宽帯无线接入技术在科能融合应急通信中的应用

       无线接入是指在接入网中部分或全部采用无线手段实施的接入方式。按照支持速率的不同，无线接入可以分为窄带无线接入和宽带无线接入（Broadband Wireless Access,BWA）O传统的窄带无线接入是指接入速率小于2Mbit/s,主要解决语音接入和低速数据接入的无线接入系统。宽带无线接入则主要是指接入速率可以达到2Mbit/s及以上的系统。按照是否支持终端的移动性，宽带无线接入技术可以分为固定无线接入、游牧无线接入和移动无线接入。

       窄带无线接入主要提供语音业务和低速的数据业务，接入网设备一般接入PSTN交换机。在众多窄带无线接入技术中，空中接口釆用PHS制式的无线市话系统曾经发展较多用户数，规模也较大，SCDMA制式的无线接入应用从2003年开始呈现上升趋势，在我国部分城市有一定应用。但由于在资费上和技术上已经不具备优势，目前这两种制式的窄带无线接入用户已经呈快速下滑的态势，将逐步退出市场。

       近年来随着互联网的飞速发展，用户数据业务量逐步增长，宽带无线接入技术也开始稳步发展。与传统仅提供窄带语音业务的无线接入技术不同，宽带无线接入技术面向的主要应用是IP数据接入。宽带无线接入技术的出现源于互联网的发展和用户对宽带数据需求的不断增长，网络能力正经历从固定无线接入到移动无线接入的发展过程。其中，固定宽带无线接入技术中占主流的是以3.5GHz无线接入、固定WiMAX为代表的技术，在我国应用规模有限，主要定位于有线手段的补充，提供点对多点传输。

       各个国家从1999年开始纷纷为宽带无线接入分配频率，其中主要包括：2.5GHz、3.5GHz、5GHz、24GHz.26GHz等频段。北美国家主要分配了2.5GHz,欧洲国家则主要分配了3.5GHz频率资源。我国为BWA分配的频率资源包括：3.5GHz.5.8GHz.2.4GHz.1.8GHz、26GHzLMDS,其中5.8GHz为扩频通信系统、宽带无线接入系统、高速无线局域网、蓝牙系统等共享的频段，2.4GHz为ISM频段，其余频带是宽带无线接入专有频带。

       我国政府已经为宽带无线接入分配的频率资源如下：

       1）3.5GHz频段：2000年，我国无线电管理局在3.5GHz频段分配了30MHzx2的带宽用于固定无线接入（信无〔2000〕88号）。3.5GHz固定无线接入系统使用的FDD（频分双工）工作频率为3400〜343OMHz/35OO~3530MHz。其中终端站发射频段为3400~3430MHz,中心站发射频段为3500~3530MHz,双工间隔为100MH"可采用的波道配置方案有4种，分别为：l.75MHz、3.5MHz、7MHz,14MHzo

       2）本地多点分配系统（LMDS）：2001年8月，我国政府公布了LMDS试行频段，规定了FDD方式的LMDS无线接入系统允许使用的频率为24507~25515MHz（下行）/25757~26765MHz（上行），双工间隔为1250MHz,共计1008MHzx2o可以采用4种基本波道配置：3.5MHz、7MHz.14MHz和28MHz。该技术由于工作频段较高，应用较少。

       3）5.8GHz频段：在信部无〔2002〕277号文中，规定了5725~5850MHz这一频段的使用，允许点对点或点对多点扩频通信系统、宽带无线接入系统、高速无线局域网、蓝牙系统等共存。该频段介于开放频段和许可频段之间，频段的使用需要报备，可以用于公众网无线通信和专网通信。

       4) 2.4GHz频段：2400~2483.5MHz为ISM频段。在工信部〔2002〕353号中，我国政府规定该频段作为无线局域网、无线接入系统、蓝牙系统、点对点或点对多点扩频通信系统等各类无线电台站的共用频段。这些业务均为主要业务，该频段为开放频段。

       5) 1.8GHz频段：信部无(2003)408号中，规定了时分双工(TDD)方式无线接入系统的工作频段为1785~1805MHz。该频段主要用于本地公众网无线接入。在工信部无(2008)332号文件《关于固定无线视频传输系统使用频率的通知》中，增加2400~2483.5MHz、5725~5850MHz、1785~1805MHz频段可以支持固定无线视频传输业务的应用。在该文件中，对于1785-1805MHz频段，信道带宽允许支持nx250kHz,n最大为4,即该频段的设备信道带宽最大为1MHz。

