基于WiMAX技術(shù)的無(wú)線系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

盡管新WiMAX系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)廣受稱贊，但若要成功設(shè)計(jì)出這種系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工程師必須清晰理解802.16技術(shù)規(guī)范和相應(yīng)的RF設(shè)計(jì)要求。本文在對(duì)比WiMAX和WLAN標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)WiMAX系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論。

微波接入全球互連(WiMAX)是寬帶無(wú)線接入(BWA)的一種形式，它基于針對(duì)無(wú)線城域網(wǎng)(MAN)的IEEE802.16 標(biāo)準(zhǔn)。由于WiMAX能提供價(jià)格適宜的“最后一公里”寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，預(yù)計(jì)在未來(lái)3至5年內(nèi)，這種技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)歷過(guò)WLAN培訓(xùn)和鍛煉的工程師在應(yīng)用這種新標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，往往面臨多種不同的系統(tǒng)考慮，特別是在RF要求和架構(gòu)方面。

在典型的20MHz信道帶寬部署中，通過(guò)WiMAX論壇認(rèn)證的產(chǎn)品可近距離支持65Mbps的下行數(shù)據(jù)速率，而在9~10km的距離下則支持16Mbps的下行數(shù)據(jù)速率。這種帶寬和傳輸距離足以支持?jǐn)?shù)百家公司或數(shù)千個(gè)家庭同時(shí)高速訪問(wèn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)。

圖1：在RF/IF分割技術(shù)中，一個(gè)完全可編程合成器位于IF芯片內(nèi)，以產(chǎn)生所有所需的 LO信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳送和接收路徑。

WiMAX的遠(yuǎn)距離傳輸性能催生了一個(gè)重大市場(chǎng)機(jī)遇。另外，在那些因成本昂貴而難以安裝固網(wǎng)傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的農(nóng)村地區(qū)，WiMAX是提供寬帶業(yè)務(wù)的有用技術(shù)。

WiMAX標(biāo)準(zhǔn)和WLAN標(biāo)準(zhǔn)

該如何比較802.16 WiMAX標(biāo)準(zhǔn)和802.11 WLAN標(biāo)準(zhǔn)？首先，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都基于正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，使用多個(gè)導(dǎo)頻音信號(hào)，并支持從BPSK到64QAM的調(diào)制。

但同時(shí)它們也有一些重大區(qū)別。例如，802.11一般使用帶有52個(gè)子載波的固定20MHz帶寬，而WiMAX系統(tǒng)則可以使用授權(quán)或者未授權(quán)頻帶中帶有256個(gè)子載波(192個(gè)數(shù)據(jù)子載波)的1~28MHz的可變帶寬。最初的WiMAX產(chǎn)品可能會(huì)使用3.5MHz和7MHz的信道帶寬。

WiMAX支持子信道化機(jī)制，這意味著數(shù)據(jù)并不是在所有的192個(gè)數(shù)據(jù)子載波上傳送，而是在其中一組子載波上傳送。在這種情況，使用的功率相同但載波較少，因而系統(tǒng)可獲得更遠(yuǎn)傳輸距離。隨著WiMAX CPE發(fā)展成為放置在樓宇內(nèi)的設(shè)備，當(dāng)將信號(hào)發(fā)送到樓外時(shí)，它需要補(bǔ)償由此引起的功率損耗。一般來(lái)說(shuō)，CPE的功率有限，因此在上行鏈路中將功率集中在較少載波上，可平衡上、下行鏈路的功率并實(shí)現(xiàn)更大傳輸距離。

盡管具有更多數(shù)量的子載波使WiMAX的性能優(yōu)于802.11，但由此也給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)：由于子載波之間的間隔縮小，所以對(duì)相位噪聲和定時(shí)抖動(dòng)的要求更高，導(dǎo)致對(duì)合成器的性能要求也更高。

另外，WiMAX還利用不同長(zhǎng)度的保護(hù)間隔來(lái)改善多路徑環(huán)境中的性能。保護(hù)間隔是數(shù)據(jù)包開(kāi)始時(shí)的時(shí)間延遲，以便補(bǔ)償多徑干擾。如果信道上干擾很少，便可縮短保護(hù)間隔以提高數(shù)據(jù)吞吐量。由于具有更多的子載波和長(zhǎng)度可變的保護(hù)間隔，WiMAX系統(tǒng)的整個(gè)頻帶效率將比WLAN系統(tǒng)高15%至40%。例如，WiMAX的頻帶效率為3.1~3.8Mbps/MHz，而802.11a/b/g的頻帶效率只有2.7Mbps/MHz。表1是802.11與802.16標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)對(duì)比。

