LMDS宽带无线接入技术及其应用

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摘要　LMDS宽带无线接入技术代表了宽带接入技术的一种新的不可忽视的发展趋势。本文介绍了LMDS技术的主要技术特点；讨论了LMDS系统的组成、LMDS系统的主要技术要点；分析了LMDS系统提供的业务及LMDS技术的广泛应用。
LMDS（Local Multi-point Distribution Service）是一种宽带固定无线接入系统，其中文名称为本地多点分配业务系统。第一代LMDS设备为模拟系统，没有统一的标准。目前通常所说的LMDS为第二代数字系统，主要使用ATM（异步传输模式）传送协议，具有标准化的网络侧接口和网管协议。LMDS具有很宽的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，能满足用户对高速数据和图像通信日益增长的需求，因此LMDS是解决通信网无线接入问题的锐利武器。
1、LMDS的主要技术特点
LMDS是一种微波宽带系统，它工作在微波频率的高端（20～40GHz频段），组网灵活方便，使用成本低，是一种非常有前途的宽带固定无线接入新技术。从理论上讲，LMDS在上行和下行链路上的传输容量是一样的，因此能方便的提供各种交互式应用，如会议电视、VOD、住宅用户互联网高速接入等，LMDS也可以支持所有主要的语音和数据传输标准，如ATM、MPEG-2等标准。
LMDS由一系列蜂窝状的无线发射枢纽组成，每个蜂窝由点对多点的基站和用户站构成，其主要技术特点有以下几个方面。
第一，可提供极高的通信带宽。LMDS工作在28GHz微波波段附近，可用频带为1 GHz以上，理论上可提供所有业务，并可支持所有的语音和数据传输标准。
第二，蜂窝式的结构配置可覆盖整个城域范围。LMDS属于无线访问的一种新形式，典型的LMDS系统利用地理上分散的类似蜂窝的配置。它由多个枢钮发射机（或称为基站）管理一定范围内的用户群，每个发射机经点对多点无线链路与服务区内的固定用户通信。每个蜂窝站的覆盖区为2～10km，覆盖区可相互重叠，每个覆盖区又可划分为多个扇区，可根据需要在该扇区提供特定业务或服务。基站服务区和子扇区系统的划分可视用户端的地理分布及容量要求而定，不同的单个基站的接入容量有所不同，最高可达4.8Gbit/s，单个扇区子系统的接入容量可达20Mbit/s。LMDS天线的极化特性用来降低同一个地点不同扇区以及不同地点相邻扇区的干扰，这样理论上能够保证在同一地区使用同一频率。
第三，LMDS可提供多种业务。它在理论上可以支持现有的各种语音和数据通信业务。LMDS系统可提供高质量的语音服务，而且没有时延，用户和系统之间的接口通常是RJ-11电话标准，与所有常用的电话接口是兼容的。LMDS还可提供低速、中速和高速业务。低速数据业务的速率为1.2～9.6kbit/s。能处理升级协议的数据。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9.6kbit/s～2Mbit/s，这样的数据通常是增值网本地接入点。在提供高速数据业务（2～55 Mbit/s）时要用100Mbit/s的快速以太网和光纤分布数据接口（FDDI）等。另外还要支持物理层，数据链路层和网络层的相关协议。除此之外，LMDS还能支持高达1 Gbit/s速率的数据通信业务。
第四，LMDS能提供模拟和数字视频业务，如远程医疗、高速会议电视、远程教育、商业及用户电视等。
2、LMDS的系统组成
LMDS作为一种无线固定接入技术与传统的点到点微波技术不同，它能够以蜂窝网络的形式向特定区域提供业务。LMDS系统可以看作是用户与骨干网之间的连接网络，采用LMDS的小区结构可以覆盖整个城域范围。当由多个中心站提供区域覆盖时，需要进行频率复用、无线链路计算、覆盖与干扰的仿真与优化等工作。
LMDS分为处理频域信号的室外单元和与业务管理方面相关的室内单元。一个典型的LMDS应用运营系统通常由4个部分组成：基础骨干网络、中心站、终端站以及网络运营中心。骨干网络是指网络的核心层，它不仅提供了一个多业务的网络平台，同时也是各个中心站之间相互连接的物理通道。核心网络平台可以由ATM、IP、ATM+IP、SONET、（同步光网络）/SDH/WDH（波分复用）等技术构成，负责与现有各网络间的互联互通，如PSTN、FR、CATV网等，从而使LMDS网络能够提供几乎所有现存网可能提供的业务。
2.1　系统参考模型
LMDS系统本身主要由3部分组成：中心站（又称基站）系统、终端站（又称远端站）系统和网络管理系统（NMS），如图1所示。