       应急通信场景下有线通信设施往往遭到破坏或无法满足需要，因此科能融合应急通信应用必然要依赖于无线网络解决方案，其中宽带无线接入具有不可忽略的作用。

       应急通信的应用场景较为特殊，因此对宽带无线接入技术系统的主要需求在于：

1. 能够快速部署和快速实施，适用于各种复杂环境

       科能融合应急通信系统最重要的要求是对紧急事件的响应能力足够快，因此要求宽带无线接入系统必须能快速部署和快速实施，系统从部署到运行的时间足够短。同时要求系统的环境适应能力要强，能够适用于各种复杂地理和恶劣天气环境，通信的信号足够强，可以克服障碍物的影响，通信范围要求比较大。

2. 多数场合下要支持移动性

       在多数科能融合应急通信场合中，工作人员处于移动状态，因此要求宽带无线接入系统能支持用户移动特性。

3. 支持宽帶数据的传输

       现代科能融合应急通信系统对宽带的需求越来越突出，传统以语音为主的应急通信系统已无法满足要求。例如现场视频监控业务，要求系统能实时传输科能融合应急通信现场的情况，以便指挥人员了解现场情况进而做出下达相应指挥命令，因此要求宽带无线接入系统具备足够的上行带宽，支持图像、视频和宽带数据传输。

4. 具有多种类型的终端

       为满足应急无线通信系统的复杂机动环境需求，宽带无线接入系统应支持各种类型的终端，包括车载台、机(直升机)载台、单兵设备、手持机等。

5. 具有高可靠性高安全性

       宽带无线接入系统应具备高可靠性，尤其是在复杂应急环境、恶劣天气环境中对设备的适应性和可靠性要求更高。系统应能够通过相关措施，例如端到端加密或其他方式等，保证重要数据传输的高安全性。

        宽带无线接入技术可以满足对移动视频监控、车辆/人员定位、移动指挥车科能融合应急通信等业务需求，利用宽带无线接入系统快速部署固定或机动无线宽带基站，成本低、工作灵活、覆盖范围大、通信能力强，支持视频图像和数据的实时传输，能够满足现代科能融合应急通信需求。

      1.固定宽带无线接入系統在科能融合应急通信中的应用（见图5-44）

        固定无线接入系统由基站（BS）、用户站（SS）组成，采用点对多点拓扑结构。当固定无线接入系统应用在科能融合应急通信时，主要提供固定多点的视频监控业务。在需要进行视频采集的地点安装用户站（SS）,通过SS将视频监控获得的信息上传到基站，进而通过互联网或者专网传至远端监控指挥中心。

图5-44     固定宽带无线接入系统在科能融合应急通信中的应用示例

2.移动宽带无线接入系统在科能融合应急通信中的应用

       移动宽带无线接入系统由基站（BS）、移动台（MS）组成，采用点对多点拓扑结构。移动宽带无线接入系统能支持高速数据传输，支持终端的移动性。针对科能融合应急通信，可以开发出多种特性的终端，适应不同的环境要求。

       移动宽带无线接入系统应用在科能融合应急通信，示例如图5-45所示。现场指挥中心与现场各用户终端采用一对多的通信方式，与拓扑结构正好吻合。移动宽带无线接入系统可以提供多种业务，提供各种类型终端的接入能力。

        2008年，我国中科院研制的MiWAVE系统成功应用于四川抗震救灾。该系统覆盖范围广、易接入、吞吐量高、架设方便和即插即用的特点使其可在灾区快速布设，实现各救援分队、救灾指挥点、新闻站之间的宽带连接，保证了灾区内外的通信顺畅和信息交换。

       在四川抗震救灾中，MiWAVE系统主要应用在：

1. 唐家山堰塞湖远程无线视頻监控（应用示例见图5-46）

        应用在唐家山堰塞湖远程无线视频监控的MiWAVE系统主要功能是实现远程无线视频监控，即对堰塞湖相关敏感区域进行实时多路视频监控，并远程传输到指挥部。该系统能够满足现场人员宽带上网需要，且传输通道使用了宽带无线接人技术及卫星。

       远程宽带无线视频监控系统由前端无线视频单元、基站和后方监控指挥中心3部分组成。前端无线视频单元包含前端视频釆集组件（含远距离可变焦摄像机、云台、视频编码器），MiWAVE无线终端和应急供电设备（含太阳能或柴油发电机、蓄电池组、电源逆变

图5-45   移动宽带无线接入系统应用在科能融合应急通信中的应用示例

图5-46   唐家山宽带无线科能融合应急通信组网示意图

器）。多个前端无线视频单元的数据/视频业务流通过无线终端接入MiWAVE基站设备，基站可通过卫星、宽带无线域网和地面固网等多种接入方式将视频信号转发至后方监控指挥中心和骨干网，指挥中心可以直接操控前端视频采集设备的云台方向、图像焦距，并可以通过互联网与前方现场进行语音/数据交互。后方指挥中心由互联网接入网关，视频显示设备、计算机、指挥调度软件系统组成，通过集中各个方向现场的数据、视频情况，指挥中心可以及时了解现场状况，协调现场资源，并根据实际情况作出指挥调度。

