802.16m与LTE技术对比

2012年1月18日，国际电信联盟在2012年无线电通信全会全体会议上，正式审议通过将LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced(802.16m)技术规范确立为IMT-Advanced(俗称“4G”)国际标准，我国主导制定的TD-LTE-Advanced同时成为IMT-Advanced国际标准。

1、4G的关键技术

1）正交频分复用（OFDM）技术

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。 

2）软件无线电

软件无线电的基本思想是把尽可能多的无线及个人通信功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。也可以说，是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方式。 

3）智能天线技术

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

4）多输入多输出（MIMO）技术 

MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。 

5）基于IP的核心网 

4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。核心网于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

2、IEEE 802.16m与LTE-advanced

IEEE 802.16m 又称为WirelessMAN-Advanced 或WiMax-2，是继802.16e 后的第二代移动WiMax 国际标准。据IEEE 介绍，研发这一新标准的时间已经超过4 年，但大部分建设4G 网络的运营商选用的是LTE 技术，这项技术虽然在基本特点上与WinMax 有相同之处，但却来自于不同的标准机构。

LTE（Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，于2004年12月3GPP多伦多TSG RAN#26会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM和多天线MIMO等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（峰值速率能够达到上行50Mbit/s,下行100Mbit/s），并支持多种带宽分配：1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz和20MHz等，频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖显著提升。LTE无线网络架构更加扁平化，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。

以下为802.16m与LTE技术的主要技术对比：

LTE-Advanced是LTE的演进，正式名称为 Further Advancements for E-UTRA，2008年3月开始，2008年5月确定需求。它满足 ITU-R 的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是演进而不是。

（1）LTE-Advanced技术参数

带宽：100MHz 

峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps 

峰值频谱效率：下行30bps/Hz，上行15bps/Hz 

针对室内环境进行优化 

有效支持新频段和大带宽应用 

峰值速率大幅提高，频谱效率有限改进

（2）LTE-Advanced关键技术

为了满足IMT-Advanced 的性能要求, 3GPP制定了L TE-Advanced 的研究目标, 开始了基于LTE 系统的技术发展方向的讨论。其关键技术包括了包括载波聚合(Carrier Aggregation) 、增强型上下行MIMO、协作的多点传输与接收(Coordinated Multiple Point Transmission and Reception ,CoMP) 、接力通信(Relay)等

1)载波聚合

LTE 目前最大支持20 MHz 的系统带宽, 可实现下行300 Mbit/ s、上行80 Mbit/ s 的峰值速率。在ITU关于IMT-Advanced 的规划中, 提出了下行峰值速率1 Gbit/ s、上行500 Mbit/ s 的目标, 并将系统最大支持带宽不小于40 MHz 作为IMT-Advanced 系统的技术要求之一, 因此需要对L TE 的系统带宽作进一步的扩展。L TE-Advanced 将采用载波聚合的方式实现系统带宽的扩展。

2) 增强型的MIMO

上行MIMO：在L TE 中, 上行仅支持单天线的发送, 也就是说不支持SU-MIMO。为了提高上行传输速率, 同时也为了满足IMT-Advanced对上行峰值频谱效率的要求, LTE-Advanced 将在L TE 的基础上引人上行SU-MIMO , 支持最多4个发送天线。

下行MIMO：LTE 下行可以支持最多4个发送天线, 而LTE-Advanced 将会在此基础上进一步增强以提高下行吞吐量。目前确定将扩展到支持最多8 个发送天线。

3) CoMP

LTE-Advanced 中提出的协作式多点传输技术可分为分布式天线系统(Disf ributed Antenna System , DAS) 和协作式MIMO 两大类。 

DAS 改变了传统蜂窝系统中集中式天线系统的风格, 将天线分散安装, 再用光纤或电缆将它们连接到一个处理单元统一进行收发信号处理。这使得发送功率得以降低, 可提高整个系统的功率使用效率, 降低小区间的干扰, 还可以提高资源管理的灵活性、优化资源的使用和提高频谱效率等。协作MlMO 是对传统的基于单基站的MIMO 技术的补充。它通过基站间协作的MIMO 传输来达到减小小区间干扰、提高系统容量、改善小区边缘的覆盖和用户数据速率的目的

