无线接入技术及其在数据传输中的应用

西南电子电信技术研究所 熊瑾煜
　　摘要：本文介绍了无线接入技术的基本概念、发展趋势以及我国对无线接入技术的频率规划。然后对目前主要的无线接入系统LMDS、MMDS进行了分析，并从无线接入的角度详细讨论了GSM/GPRS和CDMA2000等蜂窝移动通信系统在数据传输中的应用。

一、概述
　　无线接入是指在交换节点到用户终端之间的传输线路上，部分或全部采用了无线传输方式，其采用的技术主要包括微蜂窝技术、蜂窝技术、微波点对多点技术和卫星通信技术。广义上讲，无线接入包括固定无线接入（FWA）和移动无线接入两大类。其中，固定无线接入又称无线本地环路（WLL），其用户终端（电话机、传真机和计算机等）固定或只有有限的移动性。主要的固定无线接入系统包括：多路多点分配业务（MMDS）、本地多点分配业务（LMDS）、一点多址微波系统、卫星直播系统（DBS）。固定无线接入是原有的固定无线接入系统是作为PSTN/ISDN网的无线延伸而发展起来的，但是随着LMDS和MMDS等宽带无线接入系统的出现，固定无线接入在多媒体数据传输以及互联网应用等方面显示了强大的实力，已经成为城市接入网建设的主要辅助方案。

　　移动无线接入主要指用户终端在较大范围内移动的通信系统的接入技术。它主要为移动用户提供服务，其用户终端包括手持式、便携式、车载式电话等。主要的移动无线接入系统包括：

　　（1）无绳电话系统: 它可以视为固定电话终端的无线延伸。无绳电话系统的突出特点是灵活方便。固定的无线终端可以同时带有多个无线子机，子机除和母机通话外，子机之间还可以通信。主要代表系统是DECT、PHS和CT2。

　　（2）移动卫星系统: 通过同步卫星实现移动通信联网，可以真正实现任何时间、任何地点、与任何人的通信。它的最大特点是利用卫星通信的多址传输方式，为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动灵活的移动通信服务，是陆地移动通信系统的扩展和延伸，在边远的地区、山区、海岛、受灾区、远洋船只、远航飞机等通信方面更具有独特的优越性。整个系统由三个部分构成：空间部分（卫星）、地面控制设备（关口站）和终端。

　　（3）集群系统：专用调度指挥无线电通信系统，应用广泛。集群系统是从一对一的对讲机发展而来的，现在已经发展成为数字化多信道基站多用户拨号系统，它们可以与市话网互连互通。

　　（4）无线局域网: 无线局域网（Wireless LAN）是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它不受电缆束缚，可移动，能解决因有线网布线困难等带来的问题，并且组网灵活，扩容方便，与多种网络标准兼容，应用广泛等优点。过去WLAN曾一度增长缓慢，主要原因在于传输速率低、成本高、产品系列有限，而且很多产品不能相互兼容。随着高速无线局域网标准IEEE802.11的制定以及基于该标准的10Mbps乃至更高速率产品的出现，WLAN已经在金融、教育、医疗、民航、企业等不同的领域内得到了广泛的应用。

　　（5）蜂窝移动通信系统：70年代初由美国贝尔实验室提出的，在给出蜂窝系统的覆盖小区的概念和相关理论之后，该系统在70年代末得到迅速的发展。第一代蜂窝移动通信系统即陆上模拟蜂窝移动通信系统，用无线信道传输模拟信号；第二代蜂窝移动通信系统，采用数字化技术，具有一切数字系统所具有的优点，代表性的是泛欧蜂窝移动通信系统GSM和北美的IS-95 CDMA；目前二代半系统如GPRS、CDMA2000-1X已经大规模商用，为广大用户提供可靠、中速的数据业务服务以及传统的电话业务；第三代蜂窝移动通信系统也已经走出实验室，开始在部分国家和地区开始正式商业运营。

