無線寬帶接入技術是什麼 無線寬帶接入技術介紹【詳解】

　　無線寬帶接入技術簡介

　　無線寬帶接入技術是指企業可以用來構建城域網或獲得網際網路接入的高速無線接入業務，主要有多通道多點分配業務(MMDS)和本地多點分配業務(LMDS)兩種。它們是在成熟的微波傳輸技術上發展起來的，所採用的調製方式與微波傳輸相似，主要為相移鍵控PSK(包括BPSK、DQPSK、QPSK等)和正交幅度調製QAM(包括4-QAM、16-QAM、64-QAM等)。不同之處是MMDS和LMDS均採用一點多址方式，微波傳輸則採用點對點方式。這些無線業務取代傳統的TDM線路業務。

　　無線接入系統通常為在城域內運營的服務提供商所擁有，業務包括企業、MTU(多住宅單元)、家庭、以及城域內的專用LAN橋接的網際網路接入。

　　「無線LAN」包括企業無線網絡，其中企業擁有和管理用於互聯它的用戶和系統的無線系統。無線PAN(個人區域網)在範圍上甚至比無線LAN更小，它允許附近的用戶創建自發網絡。

　　本主題還包括與移動無線系統相對立的「固定」無線系統。如蜂窩電話系統允許用戶移動，不僅是在本地基站範圍內移動，還可移動到同一系統內的其他小區，甚至移動到其他服務提供商系統。這裡所說的固定無線系統允許一定的移動性，但通常不支持移動蜂窩系統的廣泛的漫遊功能。

　　無線寬帶接入系統具有相對較高的數據速率，目標用戶通常是整個公司而不是個人用戶。寬帶無線系統可以提供超過DSL和電纜網絡技術的帶寬。此外，業務流量是數據，儘管有些固定無線系統使用本來為有線TV單向傳輸指定的頻譜。

　　IEEE 802.16規範稱為IEEE 802.16無線MAN，但是工作組名為IEEE 802.16無線BWA(帶寬無線接入)。後面介紹IEEE 802.16。此外，如果系統不支持移動用戶，無線寬帶則稱為FWBA(固定無線寬帶接入)，但有些系統確實允許在基站的小範圍內移動。

　　無線系統的優點十分明顯:不需要安裝電纜和依賴於因各種理由而不充足的現有銅線基礎設施。International Data Corporation估計在美國不到百分之十的辦公樓可以通過光纜到達。因此無線接入技術應該具有很大的市場機遇。

　　無線寬帶拓撲結構

　　無線網絡採用三種拓撲結構，如圖W-4所示。使用的拓撲結構將依賴於應用、區域的大小、使用的頻帶(較高頻率有距離限制)以及區域的地形。

　　點對點 這是無線直接專用連接，其中兩天線彼此直接對準。公司可以使用此配置連接兩個遠程辦公室。可以使無線電波束聚焦以避免幹擾。該配置通常可以提供高帶寬，特別是不使用無線電波而使用雷射時。

　　點對多點 這是最通用的無線寬帶配置，基站收發機全方位地發射和接收無線電信號(或光信號)，多用戶可以通過某種形式的復用技術共享帶寬。在大型系統中，如圖W-4所示的配置在一個多蜂窩覆蓋區域可能只形成的一個小區，每個基站通過市內光纜系統連接起來。為使可用帶寬最大化，電信公司可能將一個覆蓋區域劃分成幾個扇區(如四個90度寬的扇區)。這就允許頻率再用。注意，在雙向系統中，用戶到基站的鏈路是點對點的。

　　多點對多點網狀拓撲結構

　　這是一種可以提供許多益處的新興方案。Nokia是該技術的提倡者，在本主題的後面將概述它的RoofTop系統。本方案模仿網際網路路由拓撲結構的形式，將無線路由器放在建築物的外部。用戶基站彼此無線連接，形成了具有多個可能數據路徑的多點互聯無線網狀網。用戶越多，可達性和覆蓋性就越好，從而消除了點對多點系統所固有的站線鏈路( Line-of-site)問題。

　　在所有情況下，都可以很容易地將無線設備從一個位置移動到另一位置。例如一家公司從一棟樓搬遷到同一區域的另一棟樓。此外，無線系統可以用於為一個會議或一次性事件建立一個臨時網絡。無線系統還用於在由於時間、成本和部署原因無法安裝電纜的地方建立優秀的緊急通信系統。

