无线城市技术研究与应用

【摘 要】本文通过对无线城市的研究，以发展的眼光定位无线城市建设，分析无线城市的关键技术点。从不同的需求和不同的场景制定无线城市建设实施目标，探索无线城市商业化的发展模式，研究“无线校园、无线办公、无线医护管理、无线道路交通管理”的应用。

【关键词】无线城市；背景；技术；应用

一、无线城市发展背景

（一）国家高度重视无线城市的发展：

党的十七大报告指出：“加快转变经济发展方式，推动产业结构优化升级。这是关系国民经济全局紧迫而重大的战略任务。”“发展现代产业体系，大力推进信息化与工业化融合。”

工信部总工程师苏金生在交流会上表示：“无线城市对于拉动地方经济发展、刺激内需、推动民生都将起到重要的推动作用。另一方面将TD技术用于无线城市的建设中也有利于加快网络的信息化建设，有利于促进信息服务业发展和传统产业的改造提升，有利于培育新的经济增长点，推动TD发展意义重大。”

（二）中国无线城市项目刚刚起步，市场潜力巨大。

无线城市以满足公共接入、公共安全和公共服务的需要为目的，于2004年7月，由美国费城提出，设立了“无线费城项目”，建设基于Wi-Fi 802.11b标准的Mesh网络，发展成为无线城市的主要技术措施。随后建设无线城市的计划逐渐被推广实行，Wi-Fi、WIMAX成为了无线城市领域的核心技术。中国大陆地区，北京、天津、上海、广州等十大城市已经开始立足于无线城市的研究，并正在建设之中。

二、无线城市技术研究

无线城市的技术起源于Wi-Fi 802.11b，为逐步形成有线互联网接入到以无线互联网接入的过度而产生。目前的无线城市技术以Wi-Fi，WiMAX等技术为引领，结合IMT-2000、IMT-Advanced等经验和技术，IT与CT融合的产物具体技术如下：

物理层

1.OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：即正交频分复用技术，是MCM（Multi-CarrierModulation）多载波调制的一种。其核心是：将较宽的信道划分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，以减少子信道之间的相互干扰 ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，可以消除符号间干扰。引入定时偏差（频域的CP），使信号在保护时间间隔内变化，因此不会引起子载波间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI），可以有效对抗多径效应，实现非视距传输大容量信号。

2.OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）： 即正交频分多址技术，是无线通讯系统的标准。通过将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，使不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。OFDMA系统动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用。OFDMA方案可以看作将总资源（时间、带宽）在频率上进行分割，实现多用户接入。

3.GMC（Generalized Multi-Carrier）：即广义多载波技术，利用传统的滤波器生成的单载波技术在低PAPR/CM方面的优点，采用滤波器组（Filter Bank）获得LTE要求的频谱扩展性。OFDM采用大量的部分重叠的狭窄子载波，使其具有较高的PAPR/CM，GMC采用少量较宽的子载波（子载波间隔达数百千赫兹至1兆赫兹）。UE数据率较低时，可以只使用一个子载波（此时和最传统的滤波器单载波传输相同），当UE需要较高数据率时，子载波的数量也不会很大（典型情况下1～3个子载波就可以满足应用需求），而且相邻子载波之间保留一定的保护带，消除子载波之间的相关性，取得较低的PAPR/CM。

MAC层

1.MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）：即多入多出技术，是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11b＼a＼g后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。MIMO利用多组分离的发射、接收天线的空间分集作用，将通信链路分解成为若干并行的子信道，达到提高容量和性能的效果。在功率带宽受限的无线信道中，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而显著改善系统容量。

2.Mesh： 无线mesh网络由mesh routers（路由器）和mesh clients（客户端）组成，其中mesh routers构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。无线Mesh网络也称为“多跳（multi-hop）”网络拓扑，通过引入中继站来扩展城域网基站的无线覆盖范围和增强局域网接入点的热点覆盖功能。其组网方式中的AdHoc网络和无线感知网络相当于分布式的无线Mesh网络。与物理层的OFDM、OFDMA、GMC等关键技术相结合，使得在非视距的无线传播环境下也能进行高速分组数据传输。

跨越物理层和MAC层的关键技术有：软件无线电、智能天线、QoS。

1.软件无线电（softwareradio）：软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线及个人通信的各种功能，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统，是一种用MAC层软件和物理层DSP器件相结合来实现物理层连接的无线通信方式。

2.智能天线：是一种安装在基站现场的双向天线，其核心是波束赋形技术。通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA（Direction of Arrinal），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。

3.QoS（Quality of Service）服务质量，是网络的一种安全机制，通过物理层的AMC、ARQ、HARQ等功能以及MAC层先进的调度算法，可以实现可以按不同业务流、不同连接等多种需求划分的质量保证机制。对关键应用和多媒体应用十分必要，当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。

网络层

1.INON：即智能节点重叠网，是覆盖在IP核心网上的传统弹性重叠网（RON）技术和分布式散列表（DHT）技术结合的新型技术，包括自动组网、网络资源管理、路由优化等关键技术，分别解决数据传输和资源定位问题，新型重叠网技术包括自组织网，网络资源管理和路由优化等。

