无线宽带接入通信系统论文_信息管理论文
www.77y4.cn 1. 引言
到今年底,全球移动电话用户总数突破了10亿大关,并有100多个国家的移动用户数超过了固定用户数。移动通信已成为普遍接入的必要手段之一,而不再是传统所认为的固定电话的补充。另一方面,定向话音仍是当前移动通信的主要业务,但包括高速数据在内的多媒体业务的比重逐年增加,预计今年话音业务和多媒体业务之比将为1:2 。移动多媒体业务是把文本、图形、语音和视频等以任意组合的方式给移动用户提供的服务。为了提供优质的移动多媒体业务,必须构筑大范围覆盖的高质量无线宽带网络。从今年开始,无线宽带网的建设进入高速发展阶段,许多国家均在政府支持和电信制造商、运营商的积极投入下,研究和建设各种不同类型的无线宽带网络。
我们知道,无线通信是利用无线电波(电磁波、激光)在空间的传播来传递声音、文字、图像和其它信息的。空间信道具有可移动性、共享性、广播性和可迅速建设等优点,同时也具有高干扰、强衰落、窄带宽的缺点。因此,无线宽带网络需要特殊的发送和接收技术来保证。本文按固定无线接入、移动无线接入和蜂窝移动三大系列介绍国内外无线宽带网络的现状和发展。
2.固定无线宽带接入通信系统
由于固定无线接入比移动通信场合容易现实操作,智能天线、软件无线电、现代编码调制及自适应信号处理等功率/频谱有效利用的新技术往往首先在固定无线接入中试验与装备应用,固定无线接入往往成为新一代移动通信的技术先导。
目前,与xdsl、hfc、fttx、apon等有线宽带传输的发展相对应,lmds、mmds、sfo等无线宽带接入亦在快速推进。固定无线宽带接入系统采用tdma和cdma等多址技术将点对点微波传输系统发展到一点对多点的无线集中系统,它可以提供本地交换局至终端用户之间的宽带通信服务。
2.1 本地多点分配接入系统 (lmds)
lmds在1998年被美国电信界评选为十大新兴通信技术之一。其最大的特点在于宽带特性,可用频谱往往达1ghz以上。在不同国家或地区,电信管理部门分配给lmds的具体工作频段及频带宽度有所不同,其中大部分国家将 27.5ghz~29.5ghz定为lmds频段。我国则采用26ghz及38ghz。
由于该技术利用高容量点对多点毫米波进行传输,它几乎可以提供任何种类的业务,如话音、数据及视频图像等,能够实现从64kbps到2mbps,甚至高达155mbps的用户接入速率,并具有很高的可靠性,被认为是一种"无线光纤"技术。它是解决电信接入网问题的利器,为电信运营商开展业务、发展用户提供了高成效、低成本的有效手段。尤其适合于新兴运营商进入电信市场。
lmds系统通常由四个部分组成:基础骨干网络、基站、用户端设备以及网管系统。由于lmds直接支持无线atm协议,可以使链路效率得到提高。
2.2 多点多信道分布式系统 (mmds)
lmds的缺点是覆盖范围小,为了覆盖30平方英里以上的面积,可以使用另外一种成本低廉的宽带无线技术—mmds技术,它有时被称为无线dsl。如图1所示,mmds不需要本地电信或有线广播公司的干涉就能够通过用户安装在屋顶上的天线为每位用户提供服务。
图1 mmds宽带接入图
mmds最初用于单向传输的影像广播服务,包括城市与城市之间的无线网络系统。现在则可以采用双向的数据业务传输,允许更加灵活地使用mmds频谱。而lmds技术,则属于区域性的无线技术,可被应用在城市内、郊区等小范围的通信网络,它们的比较如表1。
表1 lmds 与mmds的比较
2.3自由空间光通信(fso)
激光无线通信与以往的利用电磁波(radio)的无线通信相比,具有容量大、发射装置和功率小、不用政府特许证、对人体无影响等优点。但容易受到天气和障碍物的影响,一般用于近距离室内通信,如各种遥控信号的传递、微机间和手机间的数据通信等。现在开始应用到室外通信,但需要使用抗天气劣化的自适应技术。
