无线宽带网络（上）

要害词：无线宽带网络 无线局域网 移动宽带系统 本地多点分配业务

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

　　随着Internet业务、多媒体业务的迅速发展，以及移动电话用户的快速增长，人们确信未来 通信中“宽带”和“无线”将扮演重要角色,并为此已作出不懈的努力：第3代(3G)移动通信 正在标准化，即所谓的IMT－2000(室外码率384kbit/s，本地码率可达2Mbit/s)；无线局域 网(WLAN)包括IEEE802.11和ETSI的HIPERLAN正在发展，前者在载频2.4GHz时码率为11Mbit/s ，后者在5GHz、17GHz时码率可达24Mbit/s；移动宽带系统(MBS)作为一种可提供更高码率( 如155Mbit/s)的蜂窝系统正在大量试验中，其载频为40/60GHz；非凡是无线宽带固定接入系 统的发展更快、更成熟。2000年8月，IEEE802.16标准的讨论稿已提出，本地多点分配业务( LMDS)的大量试验已取得满足效果。由于其容量大(2～155Mbit/s)，可提供话音、数据、视 频等综合业务，因此被誉为“无线光纤”。

　　由此可见，无线宽带通信正在兴起，这些通信系统的特点是：

　　(1)频带宽，载频高。以上各种无线通信系统可提供的码率为2～155Mbit/s。由于频带 宽，因而载频需要提高。例如LMDS的载频就高达27GHz，其频带宽度可达1GHz。
　　(2)无线信道的频率资源有限，而且多径衰落、噪声和干扰比较严重，为了实现可靠的 宽带传输，必须依靠现代信号处理技术、抗干扰编码技术、无线技术以及接入技术等，可见 实现可靠的高速无线通信难度较大。
　　(3)毫米波层的电波传输易受气候影响。降雨对毫米波影响大，如在30GHz，当降雨强度 为5mm/h时，吸收损耗为1.5dB/km；降雨强度为100mm/h时，则可达15dB/km。当传送距离为1 0km，降雨时损耗可达150dB，再加上自由空间传输损耗，甚至可能中断通信。
　　(4)毫米波波长较短，只适宜于视距通信。电波在自由空间的传输损耗载频，载频为30G Hz，自由空间传输5km时，损耗为30dB。例如LMDS系统，其覆盖范围一般在5km以内，如超过 一定范围就应该设置中继站。

图1　无线宽带通信系统的比较

　　各种无线宽带通信的比较如图1所示，可见移动无线通信正向更高速率(从而可提供音频 到视频的实时业务)、更快移动性发展。但LMDS则是一种固定的无线接入系统，码率可达155 Mbit/s，能提供丰富多彩的综合业务。目前正在发展的GSM用于窄带移动通信系统，DECT用 于窄带的无绳电话系统均不在本文讨论范围之内。因此，无线宽带通信系统可列表如表1所示。

表1　无线宽带通信系统列表

　　1 宽带无线通信的业务与应用

　　1.1 WLAN和MBS

　　应该说，无线局域网(WLAN)和移动宽带系统(MBS)的系统概念是完全不同的。WLAN(例如 HIPERLAN)主要用于计算机之间的通信，也可以说是有线LAN的延伸，技术上是比较成熟的， ETSI已有WLAN的标准。MBS则是尚在开发的技术，它可提供比通用移动通信系统(UMTS)更为 丰富和更为先进的业务。图2给出了无线宽带通信(WBS)的可能的应用。

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图2　WBS可能的应用

　　当然，这些应用大部分可用于MBS，而WLAN用于固定通信或准移动通信范围。

　　为了更清楚地说明这两者的不同，表2以HIPERLAN为例，对它们的性能作了比较。相对来说，WLAN载频、码率、移动性比MBS都要低，其应用范围也有所不同。

表2　HIPERLAN与MBS的性能比较

　　1.2 UMTS和MBS

　　众所周知，UMTS是第3代移动通信标准，为了进一步说明MBS的性能，把它与UMTS进行比较，并列于表3中。

表3 UMTS和MBS的比较

　　2 宽带固定无线接入系统

　　2.1 LMDS

　　本地多点分配业务(LMDS)是一种毫米波段的宽带固定无线接入系统。它由基站、用户终端、网管系统和骨干网4部分组成。网络结构如图3所示，用户终端是固定的。

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图3　LMDS的网络结构

　　由于低端无线频率资源十分紧张，高端如毫米波段则频带较宽。本地多点分配业务的美 国标准载频为27GHz，其频带宽度达到1GHz，用户接入速率可高达155Mbit/s，从而可以提供 包括话音、数据、视频等综合业务。