　　寬帶無線頻率劃分

　　寬帶無線系統佔用從2～42GHz的頻帶。微波波段佔用從2～6.7GHz的頻譜，毫米波段佔用從24～40GHz的頻譜。該頻譜段的大部分直到1993年前後才得到利用，這時，數位技術的進步，包括調製技術和壓縮算法的改進，使得通過這些短波傳輸通信才比較實際。

　　現在，lOGHz以上的某些波帶劃分給衛星、點對點微波橋路、雷達和業餘無線電，但這些頻帶中的一些又正重新劃分給無線接入解決方案。U-NII(無需許可證的國家信息基礎設施)規定無需許可證的無線頻譜為2.4GHz和5GHz。使用此頻譜不需要許可證。許多產品已經使用此頻譜，包括無繩電話、車庫開門器以及其他設備。實際上，2.4GHz頻譜非常擁擠，許多公司正把注意力集中在5GHz頻譜上並使用相互之間對準的天線以避免於擾。

　　公用寬帶無線系統包括在3.5GHz頻段(國際上)運行的WLL(無線本地環路)系統、在2.5到2.7GHz和3.4到3.7GHz運行的MMDS(多信道多點分配業務)系統以及在24GHz、28GHz，3lGHz和38GHz運行的LMDS本地多點分配業務)系統。

　　各種頻率的一些傳輸特性概括如下:

　　較高頻率支持較高數據率，但是隨著距離增加，電波較易耗散。因此，頻率越高，傳輸距離越短，因此使用較高頻率的網絡通常最適合於包含許多進行頻率重用的小區的城市區域。

　　lOGHz以上的頻率需要在發射機和接收機之間有LOS(站線鏈路)，這就意味著由於建築物、樹、雪以及其他因素，在業務區域內將存在無業務的「漏洞」。在某些地區，只能達到百分之五十到六十的覆蓋。解決的方法在後面進行討論。

　　低於lOGHz的頻率較少地受到LOS的限制，但由於頻率較低，數據率也較低。

　　運行在不需許可證的2.4GHz頻帶的某些系統可以提供lOMbit/s的數據率。而運行在5GHz頻帶的系統可以提供高達100Mbit/s的數據率。

　　雨、雪和霧對信號的幹擾，因此遇到這些情況的區域內的系統需要特殊工程設計。例如，反饋系統可以在大雨期間動態地提高功率。

　　圖W-5說明了較高頻率如何受到距離限制。注意，點對點系統比多點系統具有更長的傳輸距離。

　　無線接入技術

　　以下是一個無線寬帶接入技術的列表。有些是地面的，有些是基於衛星的。有些運行在許可證頻譜內，而另一些使用無需許可證的頻譜。它們都提供固定業務，有些允許有限的移動。

　　點對點無線橋路 許多早期的無線系統都是公司能夠用來連接不同辦公樓或服務提供商能夠用以建立網狀的無線城市網絡的基本點對點橋路系統。微波和光(雷射)橋路仍然流行。這種方法的優點是它們易於建立和拆卸，這使得它們對於像在市區的多個大樓內召開會議的一次性事件非常有用。有些系統具有Gbit/s級的數據率。

　　衛星通信系統 衛星移動通信系統的最大特點是利用衛星通信的多址傳輸方式為全球用戶提供大範圍、機動靈活的移動通信服務，是陸地蜂窩移動通信系統的擴張和延伸。衛星系統可以提供各種類型的無線接入，儘管某些系統的數據率才勉強達到寬帶類別。由於具有較短的等待時間和較低的功率要求，LEOS(低地球軌道衛星)最為適合。Tachyon已經開發了通過衛星鏈路傳送雙向TCP/IP的系統，正向信道數據率為45Mbit/s和逆向信道數據率為256kbit/s。本系統是為企業網際網路接入而不是為家庭用戶設計的。

