宽带无线通信技术概述.ppt

1 宽带无线通信技术 BroadbandWirelessCommunicationTechnology 电子与信息工程学院 2013年秋季学期 2 课程的基本信息 授课学时 40 学分 2 5 授课时间 7 16周 考试时间 18周 教学内容 教材基本内容 补充内容 教学安排 1 宽带无线通信技术基础部分 第1章 第3章 贾敏 2 宽带无线通信技术应用部分 第4章 第6章 李卓明 3 课程总结 2学时 考核 1 出勤情况 课堂表现 10 20分 2 作业 10分 3 闭卷考试 卷面70 80分 课程学习要求 掌握宽带无线通信的基本理论与宽带无线通信网络的基础知识 以及目前宽带无线通信领域的主流标准和新技术 3 第1章宽带无线通信技术概述 主要内容 1 1无线通信技术的发展1 2宽带无线接入概述1 3宽带无线接入技术的分类1 4BWA技术的发展概况1 5蜂窝移动通信技术概述1 6宽带无线通信技术发展趋势 4 1 1无线通信技术的发展 过去的10多年是通信技术 电信基础设施建设及电信服务水平飞速发展的黄金十年 高新技术不断涌现 基础设施日益完善 服务模式推陈出新 形成了一个欣欣向荣的巨大产业 涌现了一些具有代表性的通信技术 1 1 1通信技术的总体发展 5 在有线通信方面 随着20世纪90年代中期ATM FR DDN网络的大面积建设 电信数据网络市场彻底告别了X 25时代 开启了一个宽带数据网络发展与应用的春天 6 在公众服务领域 无线和移动通信技术及服务相对有线通信而言可谓是更加轰轰烈烈 后来居上 20世纪80年代末的无线寻呼技术及服务的出现 首次将普通百姓带入了一个移动通信的时代 7 第一代移动通信系统是以美国的AMPS标准和欧洲的TACS标准为代表的移动通信系统 它是模拟体制的移动通信技术 第二代移动通信系统的出现迅速将公众个人移动通信服务推进了高速发展的黄金时期 第三代移动通信系统 简称3G 向人们描绘的是一个空前眼花缭乱的移动通信服务世界 8 LTE LongTermEvolution 技术进一步改进和增强现有3G技术的性能 以应对现有WiMAX等新兴宽带无线接入 BWA 技术的竞争 LTE采用原计划用于B3G 4G的OFDM MIMO等技术 为3G技术向B3G 4G演进提供了一个台阶 使3G向4G的演进相对平滑 9 而与此同时 以IEEE802 11a b g为代表的WLAN技术 以及以IEEE802 16为代表的WiMAX下一代宽带无线接入技术 甚至还包括以DVB T DVB H为代表的数字电视地面无线广播技术 如此众多的成熟和即将成熟的无线通信技术 在不久的将来将共同组成一个高效 灵活和可靠的无线通信网络和移动通信网络 10 图1 1信息网络技术的总体发展历程和趋势 11 通信市场正在呈现出话音业务移动化 数据业务宽带化的发展趋势 电信网络也正向无线化和宽带化发展 在以ITU和3GPP 3GPP2引领的蜂窝移动通信从3G到E3G 再走向B3G 4G的演进道路上 各种无线技术通过相互竞争互相借鉴和学习 使得宽带无线通信技术不断完善 网络安全性 实用性不断增强 1 1 2宽带无线通信技术发展背景 12 丰富的市场终端支持 整个产业链已逐渐成熟 政府社会信息化建设需求 加速了宽带无线通信的发展 13 图1 2移动宽带接入的需求日益提高 截止2012年初 全球手机用户数量达到60亿 全球有超过1 2亿的互联网用户 14 图1 3固网上的应用在数年后会在移动网上出现 15 国际电信联盟报告ITU RM 2033定义 窄带 narrowband 是指数据传输速度在100kbit s以下的通信服务 宽带 wideband 是指数据传输速度比窄带高 通常可达几百kbit s 宽带 broadband 是指数据传输速度在1Mbit s以上 典型传输速度在1 100Mbit s之间 1 1 3宽带无线通信的概念 16 FCC FederalCommunicationsCommission 2010年07月24日为 宽带 这个词语下了一个定义 FCC认为宽带意味着下载速率为4Mbps 上行为1Mbps 可以实现视频等多媒体应用 并同时保持基础的Web浏览和E Mail特性 目前的宽带对家庭用户而言是指传输速率超过1M 可以满足语音 图像等大量信息传递的需求 17 大系统容量 高业务速率支持能力 亟待发展的核心技术领域 世界各国高新技术支柱产业 当前和今后国际学术界及产业界竞争焦点 瓶颈问题突出 发展面临巨大挑战 业务需求旺盛 增长迅猛 频谱资源受限 形成瓶颈 1 1 4宽带无线通信的特点 18 我国的国家科技重大专项 新一代宽带无线移动通信网 属于 国家中长期科学和技术发展规划纲要 2006 2020年 中确定的16个重大科技专项之一 正在制定 宽带中国 战略 