[科普中国]-宽带无线接入网

概念

宽带无线接入网的主要目标是使无线终端在一定 QoS(服务质量)保证下具有高速数据和多媒体业务传输的能力(数据率一般超过 2 Mbit/s),同时具有速度受限的移动通信能力 。除了商业利益的驱动以外 ,宽带无线接入网的发展有着三个方面的技术基础 。首先 ,随着研究开发的不断深入 ,宽带的有线骨干网技术尤其是 ATM 技术正趋于成熟 , 有关标准也日臻完善 ,已开始走向商用 , 这为无线终端开发宽带高速业务提供了参考和依据 。其次 ,移动通信以及个人通信近年来得到了飞速发展 , 它在无线网结构 、移动性支持 、多址方式 、无线传输等方面为宽带无线接入网的研究奠定了基础 。第三 , 小型、可靠 、高性能的 PC和工作站的出现为多媒体通信的实现提供了可能的通信终端。1

研究发展状况宽带无线接入网的研究不仅涉及到宽带骨干网的研究和发展 ,而且与飞速发展的新一代移动通信技术密切相关 ,因而近年来正在成为通信技术研究中又一重要领域 。IEEE JSAC 在1997 年和 1998 年先后就此出版有关专刊 , 以推动相应的研究走向深入 。国际上其他有关期刊以及会议都不失时机地将其列为重要的讨论课题。1

在高速无线LAN 方面 , 1990 年出台的 IEEE 802 .11 标准对无线 LAN 的物理层和媒体访问控制作出规范 , 其数据速率达 2M bit/s ,采用 2 .4 GHz 的 ISM(工业 、科技 、医疗)免许可证频段 。它支持两种网络拓扑 :基于骨干网(Inf rastructure-ba sed)和对等分布网(Ad hoc)结构 , 前者通过一个预先指定的接入点与骨干网相连 , 而后者可以根据需要临时指定与骨干网相连的接入点 。IEEE 802 .11 除了支持基于竞争方式的 CSMA/CA(避免碰撞机制下的载波侦听多址接入)媒体访问控制外 ,还支持免竞争方式具有优先规则的 PCF 功能以满足时间敏感性业务的要求 。1992 年 ETSI(欧洲电信标准研究所)制定了H IPER LAN 标准 , 它可以在 5.2 GHz 的频段上支持 2 ～ 23 M bit/s 的数据速率 , 可以支持扩展的 Ad hoc 结构 , 每一节点可以完成数据转发功能, 使无线网络覆盖得到扩展。在高速无线 LAN 产业广阔的商业前景鼓舞下 , 1997 年初美国FCC开放了 5GHz 附近300 MHz 带宽的免许可证频段 , 为高速无线LAN 的发展进一步拓展了道路。1

在无线ATM 网络研究方面 , 90 年代以来国际上一些大公司以及科研机构进行了一系列的理论研究和试验系统开发 , 其目的有两个 :一是验证无线ATM 概念的可行性 ,二是为有关标准的制定提供参考依据 。由于理解和认识上的差异 ,各公司和机构的初级原型系统在频段选择 、传输速率 、物理层传输设计等方面难以完全一致。主要代表有 NEC C&C 的 WATMne t , 欧洲 RACE 计划中的 MBS (M obile Broadband S ystem )、ACTS 计划中的M agic WAND(Wireless ATM Netw ork Demonstra tion), 日本NTT 的 AWA(ATM Wireless Acce ss),Cambridge -Olive tti研究室的无线 ATM LAN , Bell 实验室(Lucent 公司)的无线ATM LAN 系统(称为 BAHAM A)等 。考虑到这些系统反映的只是各研究机构自己的观点 , 有关国际标准化组织尚未就此提出建议 , 另外 ,这些系统的技术特点和功能在相关的文献中都有详尽的描述 , 因此这里不准备作进一步讨论。1

关键技术无论是高速无线 LAN 还是无线 ATM ,在实现宽带无线接入时都需要以下关键技术的支持, 虽然这些技术在中 、低速无线传输应用中已较为成熟 , 但在高速可靠无线传输和移动性支持方面都面临着新的挑战。1

微波 、毫米波传播模型及天线设计宽带无线接入网中的无线传输数据速率一般要超过 2M bit /s , 所采用的射频频段通常为 2 .4 ～ 60 GH z, 相应频段的电磁波传播模型 、微波毫米波集成电路以及天线设计都需要作深入的研究 , 这将直接影响到无线终端的体积和性能 。天线的选择与接收机的内部设计也紧密相关。窄波束定向天线可以改善多径衰落环境下的接收性能 , 但它要求对接入点和无线终端之间的视距通信进行跟踪 , 这会限制终端的移动性 。所幸 ,典型的多媒体终端将是一个便携式 PC 或手持个人数字助理(PDA),主要用来处理可视业务 ,可以设想 ,用户将在静止的桌旁或慢步行走中操作这类终端 。另一类被普遍看好的技术是自适应阵列天线 , 这类技术实际上是天线分集与接收机中自适应信号处理的结合 , 通过对波束形成网络的自适应控制和处理来完成空分多址(S DMA)接收 , 在利用多径传播提高传输性能 、改进系统容量 、支持高速数据传输等方面这种技术都具有很好的前景。1

