无线宽带调制解调器

2019-11-03 18:53:43

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供稿：网友

李明琪　　无线宽带Internet接入使用多个频带。无线宽带调制解调器提供与在有线电视系统（CATV）上运行的电缆调制解调器类似的性能，但是由于发射机覆盖了整个城市或地区，所以更容易进入市场。

　　宽带无线系统可以在一个6Mhz的频道中传送30MHz的数据容量。无线系统的强项是可以快速地在16km、32km或56km的半径内（取决于所用的频带）提供高突发速度的Internet接入。这就为服务提供商用CATV的铜缆设施是典型的为邻近的住宅提供服务的，不能为高级用户服务。无线系统在技术和市场关系上提出了特殊的要求。　　Internet的传送基础

　　在Internet传输和连续的数据传输之间有两点关键的不同之处：

　　*连续的数据传输的概念（例如带宽分配）对每个用户来说已经变得毫无意义了，至少对于Internet交易而言是这样的。Internet除了实际是以猝发的方式传输信息包这一点以外，它还要求提供带宽。如果有许多用户，那么在接收文件或猝发数据的时候将会有延迟。延迟随着交易负荷的增加而增加，是服务质量的一个度量项目。

　　*大多数形式的Internet文件传输都需要Internet协议（ip）应答（ACKs）。在ACKs返回到信息源的时候，延迟或等待时间会使下行文件传输减慢。

　　下行通信使用TCP（传输控制协议）/IP。用户的计算机通过发送一个ACK信号上行回答收到信息包了。TCP使用一种称为滑动窗口的数据流控制格式，这使得适合于高位速率的下行信道的很快的下行猝发交易得以实现（但是对共享的信道则调节到比较低的平均速率，适合计算机以1-2Mbps的速率接收数据的能力）。猝发通信在接收ACK时的等待时间或延迟时间对下行速度是有影响的，TCP对猝发通信作了优化。下面是TCP/IP在电缆调制解调器系统上的影响：

　　*TCP/IP对由于干扰引起的下行通信偶然的短暂丢失比电视信号有更强的容错能力，因为它可以请求重传。　　*为应答传送的信息和请求文件需要返回路径。

　　*交易是非对称的，也就是说，即使是低带宽的返回路径（例如14.4kbps的电话连接），10mbps的无线下行路径仍能够达到快速的下行文件传输。

　　*用电话连接作为返回路径的无线下行路径是提供服务的一种可行的方法（早期是选择无线返回的，这是因为当时的设备价格和有限的适用带宽。这种方式可提供比较低的等待时间，在大多数的情况下可为商业应用中的文件传送提出比较高的上行速度）。

　　*不管是电话返回路径还是无线返回路径都可能引入其他一些因素，引起高的等待时间，导致下行速度减慢。例如，V.34 28.8kbit的电话调制解调器就比V.32 14.4kbit的电话调制解调器的等待时间长。同样，某些蜂窝无线和卫星的数据服务的等待时间非常大，结果文件传输速度也就很慢。

　　无线宽带调制解调器系统的等待时间在往返之间是不一样的，无线的等待时间是25ms，而电话返回的等待时间是125ms。电话返回系统的ACK大约是40个字节长，而无线返回ACK则是80个字节长，因为它们的协议不同。　　电缆调制解调器系统和电缆调制解调器基本要素

　　1.电缆调制解调器系统

　　客户机/服务器的调制解调器的体系结构向运营商提供了从头端对调制解调器（用户）的控制。

　　从服务提供商开始，除了需要一些本地服务器（例如E-mail服务器和高速缓存服务器）以保存频繁访问的页面而避免在网络上反复地请求这些页面以外，不需要与Internet的连接。与局域网（LAN）的连接是下行路由器的某种形式。数字输出由提供44Mhz的中间频率（IF,intermedium Frequency）信号给发射机的64-QAM调制器转换。信号占用6Mhz的带宽（调制类型和信道宽度随不同厂商而变）。用户接收视距（LOS,Line of Sight）信号、电缆调制解调器以以太网的方式与计算机连接，或者在以太网lan中与多台计算机连接。电缆调制解调器的返回路径是在到达调制解调器组和上行路由器的拨号电话网络上。返回路径携载了上行请求信息和下行信息包的应答信息。在这种方式中，返回路径直接连接到提供商的LAN上，给出了本地服务器的最快的文件传输。调制解调器组也可以位于由传统的数字设备连接的远端场所（调制解调器组也可以连接到另一个Internet接入点上，这对来自internet的交易没有什么不同，但是会由于ACK的Internet延迟而使来自本地服务器的传输减慢。）

　　每个6MHz的信道可支持大约9000个用户。这个数字随交易和用户的类型而变，如果使用有方向的发射机天线代替全方向的发射机天线，可以使支持的用户数增加。有方向的发射机天线用不同的发射机为不同的扇面服务。

