基于WiMAX技術的無線系統(tǒng)及其設計挑戰(zhàn)

盡管新WiMAX系統(tǒng)的優(yōu)點廣受稱贊，但若要成功設計出這種系統(tǒng)，設計工程師必須清晰理解802.16技術規(guī)范和相應的RF設計要求。本文在對比WiMAX和WLAN標準的基礎上，對WiMAX系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)進行了討論。

微波接入全球互連(WiMAX)是寬帶無線接入(BWA)的一種形式，它基于針對無線城域網(MAN)的IEEE802.16 標準。由于WiMAX能提供價格適宜的“最后一公里”寬帶互聯(lián)網業(yè)務，預計在未來3至5年內，這種技術將得到廣泛應用。經歷過WLAN培訓和鍛煉的工程師在應用這種新標準的時候，往往面臨多種不同的系統(tǒng)考慮，特別是在RF要求和架構方面。

在典型的20MHz信道帶寬部署中，通過WiMAX論壇認證的產品可近距離支持65Mbps的下行數據速率，而在9~10km的距離下則支持16Mbps的下行數據速率。這種帶寬和傳輸距離足以支持數百家公司或數千個家庭同時高速訪問語音、數據和視頻業(yè)務。

圖1：在RF/IF分割技術中，一個完全可編程合成器位于IF芯片內，以產生所有所需的 LO信號來驅動傳送和接收路徑。

WiMAX的遠距離傳輸性能催生了一個重大市場機遇。另外，在那些因成本昂貴而難以安裝固網傳輸基礎設施的農村地區(qū)，WiMAX是提供寬帶業(yè)務的有用技術。

WiMAX標準和WLAN標準

該如何比較802.16 WiMAX標準和802.11 WLAN標準？首先，這兩個標準都基于正交頻分復用(OFDM)技術，使用多個導頻音信號，并支持從BPSK到64QAM的調制。

但同時它們也有一些重大區(qū)別。例如，802.11一般使用帶有52個子載波的固定20MHz帶寬，而WiMAX系統(tǒng)則可以使用授權或者未授權頻帶中帶有256個子載波(192個數據子載波)的1~28MHz的可變帶寬。最初的WiMAX產品可能會使用3.5MHz和7MHz的信道帶寬。

WiMAX支持子信道化機制，這意味著數據并不是在所有的192個數據子載波上傳送，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)可獲得更遠傳輸距離。隨著WiMAX CPE發(fā)展成為放置在樓宇內的設備，當將信號發(fā)送到樓外時，它需要補償由此引起的功率損耗。一般來說，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現更大傳輸距離。

盡管具有更多數量的子載波使WiMAX的性能優(yōu)于802.11，但由此也給系統(tǒng)設計帶來了挑戰(zhàn)：由于子載波之間的間隔縮小，所以對相位噪聲和定時抖動的要求更高，導致對合成器的性能要求也更高。

另外，WiMAX還利用不同長度的保護間隔來改善多路徑環(huán)境中的性能。保護間隔是數據包開始時的時間延遲，以便補償多徑干擾。如果信道上干擾很少，便可縮短保護間隔以提高數據吞吐量。由于具有更多的子載波和長度可變的保護間隔，WiMAX系統(tǒng)的整個頻帶效率將比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標準的詳細對比。

802.11的錯誤矢量幅度(EVM)為-25dB(實現10%的錯包率所要求的)，而802.16的EVM為-31dB(基于1%的錯包率)。錯包率越低，則WiMAX的傳輸距離越遠。WiMAX傳輸距離遠的另一個要素是接收器噪聲系數，802.16對接收器噪聲系數要求更嚴格，802.11的最大噪聲系數為10dB，而802.16的最大噪聲系數僅為7dB。

802.11只支持在同一信道、但不同時間內發(fā)送和接收數據的時分雙工(TDD)。相比之下，802.16規(guī)范可為設計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在不同頻率上同時發(fā)送和接收數據，H-FDD則在不同時間、不同信道上發(fā)送數據。設計工程師選擇的雙工方式將影響成本、尺寸和設計時間。例如，FDD系統(tǒng)要相對貴許多，因為同時發(fā)送和接收需要兩個完整的無線電系統(tǒng)。然而，由于帶寬對接收和發(fā)送是專用的，而且是同時使用，所以FDD具有更大的數據吞吐量。

