现代通信网无线接入技术

第9讲 无线接入技术,无线接入标准及分类,1,几种主要的无线接入技术介绍,2,移动无线接入技术,1,固定无线接入技术,2,无线接入技术后续演进,3,无线接入概述,无线接入 从交换节点到用户终端间的部分或全部采用无线传输的接入技术 无线接入网分类 根据接入终端的移动性，分为移动无线接入和固定无线接入两大类 固定无线接入技术面对固定位置的用户或仅在小范围内移动的用户群体 移动无线接入技术服务的对象是移动终端，即蜂窝移动电话系统 根据覆盖范围，分为无线个人局域网WPAN、无线局域网WLAN、无线城域网WMAN和无线广域网WAN,标准化组织,欧洲电信标准化协会European Telecommunications Standards Institute,电气和电子工程师协会 Institute of Electrical and Electronics Engineers,第三代合作伙伴计划 3G Partnership Project,第三代合作伙伴计划2 3G Partnership Project 2,GERAN UMTS(TDD,FDD) LTE(TDD,FDD),CDMA2000 1X/DO,常见的无线接入技术标准,IEEE802.20（proposed）,802.20,固定无线接入,移动无线接入,WPAN、WLAN、WMAN、WWAN简介,WPAN 个人局域网：10米 用无线方式代替传统的有线电缆以低价格和低功耗在10米范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。 从计算机网络的角度看，PAN是一个局域网；从电信网络的角度看，PAN是一个接入网，因此PAN称为电信网络“最后一米“的解决方案。,WPAN、WLAN、WMAN、WWAN简介,WPAN 个人局域网：10米 主要实现技术 Home RF：2.4GHz不需申请许可证的ISM工作频段 ，最大功率为100mW，有效范围约50m ，可支持10Mbps的数据速率，支持数据与语音业务 IrDA（红外线数据Infrared Data Association）：可支持16Mbps的数据速率，传输距离一般都在30公分-3米左右（视功率而定），角度限制在30-120度 蓝牙(Bluetooth)：2.4GHz工作频段，最大功率100mW，有效范围100m，可支持1Mbps的数据速率，支持数据与语音业务 IEEE802.15.3/4-超宽带(UWB)：“无线USB2.0”，10m以内的近距离高速无线传输接口，目前数据速率已达100Mbps,WPAN、WLAN、WMAN、WWAN简介,WLAN 无线局域网 局域网(local area network)，是处于同一建筑、同一大学或者方圆几公里远地域内专用网络。局域网常被用于连接公司办公室或工厂里的个人计算机和工作站，以便共享资源（如打印机）和交换信息。无线局域网WLAN是固定局域网的一种延伸。没有线缆限制的网络连接。对用户来说是完全透明的，与有线局域网一样。 局域网特点：一般不大于10公里，而且通常只使用一种传输介质；地域上看局域网通常是用在一座建筑物或一个工厂内，使用上通常是某一单位或某一部门使用，规模上一般不超过几百个用户 。,WPAN、WLAN、WMAN、WWAN简介,WLAN 无线局域网 主要分为两大协议体系：IEEE802.11协议标准体系和欧洲ETSI HIPERLAN协议标准体系 通常所说的WLAN即是IEEE802.11系列标准 Wi-Fi是无线局域网联盟（WLANA）的一个商标，该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系。但是后来人们逐渐习惯用WiFi来称呼802.11b协议,WPAN、WLAN、WMAN、WWAN简介,WMAN 无线城域网 城域网（metropolitan area network），或者称MAN，基本上是一种大型的LAN，通常使用于LAN相似的技术。它可以覆盖一组邻近的公司办公室和一个城市，既可能是私有的也可能是公用的。MAM可以支持数据和声音，并且可能涉及到当地的有线电视网。MAN仅使用一条或两条电缆，并且不包含交换单元，即把分组分流到几条可能的引出电缆的设备。这样做可以简化设计。 WMAN是一种可涵盖城市或郊区等较大地理区域的通过无线接入的城域网。比局域网更大，通常覆盖一个城市，从几十公里到100公里不等 。,WPAN、WLAN、WMAN、WWAN简介,WMAN 无线城域网 WMAN应用“最后一里”技术将用户站点和基站连接起来，为有线网络连接技术如DSL、电缆和光纤技术提供了一种无线选择 主要分为两大协议体系：IEEE802.16协议标准体系和欧洲ETSI HIPERMAN协议标准体系，WiMax是一种由WiMAX论坛提出的一种应用于802.16产品的标准。 WiMAX联盟 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,WPAN、WLAN、WMAN、WWAN简介,WWAN 广域网 广域网(wide area network），或者称WAN,是一种跨越大的地域的网络，通常包含一个国家或州。