固定式宽带无线接入技术——LMDS

zjol

A Fixed Broadband Wireless Access Technology: LMDS
尹长川  

摘要：本地多点分配业务(LMDS)是近年来在国际上兴起的固定式宽带无线接入技术，具有传输容量大、起始费用低的优点，受到了国内外电信业务经营者的普遍关注。文章先容了LMDS提供的业务类型、工作频率、系统结构和标准化情况，并将LMDS与有线电视网络、ADSL、MMDS等现有的接入技术进行了比较。文章认为LMDS的商业推广尚需解决信号质量、服务区尺寸、费用等制约因素。

关键词：宽带无线接入；本地多点分配业务；多信道多点分配业务

Abstract: Local Multipoint Distribution Service (LMDS) is a rising technology of fixed broadband wireless access. With great transmission capacity, it is cost-effective and has aroused much attention of telecom operators all over the world. This paper describes the background and current status of the LMDS technology first, then discusses its service types, operation frequency, system structure and standardization status. It also compares LMDS with other exsiting access systems such as cable TV system, ADSL and MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service). It concludes that solutions to poor signal quality, limited service scope and high operation cost of LMDS may promote its commerical application.

Key words:broadband wireless access; local multipoint distribution service; MMDS



  近些年来，随着因特网技术的迅速发展和用户对宽带多媒体业务需求的不断增长，促使传统的电信网络从仅能提供单一的话音业务不断向能提供话音、数据和图像的宽带综合业务网络演化。在过去的几十年中，各国电信部门都非常重视本国电信骨干网络的建设，核心网络普遍实现了光纤化，其带宽基本可满足当前通信的需求，网络的“瓶颈”越来越集中体现在接入网方面。面对激烈的市场竞争，如何为用户提供经济而有效的宽带信息接入手段，成为电信业务经营者的当务之急。众所周知，用户接入网宽带化的最终目标是实现光纤到家(FTTH)，但这需要巨额的投资和较长的建设周期。为了满足当前用户对宽带业务的需要，各种宽带接入方式不断涌现，如基于Cable Modem的光纤/同轴混合网(HFC)、基于铜双绞线的各种高比特率数字用户线(xDSL)、直播卫星系统(DBS)、近地轨道卫星(LEO)、无线本地环路(WLL)和本地多点分配业务(LMDS)系统等。其中LMDS[1—3]因能提供经济、快捷和有效的宽带网络服务近几年异军突起，处于有利的发展地位。


1 LMDS发展现状
  本地多点分配业务(LMDS)是一种提供点对多点通信的固定式宽带无线接入技术，其工作频率在20 GHz以上，可在3～5 km范围内提供数字双工语音、数据、因特网和视频业务，组网灵活方便、使用成本低，支撑ATM、TCP/IP、MPEG2等标准，是一种非常有前途的宽带固定无线接入解决方案。
  早期的LMDS是一种用于模拟电视分配的单向广播式系统，该技术起源于20世纪80年代末美国Cellular Vision企业Bernard Bossard提出的用于电视分配的蜂窝系统[4]。1991年1月，美国联邦通信委员会(FCC)授予Cellular Vision企业优先许可证，允许其在纽约提供单向模拟广播电视业务。
  随着无线数字技术的发展和人们对交互式业务的需求，LMDS系统通过引入反向传输链路，逐渐演变成为一个以数字式双向业务为主的宽带无线接入系统。与传统的工作在450 MHz和800 MHz的窄带无线接入系统不同，LMDS利用大容量点对多点微波传输(带宽超过1 GHz)，能够实现从N×64 kb/s到2 Mb/s甚至高达155 Mb/s的用户接入速率。这决定了它几乎可以承载任何种类的业务，包括话音、数据和图像等，且具有很高的可靠性，因此在某些场合(如城市等人口稠密地区)是替代FTTH的理想选择。
  1996年，加拿大分配了28 GHz频段中的1 GHz带宽给LMDS。现在，加拿大许多大城市都安装了固定宽带无线接入系统，这些网络在加拿大被称为本地多点通信系统(LMCS)，并有计划在加拿大全境推广。在美国，拥有多个市场LMDS许可证的Winstar企业从1998年年中开始，在华盛顿、洛杉矶等大城市进行了LMDS系统安装。南美、亚太和欧洲各国的频带分配也已完成或正在进行中。目前市场上，研制和生产LMDS设备的厂商多集中于北美，如加拿大的北方电讯、新桥网络，美国的Bosch Telecom、HP、P-COM企业等。
  在中国，目前电信部门的大型数据网络骨干网的建设已经初具规模，各电信运营商已开始着手接入网的建设。LMDS以其大容量、多业务、易建设、见效快等明显优势引起了中国业内人士的广泛关注。1999年7月，中国的第一套LMDS实验网在广州市开通，这套由P-COM企业为中国联通建立的LMDS网络标志着中国接入网发展的新起点，随后中国联通又在上海和广州两个城市进行了二期实验。中国电信向信息产业部无线电管理局申请了LMDS的试验频率，同时在广东电信和四川电信进行试验。中国移动也在武汉分企业迅速跟进，实现了LMDS基站互连、IP数据接入等业务。2001年，信息产业部为采用频分双工的LMDS系统在26 GHz频段分配了2 GHz(上、下行各1 GHz)带宽。随着各大通信企业试验网的成功，LMDS将成为未来数年内中国宽带信息接入市场上的一支新军。