2012年4月工信部召开宽带战略全国启动动员会 我国宽带提速的目标是到2015年末 城市家庭上网带宽达到20M 农村家庭上网带宽达到4M 目前宽带中国战略已经上升到国家层面 具体规划预计在年底正式出台 19 1 2宽带无线接入概述 1 2 1接入网的定义 根据国际电信联盟 ITU T 关于接入网框架建议 G 902 接入网是在业务节点接口 SNI 和用户网络接口 UNI 之间的一系列为传送实体提供所需传送能力的实施系统 可经由管理接口 Q3 配置和管理 因此 接入网可由三个接口界定 即网络侧经由SNI与业务节点相连 用户侧由UNI与用户相连 管理方面则经Q3接口与电信管理网 TMN 相连 20 图1 4接入网架构 21 接入网的重要特征 1 接入网对于所接入的业务提供承载能力 实现业务的透明传送 2 接入网对用户信令是透明的 除了一些用户信令格式转换外 信令和业务处理的功能依然在业务节点中 22 3 接入网的引入不应限制现有的各种接入类型和业务 接入网应通过有限的标准化的接口与业务节点相连 4 接入网有独立于业务节点的网络管理系统 该系统通过标准化的接口连接TMN TMN实施对接入网的操作 维护和管理 23 根据传输方式细分 可以将接入网分为有线接入网和无线接入网两种方式 对于无线接入网 按照空中接口承载业务带宽的大小 又可以将其分为宽带无线接入网和窄带无线接入网 24 1 2 2宽带无线接入技术基本概念和基本特点 在信息通信领域 发展速度最快 对人们影响最大的两大技术就是宽带网络技术和无线 移动 通信技术 这两大技术的结合 即为宽带无线接入 BroadbandWirelessAccess BWA 技术 BWA技术指从用户终端到业务交换点之间通信链路采用无线链路的宽带接入技术 它实际上是核心网络的无线延伸 25 与传统的有线接入方式相比 BWA具有如下特点 1 覆盖范围灵活 单基站 或接入点 的覆盖范围通常从几十米到几公里数量级不等 可以使BWA技术灵活地应用于从局域网到城域网的整个区域 2 工作频带宽 可提供宽带接入 26 3 启动资金较小 不需要进行大量的基础设施建设 初期投入少 仅在增加用户 即有业务收入 时才需增加资金投入 4 提供服务速度快 无线系统安装调试容易 5 频率复用度高 系统容量大 6 灵活的链路自适应技术 27 7 MAC层具备调度机制 8 动态带宽分配能力 9 安全性 10 在发展方面极具灵活性 11 提供优质价廉的多种业务 12 运营维护成本低 28 宽带无线接入技术从覆盖范围上可以分为个域网无线宽带接入技术 局域网宽带无线接入技术 城域网宽带无线接入技术和广域网宽带无线接入技术四类 1 无线个域网 WPAN 覆盖范围从几厘米到几米 为不同设备间提供双向短程通信 以蓝牙技术为代表 IEEE802 15 1 3宽带无线接入技术的分类 29 2 无线局域网 WLAN 覆盖范围从几米到几百米 可以为一定范围内的用户提供共享的无线接入带宽 Wi Fi是其代名词 它的最大特点是便携性 主要用来解决用户 最后100米 的通信需求 定位于热点地区的高速游牧数据接入 不支持高速移动性 IEEE802 11 30 3 无线城域网 WMAN 覆盖范围为几公里数量级 3km 5km是典型值 点对点链路的覆盖可以高达几十公里 是为解决宽带接入 最后一公里 问题而专门设计的 可以提供支持QoS能力和一定范围移动性的共享接入能力 MMDS LMDS和WiMAX等技术属于城域网范畴 IEEE802 16 31 4 无线广域网 WWAN 覆盖范围更广 最主要的是可以支持全球范围内的广泛的移动性 属于B3G和4G的范畴 IEEE802 20中的iBurst和FlashOFDM等技术是该类技术的前身 IEEE802 20 从是否支持终端移动性上 宽带无线接入技术可以分为移动宽带无线接入技术和固定宽带无线接入技术 32 1 3 1移动宽带无线接入技术 根据ITU R的M 1034 1建议 无线接入可以分为静止 步行 典型车速和高速车速四类 移动宽带无线接入 MBWA 就是能够在典型车速和高速车速状态下提供的宽带无线接入 即上述分类中的后两类的系统 与此相反 固定和游牧无线接入要求用户终端使用的时候保持静止 也称为便携性系统 33 移动宽带无线接入技术在空中接口部分需要解决的关键技术有 在高速数据传输方面主要有多天线 分集和波束成形技术 多用户检测和干扰抵消技术 自适应调制等 在高频传输的可靠性方面主要有纠错编码 Turbo编码或LDPC编码等 自适应编码 重传机制 34 在非对称的多址接入和双工方面 由于其存在非对称性问题 可以考虑的双工方式主要有频分双工和时分双工两种模式 在业务量和QoS的MAC层设计方面主要有业务量设计与QoS保障的结合 35 网络协议方面需要考虑和解决的问题有水平 