固定宽带无线接入网的技术发展

张煦

一、固定无线接入网的有利应用

　　近年来，通信用户对Internet上网的需求继续快速增长，而固定有线网（PSTN）加装不对称数字用户线（ADSL）和电缆调制解调器（cable modem）的建设进度不快，以致城市通信接入网最后一公里开始更多地考虑采用固定无线接入（FWA，Fixed Wireless Access）。当然，这将是宽带的无线接入网。所谓多点多路分配业务（MMDS，Multipoint Multichannel Distribution Service）的固定无线网，就是FWA的典型例子。它利用5GHz以下的频段，例如2.5GHz和3.5GHz，在一定地区范围内设立固定的收发信机基站（BTS，Base Tranceiver Station）。许多用户如除了原有的电话通信外，还急欲实现接Aintemet，以便与对方用户互通电子信函，并向适当网站经常索取大量数据信息，就可以充分利用上述的宽带FWA，在各自的办公室和住家地点的屋顶上安装适当的天线和收发信机，经过离他们较近的、约几公里距离的基站BTS，接入固定的城市通信网，达到所需的通信目的。这就不必完全依赖传统的铅包铜线电缆接入网，不必等待ADSL和modem的线路设备建设完成，而且无线FWA能够保证提供同样满意的服务性能，且具有建设快速、扩展便易、维护简单、成本不贵等优点，易于迎合广大通信用户的需求。在原来没有有线接入网的地区、或者新建有线接入网较艰难的地区，固定无线接入网更可发挥其优点，而被优先考虑建设应用。这就是近年来国际上大力推广这种技术的理由。但是，新建的固定无线接入网必然是宽频带的FWA，以迎合用户发展数据通信趋势的需要。事实上，移动通信的无线蜂窝网从现行的第二代进化为即将来临的第三代，以至稍远未来的第四代，也是重视建设和发展宽带网，迎合用户增多使用高速数据通信和接入Internet的实际需要。

　　一般，为了使无线电波在空中有最佳的传播，固定无线接入FWA线路倾向于做到“视线传输”（LOS，Line of Sight）。本文上面提到用户在办公室和住家的屋顶上装设收发信天线，就是为了依靠LOS与基站BTS联系通信。近年，FWA在技术设计上又作了重要的改进，争取做到“非视线传输”（NLOS，Non-LOS），不再硬性规定用户的收发信天线必须装设在屋顶的高点，而是容许天线装在室外墙上，甚至装在室内桌上，这是一大进步，对于推广应用FWA非常有利。这就是说，为了使无线的FWA能与有线的ADSL-modem相竞争，必须争取做到NLOS-FWA。这样，在用户端设备安装简便，而且性能与ADSL-modem相当。

二、视线传输难以普遍推广

　　为了能够实际运用，固定无线接入网FWA必须广泛适应各种不同的地面情况。不论是何种地形、地区和多大的人口密度，都应能确保无线通信同样畅通无阻。而且，这种固定无线网与移动通信的无线蜂窝网相比，在传输数据速率能力，接入的可靠性以及频谱使用效率等方面都显示出它的优越性。

　　一般的FWA是根据视线传输LOS设计的，即每个用户与接入点基站BTS之间的无线电波传输是基于视线传输LOS。每个用户都装置精确定向的、狭细波束的、具有高增益的天线。这样的无线线路可以不受邻路的侵扰。一般的无线电波可能存在几个不同时延的多径传播，导致码间干扰和衰落等不良现象。现在要求用户装置在屋顶的天线具有高度的针对定向性，以期它们与基站的无线电传输接近于LOS的条件，这样，它们只需要较小的衰落边际，而且调制解调可以不需要复杂的均衡器。然而，实际经验表明：FWA最多约30％的用户连往各自的基站确实符合LOS条件。而且，如果分区和基站情况有所变更或调整，则用户天线需要重新调整其指向，这相当麻烦。所以，FWA的全面设计绝不容许单纯地依靠LOS传输。也许FWA划分为更多较小而互相有部分覆盖的区，设立较多的基站，有利于增加用户的LOS传输，但这使整个FWA网络结构复杂，运用不灵便，而且成本提高，也不是上策。

三、非视线传输应予认真对待

　　为了推广固定无线接入网的应用以及扩展无线接入的频带宽度和传送数据速率，绝不能将固定无线接入局限于LOS，而是应该结合实际情况容许较多用户与基站之间利用非视线传输NLOS。据最新国际期刊报道：典型的NLOS-FWA要求具有传送数据速率达到6Mbit／s，频谱利用效率应为2bit／s·Hz，而传输覆盖距离对于屋顶大线应该达到10km，墙壁大线5km，室内天线3km，它们的传输性能应该与有线网的DSL相仿，可靠性达0.999。

　　不论上行或下行线路，其频谱利用效率是指每一基站BTS、每赫兹的每秒比特数：SE＝rM／kB，式中M表示每一射频通路的平均传送量、比特数，r为前向纠错码的码速，因此，rM就是用户接入媒介时的有效传送量。这样的传送量与实际无线通路的性能，路程损耗、发送功率、噪音程度等因素有关。式中B代表通路带宽，包括保护频带，K代表空间再用因数，决定于基站数多少。这样，每一小区的覆盖应该各有自己的SE。每个基站如增加分区数，各自使用不同的射频通路，就可能加大通路传输量，从而改善其频谱效率。上行与下行线路两者比较，下行线路因与Internet应用有关，而认为更重要，但上行线路可以同样计算，以保证合乎性能要求。