2 LMDS提供的业务类型
  LMDS在理论上可以支撑现有的各种话音和数据通信业务。该技术比较适合于在人口稠密的市区应用，由于现在光纤到大楼只是在很少的地方得以实现，因此LMDS具有很大市场潜力。目前，利用LMDS提供的业务主要有：


(1)话音业务
  LMDS可提供高质量的话音服务，没有时延，其质量与有线电话相同。


(2)数据业务
  LMDS的数据业务包括低速、中速和高速3种。低速数据业务的速率为1.2～9.6 kb/s，能处理开放协议的数据，网络允许本地接入点接到增值业务网并可以在标准话音电路上提供低速数据；中速数据业务速率为9.6 kb/s～2 Mb/s，这样的数据接口通常是增值网络本地接入点；高速数据业务速率为2～155 Mb/s，提供这样的数据业务必须有100 Mb/s的快速以太网和光纤分布数据接口(FDDI)，另外还需要支撑物理层、数据链路层和网络层的相关协议。除此之外，LMDS还能支撑高达1 Gb/s速率的数据通信业务。


(3)视频业务
  LMDS也能够提供模拟和数字视频业务，如点播电视、高速会议电视、远程教育、远程医疗、电子商务等数字业务。


3 LMDS技术

3.1 工作频率
   虽然毫米波段频谱资源的容量相当可观，但是由于众多的商用无线系统对频谱资源的竞争，目前很难为LMDS系统在全世界范围内划分相同的频段。
  在美国，FCC规定以下频率可用于LMDS业务：27.5～28.35 GHz(850 MHz)、29.10～29.25 GHz(150 MHz)、31.00～31.30 GHz(300 MHz)，带宽共计1.3 GHz，比调幅/调频无线电、电视和蜂窝电话3者带宽之和的两倍还要多。
  在欧洲，绝大多数国家的许可证在26 GHz频段，少数国家将28 GHz也分配给了固定无线接入。近来，欧洲又将LMDS的频段扩展到40 GHz。
  在中国，信息产业部规定采用频分复用(FDD)方式的LMDS业务的工作频段为26 GHz[5]，其中中心站发射频段为24.507～25.515 GHz，远端站发射频段为25.757～26.765 GHz，收发频率间隔为1 250 MHz，基本频道带宽为3.5 MHz、7 MHz、14 MHz和28 MHz，可根据具体业务需求将基本信道合并使用。

3.2 系统结构
  与蜂窝电话类似，LMDS系统采用蜂窝小区来覆盖所有的终端用户。每个小区的覆盖半径为3～5 km左右，最大不超过10 km。与蜂窝电话不同的是，LMDS系统的终端用户是固定的，不需要支撑移动用户，因此不需要考虑复杂的越区切换问题。LMDS系统的网络结构有多种不同的配置，这取决于不同的系统设计，图1示出了一种典型的LMDS系统的网络结构。LMDS的网络结构主要包括4部分：骨干网络、网络运行中心(NOC)、基站和用户驻地设备。其中骨干网络作为基础设施，由电信服务商建设，而NOC、基站和用户驻地设备则由LMDS厂商提供。骨干网络由光纤传输网、基于ATM交换(或IP交换、IP+ATM架构)的核心交换平台以及与Internet、公共交换电话网(PSTN)的互连模块组成。NOC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。






