寬帶無線接入技術(shù)的探討----馮春燕

寬帶無線接入技術(shù)的探討----馮春燕

一、引言
    異步傳送模式（ATM）作為寬帶網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已經(jīng)不斷地成
熟，特別是在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用。近年來，許多機(jī)構(gòu)開始致力于將ATM
技術(shù)拓展到無線網(wǎng)絡(luò)，從而將ATM特性應(yīng)用于無線電媒體中。
    基于信元的寬帶技術(shù)的應(yīng)用以及它與當(dāng)前最新的無線接入網(wǎng)的結(jié)合變得日益重要。
在有線ATM技術(shù)高速發(fā)展成為寬帶核心技術(shù)之時(shí)，無線ATM技術(shù)卻剛剛起步，而且還有很
多問題尚待解決，本文給出了寬帶無線本地接入（WWLA）技術(shù)的發(fā)展概況，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)技
術(shù)以及美國(guó)、歐洲和日本的寬帶無線項(xiàng)目發(fā)展情況進(jìn)行了分析。并提出了寬帶無線接入
面臨的問題。
    無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線異步傳送模式（WATM）都可提供寬帶無線本地接入（WW-
LA），WLAN為傳統(tǒng)的LAN應(yīng)用提供了一種接入，WATM用于提供無線信道的端到端ATM接續(xù)
和業(yè)務(wù)質(zhì)量。
    在討論無線接人時(shí)，應(yīng)與骨干網(wǎng)綜合起來考慮。兩種無線接口（WLAN和WATM）與兩
種有線骨干網(wǎng)絡(luò)（傳統(tǒng)LAN和發(fā)展中的ATM網(wǎng)絡(luò)）間有四種互連方式：WLAN一LAN、WATM－
ATM、WLAN－ATM、WATM－LAN，如圖1所示。圖中給出了不同情況互連時(shí)的協(xié)議及其協(xié)議
轉(zhuǎn)換。
    在此，我們只考慮兩種情況WATM－ATM和WLAN－LAN。在文章的后面部分，將它們分
別簡(jiǎn)寫成 WATM和 WLAN。
    二、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
    WWLA已有三個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體制：IEEB標(biāo)準(zhǔn)(802.11）、ETSI的HIPERLAN標(biāo)準(zhǔn)和ATM論壇
標(biāo)準(zhǔn)。
    WLAN的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE802.4L，最初于1988年提出，是有線LAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.4的
一部分。1990年,IEEE802.4L改名為IEEE802.11，形成了IEEE802 LAN標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中一個(gè)獨(dú)
立的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，并于當(dāng)年完成其技術(shù)規(guī)范。802.11標(biāo)準(zhǔn)在2.4GHz ISM頻帶使用擴(kuò)頻技術(shù)
將數(shù)據(jù)速率提高到2Mbps，并且保證一定的QoS，IEEE802.ll中的媒體接人控制（MAC）
支持鑒權(quán)、擾碼、頻率管理和功率限制功能，這些在其它802標(biāo)準(zhǔn)的MAC層是無法提供的。
IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)是以市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，因此兼顧了技術(shù)和市場(chǎng)因素。
    HIPERLAN標(biāo)準(zhǔn)是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）的第10研究組開發(fā)的，作為高速無
線LAN的泛歐標(biāo)準(zhǔn)，HIPERLANI是其第一項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，干1992年提出，并于當(dāng)年完成。它
可用傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)在5.2GHz頻帶內(nèi)支持傳輸2～23Mb／s的數(shù)據(jù)流。HIPERLAN使用“先
聽后講”的無搶先多接入?yún)f(xié)議，支持同步和異步傳輸。HIPERLAN為每個(gè)數(shù)據(jù)包定義了優(yōu)
先級(jí)處理，且易于QoS控制。MAC層除了正常路由選擇外，還可處理擾碼和功率保持。適
合無線ATM的其它版本的HIPERLAN以及其它替代標(biāo)準(zhǔn)目前都正在研究中、隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，
HIPERLANl得以升級(jí)。但目前還沒有一個(gè)制造商將它作為產(chǎn)品改良的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲聯(lián)合會(huì)為
