要害詞：寬帶無線接入；多天線；調制；自適應鏈路；安全

Abstract:In order to satisfy the future requirements of fixed broadband wireless access systems for high data-rate and high frequency efficiency, technical renovation on the physical layer and control layer is demanded. The paper analyzes relevant technologies sUCh as the high spectrum utilization antenna, robust time-delay extension modulation, equalization and encoding, highly efficient multi-address access and adaptive linking. The system security issues are also discussed.

Key Words:broadband wireless access; multiple antenna; modulation; adaptive link; security

  與2G、3G等無線通信系統相比，固定無線接入系統缺乏移動性。這類系統通常用于本地環的高速接入，解決“最后一公里”問題。寬帶無線接入技術與其他技術，如光纖、電纜、數字用戶環(DSL)等，具有競爭關系。從長遠來看，光纖接入方式無疑是最佳的解決方案，但要真正實現光纖到樓、光纖到戶還有相當長的一段路要走。寬帶無線接入方案避免了使用DSL的距離限制及使用電纜的造價問題，同時還具有快速配置、高可量測性(Scalability)、低維護和升級費用等特點，因此成為研究熱點。

1 寬帶無線接入技術標準
  寬帶無線接入包括無線個域網(PAN)、無線局域網(LAN)、無線城域網(MAN)、無線廣域網(WAN)，甚至包括蜂窩系統。
  寬帶無線接入技術的標準主要有三大類：IEEE 802.11、IEEE 802.16及歐洲電信標準協會的寬帶無線接入網標準(ETSI BRAN)。
  IEEE 802.11標準提供1～2 Mb/s的數據速率，工作在ISM頻段。為了提高無線網絡的能力，又相繼推出了IEEE 802.11a和IEEE 802.11b兩個標準。目前IEEE正在進行IEEE 802.11g的標準化工作。
  IEEE 802.16工作組在2001年9月發布了802.16.2標準，規定了在10～66 GHz頻率范圍內的多個不同寬帶系統共同運行的操作規程建議。隨后又相繼推出了IEEE 802.16、IEEE 802.16a、IEEE 802.16c。現正在開展在2～6 GHz頻帶內將固定系統與移動系統相融合的研究，并將這一功能擴展版本命名為802.16e。
ETSI BRAN標準包括HIPERLAN/2、HIPERACCESS、HIPERMAN及HIPERLINK。
幾種典型的固定寬帶無線接入的技術特征如表1所示^[1]。

2 寬帶無線接入的要害技術
  為實現新一代寬帶無線接入系統的高性能需求，需要在物理層和MAC層進行技術革新。物理層的革新包括高頻譜利用率的天線系統、具有時延擴展魯棒性的調制方式、均衡與編碼技術、軟件無線電技術等；MAC層的革新包括高效的多址接入技術、適應不同QoS要求與較大數據速率動態變化范圍的自適應鏈路技術等。

2.1 天線系統
  隨著移動通信技術的發展，寬帶無線接入技術也由原來的固定寬帶無線接入逐漸向移動寬帶無線接入方向發展。這種發展對寬帶無線接入技術提出了新的要求，即在復雜多變的無線信道條件下能夠實現數據高速可靠的傳輸。具體到天線系統中，自適應陣列和多輸入多輸出(MIMO)天線技術成為提高系統性能的主要手段^[2]，其中，MIMO技術更是成為研究熱點。
  窄波束天線是目前運行的固定寬帶無線系統中最常見的天線形式，它只能將信號發送給一個接收位置或從一個接收位置接收信號，主要用于點到點的網絡；固定寬波束天線有較大的覆蓋范圍，服務于一個區域，為多個用戶持有設備(CPE)提供信號。分集天線系統利用多天線進行空間分集接收，是無線通信系統中幾種常見的分集方法之一。通過空間分集，從兩個或多個天線接收到的信號通過一定的方式進行合并，能夠減弱由于多徑傳播所造成的信號幅度衰落的影響?；镜木€性分集合并技術主要有3種：選擇性合并、最大比率合并(MRC)和等增益合并(EGC)。
  自適應陣列天線系統能夠自動調整其參數實現某個預定的性能，如最大化信號干擾噪聲比(SINR)等，主要有3種實現方式：

