吳　蒙　何朝霞　楊寧健

摘要：

文章對城域網(wǎng)及寬帶無線接入的基本概念作了介紹，對寬帶無線接入的不同技術方式進行了分析和比較，討論了本地多點分配業(yè)務系統(tǒng)和其它無線接入技術在寬帶城域網(wǎng)應用中需要關注的關鍵問題——無線接入的網(wǎng)絡管理、調制方式和接入?yún)f(xié)議，重點討論了無線接入網(wǎng)的安全問題。

關鍵詞：

城域網(wǎng)；寬帶無線接入；本地多點分配業(yè)務；多信道多點分配業(yè)務

ABSTRACT:

Thepaperintroducestheessentialconceptsofmetropolitanareanetworkandb

roadbandwirelessaccess.Someanalysisandcomparisonamongbroadbandwirel

essaccesstechnologiesaregiven.KeyproblemsofLDMSandotherwirelessacce

sstechnologieswhenappliedinBroadbandMetropolitanAreaNetworksaredisc

ussed,suchasthenetworkmanagement,modulationmodeandaccessprotocol,wi

themphasesonnetworksafetyandsecurity.

KEYWORDS:

Metropolitanareanetwork;Broadbandwirelessaccess;LMDS;MMDS

隨著城域網(wǎng)、局域網(wǎng)和Internet的快速發(fā)展，人們對通信業(yè)務的接入能力提出了更高的要求。寬帶通信業(yè)務和多媒體通信業(yè)務的發(fā)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(wǎng)的解決方案很理想，但實現(xiàn)起來費用成本較高。無線接入網(wǎng)是有線網(wǎng)的必要補充，不僅可以滿足移動、重定位、特殊網(wǎng)絡應用的要求，還能覆蓋有線網(wǎng)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(wǎng)是一個正在興起的發(fā)展領域，吸引了政府、產(chǎn)業(yè)界及學術界的廣泛關注。本文將對其實現(xiàn)形式及需要關注的關鍵問題進行討論。

1寬帶城域網(wǎng)

城域網(wǎng)的概念由計算機網(wǎng)絡演化而來，是指介于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間，以比局域網(wǎng)更高的速率在城市及郊區(qū)范圍內實現(xiàn)信息傳輸與交換的一種網(wǎng)絡。城域網(wǎng)作為公共基礎設施，可以高速有效地傳輸數(shù)據(jù)、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(wǎng)以IP和ATM電信技術為基礎，完成各種帶寬業(yè)務接入，是不斷發(fā)展的、開放的多媒體通信網(wǎng)絡。寬帶城域網(wǎng)技術包括光傳輸、網(wǎng)絡互連、業(yè)務整合與高層應用等技術。圖1為通常采用的寬帶城域網(wǎng)的網(wǎng)絡結構形式。

寬帶城域網(wǎng)的網(wǎng)絡結構包括主干網(wǎng)和接入網(wǎng)，包含數(shù)據(jù)交換設備、城域傳輸設備、接入設備和業(yè)務平臺設備等。其通過各類網(wǎng)關實現(xiàn)傳統(tǒng)的話音、高低速數(shù)據(jù)、視頻圖像、多媒體、IP接入等各種增值業(yè)務及智能業(yè)務的本地綜合業(yè)務網(wǎng)絡。

寬帶城域網(wǎng)無線接入技術是指從公用電信網(wǎng)的交換節(jié)點到用戶駐地網(wǎng)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(shù)據(jù)、Internet、VoD(視頻點播)、廣播視頻和電視會議等寬帶多媒體業(yè)務的技術。

2無線接入技術

在接入網(wǎng)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(yè)務要求，常成為業(yè)務增值的“瓶頸”。在寬帶城域網(wǎng)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(wǎng)、安裝、維護方面靈活快捷，而且系統(tǒng)開發(fā)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(huán)路接入方式

WLL(無線本地環(huán)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(wǎng)絡接口和面向用戶側的空中接口，把交換機側送來的數(shù)字信號轉換成數(shù)字空中接口信號，并完成空中接口的認證保密、資源管理、協(xié)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(tǒng)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(shù)字信號或模擬信號。傳統(tǒng)接口可以完成認證、協(xié)議轉換、代碼轉換等功能。交換機和基站系統(tǒng)間以標準的以太網(wǎng)接口連接，同時通過路由器實現(xiàn)寬帶訪問Internet。寬帶IPWLL主要提供數(shù)據(jù)業(yè)務，可支持H.323協(xié)議，實現(xiàn)VoIP。

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(wǎng))；另一種是借助公用移動通信網(wǎng)，如GSM網(wǎng)上的GPRS(通用分組無線業(yè)務)。WLAN采用IEEE802.11協(xié)議或ETSI的HiperWAN標準，可在一定范圍內(如校園、企業(yè)或大建筑內)提供低移動性的高速數(shù)據(jù)業(yè)務。WLAN保持了現(xiàn)有局域網(wǎng)高速率的特點，可以作為有線局域網(wǎng)的補充，在一定場合，甚至可以替換有線局域網(wǎng)。無線局域網(wǎng)具有1～11Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，工作在2.4GHz的ISM頻段，傳輸距離100m。目前WLAN的發(fā)展格外引人注目。

