IEEE802.16a標準及應用

2019-11-03 09:05:24

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

杰賽公司技術中心吳志超

中國電子科技集團七所教授級高工李進良

一、寬帶無線接入系列標準

　　通信系統標準是由專利技術群體所支撐的，每一項專利技術都代表滾滾財源。不容置疑，標準化已成為通信行業的基礎和動力。產品的標準化可以保護客戶的投資，規范運營市場，同時也是設備供應商占領市場的重要手段。可以這么說，通信標準是通信產業發展的鋪路石，未來的通信產業將由一個一個通信標準所導引，更規范地發展。

　　無線通信是近年來發展最快的產業，從尋呼系統的ＰＯＣＳＡＧ標準，到移動通信的ＧＳＭ、ＣＤＭＡ標準，以及３Ｇ標準之競爭，充分體現出通信標準的巨大影響力。隨著數據業務的日益增長，多媒體業務需求的逐漸顯現，對無線接入技術，特別是寬帶無線接入技術標準的制工作正在緊鑼密鼓地進行。

　　美國電氣和電子工程師協會ＩＥＥＥ和歐洲電信標準化協會ＥＴＳＩ是世界范圍內最具影響力的標準組織之一，其無線接入系列標準得到業界的廣泛關注。其中，ＩＥＥＥ８０２．１５和ＨｉｐｅｒＰａｎ構成了ＰＡＮ的無線接入標準，個人區間網用于解決同一地點的終端與終端之間的連接，通常形象描述為“最后１０米”的通信需求，如手機和藍牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）耳機之間的無線連接。

　　ＩＥＥＥ８０２．１１和ＨｉｐｅｒＬａｎ構成了ＬＡＮ的無線接入標準，局域網用于解決用戶群內部的信息交流和網際接入，形象描述為“最后１００米”的通信需求，如企業網和駐地網。

　　ＩＥＥＥ８０２．１６和ＨｉｐｅｒＡｃｃｅｓｓ構成了ＭＡＮ的無線接入標準，城域網用于大都市范圍內的業務點信息匯聚點之間的信息交流和網際接入，形象描述為“最后１公里”的通信需求。

　　ＩＥＥＥ８０２．２０和２Ｇ、３Ｇ蜂窩移動通信系統構成了ＷＡＮ的無線接入標準，廣域網則解決超出一個城市范圍的信息交流和網際接入需求。

　　應用于ＬＡＮ的ＩＥＥＥ８０２．１１ＷｉｒｅｌｅｓｓＬＡＮ（亦稱ＷＬＡＮ）系列標準得到許多大半導體器件產品制造商的積極支持，已推出多款符合標準ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ的芯片組和相應產品。包括終端和ＡＰ（接入點）設備的ＷＬＡＮ市場銷售額正以每年約６０％的速率增長，其影響力已遠遠超過其它ＷＬＡＮ標準。有大批業內頂尖制造商參加的Ｗｉ－Ｆｉ聯盟為ＩＥＥＥ８０２．１１系列標準的推廣起到了積極作用。

　　ＩＥＥＥ８０２．１１標準解決了“最后１００米”，即接入ＬＡＮ的問題。業務經ＬＡＮ接入ＭＡＮ的“最后１公里”還須ＷｉｒｅｌｅｓｓＭＡＮ技術或其他有線或無線接入技術來實現，這就是ＩＥＥＥ８０２．１６標準的應用定位。

　　ＩＥＥＥ８０２．１６標準于２００１年１２月獲得批準，其標題為“ＡｉｒＩｎｔｅｒｆａｃｅＦｏｒＦｉｘｅｄＢｒｏａｄｂａｎｄＷｉｒｅｌｅｓｓＡｃｃｅｓｓＳｙｓｔｅｍｓ”，即“廣帶固定無線接入系統的空中接口”。標準對無線接入設備的媒體接入控制層和物理層制訂了技術規范。

