寬頻無線接入網

寬頻無線接入網(Broadband radio access network)目前還沒有通用的定義，一般是指把高效率的無線技術套用於寬頻接入網路中，以無線方式向用戶提供寬頻接入的網路。

中文名稱	寬頻無線接入網
英文名稱	broadband radio access network
定　　義	支持寬頻業務的無線接入網路。
套用學科	通信科技（一級學科），無線傳輸與接入（二級學科）

基本介紹

• 中文名：寬頻無線接入網
• 外文名：broadband radio access network
• 套用領域：網路通信

概念

寬頻無線接入網的主要目標是使無線終端在一定 QoS(服務質量)保證下具有高速數據和多媒體業務傳輸的能力(數據率一般超過 2 Mbit/s),同時具有速度受限的移動通信能力 。除了商業利益的驅動以外 ,寬頻無線接入網的發展有著三個方面的技術基礎 。首先 ,隨著研究開發的不斷深入 ,寬頻的有線骨幹網技術尤其是 ATM 技術正趨於成熟 , 有關標準也日臻完善 ,已開始走向商用 , 這為無線終端開發寬頻高速業務提供了參考和依據 。其次 ,移動通信以及個人通信近年來得到了飛速發展 , 它在無線網結構 、移動性支持 、多址方式 、無線傳輸等方面為寬頻無線接入網的研究奠定了基礎 。第三 , 小型、可靠 、高性能的 PC和工作站的出現為多媒體通信的實現提供了可能的通信終端。

研究發展狀況

寬頻無線接入網的研究不僅涉及到寬頻骨幹網的研究和發展 ,而且與飛速發展的新一代移動通信技術密切相關 ,因而近年來正在成為通信技術研究中又一重要領域 。IEEE JSAC 在1997 年和 1998 年先後就此出版有關專刊 , 以推動相應的研究走向深入 。國際上其他有關期刊以及會議都不失時機地將其列為重要的討論課題。

在高速無線LAN 方面 , 1990 年出台的 IEEE 802 .11 標準對無線 LAN 的物理層和媒體訪問控制作出規範 , 其數據速率達 2M bit/s ,採用 2 .4 GHz 的 ISM(工業 、科技 、醫療)免許可證頻段 。它支持兩種網路拓撲 :基於骨幹網(Inf rastructure-ba sed)和對等分布網(Ad hoc)結構 , 前者通過一個預先指定的接入點與骨幹網相連 , 而後者可以根據需要臨時指定與骨幹網相連的接入點 。IEEE 802 .11 除了支持基於競爭方式的 CSMA/CA(避免碰撞機制下的載波偵聽多址接入)媒體訪問控制外 ,還支持免競爭方式具有優先規則的 PCF 功能以滿足時間敏感性業務的要求 。1992 年 ETSI(歐洲電信標準研究所)制定了H IPER LAN 標準 , 它可以在 5.2 GHz 的頻段上支持 2 ～ 23 M bit/s 的數據速率 , 可以支持擴展的 Ad hoc 結構 , 每一節點可以完成數據轉發功能, 使無線網路覆蓋得到擴展。在高速無線 LAN 產業廣闊的商業前景鼓舞下 , 1997 年初美國FCC開放了 5GHz 附近300 MHz 頻寬的免許可證頻段 , 為高速無線LAN 的發展進一步拓展了道路。

在無線ATM 網路研究方面 , 90 年代以來國際上一些大公司以及科研機構進行了一系列的理論研究和試驗系統開發 , 其目的有兩個 :一是驗證無線ATM 概念的可行性 ,二是為有關標準的制定提供參考依據 。由於理解和認識上的差異 ,各公司和機構的初級原型系統在頻段選擇 、傳輸速率 、物理層傳輸設計等方面難以完全一致。主要代表有 NEC C&C 的 WATMne t , 歐洲 RACE 計畫中的 MBS (M obile Broadband S ystem )、ACTS 計畫中的M agic WAND(Wireless ATM Netw ork Demonstra tion), 日本NTT 的 AWA(ATM Wireless Acce ss),Cambridge -Olive tti研究室的無線 ATM LAN , Bell 實驗室(Lucent 公司)的無線ATM LAN 系統(稱為 BAHAM A)等 。考慮到這些系統反映的只是各研究機構自己的觀點 , 有關國際標準化組織尚未就此提出建議 , 另外 ,這些系統的技術特點和功能在相關的文獻中都有詳盡的描述 , 因此這裡不準備作進一步討論。