二、我国关于无线接入技术的频率

　　规划为了合理有效地使用宝贵的频谱资源，保证我国无线通信技术健康、快速、稳定地发展，规范我国无线通信市场的秩序，无线电委员会对无线接入技术频段的使用、双工方式的选择、技术体制的应用进行了详细的规划。

　　频段：460.5-462.0MHz（下行）/450.5-452.0MHz（上行），双工方式：FDD，技术体制：FDMA。该频段主要用于农村无线接入系统，但是并不是农村无线接入系统专用频段。在互不干扰的前提下，在该频段以及各省、市、自治区无线电管理委员会办公室有权指配的464.100-467.075MHz（下行）/454.100-457.075MHz（上行）频段内，农村无线接入系统也可以和常规的调频对讲机、集群系统共存。这类系统的缺点是频率利用率不高，且可用频率资源少，主要适用于地广人稀／话务量低的农村地区。

　　频段：1900-1920MHz，双工方式：TDD，技术体制：DECT、PHS、PACS、GSM、CDMA、数字无绳技术

　　该频段主要用于公网或专网的无线接入。为避免相互干扰，无委会规定1900-1915MHz频段用于PHS技术，1905-1920MHz频段用于DECT技术。对于其它类似的TDMA/CDMA TDD方式的无线接入技术及微功率（短距离）数字无绳电话接入技术按信息产业部无线电管理局相关文件要求与DECT及PHS进行频率共用。

　　频段：1800-1805MHz，双工方式：TDD该频段主要用于公网或专网无线接入系统。在该频段内可使用具有我国自主知识产权的SCDMA技术。

　　频段：1960-1980MHz（下行）/1880-1900MHz（上行），双工方式：FDD，技术体制：TDMA和CDMA

　　在2002年底前，该频段可用于公网无线接入。为满足我国第三代移动通信系统的核心频段的频谱需求，该频段仅作为临时过渡规划，该频段内的无线接入系统设备只能使用至2002年底止。

三、无线接入的主要技术体制及其在数据传输中的应用

1、固定无线接入系统

　　根据系统可以提供的带宽和数据接入速率，固定无线接入系统可以分为窄带系统和宽带系统。窄带固定无线接入系统是无线接入技术的早期形式，因为与传统的有线环路相比其建设周期短、维护容易，而且可以克服某些复杂的地理环境限制，所以是有线方式很好的补充，在电信设施薄弱、又急需提供电信业务的发展中国家得到迅速发展和推广。对于地广人稀、地理环境复杂的广大农村地区窄带固定无线接入是较适合的通信手段，这其中比较典型的系统为450MHz FDMA固定无线接入，其中包括华为的ETS450、大唐的TSAWF-1、中兴的ZXWLL 450M模拟无线接入通信系统。但是这类窄带固定无线接入技术的应用却没有像人们所预期的那样广泛，主要是由于该类系统采用模拟技术，频带利用率低、系统容量小，而且产品稳定性不够，提供新业务的能力有限，尤其不能满足数据通信的要求。所以，目前窄带固定无线接入系统已经逐渐退出了主要市场的竞争。

　　无线化和宽带化是当今通信业乃至整个信息业的热点，两者的结合更引人注目。作为一种极具竞争实力的网络接入选择，固定宽带无线接入技术目前正迅速走红。运用该技术可以将数据、Internet、话音、视频和多媒体应用传送到商业和家庭用户。固定宽带无线接入技术的发展基于以下三个事实：数字调制技术和压缩技术的发展提高了频率利用率；高频无线传输技术的改进，使得用10G以上无线频率进行数据传输成为可能，大大丰富了频率资源；IP、ATM技术与无线传输技术的有机结合。目前，宽带固定无线接入技术主要包括LMDS和MMDS。其主要特点如下：

