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LMDS無線接入網技術及其應用

2019-11-04 11:48:31
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供稿：網友

　　從整個電信網的角度講，可以將全網劃分為公用網和用戶駐地網（CPN）兩大塊，其中CPN屬用戶所有，因而，通常意義的電信網指公用電信網部分。公用電信網又可以劃分為長途網、中繼網和接入網3部分。長途網和中繼網合并稱為核心網。相對于核心網，接入網介于本地交換機和用戶之間，主要完成使用戶接入到核心網的任務，接入網由業務節點接口（SNI）和用戶網絡接口（UNI）之間一系列傳送設備組成。

近年來，以互聯網為代表的新技術革命正在深刻地改變傳統的電信概念和體系結構，隨著各國接入網市場的逐漸開放，電信管制政策的放松，競爭的日益加劇和擴大，新業務需求的迅速出現，有線技術和無線技術的發展，接入網開始成為人們關注的焦點。在巨大的市場潛力驅動下，產生了各種各樣的接入網技術。骨干網的帶寬由于光纖的大量采用而相對充足，限制帶寬需求的主要瓶徑在接入段。光接入網是發展寬帶接入的長遠解決方案，但目前這種方式還存在工程造價太高，建設速度慢等缺點，而且對于部分網絡運行企業來說，不具備本地網絡資源，在這種情況下，要進入和占領接入市場，采用寬帶無線接入技術是一個比較合適的切入點。

隨著無線通信技術的迅速發展，一種提供近似于光纖通信帶寬的新型無線通信技術為接入網開辟了一片嶄新的天地，即本地多點分配業務--LMDS。

從技術上來說，按照使用的媒介不同，接入網可劃分為有線接入網和無線接入網。無線接入分為移動無線接入和固定無線接入。LMDS屬于無線固定接入手段。

一、LMDS的概念

LMDS是在近年來逐漸發展起來的一種工作于10GHz以上的頻段、寬帶無線點對多點接入技術，在某些國家，如加拿大、南韓，也稱之為本地多點通信系統LMCS(LocalMult
在不同國家或地區，電信治理部門分配給LMDS的具體工作頻段及頻帶寬度有所不同，其中大約有80%左右的國家將27.5GHz～29.5GHz定為LMDS頻段。

LMDS工作在24～38GHz頻段，一般在毫米波的波段四周，可用頻譜往往達到1GHz以上。由于該技術利用高容量點對多點微波傳輸，通過毫米波進行傳輸，它幾乎可以提供任何種類的業務，支持雙向話音、數據及視頻圖像業務，能夠實現從64kb/s到2mb/s，甚至高達155Mb/s的用戶接入速率，具有很高的可靠性，被稱為是一種“無線光纖”技術。

目前，有關LMDS標準化工作在ATM論壇、DAVIC、ETSI、ITU等組織的工作下進行，大多數標準化組織都采用ATM信元作為基本無線傳輸機制。

二、LMDS系統的組成

一個完善的LMDS網絡是由四部分組成的：基礎骨干網絡、基站、用戶端設備以及網管系統。

1．基礎骨干網絡

基礎骨干網絡又稱為核心網絡。為了使LMDS系統能夠提供多樣化的綜合業務，該核心網絡可以由光纖傳輸網、ATM交換或IP交換或IP＋ATM架構而成的核心交換平臺以及與Internet、公共電話網(PSTN)的互連模塊等組成。

2．基站

基站直接進入電信骨干網絡或核心網絡。由于LMDS直接支持ATM協議（無線ATM），通過使用無線ATM協議，可以使鏈路效率得到提高。基站負責進行用戶端的覆蓋，并提供骨干網絡的接口，包括PSTN、Internet、ATM、幀中繼、ISDN等。基站實現信號在基礎骨干網絡與無線傳輸之間的轉換。基站設備包括與基礎骨干網絡相連的接口模塊、調制與解調模塊及通常置于樓頂或塔頂的微波收發模塊。

LMDS系統的基站采用多扇區覆蓋，使用在一定角度范圍內聚焦的喇叭天線來覆蓋用戶端設備。基站的容量取決于以下技術因素：可用頻譜的帶寬、扇區數、頻率復用方式、調制技術、多址方式及系統可靠性指標等，系統支持的用戶數則取決于系統容量和每個用戶所要求的業務。基站覆蓋半徑的大小與系統可靠性指標、微波收發信機性能、信號調制方式、電波傳播路徑以及當地降雨情況等許多因素密切相關。