HIPERLAN安排頻帶是美聯(lián)邦電信委員會(huì)（FCC）開放U－NII（未開放國(guó)家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）
頻帶的一個(gè)開端。
    ATM是一種面向連接的傳輸方案，對(duì)每一個(gè)具有一定QoS保障的虛通路，它根據(jù)與網(wǎng)
絡(luò)的最初協(xié)議工作。在移動(dòng)環(huán)境中，虛通路和QoS的管理是復(fù)雜的，因?yàn)樵谝淮瓮ㄐ胚^程
中，終端移動(dòng)時(shí)，其路由是在不斷變化的。就無線接入規(guī)則而言，WATM協(xié)會(huì)聲稱在WATM
中采用短分組（53字節(jié)）、高數(shù)據(jù)速率（可達(dá)20Mbps）和短分組頭（5字節(jié)）非常適合本
地?zé)o線信道的通路衰減特性，且能有效使用帶寬資源。在IEEE802.ll中，MAC層具有縮短
分組的措施，可獲得同樣的優(yōu)點(diǎn)。如果搬移到較高的頻帶或采用其它調(diào)制技術(shù)，IEEE802
.11的 MAC層還可提供更高的數(shù)據(jù)速率。
    三、全球活動(dòng)
    當(dāng)今WLAN的全球市場(chǎng)主要在美國(guó)，由于制造商們都將注意力集中在WWLA的市場(chǎng)，一
個(gè)很重要的問題是未來產(chǎn)品發(fā)展所使用的未開放頻帶的可用性。1994年，F(xiàn)CC將1.9GHz左
右的兩段開放頻帶之間的20MHz頻譜用于未開放的個(gè)人通信業(yè)務(wù)（U－PCS）。這一頻譜如
圖2所示。
    由圖2可見，WINForum分配了兩段頻帶分別用于異步和同步傳輸。這意味著WINForum
認(rèn)為聲音和突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸不能很好兼容，因此需要使用分離的無線信道來傳輸。1997年
五月，F(xiàn)CC將5GHz左右的300MHz末開放頻帶放開供一種新型無線設(shè)備（即U－NII）使用。
FCC的這一決定使無線LAN能夠應(yīng)用大量的可用頻譜，從而使數(shù)據(jù)速率提高到每秒數(shù)十兆
比特，以滿足多媒體應(yīng)用的需求。這一頻帶與CEPT早期為HIPERLAN指定的頻帶相兼容。
    盡管在U－NII頻帶還沒有什么設(shè)備問世，但在這一頻帶開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品的活動(dòng)已經(jīng)
開始。貝爾實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行中的移動(dòng)信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（MII）就是關(guān)于這個(gè)頻帶內(nèi)WATM應(yīng)用
的研究項(xiàng)目。
    在歐洲，隨著ACTS計(jì)劃的推進(jìn)，許多研究項(xiàng)目都致力于驗(yàn)證寬帶本地應(yīng)用的各種技
術(shù)。其目的是將這些技術(shù)綜合應(yīng)用于正在發(fā)展的第三代蜂窩系統(tǒng)中。ETSI宣布了一個(gè)新
的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)(BRAN），它將接替當(dāng)前的HIPERLAN項(xiàng)目。BRAN項(xiàng)目著力
研究數(shù)據(jù)速率超過25Mbps的無線接入系統(tǒng)的課題。ATM論壇、IEEE802.11、互聯(lián)網(wǎng)工程標(biāo)
準(zhǔn)組（IETF）和ITU無線通信標(biāo)準(zhǔn)部（ITU－R）正在密切合作，以保證現(xiàn)有技術(shù)與正在發(fā)
展的新技術(shù)相互融合。ACTS計(jì)劃包含若干個(gè)寬帶無線項(xiàng)目，在無線用戶基地網(wǎng)絡(luò)／移動(dòng)
寬帶系統(tǒng)方面有四個(gè)主要的寬帶項(xiàng)目。（l）MEDIAN項(xiàng)目主要目標(biāo)是評(píng)估并實(shí)現(xiàn)工作于60
GHz、提供155Mbps數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線LAN，樣本方案包括一個(gè)在155Mbpo的基站以及分別在3
4Mbps和155Mbps的兩個(gè)便攜式終端。（2）MagicWAND項(xiàng)目致力于實(shí)現(xiàn)5GHz的WATM傳輸。
（3）高級(jí)移動(dòng)寬帶應(yīng)用系統(tǒng)（SAMBA）開發(fā)了工作于40GHz具有兩個(gè)基站和兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)的
MBS試驗(yàn)網(wǎng)。（4）高級(jí)無線ATM通信系統(tǒng)（AWACS）是歐洲和日本（ACTS和NTT）間的合作
項(xiàng)目，這一項(xiàng)目是基于已通過NTT試驗(yàn)的工作于19GHz的ATM無線LAN，其目標(biāo)在于通過這
個(gè)試驗(yàn)開發(fā)并實(shí)現(xiàn)B－ISDN業(yè)務(wù)的無線接入，終端具有低移動(dòng)性、工作于19GHz、數(shù)據(jù)速
率高達(dá)34Mbps。因?yàn)槿毡镜皖l帶缺乏，這一項(xiàng)目致力于研究超高頻帶。以上所有這些項(xiàng)
目都將WATM看作是無線接入的某種形式。