　　（1）工作频带宽，系统容量大。LMDS的带宽可以达到 lGHz，能够支持高达155Mbps的用户数据接入，可以同时为大量用户提供业务服务。

　　（2）基础设施投资少，建设周期短，运营维护成本低；而且系统安装调试简单，可以迅速为用户提供服务。

　　（3）灵活性强，扩容简单方便。无线系统具有良好的可扩充性，可根据用户需求进行系统设计或动态分配系统资源，不会造成资金或设备的浪费。

　　（4）业务丰富。可同时向用户提供话音、数据、视频等综合业务，满足用户对数据业务的要求，并可以提供多种承载业务。

1.1本地多点分配业务 （LMDS）

　　LMDS是近年来逐渐发展起来的一种工作于2.4GHz频段的宽带无线点对多点接入技术。国际上尚未制定统一的LMDS标准，不同国家分配给LMDS的频段也不同，目前大部分LMDS系统都工作在27.5~29.5GHz频段。LMDS利用毫米波传输，提供双向话音、数据及视频图像业务，可以实现 N× 64kbps、 2Mbps到155Mbps的用户接入速率，可靠性高。使用LMDS，可以使宽带业务克服铜线电缆本地环路这一瓶颈，满足用户对高速因特网和数据通信日益增长的需求。

　　LMDS系统通常由基础骨干网、基站、用户终端设备和网管系统组成。骨干网可由 ATM或 IP的核心交换平台及因特网、 PSTN网互连模块等组成。基站实现骨干网与无线信号的转换，可支持多个扇区，以扩充系统容量。一般来说，用户终端都有室外单元（含定向天线和微波收发设备）和室内单元（含调制解调模块及网络接口NUI）。LMDS用户设备的接口形式也比较多样化（有DS0、POTS、10BaseT、ATM等），能满足不同用户的需求。LMDS系统采用FDD方式进行双工通信，多址方式为FDMA或TDMA。 FDMA适合大量连续非突发性数据的接入，TDMA适合支持多个突发性或低速率数据用户的接入，运营商可以根据用户业务的特点及分布来选择合适的多址方式。正交振幅调制技术（QAM）、蜂窝技术和扇区分割技术的使用提高了LMDS系统的频率复用率，增加了系统容量。LMDS系统也存在一些固有的技术问题，如雨衰大，直接影响工作在雨量大的地区的系统的稳定性和可靠性；基站与用户终端之间必须可视，保证视距传输（LOS）；传输距离有限；这些都是高频段通信系统共有的问题。
1.2 多路多点分配业务( MMDS)

　　MMDS是一种点对多点分布、提供宽带业务的无线技术，适用于中小企业用户和集团用户。MMDS可以为用户提供互联网接入、本地用户的数据交换、话音业务和VOD视频点播业务，并提供T1/E1、100Base-T和OC-3接口与其它网络连接，。 MMDS最初用于传输单向电视和网络广播，1970年FCC在2.5GHz上划分了200MHz（2.5G~2.7GHz）给无线电信运营商，其中共有31个信道，每信道带宽6MHz。1998年9月，FCC批准运营商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，同时MMDS的数字化发展也使得它更具竞争力。 MMDS的覆盖范围很广，适用于用户分布分散的情况。

　　MMDS采用正交幅度调制16QAM，其系统配置及所采用的技术与 LMDS相似，一般也由骨干网、基站、用户终端设备和网管系统组成。MMDS可用的频谱资源比LMDS少，信道数量有限，所以传输速率要比LMDS低得多，系统容量不如LMDS；在高速数据传输方面的能力受到资源的限制。但是，由于工作频段远低于LMDS，所以信号传输距离远远超过LMDS，而且受天气影响较小。MMDS技术发展比较早，技术成熟，产品丰富，使得MMDS的应用相当广泛，到 2001年底全球用户数已经超过千万。但是在国内，MMDS的使用并不广泛，随着LMDS技术的成熟和产品的丰富，MMDS技术将成为固定无线接入系统的辅助手段，将在特定范围内发挥作用。总的来看, 宽带固定无线接入技术代表了宽带接入技术的一种新的不可忽视的发展趋势,不仅开通快、维护简单、用户较密时成本低,而且改变了本地电信业务的传统观念 ,最适于新的本地网竟争者与传统电信公司与有线电视公司展开有效竞争,也可以作为电信公司有线接入的重要补充而得到应有的发展。

