浅析LMDS多点分配接入技术

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浅析LMDS多点分配接入技术(一)


1.LMDS技术的含义
     
     LMDS（Local Multipoint Distribute Service）是本地多点分配接入系统是一种崭新的宽带无线接入技术，1998年被美国电信界评选为十大新兴通信技术之一。由于该技术利用高容量点对多点微波传输，可以提供双向话音、数据及视频图像业务，能够实现从Nx64kbs到2Mbps，甚至高达155Mbps的用户接入速率，具有很高的可靠性，号称是一种“无线光纤”技术。
     
     LMDS“本地多点分配业务”中各个词都有其自身的含义。所谓“本地”其实就是指单个基站所能够覆盖的范围。LMDS因为受工作频率和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。
     
     LMDS工作在10GHz以上，一般在毫米波的波段附近，可用的带宽达到1GHz以上，几乎可以提供任何种类的业务，支撑话音、数据和图像业务，并支撑ATM、TCP／IP和MPEG 2等标准。由于LMDS具有更高带宽和双向数据传输的特点，可提供多种宽带交互式数据及多媒体业务，克服传统的本地环路的瓶颈，满足用户对高速数据和图像通信日益增长的需求，因此是解决通信网接入问题的利器。
     
     LMDS采用一种类似蜂窝的服务区结构，将一个需要提供业务的地区划分为若干服务区，每个服务区内设基站，基站设备经点到多点无线链路与服务区内的用户端通信。每个服务区覆盖范围为几公里至十几公里，并可相互重叠。
     
     目前各国的核心网络建设均初具规模，基本可满足当前通信的需求。而突出的矛盾体现在接入网方面，即用户与核心网络的连接部分。这一问题是通信向宽带、智能、个人化发展的关键，因此我国也把研究、发展和建设接入网列为重要任务。
     
     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。移动无线接入就例如大家熟悉的移动电话接人等，用户是可移动的，而固定无线接入与此正好相反，用户基本是固定不动的。按照这样的分类标准，LMDS属于无线固定接入手段，而它最大的特点在于宽带特性，可用频谱往往达1GHz以上。
     
     随着Internet的高速普及与多媒体技术的飞速发展，用户对带宽的要求越来越高，有线接入手段无法跟上发展的速度：传统的铜线、电缆，已完全不能满足传输的要求，如果添加额外的调制和压缩设备，成本又往往是用户所不愿负担的；全光缆网络将是比较完美的解决方案，但对基础网络的要求过高，即使在发达国家也还需要一段时间才能实现；折衷的光纤电缆混合方案（HFC）在很多国家并不适合，因为光纤与电缆往往掌握在不同的部门手中，由于法规的限制及各自利益的保护，混合使用难于实现。
     
     普通的无线接入系统均是窄带系统，工作在450MHz、800MHz等，针对低速的话音和数据业务。而LMDS的宽带特性，决定它几乎可以承载任何种类的业务，包括话音、数据和图像等，如下：
     
     （1）话音业务
     
     LMDS系统可提供高质量的话盲服务，而且没有时延。系统可提供标准接口，如RJ－11。
     
     （2）数据业务
     
     LMDS的数据业务包括低速数据业务、中速数据业务和高速数据业务。具体数据速率可支撑1.2kbit／S－155Mhit／S，并支撑多种协议，包括帧中继、ATM、TCP／IP等。
     
     （3）图像业务
     
     LMDS可支撑模拟和数字图像业务，可提供的图像信道包括150条远程节目、10条本地节目，还可提供最少10条PPV节目信道。系统的信号可以从卫星来，也可以是本地制作的；可以是加密的，也可以未加密。
     
     1.1.技术原理
     
     LMDS是以点对多点的固定无线通讯方式，提供宽频及双向的语音、数据、与视讯等传输，有别于传统点对点（Point to Point）的微波传输。LMDS采用较高的频率（通常为10～43GHz）为传输介质，是一个快速、有弹性和具有效益性的宽频网路。LMDS网路设备包含指向性天线（directional antenna）、区域性基地台、Set-top Box、用户天线，在用户端与用户端间以无线区域回路的网路架构，只需在用户端架设一具小型的碟形天线做为接收器而无需额外的配线。
     
     LMDS建构方式限于微波传输视线无障碍基础，传输范围不能太远约3～5哩，可提供高达8万个用户端单一节点的传输。LMDS以家庭与商业用户所使用的公用或私人网路应用为主要市场，虽然国外的LMDS技术已经相当成熟，但直到2000年国内才开始注意到此技术。
     
