LMDS无线接入网技术及其应用

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邓永红
     　　从整个电信网的角度讲，可以将全网划分为公用网和用户驻地网（CPN）两大块，其中CPN属用户所有，因而，通常意义的电信网指公用电信网部分。公用电信网又可以划分为长途网、中继网和接入网3部分。长途网和中继网合并称为核心网。相对于核心网，接入网介于本地交换机和用户之间，主要完成使用户接入到核心网的任务，接入网由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间一系列传送设备组成。
     
     　　近年来，以互联网为代表的新技术革命正在深刻地改变传统的电信概念和体系结构，随着各国接入网市场的逐渐开放，电信管制政策的放松，竞争的日益加剧和扩大，新业务需求的迅速出现，有线技术和无线技术的发展，接入网开始成为人们关注的焦点。在巨大的市场潜力驱动下，产生了各种各样的接入网技术。骨干网的带宽由于光纤的大量采用而相对充足，限制带宽需求的主要瓶径在接入段。光接入网是发展宽带接入的长远解决方案，但目前这种方式还存在工程造价太高，建设速度慢等缺点，而且对于部分网络运行企业来说，不具备本地网络资源，在这种情况下，要进入和占领接入市场，采用宽带无线接入技术是一个比较合适的切入点。
     
     　　随着无线通信技术的迅速发展，一种提供近似于光纤通信带宽的新型无线通信技术为接入网开辟了一片崭新的天地，即本地多点分配业务——LMDS。
     
     　　从技术上来说，按照使用的媒介不同，接入网可划分为有线接入网和无线接入网。无线接入分为移动无线接入和固定无线接入。LMDS属于无线固定接入手段。
     
     一、LMDS的概念
     
     　　LMDS是在近年来逐渐发展起来的一种工作于10GHz 以上的频段、宽带无线点对多点接入技术，在某些国家， 如加拿大、南韩，也称之为本地多点通信系统LMCS(Local Multipoint Communication System)。所谓“本地”是指单个基站所能够覆盖的范围，LMDS因为受工作频率电波传播特性的限制，单个基站在城市环境中所覆盖的半径通常小于5公里；“多点”是指信号由基站到用户端是以点对多点的广播方式传送的，而信号由用户端到基站则是以点对点的方式传送；“分配”是指基站将发出的信号（可能同时包括话音、数据及Internet、视频业务）分别分配至各个用户；“业务”是指系统运营者与用户之间的业务提供与使用关系，即用户从LMDS网络所能得到的业务完全取决于运营者对业务的选择。
     
     　　在不同国家或地区，电信管理部门分配给LMDS的具体工作频段及频带宽度有所不同，其中大约有80%左右的国家将27.5GHz～29.5GHz定为LMDS频段。
     
     　　LMDS 工作在24～38GHz频段，一般在毫米波的波段附近，可用频谱往往达到1GHz以上。由于该技术利用高容量点对多点微波传输，通过毫米波进行传输，它几乎可以提供任何种类的业务，支撑双向话音、数据及视频图像业务，能够实现从64kb/s到2mb/s，甚至高达155Mb/s的用户接入速率，具有很高的可靠性，被称为是一种“无线光纤”技术。
     
     　　目前，有关LMDS标准化工作在ATM论坛、DAVIC、ETSI、 ITU等组织的工作下进行，大多数标准化组织都采用ATM信元作为基本无线传输机制。
     
     二、LMDS系统的组成
     
     　　一个完善的LMDS网络是由四部分组成的：基础骨干网络、基站、用户端设备以及网管系统。
     
     1．基础骨干网络
     
     　　基础骨干网络又称为核心网络。为了使LMDS系统能够提供多样化的综合业务，该核心网络可以由光纤传输网、ATM交换或IP交换或IP＋ATM架构而成的核心交换平台以及与Internet、公共电话网(PSTN)的互连模块等组成。
     
     2．基站
     
     　　基站直接进入电信骨干网络或核心网络。由于LMDS直接支撑ATM协议（无线ATM），通过使用无线ATM协议，可以使链路效率得到提高。基站负责进行用户端的覆盖，并提供骨干网络的接口，包括PSTN、Internet 、ATM、帧中继、ISDN等。基站实现信号在基础骨干网络与无线传输之间的转换。基站设备包括与基础骨干网络相连的接口模块、调制与解调模块及通常置于楼顶或塔顶的微波收发模块。
     