　　2.电缆调制解调器

　　无线宽带调制解调器的服务建筑在有线电缆服务的比较简单的体系结构之上，所以首先理解变化较少的电缆系统的运行过程是有帮助的。现代的CATV系统有从50-806Mhz的下行频道。电缆调制解调器按照设计调谐到这些频道中的全部或某些频道上去。在与用户的接口上面的信号电平标称为0dbmV(75Ω、1mW)，而且是稳定的，随温度和时间缓慢变化。一个64-QAM调制器可在一个6MHz的频道中以30Mbps速率传送数据。　　电缆调制解调器由标准的数字化控制的已接好电缆的电视调谐器构成，这是一个64-QAM调制器和连接到用户的计算机的以太网控制器。从计算机的返回路径携截ACK消息或上行文件传输（例如E-mail）。为在电缆系统上返回，上行连接可以使用连接到电话调制解调器上的RS-232接口或一个调制的上行信号（例如四相位移相键控-QPSK）。带有内存的内部处理器控制调谐　器和返回路径以及更复杂的功能，例如下行信息包滤波。对于调制解调器的调谐有如下几点需要注意：

　　*理想的调制解调器可为CATV和无线两种应用条件运行，虽然无线在接收信号时的传播和管理上，有一些不同的要求。

　　*标准的数字控制的TV调谐　器的调谐是以62.5KHz为一步的。

　　*电缆调制解调器厂商生产的是只能调谐到固定频率上的调制解调器。电缆调制解调器采用离散的数字调谐，而非模拟调谐。许多调制解调器是以6Mhz为一个调谐步的，对所有的无线频带而言，是不够的。

　　*64-QAM调制器也驱动调谐器。调谐器也必须能够校正发生在电视调谐器/降频变换器和接收的信号中的频率错误。输入频率的稳定性通常是在±50Khz的范围内。

　　无线下行系统的体系结构

　　无线系统的工程化过程是复杂的，这是由于有如下几个因素：

　　*实际的无线发射机的位置可能与Internet头端的位置不在一处。

　　*要求LOS传送。

　　*信号功率随距离的增加而下降。

　　*依照得到的许可使用频率而使用不同的固定传送频率。

　　*由于多路径而产生衰减。

　　*需要在屋顶、建筑物旁或在窗口架设接收天线。

　　*双向工作受到了得到的许可的情况、带宽和无线电管理机构的管理法规的限制。

　　这些要求中有一些会互相作用：

　　*如果有完全的自由，那么发射机就会放Internet服务连接方便而又对用户有LOS传送的场所，这两个要求有一半的时间是相互冲突的，所以发射机和Internet头端不能共处一地。

　　*无线天线和发射机的场站通常会选择为中心城市或几个乡村社团提供LOS电视的地点。频带的使用许可是为覆盖这样的宽广地区发放的，而不是为个人通信服务（PCS）蜂窝发放的。结果，发射机的场站可能很难放在靠近山上的位置。

　　*与Inernet连接的最近的连接点常常是在市区，这里常常又是Internet头端维护的最佳位置。

　　频带和限制

　　频带确定了接收天线的类型和发射机的覆盖面积或范围。MMDS、教育电视固定服务业务（ITFS,Insructional Television Fixed Service）和多点发送服务（MDS,Multupoint Distribution service）模拟电视发射机是首先用于Internet接入的。电视未用到的频带和1-3个数字的2Mhz的子频道可以调整到模拟发射机的双工器和滤波器上去工作。近期已经有几家厂商推出了数字发射机。

　　无线通信服务（WCS,Wireless Communications Service）是随着正在开发的降频变换器和无线发射机一起最新适用的业务。超高频（UHF）和甚高频（VHF）低功率发射机正在用于使用实验许可证的Internet下行接入。大多数情况下的下行带宽是6Mhz，而WCS是5Mhz。

　　在用户的场所接收信号

　　频带确定了接收天线和降频变换器（如果需要的话）的类型。LPTV信号由电缆调制解调器用标准的室外天线接收，可能会有一个放大器，但是比模拟电视机更“关心”信号的电平。电平必须与调制解调器可接受的范围的高端接近，因为信号衰减的可能性比电平增加的可能性更大。

　　MMDS、MDS和WCS都需要一个小型天线与降频变换器集成在一起并架设在屋顶或建筑物旁边。这些低价格的设备是电缆调制解调器的价格的三分之一。天线可能是平面排列的，一平方英寸有17dB的增益，或者是圆屋顶形的设计，其他特点类似。其他部分使用局部抛物线的2英寸直径或2英寸长的浇铸的引向发射天线。大多数的降频变换器都允许选择内部增益以及天线增益，以使输出信号的电平能够尽可能接受适合于调制解调器的0dBmV。下面是一些在无线环境中的注意点：

