適用于無線城市建設的寬帶接入技術

王志強 張鐵君 孫瑩

1 吉林大學通信工程學院 吉林 130012

2 吉林大學珠海學院 廣東 519041

0 前言

2008年7月29 日，在中國互聯網協會藍海沙龍第36期活動(主題：移動互聯網業務已準備就緒)上有關專家透露，我國大陸已經有十大城市明確了無線城市計劃。這是繼2002年美國費城首次提出建設基于 802.11b標準的Mesh網絡——也叫“無線費城計劃”后，我國首次對公眾正式宣布了我國的無線城市建設計劃。如今，這股無線城市建設浪潮已經波及中國大陸，北京、天津、上海、廣州等城市均啟動了無線城市建設項目。天津市政府在濱海新區率先建設無線寬帶覆蓋網絡，在無線城市建設方面“先試先行”。而上海的建設規劃從嘉定新城開始，主要著眼于市政服務。嘉定新城采用無線寬帶接入技術進行新城城區全覆蓋，以無所不在的綜合無線信息網絡平臺支撐公共安全、城市管理、應急聯動、公共服務、商務旅游、生活學習等信息化應用。廣州市委市政府積極推進“以信息化促進城市現代化”的發展戰略，搭建有廣州特色的無線城市舞臺，使廣州市民不僅可以體會到EDGE、TD-SCDMA以及WLAN無縫網絡的急速快感，還能夠享受到辦事效率提升和城市現代化升級的長遠利好。

1 WLAN寬帶接入技術

無線寬帶接入(數據傳輸速率>2Mb/s)指在寬帶業務接口與寬帶業務用戶之間，以無線通信的方式實現寬帶業務的接入，為用戶提供話音、視頻、數據以及多媒體應用服務。

隨著數據業務由開始的單一上網形式轉向多媒體、富媒體的應用，越來越多的媒體業務，包括實時視頻、互動游戲、寬頻廣告等媒體業務開始進入人們的視野，讓人們盡情的享受豐富多彩的數字化生活。流媒體、在線游戲、網上支付等基于移動性的網絡需求和城市綜合無線信息網絡平臺的建設，使網絡對無線寬帶部署的要求日益增長，對接入方式、終端、應用提出了更高的帶寬要求，為此，各大電信運營商在基于3G網絡的基礎上采用了Mesh(無線蜂窩網格網絡)、智能天線等技術拓寬了無線寬帶技術的應用范圍，并廣泛采用基于WiFi技術的無線局域網(WLAN)和WiMAX等無線寬帶網絡技術，實現了無線寬帶網絡可管、可控、安全、高效、快捷的全覆蓋。

1.1 WiFi技術

WiFi是一種可以將個人電腦、手持設備(如PDA、手機)等終端以無線方式互相連接的技術，與藍牙一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。WiFi 最初是為無線局域網而設計的，目前廣泛使用的有三個版本的802.11協議，分別是802.11a、802.11b和802.11g。在實施形式上主要有兩種，一是具有定向天線的WiFi，另一個是具有Mesh網絡拓撲結構的 WiFi。前者用作解決 DSL(DigitalSubscriberLine)和DOCSIS(Data Over Cable Interface Specification)的接入問題，但覆蓋空間較小，而且缺乏QoS和統一的設備標準。后者解決了覆蓋問題，并且Mesh網絡拓撲結構較定向天線的結構具有更好的可擴展性，這兩種 WiFi的部署形式最高可以提供54Mbps的傳輸速率，覆蓋范圍甚至可以超過10公里。

1.2 Mesh網絡的拓撲結構

Mesh網絡的拓撲結構擴展了傳統的有線和無線局域網的范圍。在Mesh網絡拓撲結構中，每個節點互通互聯，并且每個節點間共享通訊協議，Mesh網絡基礎架構將基于802.11a, 802.11b, 802.11g協議的節點互相連接起來。由于802.11a采用5GHz頻率，不會與使用 2.4GHz頻率的802.11b和802.11g相互疊加，適用于AP與AP之間的連接。而AP與客戶端的連接通常使用802.11b或 802.11g。Mesh網絡也被稱作“多跳”網絡，數據可以在多個節點間有效地傳遞，當一個節點受阻時，數據可以選擇從其他的路徑迂回過去，保證了信息的可靠傳遞。