GPRS(通用分組無線業(yè)務)是適用于GSM系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)業(yè)務，它將分組交換模式引入(疊加)到GSM網(wǎng)絡中，從而提高了無線網(wǎng)絡的資源利用率。GPRS可以提供高達115kbit/s的傳輸速率，并且能支持Internet的IP業(yè)務以及X.25業(yè)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9.6kbit/s提高到14.4kbit/s。理論上，如果把TDMA(時分多址)一幀的8個時隙都用來傳輸數(shù)據(jù)，則最高傳輸速率可達164kbit/s。實現(xiàn)GPRS需要在GSM網(wǎng)絡中引入新的網(wǎng)絡接口和通信協(xié)議，增加相應的SGSN(服務GPRS支持節(jié)點)和GGSN(網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點)。

2.3多信道多點分配業(yè)務

MMDS(多信道多點分配業(yè)務)是網(wǎng)絡結構呈點對多點分布，工作在低頻段，提供寬帶業(yè)務的一種無線系統(tǒng)。它起源于一個利用微波傳輸多路電視信號的無線業(yè)務系統(tǒng)，比較適用于中小企業(yè)和集團用戶。MMDS系統(tǒng)采用FDD(頻率復用分割)雙工方式，16QAM、64QAM等微波調制手段，扇區(qū)分割頻率復用等技術，可以提供Internet接入、本地用戶數(shù)據(jù)交換、話音和視頻點播等多種業(yè)務。MMDS工作在比LMDS低得多的頻率(頻率范圍為2～3GHz)，固定頻率間隔3.5MHz。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(yè)務

LMDS(本地多點分配業(yè)務)工作于10～66GHz頻段，不支持移動業(yè)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(shù)據(jù)及視頻圖像業(yè)務，還可提供各類承載業(yè)務(如FR、ATM等)。它不必使用光纖和光端口設備，是一種全業(yè)務系統(tǒng)，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(wǎng)方式，基站直接連入廣域網(wǎng)，實現(xiàn)寬帶接入。LMDS系統(tǒng)采用多扇區(qū)、多小區(qū)的空間分割技術，使系統(tǒng)的容量能呈數(shù)量級地增長。LMDS系統(tǒng)最大的優(yōu)點是頻譜利用率高，典型的系統(tǒng)可支持高達45Mbit/s下行和10Mbit/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(qū)覆蓋來抗“雨衰”影響。LMDS是一種視線技術。LMDS具有網(wǎng)絡建設周期短、投資少、開通快捷、盈利快等優(yōu)點，且工作頻帶寬。

LMDS組網(wǎng)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(3～10km)實現(xiàn)用戶遠端到骨干網(wǎng)的寬帶無線接入，以進行包括語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種業(yè)務在內的傳輸，也可作為Internet的接入網(wǎng)。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(wǎng)。

LMDS一般可作為新的電信運營商構筑接入網(wǎng)的技術和手段，可作為一種傳輸手段，也可用作小區(qū)、企業(yè)等內聯(lián)網(wǎng)建設。目前已有阿爾卡特、愛立信、P-COM等公司生產(chǎn)和研發(fā)出LMDS設備，并得到使用，還有一些國家和地區(qū)(包括中國)正在進行LMDS實驗網(wǎng)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IEEE802.16協(xié)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(tǒng)開展各種業(yè)務。

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

3無線接入網(wǎng)絡管理

無線接入網(wǎng)的管理是個復雜的問題，不同的無線接入系統(tǒng)應有適合各自特點的網(wǎng)管系統(tǒng)。一般地說，無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡管理應具有如下幾點共性：

(1)功能全面

接入網(wǎng)技術復雜多樣，所以接入網(wǎng)的管理系統(tǒng)功能應全面；應基于開放的協(xié)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管理；應形成多級管理，既能對設備進行管理，又能對信道的性能進行監(jiān)控。

(2)適應性好

管理系統(tǒng)應能隨著網(wǎng)絡的不斷擴展而調整，應能支持多種操作系統(tǒng)，移植性好。管理功能應模塊化，可動態(tài)增刪。

(3)實時性和有效性高

支持多用戶管理，可用于現(xiàn)場操作與維護，保證用戶的服務質量。支持通過PSTN進行管理。

(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(wǎng)能否應用的核心問題，網(wǎng)絡管理系統(tǒng)作為接入網(wǎng)的一個重要組成部分，其成本直接影響接入網(wǎng)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(wǎng)的網(wǎng)管系統(tǒng)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(shù)字通信系統(tǒng)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(shù)字通信系統(tǒng)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?shù)臄?shù)據(jù)流劃分成速率較低的若干個子數(shù)據(jù)流，并將這些子數(shù)據(jù)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(jīng)在WLAN中運用，可調制5Mbit/s和11Mbit/s這樣高速率的數(shù)據(jù)。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(tài)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(qū)域的優(yōu)化及系統(tǒng)投資的降低。

