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发信人: Iamhere (灯火阑珊), 信区: Communication
标 题: 宽带无线接入网及其关键技术 cgl
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月15日23:59:02 星期五), 站内信件
发信人: cgl (老顽童), 信区: ECE
标 题: 宽带无线接入网及其关键技术
发信站: 紫 丁 香 (Thu Oct 21 12:51:19 1999), 转信
电信科学
TELECOMMUNICATIONS SCIENCE
1999年 第15卷 第8期 Vol.15 No.8 1999
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宽带无线接入网及其关键技术
聂景楠 郑少仁
摘要 本文介绍了宽带无线接入网的基本要领及其研究善，讲座了其研究善，讲座
了其可能的实现策略及途径，并涉及的新理论和关键技术进行了分析。
关键词 接入网多媒体业务无线ATM
Broadband Radio Access Networks and Its Key TechnologiesNie
Jingnan Zheng Shaoren
（ATM R＆D Center ， Nanjing Institute of Communications Engineering ，Nanjing
210016
Abstract In this paper， the concept of broadband radio access networks and
its investigations are outlined， and its possible development strategies
are discussed． Moreover， new theories and key technologies met in
implementing the networks are also examined．
Key words access network ， multimedia service， wireless ATM
１ 宽带无线接入网的概念
宽带无线接入网的主要目标是使无线终端在一定ＱｏＳ（服务质量）保证下具
有高速数据和多媒体业务传输的能力（数据率一般超过２Ｍｂｉｔ/ｓ），同时具
有速度受限的移动通信能力。除了商业利益的驱动以外，宽带无线接入网的发展有
着三个方面的技术基础。首先，随着研究开发的不断深入，宽带的有线骨干网技术
尤其是ＡＴＭ技术正趋于成熟，有关标准也日臻完善，已开始走向商用，这为无线
终端开发宽带高速业务提供了参考和依据。其次，移动通信以及个人通信近年来得
到了飞速发展，它在无线网结构、移动性支持、多址方式、无线传输等方面为宽带
无线接入网的研究奠定了基础。第三，小型、可靠、高性能的ＰＣ和工作站的出现
为多媒体通信的实现提供了可能的通信终端。
接入网的设计与骨干网的设计和实现密切相关。从技术上看，为了使宽带无线
接入网能够承载目前的和未来的各种业务，即为了使接入网与所支持的业务类型无
关，应该使接入网具有类似ＡＴＭ网络的传输交换机制。如果在未来的有线骨干网
上ＡＴＭ是唯一的传输交换方式，那么宽带无线接入网自然应该设计成有线ＡＴＭ
网络的无线扩展。事实上，就目前骨干网的发展情况来看，只能说ＡＴＭ是多种传
输方式中不可缺少的一种，这样宽带无线接入网的设计就变得比较复杂，必须解决
