传统宽带无线接入技术

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1 引言

　　在信息通信领域，发展速度最快、对人们影响最大的两大技术就是宽带网络技术和无线移动通信技术，这两大技术的结合，即为宽带无线接入技术。宽带无线接入技术指从用户终端到业务交换点之间通信链路采用无线链路的宽带接入技术。

　　宽带无线接入技术从覆盖范围上可以分为局域宽带无线接入，城域宽带无线接入，广域网宽带无线接入技术这三类；从是否支持终端移动性上，宽带无线接入技术可以分为移动宽带无线接入技术和固定宽带无线接入。移动宽带无线接入技术主要是指第三代移动通信技术，如wcdma、cdma2000等。这类移动通信技术支持终端移动性，可以实现终端移动状态下的宽带无线接入，但是在不同的移动速度下，接入带宽可能不同。固定无线接入技术主要有MMDS/LMDS、自由空间光通信FSO、IEEE固定无线接入技术（包括802.11/802.16/802.20）等。固定无线接入技术不支持终端移动性，因而没有移动性管理功能，系统实现较为简单。

　　下面我们对各种宽带无线接入技术进行具体的介绍。

2 多信道多点分配系统MMDS和本地多点分配系统LMDS

　　MMDS和LMDS都属于固定宽带无线接入技术，与蜂窝移动通信系统相比，它们不支持终端移动性，无需移动性管理功能，因而系统实现较为简单。MMDS和LMDS的系统构成相似，其基本系统构成主要包括基站，远端站和网管系统。其中基站和远端站都由室外单元和室内单元组成。室外单元主要完成基站和远端站之间的无线射频传输数据收发功能，一般安放在建筑物屋顶。室内单元则负责业务的适配、接入和汇聚功能。网管系统负责监控管理服务区内的网络设备，提供各种网管功能如系统配置、业务管理、故障自动告警和诊断、性能分析测试和管理等。

　　MMDS和LMDS都采用无线调制实现点到多点的无线接入功能。它们的主要不同在于工作频段不同，MMDS一般工作于2GHz-5GHz频段上，而LMDS的工作频段一般都超过20GHz。这样由于工作频段的不同，无线信道特性、可用带宽不同，MMDS与LMDS的技术特性便有较大差异。下面对这两种固定无线接入技术做具体的介

图1：MMDS/LMDS系统构成图

　　2.1 MMDS/LMDS技术特性

　　MMDS最初由美国联邦通信委员会（FCC）引入，工作在2.5GHz-2.7GHz频段，用于单向视频电视信号传送。1998年9月，FCC批准运营商采用双向的数据业务传输，允许更加灵活地使用MMDS频段用于数据接入业务。

　　工作频率：目前ITU-T建议的作为固定无线接入MMDS传输频段为3.5GHz频段左右。我国国内标准给MMDS划分的频段为：上行链路频段 3400～3430MHz ；下行链路频段3500～3530MHz ，同一信道收发频率间隔为100MHz。可采用的信道配置方案有四种，基本信道带宽分别为1.75、3.5、7、14MHz，具体应用时可以将信道合并使用。在3.5GHz左右的无线信道传输性能较好，该频段由于波长较长，采用准视距传输，抗雨衰能力强，无需考虑沙尘树叶的影响，业务覆盖半径大（一般为5-10km）。

　　LMDS一般工作于20GHz以上频段，如24GHz、26GHz、28GHz，31和38GHz等等。大多数国家把28GHz左右频段分配给LMDS使用。目前，我国信产部规定得LMDS工作频段为26GHz，其中下行链路基站到远端站发射采用24.507-25.515GHz，上行链路远端站到基站发射频段为25.757-26.765GHz。收发频率间隔为1250MHz。基本信道带宽为3.5、7、14、28MHz，具体应用时可以将信道合并使用。LMDS工作频段频率较高，波长短，采用视距传输，信道传输质量易受雨雾雪等天气状况影响，单个基站业务覆盖半径一般小于5km。