　　DBS(直播衛星) DBS，即直播衛星業務(Direct Broadcasting Satellite Service)，通常是指採用地球同步軌道衛星，以大功率輻射地面某一區域，向小團體及家庭單元傳送電視娛樂、多媒體數據等信息，造福廣大用戶的一種衛星廣播業務。與傳統通信衛星相比，直播衛星具有如下特點：衛星波速窄，僅覆蓋某一國家或地區;衛星輻射功率大，一般EIRP(等效全向輻射功率)大於48dBw;用戶天線小，數量大，典型接收天線口徑D=(0.5～1.0)m，造價低廉。該業務已經證明是基於地面的電纜TV的成功競爭對手。實際上，DBS挫傷了曾計劃開發無線電纜TV系統的早期MMDS運營商。

　　HALO(高空長時運行) 一個稱為HALO的飛行/飄浮平臺，處於高空中但又不在外層空間中。HALO通過提供在城市上空同溫層飛行的通信平臺來提供網絡接入業務。與衛星非常相似，這些平臺提供上行鏈路和下行鏈路，不同的是，它們離地球較近。信號傳播時間較短，平臺處於某一特定區域的上空。對於網際網路接入，HALO是個很好的選擇。它們提供高達lOMbit/s的數據率。有兩家公司涉足此項業務。Angel　Technologies公司飛行飛機並使用LMDS 28 GHz頻譜，而另一家SKystation International公司飛行充氦軟式飛艇並使用47GHz頻譜。

　　MMDS(多信道多點分布業務) MMDS是最初為向農村地區單向傳輸無線的電纜電視信號設計的點對多點微波技術。該市場受到DBS的嚴重影響。在1998年，FCC允許雙向傳輸，這就意味著MMDS可以用作數據業務和接入技術。在美國，MMDS頻帶集中在2.lGHz～　2.6GHz，在其他國家/地區是在3.4～3.7GHz。從基站算起的覆蓋範圍是32～48Km(20～30英裡)，一個或兩個基站就可以覆蓋一個市區。典型的到用戶的下行數據率是l28kbit/s～3Mbit/s，可以高達lOMbit/s。在採用MPEG-2標準壓縮、信源編碼和複雜調製之後,該系統也可提供雙路連接,並可用ATM網或同步光纖網(SONET)將信號從視頻伺服器/轉發器傳送到發射節點發射,系統甚至可以在一個和多個居住單元內,將收到的信號用本地線纜送至個人用戶。

　　LMDS(本地多點分布業務) LMDS是一種微波的寬帶業務，工作在28GHz附近頻段，在較近的距離雙向傳輸話音、數據和圖像等信息。LMDS定義佔用各種頻率範圍(中心頻率為28GHz. 29GHz和3lGHz (在美國))的點到多點雙向無線系統。LMDS採用一種類似蜂窩的服務區結構，將一個需要提供業務的地區劃分為若干服務區，每個服務區內設基站，基站設備經點到多點無線鏈路與服務區內的用戶端通信。每個服務區覆蓋範圍為幾公裡至十幾公裡，並可相互重疊。

　　最初的概念是由Bellcore作為可以用於替代向農村地區家庭敷設雙絞銅電話線的本地無線環路系統開發的。在美國，它佔用了將近1.l5GHz的帶寬，下行數據率為l.5Gbit/s，上行數據率為200Mbit/s。從基站算起的覆蓋範圍大約是5～8km (3～5英裡)，比MMDS小的多。在市區需要更多天線，但數據率比MMDS高得多。

　　無線網狀系統 無線網狀系統是上面提到的三種無線拓撲結構的一種。最好的例子是Nokia　RoffTop系統。無線網狀系統的最大特點在於它採用多頻段、多信道方式，將移動用戶終端的接入部分和無線AP之間的中繼部分從空間和頻率上進行了劃分，避免了兩者間的射頻幹擾。同時，考慮到802.11a的傳輸特性，無線接入點AP 7220間可以通過增加外置高增益定向天線來提高無線中繼距離。

　　HDR(高數據率) HDR是Qualcomm的基於CDMA的無線IP包數據業務，它在1.25MHz信道中為固定用戶提供高達2.4Mbit/s的數據率，移動用戶的數據率較低。Qualcomm的CDMA空中鏈路技術是為數據傳輸設計的。正向鏈路的峰值數據率是2.4Mbit/s，逆向鏈路是307kbit/s。Qualcomm設計HDR僅是用於數據傳輸，而不是既用於話音又用於數據，以免要折衷考慮系統的性能。