实现策略、途径及方式等多方面问题。从商业利益和市场驱动情况来看，在无线终
端上直接支持ＡＴＭ业务目前尚无迫切的需求，而无线ＬＡＮ的发展则受到了更多
的关注，其产品和技术正向着宽带、多业务的方向发展。考虑到有线ＡＴＭ网将是
未来骨干通信网的重要组成部分，可以认为宽带无线接入网至少有两种构成方式和
实现途径：（ａ）高速无线ＬＡＮ接入ＡＴＭ网络；（ｂ）有线ＡＴＭ网络直接扩
展到无线终端，实现无线ＡＴＭ网络。其相应的协议模型如图１所示。
方式（ａ）虽然受到了市场的驱动，但实现起来未必简单。在接入点需要完成
传输信息格式的转换，信令和路由选择机制的转换，以及ＱｏＳ保证机制的转换等
功能，不仅实现复杂而且难以实现无线与有线传输的无缝连接，会造成一定的网络
资源浪费。其优点是无线网的设计可以不受有线网的影响而独立地实现优化。方式
（ｂ）可以实现无线与有线传输的无缝连接，接入点功能简单，只需为无线传输增
加适配功能以支持高速可靠的无线物理层传输和控制。由于这样的适配是在有线
ＡＴＭ传输结构（信元）的基础上进行的，而有线ＡＴＭ信元是针对高质量传输信
道设计的，所以适配后的信元结构对于高速无线传输并非最优，导致无线传输效率
有所降低。
图1 宽带无线接网的协议模型
宽带无线接入网的实现在技术上需要解决两个方面的问题。由于无线信道的传
输环境恶劣，使数据传输差错率较高，同时无线频谱资源有限，也使传输速率、系
统容量等都会受到限制，因此第一个问题是设计高效可靠的物理层传输和控制机制。
此外，网络对高速传输终端的移动性支持是需要解决的第二个问题，因为一方面宽
带无线传输采用的射频频率较高（２．４ ～６０ＧＨｚ），移动速度将因此受到限
制，如何在移动速度与信息速率之间进行折衷需要讨论；另一方面目前的有线ＡＴＭ
网并未提供对终端移动性的支持，而这种支持在宽带无线接入网中是必不可少的，
所以需要开发提供这种支持的信令协议。图２显示了当前各种通信系统中移动性与
传输速率之间的关系。
图2 移动性与传输速率的关系
目前，对于高速无线ＬＡＮ的实现已经制定了一系列标准，所支持的数据速率
可以超过２０Ｍｂｉｔ/ｓ，在网络结构、多址方式、媒体访问控制及频带选择等方
面都有相应的建议。所需要解决的困难是，面对多种无线ＬＡＮ标准，其用来连接
接入网与骨干网的接入点难以进行规范设计，目前只能设计成专用的接入点。
图3 典型的无线ATM协议栈及信元结构
与无线ＬＡＮ相比，无线ＡＴＭ网络的研究和开发还只是处于初级阶段，有关
标准和规范尚未出台。一般认为，接入点为了适配无线传输需要在原ＡＴＭ协议层
中加入数据链路控制（ＤＬＣ）和媒体访问控制（ＭＡＣ）子层，其无线信元结构
也应在原ＡＴＭ信元的基础上进行调整，典型的协议栈和信元结构如图３所示。此
外，无线网络资源有效控制、高速无线传输方案以及移动性支持等课题都是当前无
线ＡＴＭ网络研究中的热点。由于技术上的不成熟，目前还难以制定统一的规范，
所开发的一些系统大都属于演示性（以证明概念可行）、试验性（为标准的制定提
供依据）和专用性的（用于特定场合，如机场、体育场等）。
２ 宽带无线接入网的研究发展状况
宽带无线接入网的研究不仅涉及到宽带骨干网的研究和发展，而且与飞速发展
的新一代移动通信技术密切相关，因而近年来正在成为通信技术研究中又一重要领
域。ＩＥＥＥ ＪＳＡＣ在１９９７年和１９９８年先后就此出版有关专刊，以推
动相应的研究走向深入。国际上其他有关期刊以及会议都不失时机地将其列为重要
的讨论课题。
在高速无线ＬＡＮ方面，１９９０年出台的ＩＥＥＥ ８０２．１１标准对无
线ＬＡＮ的物理层和媒体访问控制作出规范，其数据速率达２ Ｍｂｉｔ/ｓ，采用
２．４ＧＨｚ的ＩＳＭ（工业、科技、医疗）免许可证频段。它支持两种网络拓扑：
