王志強 張鐵君 孫瑩

1 吉林大學(xué)通信工程學(xué)院 吉林 130012

2 吉林大學(xué)珠海學(xué)院 廣東 519041

0 前言

2008年7月29 日，在中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會藍海沙龍第36期活動(主題：移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)已準備就緒)上有關(guān)專家透露，我國大陸已經(jīng)有十大城市明確了無線城市計劃。這是繼2002年美國費城首次提出建設(shè)基于 802.11b標準的Mesh網(wǎng)絡(luò)——也叫“無線費城計劃”后，我國首次對公眾正式宣布了我國的無線城市建設(shè)計劃。如今，這股無線城市建設(shè)浪潮已經(jīng)波及中國大陸，北京、天津、上海、廣州等城市均啟動了無線城市建設(shè)項目。天津市政府在濱海新區(qū)率先建設(shè)無線寬帶覆蓋網(wǎng)絡(luò)，在無線城市建設(shè)方面“先試先行”。而上海的建設(shè)規(guī)劃從嘉定新城開始，主要著眼于市政服務(wù)。嘉定新城采用無線寬帶接入技術(shù)進行新城城區(qū)全覆蓋，以無所不在的綜合無線信息網(wǎng)絡(luò)平臺支撐公共安全、城市管理、應(yīng)急聯(lián)動、公共服務(wù)、商務(wù)旅游、生活學(xué)習等信息化應(yīng)用。廣州市委市政府積極推進“以信息化促進城市現(xiàn)代化”的發(fā)展戰(zhàn)略，搭建有廣州特色的無線城市舞臺，使廣州市民不僅可以體會到EDGE、TD-SCDMA以及WLAN無縫網(wǎng)絡(luò)的急速快感，還能夠享受到辦事效率提升和城市現(xiàn)代化升級的長遠利好。

1 WLAN寬帶接入技術(shù)

無線寬帶接入(數(shù)據(jù)傳輸速率>2Mb/s)指在寬帶業(yè)務(wù)接口與寬帶業(yè)務(wù)用戶之間，以無線通信的方式實現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的接入，為用戶提供話音、視頻、數(shù)據(jù)以及多媒體應(yīng)用服務(wù)。

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由開始的單一上網(wǎng)形式轉(zhuǎn)向多媒體、富媒體的應(yīng)用，越來越多的媒體業(yè)務(wù)，包括實時視頻、互動游戲、寬頻廣告等媒體業(yè)務(wù)開始進入人們的視野，讓人們盡情的享受豐富多彩的數(shù)字化生活。流媒體、在線游戲、網(wǎng)上支付等基于移動性的網(wǎng)絡(luò)需求和城市綜合無線信息網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)，使網(wǎng)絡(luò)對無線寬帶部署的要求日益增長，對接入方式、終端、應(yīng)用提出了更高的帶寬要求，為此，各大電信運營商在基于3G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上采用了Mesh(無線蜂窩網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò))、智能天線等技術(shù)拓寬了無線寬帶技術(shù)的應(yīng)用范圍，并廣泛采用基于WiFi技術(shù)的無線局域網(wǎng)(WLAN)和WiMAX等無線寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了無線寬帶網(wǎng)絡(luò)可管、可控、安全、高效、快捷的全覆蓋。

1.1 WiFi技術(shù)

WiFi是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備(如PDA、手機)等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，與藍牙一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術(shù)。WiFi 最初是為無線局域網(wǎng)而設(shè)計的，目前廣泛使用的有三個版本的802.11協(xié)議，分別是802.11a、802.11b和802.11g。在實施形式上主要有兩種，一是具有定向天線的WiFi，另一個是具有Mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的 WiFi。前者用作解決 DSL(DigitalSubscriberLine)和DOCSIS(Data Over Cable Interface Specification)的接入問題，但覆蓋空間較小，而且缺乏QoS和統(tǒng)一的設(shè)備標準。后者解決了覆蓋問題，并且Mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)較定向天線的結(jié)構(gòu)具有更好的可擴展性，這兩種 WiFi的部署形式最高可以提供54Mbps的傳輸速率，覆蓋范圍甚至可以超過10公里。