垂直切换 快速IP切换 服务质量和安全性等 由于移动宽带接入的技术特点 它需要在以下方面做出技术上的折衷考虑 移动性对宽带 调制方式对多址接入方式 业务量对复杂性 公平性对服务质量等 36 移动宽带无线接入技术以IEEE802 16 2005和IEEE802 20标准为代表 其覆盖范围在几公里以内 有移动通信网络小区规划特点 其目标是提供在120km h IEEE802 16e 2005 和250km h IEEE802 20 的典型移动速率下的超高带宽接入 最大限度地满足用户未来对高带宽数据传输的需求 37 1 3 2固定宽带无线接入技术 固定宽带无线接入技术带宽高 双向传输数据 可提供宽带交互式数据及媒体业务 克服了传统的本地环路的瓶颈 能满足用户对高速率数据和图像通信日益增长的需求 在各种接入技术中 固定宽带无线接入凭借其组网快速灵活 运营维护方便及良好的成本竞争力 已迅速成为市场热点 38 尤其对新的电信运营商 能够以无线技术快速低成本地建设自己的接入网 与传统的电信运营商竞争 这是一个至关重要的手段 也是迅速切入市场的有效途径 39 固定宽带无线接入系统的工作频率在3GHz 40GHz 属于微波频段 如LMDS MMDS等 不同频段固定无线接入技术的组网均采用一种类似蜂窝的服务区结构 将一个需要提供业务的地区划分为若干服务区 每个服务区内设基站 基站设备经点到多点无线链路与服务区内的远端站通信 固定宽带无线接入系统一般由三部分组成 中心站 基站 远端站 网管系统 40 1 中心站 主要汇聚中心站不同扇区设备上的业务与信令数据 实现与核心网络相连 中心站可以根据上联的网络和业务需求 配置不同的接口 例如ATM接口 2M接口 10 100Base T接口和V5接口等 中心站设备包括室内单元和室外单元两个部分 41 2 远端站 包括室外单元 含定向天线 射频单元 和室内单元 调制与解调单元以及与用户室内设备相连的业务接口单元 系统可提供多种类型的用户接口 目前常见的业务都可直接接入 与远端站相连的用户 通过UNI 可以是单个用户终端 也可以是一个用户驻地网 CPN 42 3 网管系统 主要与中心站相连 有带内 带外和串口连接三种方式 网管系统应完成设备基本的配置 故障 性能 安全管理以及计费信息的采集 26GLMDS 3 5GMMDS和5 8G点对多点固定宽带无线接入系统的组网模式相同 均由中心站 远端站和网管这三部分组成 43 1 4BWA技术的发展概况 1 4 1传统BWA技术 1 传统BWA技术概况 传统的BWA技术是指以固定宽带为技术特征 空中接口立足于各设备制造商私有技术实现的无线接入技术 主要目的是解决网络接入部分带宽不足和有线接入网络铺设困难等瓶颈问题 属于典型的 最后一公里 技术 44 2 LMDS技术概述 LMDS LocalMultipointDistributionSystem 本地多点分布系统 是点对多点的固定无线通信方式 具有非常高的带宽和双向数据传输的特点 可提供多种宽带交互式数据及多媒体业务 满足用户对高速数据和图像通信日益增长的要求 其工作频率通常为10GHz 43GHz 在26GHz频段附近可用的频谱带宽最大可达1GHz以上 1 LMDS的概念 45 2 LMDS的技术参数 不同国家或地区的电信管理部门分配给LMDS的具体工作频段及频带宽度有所不同 其中大约有80 的国家将27 5GHz 29 5GHz定为LMDS频段 工作频段 46 我国为满足宽带无线接入业务发展的需求 规划的LMDS工作频段和主要技术参数暂定为 中心站发射频段24 507GHz 25 515GHz 远端站发射频段25 757GHz 26 765GHz 收发频率间隔为1250MHz 基本频道带宽为3 5MHz 7MHz 14MHz和28MHz 可根据具体业务需求将基本信道合并使用 传输容量 4 2 048Mbit s 7MHz 47 多址方式 LMDS无线收发大多选用频分双工 FDD 下行链路一般通过时分复用 TDM 将信号向相应扇区广播 每个用户终端在特定的频段内接收属于自己的信号上行链路可通过频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 等多址方式与基站进行通信 48 调制方式 LMDS系统可采用的调制方式有相移键控PSK 包括BPSK DQPSK QPSK 和正交幅度调制QAM 包括4QAM 16QAM 64QAM 具体应用时将根据实际情况选定 49 拓扑结构 LMDS系统的拓扑结构与局域网类似 可有星形和环形两种主要结构形式 50 3 LMDS系统的组成 图1 5LMDS系统组成示意图 51 基础骨干网络 基站 用户端设备 CPE 网管系统 52 4 LMDS的主要特点 可提供极高的通信带宽 