宽带WPAN接入带来的机遇与挑战

宽带WPAN接入带来的机遇与挑战

摘要：无线个域网(WPAN)目前以自成网络的内部应用为主，其与蜂窝网、互联网等多种网络共存和相互融合的问题还需要深入研究。多网融合必然要求网络和终端更加智能化，由于目前WPAN技术还不成熟，因而其实际应用将面临较大挑战，但这同时也是一次机遇，一旦解决了相关技术问题，有可能产生巨大的商机。 

关键词：宽带无线接入；无线城域网；无线局域网；无线个域网

编者按

全球通信的宽带化、无线化、个人化需求推动着无线接入的宽带化进程。由于便携式产品的发展和应用需求的迅速增长，促成了无线个域网(WPAN)技术的诞生，使无线接入的产业链更加完善。随着统一标准进一步形成，WPAN必然迎来一个全面兴盛的时期，成为运营商进入接入市场的新机会。

     信息产业快速发展，宽带接入技术不断涌现。各种宽带无线接入系统凭借其建设速度快、运营成本低、投资回报高等特点，受到了电信运营商的青睐。当前宽带无线接入的主要技术有：本地多点分配系统(LMDS)、多点多信道分配系统(MMDS)、无线局域网(WLAN)和蓝牙技术(Bluetooth)等。其中，LMDS和MMDS属于无线城域网(WMAN)技术，IEEE 802.16宽带无线访问标准工作组正在开发相应规范以标准化这些技术；WLAN标准主要指IEEE 802.11系列标准和HiperLAN/2标准；蓝牙则是目前无线个域网(WPAN)应用的主流技术。由于消费需求和应用场合的多样化，WMAN、WLAN和WPAN技术将互为补充，共同推进宽带无线接入市场的发展。

1 宽带无线接入技术

1.1 无线城域网

    目前属于WMAN应用的宽带无线接入系统(如LMDS、MMDS)缺乏统一的标准，彼此互不兼容。WMAN采用的技术多种多样，主要有正交频分复用(OFDM)技术、码分多址(CDMA)技术等。

    IEEE 802.16标准为解决上述兼容性问题而制定。该标准的2002年修正草案定义了3个主要WMAN网络类型，即：固定式、便携式和移动式，分别对应于标准IEEE 802.16、IEEE 802.16a和IEEE 802.16e。其中IEEE 802.16标准适用于视距传输，工作频率为10～66 GHz，应用于LMDS；IEEE 802.16a标准为超视距传输，工作频率为2～11 GHz，应用于MMDS；IEEE 802.16e标准工作频率为2～6 GHz，主要应用于蜂窝移动通信及3G。

    现阶段802.16标准制定工作的重点在IEEE 802.16e上面，目标是当低速轻巧的移动设备在跨越不同存取点时，仍能维持一定程度的网络漫游服务。

WMAN的宽带无线接入业务正迅速由北美和欧洲向世界其他地区扩展，为电信运营商拓宽网络接入市场提供了新的机会和前景。

1.2 无线局域网

    IEEE 802.11系列标准是WLAN事实上的标准，包括IEEE 802.11、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g。其中，IEEE 802.11b传输速率可高达11 Mb/s，采用2.4 GHz免执照频段，已在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用，是目前WLAN的主流标准；IEEE 802.11a是IEEE 802.11b的后继标准，峰值速率可达54 Mb/s，特别适合于室内及移动环境，有着更广的应用前景，被很多厂商看好；IEEE 802.11g可以在2.4 GHz频带上实现最高54 Mb/s的数据传输，与IEEE 802.11b保持兼容，并已经较好地解决了采用蓝牙技术和基于IEEE 802.11b标准的设备间相互干扰的问题。

