接入网技术 (4).ppt

第五章无线接入技术 5 1无线接入信道的电波传播5 2无线接入的基本技术5 33 5GHz固定无线接入5 4无线ATM接入5 5无线接入新技术 无线接入系统采用无线传输技术 通过空间电磁波来传输信息 无线传输所占用的信道即称为无线信道 5 1 1反射 衍射和散射在无线信道中 视线方向上存在很多的障碍物 电磁波在传播时 如果遇到障碍物 并且此障碍物大小与波长相比很大 那么电磁波就会发生反射 5 1无线接入信道的电波传播 5 1 2衰落与多径传播在无线信道中 电磁波传播时由于各种反射 衍射和散射 会产生大量的传播路径 在接收端来自不同方向 通过不同传播路径的电磁波经由同一天线接收 会在天线处通过矢量叠加得到合成信号 形成多径传播 一 影响衰落的因素无线信道中很多的因素会影响衰落 其中包括以下几种 1 多径传播2 移动台的移动速度3 信道中障碍物的移动速度4 信号的带宽 二 多径传播无线信道中多径传播会引起接收信号短期起伏 也即小尺度衰落或快衰落 1 时延扩展 时间扩散参数 由于多径反射 发射天线发出的无线信号沿不同路径传播到接收机处时 每条路径长度不同 信号到达接收机时间也不同 因而信号轮廓不清或被扩展 这种现象称为时延扩展 2 相干带宽相干带宽 Bc 是频率范围的统计测量值 3 多普勒 Doppler 扩展和相干时间在移动接入中 接收天线和发射天线之间的相对运动会引起Doppler频移 频移的大小与相对运动速度和运动方向以及载波频率有关 具体公式如下 fd fmcos 5 3 其中 fd为Doppler频移 多普勒功率谱宽度 v为相对运动速度 为运动速度与电磁波传播方向之间的夹角 fm为 0时 Doppler频移的最大值 从上面的公式可以看出 Doppler频移可以为负值 三 衰落类型信道参数 时延和Doppler扩展 以及信号参数 带宽 符号间隔 共同决定了发射信号所经历的衰落特性 根据这些参数可以将信道进行分类 1 多径时延扩展产生的衰落效应多径时延产生的衰落分为两类 即平坦衰落和频率选择性衰落 1 平坦衰落 2 频率选择性衰落 2 Doppler扩展引起的衰落效应根据发送信号与信道变化相对的快和慢 可以将信道分为快衰落信道和慢衰落信道 1 快衰落如果信道的相干时间比发射信号的信号周期短 那么此信道就是快衰落信道 在快衰落信道中 信道的脉冲响应在一个符号周期内变化很快 快衰落信道的条件为 Ts Tc Bs Bc 5 9 2 慢衰落慢衰落信道的条件是 Ts Tc Bs BD 5 10 5 1 3路径损耗模型一 无线环境无线接入系统的工作环境包括各种各样建筑物结构的大城市和小城市 郊区 农村地区 沙漠地区和山区 1 车载无线环境车载无线环境的特征是宏小区和大的发射功率 也称为宏小区环境 2 室外到室内和步行者的无线环境该环境的特征是微小区和低的发射功率 3 室内办公无线环境在室内办公无线环境中 发射功率较小 基站和用户均在室内 二 路径损耗模型1 车载无线环境车载无线环境对应于宏小区 通常采用Hata传播模型 Hata传播模型适用的频率为150 155MHz 可以在城市地区应用 其公式为 Lmacro 10logd 5 11 2 室外到室内和步行者的无线环境在这种环境中 考虑了视距传播和非视距传播两种情况 也就是存在障碍物 属于微小区类型 3 室内办公无线环境在室内办公无线环境中 对于有障碍的传播路径会产生瑞利衰落 对于视距 LOS 路径则是莱斯衰落 与建筑物类型无关 5 2无线接入的基本技术 5 2 1信源编码与信道编码技术一 信源编码技术信源编码就是将来自模拟信源或离散信源的信号变换为适合于在数字通信系统中传输的数字信号 1 规则脉冲激励 长时预测 RPE LTP 编码RPE LTP编码方案是以若干间距相等 相位与幅度优化的脉冲序列作为RPE 规则脉冲激励 使合成波形接近于原信号 线性预测编码 LPC 分析主要目的是提取LPC滤波器的系数 短时分析滤波器使用LPC的系数 以5ms子帧为间隔 求出预测值并由预测值产生短时残差 长时预测 LTP 分析在5ms子帧内计算一次对长时分析滤波器的修正值 利用残差信号的相关性可使对输出残差信号的估值更为优化 