適用于無(wú)線城市建設(shè)的寬帶接入技術(shù)

王志強(qiáng) 張鐵君 孫瑩

1 吉林大學(xué)通信工程學(xué)院 吉林 130012

2 吉林大學(xué)珠海學(xué)院 廣東 519041

0 前言

2008年7月29 日，在中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)藍(lán)海沙龍第36期活動(dòng)(主題：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)已準(zhǔn)備就緒)上有關(guān)專家透露，我國(guó)大陸已經(jīng)有十大城市明確了無(wú)線城市計(jì)劃。這是繼2002年美國(guó)費(fèi)城首次提出建設(shè)基于 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的Mesh網(wǎng)絡(luò)——也叫“無(wú)線費(fèi)城計(jì)劃”后，我國(guó)首次對(duì)公眾正式宣布了我國(guó)的無(wú)線城市建設(shè)計(jì)劃。如今，這股無(wú)線城市建設(shè)浪潮已經(jīng)波及中國(guó)大陸，北京、天津、上海、廣州等城市均啟動(dòng)了無(wú)線城市建設(shè)項(xiàng)目。天津市政府在濱海新區(qū)率先建設(shè)無(wú)線寬帶覆蓋網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線城市建設(shè)方面“先試先行”。而上海的建設(shè)規(guī)劃從嘉定新城開始，主要著眼于市政服務(wù)。嘉定新城采用無(wú)線寬帶接入技術(shù)進(jìn)行新城城區(qū)全覆蓋，以無(wú)所不在的綜合無(wú)線信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)支撐公共安全、城市管理、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)、公共服務(wù)、商務(wù)旅游、生活學(xué)習(xí)等信息化應(yīng)用。廣州市委市政府積極推進(jìn)“以信息化促進(jìn)城市現(xiàn)代化”的發(fā)展戰(zhàn)略，搭建有廣州特色的無(wú)線城市舞臺(tái)，使廣州市民不僅可以體會(huì)到EDGE、TD-SCDMA以及WLAN無(wú)縫網(wǎng)絡(luò)的急速快感，還能夠享受到辦事效率提升和城市現(xiàn)代化升級(jí)的長(zhǎng)遠(yuǎn)利好。

1 WLAN寬帶接入技術(shù)

無(wú)線寬帶接入(數(shù)據(jù)傳輸速率>2Mb/s)指在寬帶業(yè)務(wù)接口與寬帶業(yè)務(wù)用戶之間，以無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的接入，為用戶提供話音、視頻、數(shù)據(jù)以及多媒體應(yīng)用服務(wù)。

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由開始的單一上網(wǎng)形式轉(zhuǎn)向多媒體、富媒體的應(yīng)用，越來(lái)越多的媒體業(yè)務(wù)，包括實(shí)時(shí)視頻、互動(dòng)游戲、寬頻廣告等媒體業(yè)務(wù)開始進(jìn)入人們的視野，讓人們盡情的享受豐富多彩的數(shù)字化生活。流媒體、在線游戲、網(wǎng)上支付等基于移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò)需求和城市綜合無(wú)線信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè)，使網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)線寬帶部署的要求日益增長(zhǎng)，對(duì)接入方式、終端、應(yīng)用提出了更高的帶寬要求，為此，各大電信運(yùn)營(yíng)商在基于3G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上采用了Mesh(無(wú)線蜂窩網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò))、智能天線等技術(shù)拓寬了無(wú)線寬帶技術(shù)的應(yīng)用范圍，并廣泛采用基于WiFi技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和WiMAX等無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)可管、可控、安全、高效、快捷的全覆蓋。

1.1 WiFi技術(shù)

WiFi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備(如PDA、手機(jī))等終端以無(wú)線方式互相連接的技術(shù)，與藍(lán)牙一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無(wú)線技術(shù)。WiFi 最初是為無(wú)線局域網(wǎng)而設(shè)計(jì)的，目前廣泛使用的有三個(gè)版本的802.11協(xié)議，分別是802.11a、802.11b和802.11g。在實(shí)施形式上主要有兩種，一是具有定向天線的WiFi，另一個(gè)是具有Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 WiFi。前者用作解決 DSL(DigitalSubscriberLine)和DOCSIS(Data Over Cable Interface Specification)的接入問(wèn)題，但覆蓋空間較小，而且缺乏QoS和統(tǒng)一的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。后者解決了覆蓋問(wèn)題，并且Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較定向天線的結(jié)構(gòu)具有更好的可擴(kuò)展性，這兩種 WiFi的部署形式最高可以提供54Mbps的傳輸速率，覆蓋范圍甚至可以超過(guò)10公里。

