寬帶無線接入領域的新興技術

1 引言

　　隨著電信業(yè)的開放，運營商之間的競爭也日益加劇，接入領域中傳統(tǒng)話音業(yè)務市場已經(jīng)趨于飽和，寬帶接入市場成為了新的增長點。接入網(wǎng)的特殊之處在于它的技術種類繁多，而且和媒質(zhì)有著直接的關系，運營商必須擁有能讓用戶觸手可及的接入網(wǎng)絡，才能為用戶提供服務，達到贏利的目的。對于光纖、銅纜等有線的接入媒質(zhì)而言，運營商的競爭就像是圈地運動，當一個運營商擁有了一個地域的有線接入網(wǎng)絡，其他的運營商就無法再涉足，想要開拓市場，就要用無線接入網(wǎng)絡作為手段。無線網(wǎng)絡作為接入手段還具備啟動資金小、提供服務快、運營維護成本低、系統(tǒng)容量大等優(yōu)勢，因此引起了業(yè)界越來越廣泛的關注。寬帶無線接入技術領域的空前繁榮，市場的旺盛需求，為寬帶無線接入網(wǎng)創(chuàng)造了良好時機。

　　本文將介紹三種新興熱門的寬帶無線接入技術，即無線城域網(wǎng)（802.16&WiMAX）、移動寬帶接入系統(tǒng)（Mobile Broadband Wireless Access，MBWA）以及超寬帶無線接入技術（Ultra Wideband，UWB）。

2 802.16&WiMAX

　　IEEE802.16標準又稱為IEEE Wireless MAN空中接口標準，主要應用于無線城域網(wǎng)范圍。目前，已經(jīng)發(fā)布的和正在做的標準主要有802.16，802.16a，802.16c，802.16d，802.16e，802.16f和802.16g共七個標準。其中，802.16，16a，16d屬于固定無線接入空中接口標準，而802.16e屬于移動寬帶無線接入空中標準。802.16d（即802.16-2004）是固定無線接入的一個修訂版本，是相對比較成熟并且最具有實用性的一個標準版本，對應10～66GHz和小于11GHz的頻率范圍，可以進行視距和非視距的傳輸。理論上，802.16d的覆蓋范圍最遠可達50km，通常的小區(qū)半徑在10km以內(nèi)，能在20MHz的信道上提供約75Mbit/s的速率。目前，國內(nèi)最常見的802.16d產(chǎn)品的信道帶寬為3.5M，能夠在最高調(diào)制方式下提供約10M的速率。802.16e是固定和移動寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口標準，頻率小于6GHz，覆蓋范圍為幾公里，能在5M信道上提供15Mbit/s的速率。802.16e是在802.16d的基礎上做的標準，是對16d的增強和補充。802.16f定義了802.16固定無線接入系統(tǒng)MAC層和物理層的管理信息庫（MIB）以及相關的管理流程。802.16g規(guī)定了802.16管理流程和接口，從而能夠?qū)崿F(xiàn)802.16設備的互操作性和對網(wǎng)絡資源、移動性和頻譜的有效管理。

　　802.16d和16e只是定義了空中接口里面物理層、MAC層、匯聚層，并沒有涉及到上層網(wǎng)絡和應用。為了推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，WIMAX目前正在開展網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)標準和業(yè)務應用需求等方面的工作。除了MAC層物理層以外其他有關802.16的標準，主要是WIMAX來做。WIMAX組織的全稱是微波接入全球互操作性認證聯(lián)盟，其宗旨是致力于制定一套基于IEEE802.16標準和ETSI HiperMAN標準的測試規(guī)范和認證體系，使不同廠商之間的產(chǎn)品在經(jīng)過認證以后可以具有良好的互操作性，以積極推廣和驗證寬帶無線接入設備的兼容性與互操作性。從而可以在很大程度上推進基于802.16的產(chǎn)品的廣泛應用，并且為制造相應的芯片提供有利環(huán)境，大大降低產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)成本。