图1　固定无线接入系统的参考模型

2.1.1　中心站设备
中心站设备通过多扇区覆盖的方式向所辖地区提供业务服务。中心站设备在逻辑上分为中心控制站和中心射频站两部分。中心控制站包括调制解调设备、MAC卡及网络-网络接口板等。其中MAC卡主要用来发送接收终端站的相关业务请求。中心控制站提供与中频电缆相连的接口，并通过中频电缆连接中心射频站。中心射频站可采用全向天线进行覆盖，也可采用扇区天线进行扇区化覆盖，增加系统容量。目前大多数为4个90°扇区的覆盖，部分可达到24个15°扇区的覆盖。
中心站设备主要提供LMDS系统至核心网络的接口，完成信号在核心网络与无线传输之间的转换，并负责无线资源的管理，中心站将用户数据送入骨干网络，完成所需的话音交换、ATM交换和IP交换等处理。
2.1.2　终端站设备
终端站设备放在最靠近用户一侧，负责将用户通过无线方式连接至中心站并与骨干网相连，它可以提供多种业务接口，通常有E1、POTS，10/100Base-T、FR、ATM、ISDN、N×64kbit/s等，可支持多种应用。
终端站设备的配置一般说来都包括室外单元部分及室内单位部分。其中室外单元部分含有定向天线、微波收发设备；室内单元部分包括调制解调模块和与用户室内设备相连的接口模块等。室外单元可以支持多个室内单元工作，这样在用户数量较多时可以提高设备的利用率，降低用户侧的设备成本。
终端站设备通过TDM与FDM广播方式在中心站到终端站的下行链路上接收由中心站传送来的数据信息；在终端站到中心站的上行链路上利用TDMA和FDMA方式共享整个扇区带宽所发送的用户信息。
终端站设备提供支持本地终端操作工作的计算机接口及软件，提供设备管理人员进行本地调测、配置、维护的途径。同时终端站支持远程的操作维护管理程序。网络工程师可以方便地在远端通过指令对处在用户侧的设备进行操作维护。
2.1.3　网管系统
LMDS系统的实现多基于传输控制协议/网际协议（TCP/IP）的简单网络管理协议（SNMP）。网络管理系统（NMS）又称网络运营系统（NDS），主要负责管理多个区域内的用户网络，负责完成系统分配、性能分析，安全管理等功能，多个网络运营系统可通过通信网络进行互联。
2.2　系统传输方式
LMDS系统使用基于ATM信号复用的连续载波，从中心站到终端站的下行方向上通过空中接口传送数据。中心站每个扇区使用一个或多个下行载波发送这些ATM信元到终端站。这些载波用不同的频率发射，以避免相互之间的干扰。终端站可以使用FDMA或TDMA技术通过空中接口发送信息到中心站。当终端站使用FDMA方式的上行链路时，发射端的调制解调器工作在一个连续的载波模式下，每个远端设备与该扇区设备的特定调制解调器维持一个连续的链路。当终端站使用TDMA方式的上行链路时，终端站发射端的调制解调器工作在一个突发的载波模式下，网络通过保持精确定时来获得最佳的性能，减少丢失突发帧的概率。每个从终端站来的突发帧包括前同步、独立字、FEC编码及2个或4个ATM信号的净负荷。
中心站从网络接口接收ATM信元，其中带内网管信息发送到中心站的处理器中，业务承载信息被传送到调制解调器接口处。业务承载单元在调制解调器中采用QPSK、16QAM或64QAM的调制方式，通过扇区的室外单元广播给所辖区域的终端站。每个远端终端调谐接收中心站的一个载波，由解调器恢复数据和时钟，生成ATM信元流。远端终端只处理在本端信元路由表中列出的ATM信元，而所有剩余的信元在此端被忽略丢掉。
3、LMDS的主要技术要点
3.1　工作频段
目前世界上不少国家都规划了LMDS的应用频段。美国联邦通信委员会（FCC）将LMDS的频谱分为两段：27.5～28.35GHz、29.1～29.25 GHz和31.075～31.225GHz为A段，共1150MHz；31.225～31.375GHz为B段，共150MHz。其他国家如加拿大、澳大利亚、新西兰、俄罗斯、新加坡等数10个国家也都相继分配了LMDS频谱。总体来看，这些国家的频谱分配一般集中在24GHz、26GHz、28GHz、31GHz和38GHz等几个频段，其中27.5～29.5GHz最为集中，差不多80%的国家都将本国的频谱分配在这一频段之内。我国无线电频率主管部门——信息产业部无线电管理局目前已经进行了LMDS的频率规划工作。
3.2　多址方式
LMDS下行主要采用TDM（时分复用）的方式将信号向相应扇区广播，每个用户终端在特定的频段内接收属于自己的信号。目前绝大多数设备都采用ATM信元流的形式来进行下行业务的分配工作。而基站设备主要以TDMA和FMDA中的一种接收来自本扇区内多个远端用户的信号。如果采用TDMA方式，则若干远端站可以在相同频段的不同时隙向基站发射信号。这种方式对支持突发型的数据业务，比如Internet接入应用比较有优势。如果采用FDMA方式，则相同扇区中不同远端在不同频段上向基站发射信号，彼此互不干扰。由于这种方式远端需长期占用频率资源，因而对于租用线业务比较有利。
3.3　调制方式
目前较普遍的调制方式为QPSK（四相相移键控），也可用16QAM（正交振幅调制），甚至64QAM。采用16QAM或者64QAM等高阶调制方式可以有效的扩大系统的容量。简单地说，采用16QAM，相同频段可以支持的容量是QPSK的2.3倍，如果采用64QAM，则为3.5倍，但是调制技术越复杂，则在相同条件下覆盖的范围越小。根据用户离基站距离的远近，混合选择多种调制方式可以明显扩大容量，当然采用细化扇区的办法同样也能达到相同的效果，但显然要增加额外的设备费用。
3.4　拓扑结构
LDMS系统的拓扑结构与局域网类似，可以有星型和环型两种主要结构形式，目前星型结构居于主流地位。星型结构是指基站采用全向或扇区天线与采用定向天线的远端用户终端直接进行微波通信，如图2所示，环型结构是指相邻服务节点之间采用定向天线彼此进行微波通信，中央节点处于网络枢纽位置，负责微波环路上业务量的汇聚和转接（如图3所示）。环型LMDS可以方便地实现链路自愈（Self-Healing）功能，同时由于采用点对点相连方式，如果环路组织合适，有可能部分解决星型LMDS中的覆盖盲区问题。比较而言，星型拓扑结构比较适合于用户分布较确定和较集中的环境，环型拓扑结构更适合于用户比较稀少、地理环境比较复杂的环境。

