无线宽带接入技术浅析_无线网络宽带

　　摘要：在无线数据通信系统中，宽带无线接入获得了广泛的关注，对于宽带无线接入技术的选择将会影响未来通信市场的走向。本文对比研究了WiMAX，wi－Fi，LTE三种无线接入技术遵循的标准和优缺点，对以上三种无线接入技术进行总体性的比较研究，并对未来无线宽带接入技术的发展进行了展望。
　　关键词：WiMAX；Wi-Fi；LTE
　　中图分类号：TN929.53
　　1.引言
　　随着移动通信技术的蓬勃发展，话音业务移动化，数据业务宽带化已经成为了通信市场的发展趋势；而电信网络接入层也逐渐呈现出无线化和宽带化的发展趋势，移动通信竞争日趋激烈。宽带无线接入技术(Broadband Wireless Access，BWA)是目前通信与信息技术领域发展最快的技术之一。它是以无线通信的方式在宽带业务接口与宽带业务用户之间实现宽带业务的接入，从而达到为用户提供话音、视频、数据及多媒体等高质量的应用服务的目的。随着ITU和3GPP及3GPP2各大标准化组织对各现代无线通信技术规范的不断完善，3G、WiMAX、Wi-Fi、LTE等各种无线宽带接入技术在竞争中互相借鉴和学习，进而技术不断完善，网络安全性实用性不断增强。市场上支持Wi-Fi、WiMAX的无线网络终端日趋丰富，整个产业链已逐渐成熟。就目前而言，很明显，宽带无线接人技术已经到了百家争鸣的时代。IEEE和3GPP及3GPP2等各大标准化组织正在进行着激烈的竞争。对于不同的市场需求及实际环境选择相应的无线宽带接入标准显得尤为重要，因为选择适合的标准将会在将来快速发展的无线市场中占有一席之地，进而改变整个无线通信市场的分布格局。而此时，对于无线宽带接入技术标准的选择就显得尤为重要。本文主要研究了WiMAX，Wi-Fi，LTE三种无线接入技术(3GV-41技术已相当完善，本文不再赘述)遵循的标准及其优缺点，并对以上三种宽带无线接入技术进行总体性的比较研究，从而描述出以上几种技术在未来几年内的发展趋势。
　　2.线宽带接入技术
　　2.1 Wi MAX
　　2.1.1 WiMAX概述
　　WiMAXt~(Worldwide Interoperability for Mi-cro-wave Access)即全球微波互联接入。是一项基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入城域网技术。其技术标准分为：802.16d标准和802.16e标准。802.16d的初衷为统一固定无线接入的空中接口，该标准可以应用于2-11GHz非视距(NLOS)传输和10-66GHz视距(LOS)传输。相对于以上的两种场景，802.16d用于固定和游牧应用场景；802.16e用于便携和移动场景，同时支持固定场景。为解决无线宽带接入“最后一公里”的问题1EEE于2003年1月29日正式通过802.16a规范，这是一种线缆和xDSL的无线扩展技术，因此也将WiMAX称为无线DSL技术。在亚洲，目前xDSLt~是WiMAX在最后一公里接入市场主要的竞争对手。
　　2.1.2 WiMAX技术优势
　　(1)覆盖范围：最大无线信号传输距离为50kin，只要少数基站建设就可覆盖全城，在很大程度上扩展了无线网络应用的范围。
　　(2)接入速率：WiMAX采用MIMO-STC/MDC及可扩展的OFDMA技术，在20MHz的带宽内所能提供的下行峰值速率可达63Mbps/扇区，上行速率也可达到28Mbps/扇区。
　　(3)作为一种无线城域网技术，它可以将Wi-Fi连接到互联网；也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接人。
　　2.1.3影响WjMAX技术未来发展的主要因素
　　(1)标准制定：在基站和基站间、基站和网络侧的协议IEEE802.16并没有给出具体的技术标准，只给出了基站和移动台之间的空中接口标准。在切换、寻呼和终端状态管理(激活和休眠的转换)等与蜂窝组网有关的方面，还不够成熟，需要进一步完善。
　　(2)频率问题：目前ETSI(国际MMDS)已经认可使用的频率为3.4～3.8GHz，5.725～5.85GHz可作为免许可频率使用。全球各国允许使用的频率并集大致为2-11GHz，这就意味着当WiMAX与LTE使用相同频率(2 GHz、3.4-3.6 GHz)时，其与LTE相比之下，穿透力差的缺点就会凸显出来，使得无法与LTE竞争。
　　2.2 Wi-Fi
　　2.2.1概述
　　Wi-Fim(Wireless Fidelity)无线保真，IEEE802.11a和IEEE802.11b为目前可以使用的两个标准规范。产业标准组织无线保真(Wireless Fidelity.Wi-Fi)联盟主要负责WLAN的推广和认证工作，因此WLAN技术通常又被称之为Wi-Fi。WLANIal可使用的标准主要包括802.11b、802.11a和802.11g，详细参数见表1。