2.北川无线科能融合应急通信（应用示例见图5-47）

       在北川中学和北川县半山坡架设两个基站，基站通过地面卫星接收设备音视频据和其他宽带数据传至互联网。MiWAVE移动台分布于北川县抗震救灾指挥中心、新闻中心、疾控中心、医院等救援部门，用户可通过移动台上网、召开视频电话会议，也可对灾区现场做远程视频监控。

 

三、宽带无线接入技术简介

3.1 McWiLL技术

       SCDMAV3综合无线接入系统，俗称“大灵通”，主要支持语音业务、短信业务和低速数据业务。SCDMAV3系统自2003年开始投入商用，前几年在我国部分省市有一定应用。我国应用在“村村通”工程中的无线接入制式也首推SCDMA400MHz无线接入系统，主要用于解决我国部分农村不通电话的局面。

        McWiLL为SCDMAV5系统，在SCDMA技术基础上，采用了CS・OFDMA方式，并进一步采用了智能天线增强技术，也称为SCDMA宽带无线接入系统。

1.系统参考模型

        图5-48为SCDMA宽带无线接入系统功能参考模型。系统采用点对多点拓扑结构，由用户终端（UT）、SCDMA接入服务网（SCDMA Access Service Network,SASN）等逻辑实体组成。SASN为接入到SCDMA宽带无线接入系统的用户提供完整的无线接入网络功能，由一个或多个基站（BS）,一个或多个SAG（Service Access Gateway,业务汇聚网关）、AUC（Authentication Center,鉴权中心）和UDB（User Data Base,用户数据库）等功能模块组成，SASN对外连接到不同的业务网络，为用户提供语音、数据等业务。

       其中：

       UT：UT功能模块是SCDMA宽带无线接入系统的终端模块，通过空中接口接入到网络,为用户提供相应的语音、数据等业务，同时提供必须的人机界面。

       直放站（RPT）：直放站主要完成基站和终端之间无线信号的中继转发任务，以达到扩大无线基站覆盖范围的目的，是SCDMA宽带无线接入系统的可选设备。

图5-48    SCDMA宽带无线接入系统功能参考模型

       SASN：SASN定义为一套完整的网络功能集合，为SCDMA宽带无线接入系统用户提供无线接入功能，并接入到不同的业务网络。SASN包括基站、SAG、AUC和UDB等功能模块。

       基站：基站用于处理SCDMA宽带无线接入系统空中接口，支持SCDMA空中接口物理层和MAC层功能。基站通过以太网接口接入到C’SN（ConnectivityServiceNetwork,连接业务网）为用户提供数据业务，此时基站作为二层数据设备对数据业务中的分组数据进行透明转发。

       业务汇聚网关（SAG）：SAG采用SIP协议接入软交换机，作为用户的SIP代理为其提供语音业务。SAG提供的语音业务基于SCDMA宽带无线接入系统空中接口数据链路层语音接入控制子层（VAC）功能来实现，SAG完成VAC与SIP的协议转换，此时SAG为必选设备。对于VoIP业务，其信令和媒体数据由IP协议承载，SCDMA接入业务网只进行透明传输，此时不需要SAG设备。

       鉴权中心（AUC）功能模块：AUC功能模块实现密钥管理、用户终端设备认证、授权和语音用户认证功能。鉴权中心是SCDMA宽带无线接入系统的逻辑实体，可以作为一个独立实体存在，也可以作为其他实体的内部模块存在。

       用户数据库（UDB）功能模块：UDB功能模块负责存储用户位置信息和业务签约信息。用户数据库是SCDMA宽带无线接入系统的逻辑实体，可以作为一个独立实体存在，也可以作为其他实体的内部模块存在。

       连接业务网（CSN）：CSN定义为一套网络功能的组合，为用户提供数据业务。CSN提供的主要功能有：为终端分配IP地址；提供互联网接入；为用户建立数据业务的会话连接；AAA功能；用户计费以及结算。CSN可以由路由器、AAA代理或服务器、宽带接入服务器、互联网网关设备等组成。可以完全利用现有的网络设备实现CSN功能。

       SMC：短消息中心，为手持终端用户提供短信服务，为可选设备。

       SS/MG/SG：软交换网络相关设备，即软交换机、媒体网关、信令网关，为用户提供语音服务。

       网元管理系统(ElementManagementSystem,.EMS):EMS是SCDMA无线接入服务网中各设备、终端的管理实体，完成设备的配置管理、性能管理、故障故障、安全管理等功能。