　　UWB(超寬帶) UWB是以Larry Fullerton的發現為基礎的，該發現是，單一的射頻(RF)單周期信號可以通過天線發射，並可以在發射時精確地對這些單周期信號定時，相匹配的接收機可以接收這些發射信號，因此開闢了新的無線介質。UWB是發射和接收超短(納秒至皮秒級)電磁能量脈衝，並以此進行數據傳送的無線技術。該技術不依賴於正弦波，不需要分配頻率，依靠與噪聲沒有分別的隨機低功率信號傳輸數據。Time Domain將它比作每秒4千萬個點劃的莫爾斯電碼。該技術的傳輸速率可能達到1Gbit/s。UWB可能干擾其他無線電信號，因此使用低功率，但這樣就限制了傳輸範圍。這種通信方式比較適合在家庭內部使用，市場應用前景非常廣闊，因此圍繞UWB的標準之爭從一開始就非常激烈。曾經有二十幾個標準參與競爭，今天只剩下了兩個。它們是來自Freescale的DS-UWB(DS-UWB組建的聯盟是UWB論壇)和由TI倡導的MBOA。

　　下兩節說明無線城域聯網的獨特方法。服務提供商建立這些系統以向客戶提供高數據率。

　　Nokia RoofTop無線網狀系統

　　Nokia的無線系統採用了圖W-4中所示的多點對多點的網狀拓撲結構，它易於安裝，相對便宜並非常實用。本系統運行在不需要許可證的頻帶，因此安裝相對輕鬆。數據率與DSL相當或者更高。

　　Nokia AIR作業系統是為處理戶外、多反射、無線網絡的獨特屬性專門設計的，本作業系統包括一組擴展傳統的TCP/IP協議棧以增強無線環境中IP聯網健壯性的IP和無線聯網協議。物理RF數據機從作業系統層提取出來，以便可以根據拓撲結構和本地環境的情況，使用各種RF調製器。AIR作業系統包括一個調度傳輸以避免衝突的信道接入協議、一個監視相鄰鏈路狀態的鄰居管理協議、一個無線路由協議和標準的網際網路協議。

　　其他協議處理整個網狀網的網絡安全、網絡管理和自動軟體更新。RoofTop無線路由器和網橋使用跳頻擴頻無線電信號，以避免竊聽。多反射網絡中的傳輸只能被相鄰路由器聽到——並不是網絡中　的所有路由器都能聽到。

　　ISP們可能選擇安裝在房頂來到達用戶，而幾乎每一個擁有屋頂、梯子和一套工具的人都可以安裝此系統。每個無線電站點都需要到達至少一個其他節點的站線鏈路，但多鏈路可增加該網狀網中路　由的數目並因此提高可靠性。由於網絡從客戶方面而不是服務提供商方面增長，所以它被稱為「有機　的」。一個不利方面是，每次反射增加大約50ms延遲，它可能影響到IP話音，雖然Nokia正在調整系統以減少延遲。

　　自由空間光網絡

　　許多公司正在開發無線光解決方案。例如，LightPointe的產品，使用紅外頻譜波長可以實現相距4Km(2.5英裡)的建築物間的、數據率高達622Mbit/s的點對點傳輸。在此頻譜範圍運行的系統不需要許可證。

　　更有趣的是點對多點的自由空間光網絡。通常的想法是，光需要在發送器和接收器之間有站線鏈路或必須被引導(光纜)。較新的系統依賴於光的吸收和散射，由於它產生信號損失，在過去被認為是　一件壞事。在這些系統中，信號可被描繪成霧中的亮光，其中，霧變成頻帶中的發光雲，光在該頻帶中被吸收(紅外或紫外)。

　　設計為在此同一吸收頻帶中運行的無線光系統將能夠在具有障礙物的環境(如有高樓的市區)中在發送機和接收機之間傳播信號，沒有站線鏈路要求。該系統只需將接收設備放置在窗戶上。

　　有兩家公司生產多點自由空間光網絡設備:AirFiber和TeraBeam。AirFiber的產品實際上是布置在市區環境中建築物房頂的網狀網設計，支持高達622Mbit/s的數據率。TeraBeam已經開發了一種點到多點系統，其中用戶在具有更高的突發數據率時共享高達lOOMbit/秒的帶寬。