自由空间光通信(fso)使用光脉冲调制信号,按照fso联盟的规定可以采用两个红外线波长:长波长1550nm和短波长800nm。以提供100、155和622mbps的数据速率。
3 移动无线宽带接入通信系统
移动通信是处于移动状态的通信对象之间的通信,一般采用无线方式。移动通信系统可以分为两大类:移动无线接入通信系统和蜂窝移动无线通信系统。前者依赖于现有网络系统,仅仅是现有网络的接入系统;后者是一个完全独立的网络系统,除了骨干传输部分外,都需要重新建立。移动无线接入通信系统以往主要包括第一代(ct1)、第二代(ct2)、第三代(ct3和phs)无绳电话,它们仅提供语音和低速数据业务。移动无线宽带接入通信系统则有以下几种:
3.1 宽带无线局域网络(wlan)
无线局域网络是便携式移动通信的产物,终端多为便携式微机。如图2所示,其构成包括无线网卡、无线接入点(ap)和无线路由器等。目前最流行的是ieee802.11系列标准,它们主要用于解决办公室、校园、机场、车站及购物中心等处用户终端的无线接入。
图2 802.11网络的典型应用
在802.11的基础上,ieee相继推出了802.11b和802.11a两个标准。三者之间技术上的主要差别在于mac子层和层。802.11b使用动态速率漂移,可因环境变化,在11 mbps、5.5 mbps、2 mbps、1 mbps之间切换,且在2mbps、1mbps速率时与802.11兼容。 802.11a工作在5ghz频段,物理层速率可达54mbps,传输层可达25mbps。 可提供25mbps的无线atm接口和10mbps的以太网无线帧结构接口,以及tdd/tdma的空中接口。
表 2 无线局域网标准比较
目前,2波段兼容(2.4ghz 802.11b 和 5ghz 802.11a)的产品最为流行,3波段 (2.4ghz 802.11b, 5ghz 802.11a和1.8 ghz gsm/gprs/wcdma) 产品也走出了实验室。另外,802.11g标准刚刚被推出,它可以在2.4ghz频段上实现54mbps的数据速率。
欧洲的宽带wlan标准是hiperlan2,它与ieee 802.11a非常相似。它希望和3g移动通信协议互通,并且能提供不同等级的qos,以满足多媒体或voip等不同类型的应用需求。
3.2 无线atm网络
无线atm的目的是在atm骨干网的基础上实现端到端的atm连接,以提供质量可保证的各种服务,如abr、vbr、cbr和ubr等。由于无线atm网络采用的无线传输信道与atm骨干网所采用的光纤传输信道具有很大的差异,一些新的问题,如介质共享性、广播性、较长的传输延时、较高的信道误比特率以及信道衰落的影响等等,必须加以解决。因而无线atm除了具有与atm相同的atm层、aal层以及信令部分外,还要增加与无线通信有关的无线物理层(phy)、介质访问控制层(mac)、数据链路控制层(dlc),以及相应的无线控制功能,这样才能在无线网络中实现atm服务。为支持对各种业务的服务质量控制,dlc协议常常针对不同的业务采用不同的差错控制方式;mac协议则一般采用信道动态分配算法来支持业务速率的可变。
另外,无线atm通信网要支持移动用户,因此网络应具有移动管理功能。当无线atm通信网采用微蜂窝小区形式的网络结构时,越区切换控制就是移动管理的一项关键技术。无线atm网和现有的移动通信系统(如gsm)相比具有一些不同的特点。例如,无线atm网可支持多种类型的业务及多速率业务的通信,越区切换时需保证各种业务的服务质量 (信元丢失率、延时等)不恶化;atm信元字头没有序号字段,越区切换时可能出现信元次序混乱,造成信元丢失;现有的atm网络采用固定vp/vc连接方式(即固定路由),而越区切换需更新原来的连接、重建路由。这就必须研究适用于无线atm网络的切换控制方案。