　　目前Wi-Fi市场竞争也日趋激烈，除原有的Wi-Fi厂商(D-Link、思科、Intel等)在紧锣密鼓的准备外，高通公司也将业务伸向了Wi-Fi领域，据报道北京时间2011年5月26日早间消息，高通周二晚宣布，该公司已完成31亿美元收购Wi-Fi芯片厂商Atheros Communications的交易。
　　
　　2.2.2 W._Fi技术优势
　　Wi-Fi是由接入点(Access Point，AP)和无线网卡组成的无线局域网络，由于可以不受布线条件的限制，可以方便的应用在小型网络甚至大型网络中，能提供有线网络无法提供的漫游特性，方便用户使用，由于起点低，大部分的电子设备，如电脑笔记本、手机等均支持Wi-Fi；由于大量设备厂商的涌入从而形成竞争，各厂商不得不降低成本，以便在市场中占有一定的价格优势。据平安证券今年3月发布的调研报告指出，预计Wi-Fi建设将带动250～300-亿元的电信设备市场。
　　2.2.3影响wi Fi技术未来发展的主要因素
　　(1)可靠性：射频干扰是造成Wi-Fi性能不稳定、覆盖不好、经常掉线现象的主要原因。无线电波间存在相互影响的现象，特别是同频段、同技术设备之间将存在明显影响，如手机、电磁炉，甚至汽车启动的电子设备等。
　　(2)数据传输速率有限：虽然Wi-Fi技术最高标称数据传输速率可达11～54 Mbit/s，但系统开销会使应用层速率降低50％左右。
　　(3)服务质量(Quality ofService，QoS)保障机制乏力：Wi-Fi虽然支持尽力而为(Best Effort)业务(WEB浏览、FTP下载、Email等)，但是语音通信、视频传输等业务的QoS很难得到保障。
　　(4)覆盖范围：Wi-Fi实现规模覆盖的最大的缺陷在于需要密集的有线传输资源。LTE/WiMAX 基站的覆盖范围比Wi-Fi AP覆盖范围大数十到上百倍。
　　(5)移动性：Wi-Fi技术自身并不支持移动I生，即便IEEE802.1 1s可能会对Wi-Fi MESH的移动性进行增强，最多也只能支持步行的移动速度。而LTE和WiMAX都支持120km/h以上的移动性，这是Wi-Fi所不能匹敌的。
　　2.3 LTE技术
　　
　　2.3.1概述
　　长期演进嘲(LongTermEvolution，LTE)项目是3GPP提出的3G长期演进项目，采用OFDM[91和MIMOtlO-H怍为无线网络演进的标准。LTE由于在频，谱利用率、网络性能、扁平化网络结构等方面都具有较强的技术优势，被全球多个运营商认可为下一代无线通信技术，也是B3G]4G移动通信系统的典型代表。LTE系统同时定义了频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)(见图1)和时分双工(Time Division Duplexing,TDD)(见图2)两种方式，两种方式最直观的不同就在于其帧结构的不同，下面就两种双工方式不同的帧结构做出相应的比较分析。
　　
　　FDD-LTE技术：FDD-LTE上下行均采用简单的等长时隙帧结构。LTE系统沿用了UMTS系统一直采用的10ms无线帧长度。一个无线帧包含10个子帧、20个时隙。FDD―LTE帧结构类型1(framestructure type 1，FSl)上下行采用完全相同的帧结构(见图3)，可同时适用于全双工FDD、半双工
　　
　　TDD-LTE技术：TDD-LTE帧结构类型2(framestructure type 2，FS2)是基于TD-SCDMA帧结构修改而成的，保存了’FD-SCDMA帧结构中的三个特殊时隙：下行导频时隙(DwPTS)、保护间隔(GP)、上行导频时隙(DpPTS)，同时采用了统一的1ms子帧长度。常规子帧结构包含了两个0.5ms的时隙[12]，这点与FSl相同(见图4)。该种帧结构适用于TDD模式。
　　TDD―LTE双工方式的特点使得其具有如下优点：
　　频率配置灵活，使用FDD-LTE系统不宜使用的零散频段；可通过调整上下行时隙转换点提高下行时隙比例，从而更好地支持非对称业务；上下行信道具有一致性，基站的接受和发送可共用部分射频单元，降低设备成本；接受数据时不需要收发隔离器(只需一个开关即可)，降低设备的复杂度；上下行信道具有互惠性，可更好的采用传输与处理技术，如RAKE接收、联合传输、智能天线技术，从而降低移动终端的处理复杂度。
　　
