LMDS

定義

LMDS是一種微波的寬帶業務，工作於20～40GHz的毫米波頻段，帶寬1.3GHz，比MMDS寬得多。LMDS由多個樞紐站按照類似蜂窩的方式組成，樞紐站作為骨幹網的AP，通過光纜或同軸電纜與外界連接。樞紐站與服務區域內的多個用户站實現點到多點的無線鏈路連接，LMDS通過使用方向性強的用户天線、相鄰樞紐站服務區之間採用不同的極化方式等方法來實現頻帶複用，以提高頻率利用效率。LMDS可提供廣播圖像分配業務(含高清晰度電視)、電話、可視電話、ISDN以及各種交換式寬帶多媒體高速業務。

第一代LMDS是模擬系統，主要用於電視節目的傳播，因此，也被稱為無線CATV網。

第二代LMDS系統採用的是全數字的技術，不僅能夠傳播單向的電視節目，還能夠升級為WLL中的全交互式雙向交換型寬帶網絡。LMDS支持目前已有的主要傳輸標準，如ATM、TCP/IP、MPEG-2等

LMDS的具體含義為：

①L(Local)表示工作在高頻波段，信號的傳播特性限制了覆蓋小區的範圍。

②M(Multipoint)表示信號的發射是一點對多點，即廣播形式，而由用户返回的信號則是點對點形式。

③D(Distribution)表示通過資源的固定或動態分配，可同時進行聲音、數據、因特網、視頻等多項業務的傳輸。

④S(Service)描述了運營者與用户之間的關係，LMDS網絡提供的服務由運營者選擇。

LMDS的工作原理

LMDS作為寬帶無線點對多點通信系統，其最大優點是可用頻帶寬，可達1.3GHz，LMDS的系統實現方案有多種，根據系統不同，蜂窩半徑2～5km不等，調製方式對第一代模擬系統為FM為主的頻分多址方式，對第二代數字系統調製方式有QAM或QPSK，天線形式和參數的差異就更大了。

LMDS系統的主要面臨的問題是傳播環境差。在密集城區，建築物阻擋嚴重，雨霧和樹葉也會造成信號的很大衰減，還會受到衞星通信系統的干擾。因此，影響蜂窩範圍大小的主要因素是：直線傳播、重疊小區和非重疊小區、降雨、收發天線高度、樹葉密度等。

（1）LMDS的系統結構

LMDS的系統結構可以用圖1表示。它由四部分組成：有線設施、基站、網絡中心、遠端站(用户)。基站和遠端站都有室內和室外兩部分組成。

①網絡中心由管理用局域網及服務器、數據庫等軟硬件系統組成。主要任務是完成系統設備與軟件的操作，以及網絡管理工作和系統數據統計工作。

②有線設施包括：用於將各個基站與因特網、CATV網、PSTN、ISDN、ATM網、IP網等骨幹網，以及網絡中心連接起來的線纜(主要是光纜系統)系統；各種專用接口，如SONET、OC-3、OC-12、DS-3、因特網、PSTN等接口；ATM及IP交換設備。

③基站提供與光纖設施的接口功能。設備包括光纖終端網絡接口、調製解調設備、無線收發設備。

④遠端站一般是系統最終用户自有的通信接收終端，包括室外無線接收設備、室內數字設備(包括調製、解調、控制)和用户接口。

與支持點播業務MMDS系統(圖13.9)相比，LMDS系統有很大的不同：首先，LMDS接入的是數字骨幹網，特別是同時支持ATM和IP兩種傳輸格式；其次，LMDS支持的是雙向傳輸，無須利用電話等額外信道作為上行鏈路。

（2）LMDS頻譜及調製特性

LMDS利用毫米波收發寬帶信號，其工作方式類似於窄帶的蜂窩電話系統，但LMDS在傳輸視頻、聲音、寬帶數據信號時具有雙向能力。毫米波常規應用時受到很多限制，只能用於點對點通信，其他用處很少。直接利用毫米波大功率傳播視頻信號很不現實，因為毫米波極易被雨水吸收並帶來無法拒絕的噪聲而大大減弱視頻信號，所以LMDS主要是在近距離範圍以28GHz發射小功率、寬帶高頻信號，以實現點對多點的視頻信號傳輸。

