（光学工程专业论文）基于光载毫米波的wimax技术的系统实现.pdf

北京邮电人学硕士论文 独创性( 或创新性) 声明 l ilrll ii i ii ii iii ii i i i y 17 5 8 8 0 0 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 兰壁垒 本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 毒鳖 日期：旌i2 ：! ：! q 导师签名：茌 名0 牝日期：一 一 垄室坚皇盔堂堡兰：堡奎 北京邮电人学硕上论文 基于光载毫米波的w i m a x 技术的系统实现 摘要 随着通信技术的不断发展，人们对高速无线接入数据速率的要求也 越来越高，多媒体综合业务的快速发展对无线通信的数据速率提出了更 高的要求。然而，数据速率的提高意味着覆盖半径的锐减，高频通信系 统的数据传输与通信覆盖范围之间不可调和的矛盾成为了当前函待解决 的一个难题。 本文深入学习了光接入网与无线宽带局域网的基础知识及标准体 系，详细研究了w i m a x 方案的关键技术、协议标准以及频率利用状况。 在学习w i m a x 无线通信技术的基础上，提出了基于光载毫米波的 w i m a x 系统的实现方案以及毫米波w i m a x 网络的架构方案；对于毫米 波传输的w i m a x 信号的链路性能进行了系统的仿真分析，并比较了基 于不同的信号调制格式s s b 和o c s 下，毫米波w i m a x 系统的传输性能； 基于室内、室外毫米波w i m a x 系统，分别对固定和移动模式下的典型 w i m a x 应用方案进行了设计；计算分析了微蜂窝技术在毫米波w i m a x 系统中的应用，计算结果显示出微蜂窝对于提高w i m a x 系统有效覆盖 率及接入网构建的优势。 本文提出的这种基于光载毫米波的w i m a x 技术不仅实现了传统 w i m a x 系统的高速接入，满足了大量通信用户对各种多媒体数据业务的 北京邮电人学硕1 ：论文 ，而且还能够满足高频通信系统微小区的无线覆盖，因此在未来的 行业发展趋势上具有巨大的应用前景。 词w i m a x 光载毫米波接入网微蜂窝基站中心站 l l 北京邮电大学硕士论文 as y s t e ms c h e m ei n v e s t i g a t i o no f w i 【a xt e c h n o l og yb a s e do n m i l l i m e t e r 【a v ec a r r i e r a b s t r a c t t h eg r o w i n gd e m a n do fm o b i l ei n t e r n e ta n dw i r e l e s sm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n sh a sm o t i v a t e dt h ed e v e l o p m e n to fb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g i e s i nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , t h ee x i s t i n gt e c h n o l o g yi nw i m a xi sj u s tu s e di n t h er a n g eo fl o wf r e q u e n c y , a n dt h eh i g ht r a n s m i s s i o nr a t ei sh a r dt oa c h i e v e t oo u rb e s tk n o w l e g d e m e n t ，m i l l i m e t e rw a v ec a r r i e rt r a n s l a t i o nt e c h n o l o g y c a nb eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mb e t w e e nh i g ht r a n s f e rr a t ea n dc o v e r a g e a r e a i nt h i sa r t i c l ew ep r o p o s ean o v e ls y s t e mc a l l e dm i l l i m e t e rw i m a x t e c h n o l o g y , w h i c hi sb a s e do nm i l l i m e t e rw a v ec a r d e rt r a n s l a t i o nt e c h n o l o g y o u rp r o p o