燕珊，林孝康
清华大学 电子工程系 微波与数字通信国家重点实验室
摘 要：固定无线接入系统中语音业务的接入方法进行了研究,介绍了固定无线接入系统的结构，分析了当前广泛采用的V5接口的优缺点，提出了一种基于ISDN一次群速率接口的接入方案并给出了其具体实现方法。
关键词：固定无线接入；宽带网络；接入技术；语音业务
一、引言
当前，电信主干网已经基本实现了传输和交换宽带化。相对于主干网的发展，接入网发展滞后，加快发展接入技术日益成为通信领域的研究热点。从传输层和物理媒质来看，接入方式可分为有线和无线接入。其中有线接入又可分为铜缆接入、光纤接入以及两者混和接入，无线接入则包括移动无线接入、固定无线接入。目前无线接入中应用较多的是固定无线接入。
在各种接入技术中，固定无线接入技术代表了一种重要发展趋势。它具有开通快、维护简单、运营成本随用户密度增加而降低等特点［1］，在不用增加大量线路和设备的前提下，可向用户提供各种宽、窄带数据业务，既适用于用户分布较分散、铺设光纤代价大的地区，也适用于商业大楼内的中小企业、居家办公的场合。2000年年中划出3.5 GHz频段的30 MHz作为固定无线接入系统使用为无线接入系统在中国市场推广提供了一个千载难逢的机会。
固定无线接入网按照需求可提供不同业务的接入，包括3类：电路型业务(电话、传真等)、IP型业务(Internet接入、视频点播等)和ATM业务(特定ATM终端)。其中，语音业务是目前接入业务的主要组成部分，预计在今后相当长的时间内仍然保持这种地位。
本文对固定无线接入系统中语音业务的接入技术进行了研究，分析了当前广泛采用的V5接口的优缺点，并结合我们开发的系统，提出了一种语音业务接入方案和具体实现方法。
二、固定无线接入网的系统结构和V5接口
1.固定无线接入网的系统结构
固定无线接入(Fixed Wireless Access，简记为FWA)是指从固定用户驻地网或用户终端到公用电信网的交换节点之间部分或全部采用无线连接的接入技术。标准的FWA系统的结构如图1所示，它由无线基站和用户单元组成。无线基站包括基站收发信机、基站控制器，它提供一个面向程控交换机的标准网络接口和面向用户侧的空中接口，并完成无线接口的认证和保密、无线资源管理等功能。用户单元包括收发信机，提供一个面向基站的无线接口和面向用户的标准接口。用户标准接口实现协议转换、代码转换等功能。无线基站和用户单元之间用微波、扩频微波或无线光通信相连。基站把网络侧进来的符合网络标准的数字信号，转换成数字空中接口信号。用户单元接收基站发来的无线信号，并将其转换成模拟信号或标准数字信号，再用有线手段与用户设备(电话机等)相连［２］。
2．无线基站和本地交换机之间的标准接口—V5接口
近年来，无线基站和本地交换机之间多建议采用V5接口。V5接口属于接入网(Access Network，简记为AN)和交换机的业务节点之间的业务节点接口。根据接口容纳的链路数目(速率)和有无集线功能，V5接口可分为V5.1和V5.2。
V5.1接口由一条单独的2 048 kbit/s链路构成，但不限制AN和本地交换机之间V5.1链路的数目，它可以支持PSTN接入、基于64 kbit/s的综合业务数字网(ISDN)基本接入和用于半永久连接的不加带外信令信息的其它模拟接入或数字接入。这些接入类型都具有指配的承载通路分配，即用户端口与V5.1接口内的承载通路有固定的对应关系，在AN内无集线能力，使用一个时隙传公共控制信号，其它时隙传话音信号。
V5.2接口按需要可以由1～16个2 048 kbit/s并行链路构成，可支持PSTN接入、ISDN基本接入(2B＋D)、ISDN一次群速率接入(30B＋D)和用于半永久连接的不加带外信息的其它模拟接入或数字接入。这些接入类型都具有灵活的、基于呼叫的承载通路分配方式，并且在AN内和V5.2接口上具有集线能力［３，４，５］。
V5接口的最大优点是能够支持不同的接入方式，使本地交换机可以容纳各种接入设备。但V5接口用于FWA时还存在一定的问题。V5.1接口支持单个的2 048 kbit/s接口，协议简单，但承载通路的时隙分配是固定的，无集线能力，即使该时隙无语音信息也要发送，因此带宽利用率很低。V5.2接口最多可支持16个2 048 kbit/s接口，可以动态分配时隙，有集线功能,但协议复杂，实现代价高。正常传输时仍要传输未占用时隙的数据，也未充分利用带宽资源。
