LMDS寬帶無線接入技術(shù)及其應(yīng)用

摘要　LMDS寬帶無線接入技術(shù)代表了寬帶接入技術(shù)的一種新的不可忽視的發(fā)展趨勢。本文介紹了LMDS技術(shù)的主要技術(shù)特點；討論了LMDS系統(tǒng)的組成、LMDS系統(tǒng)的主要技術(shù)要點；分析了LMDS系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)及LMDS技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

LMDS（Local Multi-point Distribution Service）是一種寬帶固定無線接入系統(tǒng)，其中文名稱為本地多點分配業(yè)務(wù)系統(tǒng)。第一代LMDS設(shè)備為模擬系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的標準。目前通常所說的LMDS為第二代數(shù)字系統(tǒng)，主要使用ATM（異步傳輸模式）傳送協(xié)議，具有標準化的網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口和網(wǎng)管協(xié)議。LMDS具有很寬的帶寬和雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，可提供多種寬帶交互式數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)，能滿足用戶對高速數(shù)據(jù)和圖像通信日益增長的需求，因此LMDS是解決通信網(wǎng)無線接入問題的銳利武器。

1、LMDS的主要技術(shù)特點

LMDS是一種微波寬帶系統(tǒng)，它工作在微波頻率的高端（20～40GHz頻段），組網(wǎng)靈活方便，使用成本低，是一種非常有前途的寬帶固定無線接入新技術(shù)。從理論上講，LMDS在上行和下行鏈路上的傳輸容量是一樣的，因此能方便的提供各種交互式應(yīng)用，如會議電視、VOD、住宅用戶互聯(lián)網(wǎng)高速接入等，LMDS也可以支持所有主要的語音和數(shù)據(jù)傳輸標準，如ATM、MPEG-2等標準。

LMDS由一系列蜂窩狀的無線發(fā)射樞紐組成，每個蜂窩由點對多點的基站和用戶站構(gòu)成，其主要技術(shù)特點有以下幾個方面。

第一，可提供極高的通信帶寬。LMDS工作在28GHz微波波段附近，可用頻帶為1 GHz以上，理論上可提供所有業(yè)務(wù)，并可支持所有的語音和數(shù)據(jù)傳輸標準。

第二，蜂窩式的結(jié)構(gòu)配置可覆蓋整個城域范圍。LMDS屬于無線訪問的一種新形式，典型的LMDS系統(tǒng)利用地理上分散的類似蜂窩的配置。它由多個樞鈕發(fā)射機（或稱為基站）管理一定范圍內(nèi)的用戶群，每個發(fā)射機經(jīng)點對多點無線鏈路與服務(wù)區(qū)內(nèi)的固定用戶通信。每個蜂窩站的覆蓋區(qū)為2～10km，覆蓋區(qū)可相互重疊，每個覆蓋區(qū)又可劃分為多個扇區(qū)，可根據(jù)需要在該扇區(qū)提供特定業(yè)務(wù)或服務(wù)�；�站服務(wù)區(qū)和子扇區(qū)系統(tǒng)的劃分可視用戶端的地理分布及容量要求而定，不同的單個基站的接入容量有所不同，最高可達4.8Gbit/s，單個扇區(qū)子系統(tǒng)的接入容量可達20Mbit/s。LMDS天線的極化特性用來降低同一個地點不同扇區(qū)以及不同地點相鄰扇區(qū)的干擾，這樣理論上能夠保證在同一地區(qū)使用同一頻率。

第三，LMDS可提供多種業(yè)務(wù)。它在理論上可以支持現(xiàn)有的各種語音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。LMDS系統(tǒng)可提供高質(zhì)量的語音服務(wù)，而且沒有時延，用戶和系統(tǒng)之間的接口通常是RJ-11電話標準，與所有常用的電話接口是兼容的。LMDS還可提供低速、中速和高速業(yè)務(wù)。低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的速率為1.2～9.6kbit/s。能處理升級協(xié)議的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)允許本地接入點接到增值業(yè)務(wù)網(wǎng)并可以在標準話音電路上提供低速數(shù)據(jù)。中速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率為9.6kbit/s～2Mbit/s，這樣的數(shù)據(jù)通常是增值網(wǎng)本地接入點。在提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（2～55 Mbit/s）時要用100Mbit/s的快速以太網(wǎng)和光纖分布數(shù)據(jù)接口（FDDI）等。另外還要支持物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)協(xié)議。除此之外，LMDS還能支持高達1 Gbit/s速率的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。

