無線寬帶接入通信系統論文

導語：無線寬帶接入通信系統論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1.引言

到2001年底，全球移動電話用戶總數突破了10億大關，并有100多個國家的移動用戶數超過了固定用戶數。移動通信已成為普遍接入的必要手段之一，而不再是傳統所認為的固定電話的補充。另一方面，定向話音仍是當前移動通信的主要業務，但包括高速數據在內的多媒體業務的比重逐年增加，預計2010年話音業務和多媒體業務之比將為1：2。移動多媒體業務是把文本、圖形、語音和視頻等信息以任意組合的方式給移動用戶提供的服務。為了提供優質的移動多媒體業務，必須構筑大范圍覆蓋的高質量無線寬帶網絡。從2002年開始，無線寬帶網的建設進入高速發展階段，許多國家均在政府支持和電信制造商、運營商的積極投入下，研究和建設各種不同類型的無線寬帶網絡。

我們知道，無線通信是利用無線電波(電磁波、激光)在空間的傳播來傳遞聲音、文字、圖像和其它信息的。空間信道具有可移動性、共享性、廣播性和可迅速建設等優點，同時也具有高干擾、強衰落、窄帶寬的缺點。因此，無線寬帶網絡需要特殊的發送和接收技術來保證。本文按固定無線接入、移動無線接入和蜂窩移動三大系列介紹國內外無線寬帶網絡的現狀和發展。

2．固定無線寬帶接入通信系統

由于固定無線接入比移動通信場合容易現實操作，智能天線、軟件無線電、現代編碼調制及自適應信號處理等功率/頻譜有效利用的新技術往往首先在固定無線接入中試驗與裝備應用，固定無線接入往往成為新一代移動通信的技術先導。

目前，與xDSL、HFC、FTTx、APON等有線寬帶傳輸的發展相對應，LMDS、MMDS、SFO等無線寬帶接入亦在快速推進。固定無線寬帶接入系統采用TDMA和CDMA等多址技術將點對點微波傳輸系統發展到一點對多點的無線集中系統，它可以提供本地交換局至終端用戶之間的寬帶通信服務。

2.1本地多點分配接入系統(LMDS)

LMDS在1998年被美國電信界評選為十大新興通信技術之一。其最大的特點在于寬帶特性，可用頻譜往往達1GHz以上。在不同國家或地區，電信管理部門分配給LMDS的具體工作頻段及頻帶寬度有所不同，其中大部分國家將27.5GHz～29.5GHz定為LMDS頻段。我國則采用26GHz及38GHz。

由于該技術利用高容量點對多點毫米波進行傳輸，它幾乎可以提供任何種類的業務，如話音、數據及視頻圖像等，能夠實現從64Kbps到2Mbps，甚至高達155Mbps的用戶接入速率，并具有很高的可靠性，被認為是一種"無線光纖"技術。它是解決電信接入網問題的利器，為電信運營商開展業務、發展用戶提供了高成效、低成本的有效手段。尤其適合于新興運營商進入電信市場。

LMDS系統通常由四個部分組成：基礎骨干網絡、基站、用戶端設備以及網管系統。由于LMDS直接支持無線ATM協議，可以使鏈路效率得到提高。

2.2多點多信道分布式系統(MMDS)

LMDS的缺點是覆蓋范圍小，為了覆蓋30平方英里以上的面積，可以使用另外一種成本低廉的寬帶無線技術—MMDS技術，它有時被稱為無線DSL。如圖1所示，MMDS不需要本地電信或有線廣播公司的干涉就能夠通過用戶安裝在屋頂上的天線為每位用戶提供服務。

圖1MMDS寬帶接入圖

MMDS最初用于單向傳輸的影像廣播服務，包括城市與城市之間的無線網絡系統。現在則可以采用雙向的數據業務傳輸，允許更加靈活地使用MMDS頻譜。而LMDS技術，則屬于區域性的無線技術，可被應用在城市內、郊區等小范圍的通信網絡，它們的比較如表1。

表1LMDS與MMDS的比較

2.3自由空間光通信(FSO)

激光無線通信與以往的利用電磁波(radio)的無線通信相比，具有容量大、發射裝置和功率小、不用政府特許證、對人體無影響等優點。但容易受到天氣和障礙物的影響，一般用于近距離室內通信，如各種遙控信號的傳遞、微機間和手機間的數據通信等。現在開始應用到室外通信，但需要使用抗天氣劣化的自適應技術。

自由空間光通信(FSO)使用光脈沖調制信號，按照FSO聯盟的規定可以采用兩個紅外線波長：長波長1550nm和短波長800nm。以提供100、155和622Mbps的數據速率。

