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3.5GHz无线接入系统技术及应用
2015-01-27 08:28:08   来源:   评论:0 点击:

1 3 5GHz宽带无线接入技术发展   随着固定无线接入尤其是3 5GHz宽带固定无线接入网建设的持续升温以及各种新的技术不断被引入,固定无

1 3.5GHz宽带无线接入技术发展

  随着固定无线接入尤其是3.5GHz宽带固定无线接入网建设的持续升温以及各种新的技术不断被引入,固定无线接入系统已经从最初基于电话接入方式的窄带系统演变成为面向高速数据业务为主的宽带综合业务接入系统。经过近几年的实践和创新,3.5GHz宽带固定无线接入技术的发展主要体现在多址方式演变、调制方式、双工方式选择、对OFDM技术的支持、对电路交换与分组交换支持、动态带宽分配以及业务接入能力和系统完善的网络管理几方面。

1.1 多址方式的演变

  目前在3.5GHz频段固定无线接入领域中有三种主要的多址方式--FDMA、TDMA、CDMA。
  
  ⑴ FDMA--频分多址 采用FDMA寻址方式时,系统中心站具有N个信道,每个信道对应一个中心载频;所有的远端站(TS)可以共享中心站的信道资源,即在中心站的控制下,TS可工作在任一载频信道上;FDMA的特点是技术成熟、稳定、容易实现且成本较低,缺点是频谱利用率较低,每个用户(远端站)都要占用一定的频带,尤其在空中带宽资源有限的情况下,FDMA系统组织多扇区基站会遇到困难。所以很少采用。
  
  ⑵ TDMA--时分多址 TDMA也是非常成熟的通信技术,所谓TDMA就是一个信道由连续的周期性时隙构成,不同信号被分配到不同的时隙里,系统中心站将用户数据按时分复用(TDM)广播发送,所有的TS都可接收到,根据地址信息取出送给自己的数据,下行发送使用一个载频;所有TS共享另一个上行载频,在中心站控制下,按分配给自己的时隙将数据突发到中心站。 由于TDMA的频谱利用率相对FDMA要高,在目前的宽带无线接入领域中已被广泛采用。
  
  ⑶ CDMA--码分多址 所谓CDMA就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列码进行扩频,不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里,中心站使用正交的PN码做为信道标志,与不同TS通信使用同一频率,但采用不同的PN码来实现扩频;每个TS都可以同时收到中心站发给所有TS的信号,中心站要同时接收来自各个TS的同一频率的不同PN码的信号;CDMA系统为保证良好的通信质量必须做到:PN码之间正交特性良好;PN码要有足够长度,以提高扩频增益,即干扰容限。提高扩频处理增益与支持宽带业务接入是一对矛盾,在3.5GHz频段频率资源有限情况下,采用码分多址技术的无线接入系统以窄带业务为主。具有更高的频谱利用率。

  1.2 采用灵活多样的调制方式

  目前,3.5GHz频段宽带无线接入产品中主要选择以下几种调制方式:QPSK、16QAM以及64QAM,分别适应不同带宽及覆盖范围的需求。其中QPSK是目前中小容量数字微波通信系统中广泛采用的调制方式,对相移键控(PSK)这样的简单系统,因为数据速率低,在PSK调制中信号波形的幅度和频率都不发生变化,只是相位有变化,它具有较好的抗干扰性能。而多进制正交幅度调制(MQAM)是在中、大容量数字微波通信系统中广泛使用的一种载波调制方式,这种方式具有很高的频谱效率,在调制进制数较高时,信号矢量集的分布也比较合理,同时实现起来也较方便。当然随着QAM的密度越高,频谱利用能力也越高,而为了保证所需的误码率必须维持的信噪比也越高。从而相应能够达到的覆盖范围也受到限制。如能采用性能优良的纠错编码技术,可以在高频谱利用率及可获得优良信噪比性能之间进行折中设计,同样可以获得总体性能的优化,大唐电信R2000 AIRsun产品就是一个成功的案例。
 
  1.3选择TDD or FDD的双工方式

  宽带无线接入系统是一个双向传输的双工通信系统。根据设备组成原理的不同其双工方式有TDD和FDD两种。 采用TDD方式的无线通信系统中接收和发送是在同一频率信道(载波)的不同时隙,用保护时间来分离发送与接收信道(或上/下行链路);而采用FDD模式的无线通信系统的发送和接收是在分离的两个对称频率信道上,用保护频段来分离上行信道和下行信道。采用不同双工方式的无线通信系统的特点和通信效率是不同的。目前除即将开放的5.8GHz频段中宽带无线接入系统外,国家无线电管理局规划的3.5GHz宽带无线接入系统和26GHz LMDS系统均采用FDD的双工方式工作。

