无线接入新技术应用研究

1 引言
    近年来，无线技术飞速发展，无线网络应用日益普及，人们希望提供无处不在、高质量的无线通信，并对高带宽支持、服务质量保证的需求日益增长。从而有力推动无线接入网的技术变革。在有线通信不断发展的同时，无线通信技术以其灵活方便的特点广泛应用于电信网。接入技术的迅猛发展，使得邮电通信、信息交换、接口技术等快速发展，从而带来全新的数字无线接入理念，尤其是宽带无线接入技术。

2 无线接入新技术
    无线接入技术(又称空中接口)是无线通信的关键问题，它即通过无线介质连接用户终端与网络节点，实现用户与网络间的信息传递。无线信道传输的信号应遵循一定的协议，这些协议即构成无线接入技术的主要内容。无线接入技术与有线接入技术的一个重要区别是可向用户提供移动接入业务。
    随着信息社会的到来以及人们对通信业务的个性化需求，使得传输宽带化、业务多样化成为通信业的发展大趋势。宽带无线接入系统是基于分组交换结构，是一种点对多点工作方式，由一个中心站和许多用户站组成。在众多解决方案中，宽带无线接入以其组网灵活快速、升级维护方便以及高速率的双向数据传输等特点构成其在竞争中的某些优势。由此可见，宽带无线接入技术有着必然的市场发展空间。
2．1 UWB
    超宽带(Ultra Wide Band，简称UWB)无线技术是一种使用1 GHz以上带宽的最先进无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百Mb／s以上。
    广义地讲，UWB技术是指任何占用频带超过其中心频率25％，或者带宽超过1．5 GHz的无线通信系统。UWB依靠持续时间非常短的基带脉冲信号(通常10~100ps)传输数据，因而占用的频带非常宽，通常在几个GHz的量级。在很低的功率谱密度情况下，已经证实UWB能在户内提供超过100Mb／s的可靠数据传输。除了技术上的原因，有两个主要原因限制了UWB技术的应用，一是由于它最先用于美国军事应用：另一个原因是UWB技术占用的带宽非常宽。
    UWB的诸多优点(如：带宽极宽、传输速率高、通信距离短、平均发射功率低、多径分辨率高、系统结构简单、体积小、成本低)使得UWB系统的实现细节与传统的窄带通信方式有很大差别。但由于受发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域，如当前无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，UWB在个人精确定位(如个人雷达)、安全(如人侵检测)、传感器等领域也具有巨大的应用前景。随着信道传输技术、编码技术、多址技术等的发展，UWB将可能成为新一代WLAN和WPAN的技术基础，从而实现超高速宽带无线接入，为用户提供诸如视频分发和视频会议这类需要很高QoS的服务。
2．2 Wi—Fi
    无线保真(Wireless Fidelity，简称Wi-Fi)技术包括己批准的IEEE 802．11a、b和g规范以及未批准的802．11n规范。Wi—Fi技术不断进步，适用于许多应用场合，例如建立在基于PC设备、移动电话和消费电子产品等的语音和多媒体应用。802．11n规范还能显著增加Wi-Fi技术带来的产出。啮合网络进一步拓展Wi-Fi的覆盖范围，增强其灵活性和对于包括城市范围公共热点覆盖在内的各种应用的适用性。Wi-Fi技术继续稳定演进，在未来几年内，为刺激产品开发创新铺平道路。
    Wi—Fi与有线接人技术相比，其特点和优势主要体现在：用户移动性在有线接入网络中，用户只能在具有信息点的位置上网，限制了终端用户的活动范围。而Wi—Fi建成后，能提供漫游服务，在无线网信号覆盖区域内的任何位置都可以接入网络，使用户真正实现随时、随地、随意的接入宽带网络。此外，Wi-Fi还具有一些优势：
    (1)建设便捷性免去网络布线等工作，一般只需安装一个或多个无线访问节点AP设备，就可以解决一个区域的上网问题。
    (2)投资经济性 当用户数量增加时，只需再增加几个AP设备，而无需重新布线，具有较强的经济性。
    (3)业务可集成性Wi—Fi技术在二层以上与以太网一致，能够将WLAN集成到已有的宽带网络中，也能将已有的宽带业务应用到WLAN中，这样就形成无缝覆盖。
    (4)可靠性通过使用和以太网相类似的连接协议和数据包确认，提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。