自美國FCC於1997年12月10日對LMDS的頻譜重新劃分之後，為LMDS投入商業運營起到了決定性的作用。FCC把28GHz上1GHz帶寬的頻譜保留給LMDS，另外在31GHz上保留300MHz帶寬的頻譜，這樣LMDS的工作頻率範圍為27.5～28.35GHz的850MHz帶寬、29.1～29.25GHz的150MHz帶寬、31～31.3GHz的300MHz帶寬。額外的頻譜增大了發射和接收的頻帶間隔，確保LMDS頻譜的有效利用。

選擇合適的調製方式可以使無線電信號在允許帶寬內傳輸更多的信息，並能適應瑞利衰落，降低解調誤碼率。QAM與QPSK、APK相比，具有實現簡單，達到同樣誤碼率要求時，抗衰落能力更強，編碼效率高，要求的有效信噪比小等特點，是目前使用非常廣泛的一種技術，我們知道在調制解調器、HFC、SDH等有線環境下都採用QAM，信道質量較好時，無線信道也可以採用。QAM是將需要發送的數據比特分成兩路，每路都變換成多電平信號，然後採用兩個同頻正交的載波調製後在同一個信道發送，在接收端採用相同的兩個正交載波進行解調，再將多電平信號經過判決恢復成二進制比特，然後將兩路合成一路獲得需要的數字信號。描繪QAM特性常用叫做星座圖的方法，實際上是A、B兩路矢量疊加後的矢量端點位置圖。以16QAM為例我們畫出星座圖如圖2所示。

星座之間的間距決定了抗干擾的動態範圍，它由調製等級電平間隔大小決定。發射信號幅度越大，則間隔越大，同時需要的發射功率也越大。此外，調製的頻率利用效率與星座數的對數成正比，所以星座數越多，頻率利用效率就越高。數據帶寬與實際有效模擬帶寬之間的關係滿足

S=2B×log2N÷(1+a)

其中：S為數據帶寬，單位是bit/s；B為帶寬，單位是Hz；N為星座數；a為滾降係數，0<a<1。

顯然，對於1.3GHz帶寬，64QAM累積數據帶寬為S=2.6×6÷1.2=13Gbit/s，頻率利用係數達到了10bit/(Hz·s)的水平。由此我們也可以看到，LMDS可以為很多用户提供155.52Mbit/s的同步傳輸模塊STM-1速率，為更多的用户提供2Mbit/s的T1速率。

信道的優劣程度決定於傳輸距離，在100m～1km範圍採用更多星座的QAM，可進一步提供數據帶寬。隨着距離的增加，信道很快惡化，數據速率也不得不降低，因此數據帶寬和傳輸距離是一對矛盾，需要根據實際使用情況折中解決。此外，為進一步提高傳輸可靠性，LMDS採用一種混合調製方案，即採用多種調製方式，效率較低的調製方式如4QPSK或4QAM用於為距離較遠的用户服務，效率較高的64QAM等用於為距離近的用户服務。由此可實現不同半徑的服務區的複合覆蓋，充分利用兩者的優勢，優化小區的容量。

LMDS為進一步擴大系統容量，在採用混合調製技術的同時，LMDS基站都採用分波束多扇區覆蓋。根據天線情況的不同，系統可劃分出15°、22.5°、30°、45°、60°和90°等多種扇區，即最少4個扇區，最多24個扇區。具體實現中，以90°的4扇區情況最為常見。此時，遠端站的天線必須是定向天線，定向接收來自本扇區的信號。系統一般具有自動增益控制，在滿足誤碼率和系統信噪比的前提下，自動調整發射功率，以最大限度地減小扇區之間的干擾。

（3）影響LMDS小區規劃的因素

LMDS收發的是毫米波信號，並且在近距離上傳輸，採用類似蜂窩的組網方式，覆蓋小區半徑2～5km，LMDS的小區規劃是一個複雜問題，小區如何規劃很重要，它決定了設備的投資和用户的數目。