基于骨干网（Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂａｓｅｄ）和对等分布网
（Ａｄ ｈｏｃ）结构，前者通过一个预先指定的接入点与骨干网相连，而后者可
以根据需要临时指定与骨干网相连的接入点。ＩＥＥＥ ８０２．１１除了支持基
于竞争方式的ＣＳＭＡ燉ＣＡ（避免碰撞机制下的载波侦听多址接入）媒体访问控
制外，还支持免竞争方式具有优先规则的ＰＣＦ功能以满足时间敏感性业务的要求。
１９９２年ＥＴＳＩ（欧洲电信标准研究所）制定了ＨＩＰＥＲ ＬＡＮ标准，它
可以在５．２ ＧＨｚ的频段上支持２～２３ Ｍｂｉｔ燉ｓ的数据速率，可以支持
扩展的Ａｄｈｏｃ结构，每一节点可以完成数据转发功能，使无线网络覆盖得到扩
展。在高速无线ＬＡＮ产业广阔的商业前景鼓舞下，１９９７年初美国ＦＣＣ开放
了５ ＧＨｚ附近３００ ＭＨｚ带宽的免许可证频段，为高速无线ＬＡＮ的发展进
一步拓展了道路。
在无线ＡＴＭ网络研究方面，９０年代以来国际上一些大公司以及科研机构进
行了一系列的理论研究和试验系统开发，其目的有两个：一是验证无线ＡＴＭ概念
的可行性，二是为有关标准的制定提供参考依据。由于理解和认识上的差异，各公
司和机构的初级原型系统在频段选择、传输速率、物理层传输设计等方面难以完全
一致。主要代表有ＮＥＣ Ｃ＆Ｃ的ＷＡＴＭｎｅｔ，欧洲ＲＡＣＥ计划中的ＭＢＳ
（Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ）、ＡＣＴＳ计划中的
Ｍａｇｉｃ ＷＡＮＤ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＡＴＭ ＮｅｔｗｏｒｋＤｅｍｏｎｓｔ
ｒａｔｉｏｎ），日本ＮＴＴ的ＡＷＡ（ＡＴＭ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ），
Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ－Ｏｌｉｖｅｔｔｉ研究室的无线ＡＴＭ ＬＡＮ，Ｂｅｌｌ
实验室（Ｌｕｃｅｎｔ公司）的无线ＡＴＭ ＬＡＮ系统（称为ＢＡＨＡＭＡ）等。
考虑到这些系统反映的只是各研究机构自己的观点，有关国际标准化组织尚未就此
提出建议，另外，这些系统的技术特点和功能在相关的文献中都有详尽的描述，因
此这里不准备作进一步讨论。
下面，我们将根据如上所述的研究和开发情况，讨论在宽带无线接入网的设计、开
发和实现中的一些关键技术。
３ 宽带无线接入网的一些关键技术
无论是高速无线ＬＡＮ还是无线ＡＴＭ，在实现宽带无线接入时都需要以下关
键技术的支持，虽然这些技术在中、低速无线传输应用中已较为成熟，但在高速可
靠无线传输和移动性支持方面都面临着新的挑战。
（１）微波、毫米波传播模型及天线设计
宽带无线接入网中的无线传输数据速率一般要超过２ Ｍｂｉｔ/ｓ，所采用的
射频频段通常为２．４～６０ＧＨｚ，相应频段的电磁波传播模型、微波毫米波集
成电路以及天线设计都需要作深入的研究，这将直接影响到无线终端的体积和性能。
天线的选择与接收机的内部设计也紧密相关。窄波束定向天线可以改善多径衰落环
境下的接收性能，但它要求对接入点和无线终端之间的视距通信进行跟踪，这会限
制终端的移动性。所幸，典型的多媒体终端将是一个便携式ＰＣ或手持个人数字助
理（ＰＤＡ），主要用来处理可视业务，可以设想，用户将在静止的桌旁或慢步行
走中操作这类终端。另一类被普遍看好的技术是自适应阵列天线，这类技术实际上
是天线分集与接收机中自适应信号处理的结合，通过对波束形成网络的自适应控制
