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3.5GHz固定无线接入系统技术分析
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浙江省邮电规划设计研究院移动通信设计研究所（310014） 赵小江 蒋纯 张奇
浙江工业大学省光纤通信重点实验室（310014） 赵新建
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摘要：当前国家已经启动了3.5GHz固定无线接入系统，讨论了3.5GHz固定无线接入系统结构并对该系统所涉及的技术进行分析，与其他的一些接入方式作了较详细的比较。
关键词：3.5GHz 固定无线接入
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信息产业部已于2001年6~8月就重庆、武汉、南京、厦门和青岛五城市的3.5GHz固定无线接入频率和经营许可进行了招标。现即将在全国32个城市进行招标，预计3.5GHz固定无线接入的市场将于今年启动。随着电信格局即将发生的巨大变化，在3.5GHz固定无线接入系统的竞争也更趋激烈。
3.5GHz固定无线接入FWA(Fixed Wireless Access)系统采用点对多点微波技术。该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。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�"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。
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1 3.5GHz固定无线接入系统结构
系统构成一般包括中心站(CS)、终端站(TS)和网管系统三大部分。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。3.5GHz固定无线接入系统是一种点到多点的分布式系统,TS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(CS)通过业务节点接口(SNI)与外部网络相连。系统结构如图1所示。 |
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(1)中心站(CS)
中心站位于服务区中心，逻辑上可分两个部分：中心控制站(CCS)和中心射频站(CRS)。中心控制站是业务汇聚部分，并提供到网络侧的接口；网络侧的接口一般有STM-1、10/100Base-T、E3/T3、n×E1等接口。中心站覆盖的服务区一般分为多个扇区，每个CRS对应一个扇区，每个扇区可以对一个或多个远端站提供服务。CCS将来自各个扇区不同用户的上行业务量进行汇聚复用，提交不同的业务节点；将来自不同业务节点的下行业务量分送至各个扇区。
(2)终端站(TS)
在3.5GHz固定无线接入系统中，终端站(TS)属于远端设备，设置在用户驻地，为用户提供系统的接入点并为用户提供各种业务接口。可提供接口类型包括10Base-T、E1、n×64Kbps、FR、POTS或ISDN接口。
(3)接力站(RS)
接力站作为系统实现的可选项，用以转发中心站和终端站之间的信号。RS天线可以采用扇区天线或小波束角定向天线。
(4)网管系统
3.5GHz固定无线接入系统一般采用基于图形界面的网络管理系统，系统可运行在Microsoft Windows NT或UNIX平台上。用户使用该系统可轻易地对网络进行配置和管理。网管系统的功能一般包括配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及计费信息的收集等。
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2 系统性能特性
2.1 频率使用
根据国家无线电管理局已颁布的3.5GHz 频段地面固定无线接入系统所用的频率资源和相关频率参数，其双工方式为FDD，上行远端站发射频段为3399.50~3431.00MHz；下行基站发射频段为3499.50~3531.00MHz；同一波道收发射频频率间隔100MHz。
2.2 调制方式和多址方式
调制方式主要包括GFSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等。调制方式不同调制效率Em(bit/s/Hz)不同，由以下公式给出：
