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从802.16a看无线通讯产业之展望
无线广频标准新革命

【作者: 誠君】2003年11月01日 星期六

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许多新兴的无线宽频技术在刚开始时,都会标榜自己未来会成为主流技术。例如:WLAN、蓝芽、HomeRF、UBW等,但是能经得起市场考验,获得大多数人认同者,目前只有WLAN够格了。如今又有人在争论IEEE802.16a广频无线撷取(Broadband Wireless Access;BWA)技术会不会取代目前当红的无线区域网路(WLAN);不过,WLAN市场发展至今也有4年了,它真的会那么容易被取代吗?


IEEE802.16标准简介

IEEE802.16a广频无线撷取系统标准是针对微波(microwave)和毫米波(millimeter-wave)频段提出的一种新的空中撷取标准,这个标准由IEEE 802.16a小组提出,经近百家公司数次投票后,于2003年1月29日通过了支援无线城域网(MANs)的802.16a标准规格书,其频率范围介于2~11GHz间(而IEEE 802.16的频率范围在10~66GHz间) 。由于该标准不仅在新一代3G无线通信技术中具有举足轻重的地位,而且对于4G甚至5G蜂窝行动通信的发展也具有重要意义。这项技术将使无线通讯产生巨大转变。


802.16 MAN的概念在1999年诞生,并于IEEE成立研究小组,其研究期间适逢电信企业因分割而使长途电信崩溃,以及WLAN热潮。早期无线城域网主要的任务集中在使用高频频段进行认证服务,但却因为位于高频频段的WLAN较早出现,取代其地位,使得802.16的推广陷入停滞。


802.16a标准明订三种无线资料传输方式:一是单载波(single-carrier)存取,这是为特殊需求的网路所保留的部分;一是经由256个载波的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexed)存取,专门提供给大部分的应用程式使用;最后是使用2,048个载波的特殊OFDMa标准,是用来支援选择​​性的多点播送(multicast)应用程式及阶梯状网路的进阶多路传输(multiplex)技术。


专门解决10到66GHz频带上互通性问题的802.16 Task Group C,仍不断研究一些可供高频网路服务的方法,像是LMDS或是在50到60GHz的频段间进行点对点连线的无线电通讯。 802.16c的规格书以及测试文件已在2002年4月公布,而实作文件则是在今年1月中公布。


然而目前工作最吃重的则是802.16e小组,他们正努力为无线城域网(wireless MAN)提供更高程度的可携性(mobility)。当消费者第一次听到802.16e时,可能会把802.16e和现在仍在萌芽阶段的3G行动电话服务通讯标准混为一谈。实际上,802.16e标准是瞄准低速轻巧的行动装置,而不是高频宽的手持应用装置。而且,当它在跨越不同存取点的时候,仍可维持一定程度的网路漫游服务,这就是前面所谓的「高程度的可携性」。


IEEE802.16a带来新的撷取选择

随着通信技术的不断进步,越来越多的电信使用者已经不满足于单纯的语音服务,电信业务正在由窄频语音业务向广频数据综合业务发展。而众所周知的是,影响这个业务发展的就是所谓的「最后一哩(last mile)」问题,也就是撷取问题。固定撷取有其局限性和固有的不方便性,而目前的无线撷取也在覆盖范围、速率等方面无法让人满意。所幸,人类的智慧是无穷的,有问题就会有答案,就会有解决的办法。广频无线撷取标准的出现,使这个问题迎刃而解。


所谓广频(Broadband)是指网路速率高于10Mbps的传输系统,比传统的宽频(Wideband)网路具有更高​​的效能。 「广频无线网际网路撷取系统标准」则是位于微波及毫米波段中新的空中撷取标准,它具有高速率、多速率、新频道、多样化、抗干扰性强等特点,能够支援多媒体资料、资料网路、视讯等业务网路以无线撷取方式通信,同时还兼具灵活机动的特点,适用于商务大楼、热点地区(hotspot)及家庭使用者的广频撷取。


无线撷取的方式很多,其中也包括像蓝芽、蜂窝(cell)等技术,这些技术都是在窄频领域内的,蓝芽只适用于短距离无线撷取,而且其最快的速率也只有1MHz。在无线撷取技术中,还有LMDS(频道在28~31GHz)和MMDS(频道在2.5~2.7GHz),它们的传输速率在0.5~45MHz之间。


除骨干网(backbone network)以外的使用者端,无线撷取的方法具有非常强的优势,而广频无线撷取技术出现以后,无线撷取就会形成一个从窄频到宽频再到广频的完整体系,使用者可以根据自己所需的服务质量来选择撷取方法。但从目前通信业发展的情形看,也许在2到3年以后或者在3到4年以后,随着技术和服务的进步,网路不光要传输电话、资料、图像和连上网际网路,还必须用同一条线路来连接。在这种情况下,广频无线撷取就会成为一种必然的发展趋势。


