肖征荣
北京邮电大学
摘 要 本文叙述关于无线接入和无线LAN系统设计和开发中的基本问题，它将在60GHz波段运行，作为4G系统的一部分。60GHz频段受到很大的关注，因为大量的频谱空间（5GHz）在全世界被分配给密集无线本地通信。此外，讨论怎样利用其丰富的带宽资源，以用于短距离通信。主要是要制定一个总的系统结构，这个结构的特征是：可提供性，可测量性，模块化，可扩展性和互操作性。此外，用户的方便性，容易有效的网络部署，是市场成功的重要的前提条件。本文讨论这些特征和许多关键研究主题。
关键词 HiperLAN OFDM 双波段操作
1 引言
现在，有许多多媒体应用需要短距离的无线传输，在表1中列出其数据速率和成本。数据速率指的是单个连接的而不是总的网络容量。表1说明了某些应用的数据速率可能要求每秒几百兆比特。应用的不同，表明了无线结构除了支持具有不同可靠性要求的非实时业务流外，还应该支持实时的业务流，且具有很大的可变时延限制。在Ad hoc网络结构中对灵活性要求很突出。在许多应用中，信息完整性起一个很重的作用，应该得到保护，其意义是，为了提供QoS，除了网络容量要求外，还有许多额外的传输性能要求，如动态资源分配和选路、数据完整性的安全性协议和防止未授权的接入。表1说明了许多技术要求低成本技术。
3G蜂窝系统不会基于低成本技术，也不能处理超过2Mbit/s的数据速率，这正是无线局域网大展身手的地方。现在的WLAN产品主要是专有系统，或基于802.11b标准。这些产品工作频段是ISM2.400~2.4835GHz，提供的最大数据速率是11Mbit/s。在1999年，IEEE批准了WLAN标准IEEE 802.11a，它提供的物理层数据速率为6、9、12、18、24、36和54Mbit/s。在美国，这些产品工作在5.15~5.35GHz和5.725~5.825GHz非专用国家信息基础（UNII）频段。高性能无线局域网（HiperLAN2）是欧洲电信标准组织（ETSI）宽带无线接入网项目组制定的标准，它定义了同样的物理层，它还提供一个27Mbit/s的数据速率。在欧洲，频段5.15~5.35GHz和5.470~5.725GHz为HiperLAN预留。在美国，HiperLAN产品必须在UNII频段工作。在日本，这两个系统都使用5.15~5.25GHz频段，使用一个共享机制。HiperACCESS提供固定的室外无线接入数据速率为25Mbit/s。这些通过量保证了对多媒体业务的支持。然而，25Mbit/s的限制并不支持表1中的许多有吸引力但要求宽带的应用，尤其是无线媒质必须被多个用户共享，这在LAN是很常见的。总的网络容量要求将会是更高的速率，有两个方法可以达到这么高的网络性能：增加频谱效率，使用更多的频段。
使用更高级的调制方法，比如M-QAM，能够增加频谱效率。实际上，频段的效率可以达到4~8bit/s/Hz，其代价是很大的发送功率。例如，在容错率为10-3时，要增加一倍的频谱效率，就要增加12dBs。
另一个方法是，使用多个发射和接收天线，在不同天线上同时发射不同的数据流。一个称为时空编码的方法，将根据信道代码编码，将编码后的数据分为许多并行的流，在不同的发送天线上同时发射。另一个技术，使用适当的结构来正确地利用多径漫射。在这样的方法中，频段利用率可以达到20~40bit/s/Hz，它付出的代价是发射功率和收发信机的复杂性，因为每个发射/接收天线代表了一个完整的发射机/接收机。
第三种方法，使用高增益天线精确地互相瞄准创立空间正交信道。这对静态互连链路很有吸引力。如HiperLINK、HiperLAN的一部分，提供的静态市内链路传输能力为155Mbit/s。HiperLINK计划的工作频段是17GHz，占据几百兆赫的频宽。但是，有中等频谱效率的传输机制，就需要好几百兆赫的频谱，为了找到如此大的频谱空间，就要考虑使用更高的频率。
在欧洲先进技术和业务组（ACTS），19、40、60GHz分别被不同的项目研究组AWACS、SAMBA、MEDIAN使用，无线速率目标分别是70、2×64和150Mbit/s。在日本，多媒体移动通信接入通信委员会正在研究使用40和60GHz，支持156Mbit/s的超高速无线室内LAN。对密集的本地通信，60GHz频段不适合长距离通信（大于2km），故可以全部分给段距离通信（小于1km）。对室内更小的距离（小于50m），10~15dB/km的衰减影响不大。在以60GHz为中心的8GHz范围内，衰减不超过10dB/km。因此，密集无线本地通信有8GHz的带宽可用。对短距离通信来说，60GHz的频段最具有吸引力。