其中,M为调制阶数，R为编码率，r为滤波器滚降系数。调制效率随着调制阶数的增大而增大。但是实际工程中，外界干扰对系统性能的影响将急剧增加，会降低系统的性能，因而可根据需要采用自适应调制技术或者根据具体情况选择调制方式。在一个扇区可以采用多个调制方式混合使用，其目标是使得在任何一点都将采用尽可能高效的调制方式。也就是在一般情况下，根据传输质量和传输覆盖范围，离基站近的区域可以使用比较高效的调制方式，距离大时采用更可靠的方式。
常用多址技术有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。根据3.5GHz固定无线接入的一些特殊情况，具体采用那一种多址方式，需要根据业务模式、技术成熟程度、性价比等来考虑。
传统的FDMA效率较低，但是目前出现的W-OFDMA以及动态FDMA技术使得接入效率大为提高。OFDMA经过串并变换到各个正交子载波上后，并行码元信号周期远大于串行信息码元周期，再加上保护间隔，使其能基本消除码间干扰。因此与其他接入技术相同的高斯噪声相比信道上能支持更高标准的干扰，而且在OFDMA时信道均衡非常容易，QPSK情况下不需均衡器。OFDMA现已被IEEE
802.16 TG3标准确立为唯一的传输方式。动态FDMA技术根据业务量调整调制解调器的参数，动态分配每个频分信道的带宽，在两个不同极化的扇区中使用同一频率以提高频率利用率。但是OFDMA对相位噪声非常敏感，对同步和前端放大器的线性要求更加严格；动态FDMA对调制解调和ODU要求严格。
CDMA主要基于扩频通信的基本原理，使得传输信息的信号带宽远大于信息本身的带宽，扩频码采用正交码或准正交码作地址码实现码分多址，CDMA主要应用在北美蜂窝标准IS-95、IMT-2000以及卫星通信等。CDMA的优点是容量大、抗互扰能力强、信号功率谱密度低、相关特性好，CPE峰值功率和平均功率的比值小，但是当PN码正交性能欠佳或者干扰超过干扰容限时，性能将恶化因此抗自扰能力相对欠缺。另外占用的信号频带宽，扩频后的带宽远大于扩频前的信息；地址码数量上的限制，对大容量的通信也有一定的限制，因此在频率资源有限的情况下，将带来不少的麻烦。
TDMA是发送端对所发信号的时间参量进行分割，形成许多互不重叠的时隙。因此抗自扰能力极佳，而且对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理和分配简单又经济，这样TDMA也具有较大的信息传输能力，易于实现带宽动态分配，比较适合突发性较强的业务流量。但是TDMA抗互扰能力差相邻小区重复使用频率受限制，因此系统容量低于CDMA，且CPE峰值功率和平均功率的比值相对CDMA非常大，对同步要求也较高。
2.3 扇区调制效率和容量计算
系统在服务区范围内，一般通过划分多个扇区对频率进行再用以提高系统容量，而扇区在不同部分根据实际情况例如链路距离采用不同的调制方式，这使扇区的不同部分有不同的调制效率因此有必要计算整个扇区的平均效率。那么扇区的平均调制效率计算如下：
这里Σ是所有调制区域的加权。频率再用率和扇区平均调制效率是通过具体规划后得出的而且需要经过多次反复规划后才可确定，以实际规划得出的值为准，这个数值是可以变动的，目的是使其最大扇区容量达到最大。
固定无线接入网络容量可以由以下公式给出：
每个基站频率资源=运营商可用频率资源×频率再用率×基站扇区数
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3 与其他宽带接入技术的比较
目前全球宽带网络热度空前高涨，各网络运营商竞相在各大市场构建宽带IP城域网，提供低廉的高速IP接入服务，参与电信市场的竞争。而宽带接入技术的种类也繁多，主要有以下几种方式：
(1)光纤接入方式(FTTX)
光纤接入网有光纤到户(FTTH)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到路边(FTTC)、光纤到小区(FTTZ)等多种形式。利用光纤传输介质，提供高带宽、高可靠性和高抗干扰性的数据传送，接入网常用的形式有ATM
VP自愈网、ATM无源光网络(APON)等，还有SDH环网等传统技术。APON的优势在于：它结合了ATM多业务、多比特率支持能力和PON透明宽带传送能力业务的接入非常灵活。但是铺设光纤相对投资较大、耗时较长，有些地方铺设极为不便等问题，因此不少公司均发展XDSL传输系统。
(2)高速数字环路(XDSL)技术