众所周知，无线接入技术中可用的频带是有限的。如前文所述，FWA的诱人之处正在于其灵活高效、低成本，而V5接口的上述特点则限制了其大量应用。
三、基于ISDN一次群速率接口的接入方案
为了能够有效的利用空中带宽资源，并实现语音业务可靠接入，我们提出了一种不利用V5接口的无线接入方案，这种方案基于ISDN一次群速率接口接入主干网。由于目前ISDN网已得到广泛应用，主干通信网基本提供ISDN的标准入口，因而我们设计实现的接入系统具有广泛适用性。本节重点介绍这种方案的原理。
这种接入系统的网络结构如图2所示。系统由基站设备和用户站设备组成，最多可支持10个用户站的语音业务的接入。用户电话终端先连接到ISDN用户自动交换机ISPBX，再通过FWA系统连接到ISDN端局交换机，即可实现话音业务接入。基站设备与ISDN端局交换机之间通过4个一次群速率的E1接口相连，用户站设备通过1个一次群速率的E1接口与ISPBX相连，即10个用户站可通过共用4路一次群速率接口接入ISDN网络。基站通过一定的资源分配方案实现10个一次群速率接口到4个一次群速率接口的复用和连接。
这种接入方案实现的2个关键技术是多址接入方式和信令的处理，下面分别介绍。
1．多址接入方式
各个用户站在上行方向共享空中信道。在本系统中，为了在各用户站之间灵活的分配带宽，保证各用户站以公平、高效的方式共享空中资源，采用预先提出带宽请求的方式来预约带宽，预约带宽成功后进行业务传输，业务传输结束后释放带宽。
具体处理时，要对语音业务中的信令信息进行分析、监测，一旦E1中的某一路语音业务出现呼叫请求信号，则提出带宽请求。预约带宽成功后，在其后的整个语音通话过程中一直保持，直到该路语音业务终止，释放相应带宽，使其可重新被其它业务占用。
本系统的多址接入方案有如下特点：
（１）基站集中控制
基站设备负责整个带宽(包括上、下行)的分配。用户站将各自的带宽请求提交给基站后，基站根据用户提交请求的先后顺序、业务类型和申请带宽大小，考虑到公平性和优先级，结合当前带宽的分配情况，对各个请求统一进行处理，并将带宽分配的结果反馈给各用户站。
（２）带宽请求信道和业务信道可包含在同一个突发帧内
在上行方向，用户站提出带宽请求来预约带宽时需要占用一定的信道。如果分配单独的请求信道，则会增加用户站突发的次数，因此我们将用户站的带宽请求信道和实际业务传输信道合在一个突发帧中。考虑到用户站的数目(10个)和时隙划分的数目(123个)相比较少，在每个用户站注册的时候即分配该用户站一个初始时隙。该时隙既可用于带宽请求，也可用于传输特定的业务，如用户站和基站之间的监控信息等。此后用户站的所有带宽申请消息，均通过该初始时隙发给基站，而基站分配给具体业务的时隙则附加在初始时隙后面。
（３）通过位置来区分不同的语音话路业务
多路语音业务同时传输的时候，每一路语音业务在一帧内所占的字节数固定(上行34字节，下行33字节)。整个语音业务区的字节数是单路语音业务字节数的整数倍。通过每路语音在整个帧中的排列顺序，可以区分不同的语音话路，并根据带宽分配的情况识别第几路语音来自哪个用户站的E1接口中的哪一路。
2．信令的处理和接续
信令系统是通信系统的重要部分。在我们设计的FWA系统中，为了保证语音业务正常运行、接续、控制和维护，进行有效、可靠的信令的处理是关键。
在此系统中，为了高效的利用空中资源，我们设计了如下信令机制：
（１）空中分配专门的信令时隙传送D通道的信令消息；
（２）对于D通道中的空闲消息，仅在无线链路中传输有效消息，空闲消息不传输；
（３）承载业务时隙内容只在该时隙有承载业务时传送，在空闲的情况下不传送，这一点是系统设备通过分析信令来决定的。
此FWA系统位于ISDN端局交换机和ISDN用户自动交换机ISPBX之间。在ISDN网络中，ISDN端局交换机和ISDN用户自动交换机ISPBX之间传输的信令是ISDN用户－网络接口协议(DSS1协议)。
