無線城市技術研究與應用

【摘 要】本文通過對無線城市的研究，以發(fā)展的眼光定位無線城市建設，分析無線城市的關鍵技術點。從不同的需求和不同的場景制定無線城市建設實施目標，探索無線城市商業(yè)化的發(fā)展模式，研究“無線校園、無線辦公、無線醫(yī)護管理、無線道路交通管理”的應用。

【關鍵詞】無線城市；背景；技術；應用

一、無線城市發(fā)展背景

（一）國家高度重視無線城市的發(fā)展：

黨的十七大報告指出：“加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構優(yōu)化升級。這是關系國民經(jīng)濟全局緊迫而重大的戰(zhàn)略任務?！薄鞍l(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，大力推進信息化與工業(yè)化融合?！?/p>

工信部總工程師蘇金生在交流會上表示：“無線城市對于拉動地方經(jīng)濟發(fā)展、刺激內(nèi)需、推動民生都將起到重要的推動作用。另一方面將TD技術用于無線城市的建設中也有利于加快網(wǎng)絡的信息化建設，有利于促進信息服務業(yè)發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造提升，有利于培育新的經(jīng)濟增長點，推動TD發(fā)展意義重大?！?/p>

（二）中國無線城市項目剛剛起步，市場潛力巨大。

無線城市以滿足公共接入、公共安全和公共服務的需要為目的，于2004年7月，由美國費城提出，設立了“無線費城項目”，建設基于Wi-Fi 802.11b標準的Mesh網(wǎng)絡，發(fā)展成為無線城市的主要技術措施。隨后建設無線城市的計劃逐漸被推廣實行，Wi-Fi、WIMAX成為了無線城市領域的核心技術。中國大陸地區(qū)，北京、天津、上海、廣州等十大城市已經(jīng)開始立足于無線城市的研究，并正在建設之中。

二、無線城市技術研究

無線城市的技術起源于Wi-Fi 802.11b，為逐步形成有線互聯(lián)網(wǎng)接入到以無線互聯(lián)網(wǎng)接入的過度而產(chǎn)生。目前的無線城市技術以Wi-Fi，WiMAX等技術為引領，結(jié)合IMT-2000、IMT-Advanced等經(jīng)驗和技術，IT與CT融合的產(chǎn)物具體技術如下：

物理層

1.OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：即正交頻分復用技術，是MCM（Multi-CarrierModulation）多載波調(diào)制的一種。其核心是：將較寬的信道劃分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，以減少子信道之間的相互干擾 ICI。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，可以消除符號間干擾。引入定時偏差（頻域的CP），使信號在保護時間間隔內(nèi)變化，因此不會引起子載波間干擾（ICI）和符號間干擾（ISI），可以有效對抗多徑效應，實現(xiàn)非視距傳輸大容量信號。

2.OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）： 即正交頻分多址技術，是無線通訊系統(tǒng)的標準。通過將傳輸帶寬劃分成正交的互不重疊的一系列子載波集，使不同的子載波集分配給不同的用戶實現(xiàn)多址。OFDMA系統(tǒng)動態(tài)地把可用帶寬資源分配給需要的用戶，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用。OFDMA方案可以看作將總資源（時間、帶寬）在頻率上進行分割，實現(xiàn)多用戶接入。

3.GMC（Generalized Multi-Carrier）：即廣義多載波技術，利用傳統(tǒng)的濾波器生成的單載波技術在低PAPR/CM方面的優(yōu)點，采用濾波器組（Filter Bank）獲得LTE要求的頻譜擴展性。OFDM采用大量的部分重疊的狹窄子載波，使其具有較高的PAPR/CM，GMC采用少量較寬的子載波（子載波間隔達數(shù)百千赫茲至1兆赫茲）。UE數(shù)據(jù)率較低時，可以只使用一個子載波（此時和最傳統(tǒng)的濾波器單載波傳輸相同），當UE需要較高數(shù)據(jù)率時，子載波的數(shù)量也不會很大（典型情況下1～3個子載波就可以滿足應用需求），而且相鄰子載波之間保留一定的保護帶，消除子載波之間的相關性，取得較低的PAPR/CM。

MAC層

1.MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）：即多入多出技術，是一項運用于802.11n的核心技術。802.11n是IEEE繼802.11b＼a＼g后全新的無線局域網(wǎng)技術，速度可達600Mbps。MIMO利用多組分離的發(fā)射、接收天線的空間分集作用，將通信鏈路分解成為若干并行的子信道，達到提高容量和性能的效果。在功率帶寬受限的無線信道中，當不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關時，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而顯著改善系統(tǒng)容量。

