LMDS寬帶無線接入技術及其應用

摘要　LMDS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。本文介紹了LMDS技術的主要技術特點；討論了LMDS系統(tǒng)的組成、LMDS系統(tǒng)的主要技術要點；分析了LMDS系統(tǒng)提供的業(yè)務及LMDS技術的廣泛應用。

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)務系統(tǒng)。第一代LMDS設備為模擬系統(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)絡側接口和網(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，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。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成，其主要技術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，并可支持所有的語音和數(shù)據(jù)傳輸標準。

第二，蜂窩式的結構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）管理一定范圍內的用戶群，每個發(fā)射機經(jīng)點對多點無線鏈路與服務區(qū)內的固定用戶通信。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)務或服務�；�站服務區(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。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。LMDS系統(tǒng)可提供高質量的語音服務，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。低速數(shù)據(jù)業(yè)務的速率為1.2～9.6kbit/s。能處理升級協(xié)議的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡允許本地接入點接到增值業(yè)務網(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（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)絡層的相關協(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。

第四，LMDS能提供模擬和數(shù)字視頻業(yè)務，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與傳統(tǒng)的點到點微波技術不同，它能夠以蜂窩網(wǎng)絡的形式向特定區(qū)域提供業(yè)務。LMDS系統(tǒng)可以看作是用戶與骨干網(wǎng)之間的連接網(wǎng)絡，采用LMDS的小區(qū)結構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)務管理方面相關的室內單元。一個典型的LMDS應用運營系統(tǒng)通常由4個部分組成：基礎骨干網(wǎng)絡、中心站、終端站以及網(wǎng)絡運營中心。骨干網(wǎng)絡是指網(wǎng)絡的核心層，它不僅提供了一個多業(yè)務的網(wǎng)絡平臺，同時也是各個中心站之間相互連接的物理通道。核心網(wǎng)絡平臺可以由ATM、IP、ATM+IP、SONET、（同步光網(wǎng)絡）/SDH/WDH（波分復用）等技術構成，負責與現(xiàn)有各網(wǎng)絡間的互聯(lián)互通，如PSTN、FR、CATV網(wǎng)等，從而使LMDS網(wǎng)絡能夠提供幾乎所有現(xiàn)存網(wǎng)可能提供的業(yè)務。

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　中心站設備

中心站設備通過多扇區(qū)覆蓋的方式向所轄地區(qū)提供業(yè)務服務。中心站設備在邏輯上分為中心控制站和中心射頻站兩部分。中心控制站包括調制解調設備、MAC卡及網(wǎng)絡-網(wǎng)絡接口板等。其中MAC卡主要用來發(fā)送接收終端站的相關業(yè)務請求。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。

中心站設備主要提供LMDS系統(tǒng)至核心網(wǎng)絡的接口，完成信號在核心網(wǎng)絡與無線傳輸之間的轉換，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，完成所需的話音交換、ATM交換和IP交換等處理。

2.1.2　終端站設備

終端站設備放在最靠近用戶一側，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)務接口，通常有E1、POTS，10/100Base-T、FR、ATM、ISDN、N×64kbit/s等，可支持多種應用。

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

終端站設備通過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，提供設備管理人員進行本地調測、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)絡工程師可以方便地在遠端通過指令對處在用戶側的設備進行操作維護。

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)絡管理協(xié)議（SNMP）。網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（NMS）又稱網(wǎng)絡運營系統(tǒng)（NDS），主要負責管理多個區(qū)域內的用戶網(wǎng)絡，負責完成系統(tǒng)分配、性能分析，安全管理等功能，多個網(wǎng)絡運營系統(tǒng)可通過通信網(wǎng)絡進行互聯(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)射端的調制解調器工作在一個連續(xù)的載波模式下，每個遠端設備與該扇區(qū)設備的特定調制解調器維持一個連續(xù)的鏈路。當終端站使用TDMA方式的上行鏈路時，終端站發(fā)射端的調制解調器工作在一個突發(fā)的載波模式下，網(wǎng)絡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)絡接口接收ATM信元，其中帶內網(wǎng)管信息發(fā)送到中心站的處理器中，業(yè)務承載信息被傳送到調制解調器接口處。業(yè)務承載單元在調制解調器中采用QPSK、16QAM或64QAM的調制方式，通過扇區(qū)的室外單元廣播給所轄區(qū)域的終端站。每個遠端終端調諧接收中心站的一個載波，由解調器恢復數(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。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（時分復用）的方式將信號向相應扇區(qū)廣播，每個用戶終端在特定的頻段內接收屬于自己的信號。目前絕大多數(shù)設備都采用ATM信元流的形式來進行下行業(yè)務的分配工作。而基站設備主要以TDMA和FMDA中的一種接收來自本扇區(qū)內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，比如Internet接入應用比較有優(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)務比較有利。

3.3　調制方式

目前較普遍的調制方式為QPSK（四相相移鍵控），也可用16QAM（正交振幅調制），甚至64QAM。采用16QAM或者64QAM等高階調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，但是調制技術越復雜，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備費用。

3.4　拓撲結構

LDMS系統(tǒng)的拓撲結構與局域網(wǎng)類似，可以有星型和環(huán)型兩種主要結構形式，目前星型結構居于主流地位。星型結構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)型結構是指相鄰服務節(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)絡樞紐位置，負責微波環(huán)路上業(yè)務量的匯聚和轉接（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，星型拓撲結構比較適合于用戶分布較確定和較集中的環(huán)境，環(huán)型拓撲結構更適合于用戶比較稀少、地理環(huán)境比較復雜的環(huán)境。

圖2　星型LMDS系統(tǒng)拓撲結構

圖3　環(huán)型LMDS系統(tǒng)拓撲結構

4、LMDS系統(tǒng)提供的業(yè)務

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

4.1　語音業(yè)務

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

4.2　數(shù)據(jù)業(yè)務

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

4.3　視頻綜合業(yè)務

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

5、LMDS技術的應用

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

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

（2）突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務（Bursty Data Services）：這類業(yè)務包括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（Switched Telephony Services）：這類業(yè)務主要為傳統(tǒng)的話音和ISDN通信提供接入，網(wǎng)絡接口可以是V5.2或其它符合標準的接口。

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

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

6、結束語

總體來看，LMDS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，不僅敷設開通快，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)絡公司有線接入的重要補充。LMDS系統(tǒng)對于寬帶業(yè)務的經(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，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用前景。