移动通信原理电子课件教案-第8章 移动数据传输.ppt

,移动通信MobileCommunication,2,目录,第一章概述（4学时）第二章移动通信组网原理（8学时）第三章移动信道中的电波传播（8学时）第四章数字移动通信关键技术（8学时）第五章GSM/GPRS数字蜂窝移动通信系统（8学时）第六章窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统（6学时）第七章第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统（8学时）第八章移动数据传输（4学时）第九章未来移动通信展望（2学时）习题讲解与课堂练习（6学时）复习（2学时）,3,第八章移动数据传输,8.1无线局域网（WLAN）技术8.1.1引言8.1.2WLAN技术的优势8.1.3WLAN的拓扑结构8.1.4WLAN标准的发展8.1.5WLAN的协议体系8.1.6WLAN技术发展趋势,4,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.1IEEE802.16标准和WiMAX组织8.2.2WiMAX技术特点8.2.3WiMAX协议体系结构8.2.4WiMAX标准化最新进展8.3移动蜂窝网和数据网的融合,5,8.1无线局域网（WLAN）技术8.1.1引言全球有三大类型的无线局域网标准，包括美国IEEE802.11标准系列，欧洲ETSIBRAN的HIPERLAN标准和日本ARIB开发的多媒体移动接入通信（MMAC）标准。在上述标准中，IEEE802.11标准系列发展最为迅速，得到的业界支持也最为广泛。因此，本节对无线局域网的讲述，将着重于IEEE802.11系列。,6,8.1无线局域网（WLAN）技术8.1.2WLAN技术的优势安装便捷覆盖范围广经济节约易于扩展传输速率高,7,8.1无线局域网（WLAN）技术8.1.3WLAN的拓扑结构WLAN有两种主要的拓扑结构，即基础结构网络（InfrastructureNetwork）和自组织网络（也就是对等网络，即人们常称的Ad-Hoc网络）。,8,8.1无线局域网（WLAN）技术8.1.4WLAN标准的发展1IEEE802.112IEEE802.11b3IEEE802.11a4IEEE802.11g,9,8.1无线局域网（WLAN）技术5中国WAPI标准针对WLAN安全问题，中国制定了自己的WLAN安全标准：WAPI。与其他无线局域网安全机制（如802.11i）相比，WAPI主要的差别体现在以下几个方面：（1）双向身份鉴别（2）数字证书身份凭证,10,8.1无线局域网（WLAN）技术（1）双向身份鉴别在WAPI安全体制下，无线客户端和WLAN设备二者处于对等地位，二者身份的相互鉴别在公信的鉴别服务器控制下实现。双向鉴别机制既可防止假冒的无线客户端接入WLAN网络，同时也可杜绝假冒的WLAN设备伪装成合法的设备。而在其它安全体制下，只能实现WLAN设备对无线客户端的单向鉴别，缺乏有效的WLAN设备身份鉴别手段。,11,8.1无线局域网（WLAN）技术（2）数字证书身份凭证WAPI基本架构上和802.11i采用的AAA架构类似，也包括了三个实体，即鉴别请求者系统（WLAN终端）、鉴别器系统（WLAN设备）和鉴别服务系统，如图8.2所示。,12,8.1无线局域网（WLAN）技术8.1.5WLAN的协议体系与有线局域网一样，无线局域网的标准化工作主要在逻辑链路层的LLC子层以下，即MAC层与物理层。由于无线的传输技术与有线传输技术的差异以及无线信道的独特性，需要制定新的MAC协议和相应的物理层协议。,13,8.1无线局域网（WLAN）技术,8.1.5WLAN的协议体系1802.11物理层（1）FH-SS技术（2）DS-SS技术（3）OFDM技术,14,8.1无线局域网（WLAN）技术,2802.11数据链路层802.11的数据链路层包括两个子层，一是逻辑链路层LLC，另一个是媒体访问控制层MAC。IEEE802.3有线局域网标准定义了CSMA/CD（带有碰撞检测的载波侦听多址接入）MAC层协议，适用于总线拓扑结构。由于IEEE802.3是当前流行的有线局域网标准，CSMA/CD也是当前使用最多的有线局域网协议。,15,8.1无线局域网（WLAN）技术,2802.11数据链路层实现CSMA/CD的一个重要前提是：各站能够非常容易地实现碰撞检测功能。在有线局域网的情况下，可根据检测线缆上直流分量的变化容易地实现碰撞检测。在IEEE802.11无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题称为“远近效应”现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接收数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。所以CSMA/CD协议不能照搬到无线局域网中去。