要害詞：無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線局域網(wǎng) 移動(dòng)寬帶系統(tǒng) 本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)

Abstract:The rapid growth of the Internet and multimedia services and the increasing number of mobile telephone users indicate that the broadband wireless technology will be developed rapidly over the next few years. The paper analyzes the chara cteristics of several kinds of wireless broadband communication systems which ar e in full development now, introdUCes the PRinciples and applications of fixed a nd mobile wireless broadband communication systems, and points out key technolog ies in wireless broadband communications.

Key Words:Wireless broadband network Wireless local area network Mobile broadban d system Local multipoint distribution service

　　隨著Internet業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，以及移動(dòng)電話用戶的快速增長(zhǎng)，人們確信未來(lái) 通信中“寬帶”和“無(wú)線”將扮演重要角色,并為此已作出不懈的努力：第3代(3G)移動(dòng)通信 正在標(biāo)準(zhǔn)化，即所謂的IMT－2000(室外碼率384kbit/s，本地碼率可達(dá)2Mbit/s)；無(wú)線局域 網(wǎng)(WLAN)包括IEEE802.11和ETSI的HIPERLAN正在發(fā)展，前者在載頻2.4GHz時(shí)碼率為11Mbit/s ，后者在5GHz、17GHz時(shí)碼率可達(dá)24Mbit/s；移動(dòng)寬帶系統(tǒng)(MBS)作為一種可提供更高碼率( 如155Mbit/s)的蜂窩系統(tǒng)正在大量試驗(yàn)中，其載頻為40/60GHz；非凡是無(wú)線寬帶固定接入系 統(tǒng)的發(fā)展更快、更成熟。2000年8月，IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的討論稿已提出，本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)( LMDS)的大量試驗(yàn)已取得滿足效果。由于其容量大(2～155Mbit/s)，可提供話音、數(shù)據(jù)、視 頻等綜合業(yè)務(wù)，因此被譽(yù)為“無(wú)線光纖”。

　　由此可見(jiàn)，無(wú)線寬帶通信正在興起，這些通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

　　(1)頻帶寬，載頻高。以上各種無(wú)線通信系統(tǒng)可提供的碼率為2～155Mbit/s。由于頻帶 寬，因而載頻需要提高。例如LMDS的載頻就高達(dá)27GHz，其頻帶寬度可達(dá)1GHz。
　　(2)無(wú)線信道的頻率資源有限，而且多徑衰落、噪聲和干擾比較嚴(yán)重，為了實(shí)現(xiàn)可靠的 寬帶傳輸，必須依靠現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、抗干擾編碼技術(shù)、無(wú)線技術(shù)以及接入技術(shù)等，可見(jiàn) 實(shí)現(xiàn)可靠的高速無(wú)線通信難度較大。
　　(3)毫米波層的電波傳輸易受氣候影響。降雨對(duì)毫米波影響大，如在30GHz，當(dāng)降雨強(qiáng)度 為5mm/h時(shí)，吸收損耗為1.5dB/km；降雨強(qiáng)度為100mm/h時(shí)，則可達(dá)15dB/km。當(dāng)傳送距離為1 0km，降雨時(shí)損耗可達(dá)150dB，再加上自由空間傳輸損耗，甚至可能中斷通信。
　　(4)毫米波波長(zhǎng)較短，只適宜于視距通信。電波在自由空間的傳輸損耗載頻，載頻為30G Hz，自由空間傳輸5km時(shí)，損耗為30dB。例如LMDS系統(tǒng)，其覆蓋范圍一般在5km以內(nèi)，如超過(guò) 一定范圍就應(yīng)該設(shè)置中繼站。

圖1　無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)的比較

　　各種無(wú)線寬帶通信的比較如圖1所示，可見(jiàn)移動(dòng)無(wú)線通信正向更高速率(從而可提供音頻 到視頻的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù))、更快移動(dòng)性發(fā)展。但LMDS則是一種固定的無(wú)線接入系統(tǒng)，碼率可達(dá)155 Mbit/s，能提供豐富多彩的綜合業(yè)務(wù)。目前正在發(fā)展的GSM用于窄帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，DECT用 于窄帶的無(wú)繩電話系統(tǒng)均不在本文討論范圍之內(nèi)。因此，無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)可列表如表1所示。

