5GHz頻段的優(yōu)勢及其寬帶接入方案

吳崇善 中華通信公司 研究員

　　摘要：本文對無線寬帶接入的發(fā)展趨勢做了較為系統(tǒng)的概述，重點分析、描述了5GHz頻段的技術(shù)優(yōu)勢，并介紹了一個5GHz無線寬帶接入方案的技術(shù)指標和關(guān)鍵技術(shù)，最后展望了5GHz無線寬帶接入網(wǎng)的應用前景。



　　無線接入的發(fā)展趨勢



　　將與有線接入方式競爭接入市場：在有線難以達到的地方，可作為有線的延伸和補充，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)預計可達到1∶10，而在5年后可能達到1∶3，即無線接入正在進入快速發(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，相應的就是需要占據(jù)更高的頻段。典型的例子就是幾百MHz頻段。頻道帶寬只有幾kHz到幾十kHz，信息速率也在幾十kbps以下；而在幾GHz頻段，頻帶帶寬可達幾MHz到十幾MHz，信息速率也可達幾Mbps到幾十Mbps，若使用幾十GHz的毫米波段，頻道帶寬高達一百多MHz到二百多MHz，信息速率則高達155Mbps基至幾百Mbps。無線電頻譜是非常寶貴的稀缺資源，提高頻譜利用率就是節(jié)約資源。



　　提供IP中（Internet協(xié)議）傳輸業(yè)務：IP業(yè)務對無線接入網(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）和應用層，TCP為、發(fā)兩端提供雙工傳輸協(xié)議，IP為不同的計算機網(wǎng)絡提供互連協(xié)議。無線接入網(wǎng)應在傳輸和接口方面適應IP業(yè)務的需要。



　　適應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；風險投資小，啟動開銷低，適應初始用戶少的環(huán)境：易于擴容，擴大覆蓋區(qū)，適應用戶快速增加的需求；簡單、可靠，傻瓜化，減低維護開銷；裝、拆、搬托簡便快捷，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，以適應與不同網(wǎng)絡的連接；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，智能化可使系統(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。



　　5GHz是寬帶無線掛入技術(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頻通信等�？赡馨l(fā)展的頻段有：5Hz頻段的寬帶無線接入10GHz、21GHz、24GHz、26GHz、28GHz、31GHz、38GHz頻段的LMDS（本地多點分配業(yè)務）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)標準《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175、3.5、7和14MHz四種：采用頻分雙工；當復用／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3.5GHz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QPSK13.3Mbps、16QAM 26.7Mbps、64QAM 40Mbps，下行每頻道的傳輸容量為QPSK66.5Mbps、16QAM 133.5Mbps、64QAM200.0Mbps；調(diào)制方式越復雜，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確，甚至樹葉的衰耗也不可忽視，加之技術(shù)難度大、設備成本高、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、建設規(guī)模、投資成本、運營利潤之間進行選擇并折衷，在當今的技術(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設施）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，適用于中等距離通信。通常人們選用5.725～5.825GHz來進行社區(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，人們普遍認為5GHz在接入領(lǐng)域會制造出巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。



　　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，為推進固定無線接入業(yè)務的競爭和發(fā)展，建議在完善基礎研究工作的同時，盡快開展5.725～5.825GHz寬帶無線接入系統(tǒng)的技術(shù)試驗。可以肯定，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。



　　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)絡結(jié)構(gòu)和技術(shù)體制。但聰明的研制者會運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，在更高的層次上進行融合、兼顧和折衷，而不是一昧地追求高、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。



系統(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)，每個扇區(qū)覆蓋60°；也可組成點對多點結(jié)構(gòu)，相當于單獨一個扇區(qū)工作。



　　系統(tǒng)構(gòu)成：基站，每個基站可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交換機和一臺控制服務器；用戶單元，即遠端站，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有許多用戶終端；網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，由網(wǎng)元管理服務器、網(wǎng)絡管理終端和網(wǎng)絡管理軟件組成，網(wǎng)絡協(xié)議采用SNMP（簡單網(wǎng)絡管理協(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 BaseT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；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)自適應按需分組，從而提高信道利用率；空間傳輸是以ATM信元為單元，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，維護容易。



　　主要技術(shù)指標



　　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保護時間和時延補償?shù)南拗疲�典型設置為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Eth-crnet 10 Baset1空中接口為自適應按需分組的ATM信元；用戶單元為ATM25或Ethernet 10 BastoT：環(huán)境條件：接入點設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℃）允許最大風力50m／e。