1.2 Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展了傳統(tǒng)的有線和無(wú)線局域網(wǎng)的范圍。在Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)互通互聯(lián)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)間共享通訊協(xié)議，Mesh網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)將基于802.11a, 802.11b, 802.11g協(xié)議的節(jié)點(diǎn)互相連接起來(lái)。由于802.11a采用5GHz頻率，不會(huì)與使用 2.4GHz頻率的802.11b和802.11g相互疊加，適用于AP與AP之間的連接。而AP與客戶端的連接通常使用802.11b或 802.11g。Mesh網(wǎng)絡(luò)也被稱作“多跳”網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)可以在多個(gè)節(jié)點(diǎn)間有效地傳遞，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)受阻時(shí)，數(shù)據(jù)可以選擇從其他的路徑迂回過(guò)去，保證了信息的可靠傳遞。

在WiFi技術(shù)領(lǐng)域，隨著無(wú)線產(chǎn)業(yè)從 802.11g到下一代802.11n標(biāo)準(zhǔn)的演變，越來(lái)越多的產(chǎn)品開始采用功能強(qiáng)大的 802.11e、802.11n、Mesh-WiFi等技術(shù)。其中，802.11e是IEEE為了增強(qiáng)WiFi的QoS能力而專門制訂的一種標(biāo)準(zhǔn)，可以優(yōu)先對(duì)語(yǔ)音和視頻等業(yè)務(wù)進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量的保障，對(duì)日益豐富的多媒體業(yè)務(wù)尤其對(duì)實(shí)時(shí)視頻、在線游戲等富媒體業(yè)務(wù)的開展具有重要意義，目前不少新的 WiFi產(chǎn)品已開始支持802.11e。802.11n可以將 WLAN的傳輸速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到300Mbps甚至高達(dá) 600Mbps，同時(shí)在管理、安全、多業(yè)務(wù)支持等方面均有極大提升。Mesh-WiFi是一種網(wǎng)狀的 WiFi組網(wǎng)技術(shù)，它將多個(gè)AP通過(guò)無(wú)線方式連接在一起，形成一個(gè)“熱點(diǎn)”，輕松實(shí)現(xiàn)WiFi的擴(kuò)展與延伸，所有原來(lái)設(shè)置用于WiFi的筆記本電腦、PDA、手機(jī)等終端設(shè)備都可以接入Mesh-WiFi網(wǎng)。

1.3 WiFi寬帶無(wú)線接入方式

WiFi的寬帶無(wú)線接入方式主要有兩種方案：具有高增益定向天線的固定式接入和具有Mesh網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)式接入。在頻率方面，802.11a在 AP到AP間的通訊采用5GHz頻率，802.11b和802.11g在熱點(diǎn)內(nèi)采用2.4GHz頻率。在調(diào)頻模塊上三者也有不同，802.11b采用 DSSS(直接序列擴(kuò)展頻譜)，支持帶寬最高可達(dá)11Mbps; 802.11a和802.11g采用OFDM(正交頻分復(fù)用技術(shù))，支持帶寬最高可達(dá)54Mbps，而且OFDM這種調(diào)制方式更加適合室外環(huán)境。802.11標(biāo)準(zhǔn)提供64個(gè)子載波，這些子載波從BS(base station)或AP發(fā)出，在SS(subscriber station)或client重新組合。采用DSSS技術(shù)的802.11b，在非視距情況(NLOS：non-line-of-sight)下，載波信號(hào)由于障礙物反射可能產(chǎn)生多路干擾(MPI: multi-path interference)，而采用OFDM技術(shù)的802.11a和802.11g可以避免大的時(shí)延，有利于實(shí)時(shí)信號(hào)的傳送，非常適用于公眾場(chǎng)所、辦公和工業(yè)環(huán)境的語(yǔ)音傳送。

2 WiMAX寬帶接入技術(shù)

WiMAX全稱為World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一個(gè)名字是802.16。它是一項(xiàng)無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)技術(shù)，是針對(duì)微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。它用于將 802.11a無(wú)線接入熱點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可連接公司與家庭等環(huán)境至有線骨干線路。它可作為線纜和DSL的無(wú)線擴(kuò)展技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線寬帶接入。

