寬帶無線接入領(lǐng)域的新興技術(shù)

1 引言

　　隨著電信業(yè)的開放，運(yùn)營商之間的競爭也日益加劇，接入領(lǐng)域中傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)市場已經(jīng)趨于飽和，寬帶接入市場成為了新的增長點(diǎn)。接入網(wǎng)的特殊之處在于它的技術(shù)種類繁多，而且和媒質(zhì)有著直接的關(guān)系，運(yùn)營商必須擁有能讓用戶觸手可及的接入網(wǎng)絡(luò)，才能為用戶提供服務(wù)，達(dá)到贏利的目的。對于光纖、銅纜等有線的接入媒質(zhì)而言，運(yùn)營商的競爭就像是圈地運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)運(yùn)營商擁有了一個(gè)地域的有線接入網(wǎng)絡(luò)，其他的運(yùn)營商就無法再涉足，想要開拓市場，就要用無線接入網(wǎng)絡(luò)作為手段。無線網(wǎng)絡(luò)作為接入手段還具備啟動(dòng)資金小、提供服務(wù)快、運(yùn)營維護(hù)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(guān)注。寬帶無線接入技術(shù)領(lǐng)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(shí)機(jī)。

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

2 802.16&WiMAX

　　IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)又稱為IEEE Wireless MAN空中接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)主要有802.16，802.16a，802.16c，802.16d，802.16e，802.16f和802.16g共七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。其中，802.16，16a，16d屬于固定無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)，而802.16e屬于移動(dòng)寬帶無線接入空中標(biāo)準(zhǔn)。802.16d（即802.16-2004）是固定無線接入的一個(gè)修訂版本，是相對比較成熟并且最具有實(shí)用性的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本，對應(yīng)10～66GHz和小于11GHz的頻率范圍，可以進(jìn)行視距和非視距的傳輸。理論上，802.16d的覆蓋范圍最遠(yuǎn)可達(dá)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(dòng)寬帶無線接入系統(tǒng)空中接口標(biāo)準(zhǔn)，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(chǔ)上做的標(biāo)準(zhǔn)，是對16d的增強(qiáng)和補(bǔ)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(guān)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(shè)備的互操作性和對網(wǎng)絡(luò)資源、移動(dòng)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(luò)和應(yīng)用。為了推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，WIMAX目前正在開展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求等方面的工作。除了MAC層物理層以外其他有關(guān)802.16的標(biāo)準(zhǔn)，主要是WIMAX來做。WIMAX組織的全稱是微波接入全球互操作性認(rèn)證聯(lián)盟，其宗旨是致力于制定一套基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)和ETSI HiperMAN標(biāo)準(zhǔn)的測試規(guī)范和認(rèn)證體系，使不同廠商之間的產(chǎn)品在經(jīng)過認(rèn)證以后可以具有良好的互操作性，以積極推廣和驗(yàn)證寬帶無線接入設(shè)備的兼容性與互操作性。從而可以在很大程度上推進(jìn)基于802.16的產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，并且為制造相應(yīng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定者，WIMAX是技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的推動(dòng)者，它們的關(guān)系與WiFi和802.11的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)做出了重要的貢獻(xiàn)，并隨著802.16標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，WIMAX也在逐步地推進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用將主要集中在為個(gè)人用戶提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。除此之外，802.16還可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)WiFi熱點(diǎn)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(wù)和基站互聯(lián)等。

　　相比其它移動(dòng)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(dòng)視頻業(yè)務(wù)。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(kuò)展能力更強(qiáng)，靈活性更高的優(yōu)點(diǎn)。對于人口密度較低及不便于鋪設(shè)xDSL的地區(qū)，可以用802.16提供“無線DSL”服務(wù)，面向家庭和小企業(yè)范圍應(yīng)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(yùn)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(wù)，開拓市場。

　　3G和802.16e同為提供移動(dòng)寬帶接入的技術(shù)，兩者相比起來，802.16e技術(shù)主要面向?qū)拵��?shù)據(jù)用戶，并至少可以支持120km/h的移動(dòng)速度，略低于3G的移動(dòng)速度。3G系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)主要是話音類的服務(wù)和高速數(shù)據(jù)服務(wù)，強(qiáng)調(diào)在地域上提供一種“無處不在”的通信服務(wù)。3G系統(tǒng)采用2GHz頻段，支持的移動(dòng)性高于802.16e。總的來說，在無線傳輸技術(shù)方面，802.16e犧牲了移動(dòng)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(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步完善，以便將來能更好地支持移動(dòng)業(yè)務(wù)。

　　在業(yè)務(wù)方面，802.16e主要是針對具有一定移動(dòng)性的寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)，并定義了完善的QoS體制。802.16e標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)話音、視頻、數(shù)據(jù)等不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)定義了4種業(yè)務(wù)類型，分別對應(yīng)不同的QoS級別，進(jìn)行差異化的資源分配，為不同的業(yè)務(wù)提供不同程度的保證。3G系統(tǒng)中，在核心網(wǎng)絡(luò)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(wù)，WCDMA業(yè)定義了比較完善的QoS機(jī)制，而在cdma2000中沒有針對業(yè)務(wù)分類的QoS。

3 移動(dòng)寬帶無線接入技術(shù)（802.20）

　　由MBWA工作組著手進(jìn)行研究和制定的標(biāo)準(zhǔn)是802.20。802.20標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合現(xiàn)有移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，正努力發(fā)展成為一種基于移動(dòng)空中接口、實(shí)現(xiàn)IP包高效傳輸?shù)募夹g(shù)，從而為IP業(yè)務(wù)的傳輸探尋一種移動(dòng)解決途徑。

