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无线宽带接入技术是什么 无线宽带接入技术介绍【详解】

  无线宽带接入技术简介

  无线宽带接入技术是指企业可以用来构建城域网或获得因特网接入的高速无线接入业务,主要有多通道多点分配业务(MMDS)和本地多点分配业务(LMDS)两种。它们是在成熟的微波传输技术上发展起来的,所采用的调制方式与微波传输相似,主要为相移键控PSK(包括BPSK、DQPSK、QPSK等)和正交幅度调制QAM(包括4-QAM、16-QAM、64-QAM等)。不同之处是MMDS和LMDS均采用一点多址方式,微波传输则采用点对点方式。这些无线业务取代传统的TDM线路业务。

  无线接入系统通常为在城域内运营的服务提供商所拥有,业务包括企业、MTU(多住宅单元)、家庭、以及城域内的专用LAN桥接的因特网接入。

  “无线LAN”包括企业无线网络,其中企业拥有和管理用于互联它的用户和系统的无线系统。无线PAN(个人区域网)在范围上甚至比无线LAN更小,它允许附近的用户创建自发网络。

  本主题还包括与移动无线系统相对立的“固定”无线系统。如蜂窝电话系统允许用户移动,不仅是在本地基站范围内移动,还可移动到同一系统内的其他小区,甚至移动到其他服务提供商系统。这里所说的固定无线系统允许一定的移动性,但通常不支持移动蜂窝系统的广泛的漫游功能。

  无线宽带接入系统具有相对较高的数据速率,目标用户通常是整个公司而不是个人用户。宽带无线系统可以提供超过DSL和电缆网络技术的带宽。此外,业务流量是数据,尽管有些固定无线系统使用本来为有线TV单向传输指定的频谱。

  IEEE 802.16规范称为IEEE 802.16无线MAN,但是工作组名为IEEE 802.16无线BWA(带宽无线接入)。后面介绍IEEE 802.16。此外,如果系统不支持移动用户,无线宽带则称为FWBA(固定无线宽带接入),但有些系统确实允许在基站的小范围内移动。

  无线系统的优点十分明显:不需要安装电缆和依赖于因各种理由而不充足的现有铜线基础设施。International Data Corporation估计在美国不到百分之十的办公楼可以通过光缆到达。因此无线接入技术应该具有很大的市场机遇。

  无线宽带拓扑结构

  无线网络采用三种拓扑结构,如图W-4所示。使用的拓扑结构将依赖于应用、区域的大小、使用的频带(较高频率有距离限制)以及区域的地形。

  点对点 这是无线直接专用连接,其中两天线彼此直接对准。公司可以使用此配置连接两个远程办公室。可以使无线电波束聚焦以避免干扰。该配置通常可以提供高带宽,特别是不使用无线电波而使用激光时。

  点对多点 这是最通用的无线宽带配置,基站收发机全方位地发射和接收无线电信号(或光信号),多用户可以通过某种形式的复用技术共享带宽。在大型系统中,如图W-4所示的配置在一个多蜂窝覆盖区域可能只形成的一个小区,每个基站通过市内光缆系统连接起来。为使可用带宽最大化,电信公司可能将一个覆盖区域划分成几个扇区(如四个90度宽的扇区)。这就允许频率再用。注意,在双向系统中,用户到基站的链路是点对点的。

  多点对多点网状拓扑结构

  这是一种可以提供许多益处的新兴方案。Nokia是该技术的提倡者,在本主题的后面将概述它的RoofTop系统。本方案模仿因特网路由拓扑结构的形式,将无线路由器放在建筑物的外部。用户基站彼此无线连接,形成了具有多个可能数据路径的多点互联无线网状网。用户越多,可达性和覆盖性就越好,从而消除了点对多点系统所固有的站线链路( Line-of-site)问题。