　　IEEE802.16是技術標準的制定者，WIMAX是技術和產(chǎn)業(yè)鏈的推動者，它們的關系與WiFi和802.11的關系相類似，二者的工作范圍和組織形式不同，但有著非常緊密的聯(lián)系與合作，WiMAX為IEEE一致性標準做出了重要的貢獻，并隨著802.16標準化的發(fā)展，WIMAX也在逐步地推進一致性測試工作。

　　802.16可以支持10~66GHz的視距傳播頻段，以及11GHz以下的非視距傳播頻段。根據(jù)不同頻段的傳播特性，其應用也有所不同。對于10~66GHz的視距傳播頻段，由于終端需要有室外天線，其應用主要是為中小企業(yè)提供Backhaul的無線傳輸。對于11GHz以下的非視距傳播頻段，由于能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)覆蓋，其應用將主要集中在為個人用戶提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務。除此之外，802.16還可以實現(xiàn)企業(yè)WiFi熱點區(qū)域的后端傳輸功能，以及LAN局域網(wǎng)互聯(lián)、數(shù)據(jù)專線、窄帶業(yè)務和基站互聯(lián)等。

　　相比其它移動通信系統(tǒng)，802.16系統(tǒng)具有較高的頻譜利用率和傳輸速率，因而它適合提供寬帶上網(wǎng)和移動視頻業(yè)務。與其它有線接入手段（如xDSL，Cable，光纖接入等）相比，802.16寬帶無線接入具有部署速度更快，擴展能力更強，靈活性更高的優(yōu)點。對于人口密度較低及不便于鋪設xDSL的地區(qū)，可以用802.16提供“無線DSL”服務，面向家庭和小企業(yè)范圍應用。在中等規(guī)模企業(yè)樓宇內(nèi)，802.16可以支持高速率連接，代替光纖接入。對于新興的運營商，由于缺乏本地的有線接入資源，也可以選擇802.16提供無線寬帶接入，開展業(yè)務，開拓市場。

　　3G和802.16e同為提供移動寬帶接入的技術，兩者相比起來，802.16e技術主要面向?qū)拵��?shù)據(jù)用戶，并至少可以支持120km/h的移動速度，略低于3G的移動速度。3G系統(tǒng)提供的業(yè)務主要是話音類的服務和高速數(shù)據(jù)服務，強調(diào)在地域上提供一種“無處不在”的通信服務。3G系統(tǒng)采用2GHz頻段，支持的移動性高于802.16e�？偟膩碚f，在無線傳輸技術方面，802.16e犧牲了移動性換取了數(shù)據(jù)傳輸能力的提高，它的數(shù)據(jù)帶寬優(yōu)于3G系統(tǒng)。組網(wǎng)方面，802.16e同3G系統(tǒng)相比還不夠成熟，相關的標準還需要進一步完善，以便將來能更好地支持移動業(yè)務。

　　在業(yè)務方面，802.16e主要是針對具有一定移動性的寬帶上網(wǎng)業(yè)務，并定義了完善的QoS體制。802.16e標準中根據(jù)話音、視頻、數(shù)據(jù)等不同的業(yè)務特點定義了4種業(yè)務類型，分別對應不同的QoS級別，進行差異化的資源分配，為不同的業(yè)務提供不同程度的保證。3G系統(tǒng)中，在核心網(wǎng)絡話音和分組數(shù)據(jù)是分開的，對于話音采用基于電路交換的方式，并具有高QoS保障。對于分組數(shù)據(jù)業(yè)務，WCDMA業(yè)定義了比較完善的QoS機制，而在cdma2000中沒有針對業(yè)務分類的QoS。

3 移動寬帶無線接入技術（802.20）

　　由MBWA工作組著手進行研究和制定的標準是802.20。802.20標準結(jié)合現(xiàn)有移動數(shù)據(jù)通信技術，正努力發(fā)展成為一種基于移動空中接口、實現(xiàn)IP包高效傳輸?shù)募夹g，從而為IP業(yè)務的傳輸探尋一種移動解決途徑。