s e ds y s t e mh a sm o d i f i e dt h ea c c e s sn e t w o r ki nt h ew i m a xa n d d e p l o y e d i to v e rf i b e rt oa c h i e v et h eh i g hr a t et r a n s m i s s i o n i nt h es i m u l a t i o n ， w er e a l i z eo u rp r o p o s e ds y s t e mi nt w od i f f e r e n tr e p r e s e n t i v em o d u l a t i o n m o d e s ，a n dr e s u l t ss h o wt h a t i tc a na c h i e v et r e m e n d o u s i m p r o v e m e n t h i i v 北京邮电大学硕士论文 第一章接入网技术概述 目录 。1 1 1 接入网与无线宽带接入技术：1 1 1 1接入网概念2 1 1 2宽带无线接入技术概念。2 1 2b m a 技术发展概况3 1 3 光接入网6 1 3 1 光接入网的定义6 1 3 2 光接入网的参考配置6 1 4 本论文的主要研究内容8 第二章构建宽带无线局域网的w i m a x 技术9 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准产生背景1 0 2 2i e e e8 0 2 1 6 的主要标准体系。1 1 2 3w m a x 关键技术研究1 2 2 4w i m a x 频率应用的可行性方案分析。1 4 第三章光接入技术在w l m a x 系统中的应用基于毫米波的w l m a x 系统实现 方案及网络构架研究一。一一一1 6 3 1 毫米波通信技术1 6 3 1 1 毫米波划分及特点1 6 3 1 2 毫米波通信的发展概况1 8 3 1 3 毫米波通信系统的基本组成1 8 3 2w i m a x 调制在毫米波段的系统实现方案1 9 3 3 毫米波w i m a x 系统的通用网络构架2 2 3 4 毫米波w i m a x 系统传输信号性能的仿真分析2 5 3 5 ，j 、结2 8 第四章毫米波w i m a x 系统的应用研究。2 9 4 1w i m a x 技术的需求及应用分析2 9 4 2 毫米波w i m a x 系统的应用方案设计3 0 4 2 1 室内毫米波w i m a x 系统的应用3 1 4 2 2 室外毫米波w i m a x 系统应用3 2 4 3 小结3 4 第五章微蜂窝技术在毫米波w i m a x 系统中的应用分析3 4 5 1 微蜂窝技术概述3 4 5 2 毫米波w i m a x 系统中宏、微蜂窝有效覆盖率的计算与比较分析3 7 5 2 1 大型机场3 7 5 2 2 智能公交系统或铁路交通3 9 v 北京邮电大学硕士论文 5 3 微蜂窝系统的组网设计与优化分析4 0 5 4d 、结4 1 第六章总结与展望 参考文献 附录 4 2 4 3 4 5 致 谢。一一。4 8 作者攻读学位期间发表的学术论文目录。一。一一4 9 v i 北京邮电大学硕上论文 第一章接入网技术概述 2 1 世纪是信息社会的时代，由信息技术、信息传送服务以及信息资源所构成的信 息产业成为了社会生产力最重要的基本要素之一。社会对信息的需求推动了信息产业 的发展，迫切要求各种专业信息系统共同的经过一个信息网络，能够让任何人在任何 的时间与地点里，将文本、声音、图像、电视等等各种多媒体信息传送在身处另一个 任何时间与地点的任何人l l j 。众所周知，由国家骨干电信网构成了高速通信网，提供 高速信息传送的通道。接入网就是这个通道的“最后一公里，它让图像、数据、语 音等多种业务综合传送到用户的问题，对当前以及未来的通信业务的发展以及网络资 源的配置利用有密切的关系。 根据传输媒质的不同，接入网又可以被细分成宽带无线接入网、光接入网等等。 光接入网由于频带宽、容量大、扩容升级方便，适合高速数据和宽带业务的发展等原 因，成为了未来通信网的技术设施1 2 1 。本章就将基于无线宽带接入技术以及光接入网 的相关技术等做详尽的分析与介绍。 1 1 接入网与无线宽带接入技术 宽带无线接入( b w a ) 技术代表了宽带接入技术的一种不可忽视的发展新趋势， 宽带接入网技术拥有着建网开通时间短、维护起来方便简单、用户密集时的成本低等 先天优势。宽带无线接入技术改变了本地电信业务的传统观念，成为了目前通信与1 1 r 行业都很关注的技术体系。宽带无线接入的应用从个域网局域网城域网广域网，涵 盖了整个通信的应用范畴。本章将从宽带无线接入的技术特点和分类等基本概念出 发，介绍m m d s 和l m d s 等传统的b w a 技术，阐述i e e e8 0 2 1 6 等i e e e 技术标准 的由来与发展。 