  在所有情况下,都可以很容易地将无线设备从一个位置移动到另一位置。例如一家公司从一栋楼搬迁到同一区域的另一栋楼。此外,无线系统可以用于为一个会议或一次性事件建立一个临时网络。无线系统还用于在由于时间、成本和部署原因无法安装电缆的地方建立优秀的紧急通信系统。

  宽带无线频率划分

  宽带无线系统占用从2~42GHz的频带。微波波段占用从2~6.7GHz的频谱,毫米波段占用从24~40GHz的频谱。该频谱段的大部分直到1993年前后才得到利用,这时,数字技术的进步,包括调制技术和压缩算法的改进,使得通过这些短波传输通信才比较实际。

  现在,lOGHz以上的某些波带划分给卫星、点对点微波桥路、雷达和业余无线电,但这些频带中的一些又正重新划分给无线接入解决方案。U-NII(无需许可证的国家信息基础设施)规定无需许可证的无线频谱为2.4GHz和5GHz。使用此频谱不需要许可证。许多产品已经使用此频谱,包括无绳电话、车库开门器以及其他设备。实际上,2.4GHz频谱非常拥挤,许多公司正把注意力集中在5GHz频谱上并使用相互之间对准的天线以避免于扰。

  公用宽带无线系统包括在3.5GHz频段(国际上)运行的WLL(无线本地环路)系统、在2.5到2.7GHz和3.4到3.7GHz运行的MMDS(多信道多点分配业务)系统以及在24GHz、28GHz,3lGHz和38GHz运行的LMDS本地多点分配业务)系统。

  各种频率的一些传输特性概括如下:

  较高频率支持较高数据率,但是随着距离增加,电波较易耗散。因此,频率越高,传输距离越短,因此使用较高频率的网络通常最适合于包含许多进行频率重用的小区的城市区域。

  lOGHz以上的频率需要在发射机和接收机之间有LOS(站线链路),这就意味着由于建筑物、树、雪以及其他因素,在业务区域内将存在无业务的“漏洞”。在某些地区,只能达到百分之五十到六十的覆盖。解决的方法在后面进行讨论。

  低于lOGHz的频率较少地受到LOS的限制,但由于频率较低,数据率也较低。

  运行在不需许可证的2.4GHz频带的某些系统可以提供lOMbit/s的数据率。而运行在5GHz频带的系统可以提供高达100Mbit/s的数据率。

  雨、雪和雾对信号的干扰,因此遇到这些情况的区域内的系统需要特殊工程设计。例如,反馈系统可以在大雨期间动态地提高功率。

  图W-5说明了较高频率如何受到距离限制。注意,点对点系统比多点系统具有更长的传输距离。

  无线接入技术

  以下是一个无线宽带接入技术的列表。有些是地面的,有些是基于卫星的。有些运行在许可证频谱内,而另一些使用无需许可证的频谱。它们都提供固定业务,有些允许有限的移动。

  点对点无线桥路 许多早期的无线系统都是公司能够用来连接不同办公楼或服务提供商能够用以建立网状的无线城市网络的基本点对点桥路系统。微波和光(激光)桥路仍然流行。这种方法的优点是它们易于建立和拆卸,这使得它们对于像在市区的多个大楼内召开会议的一次性事件非常有用。有些系统具有Gbit/s级的数据率。

  卫星通信系统 卫星移动通信系统的最大特点是利用卫星通信的多址传输方式为全球用户提供大范围、机动灵活的移动通信服务,是陆地蜂窝移动通信系统的扩张和延伸。卫星系统可以提供各种类型的无线接入,尽管某些系统的数据率才勉强达到宽带类别。由于具有较短的等待时间和较低的功率要求,LEOS(低地球轨道卫星)最为适合。Tachyon已经开发了通过卫星链路传送双向TCP/IP的系统,正向信道数据率为45Mbit/s和逆向信道数据率为256kbit/s。本系统是为企业因特网接入而不是为家庭用户设计的。

