适用于无线城市建设的宽带接入技术

王志强 张铁君 孙莹

1 吉林大学通信工程学院 吉林 130012

2 吉林大学珠海学院 广东 519041

0 前言

2008年7月29 日，在中国互联网协会蓝海沙龙第36期活动(主题：移动互联网业务已准备就绪)上有关专家透露，我国大陆已经有十大城市明确了无线城市计划。这是继2002年美国费城首次提出建设基于 802.11b标准的Mesh网络——也叫“无线费城计划”后，我国首次对公众正式宣布了我国的无线城市建设计划。如今，这股无线城市建设浪潮已经波及中国大陆，北京、天津、上海、广州等城市均启动了无线城市建设项目。天津市政府在滨海新区率先建设无线宽带覆盖网络，在无线城市建设方面“先试先行”。而上海的建设规划从嘉定新城开始，主要着眼于市政服务。嘉定新城采用无线宽带接入技术进行新城城区全覆盖，以无所不在的综合无线信息网络平台支撑公共安全、城市管理、应急联动、公共服务、商务旅游、生活学习等信息化应用。广州市委市政府积极推进“以信息化促进城市现代化”的发展战略，搭建有广州特色的无线城市舞台，使广州市民不仅可以体会到EDGE、TD-SCDMA以及WLAN无缝网络的急速快感，还能够享受到办事效率提升和城市现代化升级的长远利好。

1 WLAN宽带接入技术

无线宽带接入(数据传输速率>2Mb/s)指在宽带业务接口与宽带业务用户之间，以无线通信的方式实现宽带业务的接入，为用户提供话音、视频、数据以及多媒体应用服务。

随着数据业务由开始的单一上网形式转向多媒体、富媒体的应用，越来越多的媒体业务，包括实时视频、互动游戏、宽频广告等媒体业务开始进入人们的视野，让人们尽情的享受丰富多彩的数字化生活。流媒体、在线游戏、网上支付等基于移动性的网络需求和城市综合无线信息网络平台的建设，使网络对无线宽带部署的要求日益增长，对接入方式、终端、应用提出了更高的带宽要求，为此，各大电信运营商在基于3G网络的基础上采用了Mesh(无线蜂窝网格网络)、智能天线等技术拓宽了无线宽带技术的应用范围，并广泛采用基于WiFi技术的无线局域网(WLAN)和WiMAX等无线宽带网络技术，实现了无线宽带网络可管、可控、安全、高效、快捷的全覆盖。

1.1 WiFi技术

WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术，与蓝牙一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。WiFi 最初是为无线局域网而设计的，目前广泛使用的有三个版本的802.11协议，分别是802.11a、802.11b和802.11g。在实施形式上主要有两种，一是具有定向天线的WiFi，另一个是具有Mesh网络拓扑结构的 WiFi。前者用作解决 DSL(DigitalSubscriberLine)和DOCSIS(Data Over Cable Interface Specification)的接入问题，但覆盖空间较小，而且缺乏QoS和统一的设备标准。后者解决了覆盖问题，并且Mesh网络拓扑结构较定向天线的结构具有更好的可扩展性，这两种 WiFi的部署形式最高可以提供54Mbps的传输速率，覆盖范围甚至可以超过10公里。

1.2 Mesh网络的拓扑结构

Mesh网络的拓扑结构扩展了传统的有线和无线局域网的范围。在Mesh网络拓扑结构中，每个节点互通互联，并且每个节点间共享通讯协议，Mesh网络基础架构将基于802.11a, 802.11b, 802.11g协议的节点互相连接起来。由于802.11a采用5GHz频率，不会与使用 2.4GHz频率的802.11b和802.11g相互叠加，适用于AP与AP之间的连接。而AP与客户端的连接通常使用802.11b或 802.11g。Mesh网络也被称作“多跳”网络，数据可以在多个节点间有效地传递，当一个节点受阻时，数据可以选择从其他的路径迂回过去，保证了信息的可靠传递。