一切大于城域网的网都可称为广域网 。 WWAN即是通过无线接入的WAN,行动电话及数据服务所使用的数字移动通讯网络，由电信运营商所经营 。 使用2G、3G、IEEE802.16及802.20以及LTE等移动网络技术 提供高性能的接入能力，为移动用户的随处接入提供移动无线服务(无线WAN) 无线广域网络的连线能力可涵盖相当广泛的地理区域，但数据传输速率偏低； 全球的无线广域网络主要采用两大技术分别是GSM及CDMA技术 ，都逐步向宽带化发展,- 13 -,移动接入宽带化、固定宽带接入移动化,无线接入标准及分类,1,几种主要的无线接入技术介绍,2,移动无线接入技术,1,固定无线接入技术,2,无线接入技术后续演进,3,移动技术的演进,演进趋势： OFDMMIMO是技术发展的趋势 扁平化网络架构 多媒体业务和应用,移动数据业务迅猛发展，为进一步在移动数据业务中盈利，运营商们积极准备现有移动网络的升级演进,2.1,移动无线接入技术,2.1.1 GSM/GPRS/EDGE介绍,2.1.2 WCDMA-HSPA/CDMA 1X-EVDO/TD-SCDMA介绍,2.1.3 Wimax/LTE介绍,GSM/GPRS/EDGE简介,GSM系统全称全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication，GSM)，它依照欧洲通信标准化委员会(ETSI)制定的GSM规范研制而成，是第二代移动通信技术（2G）。 GPRS：英文全称General Packet Radio Service，中文名称是通用分组无线业务, GPRS是在GSM Phase2+阶段引入的分组型数据业务，为用户提供端到端的基于分组交换和传输技术的移动数据业务。可有效地利用无线资源和网络地面资源，特别适合于长时间、小流量的突发数据业务。速率可达171kbps,GSM/GPRS/EDGE简介,EDGE：英文全称Enhanced Data Rate for GSM Evolution，中文全称是增强数据速度的GSM演进方案, EDGE主要采用了一种新的调制方法，即8PSK调制技术。它的有效载荷是GMSK的303%，能提供更高的比特速率和频谱效率,一个EDGE时隙最多可以处理59.2Kbps，而当8个时隙全被使用时总处理能力可达473.6Kbps。 E-EDGE：Evolution-EDGE,包括DLDC, MSRD, Latency Reduction和EGPRS2功能，大大提升用户速率；3GPP在Rel7版本引入了E-EDGE技术，理论上单用户速率可以达到1.184Mkbps，而且时延降到100ms以下 。,GSM/GPRS/EDGE简介,1989年，GSM标准生效； 1991年，GSM系统在欧洲商用，移动通讯进入第二代； 1994年，GSM进入中国； 2010年，GSM用户（不包含WCDMA)达到38亿，遍及全球212个国家；,GSM/GPRS/EDGE简介,GSM/GPRS/EDGE简介,GPRS/EDGE/E-EDGE数据性能,提高话音容量的技术,GSM新技术 AMR动态管理话音质量和错误控制，提高容量； 紧密频率复用技术： DPC提高功率控制速度（2.08Hz）和精度，减少同频干扰； FH跳频技术；对话音业务信道可以进行快速的频率转换，以便实现紧密频率复用，使得频率复用系数最高可以达到reuse = 1的极限； DTX当用户静默时，用户业务信道可以停止传输，降低频率间干扰； DFCA业务信道以及切换时分配的信道可以根据频点和信道的无线情况进行动态分配；,提高话音容量的技术,GSM新技术 MRxDMobile Receive Diversity；终端接收分集，双接收天线； IC同频干扰消除； TD基站天线发射分集，提高前向容量； 由于GSM相对CDMA的标准化要早很多，因此很多技术在最早的版本中并没有得到应用； 不是每一个技术都能够容易的在商用网络中实施，特别是GSM，其很多技术都需要全网的时钟同步，而这一点目前还没有商业网络能够真正实施。 实际上CDMA1x在第一版商用标准中就已经包含很多GSM后来改进的技术：,提高话音容量的技术,CDMA新技术 4GV根据话音的质量和速率动态选择话音编码算法； HR半速率话音；根据扇区的话音容量，动态选择支持半速率话音，此时在CDMA系统中仍可以提高20%的扇区话音容量； ICInterference Cancellation；同频干扰消除；此技术可以给CDMA1x的话音容量带来50%的提高潜力；同GSM的IC技术；,提高话音容量的技术,CDMA新技术 TD基站天线发射分集；提高前向容量；实际上这项技术在CDMA1x的初始版本标准中就已经定义了，只是由于是可选项，因此没有真正的应用起来； MRxD终端接收分集；由于CDMA1x的容量为前向受限，因此MRxD所带来的好处要远超过此项技术给GSM带来的好处；MRxD在CDMA1x网络中可以提高35%的覆盖以及接近50%的话音容量提升；,GSM语音容量及与CDMA1x的对比,GSM/EDGE网络全球商用情况,GSM全球商用用户数,2.1,移动无线接入技术,2.1.1 