  DBS(直播卫星) DBS,即直播卫星业务(Direct Broadcasting Satellite Service),通常是指采用地球同步轨道卫星,以大功率辐射地面某一区域,向小团体及家庭单元传送电视娱乐、多媒体数据等信息,造福广大用户的一种卫星广播业务。与传统通信卫星相比,直播卫星具有如下特点:卫星波速窄,仅覆盖某一国家或地区;卫星辐射功率大,一般EIRP(等效全向辐射功率)大于48dBw;用户天线小,数量大,典型接收天线口径D=(0.5~1.0)m,造价低廉。该业务已经证明是基于地面的电缆TV的成功竞争对手。实际上,DBS挫伤了曾计划开发无线电缆TV系统的早期MMDS运营商。

  HALO(高空长时运行) 一个称为HALO的飞行/飘浮平台,处于高空中但又不在外层空间中。HALO通过提供在城市上空同温层飞行的通信平台来提供网络接入业务。与卫星非常相似,这些平台提供上行链路和下行链路,不同的是,它们离地球较近。信号传播时间较短,平台处于某一特定区域的上空。对于因特网接入,HALO是个很好的选择。它们提供高达lOMbit/s的数据率。有两家公司涉足此项业务。Angel Technologies公司飞行飞机并使用LMDS 28 GHz频谱,而另一家SKystation International公司飞行充氦软式飞艇并使用47GHz频谱。

  MMDS(多信道多点分布业务) MMDS是最初为向农村地区单向传输无线的电缆电视信号设计的点对多点微波技术。该市场受到DBS的严重影响。在1998年,FCC允许双向传输,这就意味着MMDS可以用作数据业务和接入技术。在美国,MMDS频带集中在2.lGHz~ 2.6GHz,在其他国家/地区是在3.4~3.7GHz。从基站算起的覆盖范围是32~48Km(20~30英里),一个或两个基站就可以覆盖一个市区。典型的到用户的下行数据率是l28kbit/s~3Mbit/s,可以高达lOMbit/s。在采用MPEG-2标准压缩、信源编码和复杂调制之后,该系统也可提供双路连接,并可用ATM网或同步光纤网(SONET)将信号从视频服务器/转发器传送到发射节点发射,系统甚至可以在一个和多个居住单元内,将收到的信号用本地线缆送至个人用户。

  LMDS(本地多点分布业务) LMDS是一种微波的宽带业务,工作在28GHz附近频段,在较近的距离双向传输话音、数据和图像等信息。LMDS定义占用各种频率范围(中心频率为28GHz. 29GHz和3lGHz (在美国))的点到多点双向无线系统。LMDS采用一种类似蜂窝的服务区结构,将一个需要提供业务的地区划分为若干服务区,每个服务区内设基站,基站设备经点到多点无线链路与服务区内的用户端通信。每个服务区覆盖范围为几公里至十几公里,并可相互重叠。

  最初的概念是由Bellcore作为可以用于替代向农村地区家庭敷设双绞铜电话线的本地无线环路系统开发的。在美国,它占用了将近1.l5GHz的带宽,下行数据率为l.5Gbit/s,上行数据率为200Mbit/s。从基站算起的覆盖范围大约是5~8km (3~5英里),比MMDS小的多。在市区需要更多天线,但数据率比MMDS高得多。

  无线网状系统 无线网状系统是上面提到的三种无线拓扑结构的一种。最好的例子是Nokia RoffTop系统。无线网状系统的最大特点在于它采用多频段、多信道方式,将移动用户终端的接入部分和无线AP之间的中继部分从空间和频率上进行了划分,避免了两者间的射频干扰。同时,考虑到802.11a的传输特性,无线接入点AP 7220间可以通过增加外置高增益定向天线来提高无线中继距离。

  HDR(高数据率) HDR是Qualcomm的基于CDMA的无线IP包数据业务,它在1.25MHz信道中为固定用户提供高达2.4Mbit/s的数据率,移动用户的数据率较低。Qualcomm的CDMA空中链路技术是为数据传输设计的。正向链路的峰值数据率是2.4Mbit/s,逆向链路是307kbit/s。Qualcomm设计HDR仅是用于数据传输,而不是既用于话音又用于数据,以免要折衷考虑系统的性能。

