无线接入新热点技术分析

作者：陈洁 2006-5-25

摘 要：
分别介绍了对目前无线接入领域的802.16、UWB 和RFID 等热点技术的原理、特
点，分析比较了它们的优缺点应用场合。

1、前言
随着Internet 的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长，全球通信产业技术的发展
呈现三大趋势：无线化、宽带化和IP 化。互联网业务的发展推动了市场对宽带网络的需求，
宽带用户数量在全球呈现出非常强势的增长态势。在众多的宽带技术中，无线技术尤其是移
动通信技术成为近年来通信技术市场的最大亮点，是构成未来通信技术的重要组成部分。无
线通信技术满足了用户对在不同移动状态下获取网络信息的强烈需求，也符合当今社会人员
流动性大、工作生活节奏紧张的发展趋势。另一方面，无线通信技术具有网络部署迅速便捷
的特点，对于缺乏线缆资源的新兴运营商来说，无线通信技术是成功部署通信网络，迅速为
用户提供语音和数据服务的最佳手段。
目前，以3.5GHz、5.8GHz 和26GHz 固定无线接入技术为代表的固定宽带无线接入技
术已经在我国得到应用。与此同时，IEEE 802 系列标准组已经制定或正在制定802.16 和8
02.15 等一系列无线通信标准，一些无线接入技术新热点纷纷涌现并成为业界继3G 之后的
又一关注重点，如802.16、UWB 和RFID 等。

2、802.16 技术
IEEE 针对特定市场需求和应用模式提出了一系列不同层次的互补性无线标准，其中IE
EE802.16 标准是针对无线城域网应用而提出的。IEEE 802.16 标准又称为IEEE Wireless M
AN 空中接口标准，对工作于不同频带的无线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规范
的无线系统覆盖范围在千米量级，因此802.16 系统主要应用于城域网。根据使用频带低不
同，802.16 系统可分为应用于视距和非视距两种；根据是否支持移动特性，802.16 标准又可
分为固定宽带无线接入空中接口标准(802.16d)和移动宽带无线接入空中接口标准(802.16e)。
802.16 技术是无线接入技术，通过接入核心网向用户提供业务，核心网通常采用基于I
P 协议的网络。802.16 技术可以应用的频段非常宽，包括10-66GHz 频段、11GHz 以下许可
频段和11GHz 以下免许可频段，不同频段下的物理特性各不相同。
(1)1O-66GHz 许可频段。该频段的波长较短，它只能实现视距传播。典型的信道带宽为
25MHz 或28MHz，当采用高阶调制方式时数据速率可超过120Mbit/s。
(2)11GHz 以下许可频段。该频段的波长较长，它能支持非视距传播。使用这一频段的
系统会存在较强的多径效应，需要采用一些增强的物理层技术，如功率控制、智能天线、A
RQ、空时编码技术等。
(3)11GHz 以下免许可频段。该频段的传播特性与11HzG 以下的许可频段基本相同，区
别在于非许可频段可能存在较大的干扰，需要采用动态频率选择DFS 等技术来解决干扰问
题。
在802.16 标准中定义了单载波、OFDM、OFDMA 共3 种物理层实现方式。其中，单载
波(SC)调制主要应用在1O-66GHz 频段，OFDM 和0FDMA 是802.16 中最典型的物理层方
式。OFDM、OFDMA 方式具有较高的频谱利用率，可以使802.16 系统在相同的载波带宽下
提供更高的传输速率。同时，OFDM/OFDMA 方式在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带
干扰上也具有明显的优势，已经成为Beyond 3G 主要研究的技术之一。802.16 技术在不同
的无线参数组合下可以获得不同的接入速率。以10MHz 载波带宽为例，若采用OFDM-64Q
AM 调制方式，除去开销，则单载波带宽可以提供约30Mbit/s 的有效接入速率，由蜂窝或扇
区内的所有用户共享。IEEE 802.16 标准适用的载波带宽范围从1.75MHz 到20MHz 不等，
在20MHz 信道带宽、64QAM 调制的情况下，传输速率可达74.81Mbit/s。
802.16 标准在MAC 层定义了较为完整的QoS 机制，可以根据业务的需要提供实时、
非实时的不同速率要求的数据传输服务。MAC 层针对每个连接可以分别设置不同的QoS 参
数，包括速率、延时等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了UGS、r
tPS、nrtPS 和BE 业务4 种不同的上行带宽调度模式。同时，802.16 系统采用了根据连接的
QoS 特性和业务实际需要来动态分配带宽的机制，不同于传统的移动通信系统所采用的分配
固定信道的方式，因而具有更大的灵活性，可以在满足QoS 要求的前提下尽可能地提高资
源的利用率，能够更好地适应TCP/IP 协议族所采用的包交换方式。
802.16 宽带无线网络的典型应用包括Internet 接入、局域网互联、数据专线、窄带业务
或基站互联等，各种应用的实现方式如下：
(1)Internet 接入。针对有综合布线的小区和大楼，在楼顶安装802.16 宽带固定无线接入
系统的远端用户侧室外无线单元，并在建筑物内或小区内安装用户侧室内单元和以太网交换
机，利用现有综合布线接入用户，通过无线空中接口提供宽带上网业务。
(2)局域网互联。对于大型企业，如果在地域内有多个企业分部，利用802.16 宽带固定
无线接入系统可以方便实现总部和各分部之间的局域网连接。
(3)数据专线。以802.16 宽带综合无线接入系统提供TDM 传输，在终端站上提供E1 接
口。为进一步提供64kbit/s 和N×64kbit/s 的业务，可在用户端安装小型复用器，提供传统的
数据传送业务。
(4)窄带业务和基站互联。802.16 提供E1 接口，可以满足GSM 移动基站的接入，并在
将来支持3G 网络基站互连。通过802.16 远端设备+窄带0NU，可以提供话音业务。
IEEE 提出了802.16 的宽带无线接入的标准，而成立于2001 年4 月9 日的WIMAX Fo
rum(World Interoperability for Microwave Access Forum，全球微波接入互操作性论坛)旨在
对基于IEEE 802.16 标准和ETSI HiperMAN 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作
性认证。WiMAX 是一个由业界领先的通信产品及设备公司共同建立的非盈利组织，通过致
力于制定一套基于802.16 的测试规范和认证体系，使不同厂商之间的产品在经过认证后可
以具有良好的互操作性，从而积极推广和验证宽带无线接入设备的兼容性与互操作性。通过
WiMAX 认证的802.16 产品会拥有“WiMAX(r) CERTIFIED”标识。