3移動無線寬帶接入通信系統

移動通信是處于移動狀態的通信對象之間的通信，一般采用無線方式。移動通信系統可以分為兩大類：移動無線接入通信系統和蜂窩移動無線通信系統。前者依賴于現有網絡系統，僅僅是現有網絡的接入系統；后者是一個完全獨立的網絡系統，除了骨干傳輸部分外，都需要重新建立。移動無線接入通信系統以往主要包括第一代(CT1)、第二代(CT2)、第三代(CT3和PHS)無繩電話，它們僅提供語音和低速數據業務。移動無線寬帶接入通信系統則有以下幾種：

3.1寬帶無線局域網絡(WLAN)

無線局域網絡是便攜式移動通信的產物，終端多為便攜式微機。如圖2所示，其構成包括無線網卡、無線接入點（AP）和無線路由器等。目前最流行的是IEEE802.11系列標準，它們主要用于解決辦公室、校園、機場、車站及購物中心等處用戶終端的無線接入。

圖2802.11網絡的典型應用

在802.11的基礎上，IEEE相繼推出了802.11b和802.11a兩個標準。三者之間技術上的主要差別在于MAC子層和物理層。802.11b使用動態速率漂移，可因環境變化，在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之間切換，且在2Mbps、1Mbps速率時與802.11兼容。802.11a工作在5GHz頻段，物理層速率可達54Mbps，傳輸層可達25Mbps。可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網無線幀結構接口，以及TDD/TDMA的空中接口。

表2無線局域網標準比較

目前，2波段兼容(2.4GHz802.11b和5GHz802.11a)的產品最為流行，3波段(2.4GHz802.11b,5GHz802.11a和1.8GHzGSM/GPRS/WCDMA)產品也走出了實驗室。另外，802.11g標準剛剛被推出，它可以在2.4GHz頻段上實現54Mbps的數據速率。

歐洲的寬帶WLAN標準是HiperLAN2，它與IEEE802.11a非常相似。它希望和3G移動通信協議互通，并且能提供不同等級的QoS，以滿足多媒體或VoIP等不同類型的應用需求。

3.2無線ATM網絡

無線ATM的目的是在ATM骨干網的基礎上實現端到端的ATM連接，以提供質量可保證的各種服務，如ABR、VBR、CBR和UBR等。由于無線ATM網絡采用的無線傳輸信道與ATM骨干網所采用的光纖傳輸信道具有很大的差異，一些新的問題，如介質共享性、廣播性、較長的傳輸延時、較高的信道誤比特率以及信道衰落的影響等等，必須加以解決。因而無線ATM除了具有與ATM相同的ATM層、AAL層以及信令部分外，還要增加與無線通信有關的無線物理層(PHY)、介質訪問控制層(MAC)、數據鏈路控制層(DLC)，以及相應的無線控制功能，這樣才能在無線網絡中實現ATM服務。為支持對各種業務的服務質量控制，DLC協議常常針對不同的業務采用不同的差錯控制方式；MAC協議則一般采用信道動態分配算法來支持業務速率的可變。

另外，無線ATM通信網要支持移動用戶，因此網絡應具有移動管理功能。當無線ATM通信網采用微蜂窩小區形式的網絡結構時，越區切換控制就是移動管理的一項關鍵技術。無線ATM網和現有的移動通信系統(如GSM)相比具有一些不同的特點。例如，無線ATM網可支持多種類型的業務及多速率業務的通信，越區切換時需保證各種業務的服務質量(信元丟失率、延時等)不惡化；ATM信元字頭沒有序號字段，越區切換時可能出現信元次序混亂，造成信元丟失；現有的ATM網絡采用固定VP／VC連接方式(即固定路由)，而越區切換需更新原來的連接、重建路由。這就必須研究適用于無線ATM網絡的切換控制方案。

關于無線ATM的無線接口方面和移動管理方面的標準分別由ETSI和ATM論壇負責制定。依據這些標準，許多無線ATM系統被推出，如表3所示。無線ATM技術在生活中的深層次應用主要包括如何幫助人們完成遠程醫療、保健和教育。

表3無線ATM系統比較

移動無線寬帶接入還包括歐洲ACTS項目中著名的AWACS、SAMBA及MEDLAN系統，其工作頻段分別使用19GHz、40GHz、61GHz等，MEDIAN為室內慢速移動，AWACS及SAMBA可用于室外較高移動速度的情況，覆蓋范圍一般較小，為數十米至200米左右。它們的目標是實現155Mbps乃至速率更高的移動或半移動環境下高速優質多媒體個人通信服務。

另外，在移動無線寬帶接入通信方面還有兩個技術動向應引起注意：

最近美國FCC公布了最新頻率分配政策，批準有限使用在超寬頻帶（UWB）上傳送高速數據的非許可無線系統，但UWB的使用須高于3.1GHz或低于960MHz。有些廠商已經開始推出UWB產品的試驗樣機，它最適用于擁擠的室內通信。