基于XDSL技术的铜线接入技术适用于已有的电话基础网络，通过2B1Q、CAP(无载波调幅调相)、DMT(离散多音)等频带编码技术，挖掘双绞线高频段带宽的资源，通过带宽倍增技术实现宽带接入，满足高数据通信需求，主要技术有ADSL、HDSL、VDSL等。VDSL的传输距离短，必须建立在FTTB基础上，而ADSL线路较长，容易受外界干扰，造成速率波动。
(3)光纤同轴混合网络(HFC)
基于同轴电缆接入的HFC方式是在传统同轴CATV技术基础上发展起来的，利用频分复用技术实现模拟电视、数字电视、电话和数据同时传送。系统成本比光纤环路低，并有铜线及双绞线无法比拟的传输带宽，适合当前模拟制式的高质量视频业务市场和CATV网使用。但是当前HFC都是单向的，要实现双向通信，其改造的费用非常高昂，难度也非常大。
(4)LMDS技术
LMDS工作在10GHz以上，可用频带宽，高达1GHz，可以承载几乎任何通信业务，包括话音、数据、图像及多媒体等。可提供多种网络接口，很容易与现存通信网络透明互连。具有无线通信系统一般具有的优势，如建设成本低、启动资金较小、建设周期短、投资回收快、网络运行和维护费用低等特点。但是服务覆盖范围相对较小，一般为2~4km，不适合远程用户使用(在同样传输距离的情况下自由空间损耗比3.5GHz固定无线接入至少低12dB)。通信质量受雨、雪等天气影响较大，大暴雨还可能引起无线通信链路的中断。
(5)3.5GHz宽带固定无线接入方式
3.5GHz宽带无线接入方式以蜂窝式覆盖，半径10km左右，适合各种用户接入。3.5GHz固定无线接入和其他接入技术相比，具有许多独特的优越性，具体如下：
·工程项目建设方便、快捷
无线系统与有线系统相比，很大的优势在于工程的启动与实施非常迅速。开通快，建设周期短，组网灵活，用户终端设备简单，投资省。尤其在大城市，有线工程往往要经过市政等部门的审批，因为对道路、绿地等环境破坏较大，而且施工量大，要受到多种因素的制约。
·一次性投资小，后期扩容能力强，投资回收快
固定无线接入系统的投资包括中心基站设备、用户端设备、网管系统和其它附加费用。由于固定无线接入是一种利用基站覆盖用户端设备的体制，所以在网络初期，只需小部分投资建立一个配置较简单的基站，覆盖若干用户即可开始运营。随着用户数量的增加，可提高基站的配置，增加用户端设备，逐步扩容，逐步追加投资。这样就可以有效地实现收支平衡。
·业务扩展余地较大
在网络正式投入运营之前，往往很难准确推算用户的业务需求发展情况，传统接入网络中，用户对带宽和新业务的不断需求，往往使服务商深感头疼。而3.5GHz固定无线接入系统的每个蜂窝的覆盖可根据该蜂窝内业务量的增大划分为多个扇区，亦可在扇区内增加信道。因此具有良好的可扩展性，使容量扩充和新业务提供都很容易，服务商可以随时根据用户要求，添加所需的设备，提供新的服务。
·网络运行、维护费用比较低
这是无线系统自身固有的优势。
另一方面，3.5GHz固定无线接入系统也有其局限性：受服务区覆盖范围限制，不适合远程用户使用；基站设备相对比较复杂，价格较贵，所以用户少时，平均每用户成本较高。3.5GHz固定无线接入系统自身的特点决定它更适合于大城市的城区或其它人口比较稠密的地区；由于传输质量、距离受传播环境影响大，所以在传输性能上与有线方式存在一定差距。
信息产业部已将其列为国家"十五"计划重点建设项目。为此，必须加快发展先进的通信技术，以提高信息传播的速度。当前，我国的通信基础设施有了很大的改善，特别是骨干网中密集波分复用等技术的引入，使得传输的容量大为提高，虽然接入网也得到了一定的发展，还存在着较大的瓶颈，因此3.5GHz
FWA的出现将进一步满足接入网发展的需要。
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参考文献
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2 Gray, D.A. Broadband wireless access systems at 28 GHz: Lower
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IEEE Communications Vol.39 September 2001
5 Dan Avidor etc.Hidden Issues in The Simulation of Fixed Wireless
Systems.Wireless Network,7,2001
(收稿日期：2002-06-23)
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| 注： |
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