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宽带无线接入

宽带无线接入,即终端(可以是固定或移动的)通过无线的方式,以高宽带高速率接入通信系统,这里的通信系统主要是指是蜂窝移动通信系统,无线局域网(WLAN)等。

定义

宽带无线接入技术是指终端通过无线的方式,以高宽带高速率接入通信系统的技术。作为目前主流的无线技术,被各大运营商广泛采用,利用此技术运营商们提出了“无线城市”的概念,从而可以为终端用户提供广泛的信息服务和多媒体服务。比如,用户利用智能手机(也可认为是3G手机)通过运营商的蜂窝网络可以看电影,视频聊天,视频通话,上互联网以及织围脖,从而丰富业余生活。

宽带无线接入技术代表了宽带接入技术的一种新的不可忽视的发展趋势,不仅建网开通快、维护简单、用户较密时成本低,而且改变了本地电信业务的传统观念,最适于新的电信竞争者开展有效的竞争,也可以作为电信公司有线接入的重要补充。

业务种类2.1MMDS系统

用于2.5GHz/5.7GHz的MMDS系统。它采用先进的VOFDM技术实现无线通信,在大楼林立的城市里利用“多径”,实现单载波6MHz带宽下传输速率高达22Mbit/s的数据接入,频谱效率较高,在2.5GHz频段可达到90-的通信概率,在5.7GHz频段可达到80-以上的通信概率。

2.2SDHIP环系统

工作在高频段的微波SDHIP环系统。过去在点对点的微波接力传输电路中使用较多的微波SDH设备。现在随着技术的进步,一些公司推出了微波SDH双向环网,具有自愈功能,与光纤环的自愈特性一致,集成了ADM,采用系列化的Modem,实现QPSK-256QAM可编程,有多种接口(G.703、STM-1、E3/T3、E1、以太网10Base-T/100Base-T)。同时,小型化结构设备的工程安装较以往的微波设备更方便,并且在频率紧张的情况下,这种设备可工作在13GHz、15GHz、18GHz、23GHz等频率,在城域网的建设中可避开对3.5GHz/26GHz无线接入频率的激烈争夺,可支持8×155M的带宽。

2.3多点分配LMDS

本地多点分配业务LMDS。它工作在20GHz~40GHz频段上,传输容量可与光纤比拟,同时又兼有无线通信的经济和易于实施等优点。LMDS基于MPEG技术,从微波视频分布系统(MVDS)发展而来。一个完整的LMDS系统由四部分组成,分别是本地光纤骨干网、网络运营中心(NOC)、基站系统、用户端设备(CPE)。LMDS的特点是:带宽可与光纤相比拟,实现无线“光纤”到楼,可用频段至少为1GHz,与其他接入技术相比,LMDS是最后一公里光纤的灵活替代技术;光纤传输速率高达Gb级,而LMDS的传输速率可达155Mbit/s,稳居第二;LMDS可支持所有主要的话音和数据传输标准;LMDS工作在毫米波段、20GHz~40GHz频率上,被许可的频率是24GHz、28GHz、31GHz、38GHz,其中28GHz获得的许可较多,该频段具有较宽松的频谱范围,最有潜力提供多种业务。

2.4固定无线接入系统

采用的空中接口种类大体分为三类:基于IP、基于ATM信元、基于TDMA的时隙分配。其对于调制解调、纠错、接收灵敏度及频谱效率等指标都有相应的理论值和工程可实现值。不同的调制方式一般对应不同的纠错方式,在无线通信系统中纠错性能将直接影响系统的整体性能,尤其是在组织多扇区时更要对这一点充分重视。但是,不可否认,在实际建网中调制方式与纠错方式的对应关系与理论值有很大偏差。为什么理论和工程之间有较大的差别呢?主要原因是任何设备在带外辐射受到限制的情况下,达到理想的频谱效率是不可能的,因为在占用带宽之外必须增加滚降路由器以防止本系统对邻频系统的干扰。目前,对于频谱利用率普遍存在着夸大宣传的问题,同时存在定义不一致的问题,不同的定义得到的值有时会有很大的差别,这一点在网络设备选择时更要注意,以免所选择的设备无法满足要求。

业务承载

在业务承载上,3.5G系统的业务基本上可分为两大类:主要是基于透明传输的TDM电路基本业务(基站传输链路及租用线业务)和IP业务,无线接入设备一般同时支持这两种业务,以便运营者为用户提供差异化服务。

关于网管、鉴权及计费,大多数无线接入设备的网管系统都采用SNMP协议平台,并且用户鉴权及计费基本都由第三方设备完成,无线接入设备本身可提供尽可能多的参数供相关设备访问和使用。