  1.4 采用OFDM技术   
  正交频分复用(OFDM)技术在宽带无线接入领域的应用正在逐渐成为一种发展趋势, 因为OFDM解决符号间干扰的办法是将一个无线信道分解成多个副载波,而且通过副载波同时传输数据。每个副载波的数据率比总的数据率低很多,但是到达终点的总数据率与信道分解前的数据率完全相同,正由于每个副载波数据率比总的数据率低,可使每个传输符号变得更长些,从而消除了时延变化的影响。所以OFDM具有良好的选频衰落和抗多径干扰能力,使得无线接入系统对于视距传输的环境要求降低,特别适用于日趋复杂的城市传播环境,此外它还具有较高的频谱效率,大唐无线通信公司的R2000 ACCESS OFDM系统已采用了OFDM技术,随着无线通信技术的发展和OFDM技术的成熟,可以预计OFDM将成为未来宽带无线通信系统关键技术之一。

  1.5分组交换必将是未来通信技术发展的方向

  电路交换技术尽管有其不可磨灭的历史功勋和内在的高质量严管理优势,但对于未来以突发性数据为主的业务而言,如将仍沿用电路交换方式,则会造成网络效率低,传输和交换成本高,网络资源浪费以及必须采用复杂的信令、计费方式和网管的弊端。特别是对一些新型的运营商来说,本身并没有电路交换的基础,他们构思的未来网络蓝图往往是可持续发展的一体化网络。因为分组网有着传统电路交换网所无法具备的优势,经证明下一代的网络(NGN)将以IP为基础,通过软交换可实现真正意义上的按需分配,同时支持语音、数据、视频等综合业务。目前,这场深刻的变革已经开始影响通信行业的每个角落:从核心交换机到传输网络直至宽带无线接入,比较先进的宽带无线接入系统都可以支持基于IP的分组业务。 从我国具体国情看,电话普及率仍落后于发达国家达到的水平(40%)。因此可以肯定,在中近期内满足基本电话业务需求仍将是我国电信发展的主要任务,电话业务在我国电信业务中的主体地位将会持续相当长的时间。因此在未来5~10年内,电信公司的主要任务仍要同时支持电路交换和分组交换两种网络,特别是在接入网这一层,市场对租用线业务的接入设备仍有大量需求。例如在解决大客户接入、移动基站传输等领域,E1链路的市场需求仍非常巨大。为了满足这种市场需求,基于TDM+IP方式的R2000 AIRsun点对多点宽带无线多业务系统,它可以为用户提供大容量的语音、数据以及IP业务。

  1.6 实现动态分配带宽

  无线接入系统要解决对分组业务带宽及实时需求不同的支持,必须采用的关键技术是对带宽的动态分配。比如R2000AIRsun固定无线接入产品,采用了一些独特的专利技术如PATENT PENDING AIR协议,通过从64Kbit/s到2xE1(4xE1供选择)基带,并以64Kbit/s为间隔,任一单独用户均可以使用灵活的基带带宽。该动态带宽分配协议还允许在电路交换和分组交换的语音及数据的多种业务集中分配,这种集中的业务是通过将已经激活的无线通道调整到实际的繁忙通道来完成的。带宽预定允许对高敏感和高优先的话务进行预先分配,通过制定每个业务的最大和最小的带宽数据,运营商可保证并能限制分配到业务的用户带宽,这样可以在不干扰其他用户的情况下保证每个业务的服务质量。
 
  1.7 满足多种需求的业务接口

  网络是用来承载业务的,不同的网络结构往往适于传送不同的业务内容,特别是在接入网这一侧,随着国家政策的开放,谁经营的业务内容越丰富,谁经营的业务类型越先进,谁就能在这场接入网的竞争中占据优势。因此,各个运营商都对业务接口提出了非常高的要求,而设备供应商提供的产品业务接口越丰富,也就越受运营商的青睐。目前根据应用领域的不同,3.5GHz宽带无线接入系统在中心站至少能提供V5、ATM、E1、以太网10BASE-T/100BASE-X接口中任一种,在终端站至少能向各个用户所需选择的ISDN、POTS、以太网10BASE-T以及E1接口中的任意组合。