　　借鑒Ｗｉ－Ｆｉ模式，一個同樣由多個頂級制造商組成的全球微波接入互操作性聯盟已經宣告成立。ＷｉＭａｘ與ＷｉＦｉ兩者分別針對不同的市場，適用于不同的任務。ＷｉＭａｘ是一家非盈利性的行業組織，其目標是幫助推動和認證采用ＩＥＥＥ８０２．１６和ＥＴＳＩＨｉｐｅｒＭＡＮ無線城域網標準的器件和設備具有兼容性和互操作性，促進這些設備的市場推廣。經ＷｉＭａｘ認證的產品具備完善的互操作性，并可支持城域寬帶固定網、漫游和便攜應用。參加的制造商或社團包括英特爾、諾基亞、富士通、奧維通、Ａｐｅｒｔｏ、Ａｉｒｓｐａｎ、Ｐｒｏｍｉｘ、ＯＦＤＭＦｏｒｕｍ、Ｗｉ－ＬＡＮ等，目前已有２５家以上。

　　ＩＥＥＥ８０２．１６標準為面向連接或無連接業務提供具有服務質量（ＱｏＳ）的多業務無線接入手段。ＩＥＥＥ８０２．１６標準的物理層針對１０～６６ＧＨｚ頻段制定，主要用于大業務量的業務接入。由于其設備成本高，標準的市場推廣工作十分遲緩。為了在業已廣泛使用的１１ＧＨｚ以下頻段開發市場，ＩＥＥＥ于今年１月２９日推出了運行于２～１１ＧＨｚ的擴展版本標準——ＩＥＥＥ８０２．１６ａ，即“廣帶固定無線接入系統的空中接口——針對２～１１ＧＨｚ的ＭＡＣ層調整及增加的物理層規范”。其ＭＡＣ層和ＩＥＥＥ８０２．１６基本相同，物理層則增加了相應規范。新標準適用于特許頻段和２．４ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ等免特許頻段。由于ＩＥＥＥ８０２．１６ａ標準的實用性，它正在成為新的產業熱點，今年７月１０日，全球各大媒體報道：業界芯片制造巨頭英特爾公司將開發支持高速無線通信標準ＩＥＥＥ８０２．１６ａ的芯片組，富士通也已宣布開發相應的芯片組。這則消息使人們自然聯想到，去年年底由于英特爾發布的“迅馳”筆記本電腦芯片集成了Ｗｉ－Ｆｉ無線網卡功能，掀起了世界范圍內的ＷＬＡＮ無線接入浪潮。它直接導致了無線接入制造商獲得了大量的市場機會；一些試圖通過建立無線接入熱點，提供接入服務而贏利的商家越來越多。ＩＥＥＥ８０２．１６ａ芯片組的開發，給業界發出一個信息，ＩＥＥＥ８０２．６ａ普及的日子已經不遠了。

　　采用ＩＥＥＥ８０２．１６ａ標準的寬帶無線接入設備已開始進入我國城域接入網，ＡｐｅｒｔｏＮｅｔｗｏｒｋｓ公司的寬帶無線接入產品正建網試用。

二、ＥＥＥ８０２．１６ａ與ＩＥＥＥ８０２．１１系列標準的異同

　　由于ＩＥＥＥ８０２．１６ａ與ＩＥＥＥ８０２．１１系列標準在技術特征上有很多相同點，如都是用于寬帶無線接入，都可傳輸無連接業務，都采用相同的物理層技術，如正交頻分復用（ＯＦＤＭ），可工作于相同頻段等。很多人對ＩＥＥＥ８０２．１６ａ與ＩＥＥＥ８０２．１１系列標準的關系表現出疑惑：是替代還是補充？

　　８０２．１６ａ被認為是比８０２．１１更進一步的技術，它特別適合廣域網絡的寬帶業務、固定與移動業務。它業已包含了８０２．１１標準的眾多成果，如高安全性，較高的數據傳輸，網眼網絡技術（Ｍｅｓｈ）以及可以有效利用頻譜的智能天線技術。８０２．１６ａ將最先應用于最后一公里接入，移動應用將通過８０２．１６ｅ來實現。它的特性表現在以下幾個方面：傳送距離：最高３１英里５０公里；每區段最大數據速率是每扇區７０Ｍｂｐｓ，每個基站最多６個扇區；服務質量方面，可支持不同的服務等級，從而可以同時支持采用Ｔ１類型連接的企業用戶和采用ＤＳＬ類型連接的家庭用戶。此外，它還可以支持話音和視頻。從本節對兩個標準的比較，可以看出它們所針對的需求差別很大，提供的服務具有互補性。