802.11的錯(cuò)誤矢量幅度(EVM)為-25dB(實(shí)現(xiàn)10%的錯(cuò)包率所要求的)，而802.16的EVM為-31dB(基于1%的錯(cuò)包率)。錯(cuò)包率越低，則WiMAX的傳輸距離越遠(yuǎn)。WiMAX傳輸距離遠(yuǎn)的另一個(gè)要素是接收器噪聲系數(shù)，802.16對(duì)接收器噪聲系數(shù)要求更嚴(yán)格，802.11的最大噪聲系數(shù)為10dB，而802.16的最大噪聲系數(shù)僅為7dB。

802.11只支持在同一信道、但不同時(shí)間內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)分雙工(TDD)。相比之下，802.16規(guī)范可為設(shè)計(jì)工程師提供更大靈活性，它支持TDD、頻分雙工(FDD)和半雙工FDD(H-FDD)。FDD在不同頻率上同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，H-FDD則在不同時(shí)間、不同信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)工程師選擇的雙工方式將影響成本、尺寸和設(shè)計(jì)時(shí)間。例如，F(xiàn)DD系統(tǒng)要相對(duì)貴許多，因?yàn)橥瑫r(shí)發(fā)送和接收需要兩個(gè)完整的無(wú)線電系統(tǒng)。然而，由于帶寬對(duì)接收和發(fā)送是專用的，而且是同時(shí)使用，所以FDD具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。

WiMAX和802.11的另一個(gè)重要區(qū)別是發(fā)送距離和發(fā)送動(dòng)態(tài)范圍。在802.11標(biāo)準(zhǔn)中，輸出功率實(shí)際上是固定的，系統(tǒng)一般總是以相同的功率發(fā)送數(shù)據(jù)。但在WiMAX技術(shù)中，測(cè)距進(jìn)程被用來(lái)確定正確的定時(shí)補(bǔ)償和功率設(shè)置。測(cè)距進(jìn)程確保每個(gè)用戶站發(fā)送的數(shù)據(jù)在適當(dāng)時(shí)間、以相同功率水平到達(dá)基站，因此802.16標(biāo)準(zhǔn)要求用戶站具有50dB的發(fā)送動(dòng)態(tài)范圍。這樣，靠近基站的系統(tǒng)便可減小發(fā)送功率，而遠(yuǎn)離基站的系統(tǒng)則以最大功率發(fā)送。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閃iMAX支持?jǐn)?shù)公里的發(fā)送距離，如果靠近基站的系統(tǒng)以最大功率發(fā)送數(shù)據(jù)，情況將會(huì)很糟糕。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

表1：WLAN和WiMAX的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

當(dāng)設(shè)計(jì)新的WiMAX系統(tǒng)時(shí)，遇到第一個(gè)問(wèn)題就是系統(tǒng)是選擇TDD、FDD還是H-FDD。加拿大和許多歐洲國(guó)家通常采用FDD結(jié)構(gòu)。在美國(guó)，如果系統(tǒng)工作在授權(quán)頻帶上，則采用則雙工方式；如果系統(tǒng)采用FDD，則要求兩個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)(包括合成器)在不同頻率下同時(shí)工作。這種系統(tǒng)將需要進(jìn)行大范圍的外部濾波，以避免發(fā)送功率泄漏到接收器，并造成干擾。除成本外，雙無(wú)線電系統(tǒng)和濾波還需要占用較大的電路板面積。由于FDD的數(shù)據(jù)吞吐量較高，因此很多業(yè)界領(lǐng)先公司都希望基站使用全FDD模式，而用戶站則采用成本較低的H-FDD或TDD。

如果可以選擇，H-FDD將是一個(gè)很有吸引力的雙工方式，因?yàn)樗恍鑶蝹€(gè)無(wú)線電系統(tǒng)(和單個(gè)合成器)，而價(jià)格與TDD相當(dāng)。但H-FDD的關(guān)鍵問(wèn)題是合成器必須能在100us內(nèi)在發(fā)射器和接收器之間切換。由于系統(tǒng)不是同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，所以H-FDD對(duì)濾波的要求遠(yuǎn)沒(méi)有FDD那么嚴(yán)格。

也許對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響最大的802.16技術(shù)指標(biāo)是EVM，因?yàn)?02.16的EVM必須比802.11的EVM大6dB。這意味著一系列的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：首先，所有系統(tǒng)塊的線性度要更好；其次，相位噪聲性能必須優(yōu)于802.11設(shè)計(jì)中的相位噪聲性能，更嚴(yán)格的相位噪聲要求對(duì)合成器影響很大，它將導(dǎo)致更長(zhǎng)的建立時(shí)間；第三，如果選擇I/Q接口，則I/Q平衡的要求便會(huì)更嚴(yán)格，并且很可能需要進(jìn)行I/Q校準(zhǔn)。