数据链路控制(DLC)与光纤传输相比 , 无线信道的时变性和多径传播特点使传输可靠性大为降低 ,在无线传输中经常会出现连续的 、突发的传输错误 , 这就需要设计用于无线传输的数据链路控制机制。如果采用自动请求重传(ARQ)协议 ,则有些业务需要设计新的具有时间约束的重发控制规程 。前向差错控制方法一般被认为是一种有效提高传输可靠性的方法。在无线 ATM 中 ,信元的差错控制方案应该在保证其可靠传输的同时提高其传输的有效性 , 标准 ATM 信元中的差错控制方法(HEC)应予修改 , 因为一方面它只对信头做了保护 ,未保护信息部分 ,另一方面它是针对随机错误设计的, 无法适应突发错误的环境 。如何设计无线传输时的差错控制方案是一个重要课题。除了考虑选择一些对突发错误有效的编码方案外(如 RS 码等), 采用交织技术也是不可少的 ,已有一些文献对此进行了讨论 , 但总的来讲这方面的研究还不够充分。1

无线传输与接收随着数字移动通信及个人通信的飞速发展，中、低速无线数据传输理论和技术已日渐成熟。但宽带无线接入网的无线传输数据速率要高得多 ,这给我们提出了一些新的课题 , 诸如高效多址方式 、调制技术、自适应接收 、均衡等 。宽带无线接入网中使用的多址方式可能是一些基本方式的组合或变异 , 比如 ALOHA及其扩展与 TDMA 的结合 , 分组预约多址(PRMA)与CDMA的组合等 。在无线移动环境中 , 高速率数据传输面临的最严重的困难之一就是多径衰落的影响 , 在基于 TDMA 方式的传输和接收中 , 自适应均衡是克服多径影响的有效手段, 但当传输速率很高时 ,需要的均衡器抽头数大为增加 , 不仅实现变得复杂 , 而且难以满足较短的数据包快速启动的要求 。解决这一问题一方面需要改进均衡器的设计 , 另一方面可以将自适应均衡与自适应调制相结合 。所谓自适应调制是指当无线终端发出传输请求时 ,接入点根据申请业务条件 、平均载干比 、延时要求以及信道即时状况为终端分配相应的载波 、时隙、调制方案和符号速率。QPSK 和 QAM 是宽带无线接入网中无线传输的候选调制方式 , 若使其调制参数随信道状况 、移动终端位置等情况自适应调整将会得到更好的性能。1

CDMA 的优势之一是其克服多径衰落的能力 ,虽然一般认为 ,单纯的 DS-CDMA 难以提供高速的数据传输 , 因为它要求比数据带宽宽得多的射频带宽 , 对 156 M bit/s 的数据传输速率 , 如果处理增益为15 , 则要求射频带宽为 2 .325 GHz , 显然简单的直扩方法难以实现 。但是将其与跳频(FH)或多载波传输技术相结合 , 则可以获得高速率的数据传输 。近来这方面的讨论很多 , 主要有宽带 CDMA(W-CDMA)、多速率 CDM A(MR-CDMA)、多载波 CDMA(M C-CDM A)、多码CDMA 、混合DS/FH CDMA 、混合CDMA/FDMA 等等 。从载波频率使用情况看 , 可分为单载波 CDMA 和多载波 CDMA ,而多载波方案一般都与正交频分复用(OFDM)有关 ,OFDM 是最有效的频分复用方法 , 各相邻载波间的保护带最小 。将OFDM 技术用于CDMA 可以有效提高数据的传输速率。1

高效无线信道控制、管理在宽带无线接入网中 , 媒体访问控制(MAC)是支持多个终端设备共用无线信道所不可缺少的 。在目前的移动通信中, 由于传输速率低 , 提供业务少(主要是话音业务),对无线资源使用效率的要求并不很高 ,但在宽带无线接入网中 , 传输速率大为提高 ,持续时间短 、具有突发特性的业务将占主导地位 , 因此有效地控制无线终端使其合理占用有限的网络资源是一个重要课题 。在目前的无线局域网(包括 IEEE 802 .11 和 HIPE R LAN等)中 , 媒体访问控制主要是以 CS MA/CA 协议为基础的 。因为无线信道动态范围可能较大 ,在有效带宽采用碰撞检测方式是很困难的, 只能采取随机退避方式以减小两帧碰撞的概率。在无线 ATM 网络的研究中 , 媒体访问控制一直是一个热点课题 , 其目标是在支持 ATM 标准中所定义的业务类型(可用比特率(ABR)、可变比特率(VBR)、恒定比特率(CBR)以及未指定比特率(UBR)业务)的同时 , 保持高效的无线信道利用率 , 并提供相应的 QoS 控制 。目前已经提出了许多实现方案 , 这些方案在无线资源动态分配 、实时与非实时业务处理等方面都取得了一定的成果 。用于无线ATM 网络媒体访问控制的有关技术包括分组预约多址(PRM A)及其 扩展、动态 TDMA/ 时分复用(TDD)和 CDMA 等 。另外在点到多点无线网结构中 , TDMA方式所采用无线资源管理的动态信道分配(DCA)也是一个重要的研究课题。1

