LMDS拓宽“最后一公里”

 
1．  引言<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

随着Internet的高速普及与多媒体技术的飞速发展，用户对带宽的要求越来越高。目前各国的核心网络建设均初具规模，以光缆为主体的主干通信网基本可满足当前通信的需求。而突出的矛盾体现在接入网方面，即用户与核心网络的连接部分。理论上，全光纤接入网络将是比较完美的解决方案。然而，全光纤接入实现上对接入网络的要求过高，即使在发达国家也还远远未能实现。目前只能做到光纤到路边(FTTC)或者光纤到大楼（FTTF），并且FTTF也只是很小的一部分。据最近的统计资料表明，在美国460万商业大楼中，FTTF只有1％。而事实上，商业、企业中约95％以上的是少于20个雇员的中、小型企业，向这类中小型用户提供光纤接入，经济上并不合算。目前主要是采用光纤同轴混合模式（HFC）接入。然而由于价格和法规等因素，使得混合接入实现起来困难重重，并且其带宽依然受限。因此有线接入无论从带宽还是技术上都显得力不从心。由此产生了所谓的“最后一公里（Last-mail）”问题。
2．  “最后一公里”问题

2.1什么是“最后一公里”问题？

“最后一公里（Last-mile）”问题的提出是因为光纤网的发展产生的。 “最后一公里”最早是指电信服务商在公用模拟电话通信网建设中接入工程的入户部分，真正的“最后一公里”是指从光节点到每个用户家庭之间不大于2公里的距离。由于光纤能够提供极高带宽（目前实用的只有1吉赫兹（GHz）左右，只是它带宽的极小一部分），而传统的电话线带宽只有几十千赫兹（kHz），因此从光节点到用户终端之间的狭窄信息通道就形成接入网络的“瓶颈”，从而导致信息传输速度缓慢。这就是一直困扰着相当一部分用户和电信运营商的“最后一公里（Last-mail）”问题，也是通信向宽带、智能、个人化方向发展的主要瓶颈。
2.2 现有接入技术在解决“最后一公里”问题上的局限

现有的网络接入有多种实现途径，最常见的是电话线接入，还可以通过有线电视网、卫星通信网等途径接入。电话线接入之所以拥有最广泛的应用范围，关键在于电信系统的电话线路普及。但是它却有着几个极大的问题：
1)      由于传统电话线路最大只支持64kb/s的传输速率，加之用户众多，所以线路常常拥挤不堪，速度其慢无比，令人无法忍受。
2)      电话线路是模拟线路，只能传送模拟信号。若要提供数据业务，必须进行A/D、D/A转换，这样一来变得很不稳定，经常会出现断线现象。
因此，电话线根本无法实现宽带接入。目前在国际上普遍采用的宽带接入方案有以下几种： FTTH（光纤直接入户）、ADSL（非对称数字用户线路）、Cable Modem（线缆调制解调器）、局域网接入等技术。在国内，由于光交换设备昂贵和技术等因素造成光纤入户成本极高且劳民伤财； ADSL接入方案对线缆质量的要求比较高，也不便于将来的技术升级，且始终未能突破非对称传输的瓶颈；Cable Modem接入方案是一种在美国普遍采用的宽带接入方案，由于美国人口稀少，居住分散，而Cable Modem可以完成30-40公里范围内的宽带接入问题，因此Cable Modem接入方案是一种比较适合美国国情的技术。然而我国的居住情况却是城市人口密度大，在相对较小的范围内拥有众多的住户，这时的宽带接入是解决“最后一公里”问题，而不是30-40公里的距离。
因此有线接入在解决“最后一公里”问题时就显得捉襟见肘了。随着无线通信技术的迅速发展，一种提供通信容量接近于光纤，号称为“无
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线光纤”的新兴无线接入技术异军突起，这就是本地多点分配业务——LMDS。
3．  LMDS技术简析
本地多点分配业务又称为本地多路分配业务(Local Multipoint Distribution Service,缩写成LMDS)是宽带无线接入系统的代表。“本地多点分配业务”中各个词都有其自身的含义。