    (5)高移动性在无线局域网信号覆盖范围内，各节点不受地理位置限制任意移动，并都可接入网络，能够在不同运营商和不同国家的网络间漫游。
    这些技术特点弥补了Wi-Fi技术在传输距离及传输速率上的不足。
2．3 WiMAX
    全球微波接入互通(World Interoperability for MicrowaveAccess，简称WiMAX)是基于IEEE 802．16标准的宽带无线接入城域网技术。能够在城域网一点对多点的多厂商环境下，提供一种有效互操作宽带无线接入手段。作为一个支持移动的广域网无线系统，WiMAX系统切换底层过程与传统蜂窝网络有一定的相似性，尽管在一些细节上有所不同．但也包括了切换前的测量和触发、切换发生和处理、切换后的数据转发等过程。定位于城域范围内的最后一公里宽带无线接入问题，其基站可覆盖约5 km的范围(定点情况)，实现2～11 GHz非视距NLOS传输和10～66 GHz视距LOS传输，峰值带宽可达75 Mb／s。以其快速、低成本搭建、易扩展等优点，WiMAX被普遍认为是未来最有前途的宽带无线技术之一。与其他无线通信技术相比，WiMAX具有以下优势：
    (1)传输速率高，覆盖范围大通过物理层采用先进的正交频分复用、多天线技术以及灵活的编码调制方式，WiMAX系统的频谱利用率显著提高，同时可支持非视距通信和无缝覆盖。使用20 MHz带宽时最高数据传输速率达75Mb／s，是3 G所能提供的30倍。同时，WiMAX采用宏小区方式，视距传输下每个基站的最远覆盖半径可达50 km，典型覆盖半径为6~10 km，只要建设少数基站就能实现全城覆盖。
    (2)较高的数据安全性安全性是无线网络需要考虑的一个重要问题。802．16在介质访问控制MAC层中定义了一个加密子层，为信息传输提供鉴权、加密和保密的管理机制。
    (3)完善的QoS机制 在物理层，可以根据实际情况灵活选择多种调制方式，包括单载波、OFDM和OFDMA。OFDM技术能有效降低多径衰落的影响，并且随着传输信道状态发生变化。MAC层的一个重要特点在于它是面向连接的，可以提供服务质量保证。不同的业务类型具有不同的服务质量参数，可以通过灵活的机制保障各种业务的服务质量。
    (4)基于全IP的网络架构802．16设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络，与现有网络实现互联互通，同时也可与下一代网络无缝融合。
    (5)提供广泛的多媒体通信服务WiMAX可分别为用户提供高质量的视频和语音业务，普通质量的视频和语音业务、以及无质量保证的Internet等业务，并可根据业务的实际需要动态按需分配带宽，灵活性较大。
    (6)开销及投资风险小标准化的空中接口和技术规范，使不同设备制造商的产品可以互通，降低运营商对单一厂商设备的依赖性，从而降低投资成本和风险。
    (7)部署灵活，配置伸缩性强，可平滑升级根据业务需求区域灵活部署基站，网络建设初期，可选用最小配置，根据业务增长，逐步增加设备。在实现了数据分组化、接入宽带化和终端移动化三者合一的基础上，WiMAX技术提供了比其
他无线系统更具优势的覆盖范围、传输速率和QoS保障。

3 Wi—Fi与WiMAX的应用比较
    众所周知，Wi—Fi主要应用于公众服务、家庭网关、大型企业以及小型办公环境等局域网络中。近年来，WiMAX异军突起，它作为一种无线城域网技术，可以将Wi-Fi热点连接到互联网，也可作为数字用户线路(Digital Subsclfiber Line，简称DSL)等有线接入方式的无线扩展，实现“最后一公里”的宽带接入。WiMAX(移动)主要提供移动宽带数据接入服务，具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度，并能全面兼容现有Wi—Fi。中国无线传播环境和业务需求多种多样，针对WiMAX具有数据速率高和覆盖范围广的特点，有机地将WiMAX技术融合到现有和即将建设的Wi—Fi、3G、有线接入网中，根据优势互补的原则，全面考虑。
    Wi-Fi网络可与WiMAX网络同步建设，减少有线线路的投入；由于Wi—Fi和WiMAX技术分别解决“最后100米”和“最后一公里”问题，因而具有不同的定位和用途。在没有Wi-Fi网络的地区，用户可直接接入WiMAX网络开展数据业务。另一方面，Wi—Fi还可通过室外天线，利用WiMAX技术直接与骨干网相联，无需有线网络与骨干网相连，从而大大减少覆设有线网络的成本。因此，针对WiMAX和Wi—Fi技术的不同定位和优势，两者可以互为补充，共同发展。