根据电信网的发展趋势，国际电联( 1 t u t ) 定义并且提出了接入网概念。从电 信网的角度来分析，整个全网是由公众网和用户驻地网( c p n ) 两大部分构成，c p n 是属于用户所有的，而公共电信网则可以被进一步细分为长途网、中继网以及接入网 三个部分，或者是核心网和接入网两个部分。 北京邮电大学硕士论文 接入网概念 根据玎u t 对接入网的定义，可知接入网是由业务节点接口( s n i ) 和用户网络 ( u n i ) 之间的所有的传输设备及线路设施组成的。接入网能够提供其必须的传 载能力来传送电信业务，并由众所周知的q 3 接口进行配置和管理。图1 一l 是 接入网的示意图，一般来说，从本地交换机到用户终端之问的部分就是我们通常 上的接入网部分。 ：s n i s n iu n ! 图1 1 接入网示意图 根据不同的分类方式，接入网可以被分成许多种类型。按传输方式来进行分类， 网可分为有线接入网和无线接入网两种类型。根据传输介质来分类，有线接入网 被分为光纤接入、铜缆接入以及混合型接入网等；对于无线接入网来说，按照空 口所在的业务带宽的大小，又可以被分为宽带的无线接入网和窄带的无线接入 宽带无线接入技术概念 宽带无线接入技术指的是一个从交换节点到用户终端的网络部分均采用无线通 方案，而且能够实现宽带业务接入的技术。换句话说，宽带无线的接入技术的实 是核心网络的无限延伸。 2 北京邮电大学硕士论文 图1 2 宽带无线接入技术的覆盖范围示意图 宽带无线接入技术具有覆盖范围比较灵活、应用频率范围广泛、频谱利用率较高、 具有调度机制的m a c 子层、带宽的动态分配能力等许多优势。从宽带无线接入技术 的应用模式上来说，如今的b w a 技术也从固定接入向着游牧接入、便携移动以及 移动+ 广域漫游的方向不断的演进，宽带无线接入的应用领域正在发生着日新月异的 飞速变化。 宽带无线接入技术涉及的应用范围非常之广，所以分类方法也十分多。按照它不 同的覆盖区域，宽带无线接入技术可以根据其覆盖的规模从大n d , 依次可以被划分为 广域网、城域网、局域网以及个域网。而如果针对电信运营商的应用需求来进行划分 的话，宽带无线接入技术还可以被划分为固定无线接入( h m ，a ) 技术、移动无线接 入( m b w a ) 技术和无线局域网( w l 蛾) 技术等等。 1 2b m a 技术发展概况 一、传统宽带无线接入技术 传统宽带无线接入技术的概念是以固定宽带为技术特征，空中接口立足于各设备 制造商私有技术实现的无线接入技术，主要的存在目的是为解决网络接入部分带宽不 足和有限接入网络铺设困难等瓶颈问题，属于典型的“最后一公里”技术【3 l 。传统的 3 4 北京邮电大学硕士论文 图1 - - 3l m d s 系统结构框图 一气 ) 矿 2 m m d s 技术 m m d s 被称为多点多信道的无线网络分配系统，它是一种能够提供宽带业务的点 对多点的无线通信技术。由于带宽上的限制，m m d s 系统相对l m d s 系统来说，更 适用于中小企业的用户和一部分大集团的用户。m m d s 的下行频段宽度一般为 2 6 m h z ，并且采用t d m 的复用方式。由于频段较低，m m d s 受到雨衰作用的影响 比l m d s 较小，在同等条件下的空间传输损耗也比l m d s 低许多，而且覆盖半径能 达到几十k m 。 但是m m d s 的带宽却比较有限，仅为2 0 0 m h z 左右。除此之外，m m d s 也只能 用于用户分布很分散的场景下，在一些用户密集的区域就可能会造成通信的拥塞。而 且由于信道数量的限制，为了提高应用频谱而开发更高频调制的技术也不是十分可行 的方案。 二、i e e e8 0 2 1 6 技术标准 i e e e 的8 0 2 1 6 标准是一种无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ， 5 1 3 1 光接入网的定义 一个接入链路就是一个给定的网络接口( v ) 和单个用户接口( t ) 之间的全部传 输手段。由于网络接口一侧与用户接口一侧设备架构的不同，接入链路是不对称的。 光接入网( o a n ) 是共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所支持的接入链路群， 也可以将光接入网称为光纤环路系统( f i t l ) l z8 1 。 1 3 2 光接入网的参考配置 根据前文对光接入网的定义描述可知，光接入网在大多数情况下是一个点对多点 的光传输系统。从配置上来分类，光网络可以分为无源光网络( p o n ) 与有源光网络 ( a o n ) 两大类型。图1 4 为一个光接入网络的参考配置。 