无线宽带通信系统

随着社会的进步和发展，人们对通信业务提出了宽带化、综合化、移动化、个人化和智能化的要求，并要求能向对用户提供具有多媒体业务质量和随机寻址接入网络的功能。

    近年来，由于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和Ｉｎ-ｔｒａｎｅｔ应用的牵引及移动多媒体业务的驱动，加之蜂窝移动电话、笔记本个人计算机等可使信息随机出入通信网，为用户提供了方便，加速了对无线宽带通信系统（ＷＢＣＳ）的研究进程。

无线宽带通信系统应该具有下述特征：

.以异步转移模式（ＡＴＭ）信元为基本信息单元；

.传输速率应不低于２～１５６Ｍｂｉｔ／ｓ

.采用透明的传输通信协议；

.用户可以无线移动方式接入宽带综合业务数字网（Ｂ－ＩＳＤＮ）；

.用户之间通信可以采用直接方式，也可通过基站转接方式；

.提供多媒体电信业务；

.射频带宽为４０～６０ＧＨｚ，采用微波、毫米波或红外线等传输手

段。

目前，已有两类宽带无线接入系统。一类是电视广播系统，它以电缆分布系统来发展有线电视（ＣＡＴＶ）；另一类是无线ＡＴＭ，它是把数据速率提高到数百兆比特，连接到以传输控制协议和网间协议（ＴＣＰ／ＩＰ）为基础的以太网或ＡＴＭ网上。

无线宽带通信系统的发展主要受无线频谱资源和移动环境中多径效应的限制。在选择和研究无线接入技术时必须考虑无线通信中低数据速率和高误码率的事实。图１说明无线接入技术会直接影响电信业务类别、传输速率大小、电路或分组交换方式、小区尺寸等性能。

无线宽带通信系统的研究领域有无线局域网（ＬＡＮ）、无线ＡＴＭ、本地多点分布业务（ＬＭＤＳ）、多点多信道分布业务（ＭＭＤＳ）、正交频分复用扩频（ＯＦＤＭ／ＳＳ）、多载频码分多址（ＭＣ－ＣＤＭＡ）等，下面将分别简略介绍其研究动态。１ 无线局域网

无线局域网（ＷＬＡＮ）是把具有移动性和袖珍性的计算机终端连接成通信网络，达到提高处理容量和共享系统资源的目的，其主要特征是突发高速率数据流量。无线局域网的标准正在制订之中，如美国ＩＥＥＥ ８０２．１１，它是在无线链路上进行ＡＴＭ信元透明传输，数据速率为２５Ｍｂｉｔ／ｓ，信息往返一次约需几百毫秒。欧洲ＥＴＳＩ／ＲＥ-ＳＩＯ，它可在２０ｍ范围内支持６４０ｋｂｉｔ／ｓ话音、６Ｍｂｉｔ／ｓ数据和６Ｍｂｉｔ／ｓ视频信号流量业务，总速率可达１２．６Ｍｂｉｔ／ｓ。

目前无线局域网的传输速率大于１Ｍｂｉｔ／ｓ，下一步要进一步提高数据传输速率，研究工作在５ＧＨｚ频段，甚至工作在４０～６０ＧＨｚ支持２０～２５Ｍｂｉｔ／ｓ或１００Ｍｂｉｔ／ｓ传输速率的系统，如ＨＩＰＥＲ—ＬＡＮ和ＳＵＰＥＲＮＥＴ项目。２ 无线ＡＴＭ

ＡＴＭ网络具有按需动态分配带宽、业务流量综合、数据交换灵活等优点，可提供宽带多媒体业务，包括对时延敏感的话音通信，突发传输与处理的视频业务。在ＡＴＭ网络设施的基础上，把移动设备连接到ＡＴＭ上，采用无线寻址接入技术支持移动逻辑功能，使移动终端间具有高质量业务。

无线ＡＴＭ网络如图２所示，无线ＡＴＭ与ＡＴＭ相比在技术上主要区别有：

.把ＡＴＭ业务扩展到无线介质寻址接入层；

.在网络层次结构上增设了支持移动性的移动ＡＴＭ；

.在信元的头尾附加了无线链路信头和用于纠错的循环冗余校验（ＣＲＣ）信尾。

在结构上，无线ＡＴＭ可以分成两部分，一部分是用于无线链路特殊协议的无线寻址接入，另一部分是与无线信道无关的具有移动控制功能的移动ＡＴＭ。３ ＬＭＤＳ／ＭＭＤＳ

本地多点通信系统（ＬＭＣＳ）或称之为本地多点分布业务（ＬＭＤＳ），常作为宽带无线接入技术来传递双向高速数据、电话、广播电视、点播电视等业务，系统可以采用２７．５～２８．３５ＧＨｚ，２９．１～

