——5GHz无线宽带接入系统
吴崇善
一、无线接入的发展趋势
将与有线接入方式竞争接入市场：在有线难以达到的地方，可作为有线的延伸和补充；在新建的工业园区和居民小区，可作为有线通信的应急手段和替代手段；在地下线缆施工困难的城镇，则成为有线接入有力的竞争对手。竞争的目标将是最终用户的数量，目前无线接入用户和有线接入用户的比例不到1:100。在两年内预计可达到1:10，而在5年后可能达到1:3，即无线接入正在进入快速发展的阶段。
向高频段、宽带宽、高速率、高频谱利用率发展：随着用户业务的多样化特别是宽带化，以往几kbps或十几kbps的信息速率已不敷使用，许多用户要求提供几十Mbps的信息速率。要提高信息速率，除了采用先进的双工技术、编码技术和调制技术外，最基本的就是更宽的频道带宽，相应的就是需要占据更高的频段。典型的例子就是在几百MHz频段，频道带宽只有几kHz到几十kHz，信息速率也就是在几十kbps以下；而在几GHz频段，频道带宽可达几MHz到十几MHz，信息速率也可达几Mbps到几十Mbps；若使用几十GHz的毫米波段，频道带宽高达一百多MHz到二百多MHz，信息速率则高达155Mbps甚至几百Mbps。无线电频谱是宝贵的稀缺资源，提高频谱利用率就是节约资源。
提供IP(Internet协议)传输业务：IP业务对无线接入网的要求是实时快速、宽带多媒体、上/下行不对称、易于扩展等。Internet上的信息传输是分组的，传输方式由TCP/IP（传输控制协议/Internet协议）规定，规定信息包怎样分层和分组，怎样重新组装，怎样在信道上传输等。TCP/IP分为链路层、网际层（IP层）、传输层（TCP层）和应用层，TCP为收、发两端提供双工传输协议，IP为不同的计算机网络提供互连协议。无线接入网应在传输和接口方面适应IP业务的需要。
适应不同用户的近于苛刻的多种需求：大致可归纳为电话、视像、高速数据的综合接入；风险投资小，启动开销低，适应初始用户少的环境；易于扩容，扩大覆盖区，适应用户快速增加的需求；简单、可靠、傻瓜化，减低维护开销；装、拆、搬迁简便快捷，保证投资不沉淀；具有灵活的接口能力，例如V5、ATM以及Ethernet接口等，以适应与不同网络的连接；具有抗恶劣环境的能力，例如室外工作、不受雨衰影响等。
无线接入技术向综合化、宽带化、智能化方向发展：综合化使用户实现多业务双向通信，宽带化使用户能随心所欲地传送动态视像，在Internet网上高速冲浪，智能化可是系统获得更多更好的功能，软件无线电技术则是智能化的有力工具。
二、5GHz是宽带无线接入技术的黄金频段
固定无线接入的工作频段很多。目前使用的有：450MHz频段的“无线农话”；1.5GHz频段的点对多点微波通信；2.4GHz频段的无线扩频通信；2.5～2.7GHz频段的数字双向MMDS（多点多信道分配系统）；3.5GHz频段的WLL（无线本地环路）；5.725～5.85GHz频段的点对点无线扩频通信等。可能发展的频段有：5GHz频段的宽带无线接入；10GHz、21GHz、24GHz、26GHz、28GHz、31GHz、38GHz频段的LMDS9本地多点分配业务）等。在2000年更有制造商推出了800nm波段的宽带无线红外光接入系统，成为名符其实的“无线光纤”。
一般而言，频段越低，可传输的信息速率也比较低。以3.5GHz频段为例，按国家通信行业标准《接入网技术要求-3.5GHz固定无线接入》规定，上行频段为3400～3430MHz，下行频段为3500～3530MHz；频段间隔为1.75、3.5、7和14MHz四种；采用频分双工；当复用/多址方式采用TDM/TDMA时，以频道间隔为3.5MHz所能传送的速率来比较，若采用QPSK或与其等效的调制方式时最低可传4Mbps,采用16QAM或与其等效的调制方式时最低可传8Mbps,采用64QAM或与其等效的调制方式时最低可传12Mbps；但调制方式越复杂，成本越昂贵、接收灵敏度越低、误码率越高、抗干扰能力越低，要保持一定的传输距离则需要更大的发射功率。目前在3.5MHz频段，按性能价格比排列，大多数用户选用3.5MHz带宽传输4Mbps速率，比较适合于少数小业务量用户的窄带低速无线接入使用。