在美国，FCC分给非专用应用的频段是59~64GHz，这是迄今为止所分配的最大连续无线频段。在这个频段，FCC允许10 W的各向同性发射功率，在3m距离最大的功率密度为9Ｗ／ｃｍ２。这意味着，对一个有２０ｄＢｉ增益的天线来说，２０ｄＢｍ发射功率是功率上限。商用ＧａＡｓ功率放大器，现有的单片微波集成电路，可以产生１６ｄＢｍ的发射功率和良好的线性。日本在２０００年７月制定了一个高速数据通信的规则，频率范围是５９~66GHz。反馈天线的功率限制是10dBm，然而天线增益低于４７ｄＢｉ。在欧洲，两个频段，６２~63GHz和６５~66GHz，分配给移动宽带系统。此外，５９~62GHz频段给WLAN应用使用。因此，在６０ＧＨｚ左右分配了５ＧＨｚ的频率空间，全世界重叠的为３ＧＨｚ（５９~62GHz）。基本的问题仍然是，怎样在最大的可能性范围内为多媒体应用使用这个巨大的频段资源。
2 60GHz前端技术
在６０ＧＨｚ分配的频段分配为６０ＧＨｚ前端技术提供了新的机会。尤其是，砷化镓（ＧａＡｓ）场效应晶体管技术已经可以生产６０ＧＨｚ的ＧａＡｓ ＭＭＩＣ。基于ＧａＡｓ的６０ＧＨｚ设备，比如低噪声放大器、高功率放大器、乘法器、开关等都可以以１０~20美元一片的价格订购。然而，这对ＷＬＡＮ设备中的应用来说，太贵了。一个基于锗化硅（ＳｉＧｅ）的可选技术，在提供与ＧａＡｓ相同的性能的同时，可提供低成本的微波前端ＭＭＩＣ。芯片之间的共面丝焊在６０ＧＨｚ的丢失更少，然而多芯片模块技术能够在中频和基带电路中很好地提供微波成分。问题在于大量高性能60GHz发射机/接收机模块的生产。为了避免很大的内部连接丢失，下一个改进是天线与ＭＭＩＣ芯片的单个集成。
3 信道特性
在６０ＧＨｚ，比２ＧＨｚ或５ＧＨｚ有更多的自由空间丢失，因为自由空间丢失增加与频率成平方关系。原则上，这个自由空间丢失可以使用有更多状态方向性的天线来弥补，同时保持天线的尺寸很小。当时用这样的天线时，天线阻碍和错定位可能会引起接收功率的丢失很大，抵消了天线提供的增益。这在微波中是很典型的，因为微波的绕射很弱。考虑到阻碍效应，全向天线在有反射的环境中有优势，因为在视距阻碍的情况下，它们仍然有能力收集反射功率。
墙壁对毫米波的衰减很大。透射率取决于材料特性和厚度。在６０ＧＨｚ，玻璃的透射率从３ｄＢ到７ｄＢ，然而１５ｃｍ的混凝土墙高达３６ｄＢ。我们因此希望建筑物的混凝土地板作为可靠的蜂窝边界。这在热点地区有助于建立室内小蜂窝。另一方面，一个典型的/中等内部墙壁包括不同材料组成的部分，不能作为可靠的蜂窝边界，也不是一个透明的媒质。由于室内墙可能有很大的衰减，每一个室内环境中至少要有一个接入点。
4 OFDM的应用
当使用低或中等增益的天线时，就使用一个单载波信道均衡或多载波传输机制，以确保室内环境的可靠高速传输。可能最适合在６０ＧＨｚ进行高速传输的技术是正交频分复用（ＯＦＤＭ）。这种技术将一个高度频率选择性的信道分割成一组不可选择的窄带信道，它通过在频域保持正交性来抗时延扩展。ＯＦＤＭ的一个特性是，对一定的时延扩展，随着比特速率的增加，ＯＦＤＭ调制解调器的复杂性比有均衡器的单载波系统复杂性低。因为当比特率加倍时，在速度加倍时均衡器也必须是两倍，复杂性也随着数据速率平方性增加，而ＯＦＤＭ复杂性的增加只是稍快于线性。在数据速率超过20Mbit/s时调制解调器必须处理超过50ns的时延扩展，OFDM使得它能够更容易地实施。OFDM的另一个特性是，在不同的环境、带宽和比特率下，它具有容易的可测量性，这使得我们可以同时使用不同的应用。
由于多普勒效应，为了避免相干接收机对单独接收到的码元的相干性减少，每个子载波的数据速率必须高于一个最小数值。对1200Hz的多普勒偏移，这在室内环境中是可能的，只要每个子载波提供至少30ksym/s，多普勒偏移对接收机性能影响就不大。
增宽频段的第二个原因是收发信机本地振荡器产生的相位噪声。实际上，一个压控振荡器（VCO）产生的LO信号工作在相对较低的频率，为了在载波频率附近获得参考信号，就增加了频率。因此，初始源产生的相位噪声被放大了。在60GHz的相位噪声，比5GHz的相位噪声高10log（60/5）2
=21.6dB。当OFDM与更高级调制形式如16-和64-QAM结合时，相位噪声的影响就变得非常重要。为了将振荡噪声问题降至最小，OFDM子载波的间隔应该尽量高。这种方法也带来了其他的好处：对一个给定的数据速率，所需的子载波数目减少了，由于非线性放大，处理复杂性和干扰问题都减少了。
5 双波段操作
