HSPA与WiMAX：分庭抗礼还是殊途同归?

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摘要  描述了HSPA和WiMAX技术的发展历程、技术特点与现状，讨论了两者之间竞争和合作的关系。分析了下一代宽带移动通信技术的发展前景。
一、HSPA：从移动到宽带
    随着移动通信服务的不断普及和市场竞争的日益深化，全球范围内的移动通信运营商普遍面临着ARPU值持续下降的局面。为了在市场竞争中保持竞争力，移动运营商纷纷把改善ARPU值的希望寄托于移动数据业务。但是，不管是2G时代的GPRS系统还是3G初期的WCDMA系统，其数据带宽都不足以满足用户对多媒体数据业务的要求。可以说，空中接口带宽的不足成了限制多媒体移动数据业务发展的瓶颈。而这也正是大量移动运营商对以WCDMA为代表的早期3G系统兴趣不足的原因。
    为了扩展空中接口带宽，增强数据业务能力，3GPP自Release 5开始进行高速分组接入（HSPA）的标准化工作，其中针对下行链路增强的高速下行分组接入（HSDPA）于3GPP Release 5完成标准化，而针对上行链路增强的高速上行分组接入（HSUPA）则在3GPP Release 6完成标准化。
    HSPA系统引入了一系列的新技术与控制机制，如：高阶调制（16QAM）、混合自动重传（HARQ）、自适应编码调制（AMC）、信道质量反馈（CQI）和快速分组调度（Packet Scheduling）。HSPA系统改变了早期3G系统单纯的CDMA理念，灵活地使用了CDMA、TDM等手段。针对话音类低速业务，继续利用CDMA、功率控制、软切换等经典CDMA技术，实现系统容量的最大化。而针对快速的分组突发类业务，HSPA系统则使用时分复用方法，在某一时间点上，集合大量无线资源（码字和功率）为某一用户服务，形成一个“粗管道”（Flat Pipe），实现快速分组突发的传输。为了能够充分利用小区内的无线资源，同时兼顾不同用户间的公平性，基于快速信道质量反馈的分组调度成为了HSPA系统中的关键算法。由于传统WCDMA系统的无线资源管理算法一般位于无线网络控制器（RNC），而作为无线接入网（RAN）中第二层节点的RNC距离空中接口较远，无法实现快速准确的资源调度，因此，在HSPA系统中，与HSPA相关的控制功能（对应于3GPP规范中的MAC-hs/MAC-e实体）由RNC移至NodeB。表1总结了HSDPA/HSUPA与早期的WCDMA R99系统的技术对比。

表1　HSDPA/HSUPA与早期WCDMA R99系统的技术对比

    通过该表我们可以看出，HSPA系统能比早期的WCDMA R99系统提供大得多的数据带宽。基于如此宽的空中接口带宽，用户使用多媒体数据业务的体验能够得到显著改善，比如音乐下载、视频点播以及电子邮件等办公应用的下载时间将极大地缩短。以一个6 Mbit大小的视频文件为例，在WCDMA R99系统中，下载时间将超过80 s，而如果使用Category 6的HSDPA终端下载，则只需要不到10 s的时间。同时，随着可用带宽的增加，更多的新型业务也得以推出，比如多人同时在线的交互性游戏和VoIP业务等。
    由于HSPA系统显著地提高了空中接口的带宽，使移动运营商能够提供一些明显区别于2G时代的新型业务，所以HSPA技术得到了传统移动运营商的大力追捧。据UMTS论坛（UMTS Forum）的数据，至2007年初，全球范围内已经有超过70个HSDPA商用网络，而HSUPA的商用系统也将于2007年下半年开始提供服务。可以说，HSPA系统为传统的移动通信运营商打开了一扇通往移动宽带世界的大门。但是不巧的是，这时已经有一位客人等在门外了。
二、WiMAX：由宽带至移动
    其实说WiMAX是由宽带至移动并不十分确切，因为截至目前，WiMAX技术最主要的推动者还是来自传统通信阵营之外的Intel。但是，随着WiMAX技术的发展，它确确实实给大量的市场后入者和挑战者提供了一个实现宽带移动的技术手段。
    作为通用CPU行业的王者，Intel很长时间以来却一直是通信世界里的失意者。尽管其力推的WiFi目前已经变成了笔记本电脑的必备功能，但WiFi并没有给Intel在通信世界里面带来预期的收入与发言权。于是，Intel开始了WiMAX的征程。在WiMAX开始之初，其设计目的还只是支持固定或游牧式的宽带无线通信，使之与WiFi相配合完成大范围内的宽带无线接入。但是很快，WiMAX的发展目标就扩展至了对真正移动性的支持。由于采用了可扩展的OFDM技术，WiMAX能够在可变更宽的频带内实现更高速率的数据传输，而且可以灵活地部署在不同的无线电波段内。OFDM技术与HSPA系统类似，WiMAX也应用了高阶调制、混合自动重传、自适应编码调制、信道质量反馈和快速分组调度等关键技术。同时，由于WiMAX系统的研发相对较晚，所以WiMAX更加充分地利用了自己的后发优势，及时引入了先进的天线技术，如自适应天线系统（AAS）和多输入多输出（MIMO）技术。这些先进的天线技术可以极大地提高无线通信系统的频谱利用率。而且，WiMAX继承了大量的互联网元素，能够更好地与IP化的互联网相融合。这使得WiMAX系统相对3G及其增强技术（如WCDMA及HSPA）具有了一定的技术优势。WiMAX系统的主要技术特点可以参见表2。