  UWB(超宽带) UWB是以Larry Fullerton的发现为基础的,该发现是,单一的射频(RF)单周期信号可以通过天线发射,并可以在发射时精确地对这些单周期信号定时,相匹配的接收机可以接收这些发射信号,因此开辟了新的无线介质。UWB是发射和接收超短(纳秒至皮秒级)电磁能量脉冲,并以此进行数据传送的无线技术。该技术不依赖于正弦波,不需要分配频率,依靠与噪声没有分别的随机低功率信号传输数据。Time Domain将它比作每秒4千万个点划的莫尔斯电码。该技术的传输速率可能达到1Gbit/s。UWB可能干扰其他无线电信号,因此使用低功率,但这样就限制了传输范围。这种通信方式比较适合在家庭内部使用,市场应用前景非常广阔,因此围绕UWB的标准之争从一开始就非常激烈。曾经有二十几个标准参与竞争,今天只剩下了两个。它们是来自Freescale的DS-UWB(DS-UWB组建的联盟是UWB论坛)和由TI倡导的MBOA。

  下两节说明无线城域联网的独特方法。服务提供商建立这些系统以向客户提供高数据率。

  Nokia RoofTop无线网状系统

  Nokia的无线系统采用了图W-4中所示的多点对多点的网状拓扑结构,它易于安装,相对便宜并非常实用。本系统运行在不需要许可证的频带,因此安装相对轻松。数据率与DSL相当或者更高。

  Nokia AIR操作系统是为处理户外、多反射、无线网络的独特属性专门设计的,本操作系统包括一组扩展传统的TCP/IP协议栈以增强无线环境中IP联网健壮性的IP和无线联网协议。物理RF调制解调器从操作系统层提取出来,以便可以根据拓扑结构和本地环境的情况,使用各种RF调制器。AIR操作系统包括一个调度传输以避免冲突的信道接入协议、一个监视相邻链路状态的邻居管理协议、一个无线路由协议和标准的因特网协议。

  其他协议处理整个网状网的网络安全、网络管理和自动软件更新。RoofTop无线路由器和网桥使用跳频扩频无线电信号,以避免窃听。多反射网络中的传输只能被相邻路由器听到——并不是网络中 的所有路由器都能听到。

  ISP们可能选择安装在房顶来到达用户,而几乎每一个拥有屋顶、梯子和一套工具的人都可以安装此系统。每个无线电站点都需要到达至少一个其他节点的站线链路,但多链路可增加该网状网中路 由的数目并因此提高可靠性。由于网络从客户方面而不是服务提供商方面增长,所以它被称为“有机 的”。一个不利方面是,每次反射增加大约50ms延迟,它可能影响到IP话音,虽然Nokia正在调整系统以减少延迟。

  自由空间光网络

  许多公司正在开发无线光解决方案。例如,LightPointe的产品,使用红外频谱波长可以实现相距4Km(2.5英里)的建筑物间的、数据率高达622Mbit/s的点对点传输。在此频谱范围运行的系统不需要许可证。

  更有趣的是点对多点的自由空间光网络。通常的想法是,光需要在发送器和接收器之间有站线链路或必须被引导(光缆)。较新的系统依赖于光的吸收和散射,由于它产生信号损失,在过去被认为是 一件坏事。在这些系统中,信号可被描绘成雾中的亮光,其中,雾变成频带中的发光云,光在该频带中被吸收(红外或紫外)。

  设计为在此同一吸收频带中运行的无线光系统将能够在具有障碍物的环境(如有高楼的市区)中在发送机和接收机之间传播信号,没有站线链路要求。该系统只需将接收设备放置在窗户上。

  有两家公司生产多点自由空间光网络设备:AirFiber和TeraBeam。AirFiber的产品实际上是布置在市区环境中建筑物房顶的网状网设计,支持高达622Mbit/s的数据率。TeraBeam已经开发了一种点到多点系统,其中用户在具有更高的突发数据率时共享高达lOOMbit/秒的带宽。