蜂窝式的结构配置可覆盖整个城域范围 可提供多种业务 语音 数据 图像等 高效的调制与编码方式 53 5 LMDS的优缺点 与传统的有线接入或者低频段无线接入方式相比 LMDS具有以下优势 项目启动快 工程完成快 工作频带宽 可提供宽带接入 前期投资比较小 后期扩容能力强 投资回收快 54 业务提供速度快 在用户发展方面极具灵活性 可提供质优价廉的多种业务 频率复用度高 系统容量大 网络运行 维护费用比较低 55 虽然LMDS有以上的优点 但是亦存在不同程度的局限性 LMDS的致命缺点是在信号传输上会有发射器和接收器之间一条直射的传输限制 如果中间有过多的障碍物阻挡信号传送 就会影响传输品质 LMDS服务区覆盖范围较小 不适合远程用户使用 覆盖半径通常为几公里 56 LMDS使用约30GHz的频段作为传输媒介 对于树木 建筑物等障碍物的穿透能力较弱 而且有严重的雨衰效应 通信质量受雨 雪等天气影响较大 只有在与基地台建立直线传输线路时才会有较佳的通信品质 基站设备比较复杂 价格较贵 所以在用户少时 每个用户的分摊成本较高 适合于大城市或其他人口比较稠密的地区 57 6 LMDS的应用 LMDS属于无线访问的一种新形式 可以采用蜂窝式的小区结构覆盖整个城域范围 每个蜂窝站的覆盖区为5km 7km 若采用具有更高的发射功率 更强的接收灵敏度 可增加基站的覆盖范围 使覆盖范围达到10km以上 58 LMDS覆盖区可相互重叠 每个蜂窝的覆盖区又可以划分为多个扇区 可以根据需要在该扇区提供特定业务或服务 LMDS系统特别适于在城市商贸区 技术开发区 写字楼群 城市居民小区等高密度用户地区使用 59 LMDS的应用场合如下 企业应用 住宅用户 连接2G和3G 60 LMDS系统可提供的业务如下 话音业务 数据业务 视频业务 61 3 MMDS技术概述 MMDS Multi channelMicrowaveDistributionSystem 多信道多点分布系统 可透明传输业务 在基站端与网络的接口为T1 E1 100Base T等 在用户端的接口为E1和10Base T等 可为用户提供internet接入 本地用户的数据交换 话音业务和VOD视频点播等业务 1 MMDS技术的概念 62 MMDS工作频段一般为2GHz 5GHz 使用的频率要比LMDS少得多 由于该频段受雨衰的影响很小 并且在同等条件下空间传输损耗也较LMDS低 故MMDS频段可应用于半径为几十公里的大范围覆盖 MMDS最初用于传输单向电视和网络广播 近些年来 高速数据接入需求的不断增长促进了MMDS的发展 63 与点对多点的LMDS相比 MMDS适于用户相对分散 容量较小的地区 从成本上来讲 MMDS低于LMDS MMDS所能提供的数据带宽同样与可利用的频段 采用的调制方式 QPSK 16QAM或64QAM 和扇区数量有关 能够提供的数据容量大约为所占频率带宽的3 4倍 即100MHz的频率带宽能提供300Mbit s 400Mbit s的数据带宽 供一个基站覆盖范围内的用户共享 64 图1 6MMDS系统功能框图 65 2 MMDS技术可以提供的业务 MMDS技术可以为用户提供多种业务功能 包括点对点面向连接的数据业务 点对多点业务 点对点无连接型网络业务等 66 4 传统BWA技术的发展 目前 LMDS和MMDS并没有形成FBWA领域的统一技术标准 各个设备制造商的空中接口协议没有实现兼容性和互操作性 因此 产品批量生产能力不高 成本下降较慢 产业链不健全 导致技术更新和新技术的引入无法有效进行 致使整个行业的发展受到了很大的局限 由于标准不统一造成的成本问题已经成为制约宽带固定无线接入技术发展的最大障碍 67 整个BWA产业需要成熟的技术 统一的标准以及有效的成本降低机制构成的良性循环 为此 许多机构开始着手解决这一问题 试图建立起真正统一的全球性标准 在这样的背景下 诞生了ETSIHIPERACCESS ARIBMMAC和IEEE802 11等标准 68 1 4 2IEEE802 11技术 无线局域网 WirelessLocalAreaNetwork WLAN 是固定局域网的一种延伸 指以无线媒体作为传输媒介的局域网 69 目前国际上无线局域网有三大标准家族 美国IEEE802 11 欧洲ETSI高性能局域网HiperLAN和日本ARIB移动多媒体接入通信MMAC 其中IEEE802 11系列标准是无线局域网的主流标准 随着IEEE802 11标准的推行 无线局域网的产品越来越丰富 不同产品的兼容性得到加强 70 美国电气和电子工程学会 IEEE 在制定局域网标准中起了重大作用 IEEE802是主要的局域网标准 已经成为ISO国际标准 IEEE802 11对应的ISO标准是ISO IEC8802 11 定义了无线局域网的MAC层和物理层规范 