　　IEEE 802.20是完全應(yīng)用于移動(dòng)寬帶無線接入的標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)的主要范圍和主要技術(shù)特點(diǎn)是：空中接口的PHY/MAC層規(guī)范，適用于可互操作的移動(dòng)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(dá)250km/h的各種車載移動(dòng)性，在頻譜效率、持續(xù)用戶數(shù)據(jù)速率和活動(dòng)用戶數(shù)等方面比現(xiàn)有移動(dòng)系統(tǒng)性能有顯著提高。其終極目標(biāo)是讓這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)廣泛使用，實(shí)現(xiàn)始終在線并且在不同的服務(wù)商的移動(dòng)寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)中自由穿梭。

　　802.20標(biāo)準(zhǔn)將采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速的移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)。802.20標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)基于IP的系統(tǒng)，并將提供更高的QoS保障，以此實(shí)現(xiàn)頻譜效率和更小的延時(shí)，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(jìn)行優(yōu)化，提供移動(dòng)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(shí)間、地點(diǎn)得到實(shí)用且價(jià)格低廉的服務(wù)。

　　802.20的有效覆蓋范圍高達(dá)15km，在城域范圍支持的傳輸速度可以達(dá)到WLAN網(wǎng)絡(luò)的水平，故與現(xiàn)在的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相比具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢，可以為用戶提供價(jià)格低廉的語音、視頻、數(shù)據(jù)的綜合業(yè)務(wù)服務(wù)。802.20最初的應(yīng)用將是PDA和筆記本電腦、智能電話等便攜設(shè)備。802.20標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢在于對高速移動(dòng)狀態(tài)下的通信連接表現(xiàn)出不錯(cuò)的支持能力。例如，用戶坐在最高時(shí)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(dòng)過程中，802.20標(biāo)準(zhǔn)提供的目標(biāo)頻譜效率、數(shù)據(jù)傳輸速率的穩(wěn)定性等方面都高于當(dāng)前已出現(xiàn)的移動(dòng)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(yīng)用提供技術(shù)保障。

4 超寬帶無線接入技術(shù)

　　根據(jù)FCC的定義，UWB技術(shù)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(shè)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(shù)使用的是脈沖無線電技術(shù)，脈沖UWB技術(shù)的脈沖長度通常在亞納秒量級，信號帶寬經(jīng)常達(dá)數(shù)GHz，且具有很小的占空比，這使得脈沖UWB設(shè)備的平均發(fā)射功率很低，是現(xiàn)有的藍(lán)牙系統(tǒng)的1/100至1/1000。低發(fā)射功率帶來優(yōu)勢是UWB設(shè)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(shè)備具有很低能耗、低成本、保密性良好等優(yōu)點(diǎn)。另外，低占空比的脈沖UWB設(shè)備也有很好的抗多徑干擾性能。脈沖UWB系統(tǒng)的缺點(diǎn)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(yù)估的干擾，并且實(shí)現(xiàn)脈沖UWB系統(tǒng)有一定的困難。

　　當(dāng)今主流的UWB技術(shù)方案是將傳統(tǒng)的載波調(diào)制技術(shù)經(jīng)過改進(jìn)，使其能夠利用很大的帶寬，從而實(shí)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(shù)和CDMA技術(shù)的超寬帶改進(jìn)型。MB-OFDM仍然基于128點(diǎn)的OFDM傳輸，但每個(gè)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(shù)幾百kcps的碼片速率形成了很大區(qū)別。人們在這兩種技術(shù)上積累的理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)大部分仍適用于UWB技術(shù)，只是在干擾問題、頻譜規(guī)劃、低能耗等具體的技術(shù)環(huán)節(jié)上應(yīng)特別注意。

　　近幾年來，UWB技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化主要在IEEE 802.15框架內(nèi)進(jìn)行。IEEE 802.15是從事無線個(gè)人網(wǎng)（WPAN）的標(biāo)準(zhǔn)化組。WPAN系統(tǒng)主要用于個(gè)人設(shè)備之間的互聯(lián)，覆蓋范圍在10m以內(nèi)，且具有廉價(jià)、低能耗的特點(diǎn)。在802.15協(xié)議中，802.15.3a專門考慮采用UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高WPAN的速率的目標(biāo)。脈沖無線電UWB技術(shù)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(wù)（精度1m以內(nèi)），以及實(shí)現(xiàn)更長的作用距離和超低耗電量。

　　WPAN中的UWB技術(shù)主要是應(yīng)用于將越來越多的電子設(shè)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(shè)備之間的信息交換更加方便、靈活和快捷。UWB技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化家庭，可以將消費(fèi)者家居中的電器用一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)應(yīng)用于數(shù)字化辦公室，可以將所有的電子辦公設(shè)備用無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)用于會(huì)議設(shè)備的互聯(lián)，能夠讓與會(huì)者的終端設(shè)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(shí)地交換、展示多媒體內(nèi)容。UWB技術(shù)應(yīng)用于個(gè)人便攜設(shè)備上，使得個(gè)人終端可以從互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)上即時(shí)下載大量的數(shù)據(jù)，從而將大部分?jǐn)?shù)據(jù)存放在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的存儲(chǔ)空間中，而不是保存在個(gè)人終端中。這樣，功能強(qiáng)大的個(gè)人計(jì)算機(jī)也可能變得十分小巧，便于攜帶。隨著UWB技術(shù)的發(fā)展、完善，我們甚至可以將其用于個(gè)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(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，從覆蓋半徑10m范圍的個(gè)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(wù)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(dòng)資金較小，提供服務(wù)速度快，頻率復(fù)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(jià)廉的多種業(yè)務(wù)，且運(yùn)營維護(hù)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(bǔ)充。