2 3.5GHz宽带无线接入系统的应用

2.1 接入系统应用分类

   按照其业务承载能力和应用领域,我们可以将3.5GHz宽带无线接入产品分成四类:面向分组数据接入的产品--该类系统支持空中分组数据传输,其用户接口主要是10BaseT,系统主要用于中、小企业的数据连接业务。此类产品的空中协议主要是802.11系列或DOCSIS协议;面向语音数据一体化的产品--该系统支持空中信道的语音和数据接入,其用户接口包括RJ11、10BaseT和V.35,该产品针对电路型语音和低速率的数据接入需求,产品的空中协议多为内部协议;面向高速专线数据接入的产品--该系统属于高速专线数据传输系统,其用户接口包括N×64kbit/s、E1,系统主要用于对高速专线数据接入有需求的用户,也可以替代部分有线传输设备。此类产品的空中协议多为内部协议;面向综合业务技术的产品--此类系统一般具有灵活带宽分配技术,其用户接口包括N×64kbit/s、10BaseT、E1,系统主要用于面向多种类型用户的业务需求。此类系统一般可以根据运营商所服务的用户类型灵活地配置带宽分配方式,即确定分组方式和电路方式所占带宽的比例关系,这能极大地提高带宽利用率和服务质量,为运营商实现灵活的组网和提供高质量业务、降低设备运行维护成本提供了良好的手段。此类产品空中协议多为ATM协议或内部私有协议。 现阶段,宽带无线接入系统主要用于解决用户的语音和数据业务接入, 3.5GHz宽带无线接入系统可以承载如下业务:语音业务、因特网接入、DDN业务、帧中继业务、IP电话业务、虚拟专网(VPN)业务、ISDN接入业务、电视会议业务、ATM接入业务、移动基站互连以及应急通信预案等。
  ① 租用线业务 3.5GHz宽带无线接入系统可为租用线业务用户提供用户终端至网络的E1或部分E1(N×64kbit/s)、帧中继(FR)连接等。主要应用于PBX连接及基于专线的广域网连接应用等。
  ②突发数据业务 3.5GHz宽带无线接入系统可提供的业务应用包括Internet、Intranet以及局域网互连等,主要面向企业、SOHO以及居民用户等。
  ③ 语音业务 3.5GHz宽带无线接入系统可提供传统的话音和ISDN通信提供接入,网络接口可以是V5.2或其他符合标准的接口。
  ④ 数字视频业务 3.5GHz宽带无线接入系统可为用户提供包括VOD、数字标准清晰度或高清晰度广播业务等:
2.2 宽带无线接入的实际应用
  3.5GHz宽带无线接入系统可以为企业的信息化提供虚拟专用网络、为企业客户提供租用线业务,可以快速为大客户提供综合业务接入、为运营商提供新的业务增长点,可以延伸城域网接入范围,增加网络吸引力。系统可用于政府行政机构、金融机构、大中型企业、办公/商住楼房、智能化小区、移动通信运营商等领域。
  ① 城域网接入应用  
  对于缺乏有线资源的新的运营商,在线路资源严重不足的情况下,能够利用少量的资金投入,快速获得一个较大的网络用户覆盖,并对覆盖区内的用户接入具有快捷的响应能力,无线接入手段无疑是这些新兴运营商现阶段的一个最佳选择。在网络建设早期,采用无线接入方式完全可以为包括中国电信北方电信事业部以及中国网通南方拓展部在内的新的运营商提供一个全部由无线设备组成的城域网覆盖方案。当然,即使在以光纤接入手段为主的传统电信运营商(如中国移动、中国联通等公司),无线接入仍然是一种有效的备用和应急手段,而它的灵活性和可移动性,又将使宽带无线接入系统在解决新开发的城市区域和其他区间通信问题时发挥关键的作用。
  ② 社区宽带接入网
  社区宽带接入网也是当前一个非常热门的话题,越来越多的家庭要求实现高速的Internet接入服务刺激了这一领域的增长。以无线局域网代替楼内综合布线,以3.5GHz宽带无线接入完成楼宇到小区网络中心的接入。使无线系统投资不会产生积淀,可以根据用户的需要随时提供服务,不必象综合布线那样为所有的用户都预留线路资源。而对于那些旧的小区,综合布线往往难以实施,而且还有可能面临小区拆除重建、造成投资浪费的危险。同时,无线接入方式的应用也有助于打破垄断,因为小区没有必要同时存在两个以上的有线网络提供者,而宽带无线接入系统的引入则打破了这个限制。        ③ 政府机关、中小企事业用户专线接入
    在大多数情况下,政府机关、中小企事业用户既希望提供宽带服务,又希望通信的费用要低。宽带无线接入系统的引入可以满足这些用户的需要。如单位(企事业)内部的互连,通过宽带无线接入系统或无线局域网系统实现无线办公,或是政府机关、中小企事业用户实现至城域骨干网的连接。至于那些对通信稳定性、可靠性等有更高要求的特殊用户比如证券公司、银行、税务机关等用户,可采用有线接入和无线接入互为补充方式或采用无线方式作为应急备份系统来保障用户的通信安全的需要。