第四，LMDS能提供模擬和數(shù)字視頻業(yè)務(wù)，如遠程醫(yī)療、高速會議電視、遠程教育、商業(yè)及用戶電視等。

2、LMDS的系統(tǒng)組成

LMDS作為一種無線固定接入技術(shù)與傳統(tǒng)的點到點微波技術(shù)不同，它能夠以蜂窩網(wǎng)絡(luò)的形式向特定區(qū)域提供業(yè)務(wù)。LMDS系統(tǒng)可以看作是用戶與骨干網(wǎng)之間的連接網(wǎng)絡(luò)，采用LMDS的小區(qū)結(jié)構(gòu)可以覆蓋整個城域范圍。當由多個中心站提供區(qū)域覆蓋時，需要進行頻率復(fù)用、無線鏈路計算、覆蓋與干擾的仿真與優(yōu)化等工作。

LMDS分為處理頻域信號的室外單元和與業(yè)務(wù)管理方面相關(guān)的室內(nèi)單元。一個典型的LMDS應(yīng)用運營系統(tǒng)通常由4個部分組成：基礎(chǔ)骨干網(wǎng)絡(luò)、中心站、終端站以及網(wǎng)絡(luò)運營中心。骨干網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)的核心層，它不僅提供了一個多業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)平臺，同時也是各個中心站之間相互連接的物理通道。核心網(wǎng)絡(luò)平臺可以由ATM、IP、ATM+IP、SONET、（同步光網(wǎng)絡(luò)）/SDH/WDH（波分復(fù)用）等技術(shù)構(gòu)成，負責與現(xiàn)有各網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通，如PSTN、FR、CATV網(wǎng)等，從而使LMDS網(wǎng)絡(luò)能夠提供幾乎所有現(xiàn)存網(wǎng)可能提供的業(yè)務(wù)。

2.1　系統(tǒng)參考模型

LMDS系統(tǒng)本身主要由3部分組成：中心站（又稱基站）系統(tǒng)、終端站（又稱遠端站）系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS），如圖1所示。

圖1　固定無線接入系統(tǒng)的參考模型

2.1.1　中心站設(shè)備

中心站設(shè)備通過多扇區(qū)覆蓋的方式向所轄地區(qū)提供業(yè)務(wù)服務(wù)。中心站設(shè)備在邏輯上分為中心控制站和中心射頻站兩部分。中心控制站包括調(diào)制解調(diào)設(shè)備、MAC卡及網(wǎng)絡(luò)-網(wǎng)絡(luò)接口板等。其中MAC卡主要用來發(fā)送接收終端站的相關(guān)業(yè)務(wù)請求。中心控制站提供與中頻電纜相連的接口，并通過中頻電纜連接中心射頻站。中心射頻站可采用全向天線進行覆蓋，也可采用扇區(qū)天線進行扇區(qū)化覆蓋，增加系統(tǒng)容量。目前大多數(shù)為4個90°扇區(qū)的覆蓋，部分可達到24個15°扇區(qū)的覆蓋。

中心站設(shè)備主要提供LMDS系統(tǒng)至核心網(wǎng)絡(luò)的接口，完成信號在核心網(wǎng)絡(luò)與無線傳輸之間的轉(zhuǎn)換，并負責無線資源的管理，中心站將用戶數(shù)據(jù)送入骨干網(wǎng)絡(luò)，完成所需的話音交換、ATM交換和IP交換等處理。