表2　WiMAX系统的主要技术特点

    据WiMAX论坛（WiMAX Forum）的数据，固定WiMAX已经在60多个国家得到部署，同时全球移动WiMAX市场也在迅速加温，继韩国和美国Clearwire的移动WiMAX网络得到商用之后，美国第三大移动运营商Sprint-Nextel也在几种宽带移动技术中选择了WiMAX技术，并计划在2007年之前部署商用网络，这无疑给原本前景不很明朗的WiMAX技术打了一剂强心针。
    面对WiMAX的来势汹汹，原本在自家后院里面不紧不慢发展的3G增强技术感受到了空前的威胁。所以，以3GPP广大成员为代表的3G阵营开始加快了自己的前进步伐，HSPA增强（HSPA+）和长期演进（LTE）技术得以开发，其直接目标就是要在未来的技术竞争中继续保持自己的技术优势和统治地位。从基本技术角度看，LTE与WiMAX都应用了OFDMA、MIMO等后3G时代的标志性技术，性能指标也大致相当。由此，一个新的话题就得以引出。
三、竞争还是合作?
    对于传统的移动通信阵营，这个问题的答案非常明确：3G上已经做了大量投资，在收回成本并取得盈余之前，不希望别人打扰。所以，移动通信阵营很早就表示，WiMAX可以作为3G系统的补充，提供固定和游牧式的宽带接入，为了实现WiMAX与3G系统的互联互通，其网络技术应该纳入3GPP的框架之内。其目的就是以合作的名义来化解对自己的技术威胁。
    这种想法理所当然不能被WiMAX阵营接受。WiMAX论坛宣布，WiMAX技术不是为了取代传统蜂窝话音业务，而是支持高容量高数据速率的数据业务，锋头直指3G数据业务和HSPA。由于主流的移动通信运营商基本都已被3G/HSPA套牢，所以市场后入者或挑战者就成为了WiMAX阵营的首选目标。他们希望WiMAX能够成为差异化竞争的利器。
    几年来，有关WiMAX与3G是竞争还是合作的争论沸沸扬扬。合作不成，反倒有Spring被WiMAX收入阵中。竞争似乎也很难，频率分配几乎成了WiMAX无法逾越的障碍。于是双方的战场转移至国际电信联盟（ITU），争夺的焦点十分有趣：WiMAX能否成为3G的一员?看起来似乎遂了3G阵营的心愿，但实际恰恰相反。WiMAX希望暗渡陈仓，以此获得自己梦寐以求的频率资源。
    从技术及其演进来看，WiMAX由于采用了OFDM和MIMO等技术，对高带宽数据业务的支持比传统3G/HSPA有一定优势。这直接促进了3GPP LTE项目的启动。LTE的OFDM和MIMO技术方案采用了和WiMAX相同的关键技术，性能上等同或优于WiMAX。可惜的是，受近年通信市场持续不景气、盈利下降的影响，主流设备商在已有3G/HSPA投资没有收回之前，缺乏资源和动力快速推动增强型技术的开发，从而导致了LTE进程缓慢。而以沃达丰领军的欧洲运营商作为GSM/3G的坚定支持者，态度耐人寻味，在2007年2月的3GSM大会上一反常态，抛出了“电信运营商可能被迫选择WiMAX，或采取多网络技术策略”的言论，似乎对WiMAX有所青睐，实则在督促LTE进程，以观后效。
    目前，战场已经摆好，号角已经吹响，新一轮的角逐即将开始。但是，放眼未来，更加壮阔的前景已隐隐地呈现在地平线上。宽带移动IP化的发展趋势已经明朗，她很可能为我们揭开人类信息社会的一个新篇章。IMT-Advanced系统（如果愿意可以理解为4G）的方案征集和技术评估将在不久的将来展开。移动通信技术的发展将跨入一个崭新的十年。不管是3G/HSPA还是WiMAX，他们都将基于最新的通信技术成果，在新的十年中得到突飞猛进的发展。可以看到，3GPP正沿着HSPA和LTE的道路向IMT-Advanced系统靠拢，而WiMAX也正以IMT-Advanced为目标设计其演进WiMAX 2（即802.16m）系统。或许，在未来的某个时候，在IMT-Advanced方案的评估和融合中，我们会忽然发现，原本分庭抗礼的双方，已经殊途同归于宽带移动IP化的大旗之下了。