要害詞：城域網；寬帶無線接入；本地多點分配業務；多信道多點分配業務

Abstract:The paper introdUCes the essential concepts of metropolitan area network and broadband wireless access. Some analysis and comparison among broadband wireless access technologies are given. Key PRoblems of LDMS and other wireless access technologies when applied in Broadband Metropolitan Area Networks are discussed, such as the network management, modulation mode and access protocol, with emphases on network safety and security.

Key Words:Metropolitan area network; Broadband wireless access; LMDS; MMDS

　　隨著城域網、局域網和Internet的快速發展，人們對通信業務的接入能力提出了更高的要求。寬帶通信業務和多媒體通信業務的發展使得在一個接入平臺上能夠綜合各種接入技術顯得越來越重要。光接入網的解決方案很理想，但實現起來費用成本較高。無線接入網是有線網的必要補充，不僅可以滿足移動、重定位、非凡網絡應用的要求，還能覆蓋有線網絡難以達到的范圍。MMDS、LMDS等技術的提出使得寬帶無線接入技術日趨成熟。寬帶無線接入網是一個正在興起的發展領域，吸引了政府、產業界及學術界的廣泛關注。本文將對其實現形式及需要關注的要害問題進行討論。

　　1 寬帶城域網

　　城域網的概念由計算機網絡演化而來，是指介于廣域網和局域網之間，以比局域網更高的速率在城市及郊區范圍內實現信息傳輸與交換的一種網絡。城域網作為公共基礎設施，可以高速有效地傳輸數據、聲音、圖像和視頻等信息，滿足人們對高容量的需求。

　　寬帶城域網以ip和ATM電信技術為基礎，完成各種帶寬業務接入，是不斷發展的、開放的多媒體通信網絡。寬帶城域網技術包括光傳輸、網絡互連、業務整合與高層應用等技術。圖1為通常采用的寬帶城域網的網絡結構形式。

點擊放大
圖1 寬帶城域網網絡結構

　　寬帶城域網的網絡結構包括主干網和接入網，包含數據交換設備、城域傳輸設備、接入設備和業務平臺設備等。其通過各類網關實現傳統的話音、高低速數據、視頻圖像、多媒體、IP接入等各種增值業務及智能業務的本地綜合業務網絡。

　　寬帶城域網無線接入技術是指從公用電信網的交換節點到用戶駐地網或用戶終端之間采用無線接入方式向用戶終端提供電話、數據、Internet、VoD(視頻點播)、廣播視頻和電視會議等寬帶多媒體業務的技術。

　　2 無線接入技術

　　在接入網中，用戶接入部分由于技術的原因達不到各類用戶希望的業務要求，常成為業務增值的“瓶頸”。在寬帶城域網中，用戶接入部分對各類最終用戶提供了各種各樣的接入方式。無線接入方式在組網、安裝、維護方面靈活快捷，而且系統開發運營成本低，因而成為當前研究的熱點。

　　2.1 寬帶IP無線本地環路接入方式

　　WLL(無線本地環路)由無線基站和用戶單元組成(如圖2所示)。無線基站側提供了面向交換機V5標準的網絡接口和面向用戶側的空中接口，把交換機側送來的數字信號轉換成數字空中接口信號，并完成空中接口的認證保密、資源治理、協議轉換等功能。用戶單元具有面向基站的無線接口和面向用戶的傳統接口(如RJ11、RJ45等)，接收基站傳送來的無線信號，并將其轉換成用戶所需的數字信號或模擬信號。傳統接口可以完成認證、協議轉換、代碼轉換等功能。交換機和基站系統間以標準的以太網接口連接，同時通過路由器實現寬帶訪問Internet。寬帶IP WLL主要提供數據業務，可支持H.323協議，實現VoIP。

圖2 無線本地環路結構

　　2.2 移動IP接入方式

　　移動接入目前主要有兩種手段：一種是采用WLAN(無線局域網)；另一種是借助公用移動通信網，如GSM網上的GPRS(通用分組無線業務)。WLAN采用IEEE 802.11 協議或ETSI的HiperWAN標準，可在一定范圍內(如校園、企業或大建筑內)提供低移動性的高速數據業務。WLAN保持了現有局域網高速率的特點，可以作為有線局域網的補充，在一定場合，甚至可以替換有線局域網。無線局域網具有1～11 Mbit/s的數據速率，工作在2.4 GHz的ISM頻段，傳輸距離100 m。目前WLAN的發展格外引人注目。