更高的EVM要求對(duì)功率放大器(PA)的影響最大。除了要達(dá)到-31dB EVM的目標(biāo)外，還有其它兩個(gè)重要因素給PA 設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，一是802.16的峰均值功率比(PAPR)比802.11的PAPR高，因?yàn)?02.16的子載波較多，所以其PAPR大約為10dB，較802.11的8dB PAPR高出2dB；二是802.16系統(tǒng)的發(fā)射功率一般比802.11系統(tǒng)高。因此，WiMAX系統(tǒng)中的PA必須提供更大功率和更好的線性度，而且必須能比802.11系統(tǒng)中的PA處理更高的PAPR。

最終結(jié)果是PA將消耗更多功率并且效率更低。要開(kāi)發(fā)效率更高、線性度更好的PA將要付出很大努力，特別是對(duì)功耗非常關(guān)鍵的移動(dòng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)。也很可能需要采用自適應(yīng)預(yù)矯方法，以便實(shí)現(xiàn)高線性度和高效率。

RF架構(gòu)

當(dāng)為WiMAX設(shè)計(jì)選擇RF架構(gòu)時(shí)，基本架構(gòu)有超外差和直接變頻兩種選擇。如果要滿足較嚴(yán)格的發(fā)射器要求，超外差架構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軐?duì)無(wú)用的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行片外濾波。

有兩種不同的超外差基帶接口：IF和I/Q。具有IF接口的基帶處理器的信號(hào)頻率很低，但不為0，通常使用的IF頻率為10～50MHz。具有I/Q接口的基帶處理器的信號(hào)頻率可低至0，此時(shí)任何I/Q不平衡都會(huì)影響圖像，使其直接疊加在有用信號(hào)上并引起噪聲。因此，I/Q平衡是I/Q接口的關(guān)鍵，可能需要外部I/Q校準(zhǔn)。由于這個(gè)原因，IF接口更受歡迎，因?yàn)樗恍枰獠啃?zhǔn)。

另一方面，直接變頻發(fā)射器架構(gòu)在基帶上具有兩個(gè)I/Q輸入，并直接把它們調(diào)制到RF。這種架構(gòu)很有吸引力，因?yàn)樗篃o(wú)線電設(shè)計(jì)更小、更便宜。它不需要IF本振(LO)，也不需要表面聲波(SAW)濾波器，不過(guò)這種方法所面臨的挑戰(zhàn)是性能很難保持，例如，任何小的DC偏移都將降低系統(tǒng)性能。I/Q平衡也很關(guān)鍵，因此需要進(jìn)行DC和I/Q校準(zhǔn)。此外，由于沒(méi)有SAW濾波，雜散傳輸可能造成頻帶掩模發(fā)射失敗。

芯片的選擇

在現(xiàn)在大多數(shù)802.11設(shè)計(jì)中，RF、物理層(PHY)和媒體訪問(wèn)控制器(MAC)都集成在單個(gè)芯片內(nèi)。由于WiMAX技術(shù)很新，量產(chǎn)水平依然相對(duì)較低，所以WiMAX芯片還沒(méi)有被集成進(jìn)去。這樣，IC設(shè)計(jì)工程師需要決定如何進(jìn)行功能分割，盡管集成帶有RF和IF部分的發(fā)射器和接收器是有可能的，但這種方法目前并不常用。

對(duì)于超外差架構(gòu)，通常做法是分割芯片。這種分割可以在RF/IF(發(fā)射器和接收器在同一個(gè)芯片，但RF和IF在不同芯片)或發(fā)射器/接收器(發(fā)射器和接收器在不同芯片，但兩者都包括RF和IF鏈路)上進(jìn)行。

在這兩種分割方案中，RF/IF分割更好些，因?yàn)閮蓚€(gè)芯片可共享單個(gè)合成器。這種技術(shù)使用IF芯片內(nèi)的一個(gè)完全可編程合成器，并產(chǎn)生所有需要的LO信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射和接收路徑(見(jiàn)圖)。為以最低成本實(shí)現(xiàn)最佳性能，IC制造商可用不同的工藝技術(shù)生產(chǎn)這兩種芯片，例如使用CMOS工藝制造IF芯片，使用SiGe或砷化鎵(GaAs)工藝制造RF器件。

對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，從WLAN轉(zhuǎn)移到WiMAX是令人激動(dòng)的，不過(guò)在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前，清晰理解設(shè)計(jì)參數(shù)(例如授權(quán)或未授權(quán)頻帶、帶寬、雙工方式)和主要的802.16性能需求非常重要。