固定宽带无线接入技术的发展

要害词：宽带无线接入；多天线；调制；自适应链路；安全

Abstract:In order to satisfy the future requirements of fixed broadband wireless access systems for high data-rate and high frequency efficiency, technical renovation on the physical layer and control layer is demanded. The paper analyzes relevant technologies sUCh as the high spectrum utilization antenna, robust time-delay extension modulation, equalization and encoding, highly efficient multi-address access and adaptive linking. The system security issues are also discussed.

Key Words:broadband wireless access; multiple antenna; modulation; adaptive link; security

  与2G、3G等无线通信系统相比，固定无线接入系统缺乏移动性。这类系统通常用于本地环的高速接入，解决“最后一公里”问题。宽带无线接入技术与其他技术，如光纤、电缆、数字用户环(DSL)等，具有竞争关系。从长远来看，光纤接入方式无疑是最佳的解决方案，但要真正实现光纤到楼、光纤到户还有相当长的一段路要走。宽带无线接入方案避免了使用DSL的距离限制及使用电缆的造价问题，同时还具有快速配置、高可量测性(Scalability)、低维护和升级费用等特点，因此成为研究热点。

1 宽带无线接入技术标准
  宽带无线接入包括无线个域网(PAN)、无线局域网(LAN)、无线城域网(MAN)、无线广域网(WAN)，甚至包括蜂窝系统。
  宽带无线接入技术的标准主要有三大类：IEEE 802.11、IEEE 802.16及欧洲电信标准协会的宽带无线接入网标准(ETSI BRAN)。
  IEEE 802.11标准提供1～2 Mb/s的数据速率，工作在ISM频段。为了提高无线网络的能力，又相继推出了IEEE 802.11a和IEEE 802.11b两个标准。目前IEEE正在进行IEEE 802.11g的标准化工作。
  IEEE 802.16工作组在2001年9月发布了802.16.2标准，规定了在10～66 GHz频率范围内的多个不同宽带系统共同运行的操作规程建议。随后又相继推出了IEEE 802.16、IEEE 802.16a、IEEE 802.16c。现正在开展在2～6 GHz频带内将固定系统与移动系统相融合的研究，并将这一功能扩展版本命名为802.16e。
ETSI BRAN标准包括HIPERLAN/2、HIPERACCESS、HIPERMAN及HIPERLINK。
几种典型的固定宽带无线接入的技术特征如表1所示^[1]。

2 宽带无线接入的要害技术
  为实现新一代宽带无线接入系统的高性能需求，需要在物理层和MAC层进行技术革新。物理层的革新包括高频谱利用率的天线系统、具有时延扩展鲁棒性的调制方式、均衡与编码技术、软件无线电技术等；MAC层的革新包括高效的多址接入技术、适应不同QoS要求与较大数据速率动态变化范围的自适应链路技术等。

2.1 天线系统
  随着移动通信技术的发展，宽带无线接入技术也由原来的固定宽带无线接入逐渐向移动宽带无线接入方向发展。这种发展对宽带无线接入技术提出了新的要求，即在复杂多变的无线信道条件下能够实现数据高速可靠的传输。具体到天线系统中，自适应阵列和多输入多输出(MIMO)天线技术成为提高系统性能的主要手段^[2]，其中，MIMO技术更是成为研究热点。
  窄波束天线是目前运行的固定宽带无线系统中最常见的天线形式，它只能将信号发送给一个接收位置或从一个接收位置接收信号，主要用于点到点的网络；固定宽波束天线有较大的覆盖范围，服务于一个区域，为多个用户持有设备(CPE)提供信号。分集天线系统利用多天线进行空间分集接收，是无线通信系统中几种常见的分集方法之一。通过空间分集，从两个或多个天线接收到的信号通过一定的方式进行合并，能够减弱由于多径传播所造成的信号幅度衰落的影响。基本的线性分集合并技术主要有3种：选择性合并、最大比率合并(MRC)和等增益合并(EGC)。
  自适应阵列天线系统能够自动调整其参数实现某个预定的性能，如最大化信号干扰噪声比(SINR)等，主要有3种实现方式：

(1)波束选择
  对于一个给定的远程终端，基站端有多个天线可供信号发送和接收，通过比较，选择一个最优波束为远程终端服务。

(2)波束定向
  波束定向搜索远程终端信号的最大增益天线方向，以提高信号干扰噪声比(SINR)。

(3)最优SINR合并
  采用最优SINR合并的天线基本上是一个最优线性空间滤波器，天线进行自适应调整，使得最终的输出匹配于一个参考信号。滤波过程就是抑制干扰和噪声的过程。由于是一个反馈系统，需要一个周期更新的参考信号与输入信号进行比较，同时需要一个高速率的滤波器参数(加权因子)更新来减弱干扰的影响。
  自适应天线能够带来的潜在好处[3]有：

