5GHz無線寬帶接入系統(tǒng)

一、無線接入的發(fā)展趨勢

        將與有線接入方式競爭接入市場：在有線難以達(dá)到的地方，可作為有線的延伸和補(bǔ)充；在新建的工業(yè)園區(qū)和居民小區(qū)，可作為有線通信的應(yīng)急手段和替代手段；在地下線纜施工困難的城鎮(zhèn)，則成為有線接入有力的競爭對手。競爭的目標(biāo)將是最終用戶的數(shù)量，目前無線接入用戶和有線接入用戶的比例不到1:100。在兩年內(nèi)預(yù)計可達(dá)到1:10，而在5年后可能達(dá)到1:3，即無線接入正在進(jìn)入快速發(fā)展的階段。

        向高頻段、寬帶寬、高速率、高頻譜利用率發(fā)展：隨著用戶業(yè)務(wù)的多樣化特別是寬帶化，以往幾kbps或十幾kbps的信息速率已不敷使用，許多用戶要求提供幾十Mbps的信息速率。要提高信息速率，除了采用先進(jìn)的雙工技術(shù)、編碼技術(shù)和調(diào)制技術(shù)外，最基本的就是更寬的頻道帶寬，相應(yīng)的就是需要占據(jù)更高的頻段。典型的例子就是在幾百M(fèi)Hz頻段，頻道帶寬只有幾kHz到幾十kHz，信息速率也就是在幾十kbps以下；而在幾GHz頻段，頻道帶寬可達(dá)幾MHz到十幾MHz，信息速率也可達(dá)幾Mbps到幾十Mbps；若使用幾十GHz的毫米波段，頻道帶寬高達(dá)一百多MHz到二百多MHz，信息速率則高達(dá)155Mbps甚至幾百M(fèi)bps。無線電頻譜是寶貴的稀缺資源，提高頻譜利用率就是節(jié)約資源。

        提供IP(Internet協(xié)議)傳輸業(yè)務(wù)：IP業(yè)務(wù)對無線接入網(wǎng)的要求是實時快速、寬帶多媒體、上/下行不對稱、易于擴(kuò)展等。Internet上的信息傳輸是分組的，傳輸方式由TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/Internet協(xié)議）規(guī)定，規(guī)定信息包怎樣分層和分組，怎樣重新組裝，怎樣在信道上傳輸?shù)�。TCP/IP分為鏈路層、網(wǎng)際層（IP層）、傳輸層（TCP層）和應(yīng)用層，TCP為收、發(fā)兩端提供雙工傳輸協(xié)議，IP為不同的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供互連協(xié)議。無線接入網(wǎng)應(yīng)在傳輸和接口方面適應(yīng)IP業(yè)務(wù)的需要。

        適應(yīng)不同用戶的近于苛刻的多種需求：大致可歸納為電話、視像、高速數(shù)據(jù)的綜合接入；風(fēng)險投資小，啟動開銷低，適應(yīng)初始用戶少的環(huán)境；易于擴(kuò)容，擴(kuò)大覆蓋區(qū)，適應(yīng)用戶快速增加的需求；簡單、可靠、傻瓜化，減低維護(hù)開銷；裝、拆、搬遷簡便快捷，保證投資不沉淀；具有靈活的接口能力，例如V5、ATM以及Ethernet接口等，以適應(yīng)與不同網(wǎng)絡(luò)的連接；具有抗惡劣環(huán)境的能力，例如室外工作、不受雨衰影響等。

        無線接入技術(shù)向綜合化、寬帶化、智能化方向發(fā)展：綜合化使用戶實現(xiàn)多業(yè)務(wù)雙向通信，寬帶化使用戶能隨心所欲地傳送動態(tài)視像，在Internet網(wǎng)上高速沖浪，智能化可是系統(tǒng)獲得更多更好的功能，軟件無線電技術(shù)則是智能化的有力工具。