    在日本，目前涉及本地寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的許多項(xiàng)目都與多媒體移動(dòng)接入通信（MMAC）
委員會(huì)有關(guān)。該委員會(huì)為可與光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫連接的移動(dòng)通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提出了兩套
系統(tǒng)。一是可在戶內(nèi)和戶外工作于6-10Mbps（高速無線接入）的終端，二是只能在戶內(nèi)，
無切換（超高速無線LAN）系統(tǒng)的終端，二者都使用毫米波段。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及基本射頻技
術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備開發(fā)可望于2000年完成，2002年有望實(shí)現(xiàn)商用。
  四、寬帶無線接入面臨的問題
    1  開拓新的無線頻段
    有關(guān)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的物理層，可考慮選用60GHz頻段，利用其15dB／km的氧
氣吸收來提高頻率復(fù)用率和系統(tǒng)容量。也可考慮選用大氣衰耗僅約0.ldB／km的40GHz頻
段，擴(kuò)大服務(wù)范圍及提高QoS。ACTS計(jì)劃的SAMBA項(xiàng)目已著手進(jìn)行這方面的研究。
    在現(xiàn)代寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)中，可考慮開放和研究選用易于頻率協(xié)調(diào)的Ka（ 20／30GHz）、
甚至 EHF或 Q／V（40／50／60GHz）的更高頻段，以利于接入包括HDTV在內(nèi)的寬帶綜合
業(yè)務(wù)信息。
    2  空分多址（SDMA）應(yīng)用
    為進(jìn)一步提高頻譜利用率和系統(tǒng)容量，可考慮使用窄波束天線系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)SDMA，開發(fā)
一種智能波束控制法，使基站或衛(wèi)星天線快速指向通信中的移動(dòng)站。當(dāng)然，相應(yīng)的多址協(xié)
議也必須適應(yīng)SDMA。目前，ACTS計(jì)劃中的TRUNAMI正在進(jìn)行這項(xiàng)研究。
    3  自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)和正交頻分多址(OFDM）技術(shù)
    根據(jù)無線信道的實(shí)際情況，可選擇使用40QAM或160QAM或640QAM的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，
這種自適應(yīng)可編程調(diào)制的快速算法目前正在研究之中。另外，OFDM技術(shù)也在研究應(yīng)用中，
它的優(yōu)點(diǎn)是抗多徑傳播能力較強(qiáng)、頻譜利用率較高，缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、信號(hào)處理時(shí)間較
長(zhǎng)、發(fā)射功率較大對(duì)非線性極其敏感（需要線性大功率微波放大器）等。如何克服這些
缺點(diǎn)，使OFDM滿足高速移動(dòng)通信的要求是當(dāng)前正在研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
    4  防止信元丟失
    ATM是以信元為基礎(chǔ)進(jìn)行傳輸?shù)�，ATM無線傳輸首先是降低信元丟失率問題。在移動(dòng)
通信方面，要考慮一些防止ATM信元在網(wǎng)絡(luò)切換期間丟失的方案。為支持網(wǎng)絡(luò)范圍的越區(qū)
切換、保證QoS,需要開發(fā)一種最佳路由算法，特別要求能夠防止越區(qū)切換期間的信元丟
失。在衛(wèi)星傳輸方面，需借助以信元為基礎(chǔ)的外碼技術(shù)。
    5  時(shí)延問題
    衛(wèi)星傳輸時(shí)延，特別是同步軌道衛(wèi)星傳輸時(shí)延的影響是較大的問題，單跳時(shí)延為250
ms左右，雙跳則為500ms左右。解決時(shí)延問題的一種直觀辦法是利用MEO及LEO衛(wèi)星降低軌
道高度，也可借助改變ATM格式中的信元塊長(zhǎng)，提供處理接口等適當(dāng)容量的緩沖存儲(chǔ)器，
以及利用有效的傳輸編碼等綜合處理來解決。
    6  無線接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
    寬帶無線接入將基于ATM的B－ISDN固定服務(wù)直接延伸至無線用戶，這就要求其無線
鏈路對(duì)網(wǎng)絡(luò)透明，所以在無線接口協(xié)議中不應(yīng)包括ATM適配層，ATM物理層則由特定的無
線物理層加上互相配合運(yùn)作的媒體接入控制層和邏輯鏈路控制層所代替。
    ATM概念是在傳輸質(zhì)量能夠得到保證的情況下開發(fā)的，這在光纖通信系統(tǒng)中當(dāng)然可行，
然而由于無線鏈路的傳輸質(zhì)量較差，因而需要增加一個(gè)可以自適應(yīng)于無線接口特征的糾
錯(cuò)方案，并采用動(dòng)態(tài)資源管理，以有效利用頻譜資源，提高QoS。