WiMAX是一項(xiàng)新興的無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)能提供最遠(yuǎn)可達(dá)50km范圍的高速互聯(lián)網(wǎng)連接。WiMAX與WiFi一樣，都是用于傳輸無(wú)線信號(hào)的技術(shù)，但分工不同，WiFi解決的是無(wú)線局域網(wǎng)的接入問(wèn)題，而WiMAX負(fù)責(zé)的是無(wú)線城域網(wǎng)。WiFi只能把互聯(lián)網(wǎng)的連接信號(hào)傳送到 300英尺遠(yuǎn)的地方，WiMAX則可把信號(hào)傳送至50km之遠(yuǎn)。而且，網(wǎng)絡(luò)連接速度也高達(dá)每秒70兆，而WiFi速度每秒只達(dá)到54兆。

WiMAX作為城域網(wǎng)無(wú)線寬帶接入技術(shù)，還具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點(diǎn)?；贗P網(wǎng)絡(luò)的開放特性，WiMAX構(gòu)建的核心網(wǎng)繼續(xù)采用移動(dòng)IP的構(gòu)架，擁有與全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫融合的能力。其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)支持多種業(yè)務(wù)以固定和移動(dòng)兩種方式接入網(wǎng)絡(luò)，而移動(dòng)接入方式是WiMAX的主要發(fā)展方向，WiMAX近兩年在全球各地的快速發(fā)展，加之4G標(biāo)準(zhǔn)提案中有一半支持802.16m技術(shù)，顯示了WiMAX在全球邁向4G道路上的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力。

2.1 WiMAX的兩大標(biāo)準(zhǔn)

WiMAX是根據(jù)IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)定義的一種無(wú)線寬帶接入技術(shù)，IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)版本，802.16-2004(802.16d)和802.16-2005(802.16e)這兩個(gè)版本使WiMAX真正成為了無(wú)線寬帶接入領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。其中 d版本屬于固定無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)，e版本屬于移動(dòng)寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)。特別是802.16e的發(fā)布，為個(gè)人移動(dòng)寬帶領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力。業(yè)界普遍認(rèn)為，WiMAX的真正成功需依賴于移動(dòng)版本802.16e的應(yīng)用，而2007年是16e產(chǎn)品成熟的前期。IEEE 802.16-2004即802.16d支持固定和游牧的視距(LOS)和非視距(NLOS)傳輸。在視距環(huán)境下，它可以工作在 10GHz～66GHz頻帶。在非視距環(huán)境下，它可以工作在小于 11GHz的頻帶。802.16d也被視為傳統(tǒng)3.5GHz固定無(wú)線接入技術(shù)和LMDS技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化升級(jí)版本。IEEE 802.16-2005即802.16e支持切換和漫游功能，提供的主要是具有一定移動(dòng)特性的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，面向的用戶主要是筆記本終端和802.16e終端持有者。

2.2 WiMAX的核心技術(shù)

3G運(yùn)營(yíng)商向用戶推出3G+WiFi的措施，證明了3G不能夠滿足用戶對(duì)大流量數(shù)據(jù)需求的事實(shí)，而且 WiFi本身是一個(gè)局部的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不是完全的接入技術(shù)，后端還需接入光纖或者微波等網(wǎng)絡(luò)，因此，它在無(wú)線寬帶應(yīng)用里沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。WiMAX逐步實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的移動(dòng)化，而 3G則實(shí)現(xiàn)移動(dòng)業(yè)務(wù)的寬帶化，WiMAX的特點(diǎn)是無(wú)論是大范圍還是熱區(qū)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸都能提供強(qiáng)有力的支持。WiMAX的核心技術(shù)主要包括OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先進(jìn)技術(shù)，正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一種高速傳輸技術(shù)，更是未來(lái)無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)/下一代蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)為物理層技術(shù)，主要應(yīng)用的方式有兩種：OFDM物理層和OFDMA物理層。OFDM物理層采用OFDM調(diào)制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產(chǎn)生，為單一用戶并行傳送數(shù)據(jù)流。支持 TDD和 FDD雙工方式，上行鏈路采用TDMA多址方式，下行鏈路采用TDM復(fù)用方式，并可以采用STC發(fā)射分集以及AAS自適應(yīng)天線系統(tǒng)。OFDMA物理層采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD雙工方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS.OFDMA系統(tǒng)，可以支持長(zhǎng)度為2048、1024、512和128的FFT點(diǎn)數(shù)，通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)制及編碼方式以及以不同信號(hào)功率接入具有不同信道特征的用戶端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過(guò)下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議(MAP)分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。雖然OFDM 技術(shù)對(duì)相位噪聲非常敏感，但是標(biāo)準(zhǔn)定義了ScalableFFT，可以根據(jù)不同的無(wú)線環(huán)境選擇不同的調(diào)制方式，以保證系統(tǒng)能夠以高性能的方式工作。

