發布時間：2006-02-15
只有親眼所見，我才會相信除有線和DSL以外的第三套寬帶備選方案。正如幾個月前我在報告中所述，它可能是通過無源光網絡(PON)入戶的光纖 (FFTH)。但是，最終奪取第三名的寬帶備選方案可能是最新的無線城域網絡(MAN或metro)技術，即寬帶無線接入(BWA)。
我想，如果地位穩固的寬帶運營商願意在鼎盛時期開展競爭的話，那麼現在正是時候。和其他高科技國家的大多數用戶相比，美國的寬帶互聯網接入用戶所支付的費用不僅更多，而且美國寬帶服務部署也嚴重落後。
有線和電信運營商成功地維持著他們的壟斷地位。儘管他們可以為數百萬人提供快速訪問，但是他們還是遏制了競爭、讓價格居高不下，並使得很多人仍處於黑暗之中，無法享用高速的寬帶接入服務。畢竟，商業就是商業。最近通過的新BWA IEEE標準將改變這一切。令人欣慰的是，寬帶革命的號角即將吹響。
當我們靜下心來考慮無線技術的全景時，就會發現若干滿足近程需要的個人網(PAN)，如藍牙、ZigBee、UHF 、ISM無線電和超寬帶(UWB)。此外，還有為企業、家庭和熱點市場提供中程接入的無線局域網(Wi-Fi WLAN)，以及由手機運營商通過他們的全球連接所提供的廣域網(WAN)。
但是，卻沒有無線城域網(MAN)。當然，有線城域網數量眾多，用於有線電視系統或者旨在提供metro服務的光纖網絡(例如將多個LAN連接在一起，以及將LAN連接至WAN)。即將問世的PON是最快的城域網。儘管這類系統的成本正在穩步下降，但它們仍然很昂貴，因為必須鑽孔或將電纜安裝在電杆上，這些工作都需要耗費時間和金錢。
顯然，無線技術能解決這些問題。但是，到目前為止，還沒有一個統一的標準。最近終於通過的IEEE的802.16 WMAN標準改變了這一切。芯片和設備公司正在爭相進入這個大有盈利潛力的新興市場。
標準改善一切
固定無線寬帶其實並不新鮮。Smart Modular Technologies的產品開發和工程設計總監Jim Kraemer說，20世紀80和90年代他在軍隊中就用過這種快速的無線技術。多年來，電信行業一直在回傳方面應用微波。而且，該技術在衛星數據傳輸方面的應用也有幾十年的歷史。
在過去的10年中，我們不斷努力將這種技術推向商業化軌道，這樣便產生了多路多點分配服務(MMDS)和本地多點分配服務(LMDS)微波系統。今天，這些服務事實上已是窮途末路。由於以下三個主要原因，最近的這些努力都失敗了。
首先，它們的成本過於昂貴。採用微波設備時，通常會出現這種情況。然而，由於Wi-Fi WLAN的發展，半導體加工工藝已經達到這樣的水平，即微波無線電芯片的製造成為很平常的事情。因此，生產微波無線電的成本就大大降低了。
失敗的另一原因就是缺乏單個標準。所有的系統都有其自己的專屬設計。如果您採用該技術，顯然您必須要忠於某個廠商。不同系統之間的互操作性甚至無人考慮。
第三，可靠的連接只能通過完整的視距(LOS)鏈接在較高的微波頻率才能建立。這意味著，增益天線必須安裝在高塔上，而且傳輸路徑上不能有任何樹木、建築物或其他障礙物。在某些應用中這一點很難實現。但是現在，802.16標準已經解決了大部分的此類問題。
IEEE於1999年通過了802.16標準，該標準最初主要針對11到66GHz頻帶。由於意識到只有在較低頻率才能獲得可靠的寬帶服務，所以各公司都重新設計該標準的備選方案，以期成為無線贏家。這就產生了後來的802.16a修正案，其中2至11GHz範圍的新的標準備選方案。此次擴充已融入完整的 802.16 2004標準中，現已成為BWA中最受關注的焦點。
更令人興奮的是「微波存取全球互通(WiMAX)論壇」的成立，它包含150多家芯片公司、設備製造商和運營商。該組織的形成旨在推進寬帶無線技術，並創建互操作測試和驗證方案，從而確保所有的芯片和設備在工作時都能彼此兼容。