而在高频段，国家目前还未制定相关的频谱规范，以26GHz频段为例，上行频段为25.557~26.061GHz，下行频段为24.549~25.053GHz；上行频道间隔为10MHz，下行频道间隔为56MHz；采用频分双工；上行每频道的传输容量按不同的调制方式分别为QPSK
13.3Mbps、16QAM 26.7Mbps、64QAM 40Mbps，下行每频道的的传输容量为QPSK
66.5Mbps、16QAM 133.5Mbps、64QAM 200.0Mbps；调制方式越复杂，接收灵敏度越低，所需发射功率越大；通信距离一般不超过3公里。在20GHz以上的频段，雨衰和多径的影响都比较严重，南方地区的雨衰几乎不可避免，雨衰的计算繁杂而不准确，甚至树叶的衰耗也不可忽视，加之技术难度大、设备成本高，大范围、大规模地投入无线接入市场尚有困难。至于无线光通信系统，由于不适于在雨、雪、浓雾和沙尘天气使用，显然在无线接入领域也不会占多少份额。
如果在传输带宽、传输速率、传输距离、传输质量、建设规模、投资成本、运营利润之间进行选择并折衷，在当今的技术条件下，5GHz频段对固定无线接入而言是性能价格比最高的黄金频段。
1997年1月，美国联邦通信委员会（FCC）宣布在5GHz频段分配三个100MHz频段，作为U-NII（无须许可证的国家信息基础设施）频段使用，以提供快速开通的高速无线数据通信。三个100MHz频段是：5.15~5.25GHz，规定其EIRP不大于23dBm，适用于室内无线通信；5.25~5.35GHz，规定其EIRP不大于30dBm，适用于近距离通信；5.725~5.825GHz，规定其EIRP不大于36dBm，适用于中等距离通信。通常人们选用5.725~5.825GHz来进行社区的宽带无线接入，以获得更佳的性能价格比。FCC规定频道间隔为15MHz，其它的限制很少，以鼓励制造商和运营商的创新，使有限的频谱资源获得更有效的利用。5GHz频段为用户在5~10公里的范围内建立宽带无线接入提供了方便，一般不需要考虑雨衰、沙尘和树叶的影响，人们普遍认为5GHz在接入领域会创造出巨大的社会效益和经济效益。
我国还没有出台5GHz频段的频率计划，但信息产业部无线电管理局十分关注此频段的开发利用，为推进固定无线接入业务的竞争和发展，建议在完善基础研究工作的同时，尽快开展5.725～5.825GHz宽带无线接入系统的技术试验。可以肯定，5.725～5.825GHz频段的试验试用，将为我国的宽带无线接入开辟一个新天地。
三、5GHZ宽带无线接入方案
由于FCC对5GHz频段的具体规定和限制比较少，这给研制者提供了较为自由的创意空间，可以选用多种多样的网络结构和技术体制。但聪明的研制者会运用自己的奇思妙想创造出一些独特的原理、工艺和技术，突破一些矛盾的焦点，在更高的层次上进行融合、兼顾和折衷，而不是一味地追求高、精、尖、新，从而获得更高的性能价格比和用户满意度。以下是一个5GHz宽带无线接入系统方案的例子。
1系统概述
组网方式：可采用蜂窝结构，每个蜂窝最多可分为6个扇区，第个扇区覆盖60°；也可组成点对多点结构，相当于单独一个扇区工作。
系统构成：
● 基站，每个基站可由1个或多个接入点组成，每个接入点有独立的收发信系统，每个基站配备一套ATM/Ethernet交换机和一台控制服务器；
● 用户单元，即远端站，一个接入点最多可带254个用户单元，而每个用户单元又可带许多用户终端；
●
网络管理系统，由网元管理服务器、网络管理终端和网络管理软件组成，网管协议采用SNMP（简单网络管理协议）。
系统特点：
● 宽带固定无线接入；
● 中心网管系统；
● 提供ATM25或Ethernet 10 Base T接口；
● 动态调整的TDD（时分双工）双工方式，频谱利用率高、信道利用率高、适合于上/下行对称或非对称通信业务；
● 微小时间片的TDMA多址方式，可以根据每个用户单元的优先级和各个业务的优先级动态地调整分配给各用户单元的ATM信元数，实现自适应按需分组，从而提高信道利用率；