　　除了容量大，可提供多种业务外，LMDS还具有初期投资省(不需开挖马路、铺设管道、电缆等)；频率复用度高，系统容量大(按移动蜂窝式配置小区，多个小区设一基站，由于毫 米波段只能视距传输，基站载频频率可适当复用)；配置灵活，扩展性好，扩充容量和增加 新业务都很方便(因为LMDS的基站和用户终端都采用模块化设计)；毫米波源方向性好、干扰少、性能优越等优点。

　　其缺点是：毫米波源传输距离短，小区半径只在3～5km，不能用于远程通信；毫米波段 通信质量受雨、雪影响较大。在选择工作频率时应避开传输损耗的峰值频点，如氧气吸收峰点为60GHz，水蒸气吸收峰点为166GHz等。

　　LMDS系统将服务范围分成多个蜂窝状小区，每个小区有一个基站和多个用户终端组成。由于毫米波的方向性很强，一个小区又可以分为多个扇区(如24个扇区)，每个扇区可根据用 户的要求提供不同的业务，其容量可达155Mbit/s。基站设备由多个扇区设备组成，每个扇 区设备分为室内和室外两部分。室外单元包括天线、毫米波收发模块；室内单元包括调制解 调模块、网络接口模块。室内单元还提供与骨干网的接口，包括与IP、ATM、PSTN以及ISDN 等相连的接口。

　　LMDS用户终端可以是家庭或住宅小区的用户，它也由室外、室内的单元组成。室外单元 包括天线、毫米波收发模块；室内单元包括调制解调模块、用户接口模块。同基站扇区设备 一样，其室内单元也提供多种网络接口。

　　网管系统是LMDS系统的监控中心，以实现监控治理、网络配置、系统计费等功能。

　　2.2 MMDS(多通道多点分配业务)

　　MMDS也是一种固定的点对多点宽带无线接入系统。MMDS原只是单向的CATV系统的无线延 伸，现在在对该系统进行改造，使其能用于双向的数据业务传输。

　　MMDS工作于2.3～2.7GHz，近来某些厂商的产品已可工作于2～4GHz，甚至是1～10GHz。 MMDS的配置、构成和可用技术与LMDS相似，但由于工作在3GHz的微波波段，远低于LMDS的30 GHz，可用的频谱资源也比LMDS少得多。

　　与LMDS相比，MMDS适用于用户相对分散、容量较小的地区，其成本也比LMDS低。

　　2.3 FSO(自由空间光通信系统)

　　FSO是激光或光脉冲在太赫兹(THz)光谱范围内能传输分组数据的通信系统。它是用空气 作媒介，不是采用光纤的光通信系统。

　　FSO的优点是带宽大，成本低，安装方便，易于扩充，不易被截取和发现(因为采用的波 束很窄，是不可见光)。

　　假如采取点到点的组成组网方式，FSO能支持155Mbit/s到10Gbit/s码率，距离在2～4km 。在点到多点的组网方式中，FSO同样能支持155Mbit/s～10Gbit/s码率，但距离在1～2km。 假如采用网状的组网方式则可支持622Mbit/s，距离为200～400m。可见，带宽大是其主要优势。

　　FSO的主要缺点是无线光链路易受雾、雨、雪的影响，而且波束短，传输距离短。

　　3 宽带可移动无线接入系统

　　3.1 WLAN(无线局域网)

　　目前有两种WLAN，一种即IEEE.802.11协议标准体系，工作在2.4GHz频段，可提供1～20 Mbit/s码率，一般就称为WLAN。另一种是CEPT制定的HIPERLAN标准体系，其工作频率在5GHz 左右，适用于小范围(150m)的高速(54Mbit/s)的宽带无线接入，其终端可作低速移动。这里 只对HIPERLAN系统稍作介绍。

　　可以说，HIPERLAN是到目前为止最完善的WLAN协议。其特点是：高速传输、面向连接、支持QoS、自动频率配置、支持小区切换、安全保密、网络与应用无关。

图4　HIPERLAN的构成

　　HIPERLAN的系统结构如图4所示，其协议参考模型如图5所示。用户平面的功能是在已经 连接的信道上传输数据，控制平面则用于控制连接的建立、释放与监控。

图5　HIPERLAN协议参考模型

　　(1)物理层(PHY)：OFDM调制(用FFT实现)，信道间隔为20MHz；每一信道又分为52个子信 道，每个子信道的间隔为312.5kHz，其中48个用来传输数据，其余4个用于提供同步的导频 信号；传输时延小于等于250ns。
　　(2)数据链路控制层(DLC)：包括MAC协议、差错控制协议、无线链路控制协议(RLC)3个 子层。MAC子层采用CSMA/CA协议，即随机退避方式；对数据可选ARQ方式，实时业务则答应 丢失一些数据；RLC用于接入点和移动终端之间交换信令数据，建立、释放和连接等。
　　(3)汇聚层(CL)：用于高层服务请求与DLC层提供服务间的适配，将高层固定或可变长度的分组整理成DLC中的固定长度的业务数据单元(SDU)。