2.1.2　終端站設(shè)備

終端站設(shè)備放在最靠近用戶一側(cè)，負責將用戶通過無線方式連接至中心站并與骨干網(wǎng)相連，它可以提供多種業(yè)務(wù)接口，通常有E1、POTS，10/100Base-T、FR、ATM、ISDN、N×64kbit/s等，可支持多種應(yīng)用。

終端站設(shè)備的配置一般說來都包括室外單元部分及室內(nèi)單位部分。其中室外單元部分含有定向天線、微波收發(fā)設(shè)備；室內(nèi)單元部分包括調(diào)制解調(diào)模塊和與用戶室內(nèi)設(shè)備相連的接口模塊等。室外單元可以支持多個室內(nèi)單元工作，這樣在用戶數(shù)量較多時可以提高設(shè)備的利用率，降低用戶側(cè)的設(shè)備成本。

終端站設(shè)備通過TDM與FDM廣播方式在中心站到終端站的下行鏈路上接收由中心站傳送來的數(shù)據(jù)信息；在終端站到中心站的上行鏈路上利用TDMA和FDMA方式共享整個扇區(qū)帶寬所發(fā)送的用戶信息。

終端站設(shè)備提供支持本地終端操作工作的計算機接口及軟件，提供設(shè)備管理人員進行本地調(diào)測、配置、維護的途徑。同時終端站支持遠程的操作維護管理程序。網(wǎng)絡(luò)工程師可以方便地在遠端通過指令對處在用戶側(cè)的設(shè)備進行操作維護。

2.1.3　網(wǎng)管系統(tǒng)

LMDS系統(tǒng)的實現(xiàn)多基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）的簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）又稱網(wǎng)絡(luò)運營系統(tǒng)（NDS），主要負責管理多個區(qū)域內(nèi)的用戶網(wǎng)絡(luò)，負責完成系統(tǒng)分配、性能分析，安全管理等功能，多個網(wǎng)絡(luò)運營系統(tǒng)可通過通信網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)。

2.2　系統(tǒng)傳輸方式

LMDS系統(tǒng)使用基于ATM信號復(fù)用的連續(xù)載波，從中心站到終端站的下行方向上通過空中接口傳送數(shù)據(jù)。中心站每個扇區(qū)使用一個或多個下行載波發(fā)送這些ATM信元到終端站。這些載波用不同的頻率發(fā)射，以避免相互之間的干擾。終端站可以使用FDMA或TDMA技術(shù)通過空中接口發(fā)送信息到中心站。當終端站使用FDMA方式的上行鏈路時，發(fā)射端的調(diào)制解調(diào)器工作在一個連續(xù)的載波模式下，每個遠端設(shè)備與該扇區(qū)設(shè)備的特定調(diào)制解調(diào)器維持一個連續(xù)的鏈路。當終端站使用TDMA方式的上行鏈路時，終端站發(fā)射端的調(diào)制解調(diào)器工作在一個突發(fā)的載波模式下，網(wǎng)絡(luò)通過保持精確定時來獲得最佳的性能，減少丟失突發(fā)幀的概率。每個從終端站來的突發(fā)幀包括前同步、獨立字、FEC編碼及2個或4個ATM信號的凈負荷。

中心站從網(wǎng)絡(luò)接口接收ATM信元，其中帶內(nèi)網(wǎng)管信息發(fā)送到中心站的處理器中，業(yè)務(wù)承載信息被傳送到調(diào)制解調(diào)器接口處。業(yè)務(wù)承載單元在調(diào)制解調(diào)器中采用QPSK、16QAM或64QAM的調(diào)制方式，通過扇區(qū)的室外單元廣播給所轄區(qū)域的終端站。每個遠端終端調(diào)諧接收中心站的一個載波，由解調(diào)器恢復(fù)數(shù)據(jù)和時鐘，生成ATM信元流。遠端終端只處理在本端信元路由表中列出的ATM信元，而所有剩余的信元在此端被忽略丟掉。