　　系统构成：MMDS/LMDS系统采用多扇区结构。基站设置在服务区的中心位置，采用多根扇区天线，每根天线负责一个扇区。现有扇区天线波束角一般有15º、22.5º、30º、45º、60º或90º等，相应将服务区划分为24、16、12、8、6 或4 个扇区。远端站射频天线采用定向天线与基站相连，定向接收来自本扇区天线的信号。系统可以进行自动功率增益控制，在满足一定的误码率和系统可用性的前提下，自动调整发射功率，使扇区之间干扰降到最低。每个扇区可以为一个或多个远端站服务，基站室内单元将来自各个扇区不同用户上行业务数据进行汇聚复用，提交不同的业务交换节点。并将来自不同业务交换节点的下行业务数据送至各个扇区的不同用户。基站网络侧的业务接口一般有STM-1、10/100Base-T、E3/T3、n×E1等等。远端站设置在用户驻地，由室内单元连接用户终端或用户小交换机、路由器等用户驻地网设备。可提供的接口类型包括10/100Base-T、E1、ISDN等。

　　当需要提供无线宽带接入服务区域较大时，可以采用类似蜂窝的结构，划分服务区，每个服务区中心设立一个基站，各基站通过骨干网络与相应的运营商业务交换节点相连。同时可以建立集中的网络运行中心（NOC），与各服务区基站相连，以便于进行网络管理。

　　多址复用方式：MMDS/LMDS下行链路采用TDM或FDM复用，以点到多点的方式向相应扇区广播信号，各扇区相应用户在自己的频段或时隙内接收信号。MMDS/LMDS一般采用上行多址接入方式为TDMA或FDMA，以点到点方式向基站发送信号。采用TDMA方式时，在同一频段内的远端站可以在不同时隙向基站发送信号，从而可以有效支持突发性强的数据业务，适于支持多个突发性或低速率数据用户的接入。采用FMDA方式时，位于同一扇区的不同远端站在不同频段上向基站发送信号，彼此互不干扰。FDMA对干大量的连续非突发性数据接入较为合适。实际应用中，可以根据用户业务的特点及分布来选取适合的多址方式。

　　调制方式：MMDS/LMDS可选的调制方式有QPSK、4QAM、16QAM、64QAM甚至OFDM等等。采用不同的调制方式时，频谱效率也不同。一般而言，调制方式越复杂，频谱效率越高，可提供的带宽也越高，成本越高，对信道要求越高，覆盖距离也越近。实际中，需要根据具体情况决定采用何种调制方式。

　　系统容量：理论上说，MMDS/LMDS系统容量与所采用的调制方式，可用带宽有关。一般来说，视所采用的调制方式和信道带宽不同，MMDS可提供的单扇区接入带宽为几Mbps到几十Mbps之间。而LMDS由于系统可用带宽大，可提供的单扇区接入带宽则可达几十Mbps至几百Mbps，这就意味着LMDS具有提供各种宽带业务的能力。

　　2.2 MMDS/LMDS的业务能力及其优缺点

　　MMDS/LMDS固定无线接入系统所提供的业务包括：高速Internet接入、局域网互连、租用线、电话、传真、视频会议、企业VPN等各种业务，其中LMDS由于频带宽甚至可以部分替代光纤提供业务接入。

　　MMDS/LMDS具有无线系统所固有的技术优点，如无需铺设通信线缆、建设成本低，项目启动快，建设周期短，网络运行维护费用低等。同时MMDS/LMDS的方便灵活、可以快速部署、后期扩容能力强的特点便于新的电信运营商快速打入本地电信市场，提供宽带接入服务。

　　MMDS的缺点在于带宽受限，所能提供的宽带接入能力有限。LMDS由于工作频段高，其缺点在于需要保证视距传输，基站覆盖范围小不适于远程用户；同时通信质量易受雨雾雪沙尘等天气状况影响。另外，MMDS/LMDS没有统一的国际标准，各厂家的设备存在兼容性问题。同时需要说明的是，目前IEEE已经制定的802.16标准，已经涵盖了MMDS/LMDS的工作频段，未来MMDS/LMDS的前景不容乐观。802.16技术将在后文介绍，这里不再多述。

3 自由空间光通信系统

　　自由空间光通信（FSO）是光通信与无线通信的结合。它以激光(～THz) 为载波、大气为传输介质实现大容量信息(155M～2. 5 G) 的传递，也称无线光网(WON )系统或光无线系统。FSO 是一项视距传输技术，只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。FSO系统一般采用红外激光作为载波，这种红外光不伤眼睛，其传输距离受气候条件影响，从几百米到几公里不等。

