宽带城域网的无线接入

1/1/2008来源:无线技术人气:3993

摘要:文章对城域网及宽带无线接入的基本概念作了介绍,对宽带无线接入的不同技术方式进行了分析和比较,讨论了本地多点分配业务系统和其它无线接入技术在宽带城域网应用中需要关注的要害问题??无线接入的网络治理、调制方式和接入协议,重点讨论了无线接入网的安全问题。

要害词:城域网;宽带无线接入;本地多点分配业务;多信道多点分配业务

Abstract:The paper introdUCes the essential concepts of metropolitan area network and broadband wireless access. Some analysis and comparison among broadband wireless access technologies are given. Key PRoblems of LDMS and other wireless access technologies when applied in Broadband Metropolitan Area Networks are discussed, such as the network management, modulation mode and access protocol, with emphases on network safety and security.

Key Words:Metropolitan area network; Broadband wireless access; LMDS; MMDS

  随着城域网、局域网和Internet的快速发展,人们对通信业务的接入能力提出了更高的要求。宽带通信业务和多媒体通信业务的发展使得在一个接入平台上能够综合各种接入技术显得越来越重要。光接入网的解决方案很理想,但实现起来费用成本较高。无线接入网是有线网的必要补充,不仅可以满足移动、重定位、非凡网络应用的要求,还能覆盖有线网络难以达到的范围。MMDS、LMDS等技术的提出使得宽带无线接入技术日趋成熟。宽带无线接入网是一个正在兴起的发展领域,吸引了政府、产业界及学术界的广泛关注。本文将对其实现形式及需要关注的要害问题进行讨论。

  1 宽带城域网

  城域网的概念由计算机网络演化而来,是指介于广域网和局域网之间,以比局域网更高的速率在城市及郊区范围内实现信息传输与交换的一种网络。城域网作为公共基础设施,可以高速有效地传输数据、声音、图像和视频等信息,满足人们对高容量的需求。

  宽带城域网以ip和ATM电信技术为基础,完成各种带宽业务接入,是不断发展的、开放的多媒体通信网络。宽带城域网技术包括光传输、网络互连、业务整合与高层应用等技术。图1为通常采用的宽带城域网的网络结构形式。

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图1 宽带城域网网络结构

  宽带城域网的网络结构包括主干网和接入网,包含数据交换设备、城域传输设备、接入设备和业务平台设备等。其通过各类网关实现传统的话音、高低速数据、视频图像、多媒体、IP接入等各种增值业务及智能业务的本地综合业务网络。

  宽带城域网无线接入技术是指从公用电信网的交换节点到用户驻地网或用户终端之间采用无线接入方式向用户终端提供电话、数据、Internet、VoD(视频点播)、广播视频和电视会议等宽带多媒体业务的技术。

  2 无线接入技术

  在接入网中,用户接入部分由于技术的原因达不到各类用户希望的业务要求,常成为业务增值的“瓶颈”。在宽带城域网中,用户接入部分对各类最终用户提供了各种各样的接入方式。无线接入方式在组网、安装、维护方面灵活快捷,而且系统开发运营成本低,因而成为当前研究的热点。

  2.1 宽带IP无线本地环路接入方式

  WLL(无线本地环路)由无线基站和用户单元组成(如图2所示)。无线基站侧提供了面向交换机V5标准的网络接口和面向用户侧的空中接口,把交换机侧送来的数字信号转换成数字空中接口信号,并完成空中接口的认证保密、资源治理、协议转换等功能。用户单元具有面向基站的无线接口和面向用户的传统接口(如RJ11、RJ45等),接收基站传送来的无线信号,并将其转换成用户所需的数字信号或模拟信号。传统接口可以完成认证、协议转换、代码转换等功能。交换机和基站系统间以标准的以太网接口连接,同时通过路由器实现宽带访问Internet。宽带IP WLL主要提供数据业务,可支持H.323协议,实现VoIP。


图2 无线本地环路结构

  2.2 移动IP接入方式

  移动接入目前主要有两种手段:一种是采用WLAN(无线局域网);另一种是借助公用移动通信网,如GSM网上的GPRS(通用分组无线业务)。WLAN采用IEEE 802.11 协议或ETSI的HiperWAN标准,可在一定范围内(如校园、企业或大建筑内)提供低移动性的高速数据业务。WLAN保持了现有局域网高速率的特点,可以作为有线局域网的补充,在一定场合,甚至可以替换有线局域网。无线局域网具有1~11 Mbit/s的数据速率,工作在2.4 GHz的ISM频段,传输距离100 m。目前WLAN的发展格外引人注目。

