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采用5.8GHz无线宽带接入技术实现大面积的无线覆盖应用

关键词:无线宽带接入技术 无线通信

时间:2021-07-27 14:20:54      来源:网络

目前国际上主流并且比较成熟的宽带接入技术包括xDSL技术、光纤接入技术、Cable技术以及宽带无线接入技术等。基于硬件环境的不同,这些技术各自的性能特点存在着较大差异,但总的来讲可归结为两类技术,即有线接入技术和无线接入技术。从过去几年的发展情况来看,由于频率的限制,无线接入技术发展比有线接入技术相对滞后,近年来各种微波、无线通信领域的先进手段和方法不断引入,包括5.8 GHz扩频宽带无线接入系统、26GHz频段LMDS系

作者:尹宝财

一、前言

目前国际上主流并且比较成熟的宽带接入技术包括xDSL技术、光纤接入技术、Cable技术以及宽带无线接入技术等。基于硬件环境的不同,这些技术各自的性能特点存在着较大差异,但总的来讲可归结为两类技术,即有线接入技术和无线接入技术。从过去几年的发展情况来看,由于频率的限制,无线接入技术发展比有线接入技术相对滞后,近年来各种微波、无线通信领域的先进手段和方法不断引入,包括5.8 GHz扩频宽带无线接入系统、26GHz频段LMDS系统和无线局域网WLAN的进步,才使无线接入领域有比较大的进展。

就目前的研究成果来看,宽带固定无线接入技术在向两个方向发展:一方面充分利用过去未被开发、或者应用不是很广泛的频率资源(如2.4G、 3.5G、5.8G、26G等的工作频段),实现尽量高的接入速率;另一方面是通过融合微波和有线通信领域已经成功应用的先进技术,如高阶QAM(如 64QAM、128QAM)调制、ATM、OFDM、CDMA、IP等,来实现更大的频谱利用率、更丰富的业务接入能力和更灵活的带宽分配方法。

5.8 GHz频道的使用,是因为美国的苹果计算机公司在1995年向FCC提出申请修改电信法令,建议将5GHz上,分出300MHz的频段,以免费方式提供给工业、教学、科研、医疗行业使用。

该建议得到了FCC的高度重视。经过审慎的考虑,广泛的咨询和专家组的研究,FCC在1997年完成立法,允许业者在互不干扰的前提下,免领牌照,使用5.8 GHz作为各种通信之用,称之为U-NII频带(Unlicensed National Information Infrastructure)。

自从FCC规划使用5.8GHz(U-NII)频段以后,随着技术的不断成熟和市场的强烈需求,世界上很多国家和地区,包括加拿大、美国、中国在内的众多国家先后参照FCC的规定,分别规划了各自国家和地区的5.8GHz频段。

二、5.8 GHz固定无线接入技术的特点

5.8 GHz宽带无线接入系统是一种固定点到多点/点到点无线接入系统,都适合于双向传输。其主要特点可归结如下:

1、为适应无线通信技术的发展,满足无线电通信业务的需求,根据我国无线电频率划分规定及频谱使用情况,并参照国际上通用的技术标准,信部无 [2002]277号文规定,将5725-5850 MHz频段作为点对点或点对多点扩频通信系统、高速无线局域网、宽带无线接入系统、蓝牙技术设备及车辆无线自动识别系统等无线电台站的共用频段。符合技术要求的无线电通信设备在5725-5850MHz(带宽为125MHz)频段内与无线电定位业务及工业、科学和医疗等非无线通信设备共用频率,均为主要业务。5.8GHz的设备通常采用直接序列扩频技术或调频技术展频,通过扩展信号可使不同网络在同一地区使用而不受干扰,容量在10Mbps左右。

2、从采用技术上看,5.8GHz采用扩频技术(SS)进行无线信号传播,扩频技术是将信息信号的带宽扩展很多倍进行通信的技术。传输信号带宽远大于信息信号的带宽。例如,传输一个64Kbps的数据流,其基带带宽只有64KHz左右,但用扩频技术传送时,它所占据的信道带宽可以被扩展到 5MHz,10MHz,甚至更大。与此同时,发射到空间的无线电功率谱(单位带宽内具有的功率),也将大大的降低。