　　關(guān)鍵技術(shù)



　　（1）專利技術(shù)——自適應按需分組



　　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)務量不同，一個用戶單元不同時刻的業(yè)務流量也不同，各個用戶單元的優(yōu)先級不同，各個業(yè)務的優(yōu)先級也不同，自適應按需分組技術(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?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、不間時間的信元數(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)務和實時性強的業(yè)務的傳輸需要，還預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)地調(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上，動態(tài)地分配相應長度的時間段，實現(xiàn)時分雙工工作，這種方式既適合于上、下行業(yè)務不對稱的環(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。無線ATM是將ATM寬帶業(yè)務延伸到無線接入網(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的基本原理是在固定無線網(wǎng)中采用基于ATM的寬帶網(wǎng)絡，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。



　　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，誤碼率高且呈突發(fā)型分布，從而使傳輸速率受到限制，進而降低頻利用率。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：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)絡終端的目標地址：RFC1483Bridging（ATM適配層5上的復用協(xié)議），為兩個LAN（局域網(wǎng)）通過AIM網(wǎng)進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)絡上建立IP的點對多點傳輸，ATM是面向連接的網(wǎng)絡協(xié)議，IP是無連接的網(wǎng)絡協(xié)議，要在ATM網(wǎng)絡傳輸IP報文幀，就需要CLJP進行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)絡中兩個設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）保證，可有效提高傳輸效率。



　　為了提高無線信道的效率，當ATM信元流進入無線信道時、需進行ATM／TDMA的轉(zhuǎn)換，以便去掉ATM信元流中的空閑信元，到接收端再恢復出ATM信元流而接收端現(xiàn)場恢復出ATM信元流，而為了恢復正確需在發(fā)端對每個ATM信元增設一個信元時間代號。



　　用戶信元優(yōu)先級的判斷和控制，ATM業(yè)務分為CBR（恒定比特率業(yè)務）、rt-VBR（實時變化特率業(yè)務）、nrt-VBR（非實時變化特率業(yè)務）、UBR（未指定比特率）和ABR（可用比特率）5種。CBR業(yè)務如PCM電話，優(yōu)先級最高，即優(yōu)先級1；rt-BR業(yè)務如實時圖像，優(yōu)先級居其次，即優(yōu)先級2；nrt-VBR業(yè)務，優(yōu)先級3；UBR和ABR業(yè)務，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



　　當網(wǎng)絡拓撲點對多點的扇區(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)、實時地進行配置管理。



　　當網(wǎng)絡拓撲為點對點通信時，既可以用一個接入點對一個用戶單元，也可以用一對元用戶單元來實現(xiàn)。當采用后者時，其中一個用戶單元要加載接入點軟件，變成接入從設備，由接入主設備控制MAC（媒體訪問控制協(xié)議）成幀，給用戶單元分配預留時隙，以實現(xiàn)點對點的空中接力。若接力主設備采用以太網(wǎng)方式終接，則空中接力速率可達成10Mbps，若接力主設備以ATM方式終接，則空中接力速率可達25Mbps。
　


　　應用前景



　　鑒于5GHz寬帶無線接入網(wǎng)的諸多特點、優(yōu)勢和環(huán)境適應性，許多制造商、運營商和寬帶用戶都十分關(guān)注其開放政策和應用前景。
　


　　中國聯(lián)通公司正在各省建設本地傳輸接入網(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)通公司正在建設全國的寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)，除了光纜之外，也要求大量建設寬帶無線接入網(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急寬帶能力；近年來，各大城市許多IDC（Internet數(shù)據(jù)中心）運營商也積極籌劃建設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、圖像等業(yè)務的寬帶傳輸通道，融合用戶計費、用戶認證、流量控制等管理功能、解決“最后公里”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。對上述應用，SGHz寬帶無線接入系統(tǒng)將是一個有力的競爭者。



　　當今是一個技術(shù)領(lǐng)先于市場的時代。當一項新的技術(shù)出現(xiàn)時，用戶往往不是無需求，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“廬山真面目”。對于5GHz寬帶無線接入網(wǎng)的推廣應用宜采用技術(shù)牽引、創(chuàng)造需求、引導消費、培植市場的策略�？梢韵嘈�，5GHz寬帶無線接入系統(tǒng)一定會有十分廣闊的發(fā)展前景。



摘自《郵電商情》