影響小區規劃的主要因素是：直線傳播、重疊小區和非重疊小區、降雨、收發天線高度、樹葉密度。

LMDS要求收發站之間直線傳播，若中間有建築物等阻擋，則偶爾可採用角反射器，一般採用直放站，以便於陰影區也能收到信號，若陰影區無法收到信號，則無法使用LMDS系統服務。

模擬信號更容易受噪聲的干擾，因此，第二代LMDS採用數字信號，採用先進的調製技術可有效地減少瑞利衰落，而且調製後信號也比較穩定，不易受到雨水和樹葉的影響。

另外，收發天線的高度也是必須考慮的因素，在實驗中曾發現，發射天線越高，接收信號越好。另外還發現，在單一發射小區內，多數用户不能清楚地接收信號，這是由於這些用户不全部處在可視距離範圍內。類似的實驗發現單一發射小區內，只能有60%的用户能收到信號，若採用重疊小區則可保證85%的用户收到信號。

覆蓋小區的大小範圍受本地降雨的影響，毫米波容易被雨水吸收而引起嚴重衰減，通過適當提高發射功率也能保證接收，否則只能縮小覆蓋區。由樹葉、樹枝引起的信號散射，可以利用重疊小區來克服。儘管覆蓋小區範圍最大直徑可達到5km(約3英里)，但實際上經過優化後的小區的直徑為2km(約1.25英里)。

LMDS的主要技術特點

LMDS的帶寬幾乎是AM/FM無線系統、VHF/UHF電視系統、蜂窩電話系統等帶寬總和的兩倍，是實現無線雙向通信服務的捷徑。開始部署時只需很少的啓動資金，安裝速度也很快，在其覆蓋範圍內可真正做到申請即通的寬帶服務，無須連線。LMDS的網絡結構使網絡的經濟責任由所有的用户和業務分擔。

LMDS的骨幹網、主機、小區規模必須提前建立。此時系統已經可以運營，以後系統的投入由需要LMDS服務的用户自己購買遠端站系統來完成。LMDS的建網速度是有線網絡所望塵莫及的，風險性也很低。LMDS的優點可概括如下：

①提供和普通光纖相同的通信容量和質量，但費用低，部署快。

②其結構決定網絡的費用由所有用户和業務分擔。

③使語音、數據、圖像等多媒體信息在相同的無線連接上傳送。

④運營維護費用比有線網絡低。

⑤通過培養相對於先建網後銷售模式的售前網絡銷售模式，可大大減小技術投資的風險。

⑥由於其高帶寬和多媒體屬性，對技術的更新換代具有很好的適應性，特別是LMDS的協議是中性協議，因此，網絡的擴展性好，便於升級。

⑦其近距離直線傳播和小的扇區範圍等法則，特別適合於城市稠密社區應用。

應用

普通的無線接入系統均是窄帶系統，工作在450MHz、800MHz等，針對低速的話音和數據業務。而LMDS的寬帶特性，決定它幾乎可以承載任何種類的業務，包括話音、數據和圖像等，如下：

（1）話音業務

LMDS系統可提供高質量的話音服務，而且沒有時延。系統可提供標準接口，如RJ－11。

（2）數據業務

LMDS的數據業務包括低速數據業務、中速數據業務和高速數據業務。具體數據速率可支持1.2kbit/s～155Mbit/s，並支持多種協議，包括幀中繼、ATM、TCP/IP等。

（3）圖像業務

LMDS可支持模擬和數字圖像業務，可提供的圖像信道包括150條遠程節目、10條本地節目，還可提供最少10條PPV節目信道。系統的信號可以從衞星來，也可以是本地製作的；可以是加密的，也可以未加密。

除了上述寬帶特性，LMDS還具有無線系統所固有的優點，如建設成本低，項目啓動快，建設週期短，維護費用低等。

（1）項目啓動快，工程完成快

無線系統與有線系統相比，很大的優勢在於工程的啓動與實施非常迅速。尤其在大城市，有線工程往往要經過市政等部門的審批，因為對道路。綠地等環境破壞較大，而且施工量大，要受到多種因素的制約。