二、5GHz是寬帶無線接入技術(shù)的黃金頻段

        固定無線接入的工作頻段很多。目前使用的有：450MHz頻段的“無線農(nóng)話”；1.5GHz頻段的點對多點微波通信；2.4GHz頻段的無線擴(kuò)頻通信；2.5～2.7GHz頻段的數(shù)字雙向MMDS（多點多信道分配系統(tǒng)）；3.5GHz頻段的WLL（無線本地環(huán)路）；5.725～5.85GHz頻段的點對點無線擴(kuò)頻通信等。可能發(fā)展的頻段有：5GHz頻段的寬帶無線接入；10GHz、21GHz、24GHz、26GHz、28GHz、31GHz、38GHz頻段的LMDS9本地多點分配業(yè)務(wù)）等。在2000年更有制造商推出了800nm波段的寬帶無線紅外光接入系統(tǒng)，成為名符其實的“無線光纖”。

        一般而言，頻段越低，可傳輸?shù)男畔⑺俾室脖容^低。以3.5GHz頻段為例，按國家通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《接入網(wǎng)技術(shù)要求-3.5GHz固定無線接入》規(guī)定，上行頻段為3400～3430MHz，下行頻段為3500～3530MHz；頻段間隔為1.75、3.5、7和14MHz四種；采用頻分雙工；當(dāng)復(fù)用/多址方式采用TDM/TDMA時，以頻道間隔為3.5MHz所能傳送的速率來比較，若采用QPSK或與其等效的調(diào)制方式時最低可傳4Mbps,采用16QAM或與其等效的調(diào)制方式時最低可傳8Mbps,采用64QAM或與其等效的調(diào)制方式時最低可傳12Mbps；但調(diào)制方式越復(fù)雜，成本越昂貴、接收靈敏度越低、誤碼率越高、抗干擾能力越低，要保持一定的傳輸距離則需要更大的發(fā)射功率。目前在3.5MHz頻段，按性能價格比排列，大多數(shù)用戶選用3.5MHz帶寬傳輸4Mbps速率，比較適合于少數(shù)小業(yè)務(wù)量用戶的窄帶低速無線接入使用。

        而在高頻段，國家目前還未制定相關(guān)的頻譜規(guī)范，以26GHz頻段為例，上行頻段為25.557~26.061GHz，下行頻段為24.549~25.053GHz；上行頻道間隔為10MHz，下行頻道間隔為56MHz；采用頻分雙工；上行每頻道的傳輸容量按不同的調(diào)制方式分別為QPSK
13.3Mbps、16QAM 26.7Mbps、64QAM 40Mbps，下行每頻道的的傳輸容量為QPSK
66.5Mbps、16QAM 133.5Mbps、64QAM 200.0Mbps；調(diào)制方式越復(fù)雜，接收靈敏度越低，所需發(fā)射功率越大；通信距離一般不超過3公里。在20GHz以上的頻段，雨衰和多徑的影響都比較嚴(yán)重，南方地區(qū)的雨衰幾乎不可避免，雨衰的計算繁雜而不準(zhǔn)確，甚至樹葉的衰耗也不可忽視，加之技術(shù)難度大、設(shè)備成本高，大范圍、大規(guī)模地投入無線接入市場尚有困難。至于無線光通信系統(tǒng)，由于不適于在雨、雪、濃霧和沙塵天氣使用，顯然在無線接入領(lǐng)域也不會占多少份額。

        如果在傳輸帶寬、傳輸速率、傳輸距離、傳輸質(zhì)量、建設(shè)規(guī)模、投資成本、運(yùn)營利潤之間進(jìn)行選擇并折衷，在當(dāng)今的技術(shù)條件下，5GHz頻段對固定無線接入而言是性能價格比最高的黃金頻段。