２９．２５ＧＨｚ或２７～３０ＧＨｚ频段。

而多点多信道分布业务（ＭＭＤＳ）称之为“无线电缆”，可在２．１５～２．６８２ＧＨｚ提供３３个模拟视频信道，支持３０～６０个ＣＡＴＶ信道，支持１５０～２００个数字广播信道。若采用数字压缩技术就可提供２０００个模拟视频信道。这样，与ＣＡＴＶ和卫星电视具有竞争力。

本地多点分布业务和多点多信道分布业务主要用于电缆或光纤传输媒介难以铺设的区域，图３为ＬＭＤＳ／ＭＭＤＳ宽带无线寻址接入系统示意图。其中，ＬＭＤＳ的小区半径约为１～５英里，ＭＭＤＳ的小区半径为２５～３５英里。

ＬＭＤＳ和ＭＭＤＳ的主要缺点是来自其它小区的同信道干扰和区域覆盖的局限性，为此美国ＦＣＣ要求ＭＭＤＳ至少有３５ｍ保护区来减少干扰的影响，另外ＦＣＣ还要求在小区分割、天线极化、压缩技术、编码与调制组合等方面采取措施来克服电波传播中产生的衰落现象。４ 移动宽带蜂窝通信系统

移动宽带蜂窝通信系统（ＭＢＣＳ）与ＧＳＭ、ＤＥＣＴ、ＵＭＴＳ、ＩＳＤＮ、Ｂ－ＩＳＤＮ等系统的不同之处在于数据传输速率和终端移动性。图４示意ＭＢＣＳ、ＧＳＭ、ＤＥＣＴ、ＵＭＴＳ、ＩＳＤＮ、Ｂ－ＩＳＤＮ系统在移动性和数据速率方面的比较。

表１列出了ＭＢＣＳ与ＨＩＰＥＲ-ＬＡＮ在系统结构、移动性、覆盖区、多址体制、调制制式等方面的比较。从表中可见ＨＩＰＥＲＬＡＮ是ＬＡＮ的延伸，主要用于计算机通信网。

表２列出ＭＢＣＳ与第３代移动通信系统ＵＭＴＳ在带宽、电信业务、位置跟踪、移动性等方面的比较。

在研究移动宽带蜂窝通信系统时，还要注意下述技术问题：

.载频的选择，主要取决于最小工作带宽和电波传播脉冲响应特

性；

.电池，要增大容量和降低重量；

.天线，可选择全向天线或自适应阵列天线；

.安全性，应对人体，尤其是头脑、眼睛等生理反应予以考虑。

目前，移动宽带蜂窝通信系统大多采用ＴＤＭＡ制式，图５表示了以ＴＤＭＡ为基础的移动蜂窝通信系统及若干关键技术，重点是可调节流量的动态变量，依据信息类型调节服务质量（ＱＯＳ），消除频率选择性衰落和提高系统容量。这里所指的关键技术有：

.自适应无线资源管理，包括动态信道分配（ＤＣＡ）；

.自适应接收技术，包括自适应均衡器、含有双向判决反馈的均衡器、自适应阵列天线；

.自适应传输技术，包括传输功率控制，自适应区域分割技术；

.自适应调制技术。

下面重点讨论自适应调制技术，它可以分成两类：

（１）慢自适应调制技术

移动终端发出一个呼叫请求，基站接收到此信号后，依据信息类型，平均载／干功率比（Ｃ／ＩＣ）、平均延时等来分配载频、时隙、调制制式、比特和符号速率。这种自适应调制参数是连续可变的，而且调制参数自适应速率相对也较低。图６表示６４ＱＡＭ、１６ＱＡＭ、ＱＰ-ＳＫ、１／２ＱＰＳＫ、１／４ＱＰＳ采用最大比空间分集和慢自适应调制技术在平瑞利衰落信道的情况下，系统性能的改善情况。在频谱利用率上，采用自适应调制技术比采用常规四相相移键控（ＱＰＳＫ）技术可提高系统容量达３．５倍。

（２）快自适应调制技术

快速自适应调制参数随瞬时信道变化而快速调整。图７为快速自适应调制系统原理图。为了精确地估计信道的变化，快速自适应调制系统增加了信道预测器，调制参数控制器。在以时分多址／时间分割（ＴＤＭＡ／ＴＤＤ）为基础的通信系统中，上、下行信道分别分配在不同时隙内，只要时隙间隔足够小，可以认为上行和下行信道参数是相关的。把信道估值字（ＣＥ）和调制参数码（ＭＣ）插入每个突发时隙中，发射端是以时隙为单位控制调制参数。接收端依次把调制参数码和信息解调出来，利用信道估值字来测量瞬时时延集，并采用内插算法预测下一个传输时隙的瞬时时延集，从而选择出最佳调制参数。