　　GPRS(通用分組無線業務)是適用于GSM系統的無線數據業務，它將分組交換模式引入(疊加)到GSM網絡中，從而提高了無線網絡的資源利用率。GPRS可以提供高達115 kbit/s的傳輸速率，并且能支持Internet的IP業務以及X.25業務。GPRS的基本原理是使多個用戶共享某些共同的信道資源，它將每個時隙的傳輸速率從9.6 kbit/s提高到14.4 kbit/s。理論上，假如把TDMA(時分多址)一幀的8個時隙都用來傳輸數據，則最高傳輸速率可達164 kbit/s。實現GPRS需要在GSM網絡中引入新的網絡接口和通信協議，增加相應的SGSN(服務GPRS支持節點)和GGSN(網關GPRS支持節點)。

　　2.3 多信道多點分配業務

　　MMDS(多信道多點分配業務)是網絡結構呈點對多點分布，工作在低頻段，提供寬帶業務的一種無線系統。它起源于一個利用微波傳輸多路電視信號的無線業務系統，比較適用于中小企業和集團用戶。MMDS系統采用FDD(頻率復用分割)雙工方式，16QAM、64QAM等微波調制手段，扇區分割頻率復用等技術，可以提供Internet接入、本地用戶數據交換、話音和視頻點播等多種業務。MMDS工作在比LMDS低得多的頻率(頻率范圍為2～3 GHz)，固定頻率間隔3.5 MHz。所以干擾帶來的影響比LMDS要小得多，由于采用了VOFDM(矢量正交頻分復用)補償技術，所以沒有視線無障礙的要求。

　　2.4 本地多點分配業務

　　LMDS(本地多點分配業務)工作于10～66 GHz頻段，不支持移動業務，是寬帶無線點對多點接入技術。該技術利用毫米波傳輸，可以提供雙向話音、數據及視頻圖像業務，還可提供各類承載業務(如FR、ATM等)。它不必使用光纖和光端口設備，是一種全業務系統，具有很高的可靠性，被稱之為“無線光纖”接入技術；采用點(基站)對多點(遠端站)組網方式，基站直接連入廣域網，實現寬帶接入。LMDS系統采用多扇區、多小區的空間分割技術，使系統的容量能呈數量級地增長。LMDS系統最大的優點是頻譜利用率高，典型的系統可支持高達45 Mbit/s下行和10 Mbit/s上行的傳輸速率，可獲得較高的帶寬和類似光纖的QoS(服務質量)；缺點是無線鏈路之間的距離有限，需要建立足夠的小區覆蓋來抗“雨衰”影響。LMDS是一種視線技術。LMDS具有網絡建設周期短、投資少、開通快捷、盈利快等優點，且工作頻帶寬。

　　LMDS組網極為靈活方便，而且使用成本低，能以點對多點的廣播信號傳輸方式提供高速率、大容量、點對多點的高可靠性、全雙工的寬帶接入手段。LMDS可在較近的距離(3～10 km)實現用戶遠端到骨干網的寬帶無線接入，以進行包括語音、數據、圖像等多種業務在內的傳輸，也可作為Internet的接入網。此外，LMDS的蜂窩式結構配置可覆蓋整個城域范圍，因此可用來構造寬帶城域網。

　　LMDS一般可作為新的電信運營商構筑接入網的技術和手段，可作為一種傳輸手段，也可用作小區、企業等內聯網建設。目前已有阿爾卡特、愛立信、P-COM等公司生產和研發出LMDS設備，并得到使用，還有一些國家和地區(包括中國)正在進行LMDS實驗網建設。目前各廠商制造的LMDS設備分別按照自己的標準設計，彼此之間不能兼容。ITU-T有關LMDS標準的IEEE 802.16協議已通過評議即將頒布，歐洲的ETSI也正在制定LMDS標準，稱之為HiperMAN標準。完全有理由相信會有越來越多的運營商以及用戶將采用LMDS系統開展各種業務。