        1997年1月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）宣布在5GHz頻段分配三個100MHz頻段，作為U-NII（無須許可證的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施）頻段使用，以提供快速開通的高速無線數(shù)據(jù)通信。三個100MHz頻段是：5.15~5.25GHz，規(guī)定其EIRP不大于23dBm，適用于室內(nèi)無線通信；5.25~5.35GHz，規(guī)定其EIRP不大于30dBm，適用于近距離通信；5.725~5.825GHz，規(guī)定其EIRP不大于36dBm，適用于中等距離通信。通常人們選用5.725~5.825GHz來進(jìn)行社區(qū)的寬帶無線接入，以獲得更佳的性能價格比。FCC規(guī)定頻道間隔為15MHz，其它的限制很少，以鼓勵制造商和運(yùn)營商的創(chuàng)新，使有限的頻譜資源獲得更有效的利用。5GHz頻段為用戶在5~10公里的范圍內(nèi)建立寬帶無線接入提供了方便，一般不需要考慮雨衰、沙塵和樹葉的影響，人們普遍認(rèn)為5GHz在接入領(lǐng)域會創(chuàng)造出巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

        我國還沒有出臺5GHz頻段的頻率計劃，但信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局十分關(guān)注此頻段的開發(fā)利用，為推進(jìn)固定無線接入業(yè)務(wù)的競爭和發(fā)展，建議在完善基礎(chǔ)研究工作的同時，盡快開展5.725～5.825GHz寬帶無線接入系統(tǒng)的技術(shù)試驗�？梢钥隙�，5.725～5.825GHz頻段的試驗試用，將為我國的寬帶無線接入開辟一個新天地。

三、5GHZ寬帶無線接入方案

        由于FCC對5GHz頻段的具體規(guī)定和限制比較少，這給研制者提供了較為自由的創(chuàng)意空間，可以選用多種多樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和技術(shù)體制。但聰明的研制者會運(yùn)用自己的奇思妙想創(chuàng)造出一些獨特的原理、工藝和技術(shù)，突破一些矛盾的焦點，在更高的層次上進(jìn)行融合、兼顧和折衷，而不是一味地追求高、精、尖、新，從而獲得更高的性能價格比和用戶滿意度。以下是一個5GHz寬帶無線接入系統(tǒng)方案的例子。

1�毕到y(tǒng)概述

組網(wǎng)方式：可采用蜂窩結(jié)構(gòu)，每個蜂窩最多可分為6個扇區(qū)，第個扇區(qū)覆蓋60°；也可組成點對多點結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于單獨一個扇區(qū)工作。

系統(tǒng)構(gòu)成：

● 基站，每個基站可由1個或多個接入點組成，每個接入點有獨立的收發(fā)信系統(tǒng)，每個基站配備一套ATM/Ethernet交換機(jī)和一臺控制服務(wù)器；

● 用戶單元，即遠(yuǎn)端站，一個接入點最多可帶254個用戶單元，而每個用戶單元又可帶許多用戶終端；

●
網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，由網(wǎng)元管理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)管理終端和網(wǎng)絡(luò)管理軟件組成，網(wǎng)管協(xié)議采用SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）。

系統(tǒng)特點：

● 寬帶固定無線接入；

● 中心網(wǎng)管系統(tǒng)；

● 提供ATM25或Ethernet 10 Base T接口；

● 動態(tài)調(diào)整的TDD（時分雙工）雙工方式，頻譜利用率高、信道利用率高、適合于上/下行對稱或非對稱通信業(yè)務(wù)；

● 微小時間片的TDMA多址方式，可以根據(jù)每個用戶單元的優(yōu)先級和各個業(yè)務(wù)的優(yōu)先級動態(tài)地調(diào)整分配給各用戶單元的ATM信元數(shù)，實現(xiàn)自適應(yīng)按需分組，從而提高信道利用率；

● 空間傳輸以ATM信元為單位，一個接入點所轄所有用戶單元所占用的信元數(shù)決定了這些用戶單元所擁有的速率；

●
用戶單元為全戶外型設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，具有抗惡劣環(huán)境的能力；

● 整個系統(tǒng)開通便捷、維護(hù)容易。

2�敝饕�技術(shù)指標(biāo)