一个抗由于墙壁衰减覆盖限制，也抗严重阴影效应的措施，就是将60GHz的系统与一个在低得多的频率工作的系统一起结合。一个很好的选择就是5GHz的WLAN系统。事实上，在任何情况下都可以做到与5GHz系统互操作。在这种多模式情况下，系统首先试着在60GHz接入用户。当信道条件一旦变差，由于阴影效应，或者用户到了60GHz系统覆盖不到的区域内，连接就转到5GHz系统。这样，5GHz波段就作为60GHz的一个选择。
RF选择可以基于信道条件、信道可用性、用户爱好和连接参数。注意5GHz的WLAN RF被当成60GHz的中频使用。为了减小基带的复杂性，两个系统的功能尽可能相同。例如，60GHz系统使用64子载波单元。
6 降低成本
要使得60GHz无线产品获得成功，就要将成本降低到一个可以接受的程度。低生产成本的一个先决条件是：MMIC技术大量产生，并且合格率高，转向时间短，市场化快，投资回报快。因此，应该有很明显的刺激因素，使得半导体业向新一代的IC投资。一个刺激因素就是一个巨大的市场。因此，一系列的协议应该发展和标准化，不仅支持WLAN配置，而且支持整个家族，包括Ad hoc网络，远程接入/无线本地环（WLL），点对点，IEEE 1394，和所有表1中的低成本、短距离通信。因此，一个扩展的配置家族应该包括最大的范围，从低速、低带宽、低成本的产品到能以合理成本生产的高速、高带宽产品。这些产品应该能支持一个混合多种多媒体业务流灵活的多种接入。
一个5/60GHz双波段系统。然而，没有理由限制特定环境的应用领域，在居民区的室内，也能找到许多可能的应用。在工厂、码头、机场的室外环境中也有。
一个60GHz的便携式可视电话，支持两路可视电话，上行1.5Mbit/s，下行1.5Mbit/s，空中接口基于分组传输，在一个时分多址接入帧内TDMA速率为150Mbit/s。发送一个这样的分组，与一般的相比，要求50倍的峰值发射功率和处理速度。最好利用OFDM的可测量性，它允许一个终端仅仅处理一个单元中子载波很小的一部分。要求一个终端能够达到接入点总的传输能力是不合理的，因为这样的要求将导致严重的超安全标准设计。所有这些，在一个终端专用的OFDM单元中传输波段的分割都是重要的。一个选择是使用IEEE 802.11a/HiperLAN的64路子载波OFDM单元作为基本构建模块。这有助于利用在一个双模式5/60GHz无线电中的基带硬件，可以自由地扩展这些接入点的能力，插入额外的包括一个或者多个这些基本模块的PC卡。同样地，终端性能的扩展也是可能的。对最初的60GHz系统，这些OFDM构建模块的速率上限为18Mbit/s，这是IEEE 802.11a和HiperLAN2使用QPSK的最高速率。这些标准也支持更高的速率，但是要使用更高的调制形式（16-和64-QAM），相对来说容易受到振荡相位噪声影响。
7 标准化
参考模型符合ETSI BRAN的HiperLAN2中使用的基本方法。它只将无线接入网和一些不同核心网的互通功能标准化。核心网络的具体功能留给相应的论坛（如ATM论坛、IETF，其他ETSI项目组）制定。
HiperLAN2技术规范的范围限于5GHz空中接口，无线子系统的业务接口，互通功能，支持实现业务的功能。60GHz扩展的范围涉及5/60GHz双波段操作包括RF选择和OFDM子载波选择。
与在HiperLAN2中定义的类似，希望支持业务接口，互通功能，和60GHz扩展能力，这将极大地减少制定高层功能技术规范的时间。
8 结束语
集中讨论60GHz波段的主要原因是60GHz附近分配的巨大带宽，它能够提供各种各样的短距离无线通信。此外，60GHz的前端技术很快就出现了。为了有效地利用60GHz波段，应该制定一个总的网络结构，给工业界一个产品区分的巨大范围。标准比如可提供性、模块性、可测量性、扩展性、互操作性和人机工程学，应该是60GHz系统设计的指导。考虑这些准则，我们得出以下结论：
·最有吸引力的传输机制是OFDM。
·为了接入点的互连，要尽量使用现有的LAN电缆连接。
·将接入点/天线在墙上而不是天花板上安装。
·为了减少LOS阻塞影响，要优化天线。
·60GHz系统必须与5GHz系统结合，不仅可以与5GHz系统互操作，还可以把它作为一个后退选择（如果60GHz的接收功率不足）。
·接入点的性能扩展必须很容易。
研究的方向是发展能够与60GHz信道特性最优工作的技术。还有很多领域需要研究：
·改进现有的和发展新的60GHz信道模式。
·确定低成本的天线解决方案。
·为大量生产60GHz前端MMIC铺平道路。
·发展一个系统结构，可以最好地使用现有的办公室电缆连接结构，接入点可以很容易接入到骨干网。
摘自《中国数据通信》
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