關鍵技術

無論是高速無線 LAN 還是無線 ATM ,在實現寬頻無線接入時都需要以下關鍵技術的支持, 雖然這些技術在中 、低速無線傳輸套用中已較為成熟 , 但在高速可靠無線傳輸和移動性支持方面都面臨著新的挑戰。

微波 、毫米波傳播模型及天線設計

寬頻無線接入網中的無線傳輸數據速率一般要超過 2M bit /s , 所採用的射頻頻段通常為 2 .4 ～ 60 GH z, 相應頻段的電磁波傳播模型 、微波毫米波積體電路以及天線設計都需要作深入的研究 , 這將直接影響到無線終端的體積和性能 。天線的選擇與接收機的內部設計也緊密相關。窄波束定向天線可以改善多徑衰落環境下的接收性能 , 但它要求對接入點和無線終端之間的視距通信進行跟蹤 , 這會限制終端的移動性 。所幸 ,典型的多媒體終端將是一個攜帶型 PC 或手持個人數字助理(PDA),主要用來處理可視業務 ,可以構想 ,用戶將在靜止的桌旁或慢步行走中操作這類終端 。另一類被普遍看好的技術是自適應陣列天線 , 這類技術實際上是天線分集與接收機中自適應信號處理的結合 , 通過對波束形成網路的自適應控制和處理來完成空分多址(S DMA)接收 , 在利用多徑傳播提高傳輸性能 、改進系統容量 、支持高速數據傳輸等方面這種技術都具有很好的前景。

數據鏈路控制(DLC)

與光纖傳輸相比 , 無線信道的時變性和多徑傳播特點使傳輸可靠性大為降低 ,在無線傳輸中經常會出現連續的 、突發的傳輸錯誤 , 這就需要設計用於無線傳輸的數據鏈路控制機制。如果採用自動請求重傳(ARQ)協定 ,則有些業務需要設計新的具有時間約束的重發控制規程 。前向差錯控制方法一般被認為是一種有效提高傳輸可靠性的方法。在無線 ATM 中 ,信元的差錯控制方案應該在保證其可靠傳輸的同時提高其傳輸的有效性 , 標準 ATM 信元中的差錯控制方法(HEC)應予修改 , 因為一方面它只對信頭做了保護 ,未保護信息部分 ,另一方面它是針對隨機錯誤設計的, 無法適應突發錯誤的環境 。如何設計無線傳輸時的差錯控制方案是一個重要課題。除了考慮選擇一些對突發錯誤有效的編碼方案外(如 RS 碼等), 採用交織技術也是不可少的 ,已有一些文獻對此進行了討論 , 但總的來講這方面的研究還不夠充分。

無線傳輸與接收

隨著數字移動通信及個人通信的飛速發展，中、低速無線數據傳輸理論和技術已日漸成熟。但寬頻無線接入網的無線傳輸數據速率要高得多 ,這給我們提出了一些新的課題 , 諸如高效多址方式 、調製技術、自適應接收 、均衡等 。寬頻無線接入網中使用的多址方式可能是一些基本方式的組合或變異 , 比如 ALOHA及其擴展與 TDMA 的結合 , 分組預約多址(PRMA)與CDMA的組合等 。在無線移動環境中 , 高速率數據傳輸面臨的最嚴重的困難之一就是多徑衰落的影響 , 在基於 TDMA 方式的傳輸和接收中 , 自適應均衡是克服多徑影響的有效手段, 但當傳輸速率很高時 ,需要的均衡器抽頭數大為增加 , 不僅實現變得複雜 , 而且難以滿足較短的數據包快速啟動的要求 。解決這一問題一方面需要改進均衡器的設計 , 另一方面可以將自適應均衡與自適應調製相結合 。所謂自適應調製是指當無線終端發出傳輸請求時 ,接入點根據申請業務條件 、平均載乾比 、延時要求以及信道即時狀況為終端分配相應的載波 、時隙、調製方案和符號速率。QPSK 和 QAM 是寬頻無線接入網中無線傳輸的候選調製方式 , 若使其調製參數隨信道狀況 、移動終端位置等情況自適應調整將會得到更好的性能。