WiMAX和802.11的另一個重要區(qū)別是發(fā)送距離和發(fā)送動態(tài)范圍。在802.11標準中，輸出功率實際上是固定的，系統(tǒng)一般總是以相同的功率發(fā)送數據。但在WiMAX技術中，測距進程被用來確定正確的定時補償和功率設置。測距進程確保每個用戶站發(fā)送的數據在適當時間、以相同功率水平到達基站，因此802.16標準要求用戶站具有50dB的發(fā)送動態(tài)范圍。這樣，靠近基站的系統(tǒng)便可減小發(fā)送功率，而遠離基站的系統(tǒng)則以最大功率發(fā)送。這一點很重要，因為WiMAX支持數公里的發(fā)送距離，如果靠近基站的系統(tǒng)以最大功率發(fā)送數據，情況將會很糟糕。

系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)

表1：WLAN和WiMAX的技術指標對比。

當設計新的WiMAX系統(tǒng)時，遇到第一個問題就是系統(tǒng)是選擇TDD、FDD還是H-FDD。加拿大和許多歐洲國家通常采用FDD結構。在美國，如果系統(tǒng)工作在授權頻帶上，則采用則雙工方式；如果系統(tǒng)采用FDD，則要求兩個無線電系統(tǒng)(包括合成器)在不同頻率下同時工作。這種系統(tǒng)將需要進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的數據吞吐量較高，因此很多業(yè)界領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將是一個很有吸引力的雙工方式，因為它只需單個無線電系統(tǒng)(和單個合成器)，而價格與TDD相當。但H-FDD的關鍵問題是合成器必須能在100us內在發(fā)射器和接收器之間切換。由于系統(tǒng)不是同時發(fā)送和接收數據，所以H-FDD對濾波的要求遠沒有FDD那么嚴格。

也許對系統(tǒng)設計影響最大的802.16技術指標是EVM，因為802.16的EVM必須比802.11的EVM大6dB。這意味著一系列的設計挑戰(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設計中的相位噪聲性能，更嚴格的相位噪聲要求對合成器影響很大，它將導致更長的建立時間；第三，如果選擇I/Q接口，則I/Q平衡的要求便會更嚴格，并且很可能需要進行I/Q校準。

更高的EVM要求對功率放大器(PA)的影響最大。除了要達到-31dB EVM的目標外，還有其它兩個重要因素給PA 設計帶來挑戰(zhàn)，一是802.16的峰均值功率比(PAPR)比802.11的PAPR高，因為802.16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。

最終結果是PA將消耗更多功率并且效率更低。要開發(fā)效率更高、線性度更好的PA將要付出很大努力，特別是對功耗非常關鍵的移動應用來說。也很可能需要采用自適應預矯方法，以便實現高線性度和高效率。

RF架構

當為WiMAX設計選擇RF架構時，基本架構有超外差和直接變頻兩種選擇。如果要滿足較嚴格的發(fā)射器要求，超外差架構具有優(yōu)勢，因為它能對無用的發(fā)射信號進行片外濾波。

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頻率可低至0，此時任何I/Q不平衡都會影響圖像，使其直接疊加在有用信號上并引起噪聲。因此，I/Q平衡是I/Q接口的關鍵，可能需要外部I/Q校準。由于這個原因，IF接口更受歡迎，因為它不需要外部校準。

另一方面，直接變頻發(fā)射器架構在基帶上具有兩個I/Q輸入，并直接把它們調制到RF。這種架構很有吸引力，因為它使無線電設計更小、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平衡也很關鍵，因此需要進行DC和I/Q校準。此外，由于沒有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

在現在大多數802.11設計中，RF、物理層(PHY)和媒體訪問控制器(MAC)都集成在單個芯片內。由于WiMAX技術很新，量產水平依然相對較低，所以WiMAX芯片還沒有被集成進去。這樣，IC設計工程師需要決定如何進行功能分割，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。

對于超外差架構，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)上進行。

在這兩種分割方案中，RF/IF分割更好些，因為兩個芯片可共享單個合成器。這種技術使用IF芯片內的一個完全可編程合成器，并產生所有需要的LO信號來驅動發(fā)射和接收路徑(見圖)。為以最低成本實現最佳性能，IC制造商可用不同的工藝技術生產這兩種芯片，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。

對設計工程師來說，從WLAN轉移到WiMAX是令人激動的，不過在開始設計之前，清晰理解設計參數(例如授權或未授權頻帶、帶寬、雙工方式)和主要的802.16性能需求非常重要。