6 ：i l 京邮电大学硕上论文 q 3 接入网系统管理功能 u 町( p o n ) n s r鹏 鳓 哪 n m i 【 伫 a 澍型 【 丽囊录 l 二 业务节点功能 v 目；匕 ( a o n ) 广 n tf r _ i ，、t 个i 业务节点功能 嗣；际羽i l 一 d i 匕 用户侧 网络侧 一h e l 挂晴 一 术有机融合。本文中的这种基于光载毫米波的w i m a x 技术不仅实现了传统w i m a x 核心网络部分的高速接入，满足了大量通信用户对各种多媒体数据业务的要求，而且 还能够满足高频通信系统微小区的无线覆盖，因此在未来的通信行业发展趋势上具有 巨大的应用前景。这种基于光载毫米波的w i m a x 技术可以同时被应用到例如大型机 场、奥体中心等的通信热点小区，也可以应用到智能公交系统或铁路交通系统中来实 现高速移动过程中的w i m a x 数据传输。 8 术的产业趋势做了宏观层面的讨论，最后对w i m a x 技术的发展现状进行了概括，并 详尽的研究分析了w i m a x 系统的频率可行性。 第三章首先分析了毫米波的发展趋势及传播性能，随后提出了光载毫米波的 w i m a x 系统的实现方案，包括系统框图、网络架构、调制方案的分析与提出，并对 不同调制格式s s b 及o c s 调制格式下的光载毫米波w i m a x 系统的链路性能进行了 仿真分析。 第四章首先介绍了传统w i m a x 系统的市场前景及应用场景分析，介绍了两种基 于光载毫米波技术的w i m a x 系统的典型实例，这两个典型实例分别应用在室内、室 外的w i m a x 系统当中。 第五章引入微蜂窝技术，并与传统的宏蜂窝技术相比较，计算探讨微蜂窝技术在 上一章中提出的室内、室外两个典型光载毫米波w i m a x 系统中应用的情况，最后还 对微蜂窝在减少系统总覆盖范围的同时大大提高有效覆盖率的贡献方面进行了详尽 的分析与公式推导计算。 第六章是对本文的一个总结和对未来工作的展望。 第一章构建宽带无线局域网的w i m a x 技术 如今，以i e e e8 0 2 1 6 系列标准为基础的w i m a x 技术是宽带无线接入技术中最 为热门的话题。w i m a x 技术面向城域网的应用，使其能够满足固定、游牧、便携和 移动等各种不同场景的宽带数据传输的业务需求1 9 1 。因此，本章也将从w i m a x 产生 的背景、产业的发展动态以及技术的发展趋势等各个不同的层面详尽介绍w i m a x 无 线城域网技术。 9 北京邮电大学硕十论文 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准产生背景 上个世纪九十年代，宽带无线接入技术迅猛发展起来，本地多点分配系统 ( l m d s ) 和多点多信道分配系统( m m d s ) 能够充分的满足小型s o h o 办公室和中 小型企业及城市商业中心等用户1 1 讲 i e e e 标准化组织在关注宽带无线接入系统在城域网范围内的应用的同时，积极 推动宽带无线接入空中接口的标准化进程f l l 】。i e e e8 0 2 1 6 工作组发布的i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准当中为宽带无线接入( b w a ) 定义了无线城域网( w m a n ) 的空中 接口规范，这样一个空中接口的规范为常规环境下宽带无线接入网络的实现提供了标 准的设备开发和网络部署的平台，也让多个设备制造商提供的设备能够互相兼容而提 供了良好的规范【3 “l 。这个标准的发表同时也标志了第二代的宽带无线接入系统的产 生与发展，i e e e8 0 2 1 6 从此以后便成为了宽带无线接入的一个主流标准，同时成为 了今后无线数据城域网的发展基础。 表2 1 详细描述了i e e e8 0 2 1 6 个空中接口相关标准的发表情况和负责的技术 领域。 表2 1i e e e 8 0 2 1 6 空中接口的标准列表 标准编号所负责的技术领域 i e e e8 0 2 1 61 0 , - 6 6 g h z 频段固定宽带无线接入系统的空中接口标准 i e e e8 0 2 1 6 a2 - 1 1 g h z 频段固定宽带无线接入系统的空中接口标准 l e e e8 0 2 1 6 c1 0 - 6 6 g h z 频段固定宽带无线接入系统中关于兼容性能问题的 增补文件 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4固定宽带无线接入系统的空中接口标准( 1 0 6 6 g h z 及 1 1 g h z ) l e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5固定和移动宽带无线接入系统的空中接口标准( 6 g h z ) l e e e8 0 2 1 6 f固定宽带无线接入系统的空中接口m i b 标准 i e e e8 0 2 1 6 9固定和移动宽带无线接入系统的空中接口管理平面流程以及 服务要求 l e e e8 0 2 