　　寬帶無線特性

　　LMDS和MMDS的提倡者指出，寬帶無線可以比DSL為更多用戶提供更好的業務。但是較高頻率業務(如LMDS)需要站線鏈路，大大地減少了覆蓋區。LOS(站線鏈路)受建築物、樹木甚至雪的影響。可以使用中繼器和反射設備解決一些LOS問題。MMDS比LMDS提供更好的覆蓋。雖然它提供較低的數據率，但它的數據率適合於MMDS覆蓋區域的家庭用戶和小企業用戶。微波系統受信號反射的影響，其中，原始信號和從附近物體反射的回波信號一起被接收。原始信號和回波信號的這種組合稱為多徑。回波信號比原始信號接收到的時間稍晚，並可能破壞信號數據。

　　空中接口

　　空中接口(Air Interface)是指用戶終端(UT)和無線接入網絡(RAN)之間的接口，它是任何一種移動通信系統的關鍵模塊之一，也是其「移動性」的集中體現。寬帶無線系統的空中接口缺少任何標準協議，因此現在使用許多專有實現。但是已經向IEEE和其他工作組提出了許多建議。其中以下兩個建議引起了最大的關注。

　　DVB下行DOCSIS上行

　　本建議是以已經建立的電視廣播模型為基礎的。ETSI DVB(數字視頻廣播)是定義下行信道的衛星廣播標準，而DOCSIS(電纜數據業務接口規範)是用於電纜數據機中的上行信道標準。它的思想是使用物理層中的FDD(頻分雙工)以獨立頻率傳輸下行和上行信息。

　　推薦DOCSIS和DVB的原因是已經有了這種技術並可以迅速地布署系統。但是，需要進行必要的修改以提高等待時間和幹擾免疫力以及增加引用標準的能力。這些技術能夠進行ATM和IP通信的雙向傳輸以及從基站向用戶分布MPEG-2視頻。

　　TDD(時分雙工)

　　時分雙工模式(TDD)是在幀周期的下行線路操作中及時區分無線信道以及繼續上行線路操作的雙工技術。在TDD模式的移動通信系統中，接收和傳送在同一頻率信道(即載波)的不同時隙，用保證時間來分離接收和傳送信道。DVB/DOCSIS方法使用了FDD，它要求一個頻帶用於接收另一個用於發送。

　　該模式在不對稱業務中有著不可比擬的靈活性，TD-SCDMA只需一個不對稱頻段的頻率分配，其每載波為1.6MHz。由於每RC內時域上下行切換的切換點可靈活變動，所以對於對稱業務(語音和多媒體等)和不對稱業務(包交換和網際網路等)，可充分利用無線頻譜。

　　TDD系統有如下特點：

　　(1)不需要成對的頻率，能使用各種頻率資源，適用於不對稱的上下行數據傳輸速率，特別適用於IP型的數據業務;

　　(2)上下行工作於同一頻率，電波傳播的對稱特性使之便於使用智能天線等新技術，達到提高性能、降低成本的目的;

　　(3)設備成本較低，比FDD系統低20%-50%。

　　下圖顯示了FDD和TDD之間的不同之處。對於FDD，為下行和上行通信分配的帶寬是在兩個專用頻帶中。即使沒有數據正在發送，頻帶仍然是劃定的。在TDD中，下行和上行通信在同一信道上「轉換」。如果需要，系統可以動態地為下行通信分配更大帶寬，從而非常有效地使用可用帶寬。

　　由於通過時間間隔而不是通過在信道之間插入大的防護頻帶TDD對上行和下行信道進行分離，所以TDD可以有效地使用帶寬。上行鏈路和下行鏈路使用同一頻率，但是是在不同的時間間隔。最重要的是，由於TDD可以調整下行或上行帶寬以匹配通信量，所以使用TDD傳輸數據通信是很理想的。FDD是為話音設計的，所以需要對稱信道。TDD允許不對稱，它適用於數據傳輸。例如，在數據突發(文件傳送)時可以動態地分配一個完整的上行信道。

