4G無線標準：LTE vs WiMAX有各自的用武之地-基礎(chǔ)電子

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長期演變（LTE）和WiMAX這兩種技術(shù)都使用了先進的方法，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)訪問和視頻等應(yīng)用。國際電信聯(lián)盟（ITU）把LTE和WiMAX定義為3G.一些認為，這兩種標準接近4G,更像是3.9G.

雖然這兩種系統(tǒng)似乎競爭激烈，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。這兩種標準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CDMA20003G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)是從早的GSM語音技術(shù)、用于數(shù)據(jù)傳送的GPRS和EDGE到目前的UMTSWCDMA和HSPA先進3G技術(shù)發(fā)展而來的。如今這個標準的大部分已經(jīng)完成，但還沒有終定稿。目前LTE正處于冗長的ITU標準化過程，有望于今年晚些時候終完成。

大多數(shù)蜂窩運營商同意將LTE用作4G標準，讓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UMTSWCDMA標準的CDMA2000標準。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集成到進系統(tǒng)中。

目前，處于運營中的LTE系統(tǒng)都是遍布各個地區(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)，而且支持數(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)計的無線標準，下行鏈路數(shù)據(jù)速率高達100Mbps,上行鏈路速率高達50Mbps.相比之下，目前大多數(shù)HSPA3G服務(wù)的下行速率只有14Mbps,上行速率只有5.7Mbps.更新的HSPA標準將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，在頻段上的變化范圍從約12MHz至18MHz,在較高頻率上高達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)直接進入家庭。

雖然目前還沒有LTE基礎(chǔ)設(shè)施，但ITU和3GPP已經(jīng)在研究真正的4G技術(shù)了。這種4G技術(shù)稱國際移動通信（IMT-Advanced），它定義了更為先進的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1Gbps.顯然，達到這些指標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，人們見到這個標準或其應(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。的希望是使用一些運營商擁有的700MHz分配頻段，這個頻率下的基站覆蓋范圍與當前基站相當，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。

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。

，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準備就緒

雖然在微波接入方面缺少互操作性，但WiMAX比LTE很多。個IEEE802.16WiMAX標準是在2003年批準的，現(xiàn)在稱為固定WiMAX的802.16d標準發(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BWAWiMAX裝置用于電話、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和回程。韓國也使用802.16eWiMAX的同類技術(shù)BWAWiBro.日本的對應(yīng)技術(shù)是XGP.

Sprint和Clearwire準備在美國大量采用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的不發(fā)達地區(qū)的寬帶接入業(yè)務(wù)發(fā)展注入刺激資金，WiMAX有望得到進一步增長，包括Comcast和TimeWarner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.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?？偟姆涓C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，但覆蓋范圍可達數(shù)英里。你可以見到WiMAXUSB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.在帶寬和其它條件下可達約75Mbps的速率。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，在理想條件下范圍可達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.，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500MHz的頻率。

picoChip公司提供的PC9608/9LTE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。PC9608/9LTE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)將是標準宏基站。然而，運營商認識到，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:picoChipPC9608/9小型基站設(shè)計基于使用248或273迷你處理器的PC203picoArray,可通過大量并行操作實現(xiàn)LTE的技術(shù)指標。

PC9068/9集成了兼容3GPP標準的運營級軟件定義LTEmodem,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Odyseey9000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L