GSM/GPRS/EDGE介绍,2.1.2 WCDMA-HSPA/CDMA 1X-EVDO/TD-SCDMA介绍,2.1.3 Wimax/LTE介绍,3G技术CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA简介,3G是英文3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术 ；国际电信联盟(ITU)在2000年5月确定W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件2000年国际移动通讯计划(简称IMT-2000) WCDMA，全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合 ；,3G技术CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA简介,CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，成为3G技术中进展最快，商用最成熟的技术； TD-SCDMA是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院(大唐电信)向ITU提出。该标准将智能无线、同步 CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势 。由于中国内的庞大的市 场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准；,CDMA技术对比,单载波语音容量对比,CDMA和WCDMA系统同属于码分多址系统，工作原理基本相同，都是受限于反向容量，容量分析过程也基本相同，CDMA系统中，用户共用相同的频点，在反向链路，当移动台没有足够功率以克服来自其它用户的干扰时，系统达到反向的最大容量 在TD-SCDMA系统中，一个信道就是载波、时隙与扩频码的组合，也叫一个基本资源单位（Base Resource Unit）。TD一个时隙内由一个16位扩频码划分的信道是最基本的资源单位，即BRU。不同业务占用的BRU个数是不一样的，而一个载频下，所能提供的最大BRU个数是固定。,峰值速率对比,3载波捆绑，EV-DO Rev.B第一阶段实现峰值速率前向9.3Mbps，反向5.4Mbps 3载波捆绑，EV-DO Rev.B第二阶段前向峰值速率提高到14.7Mbps,5MHz带宽组网时的平均扇区吞吐率对比,平均吞吐量EVDO与HSDPA相当,WCDMA-HSPA网络频谱分布,WCDMA-HSPA商用网络数,WCDMA-HSPA用户数,HSPA用户 数所占比例 不足45%,CDMA1X-EVDO网络频谱分布,CDMA1X-EVDO商用网络数,CDMA1X-EVDO商用用户数,EVDO用户数增长迅速,全球WCDMA/CDMA2000商用终端发展情况,截至2010年4月： 共计有2500款WCDMA终端 共计有2349款HSPA终端 共计有2350款CDMA2000终端 共计有791款CDMA2000 EVDO终端,国内三家运营商频段分配,3G系统频段,注1：2009年2月，政府主管部门已明确要求所有PHS频段（1900-1920MHz）应在2011年底前 完成清频退网工作，以确保不对1880-1900MHz频段TD-SCDMA系统产生有害干扰。 注2：电信村通采用450M频段（UL：450-457M；DL：460-467M），与目前频率分配政策也存在一定冲突。,国内3G用户规模,2010年1月，工信部发布我国2009年年度3G用户数据，年底3G累计达到1500万户， 中国电信EVDO用户达到675万户； 中国移动TD-SCDMA用户达到551万户； 中国联通WCDMA用户达到274万户；,注：EVDO用户是数据用户，而TD和WCDMA用户是语音和数据混合用户；,全球3G网络分布及发展特征,WCDMA在欧洲的强势地位稳固 HSDPA商用网络部署速度加快； WCDMA用户发展快于cdma2000 ； 欧洲WCDMA用户规模发展提速。 CDMA20001x建设重心在东亚，并蔓延到中东和非洲 TDSCDMA在中国政府支持下稳步发展 国际上出现了第二次3G发展高峰，3G产业己逐渐步入良性发展的环境； 包括HSPA和EV-DO在内的3G增强型技术已经成为3G发展的主流技术。,2.1,移动无线接入技术,2.1.1 GSM/GPRS/EDGE介绍,2.1.2 WCDMA-HSPA/CDMA 1X-EVDO/TD-SCDMA介绍,2.1.3 Wimax/LTE介绍,什么是LTE？,Long Term Evolution，又称E-UTRA/E-UTRAN，和3GPP2 UMB合称E3G（Evolved 3G） LTE是以OFDM为核心的技术，为了降低用户面延迟，取消了无线网络控制器（RNC）。与其说是3G技术的“演进”（evolution），不如说是“革命”（revolution）。 