● 工作頻段：5.725～5.825GHz；

● 頻道間隔：15MHz；

● 雙工方式：TDD；

● 多址方式：TDMA；

● 調(diào)制方式：相干QPSK；

● EIRP：≤32.5dbm（發(fā)射功率14.5dBm，天線增益18dBi）；

● 接收門限（BER=10-4、SNR=14.4dB時）：-81.6dBm；

● 中頻頻率：902.5MHz；

● 傳輸速率：每扇區(qū)的上、下行總速率各為25Mbps;

● 覆蓋半徑：空間傳輸衰耗并非主要限制因素，而由于TDD保護(hù)時間和時延補(bǔ)償?shù)南拗�，典型設(shè)置為5.5km；

● 天線：接入點使用平板陣列天線，半功率角為水平60°、垂直7°，增益18dBi，極化軟件

可調(diào)；用戶單元使用平板陣列天線，半功率角為水平18°、垂直18°，增益18dBi，極化軟件可調(diào)；

● 接口：接入點為ATM25或Ethernet 10BaseT；空中接口為自適應(yīng)按需分組的ATM信元；用戶單元為ATM25或Ethernet
10BasteT；

● 環(huán)境條件：接入點設(shè)備和用戶單元均安裝于室外，工作溫度為-40～+55℃，允許相對濕度最高100%（+45℃時），允許最大風(fēng)力50m/s。

3�标P(guān)鍵技術(shù)

（1）專利技術(shù)—自適應(yīng)按需分組

        接入點與用戶單元之間的空間傳輸通過ATM信元，每個用戶單元的業(yè)務(wù)量不同，一個用戶單元不同時刻的業(yè)務(wù)流量也不同，各個用戶單元的優(yōu)先級不同，各個業(yè)務(wù)的優(yōu)先級也不同，自適應(yīng)按需分組技術(shù)即可按照這些不同的需求動態(tài)地給各用戶單元分配適當(dāng)?shù)男旁獢?shù)。動態(tài)分配的微小時間片的TDMA技術(shù)，由于不同用戶單元、不同時間的信元數(shù)不同，由它們組成的空間幀長就是可變的，在一幀中每個用戶單元占用某個時間片或多個時間片，完全是動態(tài)按需分配的。另外，為了滿足某些突發(fā)性業(yè)務(wù)和實時性強(qiáng)的業(yè)務(wù)的傳輸需要，還預(yù)留了一些固定時隙的信元，以備特需。

按需分配帶寬，帶寬的單位為信元；動態(tài)的調(diào)整上、下行帶寬和各個用戶單元的接入帶寬，最大限度地提高信道利用率。

        根據(jù)流量劃分時段的TDD雙工方式，在動態(tài)按需分配上、下行帶寬和各用戶單元接入帶寬的基礎(chǔ)上，動態(tài)地分配相應(yīng)長度的時間段，實現(xiàn)時分雙工工作，這種方式既適應(yīng)合于上、下行業(yè)務(wù)對稱，也適合于上、下行業(yè)務(wù)不對稱的環(huán)境，其頻譜利用率往往是頻分雙工的1.5倍到2倍。

（2）軟件無線電

        軟件無線電技術(shù)是利用軟件重組來重新配置無線電系統(tǒng)以實現(xiàn)某些特定的功能，提高系統(tǒng)的智能化和個性化水平。在本系統(tǒng)中采用RF模塊化設(shè)計、金屬片陣列天線，利用軟件來改變陣列天線的極化方式（水平或者垂直）、調(diào)節(jié)射頻RF衰減器的衰減值、動態(tài)選擇信道、按需分配速率、保證負(fù)載均衡等，使人工操作的部分大為減少，同時有效的增加了系統(tǒng)功能，提高了頻譜利用率。

