浅析3.5GHz宽带无线接入技术

zjol

杨勇
关键词　3.5GHz　宽带　无线接入　原理　系统功能　指标　组网模式
　　随着社会不断向前发展，人们对信息的要求也在发生变化，从以前简单的通话方式到现在的信息传递，传统形式的信息方式和通信设备显得有些跟不上时代发展。在我国，以电话业务为基础的电话网经过几十年的高速发展，已经具有较大规模，网络设备的程控化、数字化比例已超过了一些发达国家，但是，城市建设中地下管线问题影响了其发展，并且过去铺设的用线(缆)不能提供和解决宽带业务的需求，尽管在有些地方已建设了许多光缆，但还是满足不了人们的通信需求，因此，接入网的技术及其发展受到了各地较大的关注。根据信息产业部无线电管理局“关于3.4-3.6GHz频段无线接入系统使用频率的通知”(信无[2000]第88号)的文件精神，将3.5GHz这段频率作为无线接入的专用频率。2001年和2003年信息产业部采用评选(招标)的方式对3.5GHz宽带无线接入频率进行了公开的拍卖，拍卖后一些大城市接入网的建设已经按照部标YD/Tll58-2001《接入网技术要求3.5GHz固定无线接入网》和YD/T1197-200《接入网测试方法——3.5GHz固定接入》中规定的技术标准，积极着手准备和建设。
　　接入网的实现方法分为两种——无线接入和有线接入。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功能特点，广泛应用于电信网的各个领域。
一、无线接入技术的原理
　　无线接入技术(Wireless Access Technology)也称无线接续技术，或称无线本地环路(Wireless Local Loop)，主要功能是以无线技术作为传输媒介向用户提供固定的或移动的终端。无线本地环路的宗旨和目标是提供与有线接入网具有相同的业务种类和更广泛的服务范围，无线本地环路具有应用灵活，安装快捷等特点。
　　接入其参考模型如下图所示。