71 IEEE802 11的制定 主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入 业务主要局限于数据访问 速度最高只能达到2Mbit s 由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要 因此 IEEE又相继推出了802 11b和802 11a两个标准 此后 c i的标准也在不断形成和制定之中 72 图1 7IEEE802 11协议栈 73 图1 8IEEE802 11协议基本参考模型 1 协议基本参考模型 74 2 IEEE802 11MAC层 由于IEEE802 11网络中 多个终端共享同一传输媒质 所以需要一种MAC协议来控制各个终端对同一传输媒质的访问 IEEE802 11MAC层采用了与以太网类似的CSMA 载波监听多路访问 来控制对传输媒质的访问 75 1 MAC数据服务 MACDataService 2 MAC层功能 访问控制a 分布访问协同功能 DistributedCoordinationFunction DCF DCF是物理层和AP之间自动共享无线介质的协议 IEEE802 11采用CSMA CA协议进行无线介质共享 b 中心点协同功能 PointCoordinationFunction PCF 提供无竞争的帧传送 76 c 请求发送 允许发送 RequestToSend ClearToSend RTS CTS 协议 RTS CTS协议相当于一种握手协议 用来解决 隐藏终端 问题 d 分段技术和差错恢复机制e QoS机制 77 网络连接工作站开机后通过被动或主动扫描方式搜索有无现成的AP可供加入 搜索到后从AP接收服务集标识符 ServiceSetIdentifier SSID 时间同步函数 TimerSynchronizationFunction TSF 计数器的值和物理安装等参数 78 提供身份验证和数据加密无线局域网中所有工作站共享无线介质 由于传输介质的脆弱性 工作站更容易受到攻击 主要包括身份假冒 重放攻击 信息篡改 拒绝服务攻击等主动式攻击和网络窃听 网络通信量分析等被动式攻击 因此安全性需要高度重视 79 当无须对发送工作站进行身份认证时 一般采用开放系统认证 OpenSystemAuthentication 通常情况下 无线局域网中的数据传输需要更高的安全级别 包括IEEE802 11定义的共享密钥认证 SharedKeyAuthentication 在内 基于IEEE802 11的局域网主要采用以下几种安全技术 80 a SSID技术b MAC技术c 有线对等加密 WiredEquivalentPrivacy WEP 技术d 无线局域网鉴别与保密基础结构 WLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure WAPI e 用户认证技术 IEEE802 1x 81 3 MAC层帧 MAC帧格式 图1 9IEEE802 11MAC帧格式 82 图1 10MAC帧控制字段格式 MAC帧分类 83 图1 11管理帧格式 a 管理帧 84 图1 12RTS CTS帧格式 b 控制帧 c 数据帧 85 3 802 11物理层 IEEE802 11定义了FHSS DSSS和IR物理层 802 11b对DSSS物理层进行了补充 定义了HR DSSS HighRate directsequencespreadspectrum 802 11a定义了OFDM物理层 802 11g对802 11和802 11b定义的DSSS物理层做了进一步扩展 定义了扩展速率物理层 ExtendRatePHY ERP 并对ERP和非ERP nonERP 工作站共处等问题做了规范 86 1 物理层服务原语 物理层与MAC层通过12条服务原语进行通信 87 2 物理层功能 载波监听 传送功能 接收功能 88 图1 13IEEE802 11中FHSS方式的PLCP帧格式 3 PLCP子层帧格式 89 图1 14IEEE802 11b中DSSS方式的长PLCP帧格式 90 图1 15IEEE802 11a中OFDM方式的PLCP帧格式 91 4 PMD子层 PMD子层通过服务原语与PLCP子层通信 通过管理实体原语实现对管理信息库 ManagementInformationBase MIB 的访问 PMD操作负责将PPDU的二进制数转换成相应适合发送的无线信号 主要包括扩频和调制功能 92 IEEE802 11 IEEE802 11b IEEE802 11a IEEE802 11g 其他IEEE802 11标准 93 1 IEEE802 16标准 1 4 3IEEE802 16技术 1999年 IEEE