　　１．多址方式和用戶數

　　８０２．１１按載波檢測多址（ＣＳＭＡ）模式實現多址通信，而８０２．１６ａ則采用時分多址（ＴＤＭＡ）方式。由于多址方式的不同，一個８０２．１１接入點只能同時接入數十個用戶，而８０２．１６ａ的一個基站可以同時接入數千個遠端用戶站。

　　２．差異化服務和ＱｏＳ

　　８０２．１１的ＣＳＭＡ多址方式，適合數據業務的傳輸。而８０２．１６ａ的ＴＤＭＡ多址方式，可以滿足多路、多類傳輸業務的需求，如數據、視頻、話音（ＶｏＩＰ）業務。視頻、話音等業務需要傳輸網絡的ＱｏＳ支持。８０２．１１不提供ＱｏＳ，而８０２．１６ａ提供ＱｏＳ，提供服務等級，實現差異化服務。電信業務分無連接業務和面向連接業務兩類。８０２．１１只適用于無連接業務，建立在ＴＣＰＩＰ協議基礎上。８０２．１６ａ作為″最后１公里″接入手段的提供者，能同時滿足兩類業務的傳輸需求，既可以用于無連接業務，也可以運用ＱｏＳ性能保證面向連接業務的傳輸。

　　８０２．１６ａ提供三種服務等級：固定帶寬（ＣＢＲ）、承諾帶寬（ＣＩＲ）、盡力帶寬（ＢＥ）。ＣＢＲ優先級最高，任何情況下保證用戶訂購的帶寬。ＣＩＲ的優先級次之，在承諾一個固定帶寬的基礎上，還可以根據設備帶寬資源情況向用戶提供更多的傳輸帶寬。ＢＥ則具有更低的優先級，在系統滿足其他用戶較高優先級業務的條件下，盡力為用戶提供傳輸帶寬。

　　３．無線帶寬按需分配

　　８０２．１６ａ在ＴＤＭＡ多址方式下工作，按用戶需要靈活分配傳輸帶寬，可在多用戶、多業務的情況下提高頻譜和設備的利用率。

　　８０２．１６ａ可以采用ＦＤＤＴＤＤ兩種雙工方式中的一種。當８０２．１６ａ工作在ＴＤＭＡＴＤＤ模式下，可以根據上下行業務的實際帶寬需求分配上下行帶寬，以提高頻譜利用率。實際應用中，上下行的帶寬需求往往有很大差別，如視頻點播（ＶｏＤ）業務下行的視頻帶寬要求很寬，而上行的控制信息傳輸帶寬則很窄。

　　４．鏈路層ＡＲＱ（自動重發請求）機制

　　８０２．１６ａ和針對話音業務而設計的現行無線通信體制不同，寬帶無線接入系統必須面對日益增長的ＩＰ數據業務。支撐ＩＰ數據業務的ＴＣＰＩＰ協議對信道的質量穩定性有較高要求，這和無線通信信道的不穩定特點是相悖的。在質量不穩定信道上運用ＴＣＰＩＰ協議，其效率將十分低下。

　　８０２．１１用于室內短距離通信，在這種條件下，無線傳播的衰落和多徑效應的影響并不明顯，傳輸質量相對可以滿足ＴＣＰＩＰ協議的要求。而８０２．１６ａ用于室外遠距離通信，衰落和多徑效應的影響非常顯著。因此，標準在鏈路層加入了ＡＲＱ機制，減少到達網路層的信息差錯，提高了系統的業務吞吐量。

　　５．自適應參數調整

　　為了保證無線傳輸的質量，８０２．１６ａ系統在工作中可對物理層多個技術參數進行自適應調整，如調制解調器參數、ＦＥＣ（前向糾錯）編碼參數、ＡＲＱ參數、功率電平、天線極化方式等，以保證系統的最佳通信質量。