2、移动无线接入系统

　　在前面提到的各种移动无线接入系统中，发展最迅速、技术最先进的是蜂窝移动通信系统和无线局域网WLAN。前者属于城域网和广域网范畴，目前可以提供中速率的数据业务和普通的话音业务，主要代表是GSM/GPRS和CDMA2000；后者从覆盖范围来讲，属于传统的局域网，而数据传输速率则大大提高，可以达到10Mbps或更高，典型代表是基于ITU-T 802.11a/b标准的系统。需要注意的是，我国对蜂窝移动通信系统的频率规划有专门的规定，并没有包括在前面介绍的我国关于无线接入技术频率规划中。下面主要介绍GSM/GPRS和CDMA2000系统及其在数据传输中的应用。

2.1 GPRS

　　GSM蜂窝移动网是目前世界上最大的蜂窝网络，在话音质量、漫游能力等方面，GSM为用户提供了方便、快捷、有效的通信方式。但是，随着互联网在全球范围内的广泛应用，仅能提供话音业务和低速数据传输的GSM网越来越难以满足用户的需要。原因在于GSM网络基于电路交换，其数据业务受到9．6kbps速率的限制；在整个通信过程中，使用以电路交换为基础的信道进行数据传输造成大量的网络资源浪费；另外，电路交换的呼叫建立时间长，呼叫意外中断后需要重新建立通信链路，非常不适用于具有突发特性的短数据业务。

　　为了提高GSM系统对数据业务的支持能力，GSM推出了两种高速移动数据业务：HSCSD(高速电路交换数据业务)和GPRS(通用分组无线业务)。GSM在话音及数据通信过程中，每信道只占用200kHz（每载波带宽）的8个时隙中的一个；而HSCSD则同时利用多个时隙建立链路，最高可以达到64kbps的传输速率，这个速率正好与核心网络所提供的窄带ISDN 64kbps的速率一致。HSCSD业务的实现比较简单，它只需对无线链路协议作一些改变，而不需要改造核心网络，工程费用比较低。HSCSD技术仍然建立在电路交换的基础上，并没有解决电路交换固有的信道利用率低的问题，只是通过时隙的捆绑提高了数据传输速率。

　　GPRS在现有的 GSM电路交换网络上叠加一个基于分组的无线接口，通过多个时隙捆绑提供最高115.2kbps速率（使用全部8个时隙）的分组数据业务，无线信道资源可以在话音和数据业务之间动态共享。分组交换的最大优点是可以灵活分配网络资源，即仅在有数据传送和接收时才占用无线资源，很类似于LAN上各台计算机对总线的占用，从而实现"永远在线(always on-line)"。GPRS引入了两个新网络节点：业务支持节点(SGSN)和网关节点(GGSN)。SGSN为服务区内的所有用户在该SGSN业务区域之内提供双向的分组路由，可以负责跟踪单个MS的位置和实现安全功能和接入控制。GGSN在 GPRS网络和公用数据网起到网关的作用；GGSN也可以用于连接到其他的 GPRS网络来实现GPRS漫游。

（1） GPRS的主要特点

　　* 优化了网络使用和无线资源，保持了无线子系统和网络子系统之间的严格区分，允许其它无线接入技术使用网络子系统，对巳安装的基站无改造的要求。

　　* GPRS信道分配灵活，频谱效率高。每个TDMA帧可分配的时隙数为1~8个，时隙均由用户共享，当用户真正发送或接收数据时，才使用 GPRS无线资源，而且上、下行链路单独分配。