CDMA 的優勢之一是其克服多徑衰落的能力 ,雖然一般認為 ,單純的 DS-CDMA 難以提供高速的數據傳輸 , 因為它要求比數據頻寬寬得多的射頻頻寬 , 對 156 M bit/s 的數據傳輸速率 , 如果處理增益為15 , 則要求射頻頻寬為 2 .325 GHz , 顯然簡單的直擴方法難以實現 。但是將其與跳頻(FH)或多載波傳輸技術相結合 , 則可以獲得高速率的數據傳輸 。近來這方面的討論很多 , 主要有寬頻 CDMA(W-CDMA)、多速率 CDM A(MR-CDMA)、多載波 CDMA(M C-CDM A)、多碼CDMA 、混合DS/FH CDMA 、混合CDMA/FDMA 等等 。從載波頻率使用情況看 , 可分為單載波 CDMA 和多載波 CDMA ,而多載波方案一般都與正交頻分復用(OFDM)有關 ,OFDM 是最有效的頻分復用方法 , 各相鄰載波間的保護帶最小 。將OFDM 技術用於CDMA 可以有效提高數據的傳輸速率。

高效無線信道控制、管理

在寬頻無線接入網中 , 媒體訪問控制(MAC)是支持多個終端設備共用無線信道所不可缺少的 。在目前的移動通信中, 由於傳輸速率低 , 提供業務少(主要是話音業務),對無線資源使用效率的要求並不很高 ,但在寬頻無線接入網中 , 傳輸速率大為提高 ,持續時間短 、具有突發特性的業務將占主導地位 , 因此有效地控制無線終端使其合理占用有限的網路資源是一個重要課題 。在目前的無線區域網路(包括 IEEE 802 .11 和 HIPE R LAN等)中 , 媒體訪問控制主要是以 CS MA/CA 協定為基礎的 。因為無線信道動態範圍可能較大 ,在有效頻寬採用碰撞檢測方式是很困難的, 只能採取隨機退避方式以減小兩幀碰撞的機率。在無線 ATM 網路的研究中 , 媒體訪問控制一直是一個熱點課題 , 其目標是在支持 ATM 標準中所定義的業務類型(可用比特率(ABR)、可變比特率(VBR)、恆定比特率(CBR)以及未指定比特率(UBR)業務)的同時 , 保持高效的無線信道利用率 , 並提供相應的 QoS 控制 。目前已經提出了許多實現方案 , 這些方案在無線資源動態分配 、實時與非實時業務處理等方面都取得了一定的成果 。用於無線ATM 網路媒體訪問控制的有關技術包括分組預約多址(PRM A)及其 擴展、動態 TDMA/ 時分復用(TDD)和 CDMA 等 。另外在點到多點無線網結構中 , TDMA方式所採用無線資源管理的動態信道分配(DCA)也是一個重要的研究課題。

無線終端的移動性支持

終端移動性是指處於網路有效覆蓋範圍的無線終端在移動中保持通信的能力 , 其主要功能包括無線終端的位置管理、連線建立以及終端移動時動態地重新選擇路由以實現切換控制 。由於現有 ATM 網路協定不支持終端移動性 ,所以在寬頻無線接入網中需要開發支持移動性的網路控制協定 。在骨幹網採用ATM 技術的情況下 ,可以選擇的策略有兩種 ,第一種是保持現有 ATM 標準 UNI 信令協定不變 ,專門開發針對無線接入網的移動性支持協定。這樣做的好處是已有的ATM 信令協定無需修改 ,即可使無線接入網路的移動性得到支持 。缺點是在接入點需要進行兩種協定的相互轉換 ,同時專用無線接入網控制協定的一些功能與 ATM 信令控制協定可能是重疊的 , 由於無法利用已有的 ATM 信令協定及其傳輸通道而需另外占用網路資源 ,致使網路資源利用率 、傳輸效率降低 。第二種是修改已有的ATM UNI 信令協定 , 增加一些協定原語使其能夠直接支持無線終端的移動性 , 其優缺點與第一種正好相反 。兩種策略各有利弊 , 如何選用尚未達成共識 , 目前在兩方面都展開了相關的研究。

