城域宽带无线接入技术及其标准

摘要　阐述了无线城域网(WMAN)中BWA的原理，介绍了IEEE 802.16标准制定的最新状况，并探讨了基于IEEE 802.16a、IEEE 802.16e及IEEE 802.20标准的下一代WMAN BWA系统的发展前景。

关键词　宽带无线接入(BWA)，无线城域网(WMAN)，IEEE 802.16

宽带无线接入(BWA)是无线通信革命中最具挑战性的部分，它能解决从客户网到核心网之间的接入瓶颈问题，IEEE 802.16正是为实现这一应用而制定的最新标准。IEEE 802.16 BWA系统以最低的成本提供各种宽带通信业务。在家庭和小企业范围内，BWA将与电缆和数字用户线(DSL)网络进行竞争；在中等规模企业楼宇内，BWA支持高速率连接，将与光纤连接进行竞争。它能使数以千计的用户在无线城域网(WMAN)中共享数据、话音和视频服务，随着信道、带宽和用户需求的增加，运营商还可使系统扩容。

1　BWA系统原理

BWA典型系统包括基站、用户站、用户终端设备、核心网设备、小区间链路及中继站等设备，在组建城域网时，还包括网管系统和光缆等基础设施。其中：基站提供系统到核心网的SNI接口，用户站根据不同的业务需求提供相应的UNI接口，当基站和用户站不具有视距(LOS)条件或要扩展基站的覆盖范围时，采用中继站中继基站信号。通用系统参考模型[1]如图1所示。

BWA系统通常采用点到多点(PMP)拓扑结构，每个基站覆盖一个蜂窝小区。下行采用点到多点方式，基站以TDM的广播方式发送信号；上行采用点对点方式，用户站以TDMA或FDMA等多址方式接入系统。所谓"多点"，包括"点到多点"和"多点到多点(MP-MP或Mesh)"两种拓扑方式。

2　WMAN中BWA标准的发展

2.1　IEEE 802.16a

IEEE 802.16标准规定的WMAN媒体访问控制(MAC)层为BWA提供了基础，但其物理层不适用于较低频率，分配的可用频率较窄，并要求非视距传输。因此，产生了IEEE 802.16标准的修正草案IEEE 802.16a，以解决较低频率的无线连接问题。

IEEE 802.16a对原协议的MAC层和物理层做了部分修改，把空中接口扩展到2GHz-11 GHz频段。在这个频段，系统受雨衰的影响较小。

该协议物理层支持以下3种空中接口规范[2]：

(a)基于频域自适应均衡器的单载波系统WMAN-SC，下行采用TDM方式，上行采用TDMA方式；

(b)基于OFDM技术的WMAN-OFDM系统，采用256个子载波，下行采用TDM方式，上行采用TDMA方式；

(c)基于OFDMA技术的WMAN-OFDMA系统，采用2 048个子载波的OFDM。

基于IEEE 802.16a的BWA系统最大通信距离为50km，可显著提高运营商目标服务区域的覆盖范围，频率覆盖范围为2 GHz-11 GHz，频谱效率高达5 bit/(s.Hz)，每个扇区的最大数据速率高达70 Mbit/s。MAC层的服务质量(QoS)支持不同的服务等级，从而可同时支持采用Tl类型连接的企业用户和采用DSL类型连接的家庭用户，还支持话音和视频。IEEE 802.16a中的MAC机制提供不同的QoS，以支持不同应用的不同需求，同时支持自适应调制，有效平衡不同的数据率和链路质量，可以在瞬间调整调制方法，实现最佳数据传输。自适应调制可以有效利用带宽，更好地满足用户需求。

IEEE 802.16a标准展现了宽带无线通信新的前景，为用户应用多媒体业务提供了容易安装、无须有线连接核心网络的新方法。此外，IEEE 802.16a将城域网技术与IEEE 802.11无线局域网集成，基站将成为以无线方式连接互联网中热点业务的理想手段，在有线基础设施不发达地区发挥重要作用。

2.2　IEEE 802.16e

由于1EEE 802.16a中BWA系统只支持固定接入或慢速移动接入，不支持高速移动业务，使其应用范围受到一定限制。因此，在IEEE 802.16a基础上制定的支持车载移动速度的IEEE 802.16e应运而生。

IEEE 802.16e是在2 GHz-6 GHz的许可带宽内增加了移动性，针对WMAN接入方式提出的新的空中接口标准，它采用OFDM技术，大大改进了非视距性，增加了传输距离，支持移动性，降低了运营成本。

2.3　IEEE 802.20

2002年11月，IEEE 802标准委员会成立了IEEE 802.20----移动宽带无线接入(MBWA)工作组，致力于为移动用户开发一个标准，该标准支持在3 GHz频带高可靠地进行高速无线数据传输，还有望为以250 km/h速度移动的移动用户提供高达1 Mbit/s的高带宽数据传输，使高速列车上的用户能使用视频会议等对时间敏感的应用。

IEEE 802.20 MBWA系统是新的适合移动无线Internet分组IP数据传输的MBWA系统，它所支持的用户数据速率、有效用户数及频谱效率均大于现有移动通信系统，能提供更高的QoS保障，实现高频谱效率和更小的延时，给用户带来可与有线连接效果媲美的高速数据应用。

IEEE 802.20标准的覆盖范围与目前的移动电话系统一样，都是全球范围的，而传输速度却达到了Wi-Fi水平，比目前的移动通信网络具有明显的优势，与3G标准相比也具有优势。

IEEE 802.16e与IEEE 802.20从表面上看有些相似[3]，实际上它们之间有很大区别：

(a)IEEE 802.16e在2 GHz-6 GHz的许可带宽内增加了移动性，而IEEE 802.20则工作在3.5GHz以下执照频带，支持城域网环境下250km/h高移动性车载通信，在1.25 MHz带宽可支持的每个用户的口峰值数据速率大于l Mbit/s，频谱效率可达1 bit/(s.Hz.cell)以上。

(b)IEEE 802.20的空中接口在蜂窝小区范围为15 km或更大的WMAN中能够推进实时数据传输，与传统的DSL网络和电缆进行竞争，甚至当移动用户以250 km/h速度行进时仍可进行正常通信。而IEEE 802.16e只限于车载速度的系统中，仿真试验表明可进行正常通信的最大移动速度为120km/h-150km/h。

(c)更重要的是，IEEE 802.16e是在已有的IEEE 802.16a基础上制定的，而1EEE 802.20则是按MBWA草案重新制定的。IEEE 802.16e适用于步行用户手中的个人数字代理(PDA)或膝上电脑，而IEEE 802.20则适用于高速移动的系统。

3　结束语

宽带化、无线化是通信发展的必然趋势。IEEE 802.16a标准是针对WMAN接入方式提出的一种新的空中接口标准，它采用OFDM技术，大大改进了非视距性，增加了传输距离，降低了运营成本。MBWA的最大特点是高移动性、高频谱效率和高数据速率，MBWA系统填补了当前IEEE 802的低移动性高数据速率与高移动性蜂窝网络之间的性能空间，该解决方案以基于分组的接入网络为基础，并按最佳频谱效率设计，因此它将提供比包括3G系统在内的现有移动网络解决方案更好的性价比特性。

参考文献

1　IEEE 802.16.2,Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems.2001

2　IEEE 802.16a.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16:Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems Medium Access Control Modifications and Additional Physicall Layer Specifications for 2 GHz-11 GHz.2003

3　Vikki Lipset,802.16e vs 802.20.Wi-Fi Planet