寬帶WPAN接入帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

摘要：無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)目前以自成網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部應(yīng)用為主，其與蜂窩網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)共存和相互融合的問題還需要深入研究。多網(wǎng)融合必然要求網(wǎng)絡(luò)和終端更加智能化，由于目前WPAN技術(shù)還不成熟，因而其實(shí)際應(yīng)用將面臨較大挑戰(zhàn)，但這同時(shí)也是一次機(jī)遇，一旦解決了相關(guān)技術(shù)問題，有可能產(chǎn)生巨大的商機(jī)。

全球通信的寬帶化、無線化、個(gè)人化需求推動(dòng)著無線接入的寬帶化進(jìn)程。由于便攜式產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用需求的迅速增長，促成了無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)技術(shù)的誕生，使無線接入的產(chǎn)業(yè)鏈更加完善。隨著統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步形成，WPAN必然迎來一個(gè)全面興盛的時(shí)期，成為運(yùn)營商進(jìn)入接入市場的新機(jī)會(huì)。

信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，寬帶接入技術(shù)不斷涌現(xiàn)。各種寬帶無線接入系統(tǒng)憑借其建設(shè)速度快、運(yùn)營成本低、投資回報(bào)高等特點(diǎn)，受到了電信運(yùn)營商的青睞。當(dāng)前寬帶無線接入的主要技術(shù)有：本地多點(diǎn)分配系統(tǒng)(LMDS)、多點(diǎn)多信道分配系統(tǒng)(MMDS)、無線局域網(wǎng)(WLAN)和藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)等。其中，LMDS和MMDS屬于無線城域網(wǎng)(WMAN)技術(shù)，IEEE 802.16寬帶無線訪問標(biāo)準(zhǔn)工作組正在開發(fā)相應(yīng)規(guī)范以標(biāo)準(zhǔn)化這些技術(shù)；WLAN標(biāo)準(zhǔn)主要指IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)和HiperLAN/2標(biāo)準(zhǔn)；藍(lán)牙則是目前無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)應(yīng)用的主流技術(shù)。由于消費(fèi)需求和應(yīng)用場合的多樣化，WMAN、WLAN和WPAN技術(shù)將互為補(bǔ)充，共同推進(jìn)寬帶無線接入市場的發(fā)展。

1 寬帶無線接入技術(shù)

1.1 無線城域網(wǎng)

目前屬于WMAN應(yīng)用的寬帶無線接入系統(tǒng)(如LMDS、MMDS)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，彼此互不兼容。WMAN采用的技術(shù)多種多樣，主要有正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)、碼分多址(CDMA)技術(shù)等。

IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)為解決上述兼容性問題而制定。該標(biāo)準(zhǔn)的2002年修正草案定義了3個(gè)主要WMAN網(wǎng)絡(luò)類型，即：固定式、便攜式和移動(dòng)式，分別對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16、IEEE 802.16a和IEEE 802.16e。其中IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)適用于視距傳輸，工作頻率為10～66 GHz，應(yīng)用于LMDS；IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)為超視距傳輸，工作頻率為2～11 GHz，應(yīng)用于MMDS；IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為2～6 GHz，主要應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信及3G。

現(xiàn)階段802.16標(biāo)準(zhǔn)制定工作的重點(diǎn)在IEEE 802.16e上面，目標(biāo)是當(dāng)?shù)退佥p巧的移動(dòng)設(shè)備在跨越不同存取點(diǎn)時(shí)，仍能維持一定程度的網(wǎng)絡(luò)漫游服務(wù)。

WMAN的寬帶無線接入業(yè)務(wù)正迅速由北美和歐洲向世界其他地區(qū)擴(kuò)展，為電信運(yùn)營商拓寬網(wǎng)絡(luò)接入市場提供了新的機(jī)會(huì)和前景。

1.2 無線局域網(wǎng)

IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)是WLAN事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE 802.11、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g。其中，IEEE 802.11b傳輸速率可高達(dá)11 Mb/s，采用2.4 GHz免執(zhí)照頻段，已在辦公室、家庭、賓館、機(jī)場等眾多場合得到廣泛應(yīng)用，是目前WLAN的主流標(biāo)準(zhǔn)；IEEE 802.11a是IEEE 802.11b的后繼標(biāo)準(zhǔn)，峰值速率可達(dá)54 Mb/s，特別適合于室內(nèi)及移動(dòng)環(huán)境，有著更廣的應(yīng)用前景，被很多廠商看好；IEEE 802.11g可以在2.4 GHz頻帶上實(shí)現(xiàn)最高54 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸，與IEEE 802.11b保持兼容，并已經(jīng)較好地解決了采用藍(lán)牙技術(shù)和基于IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備間相互干擾的問題。