无线接入参考模型图
　　在无线网络的参考体系中，反向通道一般通过有线网的传输，或在LMDS情况下，通过无线网传输。内容提供者通过核心网向无线接入节点发送内容，为满足卫星及地面微波传输，在这个接入节点要重组数据并对其进行调制。在反向通道里，用户使用与前向传输同样的网络或者接入网络。当用DBS或MMDS业务时，需要接入网络，它是一个单向网络。
　　作为当代最热门的，同时也是大力发展的无线接入技术，大体上可分为移动方式接入和无线方式固定接入两大类。
　　(一)移动式接入技术
　　此类技术主要指用户终端在较大范围内移动通信系统的接入技术。这类通信系统主要包括以下几种：
　　1、集群移动无线电话系统
　　它是专用的无线调度指挥通信系统，它在我国得到了较为广泛的应用。集群系统是从一对一的对讲机形式，同频单工组网形式，异频单(双)工组网形式到单信道一呼百应，以及进一步带选呼的系统发展到多信道自动拨号系统。近十年来，有向更高层次发展成多信道用户共享的调度系统，它们可以与PSTN或PABX相连，并可以和该系统外的市活用户通话。
　　2、蜂窝移动电话系统
　　70年代初由美国贝尔实验室提出的，在给出蜂窝系统的覆盖小区的概念和相关理论之后，该系统得到迅速的发展。其中第一代蜂窝移动电话系统是指陆上模拟蜂窝移动电话系统，主要特征是用无线信道传输模拟信号。第二代则指数字蜂窝移动电话系统，它以直接传输和处理数字信息为主要特征，因此具有一切数字系统所具有的优点，代表性的是泛欧数字蜂窝移动通信系统GSM。到现在数字蜂窝移动电话系统正向第三代方向平滑的过渡，具有代表性的是CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。
　　3、卫星通信系统
　　采用低轨道卫星通信系统是实现个人通信的重要途径之一，现在有美国Motorola企业的“铱星”计划(尽管现在以不作为民用)，日本NTT计划，欧洲RACE计划，整个系统由三个部分构成，即卫星及地面控制设备，关口站，终端。
　　(二)固定式无线技术
　　其英文名为Fixed Wireless Access，简称FWA，它是指能把从有线方式传来的信息(语音、数据、图像)用无线方式传送到固定用户终端或是实现相反传输的一种通信系统，也有人用FRA，(Fixed Radio Access)一词，还有人习惯与有线本地环路相反应，采用无线本地环路(Wireless LocalLoop--WLL)的名字。按上述定义，它应该包括了所有来自公共电话网的业务并用无线作传输方式送到固定用户终端的系统，与移动通信相比，固定无线接入系统的用户终端是固定的，或者是在极小范围内。
二、3.5GHz线接入系统.
　　(一)3 5GHz无线接入系统的一般组成及各部分功能
　　3.5GHz无线接入系统一般由三部分组成：中心站(基站)、远端站、网管系统，其中中心站是由多扇区组成的，特殊情况下在中心站和远端站之间可以通过接力站进行中继。各部分功能如下：
　　1、中心站
　　主要汇聚中心站不同扇区设备上的业务与信令数据，实现与核心网络相连。系统能提供多种综合业务，例如：PSTN、IP、FR帧中继、ATM等。中心站设备通过划分的扇区以无线点对多点方式负责对远端站进行覆盖，并提供对核心网络接口。中心站设备包括室内单元和室外单元两部分，室内单元是由与核心网络相连的接口、调制与解调模块以及中频混合器组成；室外单元由射频收发模块和天线组成。
　　中心站可分为4～8个扇区，应使用在一定角度范围内聚焦的扇区天线覆盖远端站。
　　2、远端站
　　包括室外单元(含定向天线、射频单元)和室内单元(调制与解调单元以及与用户室内设备相连的业务接口单元)。系统可提供多种类型的用户接口，目前常见的业务都可直接接入。远端站可以为用户提供语音、数据等业务，也可以为用户提供宽带数据接入服务。
　　3、网管系统
　　主要与中心站相连，分成带内、带外和串口连接三种方式。网管系统应完成设备基本的配置、故障、性能、安全管理以及计费信息的采集。App工作平台一般为WindowsNT、UNIX等。
　　4、接力站
　　作为系统实现的可选项，用以转发中心站和用户站之间的信号，以延长中心站和用户站之间的距离。一个接力站可服务多个远端站。接力站设备可按两种类型配置，即同频转接接力站和基带转接接力站。同频转接接力站应具有低功耗、无人值守性能，用太阳能电池或风力发电设备供电。基带转接接力站应具备基带再生功能，配置相应的附属单元后应可兼具远端站的功能。
　　（二）3.5GHz宽带无线接入的多址技术
　　目前在3.5GHz频段固定无线——接入领域中有三种主要的多址方式　FDMA、TDMA、CDMA。
　　1、FDMA——频分多址
　　FDMA是最成熟的多址复用方式之一，采用FDMA寻址方式，系统中心站具有N个信道，每个信道对应一个中心载频；所有的远端站TS可以共享中心站的信道资源，即在中心站的控制下，TS可以工作在任一载频信道上；FDMA的特点是技术成熟、稳定、容易实现且成本较低。它的主要缺点是频谱利用率较低，每个用户(远端站)都要占用一定的频带，尤其在空中带宽资源有限的情况下，FDMA系统组织多扇区基站会遇到困难。单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见，目前的实用系统多采用TDMA方式或采用FDMA+TDMA方式。
　　2、TDMA——时分多址
　　TDMA也是非常成熟的通信技术，所谓TDMA就是一个信道由连续的周期性时隙构成，不同信号被分配到不同的时隙里，系统中心站将用户数据按时隙排列(TDM)广播发送，所有的TS都可接收到，根据地址信息取出送给自己的数据，下行发送使用一个载频；所有TS共享上行载频，在中心站控制下，按分配给自己的时隙将数据突发到中心站。由于TDMA的频谱利用率相对FDMA要高，在目前的宽带无线接入领域中被广泛采用。
3、CDMA——码分多址
　　所谓CDMA就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里，中心站使用正交的PN码作为信道标志，与不同TS通信使用同一频率，但不同的PN码扩频来实现；每个TS都可以同时收到中心站发给所有TS的信号，中心站要同时接收来自各TS的同一频率不同PN码的信号；CDMA系统保证通信质量必须做到：PN码之间正交特性良好；PN码要有足够长度，以提高扩频增益，即干扰容限。提高扩频处理增益与支撑宽带业务接入是一对矛盾，在3.5GHz频段频率资源有限情况下，采用码分多址技术的无线接入系统以窄带、业务为主。
　　(三)3.5GHz宽带无线接入的调制方式
　　目前3.5GHz频段宽带无线接入产品中主要选择以下几种调制方式：QPSK、16QAM以及64QAM，分别适应不同带宽及覆盖范啊的需求。其中QPSK是目前中小容量数字微波通信系统中广泛采用的调制方式，对相移键控(PSK)这样的简单系统，因为数据速率低，在PSK调制中信号波形的幅度和频率都不发生变化，只是相位有变化，它具有较好的抗干扰性能。3.5GHz无线接入网中在实际的工作中，上下行链路可以采用不同的调制方法。
　　(四)双工方式的选择TDD和FDD
　　宽带无线接入系统是一个双向传输的系统，中心站和外围站可以同时发射和接收，也就是可以进行双工通信。根据设备组成原理的不同其双工方式有TDD和FDD两种。
　　采用TDD方式的无线通信系统中接收和发送是在同一频率信道(载波)的不同时隙，用保护时间来分离接收与发送信道(或上下行链路)；而采用FDD模式的无线通信系统的接收和发送是在分离的两个对称频率信道上，用保护频段来分离上行信道和下行信道。采用不同双工方式的无线通信系统的特点和通信效率是不同的。在国外宽带无线接入系统有TDD方式和FDD方式两种，目前除即将开放的5.8GHz频段中宽带无线接入系统外，信息产业部无线电管理局规划的3.5GHz中宽带无线接入系统和26GHzLMDS系统均采用FDD的双工方式工作。
　　(五)OFDM技术
　　OFDM(正交频分复用)技术在宽带无线接入领域的应用正在逐渐成为一种发展趋势，OFDM解决符号间干扰的办法是将一个无线信道分解成多个副载波，而且通过副载波同时传输数据。每个副载波的数据率比总的数据率低很多，但是到达终点的总数据率与信道分解前的数据率完全相同。由于每个副载波数据率比总的数据率低，可使每个传输符号变得长些，从而消除了时延变化的影响。OFDM具有良好的选频衰落和抗多径干扰能力，使得无线接入系统对于视距传输的要求降低，特别适用于日趋复杂的城市传播环境，此外它还具有较高的频谱效率。
　　(六)对电路交换与分组交换的支撑
　　现代通信发展的大趋势之一便是网络应用的分组化。电路交换技术尽管有其不可磨灭的历史功勋和内在高质量严管理的优势，但对于未来以突发性数据为主的业务而言，出现了效率低，传输成本和交换成本高，网络资源浪费以及必须采用复杂的信令、计费方式和网管的弊端。特别是对一些新型的运营商来说，本身并没有电路交换的基础，他们构思的未来网络蓝图往往是可持续发展的网络，一体化网络。分组化网有着传统电路交换网所无法具备的优势，例如无复杂的时分复用结构，有信息才占用网络资源，效率高，成本低，信令、计费和网管简单，下一代的网络将以IP为基础，但并不是一个尽力而为的网络，通过软交换可同时支撑语音、数据、视频等综合业务。目前比较先进的宽带无线接入系统都可以支撑分组业务。
　　(七)日趋丰富的业务接口
　　网络是用来承载业务的，不同的网络结构往往适于传送不同的业务信号，而不同的业务信息也往往要求不同的网络结构来支撑。特别是在接入网这一侧，随着国家政策的开放，谁经营的业务种类越丰富，谁经营的业务类型越先进，谁就能在这场接入网的战争中占据优势。因此各个运营商都对业务接口提出了非常高的要求，而设备供应商提供的产品业务接口越丰富，也就越受运营商的青睐。目前根据应用领域的不同，3.5GHz宽带无线接入系统在中心站至少能提供V5、ATM、E1、以太网10BASE-T/100BASE-X接口中一种，在终端站至少能提供ISDN、POTS、以太网10BASE-T以及El接口中的一种。
三、3.5GHz宽带无线接入系统的技术指标
　　(一)基站
　　1、发射机技术指标
　　频率范围：3.500GHz-3.530GHz
　　载波输出功率：25dBm(316mW)
　　杂散射频分量：≤50dBm
　　2、接收机技术指标
　　频率范围：3.400GHz-3.340GHz
　　频率稳定度：±2.5ppm
　　接收灵敏度：-84dBm(BER=10-9)
　　3、无线技术指标
　　频率范围：3.400GHz-3.530GHz
　　增益：如下表