     1.2技术优点
     
     在理想的状况下，LMDS的通讯可信度及传输效能可与光纤相当。它提供一般用户最高达35Mbps至58Mbp的下行速度，而商业用户则更高可达51.85～155.52Mbps。因此也有人把LMDS比喻为除了铜缆线及同轴电缆外，布建至企业或家庭中的「Third Wire」。除了上述宽带特性，LMDS还具有无线系统所固有的优点，如建设成本低，项目启动快，建设周期短，维护费用低等。
     
     前期投资比例较小，后期扩容能力强，投资回收快——LMDS系统的投资包括中心基站设备，用户端设备，网管系统和其它附加费用。由于LMDS是一种利用基站覆盖用户端设备的体制，所以在网络初期，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。随着用户数量的增加，可提高基站的配置，增加用户端设备，逐步扩容，逐步追加投资。所以投资回收也很快。
     
     可以根据用户需要进行建设，在网络正是投入运营之前，往往很难准确推算用户的业务需求发展情况，传统接入网络中，用户对带宽和新业务的不断的需求往往使服务商深感头疼。而LMDS系统的基站、扇区覆盖体制，用户端设备的模块化结构，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要求，添加所需的设备，提供新的服务。
     
     1.3技术缺点
     
     LMDS的致命缺点是在讯号传输上会有发射器和接收器之间一条直射的传输限制，如果中间有过多的障碍物阻挡讯号传送，就会影响传输品质。另外，LMDS使用约30GHz的频段作为传输媒介，因该频段属于Ka频段，故对于树木、建筑物等障碍物的穿透能力较弱，而且有严重的雨衰效应，只有在与基地台建立直线传输线路时才会有较佳的通讯品质。
     
     2.LMDS系统结构
     
     一个完善的LMDS网络是由四部分组成的：骨干网络、网络运行中心（NOC）、服务区中的基站系统和服务区中的用户端设备。各个基站的数据送入骨干网络，完成话音交换、ATM交换、IP交换等，并连入国际出口。为管理服务区的设备和用户，系统往往设立网络运行中心（NOC）。
     
     通常，LMDS设备厂商提供服务区的设备，包括基站系统、用户端设备以及网络运行中心的App，而骨干网络作为基础设施，由电信服务商建设。
     
     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，此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。
     
     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、Frame Relay、ATM、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、调制与解调模块以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。多扇区基站可以更有效地利用频谱，进一步扩大系统容量。LMDS系统根据采用天线的不同，可划分为15度、22.5度、30度、45度、60度、90度的扇区，即最少4个扇区，最多可达24个扇区。基站至用户端的下行链路采用TDM模式。
     
     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QAM。目前可以提供6AQM、16QAM等提高频道利用率的调制技术。这样，LMDS就可提供更高的扇区容量，使每扇区达200Mbps。
     
     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）。通常采用口径很小的室外走向天线用户端网络接口单元NIU为各种用户业务提供接口，并完成复用／解复用功能。
     
     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。
     
     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。
     
     3.典型LMDS系统构成
     
     典型的LMDS系统由类似蜂窝配置的多个中心基站组成，每个基站与服务区的多个固定用户通过无线链路通信。每一蜂窝的覆盖区可划分为多个扇区，可根据用户需要在该扇区提供特定业务。例如双向数据、语音和视频业务，同时可支撑速率为ISDN-BRI、E1和E3的电话业务和专用数据业务。LMDS可提供对称业务与不对称业务，如交互式电视和高速数据。另外可以提供互联网接入，还可用于局域网的互联。同时LMDS的这种模块结构使网络扩容很灵活方便；当增加新用户时基站无须添加基站射频设备，与铺设光纤、电缆相比，采用LMDS技术，可快速增加用户，缩短建设周期。
     
     一个典型的商业LMDS应用单扇区能提供的下行链路容量为50Mb/s～155Mb/s，上行链路容量为40Mb/s，这就意味着LMDS具有提供全业务网业务的潜在能力。LMDS也支撑主要的话音和数据传输标准，如ATM、TCP/IP和MPEG-2等。
     
     LMDS基站系统负责进行用户端的覆盖，并提供骨干网络的接口，包括PSTN、Internet、FrameRelay、ATM、ISDN等。基站系统还必须支撑冗余配置，即使用两套设备互为热备份，由控制系统自动检测链路情况、误码水平等判据，一旦达到门限，则进行切换。用户端设备包括室外安装的微波发射、接收装置和室内的网络接口单元(NIU)，NIU为用户提供各种业务接口，并完成复用/解复用功能。同时，LMDS系统的一大优势是可根据用户情况进行网络扩充，为网络容量的扩充提供了多种方法。