HiperLAN/2是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSI)的寬帶無線電接入網(wǎng)絡(luò)(BRAN)項(xiàng)目組著手制定的高性能無線接入標(biāo)準(zhǔn)。HiperLAN/2對應(yīng)于IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)，工作在5 GHz頻帶，調(diào)制技術(shù)也采用正交頻分復(fù)用(OFDM)，與IEEE 802.11a在物理層兼容，使用一種動(dòng)態(tài)時(shí)分雙工技術(shù)，數(shù)據(jù)速率可高達(dá)54 Mb/s，并且能在高吞吐率下支持QoS，從而為視頻、話音等實(shí)時(shí)應(yīng)用提供支持。

中國四大通信運(yùn)營商均已進(jìn)軍WLAN領(lǐng)域，共同推進(jìn)了WLAN市場的發(fā)展。2002年7月，信息產(chǎn)業(yè)部下發(fā)了《使用5.8 GHz頻段頻率的通知》，批準(zhǔn)將5 725 MHz～5 850 MHz頻段用

作點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、高速無線局域網(wǎng)、寬帶無線接入系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備及車輛無線自動(dòng)識別系統(tǒng)等無線電臺站的共用頻段[1]。從政策上為WLAN在中國的進(jìn)一步應(yīng)用推廣開辟了新空間。

1.3 無線個(gè)域網(wǎng)

WPAN是繼WMAN和WLAN之后提出的概念，其目標(biāo)是解決如何讓人們將網(wǎng)絡(luò)隨身攜帶的問題，核心是解決小區(qū)域的無線多媒體傳輸。

成立于1999年的IEEE 802.15工作組[2]專門負(fù)責(zé)制定有關(guān)WPAN的標(biāo)準(zhǔn)，該工作組由4個(gè)小組組成。其中，IEEE 802.15.1負(fù)責(zé)藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)化；IEEE 802.15.2研究WPAN和WLAN的互存性；IEEE 802.15.3制定高速WPAN標(biāo)準(zhǔn)；IEEE 802.15.4研究特別節(jié)電技術(shù)和低復(fù)雜度方案，應(yīng)用領(lǐng)域主要為傳感器、遠(yuǎn)端控制和家庭自動(dòng)化等等。

IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)以藍(lán)牙v1.1規(guī)范為藍(lán)本，定義了藍(lán)牙技術(shù)的媒體訪問控制(MAC)層(包括L2CAP、LMP、基帶)和物理層。IEEE 802.15.1一直在關(guān)注藍(lán)牙特別興趣小組的標(biāo)準(zhǔn)版本升級工作，以使得IEEE 802.15.1與藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)保持同步。藍(lán)牙特別興趣小組已于2003年底正式公布了藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)v1.2。

IEEE 802.15.3于2003年6月完成了高速WPAN的MAC層/物理層標(biāo)準(zhǔn)制定。該標(biāo)準(zhǔn)具有以下特點(diǎn)：支持高達(dá)55 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，可傳送高質(zhì)量視像和聲音，支持服務(wù)質(zhì)量保障，具有Ad hoc點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，功耗和成本低。

IEEE 802.15.4已通過第18輪修正草案。該標(biāo)準(zhǔn)具有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)速率為25、40、250 kb/s，采用CSMA-CA機(jī)制，保證傳輸可靠性，提供最優(yōu)的功率管理。

屬于WPAN應(yīng)用的藍(lán)牙技術(shù)，由于其靈活、安全、低成本、小功耗的話音和數(shù)據(jù)通信，而成為目前的WPAN主流技術(shù)。在藍(lán)牙特別興趣小組的極力推廣下，藍(lán)牙技術(shù)正較快地滲透到PC、消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及垂直應(yīng)用市場中。

目前藍(lán)牙仍被大多數(shù)業(yè)界人士譽(yù)為最具廣闊前景的WPAN技術(shù)，其推廣應(yīng)用程度標(biāo)志著無線個(gè)域網(wǎng)的實(shí)用化程度。

正因如此，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)以“國標(biāo)委[2002]41號”文將藍(lán)牙技術(shù)列入2002—2003年國標(biāo)制定計(jì)劃，并授權(quán)信息產(chǎn)業(yè)部郵電工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所主持起草該系列標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了中國對藍(lán)牙技術(shù)的重視程度。中國藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)制定工作組一直在密切關(guān)注藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)升級情況，以期與國際藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)同步。

藍(lán)牙的傳輸速率限制了其應(yīng)用拓展，成為影響該技術(shù)全面普及的最主要因素，而IEEE 802.15.3由于比藍(lán)牙具有更高的數(shù)據(jù)速率、更全面的業(yè)務(wù)及QoS支持、更短的連接時(shí)間等特點(diǎn)，得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，雖然IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)制定工作已經(jīng)完成，但據(jù)IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)小組負(fù)責(zé)人介紹，使用IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)的通信設(shè)備在2004年年底才可能推出，估計(jì)芯片價(jià)格會(huì)在100～150美元之間。

2 寬帶WPAN接入技術(shù)問題

在互為補(bǔ)充的3種寬帶接入技術(shù)中，WMAN和WLAN相對成熟，已開始占據(jù)寬帶無線接入市場。相對于WMAN和WLAN來講，WPAN目前還以自成網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部應(yīng)用為主，其接入技術(shù)還不夠完善，在無線接入方面的應(yīng)用拓展較為緩慢。中國應(yīng)該及時(shí)抓住這個(gè)機(jī)遇，加強(qiáng)力度研究并完善WPAN接入技術(shù)。