802.16標準的涵蓋範圍非常廣泛，而且十分複雜，它可以提供許多備選方案。應用最廣的頻譜在11GHz以下，特別是在低於6GHz的部分。BWA可以在現有的免執照或執照頻段中實現。最可能的範圍是2.5GHz執照頻譜、3.5GHz執照和免執照頻段，以及5.1至5.8GHz免執照國家信息基礎設施 (U-NII)頻段。
小型無線Internet服務提供商(WISP，可能在鄉村地區)或許會因為成本的原因選擇免執照頻段。但是，較大的城市運營商希望提供全範圍的寬帶備選方案，例如網絡協議電視和語音IP(VoIP)，因此毫無疑問，他們會選擇較低頻段，從而最大程度地降低干擾，並確保更強的可靠性。
802.16標準專為點對點(PTP)和點對多點(PMP)操作而設計。PMP模式採用蜂窩式體系結構，每個發射站覆蓋半徑高達五或六英里，最多可以處理數百個用戶(圖1)。儘管此技術可達到的最大範圍超過了30英里，但是除了應用於點對點回傳之外，在其他方面很少應用。
該技術對時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)均提供支持。帶有獨立收發頻率的FDD方式以犧牲頻譜空間為代價來提供全雙工操作。通常，當Tx和Rx頻率為50至100MHz時，需要更多的頻譜。
因為在鏈路任何一端都可在接收期間進行傳輸，所以FDD還支持更高的吞吐量。TDD模式僅使用單信道，並為多個用戶提供多個可選擇的時隙。也需要可以提供較低速度的半雙工。然而這不應該妨礙其使用。TDD模式僅使用一個合成器，所以只需較小且較便宜的CPE單元。
可以逐步選擇信道帶寬，頻率從20MHz到10、5、2.5或1.25MHz。這樣，運營商就可以為客戶量身定製服務和價格。帶寬和調製類型決定了數據傳輸速率。
借助於20 MHz的信道和優化調製(即256正交振幅調製或QAM)，數據傳輸速率可以達到70到100MB/秒。除了在特殊的回傳應用當中，不太可能使用這類最大速率。某些設備採用28MHz帶寬，此帶寬可再分為14、7、3.5和1.75MHz頻段，以支持較低的數據傳輸速率和更多的用戶。
至於調製，該標準加入了自適應調製方法，此方法允許無線電設備根據鏈路範圍、噪音和其他條件自動選擇最佳調製。對於信噪比(SNR)為22dB的近距離操作，將使用64QAM來提供超快速數據傳輸速率。當SNR降低至約16dB時，系統將退回到16QAM。如果SNR接近9dB，將選擇正交相移鍵控 (QPSK)。對於SNR接近6dB的最差情況，將使用舊的二進制相移鍵控(BPSK)。數據傳輸速率可以自動回退，但是卻可以保證鏈路的整體最大可靠性。
非視距
802.16a擴展標準需要非視距(NLOS)操作。NLOS對於成功的寬帶消費服務是必不可少的，因此客戶不必再安裝和定位室外天線，或者取消運營商提供的上門服務。NLOS系統意味著天線可以位於客戶的機頂盒中或機頂盒上。
為實現這一點，該標準加入了正交頻分復用(OFDM)，它是一種通過寬帶傳播信號的調製/復用/接入技術。像CDMA一樣，OFDM也是最大程度地降低以下影響的關鍵：多路信號、衍射、衰減以及與微波信號傳播有關的其他現象。儘管在特殊情況下，可以使用2048點FFT方案，但是802.16標準指定了 256點快速傅立葉變換(FFT) OFDM信號。超快速LOS PTP回傳可應用單個運營商備選方案。
使用廣泛的錯誤更正方法還可以增強鏈路的可靠性。該標準還加入了Reed Solomon正向糾錯(FEC)、卷積編碼和交叉存取算法，以確定和糾正比特差錯。對於FEC捕捉不到的差錯，自動重複請求(ARQ)功能只需再次傳送有差錯的數據包即可對其進行修正。
功率控制是用來優化每個鏈路的另一功能。基站將功率控制編碼發送至客戶的機頂盒，以將所接收的信號設置為所需的特定級別。功率控制算法可以提高整體性能並最大限度地降低功耗。每個用戶單元所使用的功率都是傳播條件(例如範圍、干擾障礙物等類似因素)的函數。