SA成立了IEEE802 16工作组来专门开发宽带固定无线技术标准 94 IEEE802 16主要用来解决宽带接入 最后一公里 的问题 它可作为线缆和DSL的无线扩展技术 或者用于将802 11a无线接入热点连接到互联网 也可将公司与家庭等网络连至有线骨干线路 从而真正实现无线与宽带接入的统一 自从该标准诞生以来 已经发展出802 16a 802 16d和802 16e等一系列标准 95 2 逻辑组成参考模型 802 16网络由用户站 SS 基站 BS 认证和业务授权服务器 ASA 组成 下图所示的参考模型中定义了网络实体间的各个接口和参考点 96 图1 16IEEE802 16逻辑参考模型 97 IEEE802 16标准定义了宽带无线接入系统的空中无线接口部分 该空中接口由物理层和MAC层组成 MAC层又分为三个子层 特定业务汇聚子层 公共部分子层和安全子层 3 协议栈模型 98 图1 17IEEE802 16协议栈模型 99 4 物理层 1 频段 2 双工方式 3 载波带宽 4 调制方式 5 编码方式 100 5 媒体接入控制层 IEEE802 16标准的MAC层协议在上行通道分配带宽时 采用的是一种基于预留的集中控制方式 IEEE802 16的MAC层是靠同意 请求协议来接入媒体的 它可以消除确认消息的开销和延时来支持不同的服务水平 101 IEEE802 16标准中 为保证各种应用业务的服务质量 MAC支持多种QoS等级 定义了丰富的QoS机制 根据用户业务的特点 该标准定义了五种不同事物业务类型 UGS 主动分配带宽 rtPS 实时轮询 nrtPS 非实时轮询 和BE 尽力而为 并为这五种业务类型定义了不同的QoS参数 102 6 IEEE802 16技术分类 根据是否支持移动特性 IEEE802 16标准可以分为固定宽带无线接入 FixedBroadbandWirelessAccess FBWA 空中接口标准和移动宽带无线接入 MobileBroadbandWirelessAccess MBWA 空中接口标准 其中802 16 802 16a 802 16d属于FBWA 而802 16e属于MBWA 103 图1 18802 16d和802 16e的技术参数 104 7 移动WiMAX典型应用场景 图1 19移动WiMAX应用场景 105 1 IEEE802 20技术概述 1 4 4IEEE802 20技术 移动宽带无线接入系统最初由IEEE802 16工作组在2002年3月提出 2002年7月 IEEE明确MBWA与IEEE802 16定位于不同的市场应用 2002年12月 IEEE802 20工作组成立 IEEE802 16和IEEE802 20研究组致力于两类不同市场目标 106 IEEE802 20工作组的目标是制定一种适用于高速移动环境下的宽带无线接入系统的空中接口规范 工作于3 5GHz以下的需授权频段 最优化IP数据传输 每用户峰值速率超过1Mbit s支持城域范围内高达250km h的各种车载移动性 在频谱效率 可持续用户数据速率和活动用户数等方面比现有移动系统性能有显著提高 107 2 IEEE802 20技术特性 IEEE802 20的主要技术特性如下 全面支持实时和非实时业务 在空中接口中不存在电路域和分组域的区分 能保持持续的连通性 频率统一 可复用 支持小区间和扇区间的无缝切换 以及与其他无线技术 802 16 802 11等 间的切换 融入了对QoS的支持 与核心网级别的端到端QoS相一致 108 支持IPv4和IPv6等具有QoS保证的协议 支持内部状态快速转变的多种MAC协议状态 为上下行链路快速分配所需资源 并根据信道环境的变化自动选择最优的数据传输速率 提供终端与网络间的认证机制 与现有的蜂窝移动通信系统可以共存 降低网络部署成本 包含各个网络间的开放型接口 109 1 系统性能指标 110 2 纯IP架构 IEEE802 20秉承了IEEE802协议族的纯IP架构 纯IP架构 与3GPP和3GPP2所提出的全IP概念有所不同 前者是核心网和无线接入网都基于IP传输 而后者仅仅实现了核心网的IP化 设计架构的差异使IEEE802 20与其他3G技术相比具有明显的优势 111 3 IEEE802 20的技术特点 透明支持实时和非实时业务 始终在线连接 广泛的频率重用 支持在各种不同技术间漫游和切换 小区间和扇区间无缝切换 支持空中接口的QoS与端到端核心网QoS一致 支持基于策略的QoS保证 支持IPv4和IPv6使能的QoS保证 支持多个MAC协议状态以及状态之间的快速转移 对上行链路和下行链路的快速资源费配 112 用户数据速率管理 支持与RF环境相适应的自动选择最佳用户速率 空中接口提供消息方式用于相互认证 允许与现存蜂窝系统的混合部署 