(1)波束選擇
  對于一個給定的遠程終端，基站端有多個天線可供信號發送和接收，通過比較，選擇一個最優波束為遠程終端服務。

(2)波束定向
  波束定向搜索遠程終端信號的最大增益天線方向，以提高信號干擾噪聲比(SINR)。

(3)最優SINR合并
  采用最優SINR合并的天線基本上是一個最優線性空間濾波器，天線進行自適應調整，使得最終的輸出匹配于一個參考信號。濾波過程就是抑制干擾和噪聲的過程。由于是一個反饋系統，需要一個周期更新的參考信號與輸入信號進行比較，同時需要一個高速率的濾波器參數(加權因子)更新來減弱干擾的影響。
  自適應天線能夠帶來的潛在好處[3]有：

(1)在基站端能夠對一個用戶形成窄波束，使其他扇區的干擾得到有效抑制，從而增加系統容量。

(2)在基站端用于降低干擾，提高接收信號的載干比(CIR)。

(3)在用戶端用于降低干擾，提高載干比。
  MIMO天線系統的發射機和接收機都有多個天線。利用MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。
  利用MIMO提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
  通常，MIMO技術可以分成三大類。第一類是僅在接收端進行MIMO處理的技術(以V-BLAST為代表)；第二類是同時在發送和接收端進行MIMO處理的技術(基于SVD技術)；第三類技術只在發送端進行MIMO處理，以減少接收機的復雜度。
目前，MIMO研究的一個熱點是發送和接收的信號處理技術。通常，發送/接收的處理模塊是對不同途徑得到的信號乘以不同的權重，這樣得到的結果實質上是對信號進行不同方式合并后的輸出。通常，這樣的合并利用到空間辨識，即所謂的空間處理技術。然而，這種處理技術也可以被應用到時間域中，以對抗信元串擾(ISI)，即所謂的空時處理技術。
  在基站端，上行鏈路采用多天線接收，利用不同天線接收到的數據經歷獨立的衰落，彼此間的相關性不高，可以有效地對抗衰落信道對系統性能造成的影響。主要的方法有空間分集、極化分集和圖案分集。當采用分集技術仍無法解決一些強干擾的時候，可以采用智能天線或者自適應天線陣列技術調整天線波束的外形以增強有用信號的強度，抑制干擾。
  從理論上來說，上行鏈路采用的技術同樣也適用于下行鏈路。但是一個需要解決的問題是發送端無法確切地知道信道狀態信息(CSI)。有兩種解決途徑：一是尋求不需要CSI的分集合并方法，二是設法讓基站端從上行鏈路中獲得下行鏈路的CSI。
  MIMO領域另一個研究熱點是空時編碼技術?？諘r碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。

2.2 調制與均衡技術
  調制可分為單載波調制和多載波調制[4]。 在單載波調制系統中，有多種均衡方法，其性能和實現復雜度各不相同。最大似然(ML)均衡有最優的性能，但是運算復雜度太大；判決反饋均衡(DFE)應用最為廣泛。此外還有一些較簡單的線性均衡方法，比如迫零算法和最小均方誤差算法。
  線性均衡沒有充分利用因時延擴展引起的信道的頻率分集特性。在時延擴展較大或者數據速率較高的情況下，單載波均衡器的計算復雜度和均衡器自適應所要求的復雜度限制了單載波系統的性能。
  常見的多載波調制技術是正交頻分復用(OFDM)，它在每個符號前加了一個保護間隔(循環前綴)，這個保護間隔要足夠大，能夠容忍可能出現的最大時延擴展。由于保護間隔消除了多徑的影響，使得OFDM不再需要均衡。發射機和接收機分別通過逆快速傅立葉變換(IFFT)和快速傅立葉變換(FFT)來實現，均衡被簡化為在一個個子載波上的簡單的標量乘積。在OFDM系統中，頻率分集通過在子載波上的編碼和交織實現。隨著時延擴展和/或數據速率的增加，循環前綴必須相應地增加來保證有比信道沖激響應更長的持續時間。為了保證一個不變的循環前綴開銷，子載波的數目N也必須相應地增加，這就導致FFT變換規模的增加，從而增加了運算復雜度?？偟膩碚f，從純運算復雜度的觀點來看，均衡的簡化使得OFDM更勝單載波一籌。而且，由于OFDM技術具有較高的頻譜利用率，目前在很多無線通信標準的物理層中被采納，如IEEE 802.11a、HIPERLAN/2等標準，第4代移動通信系統也將它列為首選技術。OFDM技術還可以與MIMO、空時編碼技術相結合，使系統性能得到進一步的提高。
  超寬帶(UWB)調制是近年來新出現的一種調制技術。在UWB系統中，一種脈沖位置調制(PPM)的低于納秒量級的序列被用來傳輸信息。由于受發射功率的限制，短距離高速無線數據傳輸將是UWB的主要應用領域。