“本地（Local）”其实就是指单个基站所能够覆盖的范围。LMDS因为受工作频率和电波传播特性的限制，单个基站在城市环境中所覆盖的半径通常小于5公里；

“多点（Multipoint）”是指信号由基站到用户端是以点对多点的方式传送的，而信号由用户端到基站则是以点对点的方式传送；

“分配（Distribution）”是指基站将发出的信号（可能同时包括话音、数据及Internet、图像业务）分别分配至各个用户；

“业务（Service）”是指系统运营者与用户之间的业务提供与使用关系，即用户从LMDS网络所能得到的业务完全取决于运营者对业务的选择。

LMDS以广播方式提供高速率、大容量、点对多点的高可靠性全双工的宽带无线接入，利用无线信道代替有线电缆，以无线通信方式解决从数据骨干网、本地交换机到用户之间的接入问题，通过地面转接站而不是卫星来转发数据。它基于毫米波技术提供业务，工作在28GHz附近频段（80%左右的国家将27.5GHz～29.5GHz定义为LMDS的频段）。可用的带宽达到1GHz以上，几乎可以提供任何种类的业务，并支持ATM、TCP／IP和MPEG-2等标准，具有很高的可靠性。由于LMDS具有更高带宽和双向数据传输的特点，可提供多种宽带交互式数据及多媒体业务，克服传统的本地环路瓶颈，满足用户对高速数据和图像通信日益增长的需求，被誉为是空中的ATM及IP的延伸，因此是解决通信网接入问题的利器。

3.1  LMDS的工作原理

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中频信号

中  频 载波源

中  频 调制器

功率 中放

微  波 上变频

微波功放

微  波 滤波器

天线 振子

码型变换

微波本振

终端设备信号

LMDS室内单元

LMDS室外单元

图1  LMDS设备发信原理框图

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LMDS采用一种类似于蜂窝状的服务区结构，将一个需要提供业务的地区划分为若干个服务区。每个服务区内设基站，基站设备经点到多点的无线链路与服务区内的远端站（用户端）进行通信。LMDS设备发信原理如图1所示。

基站和远端站之间下行复用方式为时分复用（TDM）或频分复用（FDM），上行为时分多址接入（TDMA）或频分多址接入（FDMA），也可以采用码分多址（CDMA）接入。射频调制方式为正交相移键控（QPSK）或正交幅度调制（QAM）。基站和远端站又分别分为室内单元和室外单元两部分。室内单元提供与业务相关的部分（如业务的适配和汇聚），将来自终端设备的信号经过码型变换后，在中频调制器中对中频载波进行调制，以获得中频调制信号；室外单元提供基站和远端站之间的射频传输功能，包括射频收发器和射频天线两部分。射频收发器将来自室内单元的中频信号进行上变频，调制到射频频带，通过微波滤波器输出射频信号到射频天线进行发射。由于无线信道中存在多径效应以及随机干扰，使得无线信道的传输性能比较恶劣，所以发送端一般采用RS编码加交织的方式，提高系统的纠错性能。
3.2  LMDS系统结构

图2   LMDS系统组成

一般地，一个完善的LMDS系统由电信骨干网、基站、远端站和网管系统(NOC)四部分构成。LMDS系统组成如图2所示。

1)    
基础骨干网又称为核心网络。为了使LMDS系统能够提供多样化的综合业务，此骨干网络可以由光纤传输网、ATM交换机、IP交换机或IP+ATM架构而成的核心交换平台以及与Internet、公共电话网（PSTN）的互连模块等组成。各个基站的数据送入骨干网络，完成话音交换、ATM交换和IP交换等，并连入国际出口。

2)      基站设备由多个扇区设备组成。每个扇区分室外单元（ODU）和室内单位（IDU）两部分。室外单元包括天线、微波收发模块；室内单元包括调制解调模块、网络接口模块。其中网络接口模块提供与电信骨干网的接口，如ATM、IP、Frame Relay（帧中继）、PSTN、ISDN等，并实现信号在骨干网络与无线传输之间的转换。
LMDS系统的基站采用多扇区覆盖，使用在一定角度范围内聚焦的喇叭天线来覆盖用户端设备。LMDS系统根据采用天线的不同，可划分为15度、22.5度、30度、45度、60度、90度的扇区，即最少4个扇区，最多可达24个扇区。基站室内单元将来自各扇区不同用户的上行业务进行汇聚复用，提交至不同的业务结点，而后由网络接口模块完成用户业务的接入服务。
3)     远端站(也称为用户终端)设在用户驻地，可以是小区或家庭用户。同样由室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成。室外单元包括定向天线、微波收发模块；室内单元包括调制解调模块、网络接口模块（NIU）。室外单元的定向天线定向地接受来自本扇区基站天线的信号，室内单元将来自用户驻地网的业务适配、汇聚，而后通过中频电缆传送到室外单元，并通过无线链路传送到基站；在相反的方向，室内单元从下行业务中提取本站业务，分送给用户。网络接口模块为各种用户业务提供接口，并完成复用／解复用功能。