3、LMDS的主要技術(shù)要點

3.1　工作頻段

目前世界上不少國家都規(guī)劃了LMDS的應(yīng)用頻段。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）將LMDS的頻譜分為兩段：27.5～28.35GHz、29.1～29.25 GHz和31.075～31.225GHz為A段，共1150MHz；31.225～31.375GHz為B段，共150MHz。其他國家如加拿大、澳大利亞、新西蘭、俄羅斯、新加坡等數(shù)10個國家也都相繼分配了LMDS頻譜�？傮w來看，這些國家的頻譜分配一般集中在24GHz、26GHz、28GHz、31GHz和38GHz等幾個頻段，其中27.5～29.5GHz最為集中，差不多80%的國家都將本國的頻譜分配在這一頻段之內(nèi)。我國無線電頻率主管部門——信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局目前已經(jīng)進行了LMDS的頻率規(guī)劃工作。

3.2　多址方式

LMDS下行主要采用TDM（時分復(fù)用）的方式將信號向相應(yīng)扇區(qū)廣播，每個用戶終端在特定的頻段內(nèi)接收屬于自己的信號。目前絕大多數(shù)設(shè)備都采用ATM信元流的形式來進行下行業(yè)務(wù)的分配工作。而基站設(shè)備主要以TDMA和FMDA中的一種接收來自本扇區(qū)內(nèi)多個遠端用戶的信號。如果采用TDMA方式，則若干遠端站可以在相同頻段的不同時隙向基站發(fā)射信號。這種方式對支持突發(fā)型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，比如Internet接入應(yīng)用比較有優(yōu)勢。如果采用FDMA方式，則相同扇區(qū)中不同遠端在不同頻段上向基站發(fā)射信號，彼此互不干擾。由于這種方式遠端需長期占用頻率資源，因而對于租用線業(yè)務(wù)比較有利。

3.3　調(diào)制方式

目前較普遍的調(diào)制方式為QPSK（四相相移鍵控），也可用16QAM（正交振幅調(diào)制），甚至64QAM。采用16QAM或者64QAM等高階調(diào)制方式可以有效的擴大系統(tǒng)的容量。簡單地說，采用16QAM，相同頻段可以支持的容量是QPSK的2.3倍，如果采用64QAM，則為3.5倍，但是調(diào)制技術(shù)越復(fù)雜，則在相同條件下覆蓋的范圍越小。根據(jù)用戶離基站距離的遠近，混合選擇多種調(diào)制方式可以明顯擴大容量，當然采用細化扇區(qū)的辦法同樣也能達到相同的效果，但顯然要增加額外的設(shè)備費用。

3.4　拓撲結(jié)構(gòu)

LDMS系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)與局域網(wǎng)類似，可以有星型和環(huán)型兩種主要結(jié)構(gòu)形式，目前星型結(jié)構(gòu)居于主流地位。星型結(jié)構(gòu)是指基站采用全向或扇區(qū)天線與采用定向天線的遠端用戶終端直接進行微波通信，如圖2所示，環(huán)型結(jié)構(gòu)是指相鄰服務(wù)節(jié)點之間采用定向天線彼此進行微波通信，中央節(jié)點處于網(wǎng)絡(luò)樞紐位置，負責微波環(huán)路上業(yè)務(wù)量的匯聚和轉(zhuǎn)接（如圖3所示）。環(huán)型LMDS可以方便地實現(xiàn)鏈路自愈（Self-Healing）功能，同時由于采用點對點相連方式，如果環(huán)路組織合適，有可能部分解決星型LMDS中的覆蓋盲區(qū)問題。比較而言，星型拓撲結(jié)構(gòu)比較適合于用戶分布較確定和較集中的環(huán)境，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)更適合于用戶比較稀少、地理環(huán)境比較復(fù)雜的環(huán)境。

圖2　星型LMDS系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖3　環(huán)型LMDS系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

4、LMDS系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)

LMDS系統(tǒng)可提供多種業(yè)務(wù)，可同時向用戶提供語音、數(shù)據(jù)及視頻綜合業(yè)務(wù)，還可以提供承載業(yè)務(wù)，如與蜂窩移動通信系統(tǒng)或PCS/PCN基站之間的傳輸?shù)取＞唧w業(yè)務(wù)如下。