空中接口的任何网络实体之间都为开放接口 从而允许服务提供商和设备制造商分离实现这些功能实体 尽可能首先考虑采用IETF协议 113 1 5蜂窝移动通信技术概述 1 5 13G的发展历程 图1 203G的发展路标 114 1 第一代移动通信系统 1G 以模拟通信为特征 115 2 第二代移动通信系统 2G 以数字通信为特征 116 1978年 确定共用频段 1982 1992年 制定GSM标准 GSM96版 提出并采用高速电路交换数据 HighSpeedCircuitSwitchData HSCSD 技术 基于电路交换方式 利用多时隙为点对点用户提供多种速率业务 最大传输速率达57 6kbit s 适用于语音和图像等实时性数据业务 3 GSM发展进程 117 GSM97版 提出并采用2 5G的通用分组无线业务 GeneralPacketRadioService GPRS 技术 基于分组交换技术 支持115 2kbit s的最高速率 可实现现有的TCP IP应用 能提供Internet和其他分组网络的全球性接入 118 GSM99版 提出并采用2 75G的GSM演进的增强数据速率 EnhancedDatarateforGSMEvolution EDGE 能够提供宽带业务 采用8PSK调制技术和信道捆绑技术 可提供达384kbit s的广域数据通信和大约2Mbit s的局域数据通信服务 119 第三代移动通信系统最早是由ITU在1985年提出的 考虑到该系统于2000年左右进入商用 且其工作频段也在2000MHz 因此第三代移动通信系统正式更名为国际移动通信2000 即IMT 2000 InternationalMobileTelecommunication 2000 4 第三代移动通信系统 3G 120 主流标准包括 IMT 2000CDMA MC即cdma2000 北美 FDDIMT 2000CDMA DS即WCDMA 欧洲 日本 FDDIMT 2000CDMA TDD即TD SCDMA 中国 TDDWiMAX 美国 TDD 121 3G主流标准以CDMA码分多址为核心 其中WCDMA TD SCDMA由3GPP 3rdGenerationPartnershipProject 负责标准化工作 而cdma2000由3GPP2 3rdGenerationPartnershipProject2 负责标准化工作 122 1 5 2几种主流的3G标准 1 cdma2000 cdma2000是由IS 95A B标准演进而来的第三代移动通信标准 由3GPP2负责具体标准化工作 目前cdma2000有由3GPP2制定的Release0 A B C和D五个支持cdma20001x及增强型技术的版本 以及由EIA TIA发布的支持cdma20001xEV DO的IS 856和IS 856A标准 123 cdma20001xEV DO定位于Internet的无线延伸 能以较少的网络和频谱资源 在1 25MHz标准载波中 支持平均速率为 静止或慢速移动 1 03Mbps 无分集 和1 4Mbps 分集接收 中高速移动 700kbps 无分集 和1 03Mbps 分集接收 其峰值速率可达2 4Mbps 而且在IS 856A中可支持高达3 1M的峰值速率 124 2 WCDMA WCDMA是一种由3GPP具体制定的 基于GSMMAP核心网 UTRAN UMTS陆地无线接入网 为无线接口的第三代移动通信系统 目前WCDMA有Release99 Release4 Release5 Release6等版本 125 WCDMA采用直接序列扩频码分多址 DS CDMA 频分双工 FDD 方式 码片速率为3 84Mbps 载波带宽为5MHz 基于Release99 Release4版本 可在5MHz的带宽内 提供最高384kbps的用户数据传输速率 126 在Release5版本引入了下行链路增强技术 即HSDPA HighSpeedDownlinkPacketAccess 高速下行分组接入 技术 在5MHz的带宽内可提供最高14 4Mbps的下行数据传输速率 在Release6版本中引入了上行链路增强技术 即HSUPA HighSpeedUplinkPacketAccess 高速上行分组接入 技术 在5MHz的带宽内可提供最高6Mbps的上行数据传输速率 127 3 TD SCDMA TD SCDMA TimeDivision SynchronizationCodeDivisionMultipleAccess 的中文含义为时分同步码分多址接入 TD SCDMA从2001年3月开始 正式写入3GPP的Release4版本 目前TD SCDMA已有Release4 Release5 Release6等版本 128 