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宽带无线接入技术的探讨----冯春燕

2/14/2005来源:接入系统人气:14629

宽带无线接入技术的探讨----冯春燕 一、引言 异步传送模式(ATM)作为宽带网络的核心技术,经过十多年的发展,已经不断地成 熟,特别是在数据通信领域得到了不同程度的应用。近年来,许多机构开始致力于将ATM 技术拓展到无线网络,从而将ATM特性应用于无线电媒体中。 基于信元的宽带技术的应用以及它与当前最新的无线接入网的结合变得日益重要。 在有线ATM技术高速发展成为宽带核心技术之时,无线ATM技术却刚刚起步,而且还有很 多问题尚待解决,本文给出了宽带无线本地接入(WWLA)技术的发展概况,对其标准技 术以及美国、欧洲和日本的宽带无线项目发展情况进行了分析。并提出了宽带无线接入 面临的问题。 无线局域网(WLAN)和无线异步传送模式(WATM)都可提供宽带无线本地接入(WW- LA),WLAN为传统的LAN应用提供了一种接入,WATM用于提供无线信道的端到端ATM接续 和业务质量。 在讨论无线接人时,应与骨干网综合起来考虑。两种无线接口(WLAN和WATM)与两 种有线骨干网络(传统LAN和发展中的ATM网络)间有四种互连方式:WLAN一LAN、WATM- ATM、WLAN-ATM、WATM-LAN,如图1所示。图中给出了不同情况互连时的协议及其协议 转换。 在此,我们只考虑两种情况WATM-ATM和WLAN-LAN。在文章的后面部分,将它们分 别简写成 WATM和 WLAN。 二、技术标准 WWLA已有三个技术标准体制:IEEB标准(802.11)、ETSI的HipERLAN标准和ATM论坛 标准。 WLAN的IEEE标准,即IEEE802.4L,最初于1988年提出,是有线LAN标准IEEE802.4的 一部分。1990年,IEEE802.4L改名为IEEE802.11,形成了IEEE802 LAN标准结构中一个独 立的WLAN标准,并于当年完成其技术规范。802.11标准在2.4GHz ISM频带使用扩频技术 将数据速率提高到2Mbps,并且保证一定的QoS,IEEE802.ll中的媒体接人控制(MAC) 支持鉴权、扰码、频率管理和功率限制功能,这些在其它802标准的MAC层是无法提供的。 IEEE802.11标准是以市场上现有的产品为基础发展起来的,因此兼顾了技术和市场因素。 HIPERLAN标准是由欧洲电信标准化协会(ETSI)的第10研究组开发的,作为高速无 线LAN的泛欧标准,HIPERLANI是其第一项技术标准,干1992年提出,并于当年完成。它 可用传统的调制技术在5.2GHz频带内支持传输2~23Mb/s的数据流。HIPERLAN使用“先 听后讲”的无抢先多接入协议,支持同步和异步传输。HIPERLAN为每个数据包定义了优 先级处理,且易于QoS控制。MAC层除了正常路由选择外,还可处理扰码和功率保持。适 合无线ATM的其它版本的HIPERLAN以及其它替代标准目前都正在研究中、随着标准的发展, HIPERLANl得以升级。但目前还没有一个制造商将它作为产品改良的标准。欧洲联合会为 HIPERLAN安排频带是美联邦电信委员会(FCC)开放U-NII(未开放国家信息基础结构) 频带的一个开端。 ATM是一种面向连接的传输方案,对每一个具有一定QoS保障的虚通路,它根据与网 络的最初协议工作。在移动环境中,虚通路和QoS的管理是复杂的,因为在一次通信过程 中,终端移动时,其路由是在不断变化的。就无线接入规则而言,WATM协会声称在WATM 中采用短分组(53字节)、高数据速率(可达20Mbps)和短分组头(5字节)非常适合本 地无线信道的通路衰减特性,且能有效使用带宽资源。在IEEE802.ll中,MAC层具有缩短 分组的措施,可获得同样的优点。如果搬移到较高的频带或采用其它调制技术,IEEE802 .11的 MAC层还可提供更高的数据速率。 三、全球活动 当今WLAN的全球市场主要在美国,由于制造商们都将注意力集中在WWLA的市场,一 个很重要的问题是未来产品发展所使用的未开放频带的可用性。1994年,FCC将1.9GHz左 右的两段开放频带之间的20MHz频谱用于未开放的个人通信业务(U-PCS)。这一频谱如 图2所示。 由图2可见,WINForum分配了两段频带分别用于异步和同步传输。这意味着WINForum 认为声音和突发数据传输不能很好兼容,因此需要使用分离的无线信道来传输。1997年 五月,FCC将5GHz左右的300MHz末开放频带放开供一种新型无线设备(即U-NII)使用。 FCC的这一决定使无线LAN能够应用大量的可用频谱,从而使数据速率提高到每秒数十兆 比特,以满足多媒体应用的需求。这一频带与CEPT早期为HIPERLAN指定的频带相兼容。 