　　3.1 FSO系统组成和技术特性

　　FSO系统主要由光收发天线和终端设备构成，传播信道为大气介质。当需要长距离传输时，需要添加相应的中继设备。系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。FSO系统中，光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。

　　FSO的光发射机光源主要采用半导体激光器。半导体激光器体积小、重量轻、可靠性好、效率高，是FSO系统理想的选择。由于大气对不同波长光信号的透过率有较大差别，激光FSO组织规定的FSO系统常用波长为850nm和1550nm波长。850nm的FSO设备价格相对较低，而1550nm的FSO系统价格较高。但是，1550nm的FSO系统传输距离更远，对于雾有更强的穿透能力，而且对人眼更安全，具有更广阔的使用前景。

　　FSO系统一般采用幅度或相位外调制方式，发射机端采用光功率放大器增强发射功率。接收机采用低噪声前置放大器对接收到的微弱光信号进行预放大，并采用光窄带滤波器滤除带外噪声。同时，接收机中还采用光A GC放大器提供可变的增益，以便在接收机的输入光功率变化时，控制放大器的输出电平保持恒定不变。

　　FSO系统中，一个关键的组成部分就是光学天线。光学天线根据光的反射、折射等原理设计, 发射点和接收点通常需要通过望远镜对准。由于FSO采用大气介质作为信道，而大气中存在湍流、灰尘等影响信道传输的因素，发射端激光束发出时偏离一定角度时，到达接收器时就会形成一个很大的光锥。除了大气信道传输特性随机变化对FSO造成的不利影响外，FSO系统中建筑物的抖动也会影响光收发天线之间的对准和接收。可以说光学收、发天线之间的瞄准、接收和跟踪技术是FSO技术的难点和关键。

　　3.2 FSO技术的优缺点及发展展望

　　FSO系统的优点有：

　　·方便灵活快速部署，无需挖沟埋设通信线缆。

　　·不需要频率许可证，FSO系统工作频段在THz以上，没有信号间的相互干扰，故不需要频率许可证。

　　·带宽高，FSO系统采取点到点的组网方式时，FSO能支持155Mbps～10Gbps的传输速率，传输距离在2公里～4公里之间；当采取点到多点的组网方式时，FSO同样能支持155Mbps～10Gbps的传输速率，但传输距离为1～2公里；当采取格形的组网方式时，FSO可支持622Mbps的传输速率，传输距离为200～400米。

　　·安全性能好。FSO波束窄，定向性好，非可视光，除非其通信链路被阻截，否则数据不会外泄，也难以窃听。另外FSO通信系统本身也对数据链路进行加密，保证了通信的安全性。

　　·成本低，FSO系统省去了有线光纤通信中的光纤铺设和维护，系统架设维护成本仅为有限光纤通信成本的几分之一。

　　FSO系统的缺点及存在问题：

　　·FSO是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量相矛盾。尽管激光的定向性很好，但波束还是会随传输距离的增加而变宽，超过一定距离后就难以被正确接收。测试表明，在1公里以下FSO系统才能获得最佳的效率和质量，最远只能达到4Km。另外，由于波束的传输不能受到阻挡，空中飞行物如飞鸟也会对FSO通信产生影响。FSO系统很难达到通信中99.999%的严格稳定性要求。

　　·易受气象条件的影响，FSO系统采用大气作为传输介质，通信质量易受气象条件的影响。雨雾雪天气情况，以及风力气温都会对FSO系统通信质量产生相当的影响。

　　·发射功率受限，为了防止激光对人眼造成伤害，FSO系统发射功率不能超过一定的限制范围，这也影响了FSO系统通信质量的提高。

　　FSO系统实现技术原理比较简单，目前其关键问题是如何提高通信的可靠性，以便尽量达到电信运营商高可靠性要求；在此基础上，再考虑如何提高系统的传输速率和传输距离；同时研究FSO系统的网络拓扑结构，提供诸如选路、链路备份和保护等功能，充分发挥系统的潜力。

　　FSO系统由于其自身方便灵活、快速部署、性价比高等特点，虽然易受气象条件影响，可靠性不高，但在一定的环境下，仍可最大发挥自身优势，在最后一公里宽带接入等领域有一定的竞争优势。

----《当代通信》