RPE LTP话音编码器将LAR参数 RPE参数及LTP参数等三种参数编码比特进行复合 获得13kbit s话音编码输出信号 加上前向纠错监督位后为22 8kbit s 再加上其他控制信号及保护间隔 每话路传输速率为24 7kbit s 可以得到较好的话音质量 同时抗误码性能也较好 2 矢量和激励线性预测 VSELP 编码矢量和激励线性预测 VSELP 编码是码激励线性预测 CodeExcitedLinearPrediction CELP 编码的一种 二 信道编码技术信道编码就是在数据发送之前 在信息码元中再增加冗余码元 即监督码元 用来供接收端纠正或检出信息在信道传输中产生的误码 1 分组码在分组码中 监督码元只与本组的信息码元有关 1 循环码循环码是分组码的一个重要分支 其特点是循环码中的任何一个码字向左或向右循环移位后 仍是该码字集合中的码字 2 BCH码BCH码是一种能纠正多个随机差错的特殊循环码 其码长为n 2m 1或是2m 1的因子 m为正整数 3 R S码R S是Reed Solomon码的缩写 是一种多进制的BCH码 一个M进制码元有M个二进制码元 2 交织编码对于突发错误 交织码是一种有效的纠错码 交织编码是将已编码的码字交织 使突发误码转换为一个纠错码字内的随机误码 3 卷积码分组码为达到一定的纠错能力和编码效率 码组长度通常都比较大 时延随着n的增加而线性增加 4 Turbo码Turbo码包含重复解码 软入 软出解码 递归系统卷积编码和非均匀交织等概念 Turbo码编码基本结构如图5 7所示 它包含两个并联的相同递归系统卷积编码器 中间由一个交织器分隔 5 2 2多址接入技术目前无线接入系统中常用的多址方式有 频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 和空分多址 SDMA 等 一 频分多址 FDMA 频分多址 FrequencyDivisionMultipleAccess FDMA 是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道 或称信道 分配给不同的用户使用 二 时分多址 TDMA 时分多址 TimeDivisionMultipleAccess TDMA 是把无线频谱按时隙划分 若干个时隙组成一帧 三 码分多址 CDMA 码分多址 CodeDivisionMultipleAccess CDMA 是使用扩展频谱技术的一种多址技术 四 空分多址 SDMA 空分多址 SpaceDivisionMultipleAccess SDMA 是通过控制用户的空间辐射能量来提供多址接入能力的 通过分割空间信道分离同一时隙和同一频道上的多个用户信号 5 2 3数字调制与扩频技术一 数字调制技术无线接入系统在无线传输中一般多使用频谱效率高 抗干扰能力强的数字调制技术 1 线性调制技术线性调制方案有PSK QPSK DQPSK OQPSK 4 QPSK MPSK及MQAM等 1 二相相移键控 2PSK 绝对相移键控 BPSK 差分相移键控 DPSK 2 四相相移键控 QPSK 交错QPSK OQPSK 4 QPSK 2 恒包络调制技术 1 二相频移键控 2FSK 2 最小频移键控 MSK 3 高斯滤波最小频移键控 GMSK 高斯滤波最小频移键控 GMSK 是指在MSK调制器前面加入高斯低通预调制滤波器的调制方式 如图5 11所示 图5 11GMSK调制器 二 扩频调制技术扩展频谱通信的理论基础是仙农 Shannon 公式 C 5 33 式中 C为信道容量 单位为bit s W为带宽 S为信号功率 N为噪声功率 1 直接序列扩频直接序列扩频 DirectSequenceSpreadSpectrum DSSS 是指在发信端直接用伪随机序列 Pseudo Noise PN 去扩展信号的频谱 在收信端 用相同的扩频码序列进行解扩 将展宽的频谱扩展信号还原成原始信息 2 跳频扩频跳频扩频 FrequencyHoppingSpreadSpectrum FHSS 是指传输信号载波按照预定规律进行离散变化的通信方式 即通信使用的载波频率受一组快速变化的伪随机码控制而随机的跳变 