2.Mesh： 無線mesh網(wǎng)絡由mesh routers（路由器）和mesh clients（客戶端）組成，其中mesh routers構成骨干網(wǎng)絡，并和有線的internet網(wǎng)相連接，負責為mesh clients提供多跳的無線internet連接。無線Mesh網(wǎng)絡也稱為“多跳（multi-hop）”網(wǎng)絡拓撲，通過引入中繼站來擴展城域網(wǎng)基站的無線覆蓋范圍和增強局域網(wǎng)接入點的熱點覆蓋功能。其組網(wǎng)方式中的AdHoc網(wǎng)絡和無線感知網(wǎng)絡相當于分布式的無線Mesh網(wǎng)絡。與物理層的OFDM、OFDMA、GMC等關鍵技術相結(jié)合，使得在非視距的無線傳播環(huán)境下也能進行高速分組數(shù)據(jù)傳輸。

跨越物理層和MAC層的關鍵技術有：軟件無線電、智能天線、QoS。

1.軟件無線電（softwareradio）：軟件無線電的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線及個人通信的各種功能，使其成為一種多工作頻段、多工作模式、多信號傳輸與處理的無線電系統(tǒng)，是一種用MAC層軟件和物理層DSP器件相結(jié)合來實現(xiàn)物理層連接的無線通信方式。

2.智能天線：是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，其核心是波束賦形技術。通過一組帶有可編程電子相位關系的固定天線單元獲取方向性，并可同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。智能天線的原理是將無線電的信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA（Direction of Arrinal），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。

3.QoS（Quality of Service）服務質(zhì)量，是網(wǎng)絡的一種安全機制，通過物理層的AMC、ARQ、HARQ等功能以及MAC層先進的調(diào)度算法，可以實現(xiàn)可以按不同業(yè)務流、不同連接等多種需求劃分的質(zhì)量保證機制。對關鍵應用和多媒體應用十分必要，當網(wǎng)絡過載或擁塞時，QoS 能確保重要業(yè)務量不受延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡的高效運行。

網(wǎng)絡層

1.INON：即智能節(jié)點重疊網(wǎng)，是覆蓋在IP核心網(wǎng)上的傳統(tǒng)彈性重疊網(wǎng)（RON）技術和分布式散列表（DHT）技術結(jié)合的新型技術，包括自動組網(wǎng)、網(wǎng)絡資源管理、路由優(yōu)化等關鍵技術，分別解決數(shù)據(jù)傳輸和資源定位問題，新型重疊網(wǎng)技術包括自組織網(wǎng)，網(wǎng)絡資源管理和路由優(yōu)化等。

INON采用分布治理模式，在網(wǎng)絡上要害部位設置智能節(jié)點，用來監(jiān)視四周網(wǎng)絡上的資源分布和帶寬利用率，傳輸延時，路由走向、流量模式和分布，中斷和故障以及病毒感染流行等情況。智能節(jié)點之間交換這些信息，進一步實現(xiàn)監(jiān)視和控制，即時做出響應。

智能節(jié)點的另外一個用途是支持各種P2P應用。

2.PMIP通過移動性管理模塊中的PMIP機制，使得終端不需要移動IP客戶端軟件即可實現(xiàn)子網(wǎng)間切換，包括在不同的接入路由器之間、以及同一接入路由器的不同端口之間的子網(wǎng)間切換情形。

跨越MAC層和網(wǎng)絡層的關鍵技術：二、三層切換和PMIP（代理MIP）。

子網(wǎng)間的快速切換技術：包括跨越不同子網(wǎng)間的切換判決算法和切換方式、切換和認證方式的配合、二層三層切換的整體性能優(yōu)化策略等；

垂直切換技術：是異質(zhì)網(wǎng)絡之間的切換，技術關鍵點包括：切換度量的評估算法和切換策略。

三、無線城市的應用

（一）按運營主體的不同，無線城市可分為三種運作模式。

1.政府規(guī)劃與資助

政府擔任管理者，負責無線城市的投資、建網(wǎng)到網(wǎng)絡維護和運營，設定及控制無線網(wǎng)絡的使用方式和運營模式。政府從城市財政中專門撥款投資建網(wǎng)，并承擔所有的網(wǎng)絡運營和維護成本。采用自下而上的方式建設網(wǎng)絡，充分利用社會限制的帶寬資源。

2.使用者公共分享

通過采用加盟后共享資源的方式，使擁有WiFiAP設備和寬帶接入資源的人或機構集合起來。當使用者共享自己的WiFiAP時，可以獲得免費接入其它加盟者AP的權利，對非加盟的用戶進行收費，加盟者可以參與分成。但是加盟熱點質(zhì)量參差不齊，安全及網(wǎng)絡流量難以控制，利用運營商的網(wǎng)絡資源可能存在法律糾紛。