各種寬帶接入技術方式均有其優勢和劣勢，表1所列為各種寬帶接入技術方式的比較。

　　表1 各種寬帶接入技術方式比較

　　3 無線接入網絡治理

　　無線接入網的治理是個復雜的問題，不同的無線接入系統應有適合各自特點的網管系統。一般地說，無線接入網的網絡治理應具有如下幾點共性：

　　(1)功能全面

　　接入網技術復雜多樣，所以接入網的治理系統功能應全面；應基于開放的協議而構建，要求技術先進、層次高，能對不同廠商的設備實行綜合治理；應形成多級治理，既能對設備進行治理，又能對信道的性能進行監控。

　　(2)適應性好

　　治理系統應能隨著網絡的不斷擴展而調整，應能支持多種操作系統，移植性好。治理功能應模塊化，可動態增刪。

　　(3)實時性和有效性高

　　支持多用戶治理，可用于現場操作與維護，保證用戶的服務質量。支持通過PSTN進行治理。

　　(4)成本投入低

　　成本是運營商盈利所必須考慮的問題。也是接入網能否應用的核心問題，網絡治理系統作為接入網的一個重要組成部分，其成本直接影響接入網的成本高低。在當今多種技術競爭激烈的情況下成本問題尤顯重要，因此接入網的網管系統要求技術先進、成本低。

　　4 無線接入調制方式

　　無線接入的調制方式采用混合高效的調制方式。無線接入主要采用線性調制技術中QPSK(正交移相鍵控)、16QAM(十六進制正交幅度調制)和64QAM(六十四進制正交幅度調制)調制方式，以適應不同帶寬及覆蓋范圍的需求。QPSK具有固定的參考相位，以四進制碼元本身的相位值來表示，具有較好的抗干擾性能，在中小容量數字通信系統中得以廣泛采用。MQAM(多進制正交幅度調制)具有很高的頻譜利用率，在中、大容量數字通信系統中大量使用，64QAM在光通信和無線寬帶通信領域中被廣泛應用。使用多電平調制可以獲得頻譜效率的提高，但是維持高的信噪比，又會使覆蓋范圍受到限制。MCM(多載波調制)將要傳輸的數據流劃分成速率較低的若干個子數據流，并將這些子數據流用若干個子載波分別調制。CCK(補碼鍵控)調制解調方式已經在WLAN中運用，可調制5 Mbit/s和11 Mbit/s這樣高速率的數據。一般人們采用QPSK、16QAM和64QAM、MCM等多種調制混合方式，并在使用中按需求動態地選擇具體的調制方式，有利于帶寬、容量的有效使用，覆蓋區域的優化及系統投資的降低。

　　5 寬帶無線接入協議

　　一般說來，對于IP業務，從接入網終端到接入節點間鏈路層采用PPP協議、以太網協議或其它專門為具體應用而定制的鏈路層協議(包括MAC層協議)；從網絡層面上，一般可按照OSI協議標準體系來構筑。無線接入協議（包括上層的協議）結構如圖3所示。圖4為IEEE 802定義的LMDS網絡承載層的協議結構，還表示了位于MAC層中的安全子層。

圖3 無線接入協議框架

圖4 LMDS承載層協議結構

　　6 無線接入網的網絡安全

　　安全問題既是保證系統設備正常工作，又是系統能否提供加密措施并保證信息不被非法竊取的大問題。

　　LMDS具有自動發射功率控制、實時監測信道等級、實時調整每個遠端站發射電平(采用ATPC技術)的特性，可以有效地減少網絡干擾，增加頻率復用效率，提高系統性能。用戶可以通過治理系統在中心站查看整個網絡，對整個系統配置進行瀏覽、修改、網絡故障定位。對系統告警按時間進行標記并記錄在文件中。