3 跳时扩频跳时扩频 TimeHoppingSpreadSpectrum THSS 是指将时间按帧分成若干个时隙 由扩频码序列去控制帧内各个时隙的信号发射 5 2 4抗衰落技术一 分集技术分集技术 DiversityTechniques 就是利用多条具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径来传输相同信息 并在接收端对这些信号进行合并 Combining 以便降低多径衰落的影响 改善传输的可靠性 1 空间分集空间分集 SpaceDiversity 是在发端使用一副发射天线 接收端使用多副接收天线 并且接收端天线的间隔足够大 d 2 从而保证各接收天线输入信号的衰落特性相互独立 2 时间分集时间分集 TimeDiversity 就是将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输多次 只要时间间隔大于相干时间 就可以得到多条独立的分集支路 3 频率分集频率分集 FrequencyDiversity 是将要传输的信息分别以不同的载频发射出去 只要载频的间隔大于相干带宽 那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号 在接收端取得多条相互独立的支路信号后 可以通过合并技术来得到分集增益 合并技术有选择式合并 最大比合并 等增益合并以及开关合并 二 自适应均衡技术码间干扰是在移动无线信道中传输高速率数据的主要障碍 是由无线信道的时变多径传播引起的 采用自适应均衡技术可以克服码间干扰 均衡的算法有多种 即最小均方误差算法 LeastMeanSquareError LMSE 递归最小二乘法 RecursiveLeastSquare RLS 快速递归最小二乘法 FastRLS 平方根递归最小二乘法 SquareRootRLS 和梯度递归最小二乘法 GradientRLS 等 5 2 5网络安全技术 1 对于接入网络的呼叫请求进行鉴权 判定用户身份的合法性 2 对移动台的用户识别码进行保护 即用经常变更的临时移动台识别码代替用户识别码 3 对无线信道上的用户数据和信令信息进行加密 一 用户鉴权 1 移动台做主叫 2 移动台做被叫 3 移动台位置登记 位置更新 4 基站要求鉴权 二 信息加密信息加密是指基站和移动台之间交换的用户信息和用户参数不被截获或监听 用户信息是否需要加密可在呼叫建立时由信令指明 5 2 6无线空中接口无线接口自下而上分为三层 物理层 第一层 数据链路层 第二层 和管理层 第三层 物理层完成编码 调制及各物理信道的扩频 在CDMA方式中 物理信道用不同的地址码区分 数据链路层在移动台和基站之间建立可靠的数据传输通道 完成建立 维持及释放一个逻辑链路连接所必须的功能 包括流量控制 争先判决 序列控制 选择确认或不确认操作之类的通信方式 将通信数据插入发信数据帧或从收信帧中取出等 管理层可进一步分为三个子层 即无线资源管理子层 RadioResourceManagement RRM 移动管理子层 MobileManagement MM 和连接管理 ConnectionManagement CM 5 33 5GHz固定无线接入 固定无线接入 FixedWirelessAccess FWA 是指业务节点到固定用户终端部分或全部采用了无线方式 5 3 1系统参考模型3 5GHz固定无线接入参考模型如图5 16所示 是一种点到多点的结构 系统一般包括中心站 终端站和网管系统三大部分 特殊情况下在中心站和终端站之间可以通过接力站进行中继 1 中心站中心站 CentralStation CS 从逻辑上可分为两个部分 中心控制站 CentralControlStation CCS 和中心射频站 CentralRadiofrequencyStation CRS 2 终端站终端站 TerminalStation TS 置于用户驻地 为一个或多个用户设备提供电话 传真 数据调制解调器等终端的标准接口 并向用户终端透明地传送交换机所能提供的业务和功能 3 接力站接力站 RelayStation