　　*要把天线安装在有最小的多路径的位置。

　　*要保证天线安装在接收直接信号的位置，而不是在高度可能是变化的建筑外面并有较强的反射信号的位置。

　　*调整信号电平到0dBmV。

　　*与降频变换器厂商协作实现放大器增益和天线增益的最简单选择，以便使对覆盖区域所需的不同的型号的数目达到最小。

　　*使用适当的微波链路的路径损耗计算。对通过公共发射机（子载波处理）的多个调制器的计算与一个发射机上的单独一个型号的计算是有所不同的。

　　*为电缆调制解调器所作的降频变换器的安装设计也能支持视象服务。由于电缆调制解调器有特殊的电平要求，所以反过来可能并不行。

　　*在有线电缆环境中的标称信号是0dBmV、75Ω。电缆调制解调器的调谐器/调制器对输入电平只能接受有限的变化。依赖于制造商、型号、运行频率和MMDS环境　，除了多径路畸变（在理想情况下由电缆调制解调器的均衡器消除了）以外，路径损耗是稳定的，可以选择天线或降频变换器的增益，以便为电缆调制解调器提供正确的电平。在LPTV的情况中，路径衰减更常见，介是一个室外的用LOS方式运行的天线可使来自路径的电平变化减至最小。

　　获取到达广播无线发射机的信号

　　大多数的无线发射机都需要高塔来达到对区域的覆盖。天线塔常常解决不了的问题是获取从Internet的存在点到发射机的下行信号。路径与系统的其余部分一样重要，必须正确地设计。有无线和光纤两种基本的传送媒体；也有幅度调制两种传送技术。幅度调制提供更多的频道，然而选择取决于是否有电视信号链路存在和规划要比市场增长超前多长时间。

　　要注意的是，在无线环境中，在上行链路中的频率漂移使最终传送的下行信号的稳定性降低。在STL的情况中，降频变换和增频变换器把44Mhz的IF信号变换为接受基带的稳态。在幅度调制链路的情况中，如果设备不能被锁定在一个稳定的参照点，那么就变换到CATV频带，并将回到IF稳态。

　　无线返回（双向无线）选择

　　由于可用的频谱、设备和管理法规等一些方面的原因，早期是采用双向无线的方式，技术、管理法规和市场的变化都非常之快。服务提供商将会在必要时采用电话、综合业务数字网络（ISDN）和无线返回的混合方式满足用户的需要。

　　1.ISM频带的应用

　　在任何的ISM频带中使用商用的展宽频谱调制器是可能的。这些可以与电话返回时的外接电话调制解调器一样的方式从电缆调制解调器的RS-232口输出，其优点是频谱是自由的，现在即可使用，还可以让运营商不用再去关心配置问题。这可能成为一种可行的长期解决方案，给出的频谱价格在传统的频带的价格以内，方向性非常强的2.4GHz的天线把与其他的用户之间的干扰减到了最小。

　　2.来自电缆调制解调器的QPSK信号的应用

　　各个厂商正在开发变换器和增频变换器取电缆返回调制解调器的5-42Mhz的QPSK信号输出，并将其变换为WCS、MDS1、MDS2和MDS2A频带。所胃的变换器即降频变换器和增频变换器的简单组合，这些设备的外部特性民降频变器是类似的，且生成50mW或100mW的发射功率。如果距离较近，且存在LOS的话，那么，这个功率对于回到下行发射机站或internet头端已足够了。QPSK信号的位速率可以调整到不同的值，从256kbps-5.12Mbps。这个值越低，允许的用户越多。

　　下面是运营商在双向运行时所面临的一些问题：

　　*如果发射机是与internet头端分开的，那么返回路径必须经过许可，并要像下行路径一样购买。

　　*带宽/位速率用于上行，例如在MDS1和MDS2组合的频带听12Mhz的带宽可以切分为200KHz的频道，有256kbps或320kbps的速率，这样就给出了支持大约3000用户的60个频道，用全方向的没有划分为扇形的天线，这就意味着返回路径接收天线必须随着市场的增长划分为扇形，以达到也下行一样的上行用户容量。

　　*QPSK调制器和变换器的增频变换器和分决定频率的稳定性和返回路径传送的不失真信号输出。

　　*回到下行发射机的传送允许在用户场地使用发射和接收集成的天线。这样的价格比分开的天线的价格低，而且由于发射和接收是指向同一方向的，所以在接收天线安装和调整方向的时候，发射天线也就自动被调整了。