     　　LMDS 系统的基站采用多扇区覆盖，使用在一定角度范围内聚焦的喇叭天线来覆盖用户端设备。基站的容量取决于以下技术因素：可用频谱的带宽、扇区数、频率复用方式、调制技术、多址方式及系统可靠性指标等，系统支撑的用户数则取决于系统容量和每个用户所要求的业务。基站覆盖半径的大小与系统可靠性指标、微波收发信机性能、信号调制方式、电波传播路径以及当地降雨情况等许多因素密切相关。
     
     3．用户端设备
     
     　　用户端设备的配置差异较大，不同的设备供应商有不同的选择。一般说来都包括室外单元（含定向天线、微波收发设备）与室内单元（含调制与解调模块以及与用户室内设备相连的网络接口模块。
     
     　　LMDS无线收发双工方式大多数为频分双工(FDD)。下行链路，由基站到用户端设备一般通过时分复用(TDM)的方式进行复用；上行链路，多个用户端设备可通过时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)等多址方式与基站进行通信。FDMA对干大量的连续非突发性数据接入较为合适；TDMA则适于支撑多个突发性或低速率数据用户的接入。LMDS运营者应根据用户业务的特点及分布来选取适合的多址方式。
     
     　　LMDS 系统可以采用的调制方式为相移键控PSK（包括BPSK、DQPSK、QPSK等）和正交幅度调输QAM（包括4QAM）。目前可以提供6QAM、16QAM等调制技术。
     
     4．网管系统
     
     　　网管系统是负责完成告警与故障诊断、系统配置、计费、系统性能分析和安全管理等功能。与传统微波技术不同的是，LMDS系统还可以组成蜂窝网络的形式运作，向特定区域提供业务。当由多基站提供区域覆盖时，需要进行频率复用与极化方式规划、无线链路计算、覆盖与干扰的仿真与优化等工作。 　　
     
     三、LMDS系统的服务范围
     
     　　LMDS可以采用蜂窝式的小区结构覆盖整个城域范围。典型的LMDS系统利用地理上分散的类似蜂窝的配置，为由多个枢纽发射机（或称为基地站）在一定小区范围的服务区管理用户群，每个发射机经点对多点无线链路与服务区内的固定用户通信。每个蜂窝站的覆盖区为5～7公里，若采用具有更高的发射功率、更强的接收灵敏度，可增加基站的覆盖范围，使覆盖范围达到10公里以上。
     
     　　由于LMDS覆盖区可相互重叠，每个蜂窝的覆盖区又可以划分为多个扇区，可以根据需要在该扇区提供特定业务或服务。如通过采用多扇区、先进的调制方式、不同极化等途径，可以进一步增加频谱利用率、提高网络容量。LMDS系统特别适于在高密度用户地区使用，如繁华的城市商贸区、技术开发区、写字楼群、城市居民小区等。
     
     四、LMDS系统的优势
     
     　　与传统的有线接入或者低频段无线接入方式相比， LMDS具有以下优势：
     
     1．工作频带宽、可提供宽带接入
     
     　　目前，各国分配的LMDS工作频带带宽至少有1000MHz，可支撑的用户接入数据速率高达155Mb/s，能够满足广大用户对通信带宽日益增长的需求。
     
     2．运营商启动资金较小，后期扩容能力强，投资回收快
     
     　　在网络建设初期，服务商只需小部分投资建立一个配置较简单的基站，覆盖若干用户即可开始运营。运营者所需的初期投资较少，仅在用户数量增加即有业务收入时才需再增加资金投入，所以投资回收也很快。
     
     3．业务提供速度快
     
     　　LMDS系统实施时，不仅避免了有线接入开挖路面的高额补偿费，而且设备安装调试容易、建设周期缩短，因此可以迅速为用户提供服务。
     
     4．在用户发展方面极具灵活性
     
     　　LMDS系统具有良好的可扩展性，使容量扩充和新业务提供都很容易，服务商可以随时根据用户需求进行系统设计或动态分配系统资源，添加所需的设备，提供新的服务，也不会因用户变化而造成资金或设备的浪费。
     
     5．可提供质优价廉的多种业务
     
     　　LMDS工作在毫米波波段、20~ 40GHz频率上，被许可的频率是24GHz、28GHz、31GHz、38GHz，其中以28GHz获得的许可较多，该频段具有较宽松的频谱范围，最有潜力提供多种业务。LMDS的宽带特性决定了它几乎可以承载任何业务，包括话音、数据和图像等业务。
     
