固定無線接入網(wǎng)發(fā)展探討
固定無線接入網(wǎng)還是非常主流的接入技術(shù)，可能好多人還不了解固定無線接入網(wǎng)，沒有關(guān)系，看完本文你肯定有不少收獲，希望本文能教會(huì)你更多東西，會(huì)對固定無線接入網(wǎng)的應(yīng)用有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。
一、固定無線接入網(wǎng)的有利應(yīng)用
近年來，通信用戶對Internet上網(wǎng)的需求繼續(xù)快速增長，而固定有線網(wǎng)（PSTN）加裝不對稱數(shù)字用戶線（ADSL）和電纜調(diào)制解調(diào)器（cable modem）的建設(shè)進(jìn)度不快，以致城市通信接入網(wǎng)最后一公里開始更多地考慮采用固定無線接入（FWA，F(xiàn)ixed Wireless Access）。當(dāng)然，這將是寬帶的無線接入網(wǎng)。所謂多點(diǎn)多路分配業(yè)務(wù)（MMDS，Multipoint Multichannel Distribution Service）的固定無線網(wǎng)，就是FWA的典型例子。它利用5GHz以下的頻段，例如2.5GHz和3.5GHz，在一定地區(qū)范圍內(nèi)設(shè)立固定的收發(fā)信機(jī)基站（BTS，Base Tranceiver Station）。許多用戶如除了原有的電話通信外，還急欲實(shí)現(xiàn)接Aintemet，以便與對方用戶互通電子信函，并向適當(dāng)網(wǎng)站經(jīng)常索取大量數(shù)據(jù)信息，就可以充分利用上述的寬帶FWA，在各自的辦公室和住家地點(diǎn)的屋頂上安裝適當(dāng)?shù)奶炀€和收發(fā)信機(jī)，經(jīng)過離他們較近的、約幾公里距離的基站BTS，接入固定的城市通信網(wǎng)，達(dá)到所需的通信目的。這就不必完全依賴傳統(tǒng)的鉛包銅線電纜接入網(wǎng)，不必等待ADSL和modem的線路設(shè)備建設(shè)完成，而且無線FWA能夠保證提供同樣滿意的服務(wù)性能，且具有建設(shè)快速、擴(kuò)展便易、維護(hù)簡單、成本不貴等優(yōu)點(diǎn)，易于迎合廣大通信用戶的需求。在原來沒有有線接入網(wǎng)的地區(qū)、或者新建有線接入網(wǎng)較艱難的地區(qū)，固定無線接入網(wǎng)更可發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，而被優(yōu)先考慮建設(shè)應(yīng)用。這就是近年來國際上大力推廣這種技術(shù)的理由。但是，新建的固定無線接入網(wǎng)必然是寬頻帶的FWA，以迎合用戶發(fā)展數(shù)據(jù)通信趨勢的需要。事實(shí)上，移動(dòng)通信的無線蜂窩網(wǎng)從現(xiàn)行的第二代進(jìn)化為即將來臨的第三代，以至稍遠(yuǎn)未來的第四代，也是重視建設(shè)和發(fā)展寬帶網(wǎng)，迎合用戶增多使用高速數(shù)據(jù)通信和接入Internet的實(shí)際需要。
一般，為了使無線電波在空中有最佳的傳播，固定無線接入FWA線路傾向于做到“視線傳輸”（LOS，Line of Sight）。本文上面提到用戶在辦公室和住家的屋頂上裝設(shè)收發(fā)信天線，就是為了依靠LOS與基站BTS聯(lián)系通信。近年，F(xiàn)WA在技術(shù)設(shè)計(jì)上又作了重要的改進(jìn)，爭取做到“非視線傳輸”（NLOS，Non-LOS），不再硬性規(guī)定用戶的收發(fā)信天線必須裝設(shè)在屋頂?shù)母唿c(diǎn)，而是容許天線裝在室外墻上，甚至裝在室內(nèi)桌上，這是一大進(jìn)步，對于推廣應(yīng)用FWA非常有利。這就是說，為了使無線的FWA能與有線的ADSL-modem相競爭，必須爭取做到NLOS-FWA。這樣，在用戶端設(shè)備安裝簡便，而且性能與ADSL-modem相當(dāng)。
二、視線傳輸難以普遍推廣
為了能夠?qū)嶋H運(yùn)用，固定無線接入網(wǎng)FWA必須廣泛適應(yīng)各種不同的地面情況。不論是何種地形、地區(qū)和多大的人口密度，都應(yīng)能確保無線通信同樣暢通無阻。而且，這種固定無線網(wǎng)與移動(dòng)通信的無線蜂窩網(wǎng)相比，在傳輸數(shù)據(jù)速率能力，接入的可靠性以及頻譜使用效率等方面都顯示出它的優(yōu)越性。