3.基礎運營商共同運作

由政府公開進行招標，與運營商進行談判，運營商建設、運維網(wǎng)絡運營商會為普通市民提供一定帶寬速率的免費接入服務，通過廣告收入來彌補成本。運營商可以通過發(fā)展希望高速率連接網(wǎng)絡，而不接受廣告的付費用戶，此外通過為集團客戶服務和其他增值業(yè)務也可以使運營商獲得收益。

（二）無線城市的具體應用。

1.在校園網(wǎng)絡上的應用。

無線網(wǎng)絡產(chǎn)品具有傳輸距離遠、可以在建筑物之間或建筑物內(nèi)施工困難的環(huán)境下使用、支持移動漫游等特點，因此可以使用它來替代傳統(tǒng)的電信線纜來構建未來的教育網(wǎng)絡。

（1）在分校區(qū)之間的聯(lián)網(wǎng)。針對同一所學校分校區(qū)相隔較遠，以及校園建筑物之間不方便布線的情況，可以采用無線局域網(wǎng)進行通信連接，建設校內(nèi)局域網(wǎng)，可以實現(xiàn)封閉管理、資源共享、無線上網(wǎng)、遠程指導等功能，為學習交流、信息傳播及科研提供便捷。

（2）可以移動的網(wǎng)絡服務。圖書館、學術報告廳、宿舍區(qū)等校園服務場所為學校的師生提供了良好的教學服務條件，使用無線網(wǎng)絡接入互聯(lián)網(wǎng)，解決了學習地點和時間必須按規(guī)定分配的問題，師生可以自主地安排學習的時間，不需要固定的上網(wǎng)端口來接入。還可以通過建立虛擬教室和調(diào)研項目，為師生提供更方便的無線網(wǎng)絡服務。

2.在辦公系統(tǒng)中的應用。

在辦公環(huán)境中使用無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以使電腦具有移動辦公能力，在辦公網(wǎng)絡范圍內(nèi)實現(xiàn)信息的漫游。工作人員只要有可移動計算機或筆記本電腦，在辦公室、資料室、會議室等都可通過無線網(wǎng)絡隨時查閱資料、獲取信息，和他人商討技術關鍵、修改原有的技術方案；領導和管理人員可以在網(wǎng)絡范圍的任何地點發(fā)布指示、通知事項、聯(lián)系業(yè)務、更新記錄，實現(xiàn)隨時隨地便捷辦公。

3.在醫(yī)護管理方面的應用。

醫(yī)院的計算機管理系統(tǒng)中存有病人的監(jiān)護儀器數(shù)據(jù)、由電腦控制的醫(yī)療設備和藥品目錄及數(shù)量、醫(yī)療器具庫存數(shù)據(jù)等信息。使用無線網(wǎng)絡的接入系統(tǒng)，使管理人員和醫(yī)生在醫(yī)院內(nèi)的任何地方都可以使用移動和手持計算機設備，方便地管理、存取和獲知這些信息。并且利用無線網(wǎng)絡，醫(yī)生和護士在設置無線網(wǎng)絡的病房、診室或急救中進行匯診、查房、手術時可以直接使用便攜終端設備替代病歷和檢查記錄，并進行實時記錄醫(yī)囑，及時傳遞處置意見，查詢病人病例和檢索藥品等操作。

4.在道路交通管理方面的應用。

根據(jù)我國現(xiàn)有的大中城市道路交通現(xiàn)狀來看，車輛擁擠、車速緩慢，可以采用無線交通網(wǎng)絡進行城區(qū)的覆蓋，將城市道路交通網(wǎng)絡建設成為無線交通網(wǎng)絡，安裝無線監(jiān)視和檢測終端，進行城市道路車輛流量分析、監(jiān)控、預測，事故信息的提供快速響應等項目，實時提供道路和交通狀況數(shù)據(jù)，以無所不在的綜合無線信息網(wǎng)絡平臺支撐公共安全、城市管理、應急聯(lián)動、公共服務、商務旅游、生活學習等信息化應用。對交通信息的提供來說，既方便又快捷。

參考文獻：

[1]佟學儉，羅濤，OFDM移動通信技術原理與應用.人民郵電出版社.2003.6.

[2]3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統(tǒng)設計.

[3]出版社： 人民郵電出版社《MIMO技術原理及應用》.

[4]中國移動四川公司.無線城市的發(fā)展、運營及技術分析與研究. 2008.

[5]莊梓新.全球“無線城市”發(fā)展的若干動向.2007.

作者簡介：

李莉，1982年生，女，漢族，就職于鐵通新疆西部通信工程有限責任公司，助理工程師，從事通信工程專業(yè)。2010年5月獲得中國鐵通優(yōu)秀團干部稱號。