在WiFi技术领域，随着无线产业从 802.11g到下一代802.11n标准的演变，越来越多的产品开始采用功能强大的 802.11e、802.11n、Mesh-WiFi等技术。其中，802.11e是IEEE为了增强WiFi的QoS能力而专门制订的一种标准，可以优先对语音和视频等业务进行服务质量的保障，对日益丰富的多媒体业务尤其对实时视频、在线游戏等富媒体业务的开展具有重要意义，目前不少新的 WiFi产品已开始支持802.11e。802.11n可以将 WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到300Mbps甚至高达 600Mbps，同时在管理、安全、多业务支持等方面均有极大提升。Mesh-WiFi是一种网状的 WiFi组网技术，它将多个AP通过无线方式连接在一起，形成一个“热点”，轻松实现WiFi的扩展与延伸，所有原来设置用于WiFi的笔记本电脑、PDA、手机等终端设备都可以接入Mesh-WiFi网。

1.3 WiFi宽带无线接入方式

WiFi的宽带无线接入方式主要有两种方案：具有高增益定向天线的固定式接入和具有Mesh网络的热点式接入。在频率方面，802.11a在 AP到AP间的通讯采用5GHz频率，802.11b和802.11g在热点内采用2.4GHz频率。在调频模块上三者也有不同，802.11b采用 DSSS(直接序列扩展频谱)，支持带宽最高可达11Mbps; 802.11a和802.11g采用OFDM(正交频分复用技术)，支持带宽最高可达54Mbps，而且OFDM这种调制方式更加适合室外环境。802.11标准提供64个子载波，这些子载波从BS(base station)或AP发出，在SS(subscriber station)或client重新组合。采用DSSS技术的802.11b，在非视距情况(NLOS：non-line-of-sight)下，载波信号由于障碍物反射可能产生多路干扰(MPI: multi-path interference)，而采用OFDM技术的802.11a和802.11g可以避免大的时延，有利于实时信号的传送，非常适用于公众场所、办公和工业环境的语音传送。

2 WiMAX宽带接入技术

WiMAX全称为World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一个名字是802.16。它是一项无线城域网(WMAN)技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用于将 802.11a无线接入热点连接到互联网，也可连接公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和DSL的无线扩展技术，从而实现无线宽带接入。

WiMAX是一项新兴的无线通信技术，该技术能提供最远可达50km范围的高速互联网连接。WiMAX与WiFi一样，都是用于传输无线信号的技术，但分工不同，WiFi解决的是无线局域网的接入问题，而WiMAX负责的是无线城域网。WiFi只能把互联网的连接信号传送到 300英尺远的地方，WiMAX则可把信号传送至50km之远。而且，网络连接速度也高达每秒70兆，而WiFi速度每秒只达到54兆。

WiMAX作为城域网无线宽带接入技术，还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。基于IP网络的开放特性，WiMAX构建的核心网继续采用移动IP的构架，拥有与全IP网络无缝融合的能力。其协议标准支持多种业务以固定和移动两种方式接入网络，而移动接入方式是WiMAX的主要发展方向，WiMAX近两年在全球各地的快速发展，加之4G标准提案中有一半支持802.16m技术，显示了WiMAX在全球迈向4G道路上的强大竞争力。

2.1 WiMAX的两大标准

WiMAX是根据IEEE 802.16标准定义的一种无线宽带接入技术，IEEE 802.16标准有多个版本，802.16-2004(802.16d)和802.16-2005(802.16e)这两个版本使WiMAX真正成为了无线宽带接入领域中的热点。其中 d版本属于固定无线接入标准，e版本属于移动宽带无线接入标准。特别是802.16e的发布，为个人移动宽带领域的发展带来了巨大的推动力。业界普遍认为，WiMAX的真正成功需依赖于移动版本802.16e的应用，而2007年是16e产品成熟的前期。IEEE 802.16-2004即802.16d支持固定和游牧的视距(LOS)和非视距(NLOS)传输。在视距环境下，它可以工作在 10GHz～66GHz频带。在非视距环境下，它可以工作在小于 11GHz的频带。802.16d也被视为传统3.5GHz固定无线接入技术和LMDS技术的标准化升级版本。IEEE 802.16-2005即802.16e支持切换和漫游功能，提供的主要是具有一定移动特性的宽带数据业务，面向的用户主要是笔记本终端和802.16e终端持有者。