表1　無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)列表

　　1 寬帶無(wú)線通信的業(yè)務(wù)與應(yīng)用

　　1.1 WLAN和MBS

　　應(yīng)該說(shuō)，無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和移動(dòng)寬帶系統(tǒng)(MBS)的系統(tǒng)概念是完全不同的。WLAN(例如 HIPERLAN)主要用于計(jì)算機(jī)之間的通信，也可以說(shuō)是有線LAN的延伸，技術(shù)上是比較成熟的， ETSI已有WLAN的標(biāo)準(zhǔn)。MBS則是尚在開(kāi)發(fā)的技術(shù)，它可提供比通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)更為 豐富和更為先進(jìn)的業(yè)務(wù)。圖2給出了無(wú)線寬帶通信(WBS)的可能的應(yīng)用。

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圖2　WBS可能的應(yīng)用

　　當(dāng)然，這些應(yīng)用大部分可用于MBS，而WLAN用于固定通信或準(zhǔn)移動(dòng)通信范圍。

　　為了更清楚地說(shuō)明這兩者的不同，表2以HIPERLAN為例，對(duì)它們的性能作了比較。相對(duì)來(lái)說(shuō)，WLAN載頻、碼率、移動(dòng)性比MBS都要低，其應(yīng)用范圍也有所不同。

表2　HIPERLAN與MBS的性能比較

　　1.2 UMTS和MBS

　　眾所周知，UMTS是第3代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，為了進(jìn)一步說(shuō)明MBS的性能，把它與UMTS進(jìn)行比較，并列于表3中。

表3 UMTS和MBS的比較

　　2 寬帶固定無(wú)線接入系統(tǒng)

　　2.1 LMDS

　　本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)(LMDS)是一種毫米波段的寬帶固定無(wú)線接入系統(tǒng)。它由基站、用戶終端、網(wǎng)管系統(tǒng)和骨干網(wǎng)4部分組成。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，用戶終端是固定的。

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圖3　LMDS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　由于低端無(wú)線頻率資源十分緊張，高端如毫米波段則頻帶較寬。本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)的美 國(guó)標(biāo)準(zhǔn)載頻為27GHz，其頻帶寬度達(dá)到1GHz，用戶接入速率可高達(dá)155Mbit/s，從而可以提供 包括話音、數(shù)據(jù)、視頻等綜合業(yè)務(wù)。

　　除了容量大，可提供多種業(yè)務(wù)外，LMDS還具有初期投資省(不需開(kāi)挖馬路、鋪設(shè)管道、電纜等)；頻率復(fù)用度高，系統(tǒng)容量大(按移動(dòng)蜂窩式配置小區(qū)，多個(gè)小區(qū)設(shè)一基站，由于毫 米波段只能視距傳輸，基站載頻頻率可適當(dāng)復(fù)用)；配置靈活，擴(kuò)展性好，擴(kuò)充容量和增加 新業(yè)務(wù)都很方便(因?yàn)長(zhǎng)MDS的基站和用戶終端都采用模塊化設(shè)計(jì))；毫米波源方向性好、干擾少、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。

　　其缺點(diǎn)是：毫米波源傳輸距離短，小區(qū)半徑只在3～5km，不能用于遠(yuǎn)程通信；毫米波段 通信質(zhì)量受雨、雪影響較大。在選擇工作頻率時(shí)應(yīng)避開(kāi)傳輸損耗的峰值頻點(diǎn)，如氧氣吸收峰點(diǎn)為60GHz，水蒸氣吸收峰點(diǎn)為166GHz等。

　　LMDS系統(tǒng)將服務(wù)范圍分成多個(gè)蜂窩狀小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有一個(gè)基站和多個(gè)用戶終端組成。由于毫米波的方向性很強(qiáng)，一個(gè)小區(qū)又可以分為多個(gè)扇區(qū)(如24個(gè)扇區(qū))，每個(gè)扇區(qū)可根據(jù)用 戶的要求提供不同的業(yè)務(wù)，其容量可達(dá)155Mbit/s。基站設(shè)備由多個(gè)扇區(qū)設(shè)備組成，每個(gè)扇 區(qū)設(shè)備分為室內(nèi)和室外兩部分。室外單元包括天線、毫米波收發(fā)模塊；室內(nèi)單元包括調(diào)制解 調(diào)模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊。室內(nèi)單元還提供與骨干網(wǎng)的接口，包括與IP、ATM、PSTN以及ISDN 等相連的接口。

　　LMDS用戶終端可以是家庭或住宅小區(qū)的用戶，它也由室外、室內(nèi)的單元組成。室外單元 包括天線、毫米波收發(fā)模塊；室內(nèi)單元包括調(diào)制解調(diào)模塊、用戶接口模塊。同基站扇區(qū)設(shè)備 一樣，其室內(nèi)單元也提供多種網(wǎng)絡(luò)接口。