　　*回到Internet头端存在点（POP）的传送可能需要分开的天线，单独的调整方向。它避开了获取从下行发射机回到POP的返回信号的要求。

　　无线Internet接入的市场背景

　　一般无线运营商都不直接提供Internet的接入服务，而是与有客房基础和必要的数据网络技术的Internet服务提供商（ISP）结为伙伴。一些比较大的ISP甚至同时用电话接入、ISDN、有线CATV设施上的电缆调制解调器和无线上的服务提供Internet服务。这种情况出现的一个结果是ISP需要为有线和无线两种设施工作的电缆调制解调器系统；另一个结果是电话返回系统通常使用ISP的现有的电话调制解调器组。

　　像非对称数字用户线（ADSL）、T1或有线电缆（Wired Cable）这样一类的技术，在建设的时候可能需要比较大的资金投入。结果有一些CATV或基于电话的ISP就有准备地作了采用无线技术的市场调查。一旦得到了用户的回答，就有可能会为高端服务业务进行同轴电缆以外的技术建设的长期投资。

　　大型的无线运营商也发现，高速的Internet服务是他们与CATV公司竞争的一个目标，而对他们来说，这样的市场策略也正确的。在一个或两个无线频道上的Internet服务是与邻近的频道上提供模拟和数字两种电视服务兼容的。

　　企业、图书馆、旅馆饭店和学校是他们最初的市场目标，这一点有如下几点理由：

　　*这些用户通常都能支付比较好的价格，反映出对速度有比较的高的要求。

　　*和大多数的家庭用户相比，确定在屋顶上的天线的位置比较容易。

　　*由于这些用户一般都有其自己的管理信息系统（MIS）人员，所以他们对售后支持的要求都比较低。

　　*在应付大批客户的之前，服务组织有时间得到的培训。

　　此外，大型企业可能更喜欢无线Internet接入。他们可能不想为一条目前与Internet连接的T1线路花钱，即使他们可能有为电话业务而安装的T1（1.544Mbps）本地设施，这种最初的企业关注推动了下面的两点需求：　　*对于为多个用户服务的调制解调器的需要。

　　*ISP必须在增加住宅服务的同时，利用某种动工的技术为企业预留性能。一种技术是为几个企业分配两个子频道和为大批的住宅用户分配一个子频道。

　　用于internet接入的MMDS/WCS发射机系统

　　MMDS目前在美国用在递送娱乐电视节目，与ITFS合作为远距离学习传送视象信息。大多数的系统目前都使用美国国家电视系统委员　会（NYSC）标准的模拟传送按6Mhz的无线电（RF）频道传送一套电视节目。可用的下行频谱包括：

　　*两个MDS频道，2150-2162MHz；

　　*16个ITFS频道，A到D组，2500-2596MHz；

　　*8个MMDS频道，E到F组，2596-2644MHz；

　　*4个ITFS，G组，与3个MMDSH1/2/3频道交错，2644-2686Mhz。

　　许多其他国家也已经把类似的下行频谱分配给了MMDS使用，范围在2-3GHz。

　　随着向数字压缩与传送的转变，在MMDS地业中正在发生着巨大的变化。数字技术使得至少5个与NTSC模拟电视同样分辩率的电视流可以压缩到一个6MHz的RF频道中去。在数字环境中，一个已经接入到以上列出的大多数的下行频道的运营商常常可以选择能够与只有很少的多余频道的直接广播卫星（DBS）或CATV娱乐电视递送系统竞争的节目流。

　　由于数字电视压缩的频谱利用率高，MMDS系统的很少RF频道可以专用于为Internet用户提供宽带的高速　数据服务和为MMDS运营商提供附加的收入流。对于使用RF下行、电话线上行的情况，美国的FCC已经批准了。美国FCC的规定要求，由于共存的频道和邻近的频道的干扰的原因，下行传送必须充分地写一种目前已经批准的数字电视调制格式一致。一个使用64-QAM的6MHz的频道能够以30Mbps的速率递送未经加工的数据，或以27Mbps的速率递送经前向纠错（FEC）加工后的数据。

　　假如大多数的MMDS RF频道都被专用于娱乐电视递送服务的话，那么就只有有限的频道可用于下行数据了。向数字电视的转化可能是增加系统容量和可用的数据频道的有吸引力的方法，这就是选择天线按扇形划分。　　Internet接入所用的MMDS/WCS发射机系统包括频道化的发射机、频道组合器、自动备份和网络管理设备。数字发射机接收44MHz的中心的QAM IF，然后增频变换和放大信号。发射机有5-10W的平均输出功率。使用晶体振荡器使相位器声得到最好的抑制。前馈放大器和均衡技术提供了良好的增益和相位线性，而又使功耗达到最小。为了改进系统的可靠性，采用了带有初级和备份发射机的自动备份系统。WCS系统需要频谱整形滤波器以满足美国的FCC对频带外功率的严格规定。频道组合器利用波导方向滤波器把不邻近的或邻近的微波频道组合起来传送。为了远程配置和故障管理，为发射机系统提供了信令网络管理协议。

摘自《实用无线电－－数字世界》

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