扩频通信的原理是尽可能使用最大带宽数,同样的能量在一个大的带宽上传播(如下图)。

这里扩频带宽的很小部分与常规无线信号相干扰,但常规无线信号不影响扩频信号,这是因为两者相比常规信号带宽很窄。

扩频通信具有抗干扰和隐蔽的特点,它的这此特点有更深一层的理论根据,即香农定理和柯捷乐尼可夫潜在抗干扰理论。

香农定理如下式:C=W log2(1+S/N)

W是传输带宽,C是信息容量,它的原理是在给定信号功率S和噪声功率N的条件下,用一种编码系统,可以以很小的误码率,以接近C的传输速率传送信息,此式也可以解释为:可用大的W和小的S/N或小的W和大的S/N,传输同样量C的信息。或象常说的:带宽W和信噪比S/N可以互换,扩频正是用大的带宽(十倍到几千倍)来换取S/N或S的。

柯捷尔尼可夫理论公式如下:Pe=f(E/no)

Pe是误码率,E是每比特信号能量,no是噪声功率谱密度,把此式适当改变一下就可以容易地看出其含义了。设传输信号带宽为W,信号功率是S=E/T,噪声功率N=Wno,信信号持续时间为T,信息信号带宽?F=1/T,把这些量代入上式得:

E/no=ST/(N/W)=S/N·W/△F

上式说明,P是由S/N·W/△F决定的,也就是说,传输一定带宽F的信息,信噪比S/N可以和带宽△F互换,此结果与香农定理完全一致,在扩频通信中,W/△F是处理增益,处理增益愈大,S/N W/F愈大,误码率愈低,通信安全可靠性愈好。

5.8GHz的宽带无线接入系统在采用比较低的调制效率时对信噪比的要求比较低可以满足一定的非可视传输要求。所以5.8GHz的系统比较适合于在城市进行相对短距离的传输(约9公里),在郊区进行长距离的传输(约20公里);又因5.8GHz的系统一般采用以前军事上所采用的直接序列扩频技术,抗干扰能力相对其他无线系统要强一些;

3、传输距离主要取决于自由空间损耗。所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播,它是理想传播条件。电波在自由空间传播时,其能量既不会被障碍物所吸收,也不会产生反射或散射。通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关。

这里给出自由空间传播时的无线通信距离的计算方法:

Los=32.44+20lgd(Km)+20lgf(MHz)
Los是传播损耗,单位为dB
d是距离,单位是Km
f是工作频率,单位是MHz

由上式可见,自由空间中电波传播损耗(亦称衰减)只与工作频率f和传播距离d有关,当f或d增大一倍时,[Lfs]将分别增加6dB。

下面举例说明一个工作频率为433.92MHz,发射功率为+10dBm(10mW),接收灵敏度为-105dBm的系统在自由空间的传播距离:

1.由发射功率+10dBm,接收灵敏度为-105dBm

Los=115dB

2.由Los、f

计算得出d=30公里

这是理想状况下的传输距离,实际的应用中是会低于该值,这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响,如大气、阻挡物、多径等造成的损耗,将上述损耗的参考值计入上式中,即可计算出近似通信距离。

假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB,可以计算得出通信距离为:

d=1.7公里

结论:无线传输损耗每增加6dB,传送距离减小一位。

不难看出,在天线口发射功率一定,可视传输的情况下,系统的传输距离主要取决于工作频率和接收门限电平。另外,就是雨衰的影响。雨衰主要是因为高频段的微波因为波长较短,不容易穿透雨水从而形成信号衰减造成的。5.8G的波长5.17公分,因此雨衰的影响就不大。目前的5.8GHz无线传输系统通信距离的典型值大约在10公里。

4、由5.8GHz频段构成的固定无线接入系统一般由中心基站(AP)、远端站(SU)和网管系统三大部分构成,中心站和终端站又分别可分为室内单元(IDU)和室外单元(ODU)两部分。

5.8GHz固定无线接入系统是一种点到多点的分布式系统,SU用户通过用户接口网络(UNI)与单个的用户终端(TE)或者一个用户驻地网(CPN)相连,中心站(AP)通过业务节点接口(SNI)与骨干网络相连。基站(AP)位于服务区中心,它覆盖的服务区一般分为多个扇区,每个扇区可以对一个或多个远端站(SU)提供服务。远端站(SU)则设置在用户驻地,远端站室内单元连接用户终端、路由器等用户端设备。