一般的FWA是根據(jù)視線傳輸LOS設(shè)計(jì)的，即每個(gè)用戶與接入點(diǎn)基站BTS之間的無線電波傳輸是基于視線傳輸LOS。每個(gè)用戶都裝置精確定向的、狹細(xì)波束的、具有高增益的天線。這樣的無線線路可以不受鄰路的侵?jǐn)_。一般的無線電波可能存在幾個(gè)不同時(shí)延的多徑傳播，導(dǎo)致碼間干擾和衰落等不良現(xiàn)象?，F(xiàn)在要求用戶裝置在屋頂?shù)奶炀€具有高度的針對定向性，以期它們與基站的無線電傳輸接近于LOS的條件，這樣，它們只需要較小的衰落邊際，而且調(diào)制解調(diào)可以不需要復(fù)雜的均衡器。然而，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明：FWA最多約30％的用戶連往各自的基站確實(shí)符合LOS條件。而且，如果分區(qū)和基站情況有所變更或調(diào)整，則用戶天線需要重新調(diào)整其指向，這相當(dāng)麻煩。所以，F(xiàn)WA的全面設(shè)計(jì)絕不容許單純地依靠LOS傳輸。也許FWA劃分為更多較小而互相有部分覆蓋的區(qū)，設(shè)立較多的基站，有利于增加用戶的LOS傳輸，但這使整個(gè)FWA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)用不靈便，而且成本提高，也不是上策。
三、非視線傳輸應(yīng)予認(rèn)真對待
為了推廣固定無線接入網(wǎng)的應(yīng)用以及擴(kuò)展無線接入的頻帶寬度和傳送數(shù)據(jù)速率，絕不能將固定無線接入局限于LOS，而是應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況容許較多用戶與基站之間利用非視線傳輸NLOS。據(jù)最新國際期刊報(bào)道：典型的NLOS-FWA要求具有傳送數(shù)據(jù)速率達(dá)到6Mbit／s，頻譜利用效率應(yīng)為2bit／s•Hz，而傳輸覆蓋距離對于屋頂大線應(yīng)該達(dá)到10km，墻壁大線5km，室內(nèi)天線3km，它們的傳輸性能應(yīng)該與有線網(wǎng)的DSL相仿，可靠性達(dá)0.999。
不論上行或下行線路，其頻譜利用效率是指每一基站BTS、每赫茲的每秒比特?cái)?shù)：SE＝rM／kB，式中M表示每一射頻通路的平均傳送量、比特?cái)?shù)，r為前向糾錯(cuò)碼的碼速，因此，rM就是用戶接入媒介時(shí)的有效傳送量。這樣的傳送量與實(shí)際無線通路的性能，路程損耗、發(fā)送功率、噪音程度等因素有關(guān)。式中B代表通路帶寬，包括保護(hù)頻帶，K代表空間再用因數(shù)，決定于基站數(shù)多少。這樣，每一小區(qū)的覆蓋應(yīng)該各有自己的SE。每個(gè)基站如增加分區(qū)數(shù)，各自使用不同的射頻通路，就可能加大通路傳輸量，從而改善其頻譜效率。上行與下行線路兩者比較，下行線路因與Internet應(yīng)用有關(guān)，而認(rèn)為更重要，但上行線路可以同樣計(jì)算，以保證合乎性能要求。
在NLOS-FWA中，無線通路的性能常常采用信號(hào)與噪聲及干擾之比（SINR）表示。這意味著任一接收機(jī)天線都應(yīng)滿足預(yù)定的SINR要求。這當(dāng)然與無線通路傳播發(fā)生的衰落現(xiàn)象密切相關(guān)，因此無線大線裝置常用分集制，以便掌握和減小時(shí)延差的發(fā)生?？偟膩碚f，應(yīng)當(dāng)采取各種必要的現(xiàn)實(shí)措施，或是設(shè)法使k減得最小，或是使rM最大，以獲取最大的頻譜利用效率SE。
四、固定無線接入網(wǎng)新技術(shù)
如上所述，下一代固定無線接入網(wǎng)將是采用非視線傳輸NLOS，這要求較高的系統(tǒng)性能，相應(yīng)地，必然需要利用較新的技術(shù)。簡單他說，物理層（PHY）將利用多付天線，實(shí)施分集傳送和空間復(fù)用，并將利用不受時(shí)延差影響的調(diào)制方式，以便調(diào)制解調(diào)過程在信道受到損害時(shí)仍能有效地進(jìn)行。而在媒介接入控制層（MAC），線路上實(shí)行重新發(fā)送和自適應(yīng)調(diào)制以對付較高且變化多的誤碼率?？偟哪康氖翘岣哒_傳送數(shù)據(jù)速率的能力。