  宽带无线特性

  LMDS和MMDS的提倡者指出,宽带无线可以比DSL为更多用户提供更好的业务。但是较高频率业务(如LMDS)需要站线链路,大大地减少了覆盖区。LOS(站线链路)受建筑物、树木甚至雪的影响。可以使用中继器和反射设备解决一些LOS问题。MMDS比LMDS提供更好的覆盖。虽然它提供较低的数据率,但它的数据率适合于MMDS覆盖区域的家庭用户和小企业用户。微波系统受信号反射的影响,其中,原始信号和从附近物体反射的回波信号一起被接收。原始信号和回波信号的这种组合称为多径。回波信号比原始信号接收到的时间稍晚,并可能破坏信号数据。

  空中接口

  空中接口(Air Interface)是指用户终端(UT)和无线接入网络(RAN)之间的接口,它是任何一种移动通信系统的关键模块之一,也是其“移动性”的集中体现。宽带无线系统的空中接口缺少任何标准协议,因此现在使用许多专有实现。但是已经向IEEE和其他工作组提出了许多建议。其中以下两个建议引起了最大的关注。

  DVB下行DOCSIS上行

  本建议是以已经建立的电视广播模型为基础的。ETSI DVB(数字视频广播)是定义下行信道的卫星广播标准,而DOCSIS(电缆数据业务接口规范)是用于电缆调制解调器中的上行信道标准。它的思想是使用物理层中的FDD(频分双工)以独立频率传输下行和上行信息。

  推荐DOCSIS和DVB的原因是已经有了这种技术并可以迅速地布署系统。但是,需要进行必要的修改以提高等待时间和干扰免疫力以及增加引用标准的能力。这些技术能够进行ATM和IP通信的双向传输以及从基站向用户分布MPEG-2视频。

  TDD(时分双工)

  时分双工模式(TDD)是在帧周期的下行线路操作中及时区分无线信道以及继续上行线路操作的双工技术。在TDD模式的移动通信系统中,接收和传送在同一频率信道(即载波)的不同时隙,用保证时间来分离接收和传送信道。DVB/DOCSIS方法使用了FDD,它要求一个频带用于接收另一个用于发送。

  该模式在不对称业务中有着不可比拟的灵活性,TD-SCDMA只需一个不对称频段的频率分配,其每载波为1.6MHz。由于每RC内时域上下行切换的切换点可灵活变动,所以对于对称业务(语音和多媒体等)和不对称业务(包交换和因特网等),可充分利用无线频谱。

  TDD系统有如下特点:

  (1)不需要成对的频率,能使用各种频率资源,适用于不对称的上下行数据传输速率,特别适用于IP型的数据业务;

  (2)上下行工作于同一频率,电波传播的对称特性使之便于使用智能天线等新技术,达到提高性能、降低成本的目的;

  (3)设备成本较低,比FDD系统低20%-50%。

  下图显示了FDD和TDD之间的不同之处。对于FDD,为下行和上行通信分配的带宽是在两个专用频带中。即使没有数据正在发送,频带仍然是划定的。在TDD中,下行和上行通信在同一信道上“转换”。如果需要,系统可以动态地为下行通信分配更大带宽,从而非常有效地使用可用带宽。

  由于通过时间间隔而不是通过在信道之间插入大的防护频带TDD对上行和下行信道进行分离,所以TDD可以有效地使用带宽。上行链路和下行链路使用同一频率,但是是在不同的时间间隔。最重要的是,由于TDD可以调整下行或上行带宽以匹配通信量,所以使用TDD传输数据通信是很理想的。FDD是为话音设计的,所以需要对称信道。TDD允许不对称,它适用于数据传输。例如,在数据突发(文件传送)时可以动态地分配一个完整的上行信道。