5、5.8GHz系统在传统的电路型无线通信技术中融合了IP数据通信技术,主要提供大容量的语音和数据业务接入,也可以为窄带无线系统和移动基站提供回传连接。基于IP的技术信令协议简单,实现容易,开销低,频谱利用率高,业务种类多,接口简单统一,升级容易,为世界主流的宽带无线接入方案,特别适合于非连接的数据传输业务。

5.8GHz系统采用点对多点微波技术。对于不便铺设光缆的用户、相对分散铺设光缆不经济的用户以及对开通紧迫性很强的用户,引入快速经济固定无线接入系统可为用户提供急需的接入服务,对解决“最后一公里”接入网的瓶颈问题,起到了有力的补充作用。因此具有广泛的商业应用。价值和发展前景。

6、在目前技术条件下,5.8GHz频段应属于固定无线接入中性能价格比最高的优选频段。低频段的无线产品具有足够的接入带宽,无线电传输特性好,受雨衰和多径的影响极小,覆盖范围广,其不可替代的优良性能充分展示了宽带无线接入的灵活性和实用性。5.8GHz系统可以承载包括话音业务、 Internet接入、VOD和会议电视等在内的各种综合业务;该系统射频部分都一体化设计,集成度高,系统配置比较灵活,可实现资源动态分配;系统安装维护简单,运行状况稳定,工作于5.8GHz频段,抗雨衰能力强。可以为企事业集团用户和社区用户提供服务。

河南电信许昌分公司成立之初,就非常成功采用了北京阳光公司的5.8GHz无线微波的接入,为企业的初期业务发展和壮大打下了基础。

三、5.8GHz无线接入系统的组网方式

1、5.8GHz无线网络的要求

5.8GHz固定无线接入系统有很多不同类型的无线网络可以实现,在话音和数据网络中,通信链路必须能支持全双工数据通信,为支持全双工数据通信,链路必须是点对点,在有些情况下使用中继是为了增加要求的距离或避免两点间的障碍。

许多网络要求在中心站(AP)和许多远端站(SU)通信,这要求有许多点对点链路,而在每个扇区有许多远端站(SU)设备,这些SU必须与AP 保持同步以防SU间相互干扰,同步会使得单扇区内所有SU发送和接收频点隔离,单扇区内不能有一个SU在另一个SU接收时正好以相同频点发送。

2、点对点网络

在一个点对点链路中,通信链路的每端有一个调制解调器,两个调制解调器之间在固定的通信,一个调制解调器设为主,而另一个设为从,主端控制RF链路的通信时钟。点对点链路如下图。

3、带中继的点对点网络

在有些时候,要求有中继以延长通信距离或避免某些障碍,通信链路必须在全双工方式下工作,为实现带中继的点对点链路,两个单独的点对点链路在中继位置相连,如下图:

4、点对多点网络

在很多网络中,中心位置与许多远程点通信,在应用中从中心到每个远程点都建立一个点对点链路。如下图:

中心站的AP必须采用频点隔离以防相互干扰,如在中心站的频率可统一采用高发低收方式。频率划分一般按照规律如下图。

A1:TX5789MHzRX5738MHz
A2:TX5738MHzRX5798MHz
B1:TX5818MHzRX5758MHz
B2:TX5758MHzRX5818MHz
C1:TX5838MHzRX5778MHz
C2:TX5778MHzRX5838MHz

四、5.8GHz固定无线接入在许昌的组网情况

河南电信许昌分公司经过对不同厂家的设备选型和试用,经过不断的比较优化,最后采用了A公司的LP5850系列宽带无线接入网桥组建了本地较为完善无线接入网络,为商业用户提供经济实用的“最后1公里”高速数据接入,以及基于IP网的软交换接入,提供宽带和语音业务。

A公司的LP5850无线宽带采用扩频传输方式,通信安全可靠性好,系统结构为点对多点组网方式。中心基站由接入点(六个AP)组成,采用 60°的天线,在水平方向构成一个60°扇区。中心基站能够通过6个扇区覆盖360°半径范围内的全方向用户,理论值每扇区最多可接入253个远端站。同一个中心基站的多个AP可以采用不同的频率和极化方式对多个方向进行覆盖,以提高频谱利用率和增加中心基站的接入带宽。