无线终端的移动性支持终端移动性是指处于网络有效覆盖范围的无线终端在移动中保持通信的能力 , 其主要功能包括无线终端的位置管理、连接建立以及终端移动时动态地重新选择路由以实现切换控制 。由于现有 ATM 网络协议不支持终端移动性 ,所以在宽带无线接入网中需要开发支持移动性的网络控制协议 。在骨干网采用ATM 技术的情况下 ,可以选择的策略有两种 ,第一种是保持现有 ATM 标准 UNI 信令协议不变 ,专门开发针对无线接入网的移动性支持协议。这样做的好处是已有的ATM 信令协议无需修改 ,即可使无线接入网络的移动性得到支持 。缺点是在接入点需要进行两种协议的相互转换 ,同时专用无线接入网控制协议的一些功能与 ATM 信令控制协议可能是重叠的 , 由于无法利用已有的 ATM 信令协议及其传输通道而需另外占用网络资源 ,致使网络资源利用率 、传输效率降低 。第二种是修改已有的ATM UNI 信令协议 , 增加一些协议原语使其能够直接支持无线终端的移动性 , 其优缺点与第一种正好相反 。两种策略各有利弊 , 如何选用尚未达成共识 , 目前在两方面都展开了相关的研究。1

有线 ATM 终端的用户标识码(UID)体现了其所在位置 ,而无线终端的定位则较为复杂 ,通常需要建立多层结构的数据库(一般为两层), 并采用定位区寻呼和报告相结合的方法来定位无线终端 , 这一功能的实现需要得到相应协议的支持 。建立无线连接尤其是被叫为无线终端的连接建立与位置管理紧密关联 ,也是相应协议支持的一个主要内容 。无线终端在进行通信时可能越过两个或多个小区的边界 ,此时需要进行切换 ,网络协议也应予支持 。为了在保证QoS 的情况下完成切换 , 还需要进行路由选择算法的研究 , 以期能够提高切换的有效性和可靠性 。由于网络为了保证终端的可靠切换一般需要预留部分资源 , 因此最佳的路由选择算法以及合理的价格/性能准则是完成切换功能的重要因素 。目前的 ATM UNI 信令协议是 ITU -Q .2931(ATM 论坛建议的 UNI 信令协议与此是一致的),如采用第二种策略支持终端移动性 , 需要增加其信令原语 ,国际上有关标准化组织正在考虑这一问题 ,但新规范的出台将建立在对这一问题深入研究的基础上。1

贡献丰富了移动通信的内涵蜂窝移动通信的设计思路根本点在于要满足人与人之间的通信需求，而且起初只是为通话需求，后来才增加了数据和其它业务。与此相应的蜂窝移动通信应用场景只定义了室内固定和室外移动两种类型。2

接入网移动通信的设计初衷是满足数据通信的需求，主要是针对机与机之间的通信。当然人的介入是必然的，所以也包括人与机的通信。如今计算即机技术的广泛应用，无所不在。所以接入网移动通信的应用主体是人、机、物。与此相应的接入网移动通信应用场景就定义了游牧、便携、简单移动和全移动四种类型，从而更加完整了。2

创立了移动通信网络新体制过去三十年人们所谈论的移动通信体制，从FDMA到TDMA，再到CDMA都只是在广域网不变的网络体制下的空中接口技术的差异，实际上并未涉及网络体制。接入网移动通信技术体制的出现打破了一贯以来的广域网移动通信技术体制的独立的自成体系网络架构。包括独立的交换体系；统一网络设施；独立运营方式等。接入网移动通信技术体制是一种新型的通信体制，其依托于骨干网的接入网，路由器取代了交换机，分组交换取代了线路交换，多运营商联合运营取代了独家运营。2

提高频谱效率的新成就由于无线接入网比之蜂窝移动通信较早引用了OFDM技术，并推进到移动应用，演进为OFDMA；又较早将MIMO技术在无线接入移动化中取得成效，使得系统频谱效率大大提高。对移动通信可贵频谱资源的更有效利用，提供更高的数据传输能力，展现出更加美好的前景。2

灵活的标准体系无线接入网的灵活标准体系与广域网蜂窝移动通信的标准的差异也非常值得关注。广域网蜂窝移动通信的设计思路是设计一个系统，建立一个标准，应对所有的应用需求。而接入网移动通信是针对不同的应用设计不同的标准，不同标准合起来构成一个标准系列族。通过中介网络，例如迈适（Mesh）网互联互通。2

拓宽了移动通信频谱资源蜂窝移动通信将所有的移动业务全部纳入统一的蜂窝网服务范畴。而蜂窝网可用的频谱资源非常有限，也就是指望一个城市的人都乘同一种交通工具上班。2

接入网的系列标准思路，引入了所有可用的频谱资源，从几百兆到十多吉赫兹。按不同的应用环境，配置不同的资源。大大缓解了移动通信的用户需求与频谱资源紧缺矛盾。2