无线水平波束宽度 360° 90° 60° 45°
无线垂直波束宽度 7° 7° 7° 7°
　　增　益 　　≥11dB ≥15dB ≥17dB ≥19dB


　　方向网倾角：<-2°
　　特性阻抗：50Ω
　　驻波比(Vswk)：≤1.5
　　功率容量：≥1W
　　抗风强度：>35m/s
　　(二)终端
　　1、接收机技术指标
　　频率范围：3.400GHz～3.340GHz
　　接收灵敏度：-76dBm(BER=10-91)
　　2、发射机技术指标
　　频率范围：3.500GHz-3.530GHz
　　发射功率：25dBm(316mW)
　　频率容限：≤2.5ppm
　　功率容差：±2dB
　　(三)无线技术指标
　　频率范围：3.400GHz-3.530GHz
　　增益：15dBi
　　波束宽度：25°
　　特性阻抗：50Ω
　　驻波比(VswR)：≤1.3
　　功率容量：≥1W
　　抗风强度：>35m/s
四、组网模式
　　3.5GHz无线接入系统在组网模式上，比较类似移动通信中的小区蜂窝形式。每个小区包含中心站和远端站，中心站和远端站构成点对多点的通信方式。系统中心站采用扇区方式，一般使用90°、60°。、45°扇区天线。相邻扇区之间的载波中心频率可以相同也可不同，如果相同，可采用交叉极化方式增强隔离度。小区之间的干扰，可用频率、极化和发射功率大小来统一控制，以达到采用最少的波道覆盖更多的接入。
　　综上所述，是笔者对3.5GHz无线接入网作了简单的先容，随着电信运营部门的增加，各个电信运营部门都将以无线接入作为自己业务的切入点，这样势必要造成在3.5GHz频段上产生干扰。至此，自治区无线电监测站作为新疆维吾尔自治区无线电技术管理的重要部门，为了更好的维护各电信运营部门的利益及天空的电磁环境，我站对每个拟建的微波站(包括3.5GHz无线接入网)都要进行电磁环境的测试，同时也为无线电行政管理部门提供科学的管理依据。