虽然如此,广频无线撷取要完全取代窄频撷取和宽频撷取依然是不可能的,这是由使用者的需求所决定的。因为在未来相当长的一段时间里,为数不少的使用者在电信业务的需求上,主要还是停留在以语音为主的业务上;也有一部份使用者进步些,要求营运商提供数据业务;再进步些,也有使用者需要即时的图像资讯,而且是流动(stream)的资讯。就如同人类已经到了使用网际网路的时代了,可是古老的电话还被大量使用一样。这也就是说,广频不可能成为窄频和宽频的终结者。



《图一 无远弗届的802.16a技术》
《图一 无远弗届的802.16a技术》

广频为4G铺路

3G技术正被热烈讨论,三种主要标准各执一词,互不相让,各国行动通信营运商为3G技术的采用问题也大伤脑筋,这给全球3G之发展带来了不小的阻力。回顾一下行动通信的发展历史,1G和2G从来都没有过像3G的热闹景象,究其原因就是前两种技术的标准大都是比较统一的,不存在采取或不采取哪一种技术的问题。既然3G的发展出现了这么多的问题,就有人在想:何不跳过3G直接进入到4G,制订一个统一的4G标准,岂不是皆大欢喜。


这种想法其实并不是没有实现的可能。过去的窄频行动撷取方式造就了窄频行动通信GSM,宽频的无线撷取方式造就了宽频行动通信3G,这两种行动通信方式都以一种无线的撷取方式为载体,虽然3G到现在已经被争论了很长的时间,但还没有最终定论,那是因为标准的不统一,而不是因为宽频撷取本身的问题。可以说,宽频撷取作为一种技术,有着其先进的一面,但事物都在发展,技术也不例外。


关于业界对于3G技术喋喋不休的争吵,已经使3G的大好时光在流逝,以致于2G在今天还依然昂首挺胸地站立在行动通信的舞台上唱主角。就像窄频撷取之于GSM,宽频撷取之于2.5G的GPRS和CDMA,甚至于3G的CDMA,广频撷取技术将使4G技术得到快速的发展。已经有人认为,如果这一新的技术标准能够通过实际应用的检验,将有可能很快普及。甚至有人认为,只要5到8年的时间,这一标准可能将成为4G、5G的技术标准。


当然,一种新技术、新标准​​的出现并得到应用,并不是一蹴而就的事情,它还得考虑市场的接受程度、业务的开发以及政府和营运商的态度。但应该相信的是,只要一种标准和技术是先进的,而且此标准是统一的,总比不能达成一致意见的技术和标准容易推广和应用。依据这点来推论,广频无线撷取技术的统一性就为4G的发展铺平了道路。


虽然广频统一的标准已经出现,以广频撷取为标准的4G已经有人提出,但这不会影响到GSM和CDMA的应用,其实说归说,真正要营运商们放弃已经在3G技术上投入的巨资,并不是一件容易的事情。


4G技术规格的制定

目前,一些先进国家都在积极进行4G技术规格的研究和制订,以期在全球未来4G标准制订中能有发言权。在美国,AT&T已经推出了4G access无线网路,它能配合目前的EDGE技术进行上传,并利用广频OFDM技术进行下载;Nortel Networks正努力使IP的4G网路传输速率达到20Mbps。在欧洲,Ericsson已开始着手研制4G系统,它和美国国加利福尼来大学合作开发4G技术,Ericsson向该大学提供了1200万美元的经费,使该校为此成立的通信和资讯技术学会能在4G技术、先进天线系统、新一代行动上网、电子放大器技术和无线访问网路等领域里进行深入研究。韩国政府吸取了在开发2G技术时,忽略了对3G的开发导致其在3G领域落后于其他先进国家的教训,已经着手进行4G等行动通信技术的开发研究。


802.16a是802.11的补充附属品?

目前国外企业界正在热烈讨论802.11和802.16a的市场价值到底是互补或互斥的问题。其实在理想的状况下,802.16a能作为802.11热点(hot-spot)的骨干;虽然802.11是应用在短距离通讯网路,无线区域网路(WLAN)拥护者却认为802.11可以当成是城域网路(Metropolitan Area Network;MAN)来使用,亦即WLAN不过是WMAN延伸出去的「手指头」。因此,802.16a可作为802.11a或802.11g的补充附属品。此外,现在WLAN所面临最大的问题就是没有一个在跨越WLAN存取点(Acess Point)时的备用网路联结,802.16a正可担任此任务。


然而,802.16a中OFDM部份并没有使用更多的载波,因此其讯号的信噪比(SNR)不高,这将使得网路存取点的架设密度必须增加,才能确保通讯品质。


802.16a或可视为802.11a或802.11g的补充附属品,但是两者的详细技术内涵和经营成本是不同的。因此,802.11制造商要想跨足到802.16a,其门槛是很高的。就市场生态而言,802.11和802.16a制造商们之间的关系势必是既合作又竞争的。这就像ADSL厂商和WLAN厂商一样,他们可以因同一个大型的Wireless ADSL Router标案而合作无间,也可能因为客户不需要ADSL或WLAN功能,而彼此排挤或猜忌。因为802.16a的制造成本比802.11高​​许多,这种矛盾的生意模式想必是考验着双方业者的智慧。