应该指出，这两种自适应调制参数判决准则是不同的。慢自适应调制技术依据的是平均比特差错率，而快自适应调制技术的依据是静态比特差错率。

还有一种动态信道分配（ＤＣＡ）自适应调制技术的ＴＤＭＡ通信系统，尤其在微小区应用环境下，是一种提高系统容量十分有效的措施。ＤＣＡ算法有非集中ＤＣＡ算法、信道分离算法和复用分割算法等。信道分离算法是基站依据所测量到干扰功率统计值来确定每一信道使用优先权，而复用分割算法是在每一小区内被分割成环形。在内环内，信道以比常规固定信道分配小的复用距离来分割，而在外环区域内，以常规固定信道分配的复用距离来分割。５ 码分多址宽带通信系统

码分多址通信系统是一种以较宽射频带宽来传输中、低速率信号的传输系统。若扩展频谱系统用于宽带通信系统，例如应用于ＡＴＭ １５６Ｍｂｉｔ／ｓ环境，则扩频系统的处理增益Ｇｐ＝１５，若采用直接序列扩频制式，系统的射频带宽为２．３２５ＧＨｚ。这样的通信系统实现时会遇到一些困难，如频谱资源有限、同步难、易产生码片间干扰（ＩＣＩ）。

要克服上述问题，码分多址宽带通信系统可采取下述方案之一：

（１）混合直接序列／慢跳频（ＤＳ／

     ＳＦＨ）通信系统

采用混合直接序列和慢跳频码分多址通信系统可兼有直接序列扩频系统的抗多径干扰能力和跳频扩频系统的抗多址干扰能力，可采用短的直扩序列和慢速跳频图案来减少系统同步捕获跟踪时间。当然，混合扩频系统的这些好处是以增加收发信机的复杂性换取的。

（２）正交频分复用／慢跳频（ＯＦＤＭ／

     ＳＦＨ）通信系统

慢跳频是一种跳变载频信号，并在该信号上进行数字调制的制式。若用正交多载频传输来替单一跳变载频传输可克服多径效应和干扰信号，这就构成ＯＦＤＭ／ＳＦＨ通信系统。

（３）正交频分复用／扩频（ＯＦＤＭ／

     ＳＳ）通信系统

正交频率分割复用（ＯＦＤＭ）是频率分割复用（ＦＤＭ）中最有效的方式，其频谱利用率可提高一倍。欧洲广播联盟（ＥＢＵ）已把ＯＦＤＭ作为覆盖半径几百公里的陆上数字广播传输体制。

采用ＯＦＤＭ／ＳＳ通信系统具有下述性能：

.ＯＦＤＭ实质是并行传输体制，可降低每个载频的码片速率，便于实现快速同步；

.多个副载频携带相同数据信息，加之采取纠错技术可有效地克服码间干扰（ＩＳＩ）和码片间干扰（ＩＣＩ）；

.通过载频位置安排，可消除上下行载频的相关性。

ＯＦＤＭ／ＳＳ通信系统主要缺点是放大器的非线笥失真易带来互调效应，发射机的峰值与均值功率比较高。

（４）多载频ＣＤＭＡ系统

实现ＣＤＭＡ宽带通信系统，有许多实施方案，诸如多速率ＣＭＤＡ（ＭＲ－ＣＤＭＡ），多载频ＣＤＭＡ（ＭＣ－ＣＤＭＡ），多音ＣＤ-ＭＡ（ＭＴ－ＣＤＭＡ），多码ＣＤＭＡ（ＭＣ－ＣＤＭＡ）等。研究表明，ＭＣ－ＣＤＭＡ可比ＣＤＭＡ的扩频增益增加１倍。□

（收稿日期：１９９７－０８－１８）

[摘要] 本文重点介绍无线宽带通信系统的宽带接入技术如无线ＬＡＮ、无线ＡＴＭ、ＬＭＤＳ和ＭＭＤＳ。另外，还介绍了以ＴＤ-ＭＡ和ＣＤＭＡ为基础的多媒体无线通信中的新技术，如自适应调制、ＯＦＤＭ／ＳＳ等。

[关键词] 移动通信 时分多址 码分多址 宽带业务

[Abstract] Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎ-ｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｗｉｒｅ-ｌｅｓｓ ａｃｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＷＢＣＳ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ，ｗｉｒｅ-ｌｅｓｓ ＡＴＭ，ＬＭＤＳ ａｎｄ ＭＭＤＳ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｂｏｕｔ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＤＭＡ ａｎｄ ＣＤＭＡ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＯＦＤＭ／ＳＳ．

[Keywords] Ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＴＤ-ＭＡ ＣＤＭＡ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓｅｒ-ｖｉｃｅ ■