3、UWB 技术
UWB(Ultra Wideband，超宽带)技术是目前正被广泛研究的一种新兴无线通信技术，现
在已经成为高速无线个人网(WPAN)的首选技术。一方面，由于它具有高数据率(可达100Mb
it/s-1Gbit/s)、低功耗和低费用等特点，为无线通信的发展开辟了新的机遇；另一方面，由于
它占用极宽的带宽，与其他通信系统共享频段，给干扰、兼容等相关领域的研究带来了挑战。
UWB 技术的标准化主要在致力于无线个人网(WPAN)标准化工作的IEEE 802.15 框架内进
行。
UWB 最初的定义是来自于20 世纪60 年代兴起的脉冲通信技术，又称为脉冲无线电(I
mpulse Radio)技术。与在当今通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，这种技术用上升
沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为基带传输(Baseband Transmission)或无
载波(Carrierless)技术。脉冲UWB 技术的脉冲长度通常在亚ns 量级，信号带宽经常达数G
Hz，比任何现有的无线通信技术(包括以3G 为代表的宽带CDMA 技术)的带宽都大得多，
所以最终在1989 年被美国国防部称为超宽带技术。传统脉冲UWB 信号通常具有很小的(10
-2～10-3)占空比，这决定了UWB 设备的平均发射功率很低，甚至是现有的蓝牙(Bluetooth)
系统发射功率的1/100-1/1000。
如此低的发射功率带来了诸多好处：
(1)UWB 系统的发射功率可以降到背景噪声的水平，因此可以与其他无线通信系统“安
静的共存”；
(2)极低的发射功率使UWB 设备具有很低的能耗，功率放大器通常可以被省去，因此U
WB 设备具有很低的成本。
(3)极低的发射功率使UWB 信号很难被监听，从而具有良好的保密性。
根据美国联邦通信委员会(FCC)数年前的定义，UWB 系统应该是相对带宽(带宽与中心
频率之比)大于0.25 或带宽超过1.5GHz 的系统。最近FCC 又修正了对UWB 技术的定义，
规定相对带宽大于0.2 或带宽超过500MHz 的系统都可看作UWB 系统。这种更宽泛的定义
使某些传统无线通信技术也开始被考虑作为UWB 通信技术的候选方案。2003 年，在IEEE
802.15.3a 工作组征集提案时，Intel、TI 和XtremeSpectrum(后被Motorola 收购)分别提出了
多频带(Multiband)、正交频分复用(OFDM)、直接序列CDMA(DS-CDMA)3 种方案，后来多
频带方案与OFDM 方案融合，从而形成了多频带OFDM(MB-OFDM)和DS-CDMA 两大方
案竞争的格局。这两种方案都在对传统技术进行改进后满足了UWB 技术的特征。MB-OFD
M 仍然基于128-OFDM 传输，但每个子载波的频宽由几kHz 增长到4MHz。而DS-CDMA
采用了超过1Gcps 的码片速率，与传统CDMA 技术几百kcps 的码片速率有很大区别。MBOFDM
和DS-CDMA 已经成为UWB 主流方案的两大技术，与早期定义的UWB 技术在本质
上是不同的，它们更适宜被看作OFDM 技术和CDMA 技术的超宽带改进型。
超宽带系统应用中存在一个与其他通信系统的共存和兼容的重要问题。由于超宽带系统
使用很宽的频带，因此与很多其他的无线通信系统频段重叠。虽然从理论上说超宽带系统的
发射功率谱密度很低，应能和其他系统“安静地共存”，但在实际应用中超宽带系统对其他系
统的兼容性还需要实验证明，特别是超宽带系统的工作机理和特性还有很多不清楚的方面，
比如超宽带系统的带外干扰问题，即超宽带设备也有可能对其工作频段之外的无线系统产生
一定的干扰，这部分干扰还很难用理论计算的方法准确估计。