(1)在基站端能够对一个用户形成窄波束，使其他扇区的干扰得到有效抑制，从而增加系统容量。

(2)在基站端用于降低干扰，提高接收信号的载干比(CIR)。

(3)在用户端用于降低干扰，提高载干比。
  MIMO天线系统的发射机和接收机都有多个天线。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。
  利用MIMO提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。
  通常，MIMO技术可以分成三大类。第一类是仅在接收端进行MIMO处理的技术(以V-BLAST为代表)；第二类是同时在发送和接收端进行MIMO处理的技术(基于SVD技术)；第三类技术只在发送端进行MIMO处理，以减少接收机的复杂度。
目前，MIMO研究的一个热点是发送和接收的信号处理技术。通常，发送/接收的处理模块是对不同途径得到的信号乘以不同的权重，这样得到的结果实质上是对信号进行不同方式合并后的输出。通常，这样的合并利用到空间辨识，即所谓的空间处理技术。然而，这种处理技术也可以被应用到时间域中，以对抗信元串扰(ISI)，即所谓的空时处理技术。
  在基站端，上行链路采用多天线接收，利用不同天线接收到的数据经历独立的衰落，彼此间的相关性不高，可以有效地对抗衰落信道对系统性能造成的影响。主要的方法有空间分集、极化分集和图案分集。当采用分集技术仍无法解决一些强干扰的时候，可以采用智能天线或者自适应天线阵列技术调整天线波束的外形以增强有用信号的强度，抑制干扰。
  从理论上来说，上行链路采用的技术同样也适用于下行链路。但是一个需要解决的问题是发送端无法确切地知道信道状态信息(CSI)。有两种解决途径：一是寻求不需要CSI的分集合并方法，二是设法让基站端从上行链路中获得下行链路的CSI。
  MIMO领域另一个研究热点是空时编码技术。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

2.2 调制与均衡技术
  调制可分为单载波调制和多载波调制[4]。 在单载波调制系统中，有多种均衡方法，其性能和实现复杂度各不相同。最大似然(ML)均衡有最优的性能，但是运算复杂度太大；判决反馈均衡(DFE)应用最为广泛。此外还有一些较简单的线性均衡方法，比如迫零算法和最小均方误差算法。
  线性均衡没有充分利用因时延扩展引起的信道的频率分集特性。在时延扩展较大或者数据速率较高的情况下，单载波均衡器的计算复杂度和均衡器自适应所要求的复杂度限制了单载波系统的性能。
  常见的多载波调制技术是正交频分复用(OFDM)，它在每个符号前加了一个保护间隔(循环前缀)，这个保护间隔要足够大，能够容忍可能出现的最大时延扩展。由于保护间隔消除了多径的影响，使得OFDM不再需要均衡。发射机和接收机分别通过逆快速傅立叶变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)来实现，均衡被简化为在一个个子载波上的简单的标量乘积。在OFDM系统中，频率分集通过在子载波上的编码和交织实现。随着时延扩展和/或数据速率的增加，循环前缀必须相应地增加来保证有比信道冲激响应更长的持续时间。为了保证一个不变的循环前缀开销，子载波的数目N也必须相应地增加，这就导致FFT变换规模的增加，从而增加了运算复杂度。总的来说，从纯运算复杂度的观点来看，均衡的简化使得OFDM更胜单载波一筹。而且，由于OFDM技术具有较高的频谱利用率，目前在很多无线通信标准的物理层中被采纳，如IEEE 802.11a、HIPERLAN/2等标准，第4代移动通信系统也将它列为首选技术。OFDM技术还可以与MIMO、空时编码技术相结合，使系统性能得到进一步的提高。
  超宽带(UWB)调制是近年来新出现的一种调制技术。在UWB系统中，一种脉冲位置调制(PPM)的低于纳秒量级的序列被用来传输信息。由于受发射功率的限制，短距离高速无线数据传输将是UWB的主要应用领域。

2.3 自适应传输技术
  无线通信系统信道状况、业务类型、业务的分布会随时间、空间的变化而变化，采用自适应技术可使得系统具有更加灵活和智能的功能来根据这些变化进行自适应调整，从而提高传输质量，增大系统容量。
  自适应传输技术是根据移动信道的衰落时变特性，自适应地选择传输参数，在信道情况好的情况下，提供高的传输速率，而在信道情况差时，降低输出速率，提高抗干扰的鲁棒性。采用自适应传输技术的优点是在维持数据业务的特定QoS要求的准则下，提高系统的平均频带利用率和传输速率，提高系统容量。可供选择的传输参数包括发射功率水平、传输符号速率、调制方式(星座图的点数)、信道编码码率等。自适应传输技术具体包括：

(1)自适应编码调制技术
  自适应编码调制技术使用户的数据速率根据信道状况及时调整，是无线数据通信系统中的一项要害技术[5]。自适应编码调制必须能够灵活地实现以下两种情况：信道较差时，对链路信号损害较大，可采用鲁棒性较强的低阶调制(如B/SK、QPSK)和低速率编码，以保证一定的误码率要求；信道较好时，对链路信号损害较小，可采用适应高数据速率要求的高阶调制(如64-QAM、256-QAM)和高速率编码，来提高频谱效率。假如调制级数能够瞬时匹配于信道条件，自适应调制技术就能够在衰落信道提供最大的增益，在高斯信道则作用不明显。