TD SCDMA采用不需成对频率的TDD双工模式以及FDMA TDMA CDMA相结合的多址接入方式 使用1 28Mbps的低码片速率 扩频带宽为1 6MHz 基于Release4版本 TD SCDMA可在1 6MHz的带宽内 提供最高384kbps的用户数据传输速率 TD SCDMA在Release5版本引入了HSDPA技术 在1 6MHz带宽上理论峰值速率可达到2 8Mbps 129 4 三种主要技术标准比较 130 5 3G主流技术的优势 1 漫游能力 目前全球大部分国家已经开通3G网络 其中80 运营商选择WCDMA和20 运营商选择cdma2000 良好的全球漫游能力有利于与其他运营商的合作和吸引高端用户 131 2 安全性 目前3G采用了很多种加密技术 保证通话和数据的安全 不管是话音还是数据都具备很强的保密性 通过多层的协议控制 数据在网络中可以非常安全的传输 132 3 技术成熟度 3G于1996年提出标准 2000年完成包括上层协议在内的完整标准的制订工作 3G网络部署已具备相当的实践经验 有一成套建网的理论 包括对网络的链路预算 传播模型预算 以及计算机仿真等 133 4 商业模式 商业运作模式成熟 3G网络得到众多设备商 终端制造商 内容提供商支持 具备一个非常全的产业链 134 2019 12 19 1 5 3国内外3G频段 图1 21IMT 2000的核心频段 MHz 135 图1 22IMT 2000的扩展频谱 136 图1 23中国的3G频率规划 137 中国移动TD SCDMA 1880MHz 1900MHz 但之前TD SCDMA试验网获得2010MHz 2025MHz的频谱 两者加起来 TD SCDMA共获得35MHz 中国电信CDMA2000 1920MHz 1935MHz 上行 2110MHz 2125MHz 下行 获得2 15MHz 中国联通WCDMA 1940MHz 1955MHz 上行 2130MHz 2145MHz 下行 获得2 15MHz 138 1 5 4全球3G网络发展现状 1 全球3G进入规模发展阶段 全球3G网络数量持续增长 截至2011年2月 3G网络已经覆盖全球超过165个国家和地区 占全球国家和地区总数的72 全球部署3G商用网络506个 其中WCDMA网络383个 EV DO网络123个 3G增强型技术成为主流应用技术 全球90 的WCDMA网络已经升级到HSPA 139 全球3G用户已经进入规模增长阶段 截至2010年底 全球3G用户总数为8 2亿 其中 2010年度3G新增用户将达到2 1亿 与2009年相比增长34 4 在移动用户中占比由2009年的12 9 升至15 2 在新增用户比例达到39 4 140 2 3G业务不断丰富 全球智能手机市场高速发展 成为引领移动终端发展的核心动力 根据咨询公司Gartner的统计数据显示 2010年全球智能手机终端用户销量共计2 97亿 较2009年增长72 1 集娱乐 应用 移动互联三大核心功能于一身的新型操作系统手机成为推动智能手机市场快速发展的关键因素 141 截至2010年12月 全球移动互联网用户达到9 4亿 年复合增长率约为69 从移动互联网业务应用情况来看 高流量 个性化移动互联网应用正在快速发展 多媒体大流量业务已经成为电信运营商新的利润增长点 而位置服务 移动SNS 微博等个性化业务也正在成为拉动用户活跃度的有效工具 142 3 中国的3G发展 截止2012年9月底 我国移动用户总数达到108474 4万户 其中3G用户达到20263 9万户 占移动用户比例为18 68 其中 9月份我国移动电话用户新增1250 2万户 其中3G用户净增1008 2万户 3G用户占新增用户比例达到80 64 143 2009年1月7日 我国正式发放3G牌照到2011年9月底3G用户过亿 中国用了2年多时间 而从1亿户到2亿户 只用了约1年时间 我国3G发展逐步产生了规模效应 144 根据三家运营商统计数据 截止9月底 中国移动累计3G用户数达7559 5万 中国联通3G用户总数达到6686 3万户 中国电信3G用户总数达6018 1万户 未正式公布 分别占到我国3G用户总数的37 3 33 及29 7 基本实现三家三分天下的格局 145 1 5 53G技术的演进 图1 243G技术演进路径 146 1 5 6LTE技术概述 为了有效应对宽带接入技术的挑战 同时为了满足不断增加的新型业务需求 3GPP在2004年年底启动了其长期演进 LTE LongTermEvolution 技术的标准化工作 LTE是3GPP为了未来10年保证3GPP系列技术的生命力 抵御来自非3GPP阵营技术的竞争而启动的最大规模的标准研究项目 希望达到以下几个主要目标 147 保持3GPP在移动通信领