和处理来完成空分多址（ＳＤＭＡ）接收，在利用多径传播提高传输性能、改进系
统容量、支持高速数据传输等方面这种技术都具有很好的前景。
（２） 数据链路控制（ＤＬＣ）
与光纤传输相比，无线信道的时变性和多径传播特点使传输可靠性大为降低，
在无线传输中经常会出现连续的、突发的传输错误，这就需要设计用于无线传输的
数据链路控制机制。如果采用自动请求重传（ＡＲＱ）协议，则有些业务需要设计
新的具有时间约束的重发控制规程。前向差错控制方法一般被认为是一种有效提高
传输可靠性的方法。在无线ＡＴＭ中，信元的差错控制方案应该在保证其可靠传输
的同时提高其传输的有效性，标准ＡＴＭ信元中的差错控制方法（ＨＥＣ）应予修
改，因为一方面它只对信头做了保护，未保护信息部分，另一方面它是针对随机错
误设计的，无法适应突发错误的环境。如何设计无线传输时的差错控制方案是一个
重要课题。除了考虑选择一些对突发错误有效的编码方案外（如ＲＳ码等），采用
交织技术也是不可少的，已有一些文献对此进行了讨论，但总的来讲这方面的研究
还不够充分。
（３） 无线传输与接收
随着数字移动通信及个人通信的飞速发展，中、低速无线数据传输理论和技术
已日渐成熟。但宽带无线接入网的无线传输数据速率要高得多，这给我们提出了一
些新的课题，诸如高效多址方式、调制技术、自适应接收、均衡等。宽带无线接入
网中使用的多址方式可能是一些基本方式的组合或变异，比如ＡＬＯＨＡ及其扩展
与ＴＤＭＡ的结合，分组预约多址（ＰＲＭＡ）与ＣＤＭＡ的组合等。在无线移动
环境中，高速率数据传输面临的最严重的困难之一就是多径衰落的影响，在基于
ＴＤＭＡ方式的传输和接收中，自适应均衡是克服多径影响的有效手段，但当传输
速率很高时，需要的均衡器抽头数大为增加，不仅实现变得复杂，而且难以满足较
短的数据包快速启动的要求。解决这一问题一方面需要改进均衡器的设计，另一方
面可以将自适应均衡与自适应调制相结合。所谓自适应调制是指当无线终端发出传
输请求时，接入点根据申请业务条件、平均载干比、延时要求以及信道即时状况为
终端分配相应的载波、时隙、调制方案和符号速率。ＱＰＳＫ和ＱＡＭ是宽带无线
接入网中无线传输的候选调制方式，若使其调制参数随信道状况、移动终端位置等
情况自适应调整将会得到更好的性能。
ＣＤＭＡ的优势之一是其克服多径衰落的能力，虽然一般认为，单纯的ＤＳ
ＣＤＭＡ难以提供高速的数据传输，因为它要求比数据带宽宽得多的射频带宽，对
１５６ Ｍｂｉｔ/ｓ的数据传输速率，如果处理增益为１５，则要求射频带宽为
２．３２５ＧＨｚ，显然简单的直扩方法难以实现。但是将其与跳频（ＦＨ）或多
载波传输技术相结合，则可以获得高速率的数据传输。近来这方面的讨论很多，主
要有宽带ＣＤＭＡ（Ｗ-ＣＤＭＡ）、多速率ＣＤＭＡ（ＭＲＣＤＭＡ）、多载
波ＣＤＭＡ（ＭＣ-ＣＤＭＡ）、多码ＣＤＭＡ、混合ＤＳ/ＦＨ ＣＤＭＡ、混合
ＣＤＭＡ/ＦＤＭＡ等等。从载波频率使用情况看，可分为单载波ＣＤＭＡ和多载
波ＣＤＭＡ，而多载波方案一般都与正交频分复用（ＯＦＤＭ）有关，ＯＦＤＭ是
最有效的频分复用方法，各相邻载波间的保护带最小。将ＯＦＤＭ技术用于ＣＤＭＡ
可以有效提高数据的传输速率。
（４） 高效无线信道控制、管理
在宽带无线接入网中，媒体访问控制（ＭＡＣ）是支持多个终端设备共用无线
信道所不可缺少的。在目前的移动通信中，由于传输速率低，提供业务少（主要是
话音业务），对无线资源使用效率的要求并不很高，但在宽带无线接入网中，传输
速率大为提高，持续时间短、具有突发特性的业务将占主导地位，因此有效地控制
无线终端使其合理占用有限的网络资源是一个重要课题。在目前的无线局域网（包