由于资源限制和3.5GHz设备本身的传输特性、天线的工艺原因,一个运营商在3.5GHz频段上难以组织同城域多小区系统,除非基站有较大的选择自由度,因此在组网规划时要慎重考虑,尤其是选择的设备一定要有较高的性能指标。

移动宽带无线接入技术

(1)宽带数字蜂窝技术

第一代蜂窝移动通信技术,采用的主要是模拟技术,传输的是模拟话音,第二代数字蜂窝系统虽然采用了全数字技术,但主要业务是话音,以后扩展的是窄带的WAP(第一代≤9.6kbit/s,第二代56kbit/s~2Mbit/s)数据和GPRS(第一阶段单信道≤48kbit/s,第二阶段8信道≤384kbit/s)数据。

第三代蜂窝移动通信系统的设计思想是将蜂窝移动技术与IP移动技术结合,形成真正的多媒体移动通信系统。目前,系统的设计和实验样品已初步达到了以上设计的目标:静止数据速率2Mbit/s,慢速移动速率384kbit/s,高速移动144kbit/s。

尽管ITU一再努力,但最终还是形成了以美国的cdma2000、欧洲宽带CDMA(WCDMA,)、中国的时分同步CDMA(TD-SCDMA,TimeDivision&SynchronousCDMA)等16个主要的标准,当然,目前由各个公司或集团提出申请的、希望被ITU认可为标准的第三代标准草案更是多如牛毛。

cdma2000标准是美国在第二代CDMA系统的基础上,通过其第2.5代的无线应用协议(WAP)技术逐步过渡到符合第三代技术指标的纯CDMA技术;WCDMA则是欧洲各国支持的标准,它试图从第二代GSM技术通过第2.5代的通用分组无线业务(GPRS),逐步过渡到符合ITU技术指标的技术,它实际上是FDMA和CDMA的混合产物;中国提出的TD-SCDMA标准也是以欧洲的第二代GSM为基础,但采取的是TDMA和CDMA混合的技术。

虽然第三代蜂窝技术与第二代相比有很大的提高,但这种提高还不是本质性的,从上面所列的数据速率参数就可以看到这一点;其次是所采用的技术没有从根本上提高频率资源的利用率;第三是没有形成国际统一的标准,不同标准的系统之间的互通性和兼容性都是未知的。为此,国际上很多公司集团在ITU的支持下开始研究和制定下一代蜂窝数字移动通信系统(4G)的国际标准,目前初步确定的目标是数据速率100Mbit/s,是第三代移动通信系统的50倍,采用以正交频分多路复用技术(OFDM,OrthogonalFrequency-DivisionMultipleaccess)为主的技术,使频率利用率与第三代移动通信系统相比有本质的提高。

(2)宽带移动无线局域网技术

WLAN是在有线和无线LAN技术的基础上,一种支持移动功能的计算机网络。它是移动通信技术和LAN技术结合的产物,是计算机网络(局域网、广域网、因特网)向无线移动方向延伸的结果。要实现计算机移动网络,首先计算机系统必须是可移动的系统,如笔记本、手持机、个人数字助理(PDA,PersonalDigitalAssistant)等,其次是可移动的通信终端接口,如数字终端设备(DTE)和数字电路设备(DCE),目前移动通信接口设备的小型化是有目共睹的。

最简单直观的移动无线局域网技术是将移动计算机和支持WAP及GPRS功能的手机连接起来,因为WAP和GPRS都支持TCP/IP协议,因而形成了当之无愧的支持国际互联的IP网络,当然该网络还称不上宽带IP网,因为WAP和GPRS都是窄带移动技术。

MLAN技术可以通过两条途径来产生,第一是等待第三、四代蜂窝移动通信网络的建立,则上述方案就可实现宽带IP,当然,还需一定时日;第二是在目前宽带有线LAN网络上通过扩展支持移动功能的无线局域网来实现宽带移动IP网或移动ATM网。第二种方案是目前很快能够实现的技术,当然无线局域网的移动性还需要解决一些关键问题。宽带移动IP技术可以用图1形象地描述。

固定宽带无线接入技术

固定宽带无线接入系统所用到的设备比较大,不适合移动,同时这种系统也没有考虑支持移动的相应技术,如移动用户身份识别、越区切换等技术的配套支持。典型的固定宽带无线接入系统有MMDS、LMDS、WLAN、平流层通信系统。

(1)MMDS

MMDS是作为有线电视的无线延伸,为那些不适合架设有线电视电缆的地区开发的,是单向多点广播式无线接入系统。最早的MMDS系统于1970年左右出现在美国等发达国家。因为它与卫星地面站相比要便宜,因此,一经推出就受到那些居住在远郊和农村的居民们的欢迎。第一代MMDS的基带带宽为45~900MHz,载波为2.5~2.7GHz,实际带宽为202MHz,只能单向传播模拟电视频道信号,是一个与因特网和其他公共网没有连接点的独立系统。但由于技术成熟,设备便宜,目前在一些偏远地区和山区还在普遍使用。现在还可以实现加密、加扰,以防止非法接收。