  此模型的主要提倡者是Ensemble Communicat—ions公司,它指出,它的TDD方法称为Adaptix,从头开始开发,一直到点对多点宽带无线应用。Ensemb1e公司的Adaptix是由Nokia、Breezecom、 3Com、Siemens公司以及其他公司支持的建议标准。

  Ensemble公司想指出,不应该像对待电视广播(使用DVB/DOCSIS实现)一样对待无线点对多点网络,原因是这种广播将所有客户一样对待。Adaptix使用几种自适应技术,可以为各个用户提供满足它们需要的服务等级。例如,可以动态地调整调制技术以适应影响传输的即时变化,如变化的天气条件。Adaptix的另一元素——Adaptive TDMA,能够根据多个位置多个用户的需要按突发向他们分配整个信道的带宽。

  无线标准与倡议

  IEEE无线倡议还称为IEEE 802.16无线MAN(城域网)。工作组802.16的任务是“开发标准和推荐作法以支持固定带宽无线接入系统的开发和部署”。它由三个小工作组组成,每个小工作组分别负责不同的方面:IEEE 802.16.1负责制定频率为10G到60G赫兹的无线接口标准;IEEE 802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准;IEEE 802.16.3负责制定频率范围在2G到10G赫兹之间获得频率使用许可的应用的无线接口标准。

  最初,工作组的注意力集中在LMDS频带。后来,该工作组已经盯上MMDS频带和5GHz的U-NII无需许可证的频带。建议采用定向抛物面天线以避免该频带中的干扰,该频带是无数的设备自由使用的。该工作组还在研究多天线接收机和有助于减少多径反射以及其他干涉问题的信号处理组件。

  802.16标准定义了无线MAN(城域网)空中接口规范(正式的名称为IEEE Wireless MAN*标准)。这一无线宽带接入标准可以为无线城域网中的“最后一英里”连接提供缺少的一环。对于许多家用及商用客户而言,通过DSL或有线基础设施的宽带接入仍然不可行。许多客户都在DSL服务范围之外和/或不能得到宽带有线基础设施的支持(商业区通常没有布线)。但是依靠无线宽带,这些问题都可迎刃而解。因为其无线特性,所以无线宽带部署速度更快,扩展能力更强,灵活性更高,因此能够为那些无法享受到或不满意其有线宽带接入的客户提供服务。

  一个相关标准是HipedLAN (高性能无线LAN),它是由ETSI(欧洲电信标准协会)定义的。HiperLANl运行在5.2GHz,它的数据率高达24Mbit/s。它使用扩频技术。该标准是在1991~l996年期间开发的。

  iperLAN2标准于2000年制订完成。HiperLAN2部分建立在GSM基础上,使用频段为5GHz。在物理层上HiperLAN2和802.11a几乎完全相同:采用OFDM技术,最大数据传输速率为54Mbit/s。HiperLAN2标准详细定义了WLAN的检测功能和转换信令,用以支持许多无线网络,并支持动态频率选择、无线信元转换、链路自适应、多束天线和功率控制等。它和802.11a最大的不同是HiperLAN2不是建立在以太网基础上的,而是采用TDMA结构,形成一个面向连接的网络。HiperLAN2的面向连接的特性使它很容易满足QoS要求,可以为每个连接分配一个指定的QoS,确定这个连接在带宽、延迟、拥塞、比特错误率等方面的要求。这种QoS支持与高传输速率一起保证了不同的数据序列(如视频、话音和数据等)可以同时进行高速传输。

  无线DSL联盟是一个包括ADC Telecommunic-ations、Nortel Network、Intel、CS以及其他正在开发基于TDMA/FDD(时分多址/频 分双工)物理层的点对多点宽带无线接入方法的公司的协会。本联盟正在开发话音和数据业务、QoS控制、非站线链路区域的无线覆盖和低成本的客户设备。

  N-WEST(美国国家无线电子系统试验系统)是促进宽带无线技术(特别是LMDS)的一个美国商务部项目。N-WEST包括装备有将用于开发操作标准和性能评估的原型LMDS系统的试验设施。

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