括ＩＥＥＥ ８０２．１１和ＨＩＰＥＲ ＬＡＮ等）中，媒体访问控制主要是以
ＣＳＭＡ/ＣＡ协议为基础的。因为无线信道动态范围可能较大，在有效带宽采用碰
撞检测方式是很困难的，只能采取随机退避方式以减小两帧碰撞的概率。在无线
ＡＴＭ网络的研究中，媒体访问控制一直是一个热点课题，其目标是在支持ＡＴＭ
标准中所定义的业务类型（可用比特率（ＡＢＲ）、可变比特率（ＶＢＲ）、恒定
比特率（ＣＢＲ）以及未指定比特率（ＵＢＲ）业务）的同时，保持高效的无线信
道利用率，并提供相应的ＱｏＳ控制。目前已经提出了许多实现方案，这些方案在
无线资源动态分配、实时与非实时业务处理等方面都取得了一定的成果。用于无线
ＡＴＭ网络媒体访问控制的有关技术包括分组预约多址（ＰＲＭＡ）及其扩展、动
态ＴＤＭＡ/时分复用（ＴＤＤ）和ＣＤＭＡ等。另外在点到多点无线网结构中，
ＴＤＭＡ方式所采用无线资源管理的动态信道分配（ＤＣＡ）也是一个重要的研究
课题。
（５） 无线终端的移动性支持
终端移动性是指处于网络有效覆盖范围的无线终端在移动中保持通信的能力，
其主要功能包括无线终端的位置管理、连接建立以及终端移动时动态地重新选择路
由以实现切换控制。由于现有ＡＴＭ网络协议不支持终端移动性，所以在宽带无线
接入网中需要开发支持移动性的网络控制协议。在骨干网采用ＡＴＭ技术的情况下，
可以选择的策略有两种，第一种是保持现有ＡＴＭ标准ＵＮＩ信令协议不变，专门
开发针对无线接入网的移动性支持协议。这样做的好处是已有的ＡＴＭ信令协议无
需修改，即可使无线接入网络的移动性得到支持。缺点是在接入点需要进行两种协
议的相互转换，同时专用无线接入网控制协议的一些功能与ＡＴＭ信令控制协议可
能是重叠的，由于无法利用已有的ＡＴＭ信令协议及其传输通道而需另外占用网络
资源，致使网络资源利用率、传输效率降低。第二种是修改已有的ＡＴＭＵＮＩ信
令协议，增加一些协议原语使其能够直接支持无线终端的移动性，其优缺点与第一
种正好相反。两种策略各有利弊，如何选用尚未达成共识，目前在两方面都展开了
相关的研究。
有线ＡＴＭ终端的用户标识码（ＵＩＤ）体现了其所在位置，而无线终端的定
位则较为复杂，通常需要建立多层结构的数据库（一般为两层），并采用定位区寻
呼和报告相结合的方法来定位无线终端，这一功能的实现需要得到相应协议的支持。
建立无线连接尤其是被叫为无线终端的连接建立与位置管理紧密关联，也是相应协
议支持的一个主要内容。无线终端在进行通信时可能越过两个或多个小区的边界，
此时需要进行切换，网络协议也应予支持。为了在保证ＱｏＳ的情况下完成切换，
还需要进行路由选择算法的研究，以期能够提高切换的有效性和可靠性。由于网络
为了保证终端的可靠切换一般需要预留部分资源，因此最佳的路由选择算法以及合
理的价格燉性能准则是完成切换功能的重要因素。目前的ＡＴＭＵＮＩ信令协议是
ＩＴＵ－Ｑ．２９３１（ＡＴＭ论坛建议的ＵＮＩ信令协议与此是一致的），如采
用第二种策略支持终端移动性，需要增加其信令原语，国际上有关标准化组织正在
考虑这一问题，但新规范的出台将建立在对这一问题深入研究的基础上。
作者单位：南京通信工程学院ATM研究开发中心 南京210016
收稿日期：1999-01-23
-- 老顽童 My
Oicq:334017
※ 修改:．cgl 于 Oct 21 13:35:40 修改本文．[FROM: 202.118.230.233]
※ 来源:．紫 丁 香 bbs.hit.edu.cn．[FROM: 202.118.230.233]
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