子通道性是該系統的一項特殊功能，可以幫助平衡上游和下游鏈路預算。通常，用戶端設備(CPE)單元的傳輸功率僅為基站傳輸功率的四分之一。為了最大限度地擴大鏈路的範圍，可以在傳輸過程中修改CPE單元，以減少OFDM信道的數量，同時提高每條信道的功率。
為進一步提升鏈路的可靠性，該標準加入了傳送和接收差異，以及自適應天線。使用適當排列的多方向天線可以最大限度地降低NLOS條件下通常會出現的多路徑、反射和衰減的影響。
提供高端寬帶服務所需的服務質量(QoS)的關鍵就是接入方式，它可以避免通常與無線系統相關的所有沖突和爭用。Wi-Fi 802.11 WLAN系統使用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)。多個用戶必須爭用對數量有限的信道所進行的訪問。
這些系統使用發送前偵聽方案，但是如果其他基站正在發送信號，則這些系統必須回退並等待。這將產生無法預測的時間間隙，而這一點對於服務質量來說根本無法接受。802.16系統採用請求/批准接入方法，該方法類似於DOCSIS線纜調制解調器中使用的方法。然後，基站控制可以完全消除傳入沖突，並提供一致且可預測的延遲。這種方案可實現語音和視頻的完整和可靠的傳輸。
802.16標準在安全方面毫不吝惜。該標準包括廣泛使用的三重數字加密標準(3DES)。這個168位的密鑰具備高度安全的加密性。然而，未來的計劃將使用更安全的高級加密標準(AES)。安全性不再是無線接入的弱項。
儘管WiMAX的802.16a版本無疑將成為應用最廣泛的BWA系統，但是舊系統也有用武之地，尤其是在回傳操作中。幾個常用的操作點位於10至 66GHz頻段，包括10.5、25、26、28、31、38及39GHz頻段，即所謂的毫米波頻段。OFDM未被採用，調製備選方案包括64QAM、 16QAM和QPSK。帶寬選項為20、25和28MHz。借助於完整的28MHz信道和最佳調製，數據傳輸速率的範圍可達32至134MB/秒。根據頻率和傳播條件，範圍和蜂窩大小通常為一到三英里。
BWA的應用
BWA應用中最受歡迎的是「最後一(或第一)英里」消費寬帶接入。對於已經可以獲得有線或DSL的消費者，它提供了第三個選擇。BWA的競爭有助於降低成本，從而將寬帶快速擴展到更多的家庭。
如果基礎設施成本在很大程度上取決於基站網絡的建立，而不是取決於電纜布線，那麼看起來運營商就能在此領域大發橫財。在提供高級服務(如VoIP電話和視頻服務)時，這種情況尤為突出。
還沒有大型的電信運營商垂青這種系統，因此Verizon和SBC正在對其進行測試。然而更可能的是,明年其他的運營商會關注這種具有潛在競爭力的服務。一些較小且正處於起步階段的WISP也開始為選定的區域提供服務。最可能的情況是，最初的系統也許會出現在寬帶服務水平低下的鄉村地區和較小城市。
這些系統的第一個應用領域可能與回傳操作有關，即在蜂窩電話基站與運營商之間以及在Wi-Fi熱點與運營商之間提供微波鏈路。此外，它還可以充當其自身的多點蜂窩回傳。這一應用有助於降低運行T1線路的高額成本。實際上，全新的業務正在浮出水面，即通過無線方式為小型企業提供T1等同服務。各企業當然歡迎這種能大幅削減成本的服務。TowerStream或許是無線寬帶接入領域的領導者，它已證明通過BWA可向企業提供類似於T1的服務，並在這種業務中獲得豐厚的利潤。成立四年以來，TowerStream並未使用新的WiMAX標準，而是使用5.8和18GHz範圍內的專屬寬帶系統。
據TowerStream的總裁兼首席運營官Jeff Thompson的介紹，該公司的BWA服務分布於紐約、波士頓/普羅維登斯、芝加哥和洛杉磯。借助於無線服務，它還建立了關鍵的最後一分鐘鏈路，並解決了一些其他通信難題，從而挽救了共和黨與民主黨代表大會的敗局。隨著TowerStream的發展壯大，它最可能採用WiMAX。
眾多微波設備製造商為固網提供非WiMAX兼容設備。例如，Stratex Network為Wi-Fi熱點提供無線回傳設備。