2. 关键技术

McWiLL系统的主要技术参数如表5-5所示。

技术	McWiLL	移动性	中低车速
多址方式	CS-OFDMA	小区间切换	支持
双工方式	TDD	峰值速率	15Mbps（5MHz 带宽）
带宽/MHz	1 ~5	调制方式	QPSK、8PSK、16QAM、64QAM
FFT	256（1 MHz 带宽）,1024（5MHz 带宽）	信道编码	RS编码
可用子载波数	128（1 MHz 带宽）	链路自适应	AMC、功率控制
帧长	10ms	QoS	支持
频段	400MHz、1.8GHz	省电模式	支持睡眠模式
天线增强技,术：	智能天线

       McWiLL系统采用了CS・OFDMA技术。CS-OFDMA是Code Spreading Orthogonal Frequency Division Multiple Access的缩写，结合了CDMA技术和OFDMA技术。

       CS-OFDMA基本原理如图5-49所示。带宽为5MHz的载波被划分成5个1MHz的子载波组。每个子载波组被分成128个子载波(tone),这128个子载波又被均匀分成8个子载波集合，每个集合包含16个子载波。在调制过程中，每个用户调制信号的连续V个符号经过一个扩频系数为8的正交码扩频调制，扩频调制后的N个信号相加产生8个码片信号。之后，从8个子载波集合中选取一个子载波，把8个码片信号分别调制到对应的子载波上。

图5-49     CS-OFDMA基本原理

       CDMA系统可以有效地对抗信号衰落和小区间干扰，OFDM系统可以有效对抗多径衰落。CS-OFDMA技术综合了CDMA技术和。FDMA技术的优势，可以有效抗多径衰落、信号衰落和小区间干扰。

       McWiLL系统采用自适应调制技术，支持QPSK、8PSK、16QAM、64QAM4种方式。根据信道条件、干扰和噪声水平等条件，自适应选择合适的调制方式。

       McWiLL系统采用了智能天线技术。智能天线将根据接收到每个终端的上行信号计算出每个终端的空间信道特征，并使用这些信息进行上行波束赋形和下行波束赋形，从而达到信号“定向”发射和“定向”接收的效果。利用智能天线的下行波束赋形不但可以节省大量的射频发射功率，而且对空间位置上相互隔离的其他终端只产生很小的干扰，可以提升覆盖能力。利用空间波束赋形，很大程度上减少了用户间干扰和小区间干扰。在McWiLL系统中，采用了干扰零陷技术用于抑制来自相邻基站的同频干扰，即通过在干扰方向上产生接收信号空间零陷，从而抑制干扰信号。由于系统采用了TDD工作模式，在上行链路和下行链路上都采用零陷技术，可以最大程度上减少相邻基站的同信道干扰。

3. 产业化和应用情况

目前McWiLL产品主要包含：

（1） 终端产品

       2007年11月大唐微电子公司生产的专用芯片DTT6C01B正式发布，吸引了多个终端设计和生产厂商投入McWiLL的终端产品开发，包括信威、英华达、普天宜通，以及民航中天、首科软件、集能科技等行业终端设备商。

目前开发的终端类型有：

       1）CPE终端，包括1MHz、2MHz和5MHz等不同带宽，可分别提供3Mbit/s、6Mbit/s和12Mbit/s的峰值速率。

       2）卡类终端，包括USB卡、PCMCIA卡、CF卡等便携式无线Modem卡类产品。

       3）便携类终端：包括McWiLL单模手机、McWiLL/GSM双模手机、智能手机、PDA等产品，可以提供语音通信和数据通信功能。

       4）行业手持终端，包括McWiLL单模、McWiLL/GSM双模，以及集成了Wi-Fi/GPS/Bluetooth/RFID等多模技术的手持终端，面向行业生产调度作业指挥应用，主要功能包括集群调度语音、数据调度指令、跟踪定位、视频发送等。

       5）模块类终端，提供标准工业接口的通用集成模块产品，主要面向各种行业终端集成应用。

       6）车载终端系列：同时提供语音和宽带数据功能。

       7）无绳终端系列：同时提供语音和宽带数据功能。

（2） 无线网络设备

        目前无线网络产品主要包括基站产品、直放站产品、室内分布系统产品等。

        宏基站产品釆用8单元智能天线、单载扇5MHz,提供15Mbit/s峰值净吞吐率。目前该平台产品已商用。

        光纤拉远基站采用BBU+RRU光纤拉远结构。BBU最大处理能力支持12个射频通道，最大容量支持3个RRU载扇，提供3xl5Mbit/s系统容量，300个并发信道。

        微微蜂窝基站，室外型双天线，典型覆盖范围100-200m,峰值吞吐率15Mbit/s,支持30个并发信道。

补盲和室内分布系统产品，包括光纤拉远直放站、射频直放站、干线放大器等产品。

        整体看来，McWiLL技术在国内外市场已经取得了一定的应用。

        国内市场主要是行业专网和无线数字城市。行业专网包括机场、油田、电力、港口、铁路、航运等，通过无线宽带接入手段实现远程数据采集、设备运行状态监控、现场视频监控、生产人员指挥调度、作业流程控制等功能。在首都机场，McWiLL系统和无线站坪运营控制系统联合提供资源定位、信息发布、资源调度、语音对讲、视频监控等业务。