关于无线atm的无线接口方面和移动管理方面的标准分别由etsi和atm论坛负责制定。依据这些标准,许多无线atm系统被推出,如表3所示。无线atm技术在生活中的深层次应用主要包括如何帮助人们完成远程医疗、保健和。
表3 无线atm系统比较
移动无线宽带接入还包括欧洲acts项目中着名的awacs、samba及medlan系统,其工作频段分别使用19ghz、40ghz、61ghz等,median为室内慢速移动,awacs及samba可用于室外较高移动速度的情况,覆盖范围一般较小,为数十米至200米左右。它们的目标是实现155mbps乃至速率更高的移动或半移动环境下高速优质多媒体个人通信服务。
另外,在移动无线宽带接入通信方面还有两个技术动向应引起注意:
最近美国fcc公布了最新频率分配政策,批准有限使用在超宽频带(uwb)上传送高速数据的非许可无线系统,但uwb的使用须高于3.1ghz或低于960mhz。有些厂商已经开始推出uwb产品的试验样机,它最适用于拥挤的室内通信。
作为一种多跳无中心分布控制网络,自组网(ad hoc) 的研究方兴未艾,它组网灵活、生存力强,可以迅速应用到某些特殊环境和紧急情况, 是无线网络发展的新方向。
4.蜂窝移动无线通信系统
蜂窝移动无线通信系统是当前移动通信的主力军,它采用蜂窝结构,频率可重复利用,实现了大区域覆盖;并支持漫游和越区切换,实现了高速移动环境下的不间断通信。从70年代起,它已经历了第一代(1g)、第二代(2g)并开始进入第三代(3g),未来向超(beyond)3g过渡。图3描述了移动无线接入和蜂窝移动无线通信系统
到今年底,全球移动电话用户总数突破了10亿大关,并有100多个国家的移动用户数超过了固定用户数。移动通信已成为普遍接入的必要手段之一,而不再是传统所认为的固定电话的补充。另一方面,定向话音仍是当前移动通信的主要业务,但包括高速数据在内的多媒体业务的比重逐年增加,预计今年话音业务和多媒体业务之比将为1:2 。移动多媒体业务是把文本、图形、语音和视频等以任意组合的方式给移动用户提供的服务。为了提供优质的移动多媒体业务,必须构筑大范围覆盖的高质量无线宽带网络。从今年开始,无线宽带网的建设进入高速发展阶段,许多国家均在政府支持和电信制造商、运营商的积极投入下,研究和建设各种不同类型的无线宽带网络。
我们知道,无线通信是利用无线电波(电磁波、激光)在空间的传播来传递声音、文字、图像和其它信息的。空间信道具有可移动性、共享性、广播性和可迅速建设等优点,同时也具有高干扰、强衰落、窄带宽的缺点。因此,无线宽带网络需要特殊的发送和接收技术来保证。本文按固定无线接入、移动无线接入和蜂窝移动三大系列介绍国内外无线宽带网络的现状和发展。
2.固定无线宽带接入通信系统
由于固定无线接入比移动通信场合容易现实操作,智能天线、软件无线电、现代编码调制及自适应信号处理等功率/频谱有效利用的新技术往往首先在固定无线接入中试验与装备应用,固定无线接入往往成为新一代移动通信的技术先导。
目前,与xdsl、hfc、fttx、apon等有线宽带传输的发展相对应,lmds、mmds、sfo等无线宽带接入亦在快速推进。固定无线宽带接入系统采用tdma和cdma等多址技术将点对点微波传输系统发展到一点对多点的无线集中系统,它可以提供本地交换局至终端用户之间的宽带通信服务。
2.1 本地多点分配接入系统 (lmds)