（2）前期投資比例較小，後期擴容能力強，投資回收快

LMDS系統的投資包括中心基站設備、用户端設備、網管系統和其它附加費用。由於LMDS是一種利用基站覆蓋用户端設備的體制，所以在網絡初期，只需小部分投資建立一個配置較簡單的基站，覆蓋若干用户即可開始運營。隨着用户數量的增加，可提高基站的配置，增加用户端設備，逐步擴容，逐步追加投資。所以投資回收也很快。

（3）可以根據用户需要進行建設

在網絡正式投入運營之前，往往很難準確推算用户的業務需求發展情況，傳統接入網絡中，用户對帶寬和新業務的不斷的需求往往使服務商深感頭疼。而LMDS系統的基站、扇區覆蓋體制，用户端設備的模塊化結構，使容量擴充和新業務提供都很容易，服務商可以隨時根據用户要求，添加所需的設備，提供新的服務。

（4）網絡運行、維護費用比較低

這是無線系統自身固有的優勢。

LMDS目前的主要問題

整個毫米波波段屬於應用上比較年輕的技術，不少還處於發展階段。同樣，LMDS技術也尚處於發展的初級階段，還有一些技術問題亟待解決，如毫米波段在陰雨天氣比較頻繁的地區能否保證可靠工作；站與站之間只能在2km左右的視距直線傳播，小區的規劃對周圍環境要求苛刻，當環境複雜時比較難以規劃；當在幾公里範圍內用户數量很少時，若採用點對多點傳輸方式，則成本過高，無疑會造成資源上的浪費。

此外，LMDS尚處於發展階段，還沒有像ITU或IEEE、美國國家標準局(ANSI)那樣的國際權威組織牽頭制定統一的技術協議和規範，特別是物理層和數據鏈路層的MAC子層的標準。目前，各個生產商的產品在空中接口上存在多種物理層和MAC層的各自標準，還看不到統一的跡象，制定統一的國際標準看來還要有一些時日。我國根據自己需要制定了LMDS標準，主要包括：LMDS接入網技術要求，LMDS接入網測試方法。

LMDS技術規範應包括：系統參考模型、接口規範、系統性能、業務支持能力、收發信機、網絡管理及計費等幾方面內容。在系統模型方面，其中制定規範的一個焦點就是要不要規定關於空中接口的物理層以及MAC子層等其他協議層。

對於空中接口的物理層，從技術角度講，需要規定一些最基本的要求，如擾碼、前向糾錯、調製及發送波形形成。目前多徑干擾會嚴重惡化通信質量，一般發送站都採用RS糾錯編碼，再加交織技術抗突發干擾的方案。

在點對多點不對稱傳輸系統中，若採用TDMA方式，使多個遠端站共享一個上行鏈路，則存在着不同的遠端站對帶寬和服務質量有不同的需求的問題，因此，技術上看，LMDS應具有一個功能強大的MAC協議層，以完成時隙動態分配、帶寬動態分配、測距、QoS等任務，同時還必須考慮協議實現的複雜度。與之相對應，網絡管理規範中還必須考慮功率控制、數據流量的檢測與控制、計費算法等。

另一個問題是屬於技術關鍵，即毫米波段的砷化鎵器件成本很高，而砷化鎵毫米波段的IC或專用IC技術還不夠成熟，IC的規模、性能沒有保障，價格更是居高不下。使實現價廉物美的毫米波收發信機有很大的困難，某種程度也限制了LMDS的發展。

目前很多商用或實驗性LMDS系統，為避免設備互通問題，都採用同一家廠商生產的設備。

LMDS在中國

目前，我國大型電信部門的數據網絡骨幹網的建設正在轟轟烈烈地進行，一些地區已經初具規模，各電信運營商已開始着手接入網的建設。LMDS以其大容量、多業務、易建設、見效快等明顯優勢引起了我國業內人士的廣泛關注。

1999年7月，我國的第一套LMDS實驗網在廣東省的廣州市開通，這套由P－COM公司為中國聯通公司建立的LMDS網絡標誌着我國接入網發展的新起點。目前，中國聯通公司的LMDS實驗網正在測試和調製階段，如果實驗成功，LMDS也許會在中國掀起一次通信技術革命的高潮。