMAX技术与LTE-A技术相融合。如图1最右边所示,双方都制定了未来的技术发展规划,详细内容将在下文进行探讨。

3 LTEWiMAX的技术特征

LTE和WiMAX都是基于全IP的技术标准,采用相同的分组核心网,这使得它们都能很好的支持VoIP业务产生的突发数据流量。同样这两种技术标 准也都采用了OFDMA技术。在OFDM系统中,子载波将相互正交,频谱效率得到提升,同时有助于降低ISI和系统自适应均衡的复杂性,对频率选择性衰落和窄带干扰也有较强的容忍度。在OFDMA系统中,时频资源能够得到周期性复用,使得系统性能最大化。除了以上几点外,还有一些重要特点如下:

1) 子载波信道重分配:在频谱分配上,一些子载波用于数据传输,一些子载波作为保护带宽或导频。数据和导频被周期性地随机分配在不同的子信道上,换句话说就是 跳频,频域上所有的信道都在跳变。这样可以实现干扰平均化,减少系统纠错,恢复系统性能。将系统子载波分为多个组,每个小区只使用其中的一个或多个 子载波组,这叫做PUSC,降低了本小区与邻小区之间的干扰。另一种技术是FFR,即用户在小区覆盖的中心区域时能够使用到所有的频点,而在两个小区覆盖的交界处,两个小区的用户分别使用不同的频点,以此来降低小区间的干 扰水平。

2) SOFDMA:LTE和WiMAX都采用了SOFDMA技术。系统子载波数目随着系统带宽的变化而变化,而子载波间的间隔始终是不变得,因此对移动着的用户而言,多普勒效应对系统 性能的影响是不变的。WiMAX 16e的系统带宽可以在1.25MHz~28MHz间任意设定,LTE R8系统支持的系统带宽可以为1.25, 2.5, 5, 10, 15, 20 MHz。

3) AMC:LTE和WiMAX都采用了AMC技术。由于低阶调制方式相对于高阶调制方式具有更强的鲁棒性,系统可以根据用户信道的质量情况,及时调 整调制方式。当信道质量较好的时候,采用16QAM或64QAM等高阶调制方式,通过提高编码效率提升系统传输速率。当信道质量较差,即用户信号信噪比较低时,采用QPSK等鲁棒性较强的低阶调制,确保链路质量即传输误码率保持在用户或系统可以接受的范围。另一方面,当采用16QAM调制方式的用户的信号质量 得到改善时,系统可以将调制方式切换到64QAM这样的高阶调制方式,提高系统容量和传输效率。当AMC与OFDM技术相结合时,将会为系统带来更大的增 益,因为AMC更加适用于噪声平均的宽带信道。LTE和WiMAX标准的另一个特征是使用了HARQ技术,用于错误检测和多天线系统,从而进一步增强系统性能和数据速率。

4) 系统帧结构:由于WiMAX 1.0的帧长为5ms,而LTE的子帧只有1ms,因此WiMAX 1.0相比LTE具有更长的时延。WiMAX 2.0将一个5ms帧分成了8个子帧,每个子帧长5/8ms,同时保留了5ms的帧结构用于和WiMAX 1.0系统兼容。WiMAX 2.0系统还定义了一个长度为20ms的超帧,通过合并一般帧头和控制比特,来减少系统帧头的整体开销。WiMAX 2.0系统的三层帧结构,有助于提升VoIP业务的QOS。LTE系统也采用了类似的3层帧结构,其基本时隙长度为0.5ms,子帧长度为1ms,超帧长度为10ms。LTE-A和WiMAX 2.0系统的帧结构如图2所示。

图2 帧结构:(a)WiMAX 2.0帧结构;(b)LTE-A帧结构。

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