　　IEEE 802.20是完全應用于移動寬帶無線接入的標準，該系統(tǒng)的主要范圍和主要技術特點是：空中接口的PHY/MAC層規(guī)范，適用于可互操作的移動寬帶無線接入系統(tǒng)，工作于3.5GHz以下的許可頻段，最優(yōu)化IP數(shù)據(jù)傳輸，每用戶峰值速率超過1Mbit/s，支持城域范圍內(nèi)高達250km/h的各種車載移動性，在頻譜效率、持續(xù)用戶數(shù)據(jù)速率和活動用戶數(shù)等方面比現(xiàn)有移動系統(tǒng)性能有顯著提高。其終極目標是讓這個標準在世界范圍內(nèi)廣泛使用，實現(xiàn)始終在線并且在不同的服務商的移動寬帶無線接入網(wǎng)絡中自由穿梭。

　　802.20標準將采用正交頻分復用（OFDM）技術，實現(xiàn)高速的移動數(shù)據(jù)服務。802.20標準是一個基于IP的系統(tǒng)，并將提供更高的QoS保障，以此實現(xiàn)頻譜效率和更小的延時，其數(shù)據(jù)連接和傳輸?shù)男Ч�可媲美有線連接的系統(tǒng)。802.20系統(tǒng)將針對數(shù)據(jù)傳輸進行優(yōu)化，提供移動性和全球性的覆蓋范圍，使用戶能夠根據(jù)需要在合適的時間、地點得到實用且價格低廉的服務。

　　802.20的有效覆蓋范圍高達15km，在城域范圍支持的傳輸速度可以達到WLAN網(wǎng)絡的水平，故與現(xiàn)在的移動通信網(wǎng)絡相比具有明顯的性價比優(yōu)勢，可以為用戶提供價格低廉的語音、視頻、數(shù)據(jù)的綜合業(yè)務服務。802.20最初的應用將是PDA和筆記本電腦、智能電話等便攜設備。802.20標準的優(yōu)勢在于對高速移動狀態(tài)下的通信連接表現(xiàn)出不錯的支持能力。例如，用戶坐在最高時速250km的行駛車輛中，仍然能夠維持順暢的通信連接。由此可見，在高速移動過程中，802.20標準提供的目標頻譜效率、數(shù)據(jù)傳輸速率的穩(wěn)定性等方面都高于當前已出現(xiàn)的移動通信系統(tǒng)，這將為高速鐵路、地鐵以及高速公路環(huán)境中的無線接入應用提供技術保障。

4 超寬帶無線接入技術

　　根據(jù)FCC的定義，UWB技術是指相對帶寬（帶寬與中心頻率之比）大于0.2或帶寬超過500MHz的系統(tǒng)。FCC分配了3.1～10.6GHz頻段作為UWB系統(tǒng)可使用的頻段，在該頻段內(nèi)，UWB設備的發(fā)射功率需低于-41.3dBm/MHz，以便與其他無線通信系統(tǒng)共存。

　　早期的UWB技術使用的是脈沖無線電技術，脈沖UWB技術的脈沖長度通常在亞納秒量級，信號帶寬經(jīng)常達數(shù)GHz，且具有很小的占空比，這使得脈沖UWB設備的平均發(fā)射功率很低，是現(xiàn)有的藍牙系統(tǒng)的1/100至1/1000。低發(fā)射功率帶來優(yōu)勢是UWB設備的發(fā)射功率能夠降到背景噪聲的水平，因此可以和其他無線系統(tǒng)共享頻段。而且極低的發(fā)射功率也使UWB設備具有很低能耗、低成本、保密性良好等優(yōu)點。另外，低占空比的脈沖UWB設備也有很好的抗多徑干擾性能。脈沖UWB系統(tǒng)的缺點是頻譜利用率較低，脈沖成形濾波過程中殘留的帶外頻率分量可能產(chǎn)生難以預估的干擾，并且實現(xiàn)脈沖UWB系統(tǒng)有一定的困難。