4) 中继技术

所谓中继技术, 举个简单例子就是将一条基站与移动台的链路分割为基站与中继站、中继站与移动台两条链路, 从而有机会将一条质量较差的链路替换为两条质量较好的链路, 以获得更高的链路容量和更好的传输效率。在L TE 中的层1中继和层2中继的基础上。LTE-Advanced 又引入了一种新的中继方式—层3中继。

层3中继：主要是对接收到的IP数据包进行转发。这种中继方式和层2中继很相似, 同样会引入时延, 不会放大噪声, 其不同之处是在标准上不会引入任何新的节点或是接口, 因为它主要是依靠S1和X2信令。层2中继和层3中继的应用场合不一样, 两者可以相互补充。

5) 家庭基站

3GPP 已经对家庭基站(Home NodeB) 进行了一些研究, 但家庭基站的应用仍然可能对LTE-Advanced的相关工作带来挑战。这个挑战的大小,很大程度上取决于家庭基站的使用范围。

6) 物理层传输技术

由于是在LTE 系统上的演进, LTE-Advanced可能无法找到全新的先进传输技术, 但仍可能在现有传输技术的基础上进一步进行优化对于上行多址技术, L TE 主要出于降低PAPR

的考虑选用了SC-FDMA , 而非OFDM 技术作为上行多址方案。但实际上, 在低SINR 场景, OFDM的频谱效率仍然略高于SC-FDMA , 尤其在采用高阶调制时, SC-FDMA 的降PAPR 效果并不明显。但对于LTE-Advanced 系统所侧重的室内、热点覆盖, 小区边缘问题不是十分严重, 因此可以考虑在某些场合采用OFDM 作为上行多址技术, 以提高资源分配的灵活性, 更有效的支持上行高阶MIMO 和Node B 先进接收机。实际上OFDM 与SC-FDMA 是可以在一个发射机结构中实现的, 通过DFT 模块的增减, 在两种技术之间实现切换, 如在小区中心、室内热点及使用MIMO 传输时采用OFDMA , 在小区边缘、室外广覆盖及不使用MlMO 传输时采用SC-FDMA。对于下行, 由于L TE 已经采用了较先进的MIMO 技术。一个优化的方向是在LTE-Advanced，系统中将LTE 已经采用的单流波束赋形扩展到多流波束赋形(包括单用户MIMO 和多用户MIMO) , 实际上这种技术也可以用于CoMP 发送。

2.2、802.16m关键技术

2.2.1、MIMO天线技术

移动WiMAX中的多天线技术可以分为3类，分别是波束赋形、空时编码和空间复用。波束赋形是智能天线的关键技术，通过将主要能量对准期望用户从而提高信噪比，有效抑制共道干扰。空时编码分为空时格码和空时块码，空时格码可以使系统同时获得编码增益和分集增益。空时块码降低了译码复杂度，同时可以获得2倍于接收天线数目的分集增益。空间复用在发射端发射相互的信号，可以最大化MIMO系统的平均发射速率。在IEEE802.16e中，虽然MIMO只是一个可选方案[2]，但是空时编码和空间复用技术都得到了应用，从而有效地提高了系统的容量和覆盖，并且协议还给出了同时使用两种技术的形式。同时对MIMO给出了相当完备的定义。

2.2.2 多址方式

正交频分多址OFDMA 以其抗多径衰落、频谱资源分配灵活性、子载波内信道平坦的特性，成为宽带通信系统最有竞争力的多址方案。IEEE 802.16m 作为移动无线宽带解决方案， 下行和上行均采用了OFDMA 技术。

2.2.3 帧结构

16m 帧结构支持超帧、帧、子帧、符号的多层设计，以降低时延和信令开销。其中，20ms 长度的超帧包含4个5ms 帧，一个帧包含多个子帧，根据CP 长度不同，包含的子帧个数不同，上、下行转换点的长度也不同，并可根据需要将数据符号用作转换点。

2.2.4 多载波技术

ITU 关于IMT-Advanced 需求中规定最大支持100MHz 带宽，为了满足ITU 需求，16m 支持多载波技术，支持多个连续或不连续载波的聚合，这些载波可以是相同或不同带宽。另外，对于连续的载波，充分利用保护子载波， 将连续载波间的保护子载波用于数据的传输。