4、RFID 技术
RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)是一种非接触的自动识别技术，其
基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性实现对被识别物体的自动
识别。RFID 技术的应用最早可以追溯到第二次世界大战时期英国的空军基地，近年来随着
微电子、计算机和网络技术的发展，该技术的应用范围和深度也都获得到了迅速发展。
RFID 技术的发展得益于多项技术的综合发展，包括芯片技术、天线技术、无线技术、
电磁传播技术、数据交换与编码技术等。一套典型的RFID 系统由电子标签、读写器和信息
处理系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识别对象的信息采集功能；信息处理系统则
根据需求承担相应的信息控制和处理工作。与传统的识别方式相比，RFID 技术无需直接接
触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，并且操作快捷方便，具有防水、
防磁、耐高温、使用寿命长、标签上数据存储量大、可以加密和更改等优点，可广泛应用于
生产线自动监测、商品库存管理、物流、零售、售后服务等领域。
根据工作频率的不同，RFID 系统大体分为中低频段和高频段两类，典型的工作频率为
135kHz 以下、13.56MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz 和5.8GHz 等。不同频率RFI
D 系统的工作距离不同，应用的领域也有差异。低频段的RFID 技术主要应用于动物识别、
工厂数据自动采集系统等领域；13.56MHz 的RFID 技术已相对成熟，并且大部分以IC 卡的
形式广泛应用于智能交通、门禁、防伪等多个领域，工作距离＜1m。较高频段的433MHz
RFID 技术则被美国国防部用于物流托盘追踪管理；而RFID 技术中当前研究和推广的重点
是高频段的860-960MHz 的远距离电子标签，有效工作距离达到3-6m，适用于对物流、供
应链的环节进行管理；2.45GHz 和5.8GHz RFID 技术以有源电子标签的形式应用在集装箱
管理、公路收费等领域。
目前RFID 主要应用于封闭市场。例如，低频RFID 系统主要在门禁管理、动物的跟踪
和管理、生产线自动化及过程控制等领域应用，高频RFID 系统主要在车辆自动识别、高速
公路收费、大宗货物跟踪和监控等领域应用。下一阶段将积极促进RFID 技术进入开放的物
流领域，使用电子标签逐步替代商品条形码的作用，并与因特网结合形成物联网。
纵观当前全球RFID 技术的开发应用情况，美国在其国防部和沃尔玛等大型连锁企业积
极推动下，不论在RFID 标准的建立、相关软硬件技术的开发、各种独立应用，还是物流应
用均走在世界的前列：在产业方面，TI、Intel 等美国集成电路厂商目前都在RFID 领域投入
巨资进行芯片开发。Symbol 等已经研发出同时可以阅读条形码和RFID 的扫描器，IBM、M
icrosoft 等也在积极开发相应的软件及系统来支持RFID 的应用。欧洲的英国和德国的零售
企业也已经开展了RFID 系统的试验，很多欧洲企业都在积极进行RFID 芯片、读写器产品
的开发。日本已在图书馆管理、工业制造等领域开始应用RFID 技术，政府制定E-Japan 和
U-Japan 计划，指导企业对RFID 在物流领域的应用进行开发、测试和应用试验，鼓励企业
尝试RFID 在开放系统中的应用。

5、结束语
802.16、UWB 和RFID 等技术是目前无线接入领域的热点，它们分别在宽带无线城域
网、宽带个人网和无线识别等领域具有广阔的应用前景，是业界目前的研究重点之一。虽然
这些技术自身都有突出的技术优势，但距离成熟广泛的商业应用仍有一定的距离，需要在技
术研究、政策制定和产业链的形成方面继续努力。