    HiperLAN/2是欧洲电信标准化协会(ETSI)的宽带无线电接入网络(BRAN)项目组着手制定的高性能无线接入标准。HiperLAN/2对应于IEEE 802.11a标准，工作在5 GHz频带，调制技术也采用正交频分复用(OFDM)，与IEEE 802.11a在物理层兼容，使用一种动态时分双工技术，数据速率可高达54 Mb/s，并且能在高吞吐率下支持QoS，从而为视频、话音等实时应用提供支持。

    中国四大通信运营商均已进军WLAN领域，共同推进了WLAN市场的发展。2002年7月，信息产业部下发了《使用5.8 GHz频段频率的通知》，批准将5 725 MHz～5 850 MHz频段用

    作点对点或点对多点扩频通信系统、高速无线局域网、宽带无线接入系统、蓝牙技术设备及车辆无线自动识别系统等无线电台站的共用频段[1]。从政策上为WLAN在中国的进一步应用推广开辟了新空间。

1.3 无线个域网

    WPAN是继WMAN和WLAN之后提出的概念，其目标是解决如何让人们将网络随身携带的问题，核心是解决小区域的无线多媒体传输。

    成立于1999年的IEEE 802.15工作组[2]专门负责制定有关WPAN的标准，该工作组由4个小组组成。其中，IEEE 802.15.1负责蓝牙的标准化；IEEE 802.15.2研究WPAN和WLAN的互存性；IEEE 802.15.3制定高速WPAN标准；IEEE 802.15.4研究特别节电技术和低复杂度方案，应用领域主要为传感器、远端控制和家庭自动化等等。

    IEEE 802.15.1标准以蓝牙v1.1规范为蓝本，定义了蓝牙技术的媒体访问控制(MAC)层(包括L2CAP、LMP、基带)和物理层。IEEE 802.15.1一直在关注蓝牙特别兴趣小组的标准版本升级工作，以使得IEEE 802.15.1与蓝牙标准保持同步。蓝牙特别兴趣小组已于2003年底正式公布了蓝牙标准v1.2。

    IEEE 802.15.3于2003年6月完成了高速WPAN的MAC层/物理层标准制定。该标准具有以下特点：支持高达55 Mb/s的数据速率，可传送高质量视像和声音，支持服务质量保障，具有Ad hoc点对点网络特点，功耗和成本低。

    IEEE 802.15.4已通过第18轮修正草案。该标准具有以下特点：数据速率为25、40、250 kb/s，采用CSMA-CA机制，保证传输可靠性，提供最优的功率管理。

属于WPAN应用的蓝牙技术，由于其灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信，而成为目前的WPAN主流技术。在蓝牙特别兴趣小组的极力推广下，蓝牙技术正较快地渗透到PC、消费类电子产品以及垂直应用市场中。

    目前蓝牙仍被大多数业界人士誉为最具广阔前景的WPAN技术，其推广应用程度标志着无线个域网的实用化程度。

    正因如此，中国国家标准化管理委员会以“国标委[2002]41号”文将蓝牙技术列入2002—2003年国标制定计划，并授权信息产业部邮电工业标准化研究所主持起草该系列标准，体现了中国对蓝牙技术的重视程度。中国蓝牙标准制定工作组一直在密切关注蓝牙标准升级情况，以期与国际蓝牙标准同步。

    蓝牙的传输速率限制了其应用拓展，成为影响该技术全面普及的最主要因素，而IEEE 802.15.3由于比蓝牙具有更高的数据速率、更全面的业务及QoS支持、更短的连接时间等特点，得到了业界的广泛关注。然而，虽然IEEE 802.15.3标准制定工作已经完成，但据IEEE 802.15标准小组负责人介绍，使用IEEE 802.15.3标准的通信设备在2004年年底才可能推出，估计芯片价格会在100～150美元之间。

2 宽带WPAN接入技术问题

    在互为补充的3种宽带接入技术中，WMAN和WLAN相对成熟，已开始占据宽带无线接入市场。相对于WMAN和WLAN来讲，WPAN目前还以自成网络的内部应用为主，其接入技术还不够完善，在无线接入方面的应用拓展较为缓慢。中国应该及时抓住这个机遇，加强力度研究并完善WPAN接入技术。