1.2 Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)擴展了傳統(tǒng)的有線和無線局域網(wǎng)的范圍。在Mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點互通互聯(lián)，并且每個節(jié)點間共享通訊協(xié)議，Mesh網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)將基于802.11a, 802.11b, 802.11g協(xié)議的節(jié)點互相連接起來。由于802.11a采用5GHz頻率，不會與使用 2.4GHz頻率的802.11b和802.11g相互疊加，適用于AP與AP之間的連接。而AP與客戶端的連接通常使用802.11b或 802.11g。Mesh網(wǎng)絡(luò)也被稱作“多跳”網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)可以在多個節(jié)點間有效地傳遞，當一個節(jié)點受阻時，數(shù)據(jù)可以選擇從其他的路徑迂回過去，保證了信息的可靠傳遞。

在WiFi技術(shù)領(lǐng)域，隨著無線產(chǎn)業(yè)從 802.11g到下一代802.11n標準的演變，越來越多的產(chǎn)品開始采用功能強大的 802.11e、802.11n、Mesh-WiFi等技術(shù)。其中，802.11e是IEEE為了增強WiFi的QoS能力而專門制訂的一種標準，可以優(yōu)先對語音和視頻等業(yè)務(wù)進行服務(wù)質(zhì)量的保障，對日益豐富的多媒體業(yè)務(wù)尤其對實時視頻、在線游戲等富媒體業(yè)務(wù)的開展具有重要意義，目前不少新的 WiFi產(chǎn)品已開始支持802.11e。802.11n可以將 WLAN的傳輸速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到300Mbps甚至高達 600Mbps，同時在管理、安全、多業(yè)務(wù)支持等方面均有極大提升。Mesh-WiFi是一種網(wǎng)狀的 WiFi組網(wǎng)技術(shù)，它將多個AP通過無線方式連接在一起，形成一個“熱點”，輕松實現(xiàn)WiFi的擴展與延伸，所有原來設(shè)置用于WiFi的筆記本電腦、PDA、手機等終端設(shè)備都可以接入Mesh-WiFi網(wǎng)。

1.3 WiFi寬帶無線接入方式

WiFi的寬帶無線接入方式主要有兩種方案：具有高增益定向天線的固定式接入和具有Mesh網(wǎng)絡(luò)的熱點式接入。在頻率方面，802.11a在 AP到AP間的通訊采用5GHz頻率，802.11b和802.11g在熱點內(nèi)采用2.4GHz頻率。在調(diào)頻模塊上三者也有不同，802.11b采用 DSSS(直接序列擴展頻譜)，支持帶寬最高可達11Mbps; 802.11a和802.11g采用OFDM(正交頻分復(fù)用技術(shù))，支持帶寬最高可達54Mbps，而且OFDM這種調(diào)制方式更加適合室外環(huán)境。802.11標準提供64個子載波，這些子載波從BS(base station)或AP發(fā)出，在SS(subscriber station)或client重新組合。采用DSSS技術(shù)的802.11b，在非視距情況(NLOS：non-line-of-sight)下，載波信號由于障礙物反射可能產(chǎn)生多路干擾(MPI: multi-path interference)，而采用OFDM技術(shù)的802.11a和802.11g可以避免大的時延，有利于實時信號的傳送，非常適用于公眾場所、辦公和工業(yè)環(huán)境的語音傳送。

2 WiMAX寬帶接入技術(shù)

WiMAX全稱為World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一個名字是802.16。它是一項無線城域網(wǎng)(WMAN)技術(shù)，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準。它用于將 802.11a無線接入熱點連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可連接公司與家庭等環(huán)境至有線骨干線路。它可作為線纜和DSL的無線擴展技術(shù)，從而實現(xiàn)無線寬帶接入。