● 空间传输以ATM信元为单位，一个接入点所辖所有用户单元所占用的信元数决定了这些用户单元所拥有的速率；
●
用户单元为全户外型设计，结构紧凑，便于安装，具有抗恶劣环境的能力；
● 整个系统开通便捷、维护容易。
2主要技术指标
● 工作频段：5.725～5.825GHz；
● 频道间隔：15MHz；
● 双工方式：TDD；
● 多址方式：TDMA；
● 调制方式：相干QPSK；
● EIRP：≤32.5dbm（发射功率14.5dBm，天线增益18dBi）；
● 接收门限（BER=10-4、SNR=14.4dB时）：-81.6dBm；
● 中频频率：902.5MHz；
● 传输速率：每扇区的上、下行总速率各为25Mbps;
● 覆盖半径：空间传输衰耗并非主要限制因素，而由于TDD保护时间和时延补偿的限制，典型设置为5.5km；
● 天线：接入点使用平板阵列天线，半功率角为水平60°、垂直7°，增益18dBi，极化软件
可调；用户单元使用平板阵列天线，半功率角为水平18°、垂直18°，增益18dBi，极化软件可调；
● 接口：接入点为ATM25或Ethernet 10BaseT；空中接口为自适应按需分组的ATM信元；用户单元为ATM25或Ethernet
10BasteT；
● 环境条件：接入点设备和用户单元均安装于室外，工作温度为-40～+55℃，允许相对湿度最高100%（+45℃时），允许最大风力50m/s。
3关键技术
（1）专利技术—自适应按需分组
接入点与用户单元之间的空间传输通过ATM信元，每个用户单元的业务量不同，一个用户单元不同时刻的业务流量也不同，各个用户单元的优先级不同，各个业务的优先级也不同，自适应按需分组技术即可按照这些不同的需求动态地给各用户单元分配适当的信元数。动态分配的微小时间片的TDMA技术，由于不同用户单元、不同时间的信元数不同，由它们组成的空间帧长就是可变的，在一帧中每个用户单元占用某个时间片或多个时间片，完全是动态按需分配的。另外，为了满足某些突发性业务和实时性强的业务的传输需要，还预留了一些固定时隙的信元，以备特需。
按需分配带宽，带宽的单位为信元；动态的调整上、下行带宽和各个用户单元的接入带宽，最大限度地提高信道利用率。
根据流量划分时段的TDD双工方式，在动态按需分配上、下行带宽和各用户单元接入带宽的基础上，动态地分配相应长度的时间段，实现时分双工工作，这种方式既适应合于上、下行业务对称，也适合于上、下行业务不对称的环境，其频谱利用率往往是频分双工的1.5倍到2倍。
（2）软件无线电
软件无线电技术是利用软件重组来重新配置无线电系统以实现某些特定的功能，提高系统的智能化和个性化水平。在本系统中采用RF模块化设计、金属片阵列天线，利用软件来改变阵列天线的极化方式（水平或者垂直）、调节射频RF衰减器的衰减值、动态选择信道、按需分配速率、保证负载均衡等，使人工操作的部分大为减少，同时有效的增加了系统功能，提高了频谱利用率。
（3）无线ATM
ATM是在电路交换、分组交换、帧交换的基础上发展起来的信元交换方式，每个信元长度53个字节（其中信头5字节、净荷48字节）,其特点是统计复用、信元长度固定、虚通道（VP）和虚信道(VC)交换、带宽动态分配、可综合多种业务。无线ATM是将ATM宽带业务延伸到无线接入网中，用以满足无线接入用户的高速、宽带、多媒体通信的需要。
无线ATM的基础原理是在固定无线网中采用基于ATM的宽带网络，无线接入部分为ATM信元提供可靠、透明的传输，从而使各用户单元能在各种环境下均能高效地接入宽带网络。与光纤ATM相比，由于无线信道属于时变、频变信道，存在多径效应，误码率高且突发型分布，从而使传输速率受到限制，进而降低频谱利用率。为了使无线ATM性能趋近于光纤ATM，需要在无线系统做出以下改进：增加DLC层（数据链路控制层）差错控制，以提高物理层的传输性能；增加信元序列代号，以保证信元连续传输；在无线信道上实现统计复用多路传输；改善VPI/VCI（虚路径识别/虚信道识别），以便于选定无线路径和信道，在本系统中VPI=0、每用户单元可以使用最多256个VCI;优选调制方式和多址方式，改善信道质量，本系统采用相干QPSK调制和TDMA多址方式。