尽管在U-NII频带还没有什么设备问世,但在这一频带开发标准和产品的活动已经 开始。贝尔实验室正在进行中的移动信息基础结构(MII)就是关于这个频带内WATM应用 的研究项目。 在欧洲,随着ACTS计划的推进,许多研究项目都致力于验证宽带本地应用的各种技 术。其目的是将这些技术综合应用于正在发展的第三代蜂窝系统中。ETSI宣布了一个新 的标准项目,宽带无线接入网络(BRAN),它将接替当前的HIPERLAN项目。BRAN项目着力 研究数据速率超过25Mbps的无线接入系统的课题。ATM论坛、IEEE802.11、互联网工程标 准组(IETF)和ITU无线通信标准部(ITU-R)正在密切合作,以保证现有技术与正在发 展的新技术相互融合。ACTS计划包含若干个宽带无线项目,在无线用户基地网络/移动 宽带系统方面有四个主要的宽带项目。(l)MEDIAN项目主要目标是评估并实现工作于60 GHz、提供155Mbps数据传输的无线LAN,样本方案包括一个在155Mbpo的基站以及分别在3 4Mbps和155Mbps的两个便携式终端。(2)MagicWAND项目致力于实现5GHz的WATM传输。 (3)高级移动宽带应用系统(SAMBA)开发了工作于40GHz具有两个基站和两个移动台的 MBS试验网。(4)高级无线ATM通信系统(AWACS)是欧洲和日本(ACTS和NTT)间的合作 项目,这一项目是基于已通过NTT试验的工作于19GHz的ATM无线LAN,其目标在于通过这 个试验开发并实现B-ISDN业务的无线接入,终端具有低移动性、工作于19GHz、数据速 率高达34Mbps。因为日本低频带缺乏,这一项目致力于研究超高频带。以上所有这些项 目都将WATM看作是无线接入的某种形式。 在日本,目前涉及本地宽带无线网络的许多项目都与多媒体移动接入通信(MMAC) 委员会有关。该委员会为可与光纤网络实现无缝连接的移动通信基础结构提出了两套 系统。一是可在户内和户外工作于6-10Mbps(高速无线接入)的终端,二是只能在户内, 无切换(超高速无线LAN)系统的终端,二者都使用毫米波段。系统设计以及基本射频技 术和标准的设备开发可望于2000年完成,2002年有望实现商用。 四、宽带无线接入面临的问题 1 开拓新的无线频段 有关第三代移动通信系统中的物理层,可考虑选用60GHz频段,利用其15dB/km的氧 气吸收来提高频率复用率和系统容量。也可考虑选用大气衰耗仅约0.ldB/km的40GHz频 段,扩大服务范围及提高QoS。ACTS计划的SAMBA项目已着手进行这方面的研究。 在现代宽带卫星系统中,可考虑开放和研究选用易于频率协调的Ka( 20/30GHz)、 甚至 EHF或 Q/V(40/50/60GHz)的更高频段,以利于接入包括HDTV在内的宽带综合 业务信息。 2 空分多址(SDMA)应用 为进一步提高频谱利用率和系统容量,可考虑使用窄波束天线系统来实现SDMA,开发 一种智能波束控制法,使基站或卫星天线快速指向通信中的移动站。当然,相应的多址协 议也必须适应SDMA。目前,ACTS计划中的TRUNAMI正在进行这项研究。 3 自适应调制技术和正交频分多址(OFDM)技术 根据无线信道的实际情况,可选择使用40QAM或160QAM或640QAM的自适应调制技术, 这种自适应可编程调制的快速算法目前正在研究之中。另外,OFDM技术也在研究应用中, 它的优点是抗多径传播能力较强、频谱利用率较高,缺点是设备复杂、信号处理时间较 长、发射功率较大对非线性极其敏感(需要线性大功率微波放大器)等。如何克服这些 缺点,使OFDM满足高速移动通信的要求是当前正在研究的一个热点。 4 防止信元丢失 ATM是以信元为基础进行传输的,ATM无线传输首先是降低信元丢失率问题。在移动 通信方面,要考虑一些防止ATM信元在网络切换期间丢失的方案。为支持网络范围的越区 切换、保证QoS,需要开发一种最佳路由算法,特别要求能够防止越区切换期间的信元丢 失。在卫星传输方面,需借助以信元为基础的外码技术。 5 时延问题 卫星传输时延,特别是同步轨道卫星传输时延的影响是较大的问题,单跳时延为250 ms左右,双跳则为500ms左右。解决时延问题的一种直观办法是利用MEO及LEO卫星降低轨 道高度,也可借助改变ATM格式中的信元块长,提供处理接口等适当容量的缓冲存储器, 以及利用有效的传输编码等综合处理来解决。 6 无线接口和网络协议 宽带无线接入将基于ATM的B-ISDN固定服务直接延伸至无线用户,这就要求其无线 链路对网络透明,所以在无线接口协议中不应包括ATM适配层,ATM物理层则由特定的无 线物理层加上互相配合运作的媒体接入控制层和逻辑链路控制层所代替。 ATM概念是在传输质量能够得到保证的情况下开发的,这在光纤通信系统中当然可行, 然而由于无线链路的传输质量较差,因而需要增加一个可以自适应于无线接口特征的纠 错方案,并采用动态资源管理,以有效利用频谱资源,提高QoS。