lmds在1998年被美国电信界评选为十大新兴通信技术之一。其最大的特点在于宽带特性,可用频谱往往达1ghz以上。在不同国家或地区,电信管理部门分配给lmds的具体工作频段及频带宽度有所不同,其中大部分国家将 27.5ghz~29.5ghz定为lmds频段。我国则采用26ghz及38ghz。
由于该技术利用高容量点对多点毫米波进行传输,它几乎可以提供任何种类的业务,如话音、数据及视频图像等,能够实现从64kbps到2mbps,甚至高达155mbps的用户接入速率,并具有很高的可靠性,被认为是一种"无线光纤"技术。它是解决电信接入网问题的利器,为电信运营商开展业务、发展用户提供了高成效、低成本的有效手段。尤其适合于新兴运营商进入电信市场。
lmds系统通常由四个部分组成:基础骨干网络、基站、用户端设备以及网管系统。由于lmds直接支持无线atm协议,可以使链路效率得到提高。
2.2 多点多信道分布式系统 (mmds)
lmds的缺点是覆盖范围小,为了覆盖30平方英里以上的面积,可以使用另外一种成本低廉的宽带无线技术—mmds技术,它有时被称为无线dsl。如图1所示,mmds不需要本地电信或有线广播公司的干涉就能够通过用户安装在屋顶上的天线为每位用户提供服务。
图1 mmds宽带接入图
mmds最初用于单向传输的影像广播服务,包括城市与城市之间的无线网络系统。现在则可以采用双向的数据业务传输,允许更加灵活地使用mmds频谱。而lmds技术,则属于区域性的无线技术,可被应用在城市内、郊区等小范围的通信网络,它们的比较如表1。
表1 lmds 与mmds的比较
2.3自由空间光通信(fso)
激光无线通信与以往的利用电磁波(radio)的无线通信相比,具有容量大、发射装置和功率小、不用政府特许证、对人体无影响等优点。但容易受到天气和障碍物的影响,一般用于近距离室内通信,如各种遥控信号的传递、微机间和手机间的数据通信等。现在开始应用到室外通信,但需要使用抗天气劣化的自适应技术。
自由空间光通信(fso)使用光脉冲调制信号,按照fso联盟的规定可以采用两个红外线波长:长波长1550nm和短波长800nm。以提供100、155和622mbps的数据速率。
3 移动无线宽带接入通信系统
移动通信是处于移动状态的通信对象之间的通信,一般采用无线方式。移动通信系统可以分为两大类:移动无线接入通信系统和蜂窝移动无线通信系统。前者依赖于现有网络系统,仅仅是现有网络的接入系统;后者是一个完全独立的网络系统,除了骨干传输部分外,都需要重新建立。移动无线接入通信系统以往主要包括第一代(ct1)、第二代(ct2)、第三代(ct3和phs)无绳电话,它们仅提供语音和低速数据业务。移动无线宽带接入通信系统则有以下几种:
3.1 宽带无线局域网络(wlan)
无线局域网络是便携式移动通信的产物,终端多为便携式微机。如图2所示,其构成包括无线网卡、无线接入点(ap)和无线路由器等。目前最流行的是ieee802.11系列标准,它们主要用于解决办公室、校园、机场、车站及购物中心等处用户终端的无线接入。
图2 802.11网络的典型应用
在802.11的基础上,ieee相继推出了802.11b和802.11a两个标准。三者之间技术上的主要差别在于mac子层和层。802.11b使用动态速率漂移,可因环境变化,在11 mbps、5.5 mbps、2 mbps、1 mbps之间切换,且在2mbps、1mbps速率时与802.11兼容。 802.11a工作在5ghz频段,物理层速率可达54mbps,传输层可达25mbps。 可提供25mbps的无线atm接口和10mbps的以太网无线帧结构接口,以及tdd/tdma的空中接口。
表 2 无线局域网标准比较