3 3.5G宽带无线接入应用前景看好

3.1 全国进行3.5G竞标建设试点;

  为了鼓励竟争,优化配置无线电频率资源,2001年信息产业部决定采用评选(招标)方式,在南京、厦门、青岛、武汉、重庆5个城市进行了3.5GHz地面固定无线接入系统频率使用权的分配试点工作,将3.5GHz 频段2×31.5MHz频带资源通过评选(招标)方式给各个运营商进行分配,每个城市有3个品目,带宽分别是3×3.5MHz、 2×3.5MHz、4×3.5MHz,各品目之间没有安排保护带。从此,在国内正式开展应用试点工作。 为了适应我国电信市场发展需要,信息产业部决定在充分总结第一批试点招标经验的基础上,继续推进3.5GHz频段地面固定无线接入系统频率使用权的评选试点工作,试点范围由第一批的5个城市扩大到了北京等32个城市内。第二批频率使用权分配试点工作采用邀请招标的方式,并向包括中国联通、中国网通、中国移动、中国电信、中电华通、中国铁通、中国卫通在内的十一家电信运营企业发出了评选(招标)的邀请。本次招标除青岛是一个4×3.5MHz品目外,其它31个城市每个城市有3个3×3.5MHz品目,各品目之间仍然没有安排保护带。 目前3.5GHz频段地面固定无线接入系统使用频率扩大试点评选(招标)评标结果(第二批)已经公布如表1所示:其结果如下:中国电信中标9个城市、中国网通中标17个城市、中国移动中标10个城市、中国联通中标23个城市、中国卫通中标3个城市、中国铁通中标5个城市、中电华通中标25个城市、中信网络和金桥网络各中标1个城市,获得了相应城市固定无线接入频率的使用权。


3.2 宽带无线接入市场巨大,前景广阔

  目前无线通信领域其市场需求和技术发展空前活跃,一些设备制造商如:大唐电信、阿尔卡特、NATRO等公司根据市场需要纷纷推出自己的 3.5GHz频段无线接入产品。作为国内最早引入宽带无线接入概念的厂家,大唐电信无线通信公司从2000年就开始针对中国市场的特点和频率规划的要求,积极开发 3.5GHz频段宽带多业务无线接入系统系列产品,先后开发出R2000 AIRsun 宽带多业务无线接入系统和R2000 ACCESS OFDM宽带无线IP接入系统。
  大唐电信R2000 AIRsun系统可工作于3.5GHz/10.5GHz/26GHz三个频段,系统采用多扇区覆盖、每个扇区子系统采用多载波TDMA技术、64QAM调制解调技术、2/3卷积编码和前向纠错技术、ATPC技术以及数字滚降滤波技术,以其极高的频谱效率、最优的抗同频/邻频干扰能力、丰富的业务接口、具有同时支持面向连接业务(包括N×64K或E1语音/数字电路承载业务、ISDN业务等)和无连接业务(包括IP业务、因特网接入、局域网互连、虚拟专用网VPN等)的多业务接入能力。在第一批五个中标城市运营商设备招标中,独家中标厦门移动、南京移动、重庆移动和武汉三江等运营商,大唐电信R2000AIRsun成功地应用于其中四个城市另外,大唐电信R2000 AIRsun还成功的应用于中国联通、中国网通等运营商,在中国市场上已有30个基站系统(120余个扇区子系统),400余个远端站设备投入使用,市场占有率超过80%,是目前在通信网上应用最多,品质最好的产品之一。大唐电信R2000AIRsun最典型的综合业务应用如图3所示:
  随着接入网建设的持续升温以及各种新的技术不断被引入,在通信运营商和无线设备供应商的共同努力下,3.5GHz宽带固定无线接入在中国将有广阔的市场,其发展前景不可限量。
  作者简介:副总工、高级工程师,87年毕业于北京理工大学电磁场与微波技术专业,ITU-R第三研究组国内对口组专家成员,曾参加"450MHz FDMA无线接入系统要求和测量方法"、"STM-0微波通信系统总技术要求"、"接入网技术要求――3.5GHz无线接入系统"、"接入网技术要求――本地多点分配系统LMDS"等标准的讨论和审查工作,是"移动通信移频中继机技术要求和测量方法"标准的主要起草人之一。现任职于大唐电信无线通信公司,从事无线通信系统及网络的研究工作。

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