　　小区的覆盖面应该保证能对区内大多数用户可靠地服务。实际上，可靠性应该有两种，即覆盖可靠性和通路可靠性。全区以内应该有较多的，例如90％的用户获得最小必要的通路可靠性。所谓通路可靠性，是指通路的最大的故障概率，如数分组差错量在一定时间内
超过预定值，就算是发生故障。对于Internet应用，如按照TCP／IP规约运行，则通路可靠性可从IP分组传输统计求得。

　　在NLOS-FWA中，无线通路的性能常常采用信号与噪声及干扰之比（SINR）表示。这意味着任一接收机天线都应满足预定的SINR要求。这当然与无线通路传播发生的衰落现象密切相关，因此无线大线装置常用分集制，以便掌握和减小时延差的发生。总的来说，应当采取各种必要的现实措施，或是设法使k减得最小，或是使rM最大，以获取最大的频谱利用效率SE。

四、固定无线接入网新技术

　　如上所述，下一代固定无线接入网将是采用非视线传输NLOS，这要求较高的系统性能，相应地，必然需要利用较新的技术。简单他说，物理层（PHY）将利用多付天线，实施分集传送和空间复用，并将利用不受时延差影响的调制方式，以便调制解调过程在信道受到损害时仍能有效地进行。而在媒介接入控制层（MAC），线路上实行重新发送和自适应调制以对付较高且变化多的误码率。总的目的是提高正确传送数据速率的能力。

　　首先，用户端与基站之间利用自动请求重发与分段的设施，即根据ARQF（自动请求重发分片）规约，除了以IP为基的ARQ（自动请求重发）以外，还有把分组数据再分段的措施，分成原子式数据单元（ADU，atomic or elementary data unit），其优点是在数据传送过程中，如分组发生误差的话，只需重发该分组的小部分，就可以消除该分组的误差，确保满意的TCP／IP性能。其次，新的固定无线接入网将采用自适应调制与编码技术使用户传送的数据速率能与信道的SINR和衰落程度相适应。这在移动通信蜂窝网曾经成功地使用过。对于一般的数据速率，自适应调制可以利用二相和四相介移相键控（BPSK、QPSK）。对于较高数据速率，则采用64QAM或256QAM的正交调幅。前者可使用户数据能够传送至较远的基站，仍不受干扰的损害。后者则可藉以提高频谱利用率。

　　新型天线包含多付天线、附有智能的信号处理和编码技术。它们不仅用于每一基站，也同样安装在用户端。所以说，新的固定无线接入网必然普遍装用新型天线。而且，这种新型多付天线利用空间分集式（SD，Spatial Diversity），每一天线不会同时受到衰落的危害；它们加大阵列增益，而且改善通信系统的信噪比，由2-3付天线的空间分集，就可能比单独大线得到10-15dB的改善。这些情况表明新型天线用了空间分集，可能扩展覆盖距离和便于频率再利用，又可能藉以降低功率放大器的成本和延长便携机中干电池的寿命。曾经对这样的新型固定无线接入系统做过实际测试，从结果得知，如每付天线相隔0.5-1个波长，就可能获得空间分集增益。例如在载波频率2.5GHz的情况下，天线间隔6～12cm就有明显好处。如利用双极化天线，则天线间隔的要求降低。

　　在无线线路的两端，可以考虑各使用多付天线，藉以提高无线传送信号的数据速率。这意味着，适当利用空间复用技术（SM，Spatial Multiplexing），有可能带来益处，由于固定无线接入系统往往需要传送较高的数据速率，空间复用措施很合乎需要。收发两端各设置几付天线，应该没有多大困难，但可指望取得明显的复用效果，例如发送端和接收端各设置3付发送天线和3付接收天线，可能指望获得3倍的频谱利用效率。举个例子，一个高数据速率信号在发蟑端按照数码间隔序列分成3个较低数据速率的信号，各自经过调制，由3付天线发送。到了对方接收端，由3付天线接收，各自经过解调，最后合并为一个高速率信号。这样的分集复用方案，可在预定的SINR实行。在很多实际情况下，空间分集SD和空间复用SM两种方式结合使用，会得到最好的效果。

　　除了上述的空间分集SD，还可考虑利用频率分集（FD，Frequency Diversity）和时间分集（TD，Time Diversity）的技术。多载波正交频分多路（OFDM，Orthogonal FDM）系统就是由多路窄带的正交副载波同时传输，近年已有一些实际应用，证明有良好效果。本文前面曾提到的ARO见就是属于时间分集，已在有些固定无线接入网正式使用，表明对克服无线电波衰落引起的损害有一定好处。从实际性能测试的结果得知：适当利用分集技术和自适应调制技术，对于非视线传输的固定无线接入网确有明显的有益作用。用户端装置的天线不必精确对准基站，而是可以采用较宽束射的天线；由此引起的多途径影响，可以由AROF和分集技术来解决，得到满意的使用结果。

摘自《现代通信》2002.9