2.3 自適應傳輸技術
  無線通信系統信道狀況、業務類型、業務的分布會隨時間、空間的變化而變化，采用自適應技術可使得系統具有更加靈活和智能的功能來根據這些變化進行自適應調整，從而提高傳輸質量，增大系統容量。
  自適應傳輸技術是根據移動信道的衰落時變特性，自適應地選擇傳輸參數，在信道情況好的情況下，提供高的傳輸速率，而在信道情況差時，降低輸出速率，提高抗干擾的魯棒性。采用自適應傳輸技術的優點是在維持數據業務的特定QoS要求的準則下，提高系統的平均頻帶利用率和傳輸速率，提高系統容量?？晒┻x擇的傳輸參數包括發射功率水平、傳輸符號速率、調制方式(星座圖的點數)、信道編碼碼率等。自適應傳輸技術具體包括：

(1)自適應編碼調制技術
  自適應編碼調制技術使用戶的數據速率根據信道狀況及時調整，是無線數據通信系統中的一項要害技術[5]。自適應編碼調制必須能夠靈活地實現以下兩種情況：信道較差時，對鏈路信號損害較大，可采用魯棒性較強的低階調制(如B/SK、QPSK)和低速率編碼，以保證一定的誤碼率要求；信道較好時，對鏈路信號損害較小，可采用適應高數據速率要求的高階調制(如64-QAM、256-QAM)和高速率編碼，來提高頻譜效率。假如調制級數能夠瞬時匹配于信道條件，自適應調制技術就能夠在衰落信道提供最大的增益，在高斯信道則作用不明顯。

(2)自適應功率分配技術
  不同子載波的衰落情況是不同的。有些子載波衰落較深，可以通過提高該子載波的發射功率來獲得需要的信噪比；有些子載波的衰落較淺，在這些子載波上，發射端用較小的發射功率就可以獲得需要的信噪比。因此，可以根據不同子載波的衰落情況，在維持一定QoS要求的前提下使發射功率最小。同時，可以聯合功率控制和自適應編碼調制技術，取得功率控制與自適應調制的平衡。

(3)自適應信道分配技術
  在通信中，信道分配是保障通信質量、有效利用信道的要害技術之一。這里所說的信道，是一個廣義的概念，包括時分、頻分、碼分和空分信道。其中，前3種信道是相對固定的，可由系統根據用戶的情況動態分配。空分信道的自適應分配則是信道分配的一個難點，必須與時、頻信道分配和切換相結合，這就需要形成一種高效算法，以適應用戶的移動性。

(4)自適應MIMO技術
  由于在發射端采用多個發射天線，因此存在一個如何將要傳輸的數據流合理地映射到各個發射天線的問題。正如信噪比對選擇自適應調制、編碼系統最終模式一樣，MIMO系統的空時二維信道特性將對最終的映射準則起決定性的作用。合理的映射準則不應該是固定的，而應該是根據信道的特性自適應地調整。將自適應技術和MIMO技術結合在一起可以突破傳統單天線系統的信道容量限制，獲得更高的傳輸速率。