　　由于TDD-LTE在同一帧中传输上下行两个链路，导致系统设计更加复杂，对设备要求较高，其不足之处也显得格外明显：由于保护间隔的使用降低了频谱利用率，特别是提供广覆盖时使用长GP(保护间隔)时，频谱利用率偏低；使用混合自动重传请求技术(Hybrid Automatic Repeat―reQuest，HARQ)时，TDD-LTE使用的控制信令比FDD-LTE更复杂，且平均环回时间(Round-Trip Time，R3T)稍长于FDD-LTE的8ms长度；上下行信道占用同一频段的不同时隙，为保证上下行帧的准确接收，整个通信系统对基站和终端设备的同步有很高的要求。
　　2.3.2 LTE技术优势
　　针对WiMAX“低移动性宽带IP接入”的定位以及适用于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术的Wi-Fi，LTE提出了相对应的性能指标，如相似的带宽、数据传输速率、强调多媒体广播和多播业务(Multimedia Broadband and Mukicast Service.MBMS)等。LTE与WiMAX和Wi-Fi相比具有以下技术优势：
　　(1)数据速率：LTE增强了3G的空中接口技术，信号的覆盖范围大幅延伸。在20MHz的带宽下，能够达到下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率，频谱利用率分别为5bps/Hz和2.5bps/Hz；Wi-Fi与WiMAX所能达到的最高速率仅为11 Mbit/s和75Mbit/s，且Wi-Fi采用的无线电信号易受到环境影响(如频率干扰)。
　　(2)灵活性：LTE能够支持1.25 MHz，2.5 MHz.5 MHz,10 MHz,15 MHz,20 MHz等多种系统带宽。WiMAX支持15～20MHz几种带宽，而Wi-Fi解决的是无线局域网问题，仅适用于有因特网的地区，因而在系统部署上LTE更具灵活性。
　　(3)移动性：LTE能在350km/h的高速移动情况下达到良好的接收效果，WiMAX所能支持的最高移动速率只能达到120km/h，Wi-Fi则仅限于局域网的低速率移动。尽管LTE和WiMAX在原始数据速率方面基本相当，但除了规模更大外，WiMAX作为一种固定WAN支持更像Wi-Fi网络(固定或低速移动场景下提供中高速无线接人)。
　　2.3.3应用前景
　　TDD双工方式具有频谱配置灵活、上下行信道互惠性等特点，能够满足下一代移动通信系统对带宽的要求以及频率分配零散化的趋势，在未来的通信市场中具有较大的优势。
　　纵观移动通信的发展，每个新的技术的出现都是以数据传输速率的大幅提升、频谱利用率的大幅提高作为标志的。很明显，目前LTE系统的很多技术特征(数据传输速率、频谱利用率等)已经接近于在给定带宽下的理论极限。然而对后LTE时代(LTE-Advanced)，又对LTE-Advanced提出了新的速率要求――上行达到1Gbit/s(至少低移动性满足，高移动性下达到100Mbit/s)，1Gbit/s的数据传输速率在100MHz或足够多的连续带宽下是可以获得的，但面临目前频率资源困乏的局面，1Gbit/s的数据传输速率显得尤为艰难。这就为LTE-Adva-nced提出了新的技术要求，目前国内外很多学者针对这一问题提出了一些新的解决技术如频谱聚合解决频率资源匮乏问题，使用协同MIMO方案及高阶调制技术以提高总体频谱效率等。
　　3.WiMAX、Wi-Fi、LTE技术对比
　　根据上述内容分别对WiMAX、Wi-Fi、LTE技术从各方面进行了详细的分析和比较(见表2)。
　　4.结论
　　LTE可以提供广覆盖、高移动性和高数据传输速率；Wi-Fi可以提供热点覆盖、低移动性和高数据传输速率；WiMAX可以提供城域覆盖和高数据传输速率。Wi-Fi、WiMAX和LTE采用了不同的技术手段来解决不同的应用问题。由于移动通信环境的复杂性和多样性，没有那种技术可以在各个领域都保持绝对优势，多种无线技术将长期共存，相互之间既是竞争又是互补，面对相同的客户各技术之间存在竞争，面对不同的客户又转化为互补的关系；在局部会有部分融合，但要相互取代不太可能完成。在应用和需求上它们也有着显著的差距，它们都将在越来越细化的市场中，找到自己适合的应用范围和市场定位(见图5)。
　　考虑到未来无线通信技术的发展，不但要根据各无线接入技术的优劣做出相应的选择，还要结合以下方面做出整体性的部署。移动和宽带就目前来看即将融合为移动宽带无线(或宽带移动无线)，那么原来分开考虑的两个领域，现在必须整体思考；国家对频率的如何发放会给通信市场带来不同的分布格局；运营商的选择将会直接影响某一项技术在未来的通信市场中的兴衰；为促进民族产业的发展，通过管制政策及频率分配方面鼓励创新(如TD-SCDMA)的同时，还要兼顾民族产业与国际化的关系。