RS 作为系统实现的可选项 用以转发中心站和终端站之间的信号 以延长中心站和终端站之间的距离 4 网管系统网管系统完成设备基本的配置 故障管理 性能管理 安全管理以及计费信息的采集 实现集中维护管理 5 3 2功能要求一 业务支持能力3 5GHz固定无线接入主要提供面向连接业务和无连接业务 1 面向连接业务面向连接的业务主要针对传统电路方式的业务或以电路仿真方式提供的业务 主要有普通电话业务 ISDN2B D或30B D业务 低于2048kbit s的电路承载业务 如64kbit s子速率 N 64kbit s等 以及对应于目前DDN业务所提供的速率等级 2048kbit s或高于2048kbit s的数字电路承载业务 2 无连接业务无连接业务针对基于IP方式来提供的应用 主要有基于IP方式的实时业务 Internet接入 WWW浏览 E mail 高速文件传送等 局域网互联和虚拟专用网 VPN 等 二 系统功能1 动态带宽分配2 用户业务能力3 用户信息安全4 发送功率调整 5 3 3技术要求一 频率配置1 工作频段FDD双工方式固定无线接入系统目前的工作频段为 终端站发射频段3400 3430MHz中心站发射频段3500 3530MHz同一波道发射频率和接收频率之间的射频频率间隔为100MHz 2 波道配置可采用的波道配置方案有4种 信道间隔分别为 1 75MHz 3 5MHz 7MHz和14MHz 二 接口要求1 业务节点接口 SNI 1 10BASE T 100BASE X接口 2 电路型接口 3 ATM接口 4 V5接口 2 用户网络接口 UNI 1 10BASE T 100BASE X接口 同SNI接口 2 电路型接口 3 其他数据接口V 24接口 当DTE或DCE与设备之间的速率不超过20kbit s时 采用V 24 V 28接口 X 24接口 当DTE与设备连接的速率不超过1984kbit s时 采用X 24接口 V 35接口 V 35接口是机械特性 采用IS02593 即M34 接插件 电气特性上 对于时钟 数据信号 所谓 快变信号 采用ITUV 35的附录规定的差分平衡双流特性的电平 握手信号采用V 28电平 功能和规程采用V 24建议 ISDN接口 ISDNBRAU接口符合ITU TG 961 金属本地线上用于ISDN基本速率接入的数字传输系统 的规定 音频二线接口 3 5GHz固定无线接入系统提供的音频二线接口应符合YDN065 1997 邮电部电话交换设备总技术规范书 或YD T1070 2000 接入网远端设备Z接口技术要求 的规定 3 网管接口3 5GHz固定无线接入的中心站设备具有汇聚终端站设备网管信息的功能 中心站设备与管理网的接口在逻辑上应独立于业务节点接口 5 3 4其他要求一 同步这里主要讨论网络侧接口采用电路型接口或ATM接口的3 5GHz固定无线接入系统 二 设备要求1 工作方式3 5GHz固定无线接入系统为双工方式 在中心站与终端站之间点到多点的通信采用频分双工 FrequencyDivisionDuplex FDD 方式 2 发射功率和功率容限3 供电要求 5 4无线ATM接入 5 4 1无线ATM简介1 无线ATM的信元结构典型的无线ATM信元结构如图5 18所示 图5 18无线ATM信元结构 2 无线ATM信元的两种模式无线ATM可以使用两种模式 即封装模式和传统模式 3 无线ATM的频率段选择对无线ATM来说 选择一个频率段需要考虑带宽和连接性能 4 无线ATM的差错控制机制由于无线信道条件恶劣 因此 无线网络与有线网络它的误码率更高 它的带宽较少和有更多的突发 5 有待加强的领域ATM作为宽带广域网和局域网的标准系统已经逐渐被人们所接受 l ATM移动性 2 广播接入层 5 4 2无线ATM网络技术基础一 无线ATM的传输方案在选择基于无线ATM的传输方案时 必须考虑以下因素 灵活地分配带宽和进行业务类型的选择 有效地复接从突发数据到多媒体信源的多种业务 通过无线和有线网络提供端到端的宽带业务 现有的ATM交换设备可用于蜂窝小区间的交换 易于与B ISDN连接 二 无线ATM的分层模型无线ATM的基本思路是将标准ATM信元用于网络层功能 