        2008年6月，在青岛国际帆船赛上，釆用McWiLL系统，实现了海上比赛图像的实时回传，无线带宽达到3Mbit/so在2008年8月奥运会帆船比赛项目中，原中国网通利用Me-WiLL系统，为奥帆委提供了海上比赛移动视频实时无线回传服务。

        国际市场方面，McWiLL主要面向国际新兴运营商市场。在东南亚、非洲、南美等一些发展中国家，由于其电信基础设施落后，特别是固网电信普及率低，语音和宽带接入业务都存在较大的市场空间。McWiLL系统能同时支持高速语音和宽带数据业务，提供低成本、全业务、端到端的解决方案，适合于上述地区的新兴电信运营商和专网运营商发展差异性业务。到2008年，McWiLL已经在喀麦隆、尼日利亚、斯里兰卡、巴西、缅甸等多个国家建网运营。

1.固定WiMAX和移动WiMAX技术

        固定WiMAX技术是指以IEEE802.16-2004（俗称16d）为空口规范的宽带无线接入技术。IEEE802.16-2004对10~66GHz频段和＜llGHz频段的固定宽带无线接入空中接口物理层和MAC层进行了详细规定，于2004年颁布。

        IEEE802.16-2004标准采用了OFDM调制方式。OFDM频谱利用率高，在抵抗多径效应、频率选择性衰落和窄带干扰上具有明显的优势，是目前集中在3.3GHz/3.5GHz频段的IEEE802.16-2004系统采用的主要物理层方式。

       IEEE802.16-2004标准未定义载波带宽，可以工作在1.25~20MHz之间；对系统的双工方式也未进行规定，可以在FDD、TDD或者H-FDD方式下工作。具体载波带宽和双工方式应符合各国管制规定。标准定义了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM调制方式，适应不同传输距离和带宽的需要，支持自动编码调制。在典型信道带宽lOMHzT,若采用64QAM调制方式，用户速率最高可以达到30Mbit/s以上。

       MAC层又分成了3个子层：业务特定汇聚子层、公共部分子层和安全子层。IEEE802.16-2004网络一般采用PtMP（点到多点）拓扑结构，因此MAC层要解决远端多址接入、QoS、测距、安全接入等问题。           
       IEEE802.16-2004MAC层规定了TDMA多址接入，定义了面向连接的机制，针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数。标准定义了4种不同的上行带宽调度模式，适用于必须有带宽保证的实时业务、高优先级业务以及尽力而为业务等的调度。安全子层定义了数据加密和认证机制，以确保空中接口数据的安全有效传输。

       移动WiMAX技术是指以IEEE802.16e-2005为空口规范的技术。IEEE802.16e-2005规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工作在＜6GHz适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以120km/h的车辆速度移动，该标准于2005年12月颁布。

       IEEE802.16e釆用了OFDMA技术，OFDMA物理层采用2048个子载波，信号带宽从1.25~20MHz可变。IEEE802.16e对0FDMA物理层进行了扩展，使其可支持128、512、1024和2048共4种不同的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比，这种技术称为可扩展的0FDMA。采用这种技术，系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。这也是IEEE802.16e与IEEE802.16-2004在物理层的最大不同之处。 

       与IEEE802.16-2004技术相比，IEEE802.16e技术的MAC层为支持移动性和切换引入了新的功能。对切换的支持包括：定义了切换（包括软切换）过程，明确了切换的MAC层信令，完善了切换过程中的测距操作，增加了基于多天线的软切换功能等。对移动终端的要求包括：支持省电模式，包括空闲模式（IdleMode）和休眠模式（SleepMode）0MAC层增加了对低复杂度、低延时的LDPC信道编码的支持。同时为了适应多变的移动信道环境，还增加了部分功能，包括灵活的带宽使用、增强了HARQ（混合ARQ）、AMC（自适应调制和编码）、智能天线和空时码的功能，增加了TDD系统的闭环发送功能。

2、技术发展历程和趋势

       IEEE802.16标准主要包括：IEEE802.16-2004（16d,固定无线接入）、IEEE802.16e-2005（移动宽带无线接入）标准。WiMAXForum（World Interoperability for Microwave Access Forum,全球微波接入互操作性论坛）成立于2001年，其成立的初衷是推动基于IEEE802.16标准和ETSIHiperMAN标准的固定无线接入产品互操作性认证。IEEE802.16负责制定空中接口标准，WiMAX负责制定网络相关规范和进行设备认证。