4)     网管系统是整个LMDS系统的监控中心，负责完成告警与故障诊断、网络配置、系统计费、性能分析和安全管理等功能。

3.3  LMDS提供的业务
LMDS的宽带特性，决定它几乎可以提供任何种类的业务，包括话音、数据和图像等。同时还可以提供承载业务，如蜂窝系统或PCS／PCN基站之间的传输等。

1)     话音业务  LMDS系统是一种高容量的点对多点微波传输技术，可提供高质量的话音服务，而且没有时延。系统可提供标准接口，如RJ-11、10Base-T等。

2)     数据业务  LMDS系统的数据业务包括低、中、高速3档。低速数据业务，1.2～9.6kb/s，能处理开放协议的数据，网络允许从本地接入点接到增值业务网；中速数据业务，9.6kb／s～2Mb/s，这样的数据接口通常是增值网络本地接点；高速数据业务，2～155Mb／s，BER低于10－9。提供这样的数据业务必须有以太网和光纤分布数据接口。

3)      图像业务  LMDS可支持模拟和数字图像业务，如远程医疗、高速会议电视、远程教育、远程商业及用户电视、视频点播（VOD）等。可提供的图像信道包括150条远程节目、10条本地节目。系统的信号可以从卫星来，也可以是本地制作的；可以是加密的，也可以是未加密的。
3.4  LMDS系统的优势

LMDS本质上是一种固定宽带无线接入技术，因此它具有宽带和无线接入这两方面的优势，具体体现在：

1)     工作频带宽，可提供宽带接入。目前，各国分配的LMDS工作频带带宽可达1GHz，比蜂窝通信系统（50MHz）、PCS系统（140MHz）、MMDS系统（140MHz）等的带宽高得多，可支持的用户接入数据速率高达155Mb/s，能够满足用户对通信带宽日益增长的需求。

2)     频率复用度高、系统容量大。多扇区基站可以更有效地利用频谱，进一步扩大系统容量。如果采用极化复用，可以进一步增加系统容量。LMDS基站的容量很可能超过其覆盖区内可能的用户业务总量，因此，LMDS系统很可能是一个“范围”受限系统而不是“容量”受限系统。所以LMDS系统特别适于在高密度用户地区使用。

3)     系统扩容灵活。当用户增加时，可以通过增加每扇区的载波数量或者采用角度更小的扇区天线来细化扇区，也可以将两种手段结合，都可大幅度提高系统容量。

4)     具有毫米波通信的优点。毫米波通信方向性好，性能稳定，受外界干扰较小。由于工作在毫米波波段，天线口径及射频前端设备体积可以做得很小，减少了设备的复杂性，这对用户端尤为重要。

5)     具有无线通信系统一般具有的优势。如建设成本低、启动资金较小、建设周期短、投资回收快、网络运行和维护费用低等特点。

3.5  LMDS系统的局限性

 LMDS工作在毫米波频段,使它具有毫米波通信所固有的一些局限：

1)     LMDS服务区覆盖范围较小，不适合远程用户使用。毫米波在自由空间传播损耗很大。在实际的传输中还要受到反射、折射、散射和吸收等因素的影响，使得传播损耗更大。因此，LMDS的典型覆盖半径为3～5公里。

2)     需要视距传输。毫米波波长较短，只适合视距传输。为了避开新的高层建筑可能要频繁调整置于楼顶或者塔顶的LMDS收发设备，这必将增加网络维护的费用。

3)     由于工作频率高，通信质量受雨、雪等天气影响较大，严重时会导致通信中断。

4)     高频段的基站设备相对比较复杂，价格较贵，所以在用户少时，每个用户的平均成本较高。

5)      技术仍不完善。目前提供LMDS网络设备的厂家相当有限，设备性能也存在欠缺。并且国际上尚无统一的LMDS空中接口标准，使得不同厂商的设备互联互通存在不少问题。
4．  结束语

LMDS是一种崭新的宽带无线接入技术，虽然还有一些相关的技术问题没有得到很好地解决，国际上也没有统一的标准和规范。但是因它具有大容量、多业务、易建设、见效快等诸多优势，所以引起了国内外众多电信运营商的广泛关注。在光纤入户一时不能实现的情况下，LMDS无疑是解决“最后一公里”问题的一个较好的方案。