图2　星型LMDS系统拓扑结构

图3　环型LMDS系统拓扑结构

4、LMDS系统提供的业务
LMDS系统可提供多种业务，可同时向用户提供语音、数据及视频综合业务，还可以提供承载业务，如与蜂窝移动通信系统或PCS/PCN基站之间的传输等。具体业务如下。
4.1　语音业务
LMDS系统是一种高容量的点对多点微波传输系统，可提供高质量的语音服务；和传统的POTS业务相连，可实现PSTN主干网无线接入。
4.2　数据业务
LMDS系统的数据业务包括低、中、高速3档：低速数据业务，速率1.2～9.6kbit/s，能处理开放协议的数据，网络允许从本地接入点接到增值业务网；中速数据业务，速率9.6kbit/s～2Mbit/s，这样的数据接口通常是增值网络本地接点；高速数据业务，速率2～155Mbit/s，BER低于10-9，提供这样的数据业务必须有以太网和光纤分布数据接口。
4.3　视频综合业务
LMDS能够提供模拟和数字视频业务，如远程医疗、高速会议电视、远程教育、远程商务及用户电视、VOD等。
5、LMDS技术的应用
LMDS系统可提供多种业务，从分类角度归纳起来，LMDS技术主要有如下一些应用。
（1）租用线业务（Leased Lined Services）：租用线业务提供用户终端至网络的E1或部分E1（N×64kbit/s）、帧中继（FR）连接等。主要应用于PABX（用户自动交换机）连接，基于专线的广域网连接应用等。
（2）突发数据业务（Bursty Data Services）：这类业务包括Internet、Intranet以及局域网互联等，主要面向企业、SOHO以及居民用户等。
（3）交换话音业务（Switched Telephony Services）：这类业务主要为传统的话音和ISDN通信提供接入，网络接口可以是V5.2或其它符合标准的接口。
（4）数字视频业务（Digital Video Services）：这类业务的应用包括VOD、数字标准清晰或高清晰度广播等。从网络角度来说，考虑到业务的不对称性，采用有QoS保障的突发数据方式来支持这类业务比较理想。当然，也可采用租用线的方式来支持这类业务。具体如何实现，还要由综合业务需求和技术可实现性决定。
上述只是从分类角度介绍了LDMS技术的具体应用，实际上一个具体用户所需求的业务可能是上述一类或几类业务的综合。
6、结束语
总体来看，LMDS宽带无线接入技术代表了宽带接入技术的一种新的不可忽视的发展趋势，不仅敷设开通快，维护简单，用户较密时成本低，而且改变了本地电信业务的传统观念，最适合于新的电信竞争者与传统电信公司和有线电视网络公司展开有效的竞争，也可以作为电信公司和有线电视网络公司有线接入的重要补充。LMDS系统对于宽带业务的经营者和用户双方都是一种多用途的具有良好成本效益的选择方案，由于它能迅速而廉价地建立起来，因此对经营者和用户来说，特别有吸引力。也正是由于LMDS可提供多种业务，支持多种协议，支持MPEG-2等标准等多种优势，所以，LMDS必将在中国及国外都将有广阔的应用前景。