（3）無線ATM

        ATM是在電路交換、分組交換、幀交換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的信元交換方式，每個信元長度53個字節(jié)（其中信頭5字節(jié)、凈荷48字節(jié)）,其特點是統(tǒng)計復(fù)用、信元長度固定、虛通道（VP）和虛信道(VC)交換、帶寬動態(tài)分配、可綜合多種業(yè)務(wù)。無線ATM是將ATM寬帶業(yè)務(wù)延伸到無線接入網(wǎng)中，用以滿足無線接入用戶的高速、寬帶、多媒體通信的需要。

        無線ATM的基礎(chǔ)原理是在固定無線網(wǎng)中采用基于ATM的寬帶網(wǎng)絡(luò)，無線接入部分為ATM信元提供可靠、透明的傳輸，從而使各用戶單元能在各種環(huán)境下均能高效地接入寬帶網(wǎng)絡(luò)。與光纖ATM相比，由于無線信道屬于時變、頻變信道，存在多徑效應(yīng)，誤碼率高且突發(fā)型分布，從而使傳輸速率受到限制，進(jìn)而降低頻譜利用率。為了使無線ATM性能趨近于光纖ATM，需要在無線系統(tǒng)做出以下改進(jìn)：增加DLC層（數(shù)據(jù)鏈路控制層）差錯控制，以提高物理層的傳輸性能；增加信元序列代號，以保證信元連續(xù)傳輸；在無線信道上實現(xiàn)統(tǒng)計復(fù)用多路傳輸；改善VPI/VCI（虛路徑識別/虛信道識別），以便于選定無線路徑和信道，在本系統(tǒng)中VPI=0、每用戶單元可以使用最多256個VCI;優(yōu)選調(diào)制方式和多址方式，改善信道質(zhì)量，本系統(tǒng)采用相干QPSK調(diào)制和TDMA多址方式。

        本系統(tǒng)有豐富的協(xié)議支持特性，支持的協(xié)議包括：DHCP（動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議），可為各用戶單元自動地動態(tài)分配IP地址并提供配置信息；NAT（網(wǎng)絡(luò)地址傳輸）協(xié)議，用戶單元可作為一個NAT網(wǎng)關(guān)使用，自動將無線信道傳來的Internet網(wǎng)的IP地址翻譯成有線端的網(wǎng)絡(luò)終端的目標(biāo)地址；RFC1483
Bridging（ATM適配層5上的復(fù)用協(xié)議），為兩個LAN（局域網(wǎng)）通過ATM網(wǎng)進(jìn)行橋接提供了一種簡單的方法；CLIP（基于ATM的典型IP）協(xié)議，它綜合了IP和ATM的特點，在ATM網(wǎng)絡(luò)上建立IP的點對多點傳輸，ATM是面向連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，IP是無連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，要在ATM網(wǎng)絡(luò)傳輸IP報文幀，就需要CLIP進(jìn)行IP地址到ATM地址的解析；PPPoA（基于ATM適配層5的點對點協(xié)議），為ATM網(wǎng)絡(luò)中兩個設(shè)備單元提供點對點的連接，并為通信提供AAA（驗證、授權(quán)和計費(fèi)）保證，可有效提高傳輸效率。

為了提高無線信道的效率，當(dāng)ATM信元流進(jìn)入無線信道時需進(jìn)行ATM/TDMA的轉(zhuǎn)換，以便去掉ATM信元流中的空閑信元，到接收端再恢復(fù)出ATM信元流，而為了恢復(fù)正確需在發(fā)端對每個ATM信元增設(shè)一個信元時間代號。

        用戶信元優(yōu)先級的判斷和控制，ATM業(yè)務(wù)分為CBR（恒定比特率業(yè)務(wù)）、rt-VBR（實時變比特率業(yè)務(wù)）、nrt-VBR（非實時變比特率業(yè)務(wù)）、UBR（未指定比特率）和ABR（可用比特率）5種。CBR業(yè)務(wù)如PCM電話，優(yōu)先級最高，即優(yōu)先級1；rt-VBR業(yè)務(wù)如實時圖像，優(yōu)先級居其次，即優(yōu)先級2；nrt-VBR業(yè)務(wù)，優(yōu)先級3；UBR和ABR業(yè)務(wù)，優(yōu)先級最低，為優(yōu)先級4。系統(tǒng)的通信控制協(xié)議按優(yōu)先等級來改變用戶信令中的控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，動態(tài)地為用戶分配系統(tǒng)資源。