  GPRS(通用分组无线业务)是适用于GSM系统的无线数据业务,它将分组交换模式引入(叠加)到GSM网络中,从而提高了无线网络的资源利用率。GPRS可以提供高达115 kbit/s的传输速率,并且能支持Internet的IP业务以及X.25业务。GPRS的基本原理是使多个用户共享某些共同的信道资源,它将每个时隙的传输速率从9.6 kbit/s提高到14.4 kbit/s。理论上,假如把TDMA(时分多址)一帧的8个时隙都用来传输数据,则最高传输速率可达164 kbit/s。实现GPRS需要在GSM网络中引入新的网络接口和通信协议,增加相应的SGSN(服务GPRS支持节点)和GGSN(网关GPRS支持节点)。

  2.3 多信道多点分配业务

  MMDS(多信道多点分配业务)是网络结构呈点对多点分布,工作在低频段,提供宽带业务的一种无线系统。它起源于一个利用微波传输多路电视信号的无线业务系统,比较适用于中小企业和集团用户。MMDS系统采用FDD(频率复用分割)双工方式,16QAM、64QAM等微波调制手段,扇区分割频率复用等技术,可以提供Internet接入、本地用户数据交换、话音和视频点播等多种业务。MMDS工作在比LMDS低得多的频率(频率范围为2~3 GHz),固定频率间隔3.5 MHz。所以干扰带来的影响比LMDS要小得多,由于采用了VOFDM(矢量正交频分复用)补偿技术,所以没有视线无障碍的要求。

  2.4 本地多点分配业务

  LMDS(本地多点分配业务)工作于10~66 GHz频段,不支持移动业务,是宽带无线点对多点接入技术。该技术利用毫米波传输,可以提供双向话音、数据及视频图像业务,还可提供各类承载业务(如FR、ATM等)。它不必使用光纤和光端口设备,是一种全业务系统,具有很高的可靠性,被称之为“无线光纤”接入技术;采用点(基站)对多点(远端站)组网方式,基站直接连入广域网,实现宽带接入。LMDS系统采用多扇区、多小区的空间分割技术,使系统的容量能呈数量级地增长。LMDS系统最大的优点是频谱利用率高,典型的系统可支持高达45 Mbit/s下行和10 Mbit/s上行的传输速率,可获得较高的带宽和类似光纤的QoS(服务质量);缺点是无线链路之间的距离有限,需要建立足够的小区覆盖来抗“雨衰”影响。LMDS是一种视线技术。LMDS具有网络建设周期短、投资少、开通快捷、盈利快等优点,且工作频带宽。

  LMDS组网极为灵活方便,而且使用成本低,能以点对多点的广播信号传输方式提供高速率、大容量、点对多点的高可靠性、全双工的宽带接入手段。LMDS可在较近的距离(3~10 km)实现用户远端到骨干网的宽带无线接入,以进行包括语音、数据、图像等多种业务在内的传输,也可作为Internet的接入网。此外,LMDS的蜂窝式结构配置可覆盖整个城域范围,因此可用来构造宽带城域网。

  LMDS一般可作为新的电信运营商构筑接入网的技术和手段,可作为一种传输手段,也可用作小区、企业等内联网建设。目前已有阿尔卡特、爱立信、P-COM等公司生产和研发出LMDS设备,并得到使用,还有一些国家和地区(包括中国)正在进行LMDS实验网建设。目前各厂商制造的LMDS设备分别按照自己的标准设计,彼此之间不能兼容。ITU-T有关LMDS标准的IEEE 802.16协议已通过评议即将颁布,欧洲的ETSI也正在制定LMDS标准,称之为HiperMAN标准。完全有理由相信会有越来越多的运营商以及用户将采用LMDS系统开展各种业务。