       图5-50给出了WiMAX技术的发展历程。2007年10月19日在瑞士日内瓦举行的ITU无线电大会上，移动WiMAX标准以“OFDMATDDWMAN”的名义被正式接纳成为IMT-2000的一员。

 

图5-50    WiMAX技术发展历程

       WiMAX技术加入3G,从一定程度上可以解决全球频率的使用问题。IEEE802.16e技术标准定义的参数比较灵活，但其申请加入IMT-2000并被接受的技术参数见表5-6。

表5.6移动WiMAX技术特点

       注：该空中接口特性属于IEEE802.16e的一个profile。 

       在完成IEEE802.16e规范的制定后，IEEE工作重点转向支持更高速率的16m标准的制定，希望通过更高性能的系统，提高市场竞争力，延续WiMAX产业持续发展。2006年12月IEEE-SA标准委员会通过了IEEE802.16提交的16m立项申请，16m以ITUIMT-ad¬vanced的需求作为目标性能需求（Target Performance Requirement）,面向IMT-Advanced进行设计。16m能够后向兼容16e。

       16m主要技术特点：

       1）支持更大带宽：系统支持灵活的带宽配置，从5〜40MHz；

       2）更高频谱效率：支持更高阶多天线技术，下次支持8流、上行支持4流，下、上行峰值频谱效率分别为：15（bit/s）/Hz.6.75（bit/s）/Hz；

       3）支持中继技术、自组织技术，以适应各种应用场景。

       16m采用时分的方式与16e后向兼容，为16m设计预留足够的灵活空间。16m采用时分的方式与16e后向兼容，也就是说16m中包含16e子帧和16m子帧，在16m子帧中可进行全新设计。16m系统的设计中，以16e设计为基线，采纳了性能更高的设计方案，如新的帧结构、控制信道结构、资源单元、多天线技术、新的优化同步、寻呼、切换过程等等。IEEE802.16m与LTE-Advanced技术都是面向IMT-Advanced候选技术，目前IEEE802.16m已经完成系统框架的设计，正在起草标准文本。按照最新的时间表，IEEE802.16m标准化工作的完成预计在2010年下半年。

3.OFDM技术

        FDM/FDMA（频分复用/多址）技术将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送，它是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（见图5-5"）,这大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。随着数字调制技术FFT（快速傅里叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。如图5-51L所示，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。

图5-51    OFDM可大大提高FDM的频谱效率

a）传统FDM频谱b）OFDM频谱

       OFDM发射机和接收机结构如图5・52所示。经过串/并变换后，发射信号可视作频域信号，并行发送的数据流的数量必为子载波的个数oIFFT将这M个并行子载波上的频域信号转换到时域，IFFT输出的OFDM符号为有7V个采样点的时域信号（N为IFFT长度，NNM）,也即M个子载波上时域信号的合并波形。在将此时域信号调制到载波上之前，还要在每个OFDM符号之前插入一个循环前缀（CyclicPrefix,CP）,以在多径衰落环境下保持子载波之间的正交性。插入CP即将OFDM符号结尾处的若干釆样点复制到此OFDM符号之前，CP长度须大于主要多径分量的时延扩展。

       OFDM接收机的结构大致为发射机的逆过程，其核心部分是FFT处理。由于主要的多径分量都落在CP长度内，因此是发射信号经过一定位移的循环复本，所以FFT可以自然地将这些多径分量合并，同时保证子载波之间的正交性。经过FFT处理，时域的OFDM符号被还原到频域，即每个子载波上的发送信号。

图5-52   OFDM发射机和接收机结构

4. 网络架构

       WiMAX论坛定义的端到端参考模型如图5-53所示。移动站（MSS）通过接入网络（ASN）接入CSNOASN作为一个逻辑实体，它的功能是管理IEEE 802.16空中接口，为WiMAX用户提供无线接入。一个ASN由两部分逻辑实体：基站（BS）和接入网关（ASNGW）组成，其中逻辑实体BS用于处理IEEE802.16空中接口，逻辑实体ASNGW主要处理到CSN的接口功能和ASN的管理。连接服务网络（CSN）为WiMAX用户提供IP连接，CSN提供以下功能：为用户建立会话连接，给终端分配IP地址；AAA代理或者服务器；基于用户系统参数的QoS以及许可控制；ASN和CSN之间的隧道建立和管理；用户计费以及结算；ASN之间的移动性管理；WiMAX服务，例如基于位置的服务、点对点服务、多播组播服务、IMS和紧急呼叫等。CSN可以由路由器、AAA代理或服务器、用户数据库、互联网网关设备等组成，CSN可以作为全新的WiMAX系统的一个新建网络实体，也可以利用部分现有的网络设备实现CSN功能。

 