在WiFi技術領域，隨著無線產業從 802.11g到下一代802.11n標準的演變，越來越多的產品開始采用功能強大的 802.11e、802.11n、Mesh-WiFi等技術。其中，802.11e是IEEE為了增強WiFi的QoS能力而專門制訂的一種標準，可以優先對語音和視頻等業務進行服務質量的保障，對日益豐富的多媒體業務尤其對實時視頻、在線游戲等富媒體業務的開展具有重要意義，目前不少新的 WiFi產品已開始支持802.11e。802.11n可以將 WLAN的傳輸速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到300Mbps甚至高達 600Mbps，同時在管理、安全、多業務支持等方面均有極大提升。Mesh-WiFi是一種網狀的 WiFi組網技術，它將多個AP通過無線方式連接在一起，形成一個“熱點”，輕松實現WiFi的擴展與延伸，所有原來設置用于WiFi的筆記本電腦、PDA、手機等終端設備都可以接入Mesh-WiFi網。

1.3 WiFi寬帶無線接入方式

WiFi的寬帶無線接入方式主要有兩種方案：具有高增益定向天線的固定式接入和具有Mesh網絡的熱點式接入。在頻率方面，802.11a在 AP到AP間的通訊采用5GHz頻率，802.11b和802.11g在熱點內采用2.4GHz頻率。在調頻模塊上三者也有不同，802.11b采用 DSSS(直接序列擴展頻譜)，支持帶寬最高可達11Mbps; 802.11a和802.11g采用OFDM(正交頻分復用技術)，支持帶寬最高可達54Mbps，而且OFDM這種調制方式更加適合室外環境。802.11標準提供64個子載波，這些子載波從BS(base station)或AP發出，在SS(subscriber station)或client重新組合。采用DSSS技術的802.11b，在非視距情況(NLOS：non-line-of-sight)下，載波信號由于障礙物反射可能產生多路干擾(MPI: multi-path interference)，而采用OFDM技術的802.11a和802.11g可以避免大的時延，有利于實時信號的傳送，非常適用于公眾場所、辦公和工業環境的語音傳送。

2 WiMAX寬帶接入技術

WiMAX全稱為World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一個名字是802.16。它是一項無線城域網(WMAN)技術，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準。它用于將 802.11a無線接入熱點連接到互聯網，也可連接公司與家庭等環境至有線骨干線路。它可作為線纜和DSL的無線擴展技術，從而實現無線寬帶接入。

WiMAX是一項新興的無線通信技術，該技術能提供最遠可達50km范圍的高速互聯網連接。WiMAX與WiFi一樣，都是用于傳輸無線信號的技術，但分工不同，WiFi解決的是無線局域網的接入問題，而WiMAX負責的是無線城域網。WiFi只能把互聯網的連接信號傳送到 300英尺遠的地方，WiMAX則可把信號傳送至50km之遠。而且，網絡連接速度也高達每秒70兆，而WiFi速度每秒只達到54兆。

WiMAX作為城域網無線寬帶接入技術，還具有QoS保障、傳輸速率高、業務豐富多樣等優點。基于IP網絡的開放特性，WiMAX構建的核心網繼續采用移動IP的構架，擁有與全IP網絡無縫融合的能力。其協議標準支持多種業務以固定和移動兩種方式接入網絡，而移動接入方式是WiMAX的主要發展方向，WiMAX近兩年在全球各地的快速發展，加之4G標準提案中有一半支持802.16m技術，顯示了WiMAX在全球邁向4G道路上的強大競爭力。

2.1 WiMAX的兩大標準

WiMAX是根據IEEE 802.16標準定義的一種無線寬帶接入技術，IEEE 802.16標準有多個版本，802.16-2004(802.16d)和802.16-2005(802.16e)這兩個版本使WiMAX真正成為了無線寬帶接入領域中的熱點。其中 d版本屬于固定無線接入標準，e版本屬于移動寬帶無線接入標準。特別是802.16e的發布，為個人移動寬帶領域的發展帶來了巨大的推動力。業界普遍認為，WiMAX的真正成功需依賴于移動版本802.16e的應用，而2007年是16e產品成熟的前期。IEEE 802.16-2004即802.16d支持固定和游牧的視距(LOS)和非視距(NLOS)傳輸。在視距環境下，它可以工作在 10GHz～66GHz頻帶。在非視距環境下，它可以工作在小于 11GHz的頻帶。802.16d也被視為傳統3.5GHz固定無線接入技術和LMDS技術的標準化升級版本。IEEE 802.16-2005即802.16e支持切換和漫游功能，提供的主要是具有一定移動特性的寬帶數據業務，面向的用戶主要是筆記本終端和802.16e終端持有者。