　　MDS系統可以對主要功能部件進行冗余備份，能夠自動切換以保障系統穩定可靠地運行。

　　要保證系統安全可靠地運行，有3個方面需要予以考慮，首先，要在物理系統上保證高的可靠性，對接入網系統也是一樣。其次，擴頻(Spread Spectrum)通信技術將所想要傳遞的信息加入一個特定的信號后，在一個比原來信號寬的頻帶上傳輸。當基站接收到信號后，將加入的特定信號刪除，進行信號還原。這在一定程度上提供了機密性，但僅僅依照擴頻技術來進行保密通信是不夠的。要在通信中保持機密性，必須對數據流進行加密處理。如CDPD(蜂窩數字分組數據通信)接入技術在數據的安全性方面，采用RC4技術加密數據流，安全性得到一定程度的保證。對正反向信道，采用密鑰不對稱方式，密鑰由交換中心把握，移動終端登錄一次，交換中心自動核對舊密鑰及更換新密鑰一次，對密鑰實行動態治理。CDPD在用戶授權登錄上也配置了各種功能，只有授權使用的用戶才能登錄系統。最后，因為無線系統在物理上開放的媒介性質不同于有線媒介的固定連接性，因此通信信息在空中輕易被截取，安全問題變得更為重要。信息安全應該包括信息的保密性(Confidentially)、完整性(Integrity)、可用性(Availability)和可控性(Controllability)。為達到這個目標，一般認為有5種通用的安全業務：認證業務、控制業務、保密業務、數據完整性業務和不可否認業務。

完善的網絡必須從各個方面來解決網絡安全問題。從OSI開放系統的結構分析可以知道，安全應該從每個層次入手，完善的安全系統應該是層層安全的。構架新一代的安全體系結構并在實際中加以實現，對于無線寬帶接入網絡的實現與發展將是必不可少的。

　　GPRS、WLAN及LMDS等系統都對系統的安全性給予了高度關注。在網絡層，IPsec是一個行之有效的安全協議；在高層包括應用層均需構建相應的安全機制，如傳輸層采用TLS安全協議，應用層根據不同的應用對象，建立不同的安全機制，對電子商務、網上銀行等應用，更需采用強認證及加密措施以保證這些服務的可靠實施；對數據鏈路層也應采取加密措施以防止竊聽者“窺視”。寬帶無線接入協議MAC層中的安全業務主要包括MAC層的數據加密協議、認證協議以及KMP(密鑰治理協議)。通過密鑰安全治理協議，基站控制密鑰的分發，拒絕無認證的接入和數據傳輸請求，避免服務被盜用，為用戶安全可靠地接入無線寬帶網絡提供保障。通過基于認證與密鑰治理協議的數字證書(如PKI體系)可以進一步加強寬帶無線接入系統的安全性能。實用中，一個安全系統應層層設防，以防止某一層的安全被攻破，導致系統的全面崩潰。當然，過多的安全設防會導致過多的數據加解密處理，帶來系統數據傳輸效率的下降。但是，無論如何，安全機制的采用，在給用戶帶來可靠的通信和服務的同時，不能給用戶帶來不便。

　　只有在構筑無線寬帶接入網基礎結構體系時就對安全問題有足夠的重視，才能在新一代無線通信網上的網絡安全解決中取得主動。新一代無線通信網安全的要害技術將成為無線寬帶接入網技術研究中的重要技術之一。

　　7 結束語

　　BWAN(寬帶無線接入網絡)作為提供靈活性、機動性和綜合業務的重要手段，被人們廣泛予以關注，并已展現了其美好的應用前景。事實上，寬帶無線接入的許多技術，如無線ATM、無線以太網、無線IP、LMDS系統等技術正從概念迅速發展成具體的研究和應用目標，各種技術都可能受到市場的推動，非凡是基于IP的寬帶無線接入網絡技術更有可能脫穎而出。

　　對于任何一種新興技術和產業，好的應用前景是決定其成功的要害。綜合性城域接入、社區寬帶接入、移動和準移動應用、中小企業應用、不發達地區的寬帶覆蓋和智能家庭網絡等都是目前無線接入應用方面非常熱門的話題。

　　在激烈的競爭中，功能強大的應用和個性化的服務是決定運營者成功的要害，也是技術得以發展的根本出發點。

　　參考文獻

1 Stallings W著.局域網與城域網.毛迪林等譯.第6版.北京:電子工業出版社,2000
2 LanF Akyildiz. HALO(High Altitude long Operation):Broadband Wireless Metropolitan Area Network. IEEE Mag, 1999
3 Pahlavan K, Levesque. Wireless Information Network. New York:Wiley,1995
4 Conti M, Gregori E, Lenzini L. Metropolitan Area Network. New York:SpringerVerlag,1997
5 劉元安.寬帶無線接入和無線局域網.北京:北京郵電大學出版社,2000
6 朱洪波,傅海陽.無線接入網.北京:人民郵電出版社,2000
7 李勇,陶智勇.寬帶城域網實用手冊.北京:北京郵電大學出版社,2000