一个LP5850 AP下带多个远端SU示意图(如下):

远端站(SU)和中心基站(AP)进行无线通信,通过100/10Base-T以太网接口连接本地局域网。每个用户可以经由以太网交换机或路由器和其他用户共享带宽,以提高整个网络的使用效率。在网络布署方面更加容易,设备系统主要包括二个部分:接入点(AP)、用户端(SU)。接入点(AP):主要汇聚接入点不同扇区设备上的业务与信令数据,实现与互联网相连。用户端设备(SU)是用户终端设备,它包括一个采用60°的定向天线的收发信机,可在任意指定时间与一个AP进行通信,通过接受的AP信号对其进行同步和控制。

许昌公司的5.8GHz LP5850无线网络结构:

目前在许昌中国银行23搂,安装有六个LP5850 AP设备,在频段5725-5850M,以20M无线带宽采用六个频点360度覆盖半径8KM的许昌市区。

频率规划图(如下):

五、5.8GHz固定无线宽带接入在许昌的应用情况

无线接入可以作为有线接入的重要补充和应急备份,避免了铺设光纤电缆的麻烦,节省了大量建设费用,能够实现快速规划、快速建设和快速开展业务。宽带无线接入设备是河南电信公司许昌分公司前期迅速抢占市场的一种重要接入手段,更是成了这样的新兴运营商迅速开展业务、打破电信市场垄断的利器。

目前许昌公司使用的A公司5.8GHz的LP5850固定无线接入系统设备支持动态带宽分配。且LP5850固定无线接入系统可以提供丰富的业务接口,根据不同用户的不同需求配置,为许昌电信开展综合业务提供了技术上的支持。根据应用领域的不同,LP5850固定无线接入系统在中心站终端站均能提供E1、以太网10BASE-T接口。

A公司5.8GHz的LP5850无线接入系统能够为许昌分公司接应的用户提供基于IP平台的数据和多媒体等接入业务,包括Internet接入业务(www浏览、E-mail、高速文件传送等)、局域网互联业务、虚拟专用网VPN业务、传输电路业务和增值业务(支持各种流媒体业务,如VOD、电视会议、远程教育)。

另外,通过在许昌的网络建设应用发现5.8GHz系统还具有启动资金小、提供服务速度快、频谱利用率高、系统容量大、扩容灵活、业务接口多、运维成本低等优势。A公司的5.8GHz系列LP5850设备安装方便,使用上相对比较稳定。在一个扇区内一个AP能够管理多达500台SU。AP集成无线所覆盖的扇区指的是水平60°垂直10°的区域。该系统使用先进的扩频技术,减少干扰性。

许昌分公司无线接入系统最多时间同时在线正常运行了40多个客户端(SU)。在公司成立初期,特别是在一些应急接应大客户方面,起到了很大作用。

在有以上诸多优异表现的同时,也存在一些其他问题。

1、由于该设备的频段是5725-5850GHz的ISM(公共自用频段),在社会上使用较多,频率在使用和规划比较混乱,所以频率间干扰和串扰很大。设备在使用过程中受到很大的制约。而相对采用UNII频段时,不但能解决距基站10公里左右的客户端接入,且使用效果也十分理想。所以想让无线接入稳定,必须向无委会申请专用频段。

2、没有适合的硬件安装环境,可以说无线接入已经是很成熟的技术了,而且在国外已普遍使用。许昌公司在对无线接入设备的使用中往往把它定位成应急接应客户,在安装上只是做了个简单的固定架子,安装较为仓促,考虑的只是一时的开通。投入的人力和资金相对不足,制约了它的使用效果。

六、结论

实践证明,5.8GHz无线接入网建设可以充分利用现有频率资源,运营商可广泛运用先进、成熟的5.8GHz微波传输技术,大力开展无线接入业务。采用5.8GHz无线宽带接入技术,运营商可快速、低成本地实现对大城市区域的无线覆盖,开展Internet接入及IP语音、VPN、视频会议、 VOD等增值服务业务,并使之成为主要的无线接入手段。可以预料,随着我国社会信息化进程的不断加快和电信市场竞争日益走向深入,5.8GHz固定无线接入等宽带无线接入技术将具有广阔的应用前景。

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