各种宽带接入技术方式均有其优势和劣势,表1所列为各种宽带接入技术方式的比较。

  表1 各种宽带接入技术方式比较

接入方式
优点
缺点
IP WLL
无线传输采用扩频技术:扇区分割利于频率复用,并提高了系统容量
宽带业务的传输质量没有保证
移动IP
支持信息的随时获取
宽带比以太网接入方式小,GPRS可支持的数据速率只有115kbit/s,但802.11b的WLAN可支持高达11Mbit/s的速率
MMDS
适用于用户相对分散,容量较小的地区;覆盖区域广,半径可达32-48km
有阻塞问题,且信号质量易受天气变化的影响,可用频带亦不够宽,最多不超过200MHz
LMDS
宽带可达1GHz以上,容量大、投资少、盈利快
受“雨衰”等恶劣天气影响较大

  3 无线接入网络治理

  无线接入网的治理是个复杂的问题,不同的无线接入系统应有适合各自特点的网管系统。一般地说,无线接入网的网络治理应具有如下几点共性:

  (1)功能全面

  接入网技术复杂多样,所以接入网的治理系统功能应全面;应基于开放的协议而构建,要求技术先进、层次高,能对不同厂商的设备实行综合治理;应形成多级治理,既能对设备进行治理,又能对信道的性能进行监控。

  (2)适应性好

  治理系统应能随着网络的不断扩展而调整,应能支持多种操作系统,移植性好。治理功能应模块化,可动态增删。

  (3)实时性和有效性高

  支持多用户治理,可用于现场操作与维护,保证用户的服务质量。支持通过PSTN进行治理。

  (4)成本投入低

  成本是运营商盈利所必须考虑的问题。也是接入网能否应用的核心问题,网络治理系统作为接入网的一个重要组成部分,其成本直接影响接入网的成本高低。在当今多种技术竞争激烈的情况下成本问题尤显重要,因此接入网的网管系统要求技术先进、成本低。

  4 无线接入调制方式

  无线接入的调制方式采用混合高效的调制方式。无线接入主要采用线性调制技术中QPSK(正交移相键控)、16QAM(十六进制正交幅度调制)和64QAM(六十四进制正交幅度调制)调制方式,以适应不同带宽及覆盖范围的需求。QPSK具有固定的参考相位,以四进制码元本身的相位值来表示,具有较好的抗干扰性能,在中小容量数字通信系统中得以广泛采用。MQAM(多进制正交幅度调制)具有很高的频谱利用率,在中、大容量数字通信系统中大量使用,64QAM在光通信和无线宽带通信领域中被广泛应用。使用多电平调制可以获得频谱效率的提高,但是维持高的信噪比,又会使覆盖范围受到限制。MCM(多载波调制)将要传输的数据流划分成速率较低的若干个子数据流,并将这些子数据流用若干个子载波分别调制。CCK(补码键控)调制解调方式已经在WLAN中运用,可调制5 Mbit/s和11 Mbit/s这样高速率的数据。一般人们采用QPSK、16QAM和64QAM、MCM等多种调制混合方式,并在使用中按需求动态地选择具体的调制方式,有利于带宽、容量的有效使用,覆盖区域的优化及系统投资的降低。

  5 宽带无线接入协议

  一般说来,对于IP业务,从接入网终端到接入节点间链路层采用PPP协议、以太网协议或其它专门为具体应用而定制的链路层协议(包括MAC层协议);从网络层面上,一般可按照OSI协议标准体系来构筑。无线接入协议(包括上层的协议)结构如图3所示。图4为IEEE 802定义的LMDS网络承载层的协议结构,还表示了位于MAC层中的安全子层。



图3 无线接入协议框架


图4 LMDS承载层协议结构

  6 无线接入网的网络安全

  安全问题既是保证系统设备正常工作,又是系统能否提供加密措施并保证信息不被非法窃取的大问题。

  LMDS具有自动发射功率控制、实时监测信道等级、实时调整每个远端站发射电平(采用ATPC技术)的特性,可以有效地减少网络干扰,增加频率复用效率,提高系统性能。用户可以通过治理系统在中心站查看整个网络,对整个系统配置进行浏览、修改、网络故障定位。对系统告警按时间进行标记并记录在文件中。