本系统有丰富的协议支持特性，支持的协议包括：DHCP（动态主机配置协议），可为各用户单元自动地动态分配IP地址并提供配置信息；NAT（网络地址传输）协议，用户单元可作为一个NAT网关使用，自动将无线信道传来的Internet网的IP地址翻译成有线端的网络终端的目标地址；RFC1483
Bridging（ATM适配层5上的复用协议），为两个LAN（局域网）通过ATM网进行桥接提供了一种简单的方法；CLIP（基于ATM的典型IP）协议，它综合了IP和ATM的特点，在ATM网络上建立IP的点对多点传输，ATM是面向连接的网络协议，IP是无连接的网络协议，要在ATM网络传输IP报文帧，就需要CLIP进行IP地址到ATM地址的解析；PPPoA（基于ATM适配层5的点对点协议），为ATM网络中两个设备单元提供点对点的连接，并为通信提供AAA（验证、授权和计费）保证，可有效提高传输效率。
为了提高无线信道的效率，当ATM信元流进入无线信道时需进行ATM/TDMA的转换，以便去掉ATM信元流中的空闲信元，到接收端再恢复出ATM信元流，而为了恢复正确需在发端对每个ATM信元增设一个信元时间代号。
用户信元优先级的判断和控制，ATM业务分为CBR（恒定比特率业务）、rt-VBR（实时变比特率业务）、nrt-VBR（非实时变比特率业务）、UBR（未指定比特率）和ABR（可用比特率）5种。CBR业务如PCM电话，优先级最高，即优先级1；rt-VBR业务如实时图像，优先级居其次，即优先级2；nrt-VBR业务，优先级3；UBR和ABR业务，优先级最低，为优先级4。系统的通信控制协议按优先等级来改变用户信令中的控制参数和状态参数，动态地为用户分配系统资源。
（4）无线接力
当网络拓扑为点对多点的扇区通信时，每个接入点与用户单元之间的空中连接最多有256条路径，每扇区支持的用户单元数最多为254个（按识别号），系统可通过EMS（网元管理系统）动态、实时地进行配置管理。
当网络拓扑为点对点通信时，既可以用一个接入点对一个用户单元，也可以用一对用户单元来实现。当采用后者时，其中一个用户单元要加载接入点软件，变成接入从设备，由接入主设备控制MAC（媒体访问控制协议）成帧，给用户单元分配预留时隙，以实现点对点的空中接力。若接力主设备采用以太网方式终接，则空中接力速率可达10Mbps，若接力主设备以ATM方式终接，则空中接力速率可达25Mbps。
四、应用前景
鉴于5GHz宽带无线接入网的诸多特点、优势和环境适应性，许多制造商、运营商和宽带用户都十分关注其开放政策和应用前景。中国联通公司正在各省建设本地传输接入网（即城域网），每个城市都安排了一定数量的宽带无线接入网；中国网通公司正在建设全国的宽带数据网，除了光缆之外，也要求大量建设宽带无线接入网；中国移动公司没有城市光缆，则可借助宽带无线接入实现直接面对用户，也可为部分蜂窝基站提供无线接力；中国电信公司虽拥有大量的光缆线路，但许多地方仍然需要宽带无线接入通信；对于新型的工业园区和一些临时通信要求，特别是突发事件现场通信，宽带无线接入均有不可替代的应急宽带能力；近年来，各大城市许多IDC（Internet
数据中心）运营商也积极筹划建设自己的宽带无线接入网，以追求更大的市场利益；随着国家经济的持续快速发展，信息化智能小区如雨后春笋般发展起来，它要求通信系统能提供数据、语音、图象等业务的宽带传输通道，融合用户计费、用户认证、流量控制等管理功能，解决"最后一公里"的接入瓶颈问题；其它如大型企业、局域网互联、光缆的无线备份等均需要宽带无线接入。对上述应用，5GHz宽带无线接入系统将是一个有力的竞争者。
当今是一个技术领先于市场的时代。当一项新的技术出现时，用户往往不无需求，而是不理解。往往需要通过精心的广告、实际的演示、媒体的宣传、政府的规范等，才能识得"卢山真面目"。对于5GHz宽带无线接入网的推广应用宜采用技术牵引、创造需求、引导消费、培植市场的策略。可以相信，5GHz宽带无线接入系统一定会有十分广阔的发展前景。
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