3．用戶端設備

用戶端設備的配置差異較大，不同的設備供給商有不同的選擇。一般說來都包括室外單元（含定向天線、微波收發設備）與室內單元（含調制與解調模塊以及與用戶室內設備相連的網絡接口模塊。

LMDS無線收發雙工方式大多數為頻分雙工(FDD)。下行鏈路，由基站到用戶端設備一般通過時分復用(TDM)的方式進行復用；上行鏈路，多個用戶端設備可通過時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)等多址方式與基站進行通信。FDMA對干大量的連續非突發性數據接入較為合適；TDMA則適于支持多個突發性或低速率數據用戶的接入。LMDS運營者應根據用戶業務的特點及分布來選取適合的多址方式。

LMDS系統可以采用的調制方式為相移鍵控PSK（包括BPSK、DQPSK、QPSK等）和正交幅度調輸QAM（包括4QAM）。目前可以提供6QAM、16QAM等調制技術。

4．網管系統

網管系統是負責完成告警與故障診斷、系統配置、計費、系統性能分析和安全治理等功能。與傳統微波技術不同的是，LMDS系統還可以組成蜂窩網絡的形式運作，向特定區域提供業務。當由多基站提供區域覆蓋時，需要進行頻率復用與極化方式規劃、無線鏈路計算、覆蓋與干擾的仿真與優化等工作。　　

三、LMDS系統的服務范圍

　　LMDS可以采用蜂窩式的小區結構覆蓋整個城域范圍。典型的LMDS系統利用地理上分散的類似蜂窩的配置，為由多個樞紐發射機（或稱為基地站）在一定小區范圍的服務區治理用戶群，每個發射機經點對多點無線鏈路與服務區內的固定用戶通信。每個蜂窩站的覆蓋區為5～7公里，若采用具有更高的發射功率、更強的接收靈敏度，可增加基站的覆蓋范圍，使覆蓋范圍達到10公里以上。

由于LMDS覆蓋區可相互重疊，每個蜂窩的覆蓋區又可以劃分為多個扇區，可以根據需要在該扇區提供特定業務或服務。如通過采用多扇區、先進的調制方式、不同極化等途徑，可以進一步增加頻譜利用率、提高網絡容量。LMDS系統非凡適于在高密度用戶地區使用，如繁華的城市商貿區、技術開發區、寫字樓群、城市居民小區等。

四、LMDS系統的優勢

與傳統的有線接入或者低頻段無線接入方式相比，LMDS具有以下優勢：

1．工作頻帶寬、可提供寬帶接入

目前，各國分配的LMDS工作頻帶帶寬至少有1000MHz，可支持的用戶接入數據速率高達155Mb/s，能夠滿足廣大用戶對通信帶寬日益增長的需求。

2．運營商啟動資金較小，后期擴容能力強，投資回收快

　　在網絡建設初期，服務商只需小部分投資建立一個配置較簡單的基站，覆蓋若干用戶即可開始運營。運營者所需的初期投資較少，僅在用戶數量增加即有業務收入時才需再增加資金投入，所以投資回收也很快。

3．業務提供速度快

LMDS系統實施時，不僅避免了有線接入開挖路面的高額補償費，而且設備安裝調試輕易、建設周期大大縮短，因此可以迅速為用戶提供服務。

4．在用戶發展方面極具靈活性

LMDS系統具有良好的可擴展性，使容量擴充和新業務提供都很輕易，服務商可以隨時根據用戶需求進行系統設計或動態分配系統資源，添加所需的設備，提供新的服務，也不會因用戶變化而造成資金或設備的浪費。

5．可提供質優價廉的多種業務

LMDS工作在毫米波波段、20~40GHz頻率上，被許可的頻率是24GHz、28GHz、31GHz、38GHz，其中以28GHz獲得的許可較多，該頻段具有較寬松的頻譜范圍，最有潛力提供多種業務。LMDS的寬帶特性決定了它幾乎可以承載任何業務，包括話音、數據和圖像等業務。