  基站用于实现从骨干网络向无线传输的转换。基站设备包括：光终端网络接口、调制解调功能和通常位于房顶的微波发送与接收设备，在某些LMDS系统的基站中还包含本地交换功能。如果存在本地交换功能，连接至基站的用户可以互相通信而无需进入骨干网络。该功能意味着基站必须具有信道接入管理、注册和认证功能。如果基站不具有本地交换功能，仅提供至骨干基础网络的连接，在此情况下，所有的话务将传送至骨干网络中的交换机或中心局设备，并由其完成交换、注册和认证等功能。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驻地设备。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。
  用户驻地设备的配置随供应商的不同而有很大区别，但所有的配置都包括室外安装的微波设备和室内数字设备，这些设备提供调制、解调、控制和用户设备接口功能。
  用户驻地设备可以采用时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式接入网络。用户设备接口可适应目前所有通信设备的连接要求，如普通电话业务、10BaseT、DS0、DS1、帧中继、ATM25、DS-3、OC-3以及OC-1等。LMDS系统的用户可以是大型企事业单位(如办公楼、医院、学校等)、大型商场及普通家庭用户等。显然，不同用户将需要不同的设备配置。
3.3 标准化现状
  随着LMDS无线接入系统的迅速发展，标准化工作变得越来越重要。从事LMDS系统标准化的组织包括ATM论坛、数字音视频委员会(DAVIC)、欧洲电信标准协会(ETSI)、国际电信联盟(ITU)以及美国电气与电子工程师协会(IEEE)。其中，IEEE的标准化工作进展最快、涉及的范围最广。1999年IEEE成立了IEEE 802.16工作组专门负责固定宽带无线接入系统的标准化工作[6]，IEEE 802.16下设3个分工作组，分别对2～11 GHz频段、10～66 GHz频段的宽带无线接入技术以及不同无线接入技术的共存问题进行研究。2001年12月，IEEE通过了工作于10～66 GHz频段的宽带无线接入技术标准，该标准的频段包括了目前LMDS系统的工作频段。
在中国，2002年信息产业部通过了26 GHz频段LMDS系统的标准，标准名为“接入网技术要求——26 GHz本地多点分配系统(LMDS)”[5]，标准的编号为YD／T1186－2002。该标准规定了工作于26 GHz频段LMDS系统的参考模型、工作频段和波道配置、业务能力、接口要求、无线收发设备要求、性能要求、网管功能要求，以及环境、供电、安全和电磁兼容要求。同时还规定了LMDS系统的中心站设备、终端站设备和接力站设备的要求。标准适用于公用电信网中的LMDS系统，也可供专用电信网参考使用。


4 与其他宽带接入技术的比较
  
  与当前流行的其他宽带接入方式相比，LMDS技术有许多优势。以下是LMDS与当前其他几种主流宽带接入技术的比较。


(1)有线电视网络
  LMDS技术为家庭和商业用户提供的带宽和容量高于几乎目前所有的有线电视网络。与大多数的有线电视网络不同，LMDS是双向传输。有线电视网络采用树形分支结构，为所有的用户提供相同的信号，而LMDS可根据市场需求，对其所提供的业务进行逐个小区的优化。LMDS可提供比现有的有线电视网络更高质量的视频和音频信号。


(2)不对称数字用户线
  LMDS可提供比现有的交换式铜双绞线网络更高的容量。LMDS提供的业务类型要比当前正在推广的不对称数字用户线(ADSL)技术多，而且LMDS使用的终端设备的价格要比ADSL的终端设备便宜。LMDS可以将一部分带宽预留给交换或共享数据。一旦数据信道空闲，LMDS可以将这部分带宽转交给队列中的下一个用户。LMDS中的数据可以进行加密并仅传送给适当的用户。