WiMAX是一項新興的無線通信技術(shù)，該技術(shù)能提供最遠可達50km范圍的高速互聯(lián)網(wǎng)連接。WiMAX與WiFi一樣，都是用于傳輸無線信號的技術(shù)，但分工不同，WiFi解決的是無線局域網(wǎng)的接入問題，而WiMAX負責的是無線城域網(wǎng)。WiFi只能把互聯(lián)網(wǎng)的連接信號傳送到 300英尺遠的地方，WiMAX則可把信號傳送至50km之遠。而且，網(wǎng)絡(luò)連接速度也高達每秒70兆，而WiFi速度每秒只達到54兆。

WiMAX作為城域網(wǎng)無線寬帶接入技術(shù)，還具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點?；贗P網(wǎng)絡(luò)的開放特性，WiMAX構(gòu)建的核心網(wǎng)繼續(xù)采用移動IP的構(gòu)架，擁有與全IP網(wǎng)絡(luò)無縫融合的能力。其協(xié)議標準支持多種業(yè)務(wù)以固定和移動兩種方式接入網(wǎng)絡(luò)，而移動接入方式是WiMAX的主要發(fā)展方向，WiMAX近兩年在全球各地的快速發(fā)展，加之4G標準提案中有一半支持802.16m技術(shù)，顯示了WiMAX在全球邁向4G道路上的強大競爭力。

2.1 WiMAX的兩大標準

WiMAX是根據(jù)IEEE 802.16標準定義的一種無線寬帶接入技術(shù)，IEEE 802.16標準有多個版本，802.16-2004(802.16d)和802.16-2005(802.16e)這兩個版本使WiMAX真正成為了無線寬帶接入領(lǐng)域中的熱點。其中 d版本屬于固定無線接入標準，e版本屬于移動寬帶無線接入標準。特別是802.16e的發(fā)布，為個人移動寬帶領(lǐng)域的發(fā)展帶來了巨大的推動力。業(yè)界普遍認為，WiMAX的真正成功需依賴于移動版本802.16e的應(yīng)用，而2007年是16e產(chǎn)品成熟的前期。IEEE 802.16-2004即802.16d支持固定和游牧的視距(LOS)和非視距(NLOS)傳輸。在視距環(huán)境下，它可以工作在 10GHz～66GHz頻帶。在非視距環(huán)境下，它可以工作在小于 11GHz的頻帶。802.16d也被視為傳統(tǒng)3.5GHz固定無線接入技術(shù)和LMDS技術(shù)的標準化升級版本。IEEE 802.16-2005即802.16e支持切換和漫游功能，提供的主要是具有一定移動特性的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，面向的用戶主要是筆記本終端和802.16e終端持有者。

2.2 WiMAX的核心技術(shù)

3G運營商向用戶推出3G+WiFi的措施，證明了3G不能夠滿足用戶對大流量數(shù)據(jù)需求的事實，而且 WiFi本身是一個局部的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不是完全的接入技術(shù)，后端還需接入光纖或者微波等網(wǎng)絡(luò)，因此，它在無線寬帶應(yīng)用里沒有明顯的優(yōu)勢。WiMAX逐步實現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的移動化，而 3G則實現(xiàn)移動業(yè)務(wù)的寬帶化，WiMAX的特點是無論是大范圍還是熱區(qū)，對數(shù)據(jù)傳輸都能提供強有力的支持。WiMAX的核心技術(shù)主要包括OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先進技術(shù)，正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一種高速傳輸技術(shù)，更是未來無線寬帶接入系統(tǒng)/下一代蜂窩移動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)為物理層技術(shù)，主要應(yīng)用的方式有兩種：OFDM物理層和OFDMA物理層。OFDM物理層采用OFDM調(diào)制方式，OFDM正交載波集由單一用戶產(chǎn)生，為單一用戶并行傳送數(shù)據(jù)流。支持 TDD和 FDD雙工方式，上行鏈路采用TDMA多址方式，下行鏈路采用TDM復(fù)用方式，并可以采用STC發(fā)射分集以及AAS自適應(yīng)天線系統(tǒng)。OFDMA物理層采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD雙工方式，可以采用STC發(fā)射分集以及AAS.OFDMA系統(tǒng)，可以支持長度為2048、1024、512和128的FFT點數(shù)，通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)制及編碼方式以及以不同信號功率接入具有不同信道特征的用戶端。向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議(MAP)分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。雖然OFDM 技術(shù)對相位噪聲非常敏感，但是標準定義了ScalableFFT，可以根據(jù)不同的無線環(huán)境選擇不同的調(diào)制方式，以保證系統(tǒng)能夠以高性能的方式工作。