　　當今主流的UWB技術方案是將傳統(tǒng)的載波調(diào)制技術經(jīng)過改進，使其能夠利用很大的帶寬，從而實現(xiàn)很高的容量。非脈沖UWB方案主要有多頻帶OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA兩種，分別可以看作是OFDM技術和CDMA技術的超寬帶改進型。MB-OFDM仍然基于128點的OFDM傳輸，但每個子載波的頻寬由幾kHz增長到4MHz。而DS-CDMA采用了超過1Gcps的碼片速率，與傳統(tǒng)CDMA技術幾百kcps的碼片速率形成了很大區(qū)別。人們在這兩種技術上積累的理論知識和實踐經(jīng)驗大部分仍適用于UWB技術，只是在干擾問題、頻譜規(guī)劃、低能耗等具體的技術環(huán)節(jié)上應特別注意。

　　近幾年來，UWB技術的標準化主要在IEEE 802.15框架內(nèi)進行。IEEE 802.15是從事無線個人網(wǎng)（WPAN）的標準化組。WPAN系統(tǒng)主要用于個人設備之間的互聯(lián)，覆蓋范圍在10m以內(nèi)，且具有廉價、低能耗的特點。在802.15協(xié)議中，802.15.3a專門考慮采用UWB技術實現(xiàn)進一步提高WPAN的速率的目標。脈沖無線電UWB技術是802.15.4的備選方案之一，用于提供高精度測距和定位服務（精度1m以內(nèi)），以及實現(xiàn)更長的作用距離和超低耗電量。

　　WPAN中的UWB技術主要是應用于將越來越多的電子設備之間的聯(lián)線替換為無線連接，使家居或辦公室中各種設備之間的信息交換更加方便、靈活和快捷。UWB技術應用于數(shù)字化家庭，可以將消費者家居中的電器用一個無線網(wǎng)絡連接起來，使各種影音信息可以在這些電器之間傳遞和交換。UWB WPAN技術應用于數(shù)字化辦公室，可以將所有的電子辦公設備用無線網(wǎng)絡連接，能夠免除接線繁多的麻煩，使辦公環(huán)境更加方便靈活。UWB技術用于會議設備的互聯(lián)，能夠讓與會者的終端設備之間以及與投影儀之間都可以建立高速的無線連接，及時地交換、展示多媒體內(nèi)容。UWB技術應用于個人便攜設備上，使得個人終端可以從互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)上即時下載大量的數(shù)據(jù)，從而將大部分數(shù)據(jù)存放在網(wǎng)絡服務器的存儲空間中，而不是保存在個人終端中。這樣，功能強大的個人計算機也可能變得十分小巧，便于攜帶。隨著UWB技術的發(fā)展、完善，我們甚至可以將其用于個人終端不同部件之間的互聯(lián)。從而使用戶更容易接受、更容易使用。

5 結(jié)束語

　　總的來看，寬帶無線接入技術代表了寬帶接入技術的一種新的不可忽視的發(fā)展趨勢，從覆蓋半徑10m范圍的個人域網(wǎng)，到覆蓋半徑十幾公里的廣域網(wǎng)的發(fā)展都極為迅速，不僅改變了本地電信業(yè)務的傳統(tǒng)觀念，也在改變著我們的生活方式。寬帶無線接入的工作頻帶寬，啟動資金較小，提供服務速度快，頻率復用度高，系統(tǒng)容量大，在發(fā)展方面極具靈活性，能夠提供優(yōu)質(zhì)價廉的多種業(yè)務，且運營維護成本低，最適合于新的電信競爭者開展有效的競爭，也可以作為電信公司有線接入的重要補充。