《图二 全球无线通信技术对照》
《图二 全球无线通信技术对照》

结语

(图二)是目前全​​球无线通讯主流技术的对照,IEEE和欧洲ETSI正在无线的PAN、LAN、MAN、W​​AN领域卯足全力竞争。不过,不要忘记,有线广频技术──混合光纤同轴网路(HFC),早已出现,而以它建构的有线固网网路是目前广域网路和城域网路的骨干。


802.16a建构成的FBWA(fixed broadband wireless access)或WLL(wireless local loop)无疑是企业在其选择分支机构的固定式网路连结,除有线固网之外的备用技​​术。不过,现在仍存在许多以商业为本位的服务,而这些服务对企业界或消费者的关注其实是很疏远的。现实生活里存在着太多固定的网路架构环境,例如:LAN、SNA、ATM、ISDN等,而新的技术标准又如雨后春笋般一直出现。至今在技术标准统一化方面,因为商业利益的复杂因素,始终无法令人满意。这使得企业及网路通讯厂商不能密切配合,而影响了环境架构的投资。此外,能支援1Mbps或者更高速的固定式及移动式无线技术之诞生,让上述情形更加严重。


此外,值得注意的是802.20(MBWA;Mobile Broadband Wireless Access)和802.16 a之间未来的竞争,甚至是802.20和3G、802.20和802.16a/e、802.11之间的竞争,这些技术的比较请参考下表。 802.16e标准是建筑在802.16a上面,适用于PDA和笔记型电脑等之类的行动通讯应用,而802.20适用于车辆行进中(时速250公里)的通讯应用,两者的功能、频段范围也有一些类似和重覆的地方。目前可以确定的是:802.16a市场的崛起将会带动802.16e和802.20的发展。将来3G和802.11的优势是否仍然存在,值得继续观察。


802.16a容易使人联想到目前市场竞争很激烈的LMDS、MMDS、3G或者802.11、GSM,虽然它们都成功地在各个层面留下足迹,并在小型商务发展上有所崭获,但是,许多国内制造商仍然维持在以大厂供应解决方案为基础前提的架构下才得以存活;想来802.16a也不会例外吧!不过,希望到4G的时候,情形能够改观,国内厂商有自己的解决方案,并使用统一标准,不需再支付权利金了。届时真正能做到「所有的通讯装置都可以进行运算,而所有的运算装置都可以彼此沟通。」之境界。


注:本文修订转截自本社「零组件杂志」141期


表一 主要3G通讯系统参数比较
比较项目
802.16e
802.20(MBWA)
3G
终端用户
1.高传输率
2.无线固网行动服务

3.对称式数据服务
4.类似存取点(AP)属于用户端固定拨号(CPE)装置,并以PC Card连接行动装置(笔记型电脑或PDA)
5.支援低延迟数据和即时语音服务
1.完全行动化、高数据传输率。
2.对称式数据服务
3.属于用户端装置,初期以支援PC Card的数据通讯装置为平台。
4.支援低延迟数据服务
1.语音用户需要数据服务
2.高度非对称式数据服务

3.属于用户端装置,初期以支援数据服务的手机为平台。

4.不支援低延迟数据服务
服务供应商
1.有别于无线固网供应商和无线网际网路服务供应商(WISP),新增加行动加值服务。
2.支援本地与区域行动通讯和漫游(roaming)服务
1.无限数据服务供应商----新创型或是由电信业者转型产生。
2.支援全球行动通讯和漫游服务

1.蜂窝式(cellular)语音服务供应商转型支援数据服务
2.支援全球行动通讯和漫游服务

技术
1.是802.16a MAC和PHY的延伸
2.和以前的固网站台相容,并可将它们最佳化。

3.授权频段:2~6GHz

4.一般通道的频宽大于5MHz

5.封包(packet)导向架构

6.利用QoS支援多通道和控制多媒体服务。

7.高效率数据上载和下载
8.低延迟架构
1.新的MAC和PHY能让封包资料和可适化天线最佳化
2.最佳化的功能能达到完全行动化通讯的目标
3.授权频段在3.5GHz以下
4.一般通道的频宽小于5MHz
5.封包导向架构

6.以多通道和控制方法支援行动化多

7.媒体服务。以行动式IP为基础。

8.高效率数据上载和下载
9.低延迟数据架构
1. W-CDMA、CDMA2000
2.从GSM或IS-41演进来的

3.授权频段在2.7GHz以下
4.一般通道的频宽小于5MHz
5.线路( circuit)导向架构---演进到可下载封包

6.以多通道和控制方法将行动语音服务最佳化。以MAP/SS7为基础。

7.中等效率的数据下载,低效率的上载。
8.高延迟数据架构



延 伸 阅 读

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