1 6 h将感知无线电的技术用于空中接口中，此标准仅适用于非许可 频段 1 0 北京邮电大学硕士论文 2 2i e e e8 0 2 1 6 的主要标准体系 如上一节所述，i e e e8 0 2 1 6 标准系列诞生至今，主要包括了i e e e8 0 2 1 6 ，i e e e 8 0 2 1 6 a ，i e e e8 0 2 1 6 c ，壤e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 ，i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 ，i e e e8 0 2 1 6 f ，i e e e 8 0 2 1 6 9 一共七个标准。其中，i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准和1 e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 标准分别 对于固定和移动的宽带无线接入技术的空中规范进行了详细的规定。因此，本节将会 对这两个标准做出具体详尽的分析。 1 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 的技术特点 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 可以分别被应用于以下三个频段范围中，它们分别是1 0 。6 6 g h z 频段范围、小于1 1 g h z 的许可频段范围以及小于l l g h z 的非许可频段范围。上述三 个频段范围中，每个不同的频段分别具有其各自不同的物理特性。详细来说， 1 0 - 6 6 g h z 的频段范围，由于波长短，不能非视距传输，只能满足视距传播，典型的 信道带宽定为2 5 m h z 或2 8 m h z ，如果采用更为高阶的调制方式，那么传输系统的数 据速率可以超过1 2 0 m b p s 。而小于l l g h z 的许可频段，由于波长较长，能够满足非 视距传播的条件，在此情况下，系统可能会存在较强的多径效应，因此需要采用例如 功率控制、智能天线、时空编码技术以及a r q 等增强型的物理层技术。对于小于 l l g h z 的非许可频段范围来说，传输特性与l l g h z 以下的许可频段比较相似，但由 于外界存在较大的干扰，此种技术就需要采用动态频率选择( d f s ) 等的技术来解决 干扰的问题了。 i e e e8 0 2 1 6 定义了四种物理层的实现方式，它们分别是s c ，s c a ，o f d m 和 o f d m a 。其中单载波( s c ) 调制能够被应用在1 0 - - 6 6 g h z 频段；增强单载波( s c a ) 调制主要应用在2 - 1 1 g h z 频段；o f d m o f d m a 的频谱利用率相对较高，使得i e e e 8 0 2 1 6 系统在同样的载波带宽下提供更高的传输速率f 1 2 1 。在抵抗频率选择性衰落、多 径效应或频带干扰上，o f d m o f d m a 技术也有着明显的优势，成为了b 3 g 主要研 究技术之一。 除此之外，i e e e8 0 2 1 6 b 标准具备了完整的q o s 机制，可以根据业务的需要提供 实时或非实时的不同速率要求下的数据传输服务。动态分配带宽的机制不同于传统的 移动通信系统采用的分配固定信道的方式，具有更大的灵活性，提升了资源利用率的 同时还更好地适应了t c p i p 协议族所采用的分组交换1 1 3 l 。 2 i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 的技术特点 w i m a x 即全球微波互联接入技术( w o r l d w i d ci n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) ，以i e e e 8 0 2 1 6 系列宽频无线标准为基础，为用户提供面向互联网的高速连 接。为了加速w i m a x 技术的有效使用与大范围的推广，w i m a x 还专门成立了论 坛。这个w i m a x 的论坛不仅有效地提高了大众对于宽频潜力的认识，有利的促进了 供应商对于通信设备兼容等问题的解决，而且直接促使w i m a x 技术成为业界中使用 l e e e8 0 2 1 6 系列的宽频无线设备的标准。在2 0 0 7 年l o 月1 9 日，在国际电信联盟与 日内瓦总部举行的无线通信全体会议上，w i m a x 技术经过多数的国家投票通过，正 式被批准并成为继w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 技术标准之后的第四个全 球认可的3 g 标准。