作為一種多跳無中心分布控制網絡，自組網(adhoc)的研究方興未艾，它組網靈活、生存力強，可以迅速應用到某些特殊環境和緊急情況,是無線網絡發展的新方向。

4．蜂窩移動無線通信系統

蜂窩移動無線通信系統是當前移動通信的主力軍，它采用蜂窩結構，頻率可重復利用，實現了大區域覆蓋；并支持漫游和越區切換，實現了高速移動環境下的不間斷通信。從70年代起，它已經歷了第一代(1G)、第二代(2G)并開始進入第三代(3G)，未來向超（Beyond）3G過渡。圖3描述了移動無線接入和蜂窩移動無線通信系統的發展過程，它們的數據傳輸速率分別對應于不同的固定通信系統，其中MMAC、HAPS和ITS將在后面介紹。

圖3不同移動通信系統與固定通信系統的比較

1G采用FDMA和模擬調制，由于頻率利用率低、通話質量差、容量小，在中國已經退出市場。目前，國內外的主流系統是2G，它采用TDMA/CDMA和數字調制，提高了系統容量和通話質量。但1G/2G主要提供語音服務，為了提供自由的移動多媒體接入，例如話音、可視電話和高速數據傳輸，則需要發展3G和超3G移動通信系統。

4.1第三代移動通信系統（3G）

為了支持多媒體業務和全球無縫漫游，90年代初，一些標準化組織就已經對3G進行研究。在1999年10月的ITU芬蘭會議上，3G（即IMT－2000）的無線接口技術規范（如圖4）獲得通過，標志著第三代技術的格局最終確定。它分為CDMA和TDMA兩大類共五種技術，其中主流技術為三種CDMA技術：CDMA－DS（直接擴頻）即歐洲和日本共同提出的WCDMA技術；CDMA－MC（多載波）即美國提出的cdma2000技術；CDMA-TDD（時分雙工）包括我國提出的TD－SCDMA和歐洲提出的UTRATDD。這些標準的制定主要靠3GPP和3GPP2兩個國際組織。

圖4IMT－2000標準

3GPP研究制定并推廣基于演變的GSM核心網絡的3G標準，即WCDMA、TDS-CDMA等。GSM系統在向3G演進的過程中，其無線接入網絡采用新型WCDMA技術，引入了適于分組數據傳輸的協議和機制，可支持144Kbps、384Kbps、2Mbps的數據速率，這是一個革命性的變化。而在網絡部分則采用演進的方式，即在初期針對話音和數據業務分別接入到不同的交換網絡--電路型和分組型的交換網絡。通過提高現有GSM的傳輸帶寬，逐步向提供3G所要求的2Mbps速率的方向努力。目前，3GPP完成了許多標準版本，其中版本5完成了IP多媒體子系統的定義，諸如路由選取及多媒體會話，其下行峰值數據速率可高達8-10Mbps，并具有高的數據吞吐量和低的延時。

按照從事CDMA2000標準研究的國際組織—3GPP2的規范，窄帶CDMA系統(IS-95)無論是無線接口部分還是網絡部分在向3G過渡時，都將采用演進的方式。cdma2000-1X商用初期，網絡部分在窄帶CDMA網絡基礎上，保持電路交換、引入分組交換，以分別支持話音和移動IP業務。為了進一步增強傳輸能力，3GPP2開始制訂支持速率高于2Mbps的cdma2000-1X增強標準，其中高通公司的HDR、摩托羅拉和諾基亞公司聯合提交的1Xtreme，還有中國的LAS－CDMA都作為候選技術在探討中。

目前移動通信業界已基本達成一個共識：未來的移動通信核心網絡將是一個全IP的寬帶分組網絡。3GPP和3GPP2都將3G發展的目標設定為全IP網，它將承載從實時話音、視頻到Web瀏覽、電子商務等多種業務。

IMT-2000的原意是指2000年在2000MHz頻段實現2000Kbps的數據傳輸速率。但由于2.5G和WLAN的加強運作，延長了2G的壽命，再加上超（beyond）3G的基本概念與框架結構的研究已經啟動，這使得3G處于2.5G/WLAN及超3G的夾擊之下。另外3G標準和技術上也存在一些問題，近來世界經濟也處于低潮，這都使得3G的大規模使用比預想的要晚些到來。

為了在2G網絡上實現移動數據通信，許多2.5G過渡方案被提出，象GPRS和WAP技術。目前發展最快的是NTTDoCoMo公司的i-mode，它很好地實現了在線上網。在i-mode的基礎上，i-motion、i-area、i-appli等業務陸續在日本被推出。為了更好地提供這些服務，NTTDoCoMo公司于2001年10月1日開通了世界上第一個商業3G網—FOMA系統。