3．1“无线城市”与城域宽带无线网络
    随着城域网、局域网和Internet的快速发展，对通信业务的接入能力提出更高要求。无线电技术已广泛应用于国防安全、邮电通信、广播电视、交通物流、航空航海、供水供电、金融证券、医疗卫生、文化教育、家庭生活等领域。随着WiMAX技术的成熟，除了Wi—Fi固定无线宽带无线接入网络建设外，各“无线城市”逐步加大了WiMAX网络的建设力度。
    现阶段“无线城市”首先是以WiMAX宽带无线网络作为信息载体，实现漫游、高速移动网络功能。其次以宽带移动网络为依托，结合身份识别和位置定位等技术，为市政服务、商务旅游等提供多种增值服务，如交通车辆流量计算、移动显示等智能交通服务，应急通信、图像等各种数据承载服务；移动电子政务；远程医疗图像、声音、诊断信息的交互传输等，将为城市信息化和产业带动产生不可估量的变革作用。
    传统的Wi—Fi很难在城市范围内满足笔记本和个人数码助理(Personal Digital Assistant，简称PDA)用户随时随地宽带上网的需求，而当前无线城市主要采用以WiFi—Mesh为主，WiMAX为辅的无线监控方式，其理论速率为54 Mb／s，实际笔记本上网速率可达l～2 Mb／s。基于IEEE 802．1ls的Mesh是一个多点对多点的对等网络，即客户端和AP的地位相同，是Mesh网络中的节点，都可为其他节点转发业务，其中AP网关节点具有到Internet的有线宽带连接。这样即便某节点位于AP网关节点的覆盖范围之外，也能通过其他节点的“多跳”中继转发，最终通过AP网关接入Internet。这种新型公共无线局域网和城域网解决方案，其网络结构类似于渔网，从一个点到另一个点有很多路，经这样即使有个别站点出现故障仍可以保持较好覆盖，并已在矿山、集装箱码头等无线项目中广泛应用。另外，无线网状Mesh设备价格相对其他无线技术非常低廉，大大降低建网成本，而且组网技术也具备很好的扩展性。
    WiMAX具有高传输速率和覆盖面积广的优势。此外，WiMAX还具有承载语音、数据等多种业务流的QoS保证机制、带宽分配机制、自动重传机制、调制及编码方式的自适应调制机制以及网络安全机制特点，以光纤作为城域无线宽带网络的骨干和核心层；以Mesh和WiMAX作为中继和回传的汇聚层；以Wi-Fi作为“最后100米”的接入层。该方案既克服Wi—Fi覆盖、漫游的问题，又发挥在成本和组网简便性上的优势，使Wi-Fi和WiMAX技术有效互补。
3．2“无线城市”模型
    以固定点宽带无线接入的Wi-Fi(802．11标准)网络和支持全速移动漫游的城域宽带无线Wi-MAX网络(802．16e标准)相结合的覆盖城域的宽带无线通信网络构成“无线城市”的基本无线宽带数据通信网络，用户实际数据带宽至少大于2 Mb／s，在宽带无线网络基础上实现电脑移动上网，移动电子政务应用，城市应急联动，移动信息查询、文化娱乐、视频会议、视频监控、远程医疗、远程教育等无线信息化应用，形成“无线城市”的基本框架。此外，以3G网络为主体的移动多媒体通信、数字集群通信网络为基础的公共数字无线调度通信平台，也可定义为“无线城市”的重要组成部分。
    WiMAX系统在城市无线数字多媒体网络中的应用中具有不可低估的作用。图1是“无线城市”的示意图。类似的城市无线宽带网的建设，不仅可以为政府所用，企业也可直接使用。各个行业都可利用这些基础架构开发应用，比如物流企业可利用该网络系统有效管理车队。目前，该技术已在银行、保险业应用。

4 结语
    随着技术的升级和市场需求的不断增长，各种宽带无线接入技术都将扩大主要业务应用领域。Wi应用Fi支持的终端将从笔记本和电子消费类产品，逐步扩大到手机和PDA领域，但未来业务应用仍将主要集中在静态场景，尤其是在固定移动融合和“无线城市”领域。随着WiMAX移动性能和数据传输能力的不断增强，其主要业务应用领域将从游牧场景逐步向车速场景领域扩大。无线通信领域各种技术的互补性日趋鲜明。这主要表现在不同的接入技术具有不同的覆盖范围、适用区域、技术特点、接入速率。各种无线技术互补发展，向接入多元化、网络一体化、应用综合化的宽带无线网络发展，并逐步实现和宽带固定网络的有机融合。
    未来无线接入技术将连接信息技术IT与通信技术CT，相信未来无论是无线网络IP化，还是IP网络无线化，用户都能够得到融合的信息通信服务，享受到科技创新带来的完美体验。