4.1　語音業(yè)務(wù)

LMDS系統(tǒng)是一種高容量的點對多點微波傳輸系統(tǒng)，可提供高質(zhì)量的語音服務(wù)；和傳統(tǒng)的POTS業(yè)務(wù)相連，可實現(xiàn)PSTN主干網(wǎng)無線接入。

4.2　數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

LMDS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括低、中、高速3檔：低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率1.2～9.6kbit/s，能處理開放協(xié)議的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)允許從本地接入點接到增值業(yè)務(wù)網(wǎng)；中速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率9.6kbit/s～2Mbit/s，這樣的數(shù)據(jù)接口通常是增值網(wǎng)絡(luò)本地接點；高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率2～155Mbit/s，BER低于10-9，提供這樣的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)必須有以太網(wǎng)和光纖分布數(shù)據(jù)接口。

4.3　視頻綜合業(yè)務(wù)

LMDS能夠提供模擬和數(shù)字視頻業(yè)務(wù)，如遠程醫(yī)療、高速會議電視、遠程教育、遠程商務(wù)及用戶電視、VOD等。

5、LMDS技術(shù)的應(yīng)用

LMDS系統(tǒng)可提供多種業(yè)務(wù)，從分類角度歸納起來，LMDS技術(shù)主要有如下一些應(yīng)用。

（1）租用線業(yè)務(wù)（Leased Lined Services）：租用線業(yè)務(wù)提供用戶終端至網(wǎng)絡(luò)的E1或部分E1（N×64kbit/s）、幀中繼（FR）連接等。主要應(yīng)用于PABX（用戶自動交換機）連接，基于專線的廣域網(wǎng)連接應(yīng)用等。

（2）突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（Bursty Data Services）：這類業(yè)務(wù)包括Internet、Intranet以及局域網(wǎng)互聯(lián)等，主要面向企業(yè)、SOHO以及居民用戶等。

（3）交換話音業(yè)務(wù)（Switched Telephony Services）：這類業(yè)務(wù)主要為傳統(tǒng)的話音和ISDN通信提供接入，網(wǎng)絡(luò)接口可以是V5.2或其它符合標準的接口。

（4）數(shù)字視頻業(yè)務(wù)（Digital Video Services）：這類業(yè)務(wù)的應(yīng)用包括VOD、數(shù)字標準清晰或高清晰度廣播等。從網(wǎng)絡(luò)角度來說，考慮到業(yè)務(wù)的不對稱性，采用有QoS保障的突發(fā)數(shù)據(jù)方式來支持這類業(yè)務(wù)比較理想。當然，也可采用租用線的方式來支持這類業(yè)務(wù)。具體如何實現(xiàn)，還要由綜合業(yè)務(wù)需求和技術(shù)可實現(xiàn)性決定。

上述只是從分類角度介紹了LDMS技術(shù)的具體應(yīng)用，實際上一個具體用戶所需求的業(yè)務(wù)可能是上述一類或幾類業(yè)務(wù)的綜合。

6、結(jié)束語

總體來看，LMDS寬帶無線接入技術(shù)代表了寬帶接入技術(shù)的一種新的不可忽視的發(fā)展趨勢，不僅敷設(shè)開通快，維護簡單，用戶較密時成本低，而且改變了本地電信業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)觀念，最適合于新的電信競爭者與傳統(tǒng)電信公司和有線電視網(wǎng)絡(luò)公司展開有效的競爭，也可以作為電信公司和有線電視網(wǎng)絡(luò)公司有線接入的重要補充。LMDS系統(tǒng)對于寬帶業(yè)務(wù)的經(jīng)營者和用戶雙方都是一種多用途的具有良好成本效益的選擇方案，由于它能迅速而廉價地建立起來，因此對經(jīng)營者和用戶來說，特別有吸引力。也正是由于LMDS可提供多種業(yè)務(wù)，支持多種協(xié)議，支持MPEG-2等標準等多種優(yōu)勢，所以，LMDS必將在中國及國外都將有廣闊的應(yīng)用前景。