（4）無線接力

        當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇辄c對多點的扇區(qū)通信時，每個接入點與用戶單元之間的空中連接最多有256條路徑，每扇區(qū)支持的用戶單元數(shù)最多為254個（按識別號），系統(tǒng)可通過EMS（網(wǎng)元管理系統(tǒng)）動態(tài)、實時地進(jìn)行配置管理。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇辄c對點通信時，既可以用一個接入點對一個用戶單元，也可以用一對用戶單元來實現(xiàn)。當(dāng)采用后者時，其中一個用戶單元要加載接入點軟件，變成接入從設(shè)備，由接入主設(shè)備控制MAC（媒體訪問控制協(xié)議）成幀，給用戶單元分配預(yù)留時隙，以實現(xiàn)點對點的空中接力。若接力主設(shè)備采用以太網(wǎng)方式終接，則空中接力速率可達(dá)10Mbps，若接力主設(shè)備以ATM方式終接，則空中接力速率可達(dá)25Mbps。

四、應(yīng)用前景

        鑒于5GHz寬帶無線接入網(wǎng)的諸多特點、優(yōu)勢和環(huán)境適應(yīng)性，許多制造商、運(yùn)營商和寬帶用戶都十分關(guān)注其開放政策和應(yīng)用前景。中國聯(lián)通公司正在各省建設(shè)本地傳輸接入網(wǎng)（即城域網(wǎng)），每個城市都安排了一定數(shù)量的寬帶無線接入網(wǎng)；中國網(wǎng)通公司正在建設(shè)全國的寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)，除了光纜之外，也要求大量建設(shè)寬帶無線接入網(wǎng)；中國移動公司沒有城市光纜，則可借助寬帶無線接入實現(xiàn)直接面對用戶，也可為部分蜂窩基站提供無線接力；中國電信公司雖擁有大量的光纜線路，但許多地方仍然需要寬帶無線接入通信；對于新型的工業(yè)園區(qū)和一些臨時通信要求，特別是突發(fā)事件現(xiàn)場通信，寬帶無線接入均有不可替代的應(yīng)急寬帶能力；近年來，各大城市許多IDC（Internet
數(shù)據(jù)中心）運(yùn)營商也積極籌劃建設(shè)自己的寬帶無線接入網(wǎng)，以追求更大的市場利益；隨著國家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，信息化智能小區(qū)如雨后春筍般發(fā)展起來，它要求通信系統(tǒng)能提供數(shù)據(jù)、語音、圖象等業(yè)務(wù)的寬帶傳輸通道，融合用戶計費(fèi)、用戶認(rèn)證、流量控制等管理功能，解決"最后一公里"的接入瓶頸問題；其它如大型企業(yè)、局域網(wǎng)互聯(lián)、光纜的無線備份等均需要寬帶無線接入。對上述應(yīng)用，5GHz寬帶無線接入系統(tǒng)將是一個有力的競爭者。

        當(dāng)今是一個技術(shù)領(lǐng)先于市場的時代。當(dāng)一項新的技術(shù)出現(xiàn)時，用戶往往不無需求，而是不理解。往往需要通過精心的廣告、實際的演示、媒體的宣傳、政府的規(guī)范等，才能識得"盧山真面目"。對于5GHz寬帶無線接入網(wǎng)的推廣應(yīng)用宜采用技術(shù)牽引、創(chuàng)造需求、引導(dǎo)消費(fèi)、培植市場的策略�？梢韵嘈牛�5GHz寬帶無線接入系統(tǒng)一定會有十分廣闊的發(fā)展前景。