　　網(wǎng)管系統(tǒng)是LMDS系統(tǒng)的監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控治理、網(wǎng)絡(luò)配置、系統(tǒng)計(jì)費(fèi)等功能。

　　2.2 MMDS(多通道多點(diǎn)分配業(yè)務(wù))

　　MMDS也是一種固定的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)。MMDS原只是單向的CATV系統(tǒng)的無(wú)線延 伸，現(xiàn)在在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其能用于雙向的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。

　　MMDS工作于2.3～2.7GHz，近來(lái)某些廠商的產(chǎn)品已可工作于2～4GHz，甚至是1～10GHz。 MMDS的配置、構(gòu)成和可用技術(shù)與LMDS相似，但由于工作在3GHz的微波波段，遠(yuǎn)低于LMDS的30 GHz，可用的頻譜資源也比LMDS少得多。

　　與LMDS相比，MMDS適用于用戶相對(duì)分散、容量較小的地區(qū)，其成本也比LMDS低。

　　2.3 FSO(自由空間光通信系統(tǒng))

　　FSO是激光或光脈沖在太赫茲(THz)光譜范圍內(nèi)能傳輸分組數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)。它是用空氣 作媒介，不是采用光纖的光通信系統(tǒng)。

　　FSO的優(yōu)點(diǎn)是帶寬大，成本低，安裝方便，易于擴(kuò)充，不易被截取和發(fā)現(xiàn)(因?yàn)椴捎玫牟?束很窄，是不可見(jiàn)光)。

　　假如采取點(diǎn)到點(diǎn)的組成組網(wǎng)方式，F(xiàn)SO能支持155Mbit/s到10Gbit/s碼率，距離在2～4km 。在點(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)方式中，F(xiàn)SO同樣能支持155Mbit/s～10Gbit/s碼率，但距離在1～2km。 假如采用網(wǎng)狀的組網(wǎng)方式則可支持622Mbit/s，距離為200～400m。可見(jiàn)，帶寬大是其主要優(yōu)勢(shì)。

　　FSO的主要缺點(diǎn)是無(wú)線光鏈路易受霧、雨、雪的影響，而且波束短，傳輸距離短。

　　3 寬帶可移動(dòng)無(wú)線接入系統(tǒng)

　　3.1 WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))

　　目前有兩種WLAN，一種即IEEE.802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)體系，工作在2.4GHz頻段，可提供1～20 Mbit/s碼率，一般就稱為WLAN。另一種是CEPT制定的HIPERLAN標(biāo)準(zhǔn)體系，其工作頻率在5GHz 左右，適用于小范圍(150m)的高速(54Mbit/s)的寬帶無(wú)線接入，其終端可作低速移動(dòng)。這里 只對(duì)HIPERLAN系統(tǒng)稍作介紹。

　　可以說(shuō)，HIPERLAN是到目前為止最完善的WLAN協(xié)議。其特點(diǎn)是：高速傳輸、面向連接、支持QoS、自動(dòng)頻率配置、支持小區(qū)切換、安全保密、網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用無(wú)關(guān)。

圖4　HIPERLAN的構(gòu)成

　　HIPERLAN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其協(xié)議參考模型如圖5所示。用戶平面的功能是在已經(jīng) 連接的信道上傳輸數(shù)據(jù)，控制平面則用于控制連接的建立、釋放與監(jiān)控。

圖5　HIPERLAN協(xié)議參考模型

　　(1)物理層(PHY)：OFDM調(diào)制(用FFT實(shí)現(xiàn))，信道間隔為20MHz；每一信道又分為52個(gè)子信 道，每個(gè)子信道的間隔為312.5kHz，其中48個(gè)用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，其余4個(gè)用于提供同步的導(dǎo)頻 信號(hào)；傳輸時(shí)延小于等于250ns。
　　(2)數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)：包括MAC協(xié)議、差錯(cuò)控制協(xié)議、無(wú)線鏈路控制協(xié)議(RLC)3個(gè) 子層。MAC子層采用CSMA/CA協(xié)議，即隨機(jī)退避方式；對(duì)數(shù)據(jù)可選ARQ方式，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)則答應(yīng) 丟失一些數(shù)據(jù)；RLC用于接入點(diǎn)和移動(dòng)終端之間交換信令數(shù)據(jù)，建立、釋放和連接等。
　　(3)匯聚層(CL)：用于高層服務(wù)請(qǐng)求與DLC層提供服務(wù)間的適配，將高層固定或可變長(zhǎng)度的分組整理成DLC中的固定長(zhǎng)度的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)。