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用。近年來，許多機構(gòu)開始致力于將ATM
技術(shù)拓展到無線網(wǎng)絡，從而將ATM特性應用于無線電媒體中。
    基于信元的寬帶技術(shù)的應用以及它與當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，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，對其標準技
術(shù)以及美國、歐洲和日本的寬帶無線項目發(fā)展情況進行了分析。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)務質(zhì)量。
    在討論無線接人時，應與骨干網(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（傳統(tǒng)LAN和發(fā)展中的ATM網(wǎng)絡）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
別簡寫成 WATM和 WLAN。
    二、技術(shù)標準
    WWLA已有三個技術(shù)標準體制：IEEB標準(802.11）、ETSI的HIPERLAN標準和ATM論壇
標準。
    WLAN的IEEE標準，即IEEE802.4L，最初于1988年提出，是有線LAN標準IEEE802.4的
一部分。1990年,IEEE802.4L改名為IEEE802.11，形成了IEEE802 LAN標準結(jié)構(gòu)中一個獨
立的WLAN標準，并于當年完成其技術(shù)規(guī)范。802.11標準在2.4GHz ISM頻帶使用擴頻技術(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標準的MAC層是無法提供的。
IEEE802.11標準是以市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品為基礎發(fā)展起來的，因此兼顧了技術(shù)和市場因素。
    HIPERLAN標準是由歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）的第10研究組開發(fā)的，作為高速無
線LAN的泛歐標準，HIPERLANI是其第一項技術(shù)標準，干1992年提出，并于當年完成。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為每個數(shù)據(jù)包定義了優(yōu)
先級處理，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以及其它替代標準目前都正在研究中、隨著標準的發(fā)展，
HIPERLANl得以升級。但目前還沒有一個制造商將它作為產(chǎn)品改良的標準。歐洲聯(lián)合會為
HIPERLAN安排頻帶是美聯(lián)邦電信委員會（FCC）開放U－NII（未開放國家信息基礎結(jié)構(gòu)）
頻帶的一個開端。
    ATM是一種面向連接的傳輸方案，對每一個具有一定QoS保障的虛通路，它根據(jù)與網(wǎng)
絡的最初協(xié)議工作。在移動環(huán)境中，虛通路和QoS的管理是復雜的，因為在一次通信過程
中，終端移動時，其路由是在不斷變化的。就無線接入規(guī)則而言，WATM協(xié)會聲稱在WATM
中采用短分組（53字節(jié)）、高數(shù)據(jù)速率（可達20Mbps）和短分組頭（5字節(jié)）非常適合本
地無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。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
    當今WLAN的全球市場主要在美國，由于制造商們都將注意力集中在WWLA的市場，一
個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人通信業(yè)務（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備（即U－NII）使用。
FCC的這一決定使無線LAN能夠應用大量的可用頻譜，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頻帶還沒有什么設備問世，但在這一頻帶開發(fā)標準和產(chǎn)品的活動已經(jīng)
開始。貝爾實驗室正在進行中的移動信息基礎結(jié)構(gòu)（MII）就是關(guān)于這個頻帶內(nèi)WATM應用
的研究項目。
    在歐洲，隨著ACTS計劃的推進，許多研究項目都致力于驗證寬帶本地應用的各種技
術(shù)。其目的是將這些技術(shù)綜合應用于正在發(fā)展的第三代蜂窩系統(tǒng)中。ETSI宣布了一個新
的標準項目，寬帶無線接入網(wǎng)絡(BRAN），它將接替當前的HIPERLAN項目。BRAN項目著力
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
準組（IETF）和ITU無線通信標準部（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計劃包含若干個寬帶無線項目，在無線用戶基地網(wǎng)絡／移動
寬帶系統(tǒng)方面有四個主要的寬帶項目。（l）MEDIAN項目主要目標是評估并實現(xiàn)工作于60
GHz、提供155Mbps數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線LAN，樣本方案包括一個在155Mbpo的基站以及分別在3
4Mbps和155Mbps的兩個便攜式終端。（2）MagicWAND項目致力于實現(xiàn)5GHz的WATM傳輸。
（3）高級移動寬帶應用系統(tǒng)（SAMBA）開發(fā)了工作于40GHz具有兩個基站和兩個移動臺的
MBS試驗網(wǎng)。（4）高級無線ATM通信系統(tǒng)（AWACS）是歐洲和日本（ACTS和NTT）間的合作
項目，這一項目是基于已通過NTT試驗的工作于19GHz的ATM無線LAN，其目標在于通過這
個試驗開發(fā)并實現(xiàn)B－ISDN業(yè)務的無線接入，終端具有低移動性、工作于19GHz、數(shù)據(jù)速
率高達34Mbps。因為日本低頻帶缺乏，這一項目致力于研究超高頻帶。以上所有這些項
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)絡的許多項目都與多媒體移動接入通信（MMAC）
委員會有關(guān)。該委員會為可與光纖網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫連接的移動通信基礎結(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)設計以及基本射頻技
術(shù)和標準的設備開發(fā)可望于2000年完成，2002年有望實現(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，擴大服務范圍及提高QoS。ACTS計劃的SAMBA項目已著手進行這方面的研究。
    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)務信息。
    2  空分多址（SDMA）應用
    為進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站。當然，相應的多址協(xié)
議也必須適應SDMA。目前，ACTS計劃中的TRUNAMI正在進行這項研究。
    3  自適應調(diào)制技術(shù)和正交頻分多址(OFDM）技術(shù)
    根據(jù)無線信道的實際情況，可選擇使用40QAM或160QAM或640QAM的自適應調(diào)制技術(shù)，
這種自適應可編程調(diào)制的快速算法目前正在研究之中。另外，OFDM技術(shù)也在研究應用中，
它的優(yōu)點是抗多徑傳播能力較強、頻譜利用率較高，缺點是設備復雜、信號處理時間較
長、發(fā)射功率較大對非線性極其敏感（需要線性大功率微波放大器）等。如何克服這些
缺點，使OFDM滿足高速移動通信的要求是當前正在研究的一個熱點。
    4  防止信元丟失
    ATM是以信元為基礎進行傳輸?shù)�，ATM無線傳輸首先是降低信元丟失率問題。在移動
通信方面，要考慮一些防止ATM信元在網(wǎng)絡切換期間丟失的方案。為支持網(wǎng)絡范圍的越區(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的外碼技術(shù)。
    5  時延問題
    衛(wèi)星傳輸時延，特別是同步軌道衛(wèi)星傳輸時延的影響是較大的問題，單跳時延為250
ms左右，雙跳則為500ms左右。解決時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，提供處理接口等適當容量的緩沖存儲器，
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)絡協(xié)議
    寬帶無線接入將基于ATM的B－ISDN固定服務直接延伸至無線用戶，這就要求其無線
鏈路對網(wǎng)絡透明，所以在無線接口協(xié)議中不應包括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，因而需要增加一個可以自適應于無線接口特征的糾
錯方案，并采用動態(tài)資源管理，以有效利用頻譜資源，提高QoS。