图5-53    WiMAX网络架构

5.产业化

从WiMAX产业化情况看，主要涉及芯片、终端、网络设备。

（1） 芯片

       目前，WiMAX主流芯片制造商有多家，包括Intel,Sequans.GCT和Beceem等。这4家芯片制造商均可以提供基带射频一体化芯片。

（2） 终端

       目前，WiMAX终端类型较为多样，包括：卡式终端、USBDongle.CPE终端、手机、便携设备、笔记本/上网本内置终端。

（3） 网络设备制造商

       在2008年年底到2009年，受全球经济危机的影响，出于各种原因，部分设备制造商退出或减少在WiMAX上的投资。传统蜂窝设备制造商更倾向于支持LTE技术。目前，提供WiMAX设备的网络设备制造商较08年有所变化。

       移动WiMAX运营网络目前主要集中在韩国、美国。日本也已经为移动WiMAX分配了频率。同时，WiMAX在发展中国家也取得了突破性发展。美国ClearwireWiMAX商用网络最引人关注。Clearwire的目标是在2010年底覆盖80个美国国内区域市场，包括75%的主要市场，如果实现的话，将覆盖一亿两千万人口。2008年9月，Clearwire开始推出WiMAX商用服务，巴尔的摩和波特兰是最早开通移动WiMAX商用网络的两个城市，分别在2008年9月和2009年1月商用。截至2009年3月，建设（包括建设中）WiMAX站点18000个。

       目前，WiMAX提供的业务以互联网接入为主。总体来看，与市场预期相比，各国WiMAX网络部署有一定的延缓。

1. 系统组成

       MiWAVE系列产品基于宽带无线多媒体标准，兼容WiMAX标准框架，采用了链路自适应、宽带多载波传输、无线资源调度、扁平网络结构设计等关键技术。

       MiWAVE系统由基站、终端、直放站组成。

       基站：基站系统由IDU（室内处理单元）和RFU（射频前端单元）构成。IDU和RFU通过射频电缆和控制电缆连接。IDU采用19in4U的CPCI机箱。每个IDU最多有3个扇区，因此可以携带3个RFUOIDU由SPU（信令处理单元）、BBU（基带处理单元）和机箱3部分构成。机箱为整个IDU提供电源，SPB和BB使用背板千兆以太网交换线路进行通信。一个IDU由一个SPU和最多3个BBU构成。每个BBU处理一个扇区的业务。基站系统标准配置为单扇区，可扩展至三扇区，网络中的网元可以由网管设备统一管理。

       终端：MiWAVE终端设备可以自动完成搜寻网络，并针对用户的业务需求自动创建和管理服务流。用户终端使用可拆卸的全向或定向天线和基站系统进行通信，通过以太网接口向用户提供数据服务。MiWAVE终端的产品类型主要包括桌面型终端、车载终端、背包式终端、带Wi-Fi功能的终端、PCMCIA终端和USB终端等，目前已开发出前3种终端类型。

       直放站：直放站是在无线通信传输过程中用于增强信号的重要中转设备，其基本功能相当于一个射频信号功率增强器。使用直放站是实现“小容量、大覆盖”目标的重要手段,可以在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，提高基站设备利用率。由于直放站造价远低于基站，而且结构简单、安装方便，适合在野外和地理环境恶劣的地方使用，因此直放站的合理使用是无线网络建设规划中必不可少的一环。直放站的适用场景十分丰富，无论是在城区还是郊区都有广泛的应用。

       在密集城区，直放站主要用于解决小范围区域的盲区覆盖以及建筑物内的信号覆盖，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所。在郊区以及偏远地区，直放站主要用于扩大覆盖范围，增加基站的覆盖距离，解决掉话等问题，也可解决高速公路、铁路沿线的架设，增强覆盖效率。

2, 关键技术

MiWAVE系统的主要技术参数见表5-7。

表5-7MiWAVE系统主要技术参数

技 术	参 数
空口技术	下行OFDMA 上行 DFT-S-GMC
双工方式	TDD
典型城区覆盖半径/km	5 ~15
吞吐量/(Mbit/s)	60
移动速率/（km/h）	大于 120km/h

       DFT-S-GMC技术应用在系统上行通道，其主要技术特点如下：

       1）发射信号峰均比较低；

       2）对多址干扰和载波频偏鲁棒；

       3）支持灵活的频域调度；

       4）在获得频率分集的同时保持较好的信道估计性能；

       5）对定时误差较为鲁棒；

       6）频谱效率有损失。

       此外，由于DFT-S-GMC采用基于CP的块传输方式，使其传输的每个符号数据块长度和帧结构可以和现有的下行主流传输方案OFDMA保持完全一致。

       将DFT-S-GMC（上行）与0FDMA（下行）技术有机融合，与上下行都采用0FDMA的系统相比，具有设备功耗小，覆盖范围大，多用户干扰小以及基站信号检测算法复杂度低等特点。