　　此模型的主要提倡者是Ensemble Communicat—ions公司，它指出，它的TDD方法稱為Adaptix，從頭開始開發，一直到點對多點寬帶無線應用。Ensemb1e公司的Adaptix是由Nokia、Breezecom、　3Com、Siemens公司以及其他公司支持的建議標準。

　　Ensemble公司想指出，不應該像對待電視廣播(使用DVB/DOCSIS實現)一樣對待無線點對多點網絡，原因是這種廣播將所有客戶一樣對待。Adaptix使用幾種自適應技術，可以為各個用戶提供滿足它們需要的服務等級。例如，可以動態地調整調製技術以適應影響傳輸的即時變化，如變化的天氣條件。Adaptix的另一元素——Adaptive TDMA，能夠根據多個位置多個用戶的需要按突發向他們分配整個信道的帶寬。

　　無線標準與倡議

　　IEEE無線倡議還稱為IEEE 802.16無線MAN(城域網)。工作組802.16的任務是「開發標準和推薦作法以支持固定帶寬無線接入系統的開發和部署」。它由三個小工作組組成，每個小工作組分別負責不同的方面：IEEE 802.16.1負責制定頻率為10G到60G赫茲的無線接口標準;IEEE 802.16.2負責制定寬帶無線接入系統共存方面的標準;IEEE 802.16.3負責制定頻率範圍在2G到10G赫茲之間獲得頻率使用許可的應用的無線接口標準。

　　最初，工作組的注意力集中在LMDS頻帶。後來，該工作組已經盯上MMDS頻帶和5GHz的U-NII無需許可證的頻帶。建議採用定向拋物面天線以避免該頻帶中的幹擾，該頻帶是無數的設備自由使用的。該工作組還在研究多天線接收機和有助於減少多徑反射以及其他幹涉問題的信號處理組件。

　　802.16標準定義了無線MAN(城域網)空中接口規範(正式的名稱為IEEE Wireless MAN*標準)。這一無線寬帶接入標準可以為無線城域網中的「最後一英裡」連接提供缺少的一環。對於許多家用及商用客戶而言，通過DSL或有線基礎設施的寬帶接入仍然不可行。許多客戶都在DSL服務範圍之外和/或不能得到寬帶有線基礎設施的支持(商業區通常沒有布線)。但是依靠無線寬帶，這些問題都可迎刃而解。因為其無線特性，所以無線寬帶部署速度更快，擴展能力更強，靈活性更高，因此能夠為那些無法享受到或不滿意其有線寬帶接入的客戶提供服務。

　　一個相關標準是HipedLAN (高性能無線LAN)，它是由ETSI(歐洲電信標準協會)定義的。HiperLANl運行在5.2GHz，它的數據率高達24Mbit/s。它使用擴頻技術。該標準是在1991～l996年期間開發的。

　　iperLAN2標準於2000年制訂完成。HiperLAN2部分建立在GSM基礎上，使用頻段為5GHz。在物理層上HiperLAN2和802.11a幾乎完全相同：採用OFDM技術，最大數據傳輸速率為54Mbit/s。HiperLAN2標準詳細定義了WLAN的檢測功能和轉換信令，用以支持許多無線網絡，並支持動態頻率選擇、無線信元轉換、鏈路自適應、多束天線和功率控制等。它和802.11a最大的不同是HiperLAN2不是建立在乙太網基礎上的，而是採用TDMA結構，形成一個面向連接的網絡。HiperLAN2的面向連接的特性使它很容易滿足QoS要求，可以為每個連接分配一個指定的QoS，確定這個連接在帶寬、延遲、擁塞、比特錯誤率等方面的要求。這種QoS支持與高傳輸速率一起保證了不同的數據序列(如視頻、話音和數據等)可以同時進行高速傳輸。

　　無線DSL聯盟是一個包括ADC Telecommunic-ations、Nortel Network、Intel、CS以及其他正在開發基於TDMA/FDD(時分多址/頻　分雙工)物理層的點對多點寬帶無線接入方法的公司的協會。本聯盟正在開發話音和數據業務、QoS控制、非站線鏈路區域的無線覆蓋和低成本的客戶設備。

　　N-WEST(美國國家無線電子系統試驗系統)是促進寬帶無線技術(特別是LMDS)的一個美國商務部項目。N-WEST包括裝備有將用於開發操作標準和性能評估的原型LMDS系統的試驗設施。