4.2超第三代移動通信系統

如圖3所示，即使3G系統建成了，也僅僅實現了相當于窄帶ISDN的數據速率。為了提供交互式移動多媒體服務、更高速數據接入(相當于寬帶ISDN)、真正的全球漫游和服務可攜帶性，超3G的研究已經啟動。目前的設想是將各種無線接入手段（包括宏/微蜂窩漫游、高/低速率傳輸等）組合起來，與以IPv6為基礎的核心網相連接，構成超3G的框架，從而形成慢速移動與快速移動的有機融合。ITU認為，可以將IMT重新定義為InternetMobile/MultimediaTelecommunications即互聯網移動/多媒體通信。目前，超3G的研究主要包括：

多媒體接入通信系統（MMAC）--高速率傳輸

MMAC是由日本推出的多媒體無線接入系統，其目標是通過便攜式可視電話和因特網獲得信息。如表4所示，目前主要提供兩類高速無線接入。第一類用于室內外寬帶移動通信系統，用3-60GHz頻段傳輸30Mbps的數據，該項目從2001年開始；第二類提供超高速WLAN室內接入，傳輸速率達到600Mbps，采用60GHz頻率，即毫米波。但是這些系統不能提供大范圍覆蓋，也不能用于車輛業務環境，只能用于“熱點地區”。研制出的毫米波樣機可以演示60GHz的WLAN與ATM或100BASE以太網接口，其數據速率可以達到155Mbps。

表4系統諸元表

移動寬帶系統(MBS)--高速率傳輸

歐洲MBS的目標是使蜂窩系統具備低時延、高QoS保證，數據傳輸率達到155Mbps的水平，比現行速率要快數千倍。MBS將朝著“與服務無關性”方向發展，即隨著數據傳輸率的提高，無線通信設備將能實現任何應用。

MBS創建于1995年，原型的數據傳輸率為34M的水平，但通過并行運用多路鏈接可提高數據傳輸率。MBS經過很多室內和室外環境的測試，包括在比較擁塞的城區以每小時30英里的速度行進。MBS的物理層采用獨特的TDMA技術，這也是大多數2G蜂窩電話所采納的標準；更高層則采用ATM方式。不過開發人員認為，MBS原型的功能仍不是很強，成熟的產品將在2010年出現。這期間規范肯定要作相應變更，物理層將會采用OFDM技術，網絡層則會采用IP協議。

智能運輸系統（ITS）--高速度移動

ITS是新型的傳輸系統，由先進的信息通信網組成，為用戶道路、車輛等提供高速運動中的信息傳遞。ITS不僅提供道路情況、交通事故等，同時還能為駕駛員和乘客提供多媒體業務。

ITS由9個開發層面組成，包括導航系統、電子長途數據采集（ETC）、安全行車輔助系統等。ETC是利用兩對5.8GHz的頻段進行連續的長途數據采集。ITS的通信系統分為路途車輛通信和車輛互通，其中最主要的是路途車輛通信。ITS系統在沿途布上光纖網，光纖無線收發信機是關鍵技術。

平流層高空平臺（HAPS）--宏蜂窩漫游

HAPS系統基于高空平臺提供多媒體電信業務和大氣層監測。基站將被安放在長時間停留在空中的氣艇、氣球或其他飛行器上。這些飛行器處于距地面20km至50km的空中，基本靜止。基站之間彼此通過光互連鏈路形成網絡。由于基站所處位置很高，使得每個基站有非常大的覆蓋范圍。因此，只需較少的基站就可以完成全網覆蓋，部署較快。

按照設計目標，HAPS將兼取衛星系統和地面通信系統的長處，以作為地面移動通信系統強有力的補充手段。HAPS可以支持固定終端、便攜終端和移動終端。典型的接入速率為25Mbps，對于有些固定終端可達幾百Mbps。由于采用了毫米波頻段（47/48GHz），容許使用高增益小口徑天線。

5結語

無線通信方式深深改變了我們和世界，它與我們的生活、工作和娛樂已經緊密相連。回溯到60年前，絕大多數國際電話是通過無線短波傳送的，人們也通過無線方式獲取最新時事新聞。展望未來，多數國際呼叫仍將通過手持或可攜帶的終端收發，而且這些設備還能從全球不同渠道接收網頁和實時視頻的更新。目前移動通信、圖象通信和互聯網正走向融合，多媒體業務將成為今后移動通信業的一個新的增長點。無線將越來越多地被用于提供接入，而使用有線網絡提供長途大容量傳輸。