ISDN基群速率用户－网络接口应用30B＋D的信道结构，基群速率接口的第一层协议采用I.431建议，第二层协议采用I.440/I.441(ITU-T Q.920/Q.921)，第三层协议采用I.450/I.451(ITU-T Q.930/Q.931)。
第一层协议的主要功能是提供ISDN用户－网络接口的电气和物理特性。第二层协议的任务是管理各终端与网络间的信息的转移。通常在该层中采用D通路链路接入规程LAPD，属于ISO制定的高级数据链路控制HDLC的子集。第三层利用第1～2层的信息传送功能，在用户－网络间发送与接收各种控制信息，并按用户的要求对信息通路的建立、保持与释放进行控制。由于它是对呼叫过程的控制，因此通常将第三层的协议称为呼叫控制协议［６］。
接入系统的基站和用户站设备有专门的信令处理模块负责处理与呼叫控制相关的各种信令，包括分析消息的类型和含义、识别与呼叫发起、通话过程和呼叫结束相关的各种消息，从而向基站提出带宽分配与释放申请，达到空中带宽动态分配和承载业务有效传输。
四、系统具体实现
依据上述思路，我们设计并硬件实现了一个宽带FWA系统。该FWA系统工作于3.5 GHz频段，提供一个E1接口和一个10/100 BaseT接口，可同时接入语音和IP业务。系统中实现语音业务子系统的硬件结构框图如图3所示。
其中各部分的功能为：
(1)ISDN基群速率接口处理器：从物理层接口接收和发送E1物理码流，对其进行比特恢复、HDB3编解码、时钟同步、帧定位、信令时隙提取、数据链路接入、告警等。
(2)ISDN信令处理器：完成信令协议的解析、信令包的提取和恢复。对从D通道提取的信令包进行分析和修改，并将其打成固定格式的数据包，向空中接口传送；对从空中接口收到的数据包进行信令包恢复、修改，并将其适配到E1帧中的信令时隙传输。
(3)数据处理器：完成承载业务时隙数据的处理，如业务适配。根据业务会聚和带宽分配的要求，将接收到的有通话业务的话路数据进行提取，转换成空中传输时所需的特定格式，完成业务会聚的要求；对从空中接口收到的语音数据进行分析，提取，组装成E1帧格式的帧传送。
(4)无线接入控制：通过按需分配带宽来控制各用户站语音业务对上行共享信道的访问；控制用户站E1接口与基站E1接口中话路的映射关系；控制空中无线部分数据的传输；控制用户站的注册和对接入系统的维护、状态监视和管理。
(5)基带处理：包括防误码扩散的扰码技术、信道编译码、物理帧处理、信号的调制与解调、信道的均衡等功能。
(6)收发分系统：用户站天线采用窄波束定向天线；基站天线采用定向天线实现扇区灵活配置，可划分4个扇区；中频及射频处理采用二次变频超外差发射接收方式。
目前，我们已完成了整个系统的设计和分系统调试，系统已进入后仿真和测试阶段。分系统调试和测试的结果表明我们提出的语音业务的接入方案达到了预期目标。
五、小结
固定无线接入技术比传统的有线接入技术具备更大的灵活性，它比传统铜缆有线接入成本低，且系统部署迅速、扩容方便。在资源缺乏的新市场，这种方案的吸引力很大。目前，固定无线接入技术中还有许多需要解决和改进的地方。本文对固定无线接入系统的接口方式和接入方法进行了讨论，介绍了系统结构及原理，分析了标准V5接口的局限性，提出了一种基于ISDN网络的语音业务的接入方法，分析了其关键技术，进行了设计和硬件实现。结合项目，我们根据本文提出的方案实际设计了一个无线接入系统，并验证了该方案的可行性。
参考文献
［１］许明峰. 无线接入技术的应用前景J］. 无线通信技术，1998，（１）．
［２］朱洪波，傅海阳，等.无线接入网［M］. 北京：人民邮电出版社，2000．
［３］曲桦，李转年，韩俊刚. 接入网与V5接口［M］.北京：人民邮电出版社，1999．
［４］邮电部技术规定(1996)，本地数字交换机和接入网之间的V5.1接口技术规范［S］
［５］邮电部技术规定(1997)，本地数字交换机和接入网之间的V5.2接口技术规范［S］.
［６］邮电部技术规定(1997)，ISDN用户－网络接口规范［Ｓ］．
摘自 电讯技术
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