     6．频率复用度高、系统容量大
     
     　　LMDS基站的容量很可能超过其覆盖区内可能的用户业务总量，因此，LMDS系统很可能是一个“范围”受限系统而不是“容量”受限系统。所以LMDS系统特别适于在高密度用户地区使用。
     
     五、LMDS系统的局限性
     
     LMDS系统有如下局限性：
     
     　　1．LMDS服务区覆盖范围较小，不适合远程用户使用。LMDS采用无线通信单元来覆盖半径通常为2到5公里的地理区域。
     
     　　2．由于工作频率高，通信质量受雨、雪等天气影响较大。LMDS 系统单元的大小受"降雨衰减"效应（rain fade）的限制。降雨衰减指的是雨滴对微波的散射和吸取所造成的信号失真，它与微波炉中性食品变热的过程属同一现象。此外，墙壁、山丘乃至枝叶茂盛的树木也会阻挡和反射信号并使信号失真，从而对单台发射机形成相当大的阴影区。
     
     　　3．基站设备相对比较复杂，价格较贵，所以在用户少时，平均每个用户成本较高。LMDS自身的特点，决定它更适合于大城市的城区或其他人口比较稠密的地区。
     
     六、LMDS系统提供的业务
     
     　　LMDS系统可提供多种业务，可同时向用户提供话音、数据及视频综合业务，还可以提供承载业务，如蜂窝系统或PCS/PCN基站之间的传输等。具体如下：
     
     1．话音业务
     
     　　LMDS 系统是一种高容量的点对多点微波传输技术，可提供高质量的话音服务；和传统的POTS业务相连，可实现PSTN主干网无线接入。
     
     2．数据业务
     
     　　LMDS 系统的数据业务包括低、中、高速 3 档：低速数据业务，1.2～9.6kb/s，能处理开放协议的数据，网络允许从本地接入点接到增值业务网；中速数据业务，9.6kb/s～2Mb/s，这样的数据接口通常是增值网络本地接点；高速数据业务，2～155Mb/s，BER 低于10-9。提供这样的数据业务必须有以太网和光纤分布数据接口。
     
     3．视频业务
     
     　　LMDS 能提供模拟和数字视频业务，如远程医疗、高速会议电视、远程教育、远程商业及用户电视、VOD等。
     
     七、LMDS在有线电视网络中的应用
     
     　　在CATV宽带城域网的接入网中，固定无线接入技术虽不是主要的接入方式，但它是光纤接入方式必要有益的补充，在适当情况下甚至可以完全替代光纤接入方式。在固定无线接入方式中，新兴的LMDS接入技术与MMDS（多路多点分配业务）和DBS（直播卫星系统）接入技术相比，可提供更高的带宽和更多的宽带交互式业务。
     
     　　在拥有HFC网络的城市和地区，利用已有的光纤网络作为部署LMDS的网络核心层（光纤骨干网络）来连接各个LMDS基站。由于接入网方式最终要实现光纤到楼（FTTB）、光纤到户（FTTH），因此，LMDS凭借其优势完全可以充当光纤接入网的的补充手段。通过光纤到小区、光纤到楼的接入方式连接LMDS基站，通过LMDS基站向覆盖区内的固定用户提供各类宽带交互式多媒体业务（包括各类窄带业务）。
     
     　　在使用LMDS时，为了使带宽不受限制，CATV网络经营者可以根据需要任意划分使用频段。假定有1100 GHz，可将该频宽中的500 GHz用于数字广播电视，600 GHz用于双向数据，即使采用QPSK方式调制，该频宽也可提供所有的DBS广播信道；最高达1Gb的全部双向数据业务，即提供比卫星电视更丰富的电视节目，比铜轴电缆更多的数据业务 。
     
     　　CATV构架起LMDS系统开始向用户提供业务时，要考虑上下行链路采用何种设计方式。通常设计无线系统有三个主要的接入方式：时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）。大多数厂商在提供LMDS下行链路的通信方式上都采用TDMA技术，而上行链路的通信方式可选择TDMA技术和FDMA技术。
     