,16,8.1无线局域网（WLAN）技术,2802.11数据链路层为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序地争用信道，无线局域网中采用了与以太网CSMA/CD类似的CSMA/CA（载波侦听多址接入/冲突避免）协议。CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制。,17,8.1无线局域网（WLAN）技术,（1）探询脉冲CSMA/CA在IEEE802.11无线局域网中，使用的是探询脉冲CSMA/CA协议。,18,8.1无线局域网（WLAN）技术,（2）RTS/CTS在无线局域网中存在一个有线局域网没有的特别问题，那就是“隐藏终端”问题。,19,8.1无线局域网（WLAN）技术,（2）RTS/CTS两个互不可见（即无线信号不能互达）的工作站利用一个中心接入点进行连接，这两个工作站都能够“听”到中心接入点的存在，而相互之间则可能由于障碍或者距离原因无法感知到对方的存在。由于两个发送站点都无法检测到介质中有对方的信号，于是都认为此时介质为空闲，可以使用，并同时向中心接入点发送信号。显然，接收信号的中心接入点将无所适从，因为它接收到的实际是两个发送站点送来的相互干扰的信号。,20,8.1无线局域网（WLAN）技术,（2）RTS/CTS为了解决“隐藏终端”问题，RTS/CTS机制的工作原理是：发送站点在向接收站点发送数据包之前，即在DIFS（DCF帧间隔）之后不是立即发送数据，而是代之以发送一个请求发送RTS帧，以申请对介质的占用，当接收站点收到RTS帧后，立即在一个短帧隙SIFS之后回应一个准许发送CTS帧，告知对方已准备好接收数据。双方在成功交换RTS/CTS信号（即完成握手）后才开始真正的数据传递，这就保证了多个互不可见的发送站点同时向同一接收点发送信号时，实际只能是接收到接收站点回应CTS帧的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。即使有冲突发生，也只是在发送RTS帧时，这种情况下，由于收不到接收站点的CTS消息，大家回头再用CSMA/CA协议的竞争机制，分配一个随机退守定时值，等待下一次介质空闲DIFS后竞争发送RTS帧，直到成功为止。这样发送端就可以发送数据和接收ACK信号，而不会造成数据的冲突，从而间接解决了“隐藏终端”问题。,21,8.1无线局域网（WLAN）技术8.1.6WLAN技术发展趋势IEEE802.11工作组陆续推出新的802.11i、802.11e、802.11n、802.11k等大量标准。可以从无线安全、吞吐提高、可管理等方面对WLAN相关标准的发展进行分类。实现无线安全提高无线可管理性无线吞吐提高其它标准,22,8.2无线城域网（WiMAX）技术随着移动通信技术和宽带技术的发展，WiMAX（全球微波接入互操作性）技术已经成为全球电信运营商和设备制造商关注的热点问题之一。解决如何在保证服务质量的前提下，有效的降低每比特成本以更好地满足用户需求，对运营商意义重大。WiMAX正是这样一种极具潜力的应用。,23,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.1IEEE802.16标准和WiMAX组织1999年，IEEE专门成立了IEEE802.16工作组IEEE802.16标准于2001年12月发布IEEE在2003年1月又发布了新的扩展协议IEEE802.16aIEEE802.16-2004IEEE802.16eWiMAX论坛,24,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.2WiMAX技术特点传输距离远、接入速度高无“最后一公里”瓶颈限制、系统容量大提供广泛的多媒体通信服务提供安全保证互操作性好应用范围广,25,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构IEEE802.16工作组的主要工作都围绕空中接口展开，空中接口主要由物理层和MAC层组成。物理层由传输汇聚(TC)子层和物理媒介依赖(PMD)子层组成，通常说的物理层主要是指PMD。物理层定义了TDD和FDD两种双工方式。MAC层又分为三个子层：面向业务的汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层(SS)。,26,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构,27,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构从图中我们可以看出，WiMAX/802.16系统包括两个平面，数据/控制平面与管理平面。系统在数据/控制平面实现的功能主要是保证数据的正确传输。因此，数据/控制平面在定义了必要的传输功能之外，还需要定义一些控制机制来保障传输的顺利进行，而管理平面中定义的管理实体，分别与数据/控制平面的功能实体相对应。通过与数据/控制平面中实体的交互，管理实体可以协助外部的组网管理系统完成有关的管理功能。