2.2 WiMAX的核心技术

3G运营商向用户推出3G+WiFi的措施，证明了3G不能够满足用户对大流量数据需求的事实，而且 WiFi本身是一个局部的网络技术，不是完全的接入技术，后端还需接入光纤或者微波等网络，因此，它在无线宽带应用里没有明显的优势。WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而 3G则实现移动业务的宽带化，WiMAX的特点是无论是大范围还是热区，对数据传输都能提供强有力的支持。WiMAX的核心技术主要包括OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一种高速传输技术，更是未来无线宽带接入系统/下一代蜂窝移动系统的关键技术之一。在WiMAX系统中，OFDM技术为物理层技术，主要应用的方式有两种：OFDM物理层和OFDMA物理层。OFDM物理层采用OFDM调制方式，OFDM正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流。支持 TDD和 FDD双工方式，上行链路采用TDMA多址方式，下行链路采用TDM复用方式，并可以采用STC发射分集以及AAS自适应天线系统。OFDMA物理层采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD双工方式，可以采用STC发射分集以及AAS.OFDMA系统，可以支持长度为2048、1024、512和128的FFT点数，通常向下数据流被分为逻辑数据流，这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入具有不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议(MAP)分配子信道传输上行数据流。虽然OFDM 技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了ScalableFFT，可以根据不同的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。

3 基于WLAN技术实现无线城市

“无线城市”的概念最初由美国费城提出，当初是以建设基于IEEE 802.11b标准的WLAN无线局域接入网络为主要标志，但由于WLAN AP覆盖范围较小，因此通过大范围覆盖实现无线城市需要布设大量AP并完善相关接入环境，这对网络建设而言存在一定的难度。随着基于 WLAN网络的无线Mesh技术的成熟，采用基于Mesh技术的WLAN网络使无线城市的实现成为可能。

所谓WLAN的无线Mesh技术是指网络中每个AP节点都可以与一个或者多个对等AP节点进行无线直接通信，WiMAX处于无线骨干网络，用来汇聚各个热点的流量，与有线网络连接；Mesh-WiFi则处于无线接入层，实现终端到网络的接入，以及小范围内无线数据的跳接。通过这种方式可以实现WLAN网络的动态扩展、自动修复和自我平衡，减少了AP设备开通和应用的困难。

对比3G，如果实现“WiFi+WiMAX”的组网方式，则“WiFi+WiMAX”更具成本优势，同时也更适合中国国情。3G发展需要四大基本要素：基础网络、业务应用和资费问题、终端问题、价值链延伸和商业模式创新，而终端问题又是重中之重。WiFi凭其几乎免费的资费特点，以及更为高速和便捷的上网特性等优势，促进了 3G手机功能的扩展。而WiMAX技术可应用于固定、游牧、便携、简单移动和自由移动这五类业务应用场景，随着WiMAX技术从固定无线接入发展到移动无线接入，应用场景也从固定发展到了自由移动。因此，WiFi(无线局域网)，WiMax(无线城域网)，3G(无线广域网)三者的结合会创造出一个完美的无线网络，可以说，随着无线通信技术的不断发展，未来城市一定可以实现“无线”的理想。

4 结束语

WiFi、WiMAX技术发展至今，不断突破各种技术难关，胜利进入了无线城市建设技术应用的核心地带。随着我国电信网络的不断整合演进，在由“政府主导，牵手运营商”共同建设无线城市政策的激励下，各种无线宽带接入技术的优势在无线城市建设中得到了充分体现。我们有理由相信，在国务院加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合，实现三网互联互通、资源共享，为用户提供话音、数据和广播电视等多种服务政策的推动下，WiFi、WiMAX等各项宽带接入技术的应用场景必将从固定、游牧逐步发展到自由移动，给用户提供可高速接入、自由移动的优质服务，帮助人类实现梦寐以求的宽带数字化的理想生活。

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