当前，w i m a x 组织的成员，包括了i n t e l 、s i m e n t s 、中兴、华 1 2 北京邮电大学硕士论文 为等已经超过百家的国内外的通信设备制造商，不仅如此，w i m a x 技术的热浪也进 一步地席卷了全球。 w i m a x 技术近几年来之所以在世界范围内有如此迅猛的发展和应用，与它自身 具备的优势是分不开的。首先，相较于其他的宽带无线接入技术来说，w i m a x 具有 频谱范围宽、传输速率高的先天优势。w i m a x 被授权的网络频段范围为2 。6 6 g h z ( n l o s ：2 一l l g h z 、l o s - 1 0 - 6 6 g h z ) 。现有的频道带宽可以根据需求在1 5 m h z 至 2 8 m h z 范围内进行调整，数据传输也能够达到7 5 m b i t s 。其次，w i m a x 技术起点很 高，采用了代表着未来无线通信发展方向的o f d m o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，正交频分复用 正交频分多址) 、a a s ( a d a p t i v ea n t e n n as y s t e m ，自适应天线系统) 、m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，多输入多输出) 等先进技术【1 6 l 。w i m a x 还同时采 用了时分双工和频分双工两种双工多址的方式。最后，w i m a x 还可以向各种用户提 供具有q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 支持的数据、视频、话音( v o w ) 等业 务。w i m a x 提供三种登记的服务：c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ，固定带宽) 、c i r ( c o m m i t t e dr a t e ，承诺带宽) 、b e ( b e s te f f o r t ，尽力而为) 1 1 7 1 。系统在满足了其他 用户较高优先级业务的同时尽力的为用户提供传输带宽。 如今，w i m a x 方案已经形成了包括各国的芯片制造商、终端及接入设备的制造 商、组网系统设备商以及运营商在内的比较完整的产业链。开发w i m a x 标准的国内 外芯片制造商主要包括有i n t e l 、f u j i t s u 、w a v e s a t 等等公司。而包括了中兴、华为等 为代表的通信设备制造厂商也都在参与着销售w i m a x 的产品设备。固定的w i m a x 设备产品早在2 0 0 5 年底就通过了认证并开始商用，两年之后移动w i m a x 产品也得 到了广泛的商用。全球的大型电信运营商在2 0 0 6 年就开始了固定w i m a x 系统组网 方案的测试。国内的固网运营商包括中国网通、联通和电信等也都对w i m a x 技术表 示出了非常大的关注与兴趣。 因此在下文中，我们将从物理层和m a c 子层两个层面来详细讨论i e e e8 0 2 1 6 标准定义的w i m a x 的关键技术。 1 物理层关键技术 o f d m 技术是典型的i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 中的物理层模式。o f d m 能够支持b p s k 、 q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 调制方式，以及前向纠错码( f e c ) p 4 1 。o f d m 采取了自 适应调制的编码技术，能够支持r s c c 的编码模式，而包括卷积t u r b o 和块状t u r b o 编码也是可选的。通过不同的参数组合，采用不同的载波带宽和调制方式，让整个 1 3 北京邮电大学硕- t ：论文 w i m a x 系统能够获得更高的传输速率。 o f d m 技术中还包括了能够实现自适应天线系统( a a s ) 技术的机制。根据a a s 相关的测量，消息天线方向能够被调整，从而对某个特定的终端( s s ) 形成波束进行 特定方向的信号传输，这样就减少了对其他用户的干扰，而且同时提高了系统的容量 和频谱利用率两个参数 o f d m 的物理层能够支持通信基站同时采用两根天线发射，而终端采用一令天 线接收的发射分级模式。采用这种发射接收模式的技术就是时空编码技术，这种技术 能够对抗空间的路径衰落的影响，能够简单解码。 o f d m 物理层支持信道质量检测。基站和终端站可以根据需要测量上行和下行 信道的接收信号强度指示( r s s i ) 和载波对干扰噪声比( c i n r ) ，从而对上行、下 行的发射参数做出调整，使之适应信道的变化。 2 m a c 层关键技术 m a c 层拥有了基于“连接”的操作、支持动态带宽分配机制、支持多种上层网 络协议、私有子层加密功能等关键技术。 