2.2.5 向IMT-Advanced迈进

要使从WiMAX技术演进而来的802.16m能成为IMT-Advanced标准之一，则必须首先考虑演进后的802.16m是否能够满足这个最基本的要求。为了满足人们对传输速率日益增长和高速移动性的要求，IEEE 802.16委员会设立了802.16m项目，并于2006年12月批准了802.16m的立项申请（PAR），正式启动了IEEE 802.16m标准的制订工作。

IEEE 802.16m项目的主要目标有两个，一是满足IMT-Advanced的技术要求；二是保证与802.16e兼容。为了满足IMT-Advanced所提出的技术要求，IEEE 802.16m下行峰值速率应该实现：低速移动、热点覆盖场景下传输速率达到1 Gbit/s以上，高速移动、广域覆盖场景下传输速率达到100 Mbit/s。为了兼容802.16e，IEEE 802.16m标准考虑在IEEE 802.16 WirelessMAN-OFDMA的基础上进行修改来实现。通过对IEEE802.16 WirrelessMAN-OFDMA进行增补，进一步提高系统吞吐量和传输速率。目前，基于IEEE 802.16e的移动WiMAX技术物理层采用了MIMO/波束赋形以及OFDMA等先进技术，可以提供较好的移动宽带无线接入。由于采用了MIMO/OFDM等4G的核心技术，移动WiMAX在某些方面已经具有了4G的特征，因此IEEE 802.16m完全可以在移动WiMAX技术的基础上进行修改而得来。

1）从物理层上看，802.16m将支持OFDMA技术以及包括MIMO、波束赋形在内的先进天线技术，这些技术将在802.16e的基础上进一步地增强。从天线配置上看，802.16m中要求下行至少能够支持2发2收，上行至少能够支持1发2收。而OFDMA技术则应该支持更加细化的频率分配技术，例如对子信道边缘的子载波进行转换分配等。至于带宽方面，802.16m将支持从5 MHz到20 MHz的可变带宽，在某些特殊情况下可以支持高达100 MHz的带宽。对于终端来说，带宽超过20 MHz的方案将采用可选的形式。具体方案的采用将视IMT-Advanced的规定以及运营商的要求来确定。802.16m中对于双工模式的支持仍将采用与802.16e中一样的方案，即全双工TDD、全双工FDD和半双工FDD等

2）从MAC层上看，必须进一步改善802.16e中MAC层的功能，包括业务安全保障、QoS和无线资源管理等，以便降低传输时延，减少系统开销，从而实现更高的传输速率、系统吞吐量以及支持更高的终端移动速度。安全保障方面不仅要提供强健有效的用户设备认证方案，还应该提供灵活可靠的业务隐私安全保障。QoS则要求对更多不同类型业务的通信质量进行保障。无线资源管理虽不属于802.16m标准的制订范围，但是其相关技术对应的信令和参数必须得到MAC层的支持。

3）系统性能方面，802.16m也提出了较多的比802.16e更高的要求。速率方面除了满足IMT-Advanced的基本要求外，802.16m还提出了归一化峰值速率要求，即下行大于6.5 bit/（s•Hz），上行大于2.8.bit/（s•Hz）。业务时延方面的要求则要视具体业务而言，但是MAC PDU传输处理的时延要控制在10 ms以内。在状态转换中，如从IDLE-STATE到ACTIVE-STATE转换时，其时延要控制在100 ms以内。切换中断时延则要求同频切换小于50 ms，异频切换小于100 ms。从总体上看，802.16m的平均用户吞吐量比802.16e的平均用户吞吐量要大很多，在只承载数据业务时，802.16m的上下行平均用户吞吐量要比802.16e大两倍以上。对终端移动性的支持方面，802.16m也比802.16e有很大的增强，系统将支持移动速率高达350 km/h的终端用户的接入及正常通信。

2.3、LTE-advanced和802.16m的技术对比

802.16m 和LTE- A 的都是为了满足人们对无线传输速率日益增长的需求和高速移动性的要求，而出现的下一代无线标准，其核心技术都采用了OFDM和MIMO，传输速率也相差无几，虽然从WIMAX 到802.16m 的演进成本相对偏低，但当前WIMAX 的使用量偏小，而当前广泛使用的3G 标准的演进方向都是LTE- A，但演进路径相对繁琐，成本偏高，故两种标准的后续推广各有优劣，且两种标准都在进一步的优化之中，所以可以预见，将来两种标准都将在通信领域占有重要的位置。