(5)自適應無線資源治理技術
  自適應無線資源治理技術使系統能根據實時測試或估測到的信道情況以及用戶的業務需求情況重新分配無線資源，各個分布式的資源調配模塊之間也可動態協商。

2.4 網絡安全
  對于寬帶無線接入系統，由于數據的傳輸是基于無線電波，比傳統的有線傳輸更具開放性，無法保證數據不被竊取，因此網絡安全問題將成為寬帶無線接入技術走向應用的主要“瓶頸”之一。
  一般來說，網絡安全主要包括兩部分：用戶認證和數據加密。用戶認證是對業務進行控制治理，保存用戶的認證信息及相關屬性，并在接收到用戶申請時，在數據庫中對用戶信息進行查詢。數據加密是利用密鑰和加密算法對用戶數據進行加密，保證用戶數據的安全性，同時利用CRC校驗保證數據的完整性。
  固定寬帶無線接入網在批準用戶接入之前要對用戶身份進行鑒別。IEEE 802.11提出了3種認證模式：開放系統認證模式、無加密認證模式和共享密鑰認證模式。開放系統認證模式答應任何用戶的認證請求。無加密認證模式需要用戶提供服務集合標識符(SSID)。在這種認證模式中，只要使用者能夠提出正確的SSID，接入點就接收用戶的接入請求，不需要有線等效保密(WEP)算法進行身份認證，也不對數據進行加密。共享密鑰認證模式要求用戶提供有效的SSID，同時對用戶身份利用WEP和RC4算法進行確認，并且利用WEP產生的密鑰對用戶數據進行加密。共享密鑰認證模式則是一種挑戰應答模式。
  現有的標準雖然針對無線應用提出了不同的安全策略，但是由于缺乏統一的標準，對一些安全隱患并不能提供行之有效的解決方案[6]。例如，IEEE 802.11標準雖然采用WEP算法保證網絡的安全性，但是缺少密鑰治理機制，非凡是對密鑰的壽命問題沒有限定，而靜態的WEP算法輕易被破解，這些問題都將對網絡安全性構成較大的威脅。如何針對寬帶無線應用的特定背景，提出確實可靠的安全策略，將成為下一階段網絡安全研究的熱點和難點。

3 結束語
  寬帶無線接入技術經過近幾年的發展，目前已經取得了初步的成果，從世界范圍內的商用情況來看，其應用前景非常光明。隨著技術上的不斷革新和完善，寬帶無線接入技術必將逐步得到大規模的應用，成為無線通信領域一個新的業務增長點。

4 參考文獻
[1] Eftekhari A, Lewis R R. Feasibility of Wireless Access [R]. International Symposium on Advanced Radio Technologies, Colorado USA, 2003,3.
[2] Murch R D, Letaief K B. Antenna Systems for Broadband Wireless Access [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(4): 76—83.
[3] Webb W. Broadband Fixed Wireless Access as a Key Component of the Future Integrated Communications Environment [J]. IEEE Communications Magazine, 2001,39(9):115—121.
[4] Bolcskel H, Paulraj A J. Fixed Broadband Wireless Access: State of the Art, Challenges and Future Directions [J]. IEEE Communications Magazine, 2001,39(1):100—108.
[5] Gesbert D, Haumonte L. Technologies and Performance for Non-Line-of-Sight Broadband Wireless Access Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,40(4):86—95.
[6] Arabaugh W A, Shankar N. Your
802.11 Wireless Network Has No Clothes [J], IEEE Communications, 2002,12.

周武，中國科學技術大學個人通信與擴頻通信實驗室副教授，博士。主要研究方向為未來移動通信中的信號處理技術?，F正參與國家“863”計劃項目——中國FuTURE計劃的研究和開發工作。

毛雪鴻，中國科學技術大學個人通信與擴頻通信通信實驗室在讀碩士研究生。主要研究方向為未來移動通信中的信號處理技術?，F正參與國家“863”計劃項目——中國FuTURE計劃的研究和開發工作。