(2)自适应功率分配技术
  不同子载波的衰落情况是不同的。有些子载波衰落较深，可以通过提高该子载波的发射功率来获得需要的信噪比；有些子载波的衰落较浅，在这些子载波上，发射端用较小的发射功率就可以获得需要的信噪比。因此，可以根据不同子载波的衰落情况，在维持一定QoS要求的前提下使发射功率最小。同时，可以联合功率控制和自适应编码调制技术，取得功率控制与自适应调制的平衡。

(3)自适应信道分配技术
  在通信中，信道分配是保障通信质量、有效利用信道的要害技术之一。这里所说的信道，是一个广义的概念，包括时分、频分、码分和空分信道。其中，前3种信道是相对固定的，可由系统根据用户的情况动态分配。空分信道的自适应分配则是信道分配的一个难点，必须与时、频信道分配和切换相结合，这就需要形成一种高效算法，以适应用户的移动性。

(4)自适应MIMO技术
  由于在发射端采用多个发射天线，因此存在一个如何将要传输的数据流合理地映射到各个发射天线的问题。正如信噪比对选择自适应调制、编码系统最终模式一样，MIMO系统的空时二维信道特性将对最终的映射准则起决定性的作用。合理的映射准则不应该是固定的，而应该是根据信道的特性自适应地调整。将自适应技术和MIMO技术结合在一起可以突破传统单天线系统的信道容量限制，获得更高的传输速率。

(5)自适应无线资源治理技术
  自适应无线资源治理技术使系统能根据实时测试或估测到的信道情况以及用户的业务需求情况重新分配无线资源，各个分布式的资源调配模块之间也可动态协商。

2.4 网络安全
  对于宽带无线接入系统，由于数据的传输是基于无线电波，比传统的有线传输更具开放性，无法保证数据不被窃取，因此网络安全问题将成为宽带无线接入技术走向应用的主要“瓶颈”之一。
  一般来说，网络安全主要包括两部分：用户认证和数据加密。用户认证是对业务进行控制治理，保存用户的认证信息及相关属性，并在接收到用户申请时，在数据库中对用户信息进行查询。数据加密是利用密钥和加密算法对用户数据进行加密，保证用户数据的安全性，同时利用CRC校验保证数据的完整性。
  固定宽带无线接入网在批准用户接入之前要对用户身份进行鉴别。IEEE 802.11提出了3种认证模式：开放系统认证模式、无加密认证模式和共享密钥认证模式。开放系统认证模式答应任何用户的认证请求。无加密认证模式需要用户提供服务集合标识符(SSID)。在这种认证模式中，只要使用者能够提出正确的SSID，接入点就接收用户的接入请求，不需要有线等效保密(WEP)算法进行身份认证，也不对数据进行加密。共享密钥认证模式要求用户提供有效的SSID，同时对用户身份利用WEP和RC4算法进行确认，并且利用WEP产生的密钥对用户数据进行加密。共享密钥认证模式则是一种挑战应答模式。
  现有的标准虽然针对无线应用提出了不同的安全策略，但是由于缺乏统一的标准，对一些安全隐患并不能提供行之有效的解决方案[6]。例如，IEEE 802.11标准虽然采用WEP算法保证网络的安全性，但是缺少密钥治理机制，非凡是对密钥的寿命问题没有限定，而静态的WEP算法轻易被破解，这些问题都将对网络安全性构成较大的威胁。如何针对宽带无线应用的特定背景，提出确实可靠的安全策略，将成为下一阶段网络安全研究的热点和难点。

3 结束语
  宽带无线接入技术经过近几年的发展，目前已经取得了初步的成果，从世界范围内的商用情况来看，其应用前景非常光明。随着技术上的不断革新和完善，宽带无线接入技术必将逐步得到大规模的应用，成为无线通信领域一个新的业务增长点。

4 参考文献
[1] Eftekhari A, Lewis R R. Feasibility of Wireless Access [R]. International Symposium on Advanced Radio Technologies, Colorado USA, 2003,3.
[2] Murch R D, Letaief K B. Antenna Systems for Broadband Wireless Access [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(4): 76—83.
[3] Webb W. Broadband Fixed Wireless Access as a Key Component of the Future Integrated Communications Environment [J]. IEEE Communications Magazine, 2001,39(9):115—121.
[4] Bolcskel H, Paulraj A J. Fixed Broadband Wireless Access: State of the Art, Challenges and Future Directions [J]. IEEE Communications Magazine, 2001,39(1):100—108.
[5] Gesbert D, Haumonte L. Technologies and Performance for Non-Line-of-Sight Broadband Wireless Access Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(4):86—95.
[6] Arabaugh W A, Shankar N. Your
802.11 Wireless Network Has No Clothes [J], IEEE Communications, 2002,12.

周武，中国科学技术大学个人通信与扩频通信实验室副教授，博士。主要研究方向为未来移动通信中的信号处理技术。现正参与国家“863”计划项目——中国FuTURE计划的研究和开发工作。

毛雪鸿，中国科学技术大学个人通信与扩频通信通信实验室在读硕士研究生。主要研究方向为未来移动通信中的信号处理技术。现正参与国家“863”计划项目——中国FuTURE计划的研究和开发工作。