移動性問題
本質上來說，BWA是固定的寬帶系統。基站和CPE已經就位。然而，802.16標準的創建者仍然一意孤行地去創建移動方案。目前，802.16e或移動WiMAX備選方案正處於開發階段，它在一到三英里範圍內的5 MHz信道中的速度可能達到15MB/秒。
該標準旨在創建用於移動用戶設備(例如配備有調制解調器的筆記本電腦)版本的WiMAX系統。通過這種方式，用戶可以在系統中漫遊。如果能夠解決切斷問題，則目標就是在速度高達75英里/小時的交通工具中，無線接入的數據傳輸速率可以達到500KB/秒的範圍。
IEEE標準系統中的另一個移動成果就是802.20或Mobile-Fi。該標準旨在催生高速無線系統，此系統在任何移動應用中都採用OFDM。因為得到了思科和摩托羅拉等公司的鼎力支持，這可能會和第四代(4G)蜂窩電話系統形成競爭。
最新動態
大多數正在尋找BWA商機的公司認為該產品還未成型。Intel寬帶部門的市場總監Joe English指出，Intel正在研制一種名為Rosedale的寬帶芯片。其目標是開拓WiMAX系統的CPE市場。Intel目前正在為主要客戶提供芯片的樣品，並將於今年晚些時候開始全面的試驗生產。Rosedale是一種帶有標準以太網和語音端口的基帶芯片，它專門用來與其他廠商的RF芯片協同工作。
Fujitsu Microelectronics正在潛心研究類似的芯片。該芯片支持WiMAX標準，預計可在單個片上系統IC上集成媒體存取控製器(MAC)和物理層(PHY)部分。該公司計劃在2005年初推出這種芯片。
然而，您不需要等待仍然處於研制之中的單芯片解決方案來建立WiMAX無線電設備。許多公司都生產RF接收器前端和傳輸鏈。Analog Devices的Dave Robinson說，他們公司的AD986x系列混合信號前端正適於這種應用。Dave的同事Chuck Millet指出，ADI TigerSharc和Blackfin DSP芯片非常適合WiMAX。他還說，對於基站而言，可編程解決方案似乎是調合所有802.16備選方案並根據需要添加或刪除的最佳方法。
目前幾乎沒有可用的現成設備。但是Alvarion是個例外，它可以提供與BreezeMAX 802.16兼容的系統(圖2)。儘管尚未獲得WiMAX認證，但是它已為WiMAX做好了準備，也就是說，該公司的設備滿足99%的標準，並且完全適應以後的軟件升級。它的CPE的特性是通過標準的RJ-45實現標準的以太網10/100BaseT連接。它最多支持512個MAC地址，並且可以通過 3.5MHz信道達到12.7MB/秒的數據傳輸速率。
CPE單元包含用於VoIP服務的標準RJ-11普通老式電話服務(POTS)端口、H.323和SIP。Alvarion的基站使用網絡處理器來實現流量聚合、分類和連接。它支持14、7、3.5和1.75 MHz的信道寬度。它還兼容與WiMAX標準類似的歐洲電信系統協會(ETSI)寬帶標準。
根據Alvarion的Carlton O''Neal的介紹，該公司生產大量的其他固定無線系統，包括適用於5.8GHz頻段的某些近WiMAX無線電設備。其他的設備廠商生產專屬的寬帶無線設備和Wi-Fi系統，包括Aperto、Airspan、Ensemble、Motorola及Proxim都十分關注WiMAX。敬請留意明年的眾多產品發布。
期限
2005年似乎是WiMAX之年。不但芯片陸續上市，而且許多設備廠商先後推出他們的產品。正如任何無線技術一樣，發展歷程頗費時日，藍牙、Wi-Fi和 2.5G/3G蜂窩電話很好地證明了這一點。市場調研公司iSuppli預計，BWA設備的銷售額將從2003年的8,000萬美元飆升到2008年的 23億美元(增長率為95.3%)。就在這五年期間，半導體產品市場可望膨脹113%。
作者：Louis E. Frenzel