　　* GPRS支持基于标准数据协议尤其是TCP/IP协议的应用，从而保证移动互联网的实现，还可以实现与外部数据网（如X．25和IP网络）的互联。

　　* GPRS支持连续和突发数据业务，支持大量的数据传输，并对服务质量（QoS）提供一定的支持。

（2） GPRS的主要业务

　　* 信息业务：可为移动电话用户提供广泛的信息内容，包话股票行情、体育新闻、天气预报、飞机航班信息、交通信息等等。

　　* 网页浏览和电子邮件收发：移动用户使用电路交换数据进行网页浏览无法保证持续性。由于电路交换传输速率比较低，因此数据从Internet服务器传到浏览器需要很长时间。GPRS的数据传输速率可以保证网页的浏览和电子邮件的阅读。

　　* 文件共享／协作：移动数据使文件共享和远程协作变得更加便利。结合话音、文本、图片和图像的多媒体应用可以在GPRS网络中实现。

　　* 定位服务：GPRS和GPS结合可以精确确定用户方位。交通工具定位业务能够用来进行远程交通工具故障诊断、对被盗车辆进行跟踪和新的出租车费率统一管理等。
　　用分组交换来补充电路交换网络是GSM技术的一个重要升级，但是GPRS的172.2Kbps速率仍然不能满足目前多媒体业务的要求。而且，由于在实际使用过程中，目前GPRS的用户不可能全部占用8个时隙进行数据通信，所以实际的数据速率最高只能达到40kbps左右。因此，GSM选择EDGE作为向3G演进的下一个技术方案，它通过专用的信道编码方式和8PSK技术可以实现384Kbps的最高信息传输速率。

2.2 CDMA2000

　　CDMA是在90年代初由美国QUALCOMM公司提出的，IS-95是北美CDMA系列标准中最先发布的一个标准，而真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A。在IS-95A的基础上，又分别出版了支持13K话音编码器的TSB74标准，支持1.9GHz的CDMA PCS系统的STD-008标准，支持64kbps的数据业务的IS-95B。IS-95B与IS-95A的区别在于可以捆绑多个码分信道，类似于GPRS对GSM多个时隙的捆绑。当不使用辅助业务信道时，IS-95B与IS-95A是基本相同的，可以共存于同一个载波中。目前将IS-95B和GPRS称为2.5G蜂窝系统，是北美的CDMA与欧洲的GSM两种主要体制分别向3G演进的方案。联通新时空目前在全国范围内建设的CDMA系统就采用了IS-95A/B技术，以提供通常的话音业务和最高64kbps的数据业务。与IS-95A/B相比，CDMA2000 1X则有较大的改进。如果用于传送语音业务，CDMA2000 1X系统的总容量是IS-95系统的2倍；如果传送数据业务，CDMA 2000 1X的系统总容量是IS-95系统的3.2倍。CDMA 2000 1X可以提供144 kbps速率以上的数据业务，而且增加了辅助信道等，可以对一个用户同时承载多个数据流和多种业务，所以CDMA 2000 1X提供的业务比IS-95有很大的提高，为支持未来的各种多媒体分组业务打下了基础。CDMA 2000 1X与IS-95是通过不同的无线配置来区别的。CDMA 2000 1X系统设备可以通过无线配置同时支持1X终端和IS-95A/B终端，因此IS-95A/B/1X可以同时存在于同一载波中。而且QUALCOMM公司开发了使IS-95A、 IS-95B、CDMA2000 1X完全兼容的手机和基站专用芯片，而且芯片的管脚定义也与以前的芯片完全一致，从而在硬件设计和系统实现方面保证了完全的前向兼容性。从系统升级的角度来看，CDMA2000 1X可以采用逐步替换的方式向自己的3G方案（CDMA2000 3X）过渡。即压缩2G系统的一个载波，转换为3G载波，并开始向用户提供中高速率的业务。通过这种方式，可以很好地解决网络升级的问题，网络运营商通过这种平滑升级，不仅可以向用户提供各种最新的业务，而且很好地保护了已有设备的投资。