第二代MMDS系统的工作频带没有改变,但可以传送数字视频信号和多媒体信号,也可以开展按需视频点播(VOD)业务。当然,信道仍然是单向的,用户的上传信息还需要借助电话信道来实现。第二代MMDS系统的工作原理如图2所示。

支持双向全数字传输的第三代MMDS系统也已经研制出来并进入市场。

MMDS也属于微波通信,需要进行视距传播,一般有效的工作距离也就是50km,若将接收系统架设在山顶,则相应可获得更大的工作距离。

(2)LMDS

LMDS是为了适应无线通信网宽带化发展的需要,对MMDS的带宽和数据传送能力进行宽带化提升的结果,以解决市场对宽带化需求的燃眉之急。自美国FCC完成频谱拍卖后,就有人看到使用LMDS可以提供多种多样的业务,特别是宽带多媒体数据业务,这为LMDS的发展起了决定性作用。

LMDS工作于20~40GHz的毫米波频段,各个国家所规定的具体频率有所不同,绝大部分规定为28GHz的频率上,带宽1.3GHz,比MMDS宽得多。

第一代LMDS是模拟系统,最早由美国CellularVision公司提出并在纽约进行试验,主要用于电视节目的传播,称为无线CATV网。很显然,就是用于更新微波多点分配系统(MMDS)的产品。但实际上,由于LMDS工作于毫米波,因此传播距离一般只有2~5km,无法真正取代MMDS。

第二代LMDS系统采用全数字的技术,于近期才进入市场,数字LMDS不仅可以传播单向的电视节目,还可以升级为本地环路中的全交互式双向交换型宽带网络。LMDS只是中性的协议,能够支持各种主要的传输标准,如ATM、用于运动图像压缩的国际标准运动图像专家组-II(MPEG,MovingPictureExpertGroup)、TCP/IP等,它可以为每个用户提供从T1(1.5Mbit/s)到OC-3c(155.52Mbit/s)的数据速率,因此,LMDS又被称为“无线光纤”。

正由于多点无线技术及其相关协议和接入方式的结合,赋予了LMDS以改造社会的巨大潜力,成为有能力与目前的共用天线电视(CATV,CommonAntennaTeleVision)有线宽带网、支持xDSL的本地电话网以及卫星传输系统竞争的无线接入技术。

(3)WLAN

有线形式的局域网早在20世纪60年代美国的国际商用机器公司(IBM,InternationalBusynessMachineCo.),为其大型机360系列的主机与终端之间互连而诞生,以后随着国际标准化组织的ISO-OSI/RM的制定和TCP/IP协议的国际化使局域网得到飞速发展。但是,局域网的连线限制了其进一步发展,随着网络规模的增加,布线越来越复杂,数据通道的优化和避免瓶颈的产生就更加复杂,而且无法从移动媒体获得数据。为了克服上述缺点,人们提出了支持高传输速率、可移动性的WLAN的概念,WLAN采用无线电或红外光作为传输媒体,无须复杂的连线。早期的WLAN没有统一的国际标准,只有各个厂家根据有线局域网的IEEE802.3标准自行确定无线方案。IEEE从20世纪90年代初就开始制定WLAN的标准,但直到1998年才最终出台了IEEE802.11国际标准。同时欧洲也加紧制定速率更高、进一步支持无线ATM(WATM,WirelessATM)的HiperLAN国际标准,估计很快能完成。

WLAN分为两种类型,一类是因特网的无线延伸,即通过挂接WLAN的接入点(AP)使WLAN设备与因特网互联,AP可以看成WLAN的基站或中心,因此为有中心系统;另一类是完全由无线设备之间对等互连的无中心系统。蓝牙技术也是属于WLAN中无中心系统的一种。当然蓝牙协议与802.11不同,但它们在开放系统互连参考模型(ISO-OSI/RM)的物理层以上协议可以兼容。两种网络结构如图3所示。

IEEE802.11和IEEE802.3类似,其标准化工作主要集中于物理层(PHY,PHYsicallayer)和媒体访问控制子层(MAC,MediaAccessControl)的标准制定。

(4)平流层通信系统

平流层也称为同温层,是指离地面8~50km范围的空间区域。这个区域的特点是温度基本为常数,气流基本沿水平方向移动。平流层通信是指在平流层空间设置稳定的空中平台作为微波中继站,与地面控制系统、关口系统、用户系统构成一个完整的通信系统。该系统与卫星中继通信有点类似,不过平流层离开地面近,因此信号衰减小,延迟小,当然覆盖范围也小。