2 4w i m a x 频率应用的可行性方案分析 w i 删8 0 2 1 6 网络可以使用的频带包括3 个部分：具备许可证的1 0 - - 6 6 g h z ， l l g h z 以下频段以及免牌照的l l g h z 以下频段( 主要是5 6 g h z ) 。而现今中国的无 线宽带接入网频率的使用主要集中在3 5 g h z 频段、3 3 g h z 频段、5 8 g h z 频段、2 5 g h z 频段以及2 3 g h z 频段上1 1 6 1 。其中，3 5 g h z 频段是许可频段，可用于f d d 方式公众 网无线接入系统，用于固定无线接入业务，并且采用数字t d m a 或c d m a 技术。这 个频段也是目前固定宽带接入的主要应用频谱。3 3 g h z 频段被规划为无线电定位、 业余( 次要) 、固定( 次要) 和移动( 次要) 业务使用。5 8 g h z 频段则是非许可频段， 主要业务为符合要求的无线电通信设备与无线电定位及工业、科学和医疗等非无线通 信设备公用频率。这个频段具备很高的开放性，容许点对点或点对多点的扩频通信系 统、宽带无线接入系统、高速无线局域网、蓝牙系统以及车辆无限自动识别系统等i 切。 由此看出，尽管8 0 2 1 6 分配了从2 g h z 到6 6 g h z 不同波段的频率范围，但是现阶段 被利用的频率范围却仅仅集中在2 g h z 到6 g h z 附近，w i m a x 系统的传输速率也被 局限在2 0 m h z 以下。从1 0 g h z 到6 6 g h z 的微波波段都基本无法参与到通信中，尤 其是大量的毫米波段( 3 0 g h z 一6 6 g h z ) 被浪费了。 1 4 北京邮电大学硕上论文 随着无线通信技术的应用与发展，无线方式传递数据需求量的大量增长导致了频 率资源与通信需求之间的矛盾。缓解这个矛盾，有两个主要的方式，即：通过不断寻 找新的可用频率资源和通过不断改进技术来提高频率的利用效率。相比寻找新的可用 频率资源来说，改进技术提高频谱效率对缓解矛盾的贡献是有限的。首先是能被调高 的频谱效率本身是有限的，其次是要改进技术一定对设备有更高的要求，这就意味着 设备价格的上升。因此能够将大量未被利用的毫米波段应用在w i m a x 技术中，将会 大大提高w i m a x 系统的数据传输容量。 然而将频段提升到毫米波段之后，一定会面临着信号覆盖范围的降低、数据传输 距离的缩短等问题。表2 2 具体分析并给出了不同载波频率下，w i m a x 系统的数 据传输速率、覆盖范围以及传输距离等参数的具体变化情况。 表2 - 2 i e e e 8 0 2 1 6 系列空中接口的参数比较f 1 4 l ! e e 标准l e e e8 0 2 1 6正e e8 0 2 1 6 ai e e e8 0 2 1 6 e - 2 0 0 5 8 0 2 1 6 2 0 0 4 1 0 6 0 g h z 使用频段 1 0 k 6 6 g i - l z 1 1 g h z 6 g h z 1 1 g h z 信道条件 视距非视距视距+ 非视距非视距 固定移动性固定固定固定移动+ 漫游 2 5 6 0 f d m 2 5 6 0 f d m ( b p s 2 5 6 0 f d m ( b p s k q p s k l 6 q a ( b p s k q p s kl ( q p s k 1 6 q a q p s k 1 6 q a m 6 4 调制方式 q a m ) m 和6 4 q a m1 6 q a m 6 4 q a m 6 4 q a m ) m )2 0 4 8 0 f d m a 1 2 8 5 1 2 1 0 2 4 2 0 4 8 o f d 【a 1 蟊遁带苋2 5 2 8 m h z1 2 5 - 2 0 m h z1 2 5 - 2 0 m h z1 2 5 2 0 m h z 3 2 - 1 3 4 m b p s ( 在2 0 m h z 信道在2 0 m h z 信道在1 0 m h z 的信道 传输速率以2 8 m h z 为上提供约上提供约上提供约3 0 m b p s 载波带宽)7 5 m b p s 的速率7 5 m b p s 的速率的速率 额定小区半 5 k i n5 - 1 0 k i n5 - 1 5 k i n几k m 径 从上述表格的分析来看，只有表格的第一项利用2 8 m h z 的信道带宽，使用 1 5 北京邮电人学硕：i ：论文 1 6 q a m 或6 4 q a m 的调制方式时，系统的数据传输速率可以达到l o o m b p s 以上即， 如果用户要求的数据传输速率达到l o o m b p s 以上时，就必须要利用1 0 g h z - 6 6 g h z 频段内的毫米波段进行w i m a x 系统的接入。 