(3)多信道多点分配业务
  多信道多点分配业务(MMDS)系统提供单向分配业务，其工作频率位于10 GHz以下，信道容量低于LMDS系统。MMDS信号需要直视路径，而且其接收天线尺寸要比LMDS的接收天线大很多，通常必须位于室外。


(4)直播卫星
  尽管直播卫星(DBS)技术利用众多卫星来提供多种业务，但这些业务本质上是有方向性的。目前，DBS唯一可能的回传路径是电信企业的铜线网络，因此DBS仅能提供有限的交互式业务。尽管DBS在大的区域范围内是一种有效的业务提供方式，但对于本地电信企业来说，很难将他们在市场上所感兴趣的信号综合入一种全业务结构以适应用户的全部要求。


5 LMDS面临的挑战
  尽管LMDS与其他接入技术相比，有大量的带宽和相对较低的起始费用，但LMDS本身也面临限制其商业发展的诸多挑战。


(1)信号质量
  在30 GHz，LMDS信号的波长约为1 mm，由于波长很短，LMDS信号会被同它尺寸同样大小的雨滴和树叶削弱，LMDS同样需要清晰的视野。由于这些问题，LMDS只能在相对平坦和几乎没有树林的地区使用。可以用更有效的调制方法和天线来解决树林问题，但这样做会导致更高的费用和可能存在的管理问题。而且，这种技术对反向通道没有任何帮助。


(2)服务区尺寸
  为了保证用户覆盖范围和可靠性，LMDS必须使用小的小区尺寸，这一方面增加了系统费用，而且导致小区规划的费用也比较昂贵。有关LMDS小区尺寸的设计和定位，与蜂窝电话不同，蜂窝电话是从大的蜂窝开始，逐渐将大蜂窝分裂为小蜂窝，渐渐将使用中的越区切换减到最少，而LMDS经营者成功的关键在于识别和服务于有潜在用户的人口稠密区。代替将大蜂窝分割为小蜂窝，LMDS必须从小的、安顿适当的小区开始，并且在业务量增加时，要增加更多的小单元，该过程的费用是昂贵的。


(3)经营者累计费用
  由于小区尺寸小，LMDS需要更多的传输塔(大约是MMDS系统的100倍)。除了结构费用，还与建设延迟期限、位置选择、附属建筑物的租费谈判有关。结果，LMDS在推广时，其费用明显高于MMDS系统。


(4)基站设备费用
  在LMDS系统中，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。


6 结束语
  LMDS技术利用20 GHz以上的无线频段向用户提供可与有线接入相比拟的宽带接入速率，其最高传输速率可达1 Gb/s。该技术适合传统和新兴电信业务经营者为用户提供各种多媒体宽带接入服务，具有初期投资少、见效快的特点，受到了国内外电信业务经营者的普遍看好。新一代LMDS标准(如IEEE 802.16)的推出，为LMDS厂商制造成本更低、兼容性更好的设备创造了条件。可以预期，未来2～5年内，随着新一代LMDS设备的上市，电信服务商将会为用户提供更为低价的宽带接入服务。


7 参考文献
[1] Agne Nordbotten. LMDS Systems and Their Application[J]. IEEE Communications Magazine, 2000,38(12):150—154.
[2] David D. Falconer Jean-Paul DeCruyenaere. Coverage Enhancement Methods for LMDS[J]. IEEE Communications Magazine, 2003,41(7):86—92.
[3] Vinod Tipparaju. Local Multipoint Distribution Service (LMDS) [EB/OL]. http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/cis788-99/ftp/lmds/index.html.
[4] Bossard B. Low Power Multi-Function Cellular Television System[P]. U.S:4747160, 1988.
[5] YD/T1186-2002. 接入网技术要求——26GHz本地多点分配系统(LMDS)[S]. 2002.
[6] Roger B Marks. The IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless[EB/OL]. http://www.comsoc.org/livepubs/ni/public/1999/mar/ni802.html.

收稿日期：2004-03-08



编辑概况：
尹长川，北京邮电大学电信工程系毕业，工学博士。北京邮电大学电信工程学院副教授。主要研究领域为OFDM技术及其在宽带无线通信系统中的应用。曾参与和主持多项国家级科研项目，已发表论文40余篇，译著2册。