  MDS系统可以对主要功能部件进行冗余备份,能够自动切换以保障系统稳定可靠地运行。

  要保证系统安全可靠地运行,有3个方面需要予以考虑,首先,要在物理系统上保证高的可靠性,对接入网系统也是一样。其次,扩频(Spread Spectrum)通信技术将所想要传递的信息加入一个特定的信号后,在一个比原来信号宽的频带上传输。当基站接收到信号后,将加入的特定信号删除,进行信号还原。这在一定程度上提供了机密性,但仅仅依照扩频技术来进行保密通信是不够的。要在通信中保持机密性,必须对数据流进行加密处理。如CDPD(蜂窝数字分组数据通信)接入技术在数据的安全性方面,采用RC4技术加密数据流,安全性得到一定程度的保证。对正反向信道,采用密钥不对称方式,密钥由交换中心把握,移动终端登录一次,交换中心自动核对旧密钥及更换新密钥一次,对密钥实行动态治理。CDPD在用户授权登录上也配置了各种功能,只有授权使用的用户才能登录系统。最后,因为无线系统在物理上开放的媒介性质不同于有线媒介的固定连接性,因此通信信息在空中轻易被截取,安全问题变得更为重要。信息安全应该包括信息的保密性(Confidentially)、完整性(Integrity)、可用性(Availability)和可控性(Controllability)。为达到这个目标,一般认为有5种通用的安全业务:认证业务、控制业务、保密业务、数据完整性业务和不可否认业务。

完善的网络必须从各个方面来解决网络安全问题。从OSI开放系统的结构分析可以知道,安全应该从每个层次入手,完善的安全系统应该是层层安全的。构架新一代的安全体系结构并在实际中加以实现,对于无线宽带接入网络的实现与发展将是必不可少的。

  GPRS、WLAN及LMDS等系统都对系统的安全性给予了高度关注。在网络层,IPsec是一个行之有效的安全协议;在高层包括应用层均需构建相应的安全机制,如传输层采用TLS安全协议,应用层根据不同的应用对象,建立不同的安全机制,对电子商务、网上银行等应用,更需采用强认证及加密措施以保证这些服务的可靠实施;对数据链路层也应采取加密措施以防止窃听者“窥视”。宽带无线接入协议MAC层中的安全业务主要包括MAC层的数据加密协议、认证协议以及KMP(密钥治理协议)。通过密钥安全治理协议,基站控制密钥的分发,拒绝无认证的接入和数据传输请求,避免服务被盗用,为用户安全可靠地接入无线宽带网络提供保障。通过基于认证与密钥治理协议的数字证书(如PKI体系)可以进一步加强宽带无线接入系统的安全性能。实用中,一个安全系统应层层设防,以防止某一层的安全被攻破,导致系统的全面崩溃。当然,过多的安全设防会导致过多的数据加解密处理,带来系统数据传输效率的下降。但是,无论如何,安全机制的采用,在给用户带来可靠的通信和服务的同时,不能给用户带来不便。

  只有在构筑无线宽带接入网基础结构体系时就对安全问题有足够的重视,才能在新一代无线通信网上的网络安全解决中取得主动。新一代无线通信网安全的要害技术将成为无线宽带接入网技术研究中的重要技术之一。

  7 结束语

  BWAN(宽带无线接入网络)作为提供灵活性、机动性和综合业务的重要手段,被人们广泛予以关注,并已展现了其美好的应用前景。事实上,宽带无线接入的许多技术,如无线ATM、无线以太网、无线IP、LMDS系统等技术正从概念迅速发展成具体的研究和应用目标,各种技术都可能受到市场的推动,非凡是基于IP的宽带无线接入网络技术更有可能脱颖而出。

  对于任何一种新兴技术和产业,好的应用前景是决定其成功的要害。综合性城域接入、社区宽带接入、移动和准移动应用、中小企业应用、不发达地区的宽带覆盖和智能家庭网络等都是目前无线接入应用方面非常热门的话题。

  在激烈的竞争中,功能强大的应用和个性化的服务是决定运营者成功的要害,也是技术得以发展的根本出发点。

  参考文献

1 Stallings W著.局域网与城域网.毛迪林等译.第6版.北京:电子工业出版社,2000
2 LanF Akyildiz. HALO(High Altitude long Operation):Broadband Wireless Metropolitan Area Network. IEEE Mag, 1999
3 Pahlavan K, Levesque. Wireless Information Network. New York:Wiley,1995
4 Conti M, Gregori E, Lenzini L. Metropolitan Area Network. New York:SpringerVerlag,1997
5 刘元安.宽带无线接入和无线局域网.北京:北京邮电大学出版社,2000
6 朱洪波,傅海阳.无线接入网.北京:人民邮电出版社,2000
7 李勇,陶智勇.宽带城域网实用手册.北京:北京邮电大学出版社,2000