3 基于WLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線城市

“無(wú)線城市”的概念最初由美國(guó)費(fèi)城提出，當(dāng)初是以建設(shè)基于IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的WLAN無(wú)線局域接入網(wǎng)絡(luò)為主要標(biāo)志，但由于WLAN AP覆蓋范圍較小，因此通過(guò)大范圍覆蓋實(shí)現(xiàn)無(wú)線城市需要布設(shè)大量AP并完善相關(guān)接入環(huán)境，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)而言存在一定的難度。隨著基于 WLAN網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線Mesh技術(shù)的成熟，采用基于Mesh技術(shù)的WLAN網(wǎng)絡(luò)使無(wú)線城市的實(shí)現(xiàn)成為可能。

所謂WLAN的無(wú)線Mesh技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線直接通信，WiMAX處于無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)匯聚各個(gè)熱點(diǎn)的流量，與有線網(wǎng)絡(luò)連接；Mesh-WiFi則處于無(wú)線接入層，實(shí)現(xiàn)終端到網(wǎng)絡(luò)的接入，以及小范圍內(nèi)無(wú)線數(shù)據(jù)的跳接。通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、自動(dòng)修復(fù)和自我平衡，減少了AP設(shè)備開通和應(yīng)用的困難。

對(duì)比3G，如果實(shí)現(xiàn)“WiFi+WiMAX”的組網(wǎng)方式，則“WiFi+WiMAX”更具成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也更適合中國(guó)國(guó)情。3G發(fā)展需要四大基本要素：基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和資費(fèi)問(wèn)題、終端問(wèn)題、價(jià)值鏈延伸和商業(yè)模式創(chuàng)新，而終端問(wèn)題又是重中之重。WiFi憑其幾乎免費(fèi)的資費(fèi)特點(diǎn)，以及更為高速和便捷的上網(wǎng)特性等優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了 3G手機(jī)功能的擴(kuò)展。而WiMAX技術(shù)可應(yīng)用于固定、游牧、便攜、簡(jiǎn)單移動(dòng)和自由移動(dòng)這五類業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，隨著WiMAX技術(shù)從固定無(wú)線接入發(fā)展到移動(dòng)無(wú)線接入，應(yīng)用場(chǎng)景也從固定發(fā)展到了自由移動(dòng)。因此，WiFi(無(wú)線局域網(wǎng))，WiMax(無(wú)線城域網(wǎng))，3G(無(wú)線廣域網(wǎng))三者的結(jié)合會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)完美的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以說(shuō)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)城市一定可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”的理想。

4 結(jié)束語(yǔ)

WiFi、WiMAX技術(shù)發(fā)展至今，不斷突破各種技術(shù)難關(guān)，勝利進(jìn)入了無(wú)線城市建設(shè)技術(shù)應(yīng)用的核心地帶。隨著我國(guó)電信網(wǎng)絡(luò)的不斷整合演進(jìn)，在由“政府主導(dǎo)，牽手運(yùn)營(yíng)商”共同建設(shè)無(wú)線城市政策的激勵(lì)下，各種無(wú)線寬帶接入技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在無(wú)線城市建設(shè)中得到了充分體現(xiàn)。我們有理由相信，在國(guó)務(wù)院加快推進(jìn)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)互聯(lián)互通、資源共享，為用戶提供話音、數(shù)據(jù)和廣播電視等多種服務(wù)政策的推動(dòng)下，WiFi、WiMAX等各項(xiàng)寬帶接入技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景必將從固定、游牧逐步發(fā)展到自由移動(dòng)，給用戶提供可高速接入、自由移動(dòng)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，幫助人類實(shí)現(xiàn)夢(mèng)寐以求的寬帶數(shù)字化的理想生活。

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