2.2 WiMAX的核心技術

3G運營商向用戶推出3G+WiFi的措施，證明了3G不能夠滿足用戶對大流量數據需求的事實，而且 WiFi本身是一個局部的網絡技術，不是完全的接入技術，后端還需接入光纖或者微波等網絡，因此，它在無線寬帶應用里沒有明顯的優勢。WiMAX逐步實現寬帶業務的移動化，而 3G則實現移動業務的寬帶化，WiMAX的特點是無論是大范圍還是熱區，對數據傳輸都能提供強有力的支持。WiMAX的核心技術主要包括OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先進技術，正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一種高速傳輸技術，更是未來無線寬帶接入系統/下一代蜂窩移動系統的關鍵技術之一。在WiMAX系統中，OFDM技術為物理層技術，主要應用的方式有兩種：OFDM物理層和OFDMA物理層。OFDM物理層采用OFDM調制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產生，為單一用戶并行傳送數據流。支持 TDD和 FDD雙工方式，上行鏈路采用TDMA多址方式，下行鏈路采用TDM復用方式，并可以采用STC發射分集以及AAS自適應天線系統。OFDMA物理層采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD雙工方式，可以采用STC發射分集以及AAS.OFDMA系統，可以支持長度為2048、1024、512和128的FFT點數，通常向下數據流被分為邏輯數據流，這些數據流可以采用不同的調制及編碼方式以及以不同信號功率接入具有不同信道特征的用戶端。向上數據流子信道采用多址方式接入，通過下行發送的媒質接入協議(MAP)分配子信道傳輸上行數據流。雖然OFDM 技術對相位噪聲非常敏感，但是標準定義了ScalableFFT，可以根據不同的無線環境選擇不同的調制方式，以保證系統能夠以高性能的方式工作。

3 基于WLAN技術實現無線城市

“無線城市”的概念最初由美國費城提出，當初是以建設基于IEEE 802.11b標準的WLAN無線局域接入網絡為主要標志，但由于WLAN AP覆蓋范圍較小，因此通過大范圍覆蓋實現無線城市需要布設大量AP并完善相關接入環境，這對網絡建設而言存在一定的難度。隨著基于 WLAN網絡的無線Mesh技術的成熟，采用基于Mesh技術的WLAN網絡使無線城市的實現成為可能。

所謂WLAN的無線Mesh技術是指網絡中每個AP節點都可以與一個或者多個對等AP節點進行無線直接通信，WiMAX處于無線骨干網絡，用來匯聚各個熱點的流量，與有線網絡連接；Mesh-WiFi則處于無線接入層，實現終端到網絡的接入，以及小范圍內無線數據的跳接。通過這種方式可以實現WLAN網絡的動態擴展、自動修復和自我平衡，減少了AP設備開通和應用的困難。

對比3G，如果實現“WiFi+WiMAX”的組網方式，則“WiFi+WiMAX”更具成本優勢，同時也更適合中國國情。3G發展需要四大基本要素：基礎網絡、業務應用和資費問題、終端問題、價值鏈延伸和商業模式創新，而終端問題又是重中之重。WiFi憑其幾乎免費的資費特點，以及更為高速和便捷的上網特性等優勢，促進了 3G手機功能的擴展。而WiMAX技術可應用于固定、游牧、便攜、簡單移動和自由移動這五類業務應用場景，隨著WiMAX技術從固定無線接入發展到移動無線接入，應用場景也從固定發展到了自由移動。因此，WiFi(無線局域網)，WiMax(無線城域網)，3G(無線廣域網)三者的結合會創造出一個完美的無線網絡，可以說，隨著無線通信技術的不斷發展，未來城市一定可以實現“無線”的理想。

4 結束語

WiFi、WiMAX技術發展至今，不斷突破各種技術難關，勝利進入了無線城市建設技術應用的核心地帶。隨著我國電信網絡的不斷整合演進，在由“政府主導，牽手運營商”共同建設無線城市政策的激勵下，各種無線寬帶接入技術的優勢在無線城市建設中得到了充分體現。我們有理由相信，在國務院加快推進電信網、廣播電視網和互聯網三網融合，實現三網互聯互通、資源共享，為用戶提供話音、數據和廣播電視等多種服務政策的推動下，WiFi、WiMAX等各項寬帶接入技術的應用場景必將從固定、游牧逐步發展到自由移動，給用戶提供可高速接入、自由移動的優質服務，幫助人類實現夢寐以求的寬帶數字化的理想生活。

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