2.1 WPAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

寬帶WPAN是典型的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，其工作環(huán)境有時(shí)非常簡單，有時(shí)卻非常復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的地位都是平等的，可以隨時(shí)組成一個(gè)小區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。寬帶WPAN中的任一設(shè)備可以與其前、后、左、右、上、下的類似設(shè)備構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過“多跳”可以擴(kuò)展其應(yīng)用空間和功能，設(shè)備有固定、半固定、小范圍移動(dòng)、較大范圍移動(dòng)等情況，需要考慮越區(qū)切換。因此，WPAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究非常重要。圖1是WPAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]示意圖。

2.2 WPAN與蜂窩網(wǎng)的融合

在WPAN與蜂窩網(wǎng)的接入技術(shù)得到解決的情況下，WPAN在室外空間的應(yīng)用將會(huì)非常廣闊。WPAN與蜂窩網(wǎng)的融合可以擴(kuò)大整個(gè)系統(tǒng)的容量，平衡相鄰小區(qū)的業(yè)務(wù)量，減少基站的數(shù)目，減小移動(dòng)終端的功耗，并可拓展蜂窩網(wǎng)的新應(yīng)用。

在一個(gè)WPAN與蜂窩網(wǎng)融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中通常將基站覆蓋區(qū)域分為3個(gè)部分：第1部分是高速率TDD區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)終端能夠以高速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；第2部分是低速率TDD區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)終端只能以較低的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；第3部分是基站無法覆蓋的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)終端由于接收不到基站發(fā)送的同步信息而無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。3個(gè)區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)終端都可以基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在一定范圍內(nèi)直接通信，或者由多個(gè)微微網(wǎng)組成散布網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)相互間的通信。

3 需要深入研究的問題

針對WPAN與蜂窩網(wǎng)多網(wǎng)融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本文認(rèn)為研究以實(shí)時(shí)優(yōu)化為核心內(nèi)容的各種自適應(yīng)算法，研究寬帶WLAN、WPAN無線接入技術(shù)，研究多網(wǎng)共存情況下的網(wǎng)絡(luò)容量以及終端設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和相應(yīng)的設(shè)備至關(guān)重要。具體而言，應(yīng)該對如下課題展開深入研究：

(1)研究寬帶WPAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括WPAN空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)等。

(2)研究關(guān)鍵算法，包括信息速率的自適應(yīng)算法、跳頻圖案和跳頻速率的自適應(yīng)算法、鏈路自適應(yīng)算法、頻率選擇自適應(yīng)算法等。

(3)研究與開發(fā)寬帶WPAN共享訪問協(xié)議，包括WPAN協(xié)議總體結(jié)構(gòu)的研究，若干關(guān)鍵軟件模塊的研制與開發(fā)。

(4)研制實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)，驗(yàn)證研究開發(fā)的內(nèi)容，并在該系統(tǒng)中進(jìn)行多址方式、高效調(diào)制方式、射頻模塊、多載波傳輸?shù)葍?nèi)容的研究。

(5)研究移動(dòng)自組織網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合技術(shù)，重點(diǎn)研究隨機(jī)驅(qū)動(dòng)多址接入(ODMA)技術(shù)。ODMA作為UMTS TDD 模式的補(bǔ)充，用于在TDD蜂窩網(wǎng)中小區(qū)的邊緣為移動(dòng)終端提供較高的數(shù)據(jù)速率，達(dá)到增加高速率數(shù)據(jù)服務(wù)范圍的目的。將ODMA與移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合，取長補(bǔ)短，相互補(bǔ)充，可以有效地?cái)U(kuò)展3G系統(tǒng)的新應(yīng)用范圍。

(6)研究基于TD-SCDMA的移動(dòng)自組織系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ODMA多跳轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和自適應(yīng)路由選擇算法專用按需距離向量(AODV)路由協(xié)議，能夠?yàn)?G系統(tǒng)提供多種全新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與移動(dòng)終端之間的直接通信、多跳通信，并能支持與現(xiàn)有3G系統(tǒng)間的無縫切換與漫游。

4 結(jié)束語

雖然目前寬帶無線接入市場還處于起步階段，但是寬帶無線接入技術(shù)的發(fā)展極為迅速。機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。中國的相關(guān)研究部門應(yīng)當(dāng)積極開展相關(guān)課題的研究，通過研究產(chǎn)生中國自主的知識產(chǎn)權(quán)，為形成中國的寬帶WPAN標(biāo)準(zhǔn)做出貢獻(xiàn)，或使中國在這一領(lǐng)域的研究至少與國際上保持同步。相信只要在這一領(lǐng)域廣泛深入地開展研究，密切關(guān)注國外行業(yè)動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)各方面的合作，就一定能在國際上爭得更多的寬帶無線接入方面的發(fā)言權(quán)。