6．頻率復用度高、系統容量大

LMDS基站的容量很可能超過其覆蓋區內可能的用戶業務總量，因此，LMDS系統很可能是一個"范圍"受限系統而不是"容量"受限系統。所以LMDS系統非凡適于在高密度用戶地區使用。

五、LMDS系統的局限性

LMDS系統有如下局限性：

1．LMDS服務區覆蓋范圍較小，不適合遠程用戶使用。LMDS采用無線通信單元來覆蓋半徑通常為2到5公里的地理區域。

2．由于工作頻率高，通信質量受雨、雪等天氣影響較大。LMDS系統單元的大小受“降雨衰減”效應（rainfade）的限制。降雨衰減指的是雨滴對微波的散射和吸收所造成的信號失真，它與微波爐中性食品變熱的過程屬同一現象。此外，墻壁、山丘乃至枝葉繁茂的樹木也會阻擋和反射信號并使信號失真，從而對單臺發射機形成相當大的陰影區。

3．基站設備相對比較復雜，價格較貴，所以在用戶少時，平均每個用戶成本較高。LMDS自身的特點，決定它更適合于大城市的城區或其他人口比較稠密的地區。

六、LMDS系統提供的業務

LMDS系統可提供多種業務，可同時向用戶提供話音、數據及視頻綜合業務，還可以提供承載業務，如蜂窩系統或PCS/PCN基站之間的傳輸等。具體如下：

1．話音業務

LMDS系統是一種高容量的點對多點微波傳輸技術，可提供高質量的話音服務；和傳統的POTS業務相連，可實現PSTN主干網無線接入。

2．數據業務

LMDS系統的數據業務包括低、中、高速3檔：低速數據業務，1.2～9.6kb/s，能處理開放協議的數據，網絡答應從本地接入點接到增值業務網；中速數據業務，9.6kb/s～2Mb/s，這樣的數據接口通常是增值網絡本地接點；高速數據業務，2～155Mb/s，BER低于10-9。提供這樣的數據業務必須有以太網和光纖分布數據接口。

3．視頻業務

LMDS能提供模擬和數字視頻業務，如遠程醫療、高速會議電視、遠程教育、遠程商業及用戶電視、VOD等。

七、LMDS在有線電視網絡中的應用

在CATV寬帶城域網的接入網中，固定無線接入技術雖不是主要的接入方式，但它是光纖接入方式必要有益的補充，在適當情況下甚至可以完全替代光纖接入方式。在固定無線接入方式中，新興的LMDS接入技術與MMDS（多路多點分配業務）和DBS（直播衛星系統）接入技術相比，可提供更高的帶寬和更多的寬帶交互式業務。

在擁有HFC網絡的城市和地區，利用已有的光纖網絡作為部署LMDS的網絡核心層（光纖骨干網絡）來連接各個LMDS基站。由于接入網方式最終要實現光纖到樓（FTTB）、光纖到戶（FTTH），因此，LMDS憑借其優勢完全可以充當光纖接入網的的補充手段。通過光纖到小區、光纖到樓的接入方式連接LMDS基站，通過LMDS基站向覆蓋區內的固定用戶提供各類寬帶交互式多媒體業務（包括各類窄帶業務）。

在使用LMDS時，為了使帶寬不受限制，CATV網絡經營者可以根據需要任意劃分使用頻段。假定有1100GHz，可將該頻寬中的500GHz用于數字廣播電視，600GHz用于雙向數據，即使采用QPSK方式調制，該頻寬也可提供所有的DBS廣播信道；最高達1Gb的全部雙向數據業務，即提供比衛星電視更豐富的電視節目，比銅軸電纜更多的數據業務。

CATV構架起LMDS系統開始向用戶提供業務時，要考慮上下行鏈路采用何種設計方式。通常設計無線系統有三個主要的接入方式：時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）和碼分多址（CDMA）。大多數廠商在提供LMDS下行鏈路的通信方式上都采用TDMA技術，而上行鏈路的通信方式可選擇TDMA技術和FDMA技術。

LMDS成功的要害在于識別和服務于有潛在商業用戶的人口密集地區，非常適合在市（城）區使用。CATV寬帶城域網正是面向并服務于工商貿產業區集中、人口密集、覆蓋地域緊湊的市（城）區域，而LMDS又具備無線通信特有的優勢，即：實施迅速、投資降低、可靠性高等特點，因此為CATV網絡運營者開展各類接入業務、發展寬帶用戶提供了高成效、低成本的有效方法，受到業界人士的廣泛關注。當然，LMDS作為CATV接入網的發展情況最終還取決于市場。