有線 ATM 終端的用戶標識碼(UID)體現了其所在位置 ,而無線終端的定位則較為複雜 ,通常需要建立多層結構的資料庫(一般為兩層), 並採用定位區尋呼和報告相結合的方法來定位無線終端 , 這一功能的實現需要得到相應協定的支持 。建立無線連線尤其是被叫為無線終端的連線建立與位置管理緊密關聯 ,也是相應協定支持的一個主要內容 。無線終端在進行通信時可能越過兩個或多個小區的邊界 ,此時需要進行切換 ,網路協定也應予支持 。為了在保證QoS 的情況下完成切換 , 還需要進行路由選擇算法的研究 , 以期能夠提高切換的有效性和可靠性 。由於網路為了保證終端的可靠切換一般需要預留部分資源 , 因此最佳的路由選擇算法以及合理的價格/性能準則是完成切換功能的重要因素 。目前的 ATM UNI 信令協定是 ITU -Q .2931(ATM 論壇建議的 UNI 信令協定與此是一致的),如採用第二種策略支持終端移動性 , 需要增加其信令原語 ,國際上有關標準化組織正在考慮這一問題 ,但新規範的出台將建立在對這一問題深入研究的基礎上。

貢獻

豐富了移動通信的內涵

蜂窩移動通信的設計思路根本點在於要滿足人與人之間的通信需求，而且起初只是為通話需求，後來才增加了數據和其它業務。與此相應的蜂窩移動通信套用場景只定義了室內固定和室外移動兩種類型。

接入網移動通信的設計初衷是滿足數據通信的需求，主要是針對機與機之間的通信。當然人的介入是必然的，所以也包括人與機的通信。如今計算即機技術的廣泛套用，無所不在。所以接入網移動通信的套用主體是人、機、物。與此相應的接入網移動通信套用場景就定義了遊牧、便攜、簡單移動和全移動四種類型，從而更加完整了。

創立了移動通信網路新體制

過去三十年人們所談論的移動通信體制，從FDMA到TDMA，再到CDMA都只是在廣域網不變的網路體制下的空中接口技術的差異，實際上並未涉及網路體制。接入網移動通信技術體制的出現打破了一貫以來的廣域網移動通信技術體制的獨立的自成體系網路架構。包括獨立的交換體系；統一網路設施；獨立運營方式等。接入網移動通信技術體制是一種新型的通信體制，其依託於骨幹網的接入網，路由器取代了交換機，分組交換取代了線路交換，多運營商聯合運營取代了獨家運營。

提高頻譜效率的新成就

由於無線接入網比之蜂窩移動通信較早引用了OFDM技術，並推進到移動套用，演進為OFDMA；又較早將MIMO技術在無線接入移動化中取得成效，使得系統頻譜效率大大提高。對移動通信可貴頻譜資源的更有效利用，提供更高的數據傳輸能力，展現出更加美好的前景。

靈活的標準體系

無線接入網的靈活標準體系與廣域網蜂窩移動通信的標準的差異也非常值得關注。廣域網蜂窩移動通信的設計思路是設計一個系統，建立一個標準，應對所有的套用需求。而接入網移動通信是針對不同的套用設計不同的標準，不同標準合起來構成一個標準系列族。通過中介網路，例如邁適（Mesh）網互聯互通。

拓寬了移動通信頻譜資源

蜂窩移動通信將所有的移動業務全部納入統一的蜂窩網服務範疇。而蜂窩網可用的頻譜資源非常有限，也就是指望一個城市的人都乘同一種交通工具上班。

接入網的系列標準思路，引入了所有可用的頻譜資源，從幾百兆到十多吉赫茲。按不同的套用環境，配置不同的資源。大大緩解了移動通信的用戶需求與頻譜資源緊缺矛盾。