5寬帶無線接入?yún)f(xié)議

一般說來，對于IP業(yè)務，從接入網(wǎng)終端到接入節(jié)點間鏈路層采用PPP協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議或其它專門為具體應用而定制的鏈路層協(xié)議(包括MAC層協(xié)議)；從網(wǎng)絡層面上，一般可按照OSI協(xié)議標準體系來構筑。無線接入?yún)f(xié)議（包括上層的協(xié)議）結構如圖3所示。圖4為IEEE802定義的LMDS網(wǎng)絡承載層的協(xié)議結構，還表示了位于MAC層中的安全子層。

6無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡安全

安全問題既是保證系統(tǒng)設備正常工作，又是系統(tǒng)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(fā)射功率控制、實時監(jiān)測信道等級、實時調整每個遠端站發(fā)射電平(采用ATPC技術)的特性，可以有效地減少網(wǎng)絡干擾，增加頻率復用效率，提高系統(tǒng)性能。用戶可以通過管理系統(tǒng)在中心站查看整個網(wǎng)絡，對整個系統(tǒng)配置進行瀏覽、修改、網(wǎng)絡故障定位。對系統(tǒng)告警按時間進行標記并記錄在文件中。LMDS系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。

要保證系統(tǒng)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(tǒng)上保證高的可靠性，對接入網(wǎng)系統(tǒng)也是一樣。其次，擴頻(SpreadSpectrum)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(shù)據(jù)流進行加密處理。如CDPD(蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)通信)接入技術在數(shù)據(jù)的安全性方面，采用RC4技術加密數(shù)據(jù)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，密鑰由交換中心掌握，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(tài)管理。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(tǒng)。最后，因為無線系統(tǒng)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容易被截取，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(yè)務：認證業(yè)務、控制業(yè)務、保密業(yè)務、數(shù)據(jù)完整性業(yè)務和不可否認業(yè)務。

完善的網(wǎng)絡必須從各個方面來解決網(wǎng)絡安全問題。從OSI開放系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)，對于無線寬帶接入網(wǎng)絡的實現(xiàn)與發(fā)展將是必不可少的。

GPRS、WLAN及LMDS等系統(tǒng)都對系統(tǒng)的安全性給予了高度關注。在網(wǎng)絡層，IPsec是一個行之有效的安全協(xié)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(xié)議，應用層根據(jù)不同的應用對象，建立不同的安全機制，對電子商務、網(wǎng)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(shù)據(jù)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?yún)f(xié)議MAC層中的安全業(yè)務主要包括MAC層的數(shù)據(jù)加密協(xié)議、認證協(xié)議以及KMP(密鑰管理協(xié)議)。通過密鑰安全管理協(xié)議，基站控制密鑰的分發(fā)，拒絕無認證的接入和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡提供保障。通過基于認證與密鑰管理協(xié)議的數(shù)字證書(如PKI體系)可以進一步加強寬帶無線接入系統(tǒng)的安全性能。實用中，一個安全系統(tǒng)應層層設防，以防止某一層的安全被攻破，導致系統(tǒng)的全面崩潰。當然，過多的安全設防會導致過多的數(shù)據(jù)加解密處理，帶來系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)上的網(wǎng)絡安全解決中取得主動。新一代無線通信網(wǎng)安全的關鍵技術將成為無線寬帶接入網(wǎng)技術研究中的重要技術之一。

7結束語

BWAN(寬帶無線接入網(wǎng)絡)作為提供靈活性、機動性和綜合業(yè)務的重要手段，被人們廣泛予以關注，并已展現(xiàn)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(wǎng)、無線IP、LMDS系統(tǒng)等技術正從概念迅速發(fā)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，特別是基于IP的寬帶無線接入網(wǎng)絡技術更有可能脫穎而出。

對于任何一種新興技術和產(chǎn)業(yè)，好的應用前景是決定其成功的關鍵。綜合性城域接入、社區(qū)寬帶接入、移動和準移動應用、中小企業(yè)應用、不發(fā)達地區(qū)的寬帶覆蓋和智能家庭網(wǎng)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關鍵，也是技術得以發(fā)展的根本出發(fā)點?！?/p>

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(收稿日期：2002-02-05)

作者簡介

吳蒙，南京郵電學院通信工程系教授，IEEE會員。近年主要研究領域為移動通信、無線通信、信息安全、DSP技術的應用等。

何朝霞，南京郵電學院通信工程系在讀碩士研究生。

楊寧健，南京郵電學院通信工程系在讀碩士研究生。