INON采用分布治理模式，在网络上要害部位设置智能节点，用来监视四周网络上的资源分布和带宽利用率，传输延时，路由走向、流量模式和分布，中断和故障以及病毒感染流行等情况。智能节点之间交换这些信息，进一步实现监视和控制，即时做出响应。

智能节点的另外一个用途是支持各种P2P应用。

2.PMIP通过移动性管理模块中的PMIP机制，使得终端不需要移动IP客户端软件即可实现子网间切换，包括在不同的接入路由器之间、以及同一接入路由器的不同端口之间的子网间切换情形。

跨越MAC层和网络层的关键技术：二、三层切换和PMIP（代理MIP）。

子网间的快速切换技术：包括跨越不同子网间的切换判决算法和切换方式、切换和认证方式的配合、二层三层切换的整体性能优化策略等；

垂直切换技术：是异质网络之间的切换，技术关键点包括：切换度量的评估算法和切换策略。

三、无线城市的应用

（一）按运营主体的不同，无线城市可分为三种运作模式。

1.政府规划与资助

政府担任管理者，负责无线城市的投资、建网到网络维护和运营，设定及控制无线网络的使用方式和运营模式。政府从城市财政中专门拨款投资建网，并承担所有的网络运营和维护成本。采用自下而上的方式建设网络，充分利用社会限制的带宽资源。

2.使用者公共分享

通过采用加盟后共享资源的方式，使拥有WiFiAP设备和宽带接入资源的人或机构集合起来。当使用者共享自己的WiFiAP时，可以获得免费接入其它加盟者AP的权利，对非加盟的用户进行收费，加盟者可以参与分成。但是加盟热点质量参差不齐，安全及网络流量难以控制，利用运营商的网络资源可能存在法律纠纷。

3.基础运营商共同运作

由政府公开进行招标，与运营商进行谈判，运营商建设、运维网络运营商会为普通市民提供一定带宽速率的免费接入服务，通过广告收入来弥补成本。运营商可以通过发展希望高速率连接网络，而不接受广告的付费用户，此外通过为集团客户服务和其他增值业务也可以使运营商获得收益。

（二）无线城市的具体应用。

1.在校园网络上的应用。

无线网络产品具有传输距离远、可以在建筑物之间或建筑物内施工困难的环境下使用、支持移动漫游等特点，因此可以使用它来替代传统的电信线缆来构建未来的教育网络。

（1）在分校区之间的联网。针对同一所学校分校区相隔较远，以及校园建筑物之间不方便布线的情况，可以采用无线局域网进行通信连接，建设校内局域网，可以实现封闭管理、资源共享、无线上网、远程指导等功能，为学习交流、信息传播及科研提供便捷。

（2）可以移动的网络服务。图书馆、学术报告厅、宿舍区等校园服务场所为学校的师生提供了良好的教学服务条件，使用无线网络接入互联网，解决了学习地点和时间必须按规定分配的问题，师生可以自主地安排学习的时间，不需要固定的上网端口来接入。还可以通过建立虚拟教室和调研项目，为师生提供更方便的无线网络服务。

2.在办公系统中的应用。

在办公环境中使用无线网络系统，可以使电脑具有移动办公能力，在办公网络范围内实现信息的漫游。工作人员只要有可移动计算机或笔记本电脑，在办公室、资料室、会议室等都可通过无线网络随时查阅资料、获取信息，和他人商讨技术关键、修改原有的技术方案；领导和管理人员可以在网络范围的任何地点发布指示、通知事项、联系业务、更新记录，实现随时随地便捷办公。

3.在医护管理方面的应用。

医院的计算机管理系统中存有病人的监护仪器数据、由电脑控制的医疗设备和药品目录及数量、医疗器具库存数据等信息。使用无线网络的接入系统，使管理人员和医生在医院内的任何地方都可以使用移动和手持计算机设备，方便地管理、存取和获知这些信息。并且利用无线网络，医生和护士在设置无线网络的病房、诊室或急救中进行汇诊、查房、手术时可以直接使用便携终端设备替代病历和检查记录，并进行实时记录医嘱，及时传递处置意见，查询病人病例和检索药品等操作。

4.在道路交通管理方面的应用。

根据我国现有的大中城市道路交通现状来看，车辆拥挤、车速缓慢，可以采用无线交通网络进行城区的覆盖，将城市道路交通网络建设成为无线交通网络，安装无线监视和检测终端，进行城市道路车辆流量分析、监控、预测，事故信息的提供快速响应等项目，实时提供道路和交通状况数据，以无所不在的综合无线信息网络平台支撑公共安全、城市管理、应急联动、公共服务、商务旅游、生活学习等信息化应用。对交通信息的提供来说，既方便又快捷。

参考文献：

[1]佟学俭，罗涛，OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社.2003.6.

[2]3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计.

[3]出版社： 人民邮电出版社《MIMO技术原理及应用》.

[4]中国移动四川公司.无线城市的发展、运营及技术分析与研究. 2008.

[5]庄梓新.全球“无线城市”发展的若干动向.2007.

作者简介：

李莉，1982年生，女，汉族，就职于铁通新疆西部通信工程有限责任公司，助理工程师，从事通信工程专业。2010年5月获得中国铁通优秀团干部称号。