八、LMDS在國外的發展情況

目前，在全球有多家廠商已推出了LMDS的產品，例如P-com、北電網絡、阿爾卡特、朗訊、惠普、休斯等。世界各地也陸續建立了一些LMDS的實驗系統，加拿大的MAXLINK公司建立了第一個LMDS商用網。許多國家已相繼分配了本國的LMDS頻段，同時出臺了有關LMDS運營的治理辦法和技術要求。不少國家采取了拍賣頻譜和制定有利于運營商的政策法規，使其通過經營LMDS進入電信市場，促進競爭。

目前，全美共有11個LMDS主要的運營商，最大的四個是：ART、Next　Link　Communications、Teligent和Winstar公司。1998年12月，美國的Winstar公司第一個推出商用LMDS業務，也備受LMDS支持者的關注，該公司是一家通過多種技術手段(主要是光纖、ADSL和LMDS)為中小型企業(SME)提供寬帶接入業務的公司。從1997年到1999年間，該公司從FCC獲得了多張適用于LMDS技術的寬帶無線接入頻率許可證，成為美國持有LMDS無線接入頻率許可證最多的公司。到2000年底，該公司已在美國60多個區域市場提供服務。截至2001年4月份，Winstar公司已經擁有3萬個商業用戶，為100萬個終端用戶服務，2000年收入超過7億美元。

在歐洲，隨著LMDS經營許可證發放工作的結束，歐洲一些國家的經營者開始推出LMDS業務服務。目前，FirstMark公司是歐洲最大的端對端寬帶因特網網絡基礎結構公司，已于2001年3月前在德國建立了一個3500公里的全國性的高速光纖網絡，能連接18個國家的170多個城市，提供LMDS業務服務，如德國、西班牙、葡萄牙、法國、盧森堡、荷蘭、比利時、英國、瑞士、奧地利、捷克、芬蘭等。

1998年12月，日本加快了本地競爭進程，著手寬帶固定無線接入許可證發放預備工作。2001年主要發放的是2.4　GHz和38GHz頻段的經營許可證。日本政府的計劃是在未來兩年，將寬帶用戶數量發展到500萬，到2005年，達到3000萬。

九、LMDS在中國的發展情況

LMDS技術1998年進入中國，引起中國電信、中國移動、中國網通、聯通、吉通等各大運營商的重視，他們紛紛申請頻點，與國外一些產品制造商攜手，分別在廣州、上海、北京、武漢、杭州、大連、青島、深圳、珠海等地建立了規模不等的實驗網。

中國聯通1999年底成功開通LMDS試驗網--中國聯通廣州試驗網，其他LMDS實驗網，包括中國電信-上海、中國移動-武漢、中國網通-北京也陸續開通。目前各網運行良好，各運營商都組織了專業測試部門進行了各項性能指標的測試。中國電信-綿陽、中國移動-貴陽、中國移動-西安的LMDS試驗網也即將建成。

目前LMDS基本上還處于試用階段，而不少的制造商則把為LMDS開發的技術使用到2.5～2.7MHz和3.4～3.6MHz頻率的產品上，出現了新一代的無線雙向寬帶接入技術。

LMDS系統工作在10、24、26、28、31、38GHz頻段，在歐洲和北美已有多個頻段得到了批準和使用，在中國，LMDS頻率標準還未出臺，但24~26GHz、38~40GHz已被批準用于試驗。

總的來看，寬帶無線接入技術代表了寬帶接入技術的一種新的不可忽視的發展趨勢，不僅敷設開通快，維護簡單，用戶較密時成本低，而且改變了本地電信業務的傳統觀念，最適合于新的電信競爭者與傳統電信公司和有線電視網絡公司展開有效的競爭，也可以作為電信公司和有線電視網絡公司有線接入的重要補充。LMDS系統對于寬帶業務的經營者和用戶雙方都是一種多用途的具有良好成本效益的選擇方案，由于它能迅速而廉價地建立起來，因此對經營者和用戶來說，非凡有吸引力。


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