        MiWAVE应急宽带无线通信网解决方案为科能融合应急通信系统设计，主要特点如下：

        1）易部署：基站设备轻便紧凑，功耗低，可车载，也可单兵携带，并可在lh内完成架设；

        2）动中通：支持120km/h的高速移动通信；

        3）灵活性：不但基站和移动台可大范围组网，单个移动台也可组建小范围局域性网络；

        4）抗毁性：科能融合应急通信能力具有一定的鲁棒性，能保证在各种情况下的生存要求；支持市电、太阳能、蓄电池等多种电源供给方式；

        5）可恢复性：在通信系统受到严重破坏导致通信中断后，可迅速恢复通信能力；

        6）安全性：系统自带PKMv2、AES-CCMP,AES-CMAC,EAP-PSK/EAP-TLS/EAP-TTLS等认证加密协议，还可为特定用户定制安全保密协议。

       5.4.3节简要介绍了目前3种主流的宽带无线接入技术：McWiLL、WiMAX、MiWAVEo可以看到，近年来宽带无线接入技术的发展较快，技术复杂多样，每种接入技术都有其特点，适应用户的多元化需求。

       宽带技术和无线技术的结合促成了宽带无线接入技术的诞生和发展。经过近几年的发展，已经形成了一定的产业规模。随着通信产业的飞速发展，新的无线接入技术还在出现，总体看来，宽带无线接入发展呈现几个特征。

1. 传输能力不断增强

       通过引入很多关键技术，包括0FDM、MIMO、OFDMA.链路自适应高效编码技术、HARQ、智能天线技术，以及以上不同技术的改进等，不断提高空中接口的无线传输能力。

2. 接口更加开放

      新的无线接入技术标准能够保证接口开放，确保了多厂家设备的互通，产品成本下降，进一步推进了技术的发展。

3. 移动化

       人们对能支持一定移动特性的宽带接入存在潜在的需求。这种对宽带数据业务的需求不像语音那样，要求在高速移动状态下仍然能连续通话。对于数据业务，更强调是随时随地可用，但不强调通信过程中的移动性。新型宽带无线接入技术往往支持移动性，为使用便携或移动终端的用户提供灵活方便随时随地的接入。

       随着社会和经济的发展，需要科能融合应急通信的场景越来越多，传统的以语音为主的应急通信系统已无法满足要求。宽带无线接入技术可以满足对移动视频监控、车辆/人员定位、移动指挥车应急通信等的需求，建设速度快、部署灵活、综合投资少，支持语音、数据、视频等多种应用，已经在部分科能融合应急通信场景获得了成功应用。

       在科能融合应急通信场景中，为同时支持语音调度，可以结合现有集群通信系统，在现场快速形成指挥调度网（见5.5节）。现有数字集群通信系统技术上主要以FDMA、TDMA为主，一般仅支持语音调度，实现高速数据传输难度较大，较难满足应急通信中对宽带和协同工作的需求。

       主流蜂窝移动通信系统面向个人通信设计，即使釆用PoC业务，在优先级支持、调度支持能力上功能欠缺，也根本无法满足集群调度的需求，且PoC业务依赖公网，一旦发生网络拥塞，PoC业务将无法使用，因此主流蜂窝移动通信系统若按照目前的标准，也难以满足科能融合应急通信中对集群调度的需求。

       近两年，宽带无线接入技术面向各种复杂环境，面向科能融合应急通信需求和行业用户需求，对集群调度的支持备受关注，也显得越来越重要。

宽带无线接入系统支持集群，应至少满足：

       1）快速呼叫建立。例如组呼建立时间和PTT抢占时间应能满足科能融合应急通信的要求。

       2）对基本集群业务和扩展集群业务的支持，例如以快速呼叫及呼叫优先级为特征的组呼、单呼、广播、对讲、强插、强拆、代接、监听等集群调度业务；

       3）最大并发组呼叫数满足需求；

       4）支持按照业务需求动态重组；

       5）支持按照业务逻辑进行调度。

       以McWiLL系统为例，其宽带多媒体集群通信系统（R6版本）在McWiLL宽带无线接入系统（R5版本）的基础上引入了对集群的支持。借鉴传统集群通信系统的功能特点，在多方面进行了设计增强。在协议上，为了避免接入碰撞，McWiLL宽带多媒体集群通信系统中采用了一种改进的广播窗口机制，使接入信道的接入成功率达到了0.598,在使用较少接入信道的同时，满足了更多终端的接入要求，在使得组呼的接入更加快速的同时，使每个用户都能了解组内其他用户的状态。同时，在网络架构上，也进行亍优化。

       随着对集群的支持，利用宽带无线接入技术可以提供对移动视频监控、指挥调度、宽带数据、语音业务等的全面支持能力，可以预见宽带无线接入系统在科能融合应急通信中将发挥更大的作用，其应用将越来越普遍。