①平流层平台:由充氦飞艇、姿态定位控制稳定系统、转发器或反射器、供电系统等构成。定位稳定系统极为关键,它由GPS接收机、离子推进器等组成,将平台控制在直径40m的立体空间内。平流层平台的工作寿命一般为10年。当然现在还有人提出用遥控无人驾驶飞机作为空中平台的设想。

②通信业务:平流层通信系统可提供从64kbit/s到155Mbit/s的全双工数字传输通信。主要业务:数字电话、传真、电子邮件、可视电话(256kbit/s)、E1(1.5~2Mbit/s)、LAN、WAN等。也可通过关口站实现不同蜂窝之间、甚至不同覆盖区域之间用户的多媒体通信。还可以与卫星通信网连接在一起,形成超高速、远距离骨干数字通信网和接入网。

③工作频带:47.2~50.2GHz之间至少600MHz的带宽,其中上行47.2~47.5GHz,下行47.9~48.2GHz。

④多址方式:一般采用TDMA/FDMA和CDMA复合多址方式。

⑤覆盖区域:平流层平台至少能覆盖半径40km、面积5000km2的区域。而视距覆盖区域半径可达500km以上,已与卫星蜂窝差不多大小了。

⑥通信容量:5000km2的区域被分割成700个蜂窝,每个蜂窝7.2km2,直径约3km。若所有频率每7个蜂窝复用一遍,则频率复用率为100-,系统可提供20万个64kbit/s信道,可服务200万个64kbit/s用户,或50万个256kbit/s用户,或6.25万个E1用户。

⑦平台造价:4000万美元。

⑧平流层通信的优点:a.可实现低成本通信。平台造价比卫星便宜很多倍,用户终端也只有200~300美元,用户通话费每分钟只有几美分。b.覆盖范围大。一个平流层平台就能覆盖直径100km的面积。c.通信容量大。250个平流层平台可提供15亿个64kbit/s的数字电话用户。d.业务多样性。既适合于固定业务,又适合于移动业务,既适合于窄带业务,又适合于宽带业务,既适用于单一话音业务或数据业务,又适用于多媒体综合业务。e.适应性强。该系统既可以适用于城市人口密集区,又适用于农村及边远人口稀少地区。

⑨平流层通信存在的问题:a.关于通信业务的归属问题。它既不属于卫星中继通信,又不属于陆地中继通信,目前无明确定义。b.抗雨雪衰减问题,该频段对雨雪衰减特别敏感,而且随距离衰减很快,目前没有很好的解决办法。c.与现有业务的兼容性问题。由于关于平流层通信还没有统一的国际标准,与现有同类业务,特别是移动业务兼容性很差,容易受到用户和运营商的抵制。d.领空所有权问题,全球需250个平流层平台,在布点时与卫星在外太空不同,会随机地落入各个国家的领空中,主权和利益如何平衡是一个大问题。e.市场开拓问题。目前在发达国家,地面通信网和卫星通信网已全部覆盖所有陆地,再开拓市场有一定难度。

宽带无线接入的优势及存在的问题

(1)宽带无线接入的优势

从上述讨论的内容可以看出,宽带无线接入的优势是十分明显的,主要表现在以下几个方面:

①支持移动性是其根本的优点,从而避免了复杂的连线,为用户的应用增加了方便性和自由度。

②在一些不可进行布线或不适合布线的荒野或野外临时会场等地点,使用宽带无线接入技术是最好的选择,也是最便宜的选择。

③在拥挤的老城区,用户需求强烈而又不允许开沟埋缆的地点,通过宽带无线接入技术可以缓解带宽瓶颈,提供满足用户需求的服务。

④在居住分散的农村或郊区,采用宽带无线接入技术可能比架设线缆更合算,使用起来也更方便。

⑤即使在布线很多的城区,宽带无线接入技术也可以作为用户的重要选择方案,因为其使用成本远低于卫星接入,比公共电信宽带网也要低。

(2)宽带无线接入技术存在的问题

宽带无线接入技术所存在的问题也十分明显,具体可表现为以下几个方面:

①各个公司集团各自为政,虽然通过制定IEEE802.11等国际标准,在兼容性方面有很大的提高,但总体说来,兼容性、互操作性还是很差,没有形成真正统一的国际标准。

②相应地,由于规模不大,使设备成本和用户终端成本过高,反过来又影响了该技术的推广应用。

③在保证通信质量和移动后的稳定性和可靠性方面还有一些技术问题需要解决。

④由于使用开放信道,如何设置基站位置,避免阴影效应,避免相互干扰,以及消除外来干扰,消除天气影响等方面还有不少工作要做。

⑤如何真正做到与宽带骨干网、宽带城域网、公共通信网等的高效、无缝连接,网络管理和服务收费等问题的分工合作等方面,也有待进一步改进。

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