这场“革命”是系统不可避免的丧失了大部分后向兼容性，也就是说，从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代。因此从技术归属上，可以将LTE看作4G范畴。 LTE的起因：在2004年WiMAX对UMTS技术产生挑战（尤其是HSDPA技术）时，3GPP急于开发和WiMAX抗衡的、以OFDM/FDMA为核心技术、支持20MHz系统带宽的、具有相似甚至更高性能的技术。长期上也可以在IMT-Advanced标准化上先发制人。,WiMAX： Worldwide Interoperability for Microwave Access 微波接入全球互操作性认证联盟,背景 一个无线宽带接入系统设备厂商，元器件、软件和业务提供商组成的非赢利性组织 推广WiMAX品牌和基于802.16和ETSI HiperMAN标准的产品互操作性认证 成立于2001-4，基于802.16标准 2005年认证基于802.16-2004的产品WiMAX 2006年认证基于802.16e产品移动WiMAX,WiMAX论坛,802.16a (2003),频率: 2 - 11 GHz 非视距固定宽带无线接入,802.16 (2001),频率: 10 66 GHz 基于视距固定宽带无线接入,802.16c (2002),增补兼容性规范 10 - 66 GHz,802.16-Revd (July 2004),802.16, 802.16a的整合和修订 固定宽带无线接入 Approved as 802.16-2004 频率: 2 66 GHz,802.16e (Dec 2005),支持移动的宽带接入 Approved as 802.16-2005 频率: 6 GHz,802.16标准发展,关键技术比较,从上表看出，LTE和WiMAX使用的关键技术有相同的技术，也有不同的技术，即使同样的技术但也不是完全相同，比如都使用MIMO技术，但是LTE/WiMAX具体的MIMO实现方式是不同的。从技术复杂性来看，LTE最复杂，WiMAX次之.,扇区峰值速度,同等带宽下，下行WiMAX比LTE绍低； 上行方面， WiMAX在10M带宽下上行比率为3：1时，WiMAX和LTE相差较大。 LTE可以配置FDD方式20MHz带宽，WiMAX只能配置TDD方式20MHz带宽，LTE与WiMAX相比可以达到更高的峰值速率。,小区频谱效率,Ericsson（左图）和3G Americas（右图） 的比较结果是一致的：HSPA+的频谱效率高于WiMAX，当然LTE更高于HSPA+，尽管WiMAX可以通过改变上下行比率来提高下行的频谱效率，但同时上行的频谱效率也降低了。,全球LTE网络商用情况,WiMAX产业链和Roadmap,UMPC,MID,Broadband access / Enterprise,Data + Voice / Personal,PCMCIA,Express,USB dongle,Modem,Handset,Survaillance,Pre-WiMAX CPE cost 300 - 1,000,802.16d CPE cost 200 - 600,2005 - 2006,2007 - 2010,802.16e PCMCIA 100 - 200 Less than 30 embedded (2009) Less than 20 embedded (2010),WiMAX终端产业链进展,WiMAX的发展瓶颈,标准制定方面 802.16e标准化工作正在进行，除空中接口标准尚未完成以外，802.16还存在一个问题就是缺乏网络规范、标准体系不完善。 802.16仅仅规范了基站和移动台之间的空中接口，没有规定基站和基站之间，基站和网络侧的协议。在切换、移动性管理（寻呼）和终端状态管理（激活和休眠的转换）等与蜂窝组网有关的方面，还不够成熟，需要进一步完善。 频率问题 目前已经认可的是3.43.8GHz许可证频率（ETSI，国际MMDS）和5.7255.85GHz免许可证频率。很多国家允许使用更高的频率，将其当作5GHz免许可证频段的一部分，但由于其穿透力差，使用这些频率的WiMAX系统不可能和LTE竞争。,全球WiMAX网络建设,WiMAX网络频谱分布,无线接入标准及分类,1,几种主要的无线接入技术介绍,2,移动无线接入技术,1,固定无线接入技术,2,无线接入技术后续演进,3,WLAN发展历程,IEEE推出的第一代WLAN标准 2.4G频段 传输速率1M或者2M,11b 2.4G频段、11a 5.8G频段 11b传输速率提高到5.5M和11M 11a传输速率提高到54M 11a和11b不兼容,1997,1999,2004,2009.9,1997,802.11,802.11a/b,802.11g,802.11n,2.4G频段 传输速率提高到54M 兼容11b 目前主流协议,包括2.4G频段和5.8G频段 传输速率提高到300M 兼容11a/11b/11g 协议2009年9月12日已正式发布,关于WAPI,WAPI 是 Wireless LAN Authentication and Privacy Infrastructure (无限局域网鉴别和保密基础结构）的英文