第三章光接入技术在w i m a x 系统中的应用基于毫米波 的w i m a x 系统实现方案及网络构架研究 3 1 毫米波通信技术 3 1 1 毫米波划分及特点 毫米波，是指波长从1 0 毫米至1 毫米，频率从3 0 g h z 至3 0 0 g h z 的电磁波【1 8 l 。 毫米波属于微波范围，上限与亚毫米波毗邻而靠近光波。其实，关于毫米波频率范围 的划分问题，国际上并没有严格的一致的规范，但是这并不妨碍人们对毫米波的研究 利用。图3 - l 给出了一个无线电频谱表格，这张表格给出了人们对毫米波段范围的大 致认识。 1 6 北京邮电大学硕上论文 3 g i i z3 0 g h z3 g 3 k l z3 唧h z3 m h z3 0 m f i z3 0 0 m h z粥3 0 g 3 0 g h z 姗g h z3 t 3 0 t 3 0 哪z 极低频超低频 特低频 甚低频低频中频高频甚高频特高频 超高频 极高频 ( e l f )( l s f ) ( u l f ) ( v l f )( l f )( m f ) ( h f )( 抒)( u h f )( s h f )( e h f ) 频段i 2 3 4，7s9l oi l1 21 31 4 i 音频 - j弗“女。l 雷达频率- i 视颁 l l j褂油蠕立 一 h - 一 红夕| - r l 1 硬汉烈牛 超长波长波中波短波超短波分米波厘米波毫米波 ( v l w )( l w )( m w )( s w )( v s w ) ( 米波) i o l o k ml o j 0 2 k m1 0 k m l k m1 0 0 m1 0 m i m1 0 c mi c mi m m 1 0 0 p m1 0 p mi p m ( 千米) ( 米)( 厘米) ( 毫米)( 微米) 图3 1 无线电频谱表 概括起来，毫米波在通信传输过程中有以下三个主要特点：( 1 ) 波长极短，频率 极高；( 2 ) 穿透电离层；( 3 ) 带宽较宽；( 4 ) 在空问传播过程中收到大气影响极大， 与大气环境关系密切。 首先，毫米波与光波在频谱表上的相对距离非常的近，因此毫米波具有了一些类 似于光波的优秀特性。这样的特性对于射频设备的小型化方面以及获得很强的方向性 信号方面来说都具备其他的波段所不具备的优点。众所周知，波长越短，微波元器件 的尺寸就可以做的越小，射频设备就越小。而射频设备的小型化，对于工程实现上则 具备了非常多的优势，能够减少非常多不必要的资金浪费。同时毫米波信号极强的方 向性无论是在毫米波卫星通信上，还是在要求抗干扰能力、抗截获能力十分高的军事 通信当中都比其他波段更有优势。然而，为了保证毫米波通信的系统性能，设备加工 的精度要求就相对比较高，这就造成了毫米波元器件和设备的价格昂贵、功率容量小 等缺点。 其次，毫米波具有穿越电离层的透射特性。对于无线电波的传播来说，位于大气 上层的地球电离层的作用举足轻重。因为，电离层会强烈地折射和吸收波长较长的电 1 7 北京邮电大学硕七论文 磁波。越是电离程度强，波长越长，吸收越多。而到了毫米波频段，电离层对无线电 波的吸收却微乎其微，可以忽略不计。 再次，由于毫米波频带宽，频谱资源十分丰富，因此用在信息高速公路当中，满 足了信息时代，人们对高速数据、宽带图像业务等大容量信息传输与处理的要求。对 于军事通信来说，丰富的频带资源也是抗干扰、抗截获的另一有效途径。利用扩频技 术，信号可以获得极好的处理增益，系统的干扰容限上升了，抗干扰能力自然加倍提 高。 最后，毫米波受到大气温度、雨雪等天气影响非常显著。毫米波传播过程中经过 大气引起的衰减主要是由于大气中水蒸气与氧的吸收造成的。水分子中的电偶极距、 氧分子中的磁偶极距与毫米波信号相互作用，在毫米波波长上产生谐振。由于谐振， 毫米波信号的能量被大量吸收，因此造成衰减。影响衰减参数的主要因素有大气的压 力、温度等。当雨、雪、冰雹等天气状况发生时，毫米波衰减则更加严重，大大地制 约了毫米波在通信中的应用。因此，采取有效的抗雨衰技术在毫米波传输过程中是非 常重要的。 3 1 2 毫米波通信的发展概况 毫米波通信实验研究早在上个世纪五十年代就开始了。直到八十年代中后期，毫 米波有源器件、无源器件才开始日臻成熟起来。毫米波、微波集成电路( m i m i c ) 和 高电子迁移率晶体管，异质结双极晶体管等三极管的出现，为毫米波痛惜设备创造了 良好的更新换代的条件l l 引。此时，各种实用的毫米博通信技术才开始陆续浮出水面。 如今，随着社会信息化程度的不断提高，宽带多媒体通信、宽带无线接入技术在个人 通信领域中的广泛应用，毫米波通信已经成为了不可或缺的通信技术的重要支柱之 一。 由于毫米波的独到特性，在通信领域的发展中，毫米波不断发挥着自己独特的作 用，也不断寻找着自己的位置。毫米波波导通信、毫米波无线电地面通信以及毫米波 卫星通信都不断发挥着自己的作用，成为通信领域中不可或缺的一部分。 3 1 3 毫米波通信系统的基本组成 图3 2 是一个典型毫米波通信系统的基本组成框图。