在实施802.16标准时RF部分的设计考量

作者：德州仪器无线局端营销经理，Zatil Hamid

IEEE 802.16 标准旨在为广大客户实现低成本、高带宽的无线宽带接入。该标准能够以大大低于有线宽带服务的成本及时间在市场中快速实施。目前，针对便携式户外应用的 802.16d 修订版已经获得批准，并且符合该标准的设备已经进入开发阶段，预计将于 2006上市。移动系统标准 802.16e 也正待定稿，有望在未来几个月完成，相关系统预计将于 2007 年上市。

802.16 标准的应用目标是在 30 英里以上的距离提供 1.5～70Mbps 的数据速率，其速率会随着距离增加而降低。此外，其还可以扩展 802.11 LAN 标准的覆盖范围，并支持比 3G 数据业务更高的数据速率。802.16 MAN 技术的预期应用包括农村及最后一公里城市宽带接入、802.11/Wi-Fi 热点与蜂窝回程、高速企业连接以及用于处理城域业务的(pico network) 微型网络。该标准还可能会对移动通信产生影响，进一步加强无线数据、语音及视频服务的汇聚。

由于 802.16 的实施具有多种选择，因而为了解决互操作性问题，一个名为 WiMAX 论坛的行业协会应运而生。即便如此，考虑到成功的 RF 部署可能因地区与应用的不同而各异，OEM 厂商仍然需要细心权衡来为其射频 (RF) 子系统选用适当的组件解决方案和架构。OEM 厂商应当寻找当前能够实现多功能配置的 RF 芯片组，然后在未来进行更高程度的集成，从而根据未来市场的不同需求定制产品。

频谱选择

根据媒体接入控制 (MAC) 层、功率等级、物理层 (PHY) 以及 RF 信道化配置文件的不同定义，802.16 系统配置文件定义多种操作模式。其还包含有关 10～66 GHz的视距 (LOS) 频带以及 2～11GHz 的非视距 (NLOS) 频带的规范。

LOS 发射器需要具备至接收机的无障碍通道，而它们之间很容易受到地形和建筑楼宇的干扰。此外，其还对天线调节有依赖性。NLOS 系统采用扩频传输，因此直接通道与反射通道都可以促进信号的接收。目前已经实施了三个常用的频带（都来自 NLOS 频带）： 2.5GHz 及 3.5GHz 许可限制频带以及 5.8GHz 无许可限制频带。

为了降低已发射信号的多次反射对接收机造成的影响（多通道），系统采用基于 256 FFT（快速傅立叶变换）的 OFDM（正交频分复用）而非单载波。所采用的 OFDM 频率相互正交或垂直，从而允许子信道在互不干扰的情况下重叠，以便最大化频谱效率。FFT 数量可变（128～2048 个，256 除外）的 OFDMA（正交频分复用多址访问）是移动应用的首选，能够实现快速带宽修改。事实上，OFDM 技术已经被 802.11 等标准的应用所采用，而且正在纳入未来4G网络的应用考虑范围。

有许可限制与无许可限制的对比

有许可限制的频带的优势在于能够在所分配的带宽中广播而不受其他广播的干扰。不过，由于从政府部门申请有许可限制的频带需要付出高昂的代价而且耗时长久，因此这种优势可谓理所应当。有许可限制的频带可以保障可靠的业务，而后者又能够在确保更高服务质量 (QoS) 的情况下支持更多用户，从而减少潜在的商业风险。

而无许可限制的频带不存在购置成本，从而可以实现更迅速的部署且允许更多服务供应商提供宽带服务。但是，由于任何人都可以在所选择的频带中发射信号，来自其他网络的干扰可能会降低信号质量，从而限制 QoS 保证。不过，采用竞争式协议 (contention-based protocol) 可以为多台发射器在同一信道或频率发射信号制定规则，以使多个用户能够共享相同的频率。这样能够实现一定的 QoS 保证。

似乎服务供应商更倾向于在繁荣的大城市采用许可频带。而无许可频带更有可能用于农村地区和发展中国家，因为这里广播干扰的风险较低。

架构的复杂性

在很大程度上，RF 收发器架构设计依赖所选择的双工模式。而其选择取决于可用的带宽、所支持的数据速率，以及成本、尺寸和功耗约束等。

如果采用时分双工 (TDD)，收发器在给定时间只能发射或接收。TDD 比较经济，因为可以重复利用本地振荡器等频率发生功能，从而节省组件、成本并缩小空间。由于接收机工作时发射器关闭，因此不存在本地干扰，从而简化高电平组件的集成。另一方面，在无线电广播进行模式切换时，开销会消耗带宽，从而降低总体吞吐能力，并最终减少所支持用户的数量。

频分双工 (FDD) 可用于收发器基站与客户端设备，其采用两种不同的频率带宽同时进行发射及接收。由于这种架构具有更高的吞吐能力，它需要更高的频谱带宽，同时在带宽中间需要保护频带，以减轻滤波。在 RF 硬件自身之中，还必须隔离两个信号链，以确保发射器的高输出功率不阻塞接收机。这些附加的要求增加了组件集成的难度，进而放慢集成过程。不过，这种双工模式能够以更高的吞吐能力支持更多用户。

如果采用半频分双工，发射器及接收机可以在独立的频率下工作，但是在给定时间内只能进行一种操作。因此可以消除收发器受到的发射器干扰，从而简化 RF 组件集成。在设备大部分时间处于接收模式的 CPE 应用中，在需要之前可以一直关闭传输链路，从而降低功耗。所以，它是 CPE 最可能选用的模式。

无论 BTS 采用哪种双工模式，设备设计人员都必须确保 BTS 符合所选择的双工模式，同时支持可能采用不同双工模式的 CPE。

灵活选择、快速集成

设计 802.16 RF 的 OEM 厂商必须选择一整套 RF 芯片组来支持所面对的不同频谱范围以及为 BTS 及 CPE 选择的双工模式。此外，每个芯片组的性能还必须符合相应配置文件的给定 RF 屏蔽要求。面对这些要求以及开放的 802.16 应用环境，开发人员在选择 RF 组件时应注重灵活性。

如今，最终能够突显特色的要素在于性能。集成度较低、但灵活性较高的 RF 芯片组使设备厂商能够提高设计性能水平。超外差转换架构可以实现更好的阻断信号 (blocker signal) 滤波，从而实现能够扩展更高数据速率支持能力的抗干扰性。

随着兼容 802.16e 标准的移动系统开始投入开发，最终会需要更高程度的功能集成。在领先的工艺技术、生产能力及系统专业技术的支持下，具有高灵活性的高性能 RF 芯片组最终会在未来打造出能够优化成本、功率以及空间的解决方案。