　　６．多徑時延處理和ＮＬＯＳ（非視距）傳播

　　８０２．１１的傳播距離短，多徑時延小，它不需要處理大的多徑時延，以保證ＮＬＯＳ條件下的信號傳播。８０２．１１可處理的最大多徑時延為０．８μｓ。而８０２．１６ａ傳播距離遠、傳播環境復雜，需要對大的多徑時延進行處理，保證ＮＬＯＳ傳播。８０２．１６ａ可處理高達１０μｓ的多徑時延。

　　７．信道頻寬可調

　　８０２．１１占用較寬的固定信道頻帶，如８０２．１１ａ信道帶寬為２０ＭＨｚ。而８０２．１６ａ的信道帶寬可根據實際需求進行調整，例如，可設置為１．７５３．５７１４ＭＨｚ，或３６１０２０ＭＨｚ。這至少帶來如下優點：

　　１ 有利于避干擾；２ 節省頻譜資源；３ 容易規劃頻譜

　　８．頻譜效率更高，容量更大

　　８０２．１１系列中，８０２．１１ａ的信息容量最大，可達５４Ｍｂｐｓ，占用帶寬２０ＭＨｚ，頻譜效率約為２．７ｂｐｓＨｚ。而８０２．１６ａ的信息容量更大，信道帶寬２０ＭＨｚ時，信息速率可達１００Ｍｂｐｓ，頻譜效率約為５．０ｂｐｓＨｚ。

三、ＥＥＥ８０２．１６ａ設備的應用特點

　　寬帶接入技術分有線和無線兩類。和有線寬帶接入技術相比，無線接入具有工程周期短、市政協調工作量小、地理環境適應性強、維護簡便和維護費用低等優點。

　　能稱得上“寬帶”的無線接入技術并不多。ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、窄帶ＣＤＭＡ都只有最高二、三百ｋｂｐｓ的速率，稱不上“寬帶”。只有“只聞其聲，不見其人”的３Ｇ才能在室內靜止情況下達到２Ｍｂｐｓ的接入速率。一般認為廣帶（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ）網絡是指速率高于１０Ｍｂｐｓ的數據傳輸系統，它比人們熟悉的寬帶Ｗｉｄｅｂａｎｄ網絡具有高得多的系統性能指標，只有廣帶網絡才能支持未來多媒體電信網絡、數據網絡、視頻網絡，以及各種多媒體綜合業務。如前所述，ＷＬＡＮ只解決“最后１００米”的接入問題，與ＩＥＥＥ８０２．１６ａ或其他接入技術配合才能真正地實現寬帶接入。８０２．１６ａ用于將８０２．１１ａ無線接入熱點連接到互聯網，也可連結公司與家庭等環境至有線骨干線路。它可作為線纜和ＤＳＬ的無線擴展技術，從而實現無線寬帶接入。可以認為，到目前為止，ＩＥＥＥ８０２．１６ａ標準占據著無線寬帶接入的主導地位。

　　在國內市場，ＩＥＥＥ８０２．１６ａ將首先在無線城域網上應用。信息產業部將３．５ＧＨｚ（３４００～３４３０ＭＨｚ、３５００～３５３０ＭＨｚ）、５．８ＧＨｚ（５７２５～５８５０ＭＨｚ）兩個頻段規劃為城域網無線接入專用頻段。３．５ＧＨｚ城域網無線接入試驗網已于兩年前開通，目前已推廣到國內幾十個城市。５．８ＧＨｚ城域網無線接入試驗網也已進入實施階段。

　　美國ＡｐｅｒｔｏＮｅｔｗｏｒｋｓ公司的寬帶無線接入設備ＰＷ系列已與廣州杰賽公司合作獲運營商中電華通公司的入網資格，正在參加其５．８ＧＨｚ試驗網的運營試驗。Ａｐｅｒｔｏ公司是ＩＥＥＥ８０２．１６ａ工作組中ＭＡＣ層等兩個小組的主席單位，其產品的技術先進性和標準化處于領先地位。