首先，用戶端與基站之間利用自動(dòng)請求重發(fā)與分段的設(shè)施，即根據(jù)ARQF（自動(dòng)請求重發(fā)分片）規(guī)約，除了以IP為基的ARQ（自動(dòng)請求重發(fā)）以外，還有把分組數(shù)據(jù)再分段的措施，分成原子式數(shù)據(jù)單元（ADU，atomic or elementary data unit），其優(yōu)點(diǎn)是在數(shù)據(jù)傳送過程中，如分組發(fā)生誤差的話，只需重發(fā)該分組的小部分，就可以消除該分組的誤差，確保滿意的TCP／IP性能。其次，新的固定無線接入網(wǎng)將采用自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)使用戶傳送的數(shù)據(jù)速率能與信道的SINR和衰落程度相適應(yīng)。這在移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)曾經(jīng)成功地使用過。對于一般的數(shù)據(jù)速率，自適應(yīng)調(diào)制可以利用二相和四相介移相鍵控（BPSK、QPSK）。對于較高數(shù)據(jù)速率，則采用64QAM或256QAM的正交調(diào)幅。前者可使用戶數(shù)據(jù)能夠傳送至較遠(yuǎn)的基站，仍不受干擾的損害。后者則可藉以提高頻譜利用率。
新型天線包含多付天線、附有智能的信號(hào)處理和編碼技術(shù)。它們不僅用于每一基站，也同樣安裝在用戶端。所以說，新的固定無線接入網(wǎng)必然普遍裝用新型天線。而且，這種新型多付天線利用空間分集式（SD，Spatial Diversity），每一天線不會(huì)同時(shí)受到衰落的危害；它們加大陣列增益，而且改善通信系統(tǒng)的信噪比，由2-3付天線的空間分集，就可能比單獨(dú)大線得到10-15dB的改善。這些情況表明新型天線用了空間分集，可能擴(kuò)展覆蓋距離和便于頻率再利用，又可能藉以降低功率放大器的成本和延長便攜機(jī)中干電池的壽命。曾經(jīng)對這樣的新型固定無線接入系統(tǒng)做過實(shí)際測試，從結(jié)果得知，如每付天線相隔0.5-1個(gè)波長，就可能獲得空間分集增益。例如在載波頻率2.5GHz的情況下，天線間隔6～12cm就有明顯好處。如利用雙極化天線，則天線間隔的要求降低。
在無線線路的兩端，可以考慮各使用多付天線，藉以提高無線傳送信號(hào)的數(shù)據(jù)速率。這意味著，適當(dāng)利用空間復(fù)用技術(shù)（SM，Spatial Multiplexing），有可能帶來益處，由于固定無線接入系統(tǒng)往往需要傳送較高的數(shù)據(jù)速率，空間復(fù)用措施很合乎需要。收發(fā)兩端各設(shè)置幾付天線，應(yīng)該沒有多大困難，但可指望取得明顯的復(fù)用效果，例如發(fā)送端和接收端各設(shè)置3付發(fā)送天線和3付接收天線，可能指望獲得3倍的頻譜利用效率。舉個(gè)例子，一個(gè)高數(shù)據(jù)速率信號(hào)在發(fā)蟑端按照數(shù)碼間隔序列分成3個(gè)較低數(shù)據(jù)速率的信號(hào)，各自經(jīng)過調(diào)制，由3付天線發(fā)送。到了對方接收端，由3付天線接收，各自經(jīng)過解調(diào)，最后合并為一個(gè)高速率信號(hào)。這樣的分集復(fù)用方案，可在預(yù)定的SINR實(shí)行。在很多實(shí)際情況下，空間分集SD和空間復(fù)用SM兩種方式結(jié)合使用，會(huì)得到最好的效果。
除了上述的空間分集SD，還可考慮利用頻率分集（FD，F(xiàn)requency Diversity）和時(shí)間分集（TD，Time Diversity）的技術(shù)。多載波正交頻分多路（OFDM，Orthogonal FDM）系統(tǒng)就是由多路窄帶的正交副載波同時(shí)傳輸，近年已有一些實(shí)際應(yīng)用，證明有良好效果。本文前面曾提到的ARO見就是屬于時(shí)間分集，已在有些固定無線接入網(wǎng)正式使用，表明對克服無線電波衰落引起的損害有一定好處。從實(shí)際性能測試的結(jié)果得知：適當(dāng)利用分集技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，對于非視線傳輸?shù)墓潭o線接入網(wǎng)確有明顯的有益作用。用戶端裝置的天線不必精確對準(zhǔn)基站，而是可以采用較寬束射的天線；由此引起的多途徑影響，可以由AROF和分集技術(shù)來解決，得到滿意的使用結(jié)果。
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