2.1 WPAN的网络结构

宽带WPAN是典型的Ad hoc网络，其工作环境有时非常简单，有时却非常复杂。网络中所有设备的地位都是平等的，可以随时组成一个小区域网络。宽带WPAN中的任一设备可以与其前、后、左、右、上、下的类似设备构成网络，通过“多跳”可以扩展其应用空间和功能，设备有固定、半固定、小范围移动、较大范围移动等情况，需要考虑越区切换。因此，WPAN网络结构的研究非常重要。图1是WPAN的网络结构[3]示意图。

2.2 WPAN与蜂窝网的融合

    在WPAN与蜂窝网的接入技术得到解决的情况下，WPAN在室外空间的应用将会非常广阔。WPAN与蜂窝网的融合可以扩大整个系统的容量，平衡相邻小区的业务量，减少基站的数目，减小移动终端的功耗，并可拓展蜂窝网的新应用。
    在一个WPAN与蜂窝网融合的系统结构中通常将基站覆盖区域分为3个部分：第1部分是高速率TDD区域，该区域内的移动终端能够以高速率进行数据传送；第2部分是低速率TDD区域，该区域内的移动终端只能以较低的速率进行数据传送；第3部分是基站无法覆盖的区域，该区域内的移动终端由于接收不到基站发送的同步信息而无法进行数据传送。3个区域内的移动终端都可以基于Ad hoc网络协议在一定范围内直接通信，或者由多个微微网组成散布网络，实现相互间的通信。

3 需要深入研究的问题
    针对WPAN与蜂窝网多网融合的系统结构，本文认为研究以实时优化为核心内容的各种自适应算法，研究宽带WLAN、WPAN无线接入技术，研究多网共存情况下的网络容量以及终端设备的优化设计问题，研制实验系统和相应的设备至关重要。具体而言，应该对如下课题展开深入研究：

(1)研究宽带WPAN的网络结构，包括WPAN空间拓扑结构、移动自组织网络关键技术等。

(2)研究关键算法，包括信息速率的自适应算法、跳频图案和跳频速率的自适应算法、链路自适应算法、频率选择自适应算法等。

(3)研究与开发宽带WPAN共享访问协议，包括WPAN协议总体结构的研究，若干关键软件模块的研制与开发。

⑷研制实验演示系统，验证研究开发的内容，并在该系统中进行多址方式、高效调制方式、射频模块、多载波传输等内容的研究。

(5)研究移动自组织网与蜂窝网融合技术，重点研究随机驱动多址接入(ODMA)技术。ODMA作为UMTS TDD 模式的补充，用于在TDD蜂窝网中小区的边缘为移动终端提供较高的数据速率，达到增加高速率数据服务范围的目的。将ODMA与移动自组织网络有机结合，取长补短，相互补充，可以有效地扩展3G系统的新应用范围。

(6)研究基于TD-SCDMA的移动自组织系统。系统采用ODMA多跳转发技术和自适应路由选择算法专用按需距离向量(AODV)路由协议，能够为3G系统提供多种全新应用，实现移动终端与移动终端之间的直接通信、多跳通信，并能支持与现有3G系统间的无缝切换与漫游。

4 结束语
    虽然目前宽带无线接入市场还处于起步阶段，但是宽带无线接入技术的发展极为迅速。机遇与挑战并存。中国的相关研究部门应当积极开展相关课题的研究，通过研究产生中国自主的知识产权，为形成中国的宽带WPAN标准做出贡献，或使中国在这一领域的研究至少与国际上保持同步。相信只要在这一领域广泛深入地开展研究，密切关注国外行业动态，加强各方面的合作，就一定能在国际上争得更多的宽带无线接入方面的发言权。