　　Ａｐｅｒｔｏ的ＰＷ系列在無線接入應用方面具有鮮明的特點。除符合ＩＥＥＥ８０２．１６ａ的技術特征外，ＰＷ系列在頻率規劃設計、應用組網方面具有特色：

　　１．頻率容量

　　ＰＷ設備以扇形天線和天線極化等方式實現蜂窩組網。在６ＭＨｚ信道頻寬情況下，只須１２ＭＨｚ帶寬（兩個６ＭＨｚ頻段）就可實現單基站蜂窩覆蓋。當采用４個扇區，每扇區１６個信道時，一個基站支撐的最大信息容量達８９６Ｍｂｐｓ９６ＭＨｚ。

　　Ａｐｅｒｔｏ建議使用蜂窩頻率復用系數為３，是在任何情況下扇區的效率和最大速率之間的折衷方案。采用這樣的復用系數，覆蓋一個大的網絡總共需要６個信道。如果有更多頻譜可供使用，可以重疊在這些扇區中以獲得附加的容量。

　　２．地理覆蓋

　　ＰＷ系列是單載波技術體制，在５．８ＧＨｚ頻段的典型覆蓋半徑如附表：

　　覆蓋預計指標和范圍在任何情況下都依據障礙物和現場具體情況而定，要想實現期望的可靠覆蓋就必須有足夠的接收功率和允許解調的信噪比。Ａｐｅｒｔｏ的技術可以對穿過樹叢或建筑物等自然障礙物的信號實現接收和解調。

　　３．組網方式

　　ＰＷ系統圍繞一個基于路由器的基站結構來構建。基站包括了主支系統（ＭＳＳ），以及多達６個無線支系統（ＷＳＳ）。

　　ＰＷ系統的內置路由器提供具有更高效率的無線連接及支持許多網絡特性。Ａｐｅｒｔｏ提供了各種各樣的ＣＰＥ（用戶駐地設備）模式，即對遠端用戶單元的功能細分。包括稱做無線路由器的ＰＷ１３０，稱做無線ＮＡＴ設備的ＰＷ１２０。路由器和ＮＡＴ的集成可使企業用戶節約購置路由器或ＮＡＴ的費用。ＰＷ１１０是Ａｐｅｒｔｏ的ＣＰＥ中最簡單的一種，它僅限于一個無線網橋功能，支持最多５個ＭＡＣ地址和８種服務流量。

　　４．ＶｏＩＰ業務

　　由于語音在未來信息業務中所占比例日益減小，新一代的寬帶接入系統將更多地服務于數據業務，面向未來的ＰＷ系列設備在ＩＰ平臺上構筑了多業務接入系統。語音業務以ＶｏＩＰ的形式納入了ＰＷ接入網。

　　駐地網用戶的話音傳真業務通過網關或ＩＰ交換機轉換為ＩＰ信息，通過無線接入網接入ＩＰ骨干網，并通過網關實現與ＰＳＴＮ的業務互通。

　　５．多重虛擬用戶

　　ＰＷ系列的每個實際遠端用戶單元可以影射為最多１６個虛擬ＳＵ，每個虛擬ＳＵ相當一個獨立的數據流。

　　·每一虛擬ＳＵ得到獨立的包緩沖器

　　·每一虛擬ＳＵ被分配服務等級ＣＢＲ，ＣＩＲ或者ＢＥ

　　·每一虛擬ＳＵ被分配最小的帶寬保證和峰值帶寬

　　·每一虛擬ＳＵ的通道獨立。

　　６．網絡連接協議

　　ＰＷ平臺上支持豐富的網絡協議，包括：

　　·網橋

　　·ＮＡＴ

　　·路由選擇

　　·ＶＬＡＮｓ

　　·ＰＰＰｏＥ

　　·ＤＨＣＰ

　　·多重數據包分類和過濾

　　·ＶＬＳＭ和ＣＩＤＲ

　　這些特性使ＰＷ系統能夠在一個無線接口上容易地滿足運營商期望的幾乎任何網絡配置，從一個簡單的網橋，到一個復雜的多重的子網。

----《通信世界報》