四、无线接入技术的发展趋势

　　由于无线接入网在建设周期、资金投入等方面具有的优势，对电信基础设施薄弱而又急于提高电话普及率的发展中国家具有极大的吸引力。到目前为止，国际上并没有形成统一的技术标准。而宽带无线接入技术的发展极为迅速，各种微波、无线通信领域的先进手段和方法不断引入。在未来几年内，无线接入技术的发展将主要体现在以下几个方面。

　　技术体制: 早期的无线接入技术以点对多点微波通信技术为主，但随着数字蜂窝移动通信系统尤其是采用CDMA技术的3G的迅速发展以及高频段数据传输技术的进步，未来的无线接入技术将主要采用数字蜂窝移动通信系统、数字无绳电话技术体制、以及新兴的LMDS体制。 交换接口: 指无线接入系统与交换机之间的接口。数字蜂窝移动通信系统有专用的移动交换中心（MSC），其它无线接入系统则需要提供与交换机的接口。现有的接口方式包括E1数字群路接口、Z接口和V5接口。其中，V5接口是ITU-T于1990年提出的开放式用户接入网接口标准，即V5.1/V5.2，具有广泛的兼容性，是目前无线接人系统与交换机的主要接口方式。

　　多址接入方式： 现有的多址接入方式有FDMA、TDMA、CDMA及它们的组合。各种多址方式的特点不同，适用的场合也有所区别。其中，FDMA、TDMA技术最成熟和完善，产品丰富，目前系统主要采用FDMA+TDMA体制。另外，CDMA方式具有容量大、话音质量好、覆盖范围广、安全性高和易于规划等特点，成为未来无线接入系统最有前途和竞争力的多址接入方式，但是在产品的全面推广应用方面仍然需要一定的时间。此外，CDMA/TDMA/FDMA/SDMA等多种接入方式的融合也是目前的发展趋势。OFDM（正交频分复用）是一种采用了新的信号处理技术的复用方法，在宽带无线接入领域的应用正在逐渐成为一个发展趋势。它是从以前的欧洲数字音频广播DAVIC标准中和ADSL中引入的一种技术，具有抗多径传播能力较强、频谱利用率高等优点。随着该技术的不断普及，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等缺点将逐渐被克服。OFDM将成为未来无线接入系统的关键技术之一，是目前无线传输技术研究领域的热点。

　　从电路交换到分组交换的过渡：当前通信发展的主要趋势之一是网络应用的分组化，这场深刻的变革已经开始影响到包括核心网到接入网的所有通信网领域。但是在未来十年内，电路交换仍然将大量存在，特别是在接入网，市场对基于电路交换方式的接入设备仍有大量需求。所以，目前所有宽带无线接入系统、大部分窄带无线接入系统都同时支持电路交换和分组交换两种模式。大部分LMDS设备都以ATM平台为基础，而其他的一些较低端的产品如BreezeCom的3.5GHz接入、无线局域网设备等选择了以IP为基础的接入平台。随着全IP网络的不断发展，最终将在无线接入网实现IP分组交换。

　　业务扩展:现有无线接入系统仍然以各种话音业务和电路交换的数据传输为主，但是无线数据传输已经无可争议地成为了未来无线接入系统的主要应用之一。目前的各种无线接入系统在提供语音通信的同时，都增加了对TCP/IP、X.25等多种协议的支持，以保证数据传输的有效性和可靠性。但是在高速数据传输（如图象、文件下载）的能力和传输质量上，仍然有许多问题噬待解决。

结论

　　随着无线通信应用的迅猛发展，无线接入技术日趋完善。有线与无线技术的融合是通信网络的发展趋势。就目前来讲，无线接入系统可以作为有线系统的重要互补手段。但是，随着LMDS等先进技术的成熟与市场化以及OFDM等新技术的不断涌现，无线接入技术在整个通信网中将扮演更加重要的角色。

摘自《通信市场》