目前,2波段兼容(2.4ghz 802.11b 和 5ghz 802.11a)的产品最为流行,3波段 (2.4ghz 802.11b, 5ghz 802.11a和1.8 ghz gsm/gprs/wcdma) 产品也走出了实验室。另外,802.11g标准刚刚被推出,它可以在2.4ghz频段上实现54mbps的数据速率。
欧洲的宽带wlan标准是hiperlan2,它与ieee 802.11a非常相似。它希望和3g移动通信协议互通,并且能提供不同等级的qos,以满足多媒体或voip等不同类型的应用需求。
3.2 无线atm网络
无线atm的目的是在atm骨干网的基础上实现端到端的atm连接,以提供质量可保证的各种服务,如abr、vbr、cbr和ubr等。由于无线atm网络采用的无线传输信道与atm骨干网所采用的光纤传输信道具有很大的差异,一些新的问题,如介质共享性、广播性、较长的传输延时、较高的信道误比特率以及信道衰落的影响等等,必须加以解决。因而无线atm除了具有与atm相同的atm层、aal层以及信令部分外,还要增加与无线通信有关的无线物理层(phy)、介质访问控制层(mac)、数据链路控制层(dlc),以及相应的无线控制功能,这样才能在无线网络中实现atm服务。为支持对各种业务的服务质量控制,dlc协议常常针对不同的业务采用不同的差错控制方式;mac协议则一般采用信道动态分配算法来支持业务速率的可变。
另外,无线atm通信网要支持移动用户,因此网络应具有移动管理功能。当无线atm通信网采用微蜂窝小区形式的网络结构时,越区切换控制就是移动管理的一项关键技术。无线atm网和现有的移动通信系统(如gsm)相比具有一些不同的特点。例如,无线atm网可支持多种类型的业务及多速率业务的通信,越区切换时需保证各种业务的服务质量 (信元丢失率、延时等)不恶化;atm信元字头没有序号字段,越区切换时可能出现信元次序混乱,造成信元丢失;现有的atm网络采用固定vp/vc连接方式(即固定路由),而越区切换需更新原来的连接、重建路由。这就必须研究适用于无线atm网络的切换控制方案。
关于无线atm的无线接口方面和移动管理方面的标准分别由etsi和atm论坛负责制定。依据这些标准,许多无线atm系统被推出,如表3所示。无线atm技术在生活中的深层次应用主要包括如何帮助人们完成远程医疗、保健和。
表3 无线atm系统比较
移动无线宽带接入还包括欧洲acts项目中着名的awacs、samba及medlan系统,其工作频段分别使用19ghz、40ghz、61ghz等,median为室内慢速移动,awacs及samba可用于室外较高移动速度的情况,覆盖范围一般较小,为数十米至200米左右。它们的目标是实现155mbps乃至速率更高的移动或半移动环境下高速优质多媒体个人通信服务。
另外,在移动无线宽带接入通信方面还有两个技术动向应引起注意:
最近美国fcc公布了最新频率分配政策,批准有限使用在超宽频带(uwb)上传送高速数据的非许可无线系统,但uwb的使用须高于3.1ghz或低于960mhz。有些厂商已经开始推出uwb产品的试验样机,它最适用于拥挤的室内通信。
作为一种多跳无中心分布控制网络,自组网(ad hoc) 的研究方兴未艾,它组网灵活、生存力强,可以迅速应用到某些特殊环境和紧急情况, 是无线网络发展的新方向。
4.蜂窝移动无线通信系统
蜂窝移动无线通信系统是当前移动通信的主力军,它采用蜂窝结构,频率可重复利用,实现了大区域覆盖;并支持漫游和越区切换,实现了高速移动环境下的不间断通信。从70年代起,它已经历了第一代(1g)、第二代(2g)并开始进入第三代(3g),未来向超(beyond)3g过渡。图3描述了移动无线接入和蜂窝移动无线通信系统
[1]
www.77y4.cn