而且在无线链路上为无线信道特定的协议子层增加一个无线信头和信尾 三 无线ATM的参考模型图5 21展示出了ATM论坛目前正在研究的一种无线ATM系统的基准参考模型 图5 21无线ATM系统的参考模型 5 4 3无线ATM协议一 广播接入层协议将ATM业务扩展到无线链路上必须具有RAL 广播接入层由几个协议子层构成 主要功能包括高速物理层发送和接收 提供多个终端共用信道的媒质访问控制 改善无线信道质量下降的数据链路控制 无线资源的管理和元信令的无线控制 1 无线物理层无线ATM需要高速无线调制解调器 在半径为100 500m范围内的微蜂窝小区和微微蜂窝小区环境中提供相当可靠的传输 2 无线媒质访问控制无线媒质访问控制层的主要功能有媒质访问管理和数据封装等 3 无线数据链路控制无线数据链路控制层是在信元发送到ATM网络层以前为减轻无线信道差错的影响所必需的 4 无线控制无线控制子层支持无线接入层的控制功能以及与ATM网的结合 二 移动ATM MATM 协议扩展1 切换控制切换是移动通信系统的一项重要功能 它是移动终端在移动过程中为保持与网络的持续连接而发生的波道切换技术 其含义是指正在信息传送的移动终端从一个小区移动到另一小区时 移动业务交换中心命令该移动终端从本小区的无线信道转接到另一个小区的无线信道上 以保持信息传送的连续性 2 位置管理位置管理是网络支持终端移动的一般性能需要 位置管理包括两个主要任务 位置登记和呼叫转移 位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力 3 路由选择和QoS控制当用户从一个基站切换到另一个基站时 移动ATM需要扩展与此有关的路由选择算法 同时需要对现有的路由算法进行优化 5 4 4移动管理ATM是网状结构 多数ATM节点连接到多个节点 1 信元前向切换技术信元前向切换技术是在切换开始前 建立一条新的从当前基站到切换后将使用基站 即目标基站 的路径 切换完成后 原基站到目标基站的路径拼接上原先使用的路径 也就是把路径延长到目标基站 2 虚连接树切换技术虚连接树切换技术就是用虚连接树来控制一组基站的切换 它先建立一个虚的ATM网络层次图 路由连接通过中心点 3 动态重新选路技术最近公共节点 NearestCommonNode NCN 切换是一种动态重新选路技术 它是基于寻找现链路和新链路之间最近的公共节点 并且通过这个节点建立新的连接 为呼叫切换建立一条新的最优路径 5 5无线接入新技术 5 5 1本地多点分布业务 LMDS 技术本地多点分布业务 LocalMultipointDistributionService LMDS 系统是一种宽带固定无线接入系统 LMDS是首先由美国开发的 其不支持移动业务 LMDS是结合高速率的无线通信和广播的交互性系统 LMDS技术特点主要有以下几个方面 1 可提供极高的通信带宽LMDS工作在28GHz微波波段附近 是微波波段的高端部分 属于开放频率 可用频带为1GHz以上 2 蜂窝式的结构配置可覆盖整个城域范围 3 LMDS可提供多种业务 4 LMDS能提供模拟和数字视频业务 如远程医疗 高速会议电视 远程教育 商业及用户电视等 5 5 2蓝牙技术 1 蓝牙工作频段为全球通用的2 4GHz工业 科学和医学 IndustryScienceandMedicine ISM 频段 2 蓝牙的数据传输速率为1Mbit s 3 蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合 一个蓝牙网络由一台主设备和多个辅设备组成 它们之间保持时间和跳频模式同步 每个独立的同步蓝牙网络可称为一个 微微网 5 5 3红外无线技术红外无线系统可分为室内和室外通信两种类型 室外红外无线通信主要指空间中的红外无线通信 而应用更广泛 更具实用价值的是室内红外无线数据通信 相对于常规的电磁波无线传输媒介 红外无线系统有着自己的一些特点 1 发射与接收设备体积小 重量轻 实现成本较低 2 电磁波传输使用的频率和输出功率受到严格的限制 而红外线的频带宽 使用范围灵活 使用不受国家无线电管理机构的管制 3 红外线