3 基于WLAN技術(shù)實現(xiàn)無線城市

“無線城市”的概念最初由美國費城提出，當初是以建設(shè)基于IEEE 802.11b標準的WLAN無線局域接入網(wǎng)絡(luò)為主要標志，但由于WLAN AP覆蓋范圍較小，因此通過大范圍覆蓋實現(xiàn)無線城市需要布設(shè)大量AP并完善相關(guān)接入環(huán)境，這對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)而言存在一定的難度。隨著基于 WLAN網(wǎng)絡(luò)的無線Mesh技術(shù)的成熟，采用基于Mesh技術(shù)的WLAN網(wǎng)絡(luò)使無線城市的實現(xiàn)成為可能。

所謂WLAN的無線Mesh技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中每個AP節(jié)點都可以與一個或者多個對等AP節(jié)點進行無線直接通信，WiMAX處于無線骨干網(wǎng)絡(luò)，用來匯聚各個熱點的流量，與有線網(wǎng)絡(luò)連接；Mesh-WiFi則處于無線接入層，實現(xiàn)終端到網(wǎng)絡(luò)的接入，以及小范圍內(nèi)無線數(shù)據(jù)的跳接。通過這種方式可以實現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)擴展、自動修復(fù)和自我平衡，減少了AP設(shè)備開通和應(yīng)用的困難。

對比3G，如果實現(xiàn)“WiFi+WiMAX”的組網(wǎng)方式，則“WiFi+WiMAX”更具成本優(yōu)勢，同時也更適合中國國情。3G發(fā)展需要四大基本要素：基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和資費問題、終端問題、價值鏈延伸和商業(yè)模式創(chuàng)新，而終端問題又是重中之重。WiFi憑其幾乎免費的資費特點，以及更為高速和便捷的上網(wǎng)特性等優(yōu)勢，促進了 3G手機功能的擴展。而WiMAX技術(shù)可應(yīng)用于固定、游牧、便攜、簡單移動和自由移動這五類業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，隨著WiMAX技術(shù)從固定無線接入發(fā)展到移動無線接入，應(yīng)用場景也從固定發(fā)展到了自由移動。因此，WiFi(無線局域網(wǎng))，WiMax(無線城域網(wǎng))，3G(無線廣域網(wǎng))三者的結(jié)合會創(chuàng)造出一個完美的無線網(wǎng)絡(luò)，可以說，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，未來城市一定可以實現(xiàn)“無線”的理想。

4 結(jié)束語

WiFi、WiMAX技術(shù)發(fā)展至今，不斷突破各種技術(shù)難關(guān)，勝利進入了無線城市建設(shè)技術(shù)應(yīng)用的核心地帶。隨著我國電信網(wǎng)絡(luò)的不斷整合演進，在由“政府主導(dǎo)，牽手運營商”共同建設(shè)無線城市政策的激勵下，各種無線寬帶接入技術(shù)的優(yōu)勢在無線城市建設(shè)中得到了充分體現(xiàn)。我們有理由相信，在國務(wù)院加快推進電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合，實現(xiàn)三網(wǎng)互聯(lián)互通、資源共享，為用戶提供話音、數(shù)據(jù)和廣播電視等多種服務(wù)政策的推動下，WiFi、WiMAX等各項寬帶接入技術(shù)的應(yīng)用場景必將從固定、游牧逐步發(fā)展到自由移動，給用戶提供可高速接入、自由移動的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，幫助人類實現(xiàn)夢寐以求的寬帶數(shù)字化的理想生活。

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