,28,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构1物理层WiMAX/802.16定义了5种不同的物理层规范：无线城域网单载波（WMAN-SC)、无线城域网增强单载波(WMAN-SCa)、无线城域网正交频分复用(WMAN-OFDM)、无线城域网正交频分多址(WMAN-OFDMA)、无线高速免执照城域网(wirelesshigh-speedunlicensedMAN)。WiMAX的物理层支持时分双工（TDD）和频分双工(FDD)两种工作方式。WiMAX支持灵活地划分载波带宽，系统采用1.2520MHz之间的带宽。,29,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构2MAC层MAC层分为三层：从上到下依次是面向业务的汇聚子层CS，公共部分子层CPS和安全子层（可选）。,30,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构3网络协议流程,31,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.4WiMAX标准化最新进展维护任务组（MaintenanceTG）网络维护任务组（NetworkManagementTG）中继任务组（RelayTG）TGm工作组ITU-RLiaisonGroup特设组,32,8.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.4WiMAX标准化最新进展2007年10月19日，国际电信联盟ITU宣布，批准WiMAX以OFDMAWMANTDD的名义成为ITU移动无线标准。这意味着，WiMax成为3G标准中IMT-2000家族的一名正式成员，与WCDMA、CDMA2000以及我国的TD-SCDMA并列，成为全球第四大3G标准。我国工业和信息化部无线电管理局指出，移动WiMAX（802.16e）没有经过中国通信标准委员会的审定，不能作为中国的国家标准，不能在中国使用。,33,8.3移动蜂窝网和数据网的融合WLAN与移动蜂窝网络的互通已成为最新的热点技术。通过建立WLAN与蜂窝网络两者的互通，利用WLAN高数据接入速率的特点，同时利用移动蜂窝网络覆盖范围广的特点，将为用户提供更快捷、更灵活的移动数据业务，可以预见两者互相融合的前景非常广阔。本节将以WLAN和GPRS的融合为例进行说明。,34,8.3移动蜂窝网和数据网的融合目前两种主要的融合方案被称为：紧耦合方式（Tightcoupling）和松耦合方式（Loosecoupling），这两种方案是由ETSI来制定的。,35,8.3移动蜂窝网和数据网的融合在松耦合方案中，WLAN作为GPRS的辅助接入网，WLAN利用GPRS网中的用户数据库，而与GPRS核心网间并没有直接数据接口。在图8.7示意的简化GPRS参考模型中，可以认为WLAN和GPRS间松耦合主要在Gi参考点，WLAN旁路GPRS网络，数据直接接入到分组数据网（PDN）。而在紧耦合中，WLAN数据流量通过Gb或Iu-PS参考点连接到GPRS核心网再送至外部PDN。,36,8.3移动蜂窝网和数据网的融合1松耦合融合方案松耦合时WLAN不与GPRS核心网（CN）发生联系，而是直接通过Gi接口接入外部分组数据网，松耦合方案中WLAN作为GPRS接入网的补充，二者的接入控制器完全独立。WLAN可以与GPRS使用同一个用户数据库，但与GPRS核心网没有数据接口，也就是说，WLAN旁路GPRS网络，直接接到外部分组数据网中。两种网络间的耦合程度极低，彼此互不干扰。在松耦合方案中，WLAN上层协议使用的是标准的各种Internet协议，不必对协议栈进行改造。,37,8.3移动蜂窝网和数据网的融合2紧耦合融合方案紧耦合方案中，WLAN和GPRS无线接入网一样，通过Gb接口直接接入GPRS核心网CN，WLAN的数据在到达外部分组数据网之前要经过CN。紧耦合方案中的WLAN接入控制器通过Gb接口与SGSN相连，它为WLAN连入GPRS核心网提供了标准接口，对SGSN屏蔽了WLAN的特性，使SGSN把WLAN看作是一个单独的基站子系统；也可以将接入控制器合并到SGSN中。紧耦合方案中WLAN和GPRS尽可能地采用相同的固定网络资源，彼此仅在无线接入部分相互独立。,38,8.3移动蜂窝网和数据网的融合3两种耦合方案的比较（1）松耦合方案的特点松耦合的优点包括：WLAN和GPRS网络相互独立，互不影响；实现两个网络融合的技术要求较低，不需要对现有网络设备进行大的升级和改造；对移动终端没有特殊要求，普通的WLAN终端也可接入；应用面宽，既适合于WLAN为GPRS运营商所拥有的情况，也适用于WLAN为第三方运营商所拥有的情况。,39,8.3移动蜂窝网和数据网的融合3两种耦合方案的比较（1）松耦合方案的特点松耦合的缺点有：当用户采用双模终端时，必须采用移动IP的方式才能实现移动终端在两个网络间的切换，而且不能保证切换前后会话的连续性，不适合对QoS