     　　LMDS成功的关键在于识别和服务于有潜在商业用户的人口密集地区，非常适合在市（城）区使用。CATV宽带城域网正是面向并服务于工商贸产业区集中、人口密集、覆盖地域紧凑的市（城）区域，而LMDS又具备无线通信特有的优势，即：实施迅速、投资降低、可靠性高等特点，因此为CATV网络运营者开展各类接入业务、发展宽带用户提供了高成效、低成本的有效方法，受到业界人士的广泛关注。当然，LMDS作为CATV接入网的发展情况最终还取决于市场。
     
     八、LMDS在国外的发展情况
     
     　　目前，在全球有多家厂商已推出了LMDS的产品，例如 P - com 、北电网络、阿尔卡特、朗讯、惠普、休斯等。世界各地也陆续建立了一些LMDS的实验系统，加拿大的 MAXLIN K 企业建立了第一个LMDS商用网。许多国家已相继分配了本国的LMDS频段，同时出台了有关LMDS运营的管理办法和技术要求。不少国家采取了拍卖频谱和制定有利于运营商的政策法规，使其通过经营LMDS进入电信市场，促进竞争。
     
     　　目前，全美共有11个LMDS主要的运营商，最大的四个是：ART、 Next　Link　Communications 、 Teligent 和 Winstar 企业。1998年12月，美国的 Win star 企业第一个推出商用LMDS业务，也备受LMDS支撑者的关注，该企业是一家通过多种技术手段(主要是光纤、ADSL和 LMDS ) 为中小型企业(SME ) 提供宽带接入业务的企业。从1997年到1999年间，该企业从FCC获得了多张适用于LMDS技术的宽带无线接入频率许可证，成为美国持有LMDS无线接入频率许可证最多的企业。到2000年底，该企业已在美国60多个区域市场提供服务。截至2001年4月份， Winstar 企业已经拥有3万个商业用户，为100万个终端用户服务，2000年收入超过7亿美金。
     
     　　在欧洲，随着LMDS经营许可证发放工作的结束，欧洲一些国家的经营者开始推出LMDS业务服务。目前， First Mark 企业是欧洲最大的端对端宽带因特网网络基础结构企业，已于2001年3月前在德国建立了一个3500公里的全国性的高速光纤网络，能连接18个国家的170多个城市，提供LMDS业务服务，如德国、西班牙、葡萄牙、法国、卢森堡、荷兰、比利时、英国、瑞士、奥地利、捷克、芬兰等。
     
     　　1998年12月，日本加快了本地竞争进程，着手宽带固定无线接入许可证发放准备工作。2001年主要发放的是2.4　GHz 和38 GHz 频段的经营许可证。日本政府的计划是在未来两年，将宽带用户数量发展到500万，到2005年，达到3000万。
     
     九、LMDS在中国的发展情况
     
     　　LMDS技术1998年进入中国，引起中国电信、中国移动、中国网通、联通、吉通等各大运营商的重视，他们纷纷申请频点，与国外一些产品制造商携手，分别在广州、上海、北京、武汉、杭州、大连、青岛、深圳、珠海等地建立了规模不等的实验网。
     
     　　中国联通1999年底成功开通LMDS试验网——中国联通广州试验网，其他LMDS实验网，包括中国电信—上海、中国移动—武汉、中国网通—北京也陆续开通。目前各网运行良好，各运营商都组织了专业测试部门进行了各项性能指标的测试。中国电信—绵阳、中国移动—贵阳、中国移动—西安的LMDS试验网也即将建成。
     
     　　目前LMDS基本上还处于试用阶段，而不少的制造商则把为LMDS开发的技术使用到2.5～2.7MHz和3.4～3.6MHz频率的产品上，出现了新一代的无线双向宽带接入技术。
     
     　　LMDS系统工作在10、24、26、28、31、38GHz频段，在欧洲和北美已有多个频段得到了批准和使用，在中国，LMDS频率标准还未出台，但24~26GHz、38~40GHz已被批准用于试验。
     
     　　总的来看，宽带无线接入技术代表了宽带接入技术的一种新的不可忽视的发展趋势，不仅敷设开通快，维护简单，用户较密时成本低，而且改变了本地电信业务的传统观念，最适合于新的电信竞争者与传统电信企业和有线电视网络企业展开有效的竞争，也可以作为电信企业和有线电视网络企业有线接入的重要补充。LMDS系统对于宽带业务的经营者和用户双方都是一种多用途的具有良好成本效益的选择方案，由于它能迅速而低价地建立起来，因此对经营者和用户来说，特别有吸引力。