无线通信工程-清华大学-第十二讲PPT课件.ppt

无线通信工程 姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年12月15日 1 第十二讲 无线通信系统及网络 2 内容提要 概述无线固定接入无线移动接入无线数据接入无线分组网原理 3 概述 4 无线系统的分类 按照频段范围分 短波 超短波 微波 毫米波等 按照传播方式分 地面视距 地面超视距 对流层散射 电离层反射 卫星等 按照多址方式分 点对点 点对多点等 按照应用背景分 固定接入 移动接入 数据接入等 按照连接方式分 电路连接 分组连接等 5 地面无线系统的应用分类 无线固定接入 WLL ISM LMDS无线移动接入 第二代蜂窝及在第二代上增加的业务 i mode WAP GPRS EDGE等 第三代蜂窝无线数据接入 WLAN WWAN WMAN WHAN WPAN WVAN 802 11 HIPERLAN Bluetooth 6 无线系统及网络的主要性能 频率规划传输范围传输质量业务种类用户容量标准及协议 7 无线固定接入 8 频率规划 450 5 452 5MHz 460 5 462 5MHz FDD模式 窄带无线接入 1800 1805MHz S CDMATDD模式 公众网或专用网无线接入 1900 1920MHz TDD模式 用于PHS DECT TDMA CDMATDD CordlessDECT 2400 2483 5MHz及5725 5850MHz ISM频段扩频SS系统接入及Bluetooth Pico cell无线接入 3400 3430MHz 3500 3530MHz FDD模式 中高速无线接入 24 26GHz及38GHz FDD模式 LMDS宽带无线接入 9 无线用户环 WLL 用户环是在电话网中解决交换机到用户终端传输问题的一种手段 可以有有线及无线等方式 无线用户环的特点 依托有线网 主要解决用户接入问题 简单说就是将用户线用无线代替有线 无线用户环有近距离 1公里以内 和远距离 几公里到十几公里以上 二类 无线用户环以固定为主 但也能支持慢速行走的用户 无线用户环产品类别 近距离 如 CT 2 DECT PHS等无绳电话 远距离 如 TD SCDMA 3 5GHz等 10 ISM频段SS系统 美国FCC划分了三个频段 800M 2 4G 5 7G 给工业 科学和医学使用 无需许可证 简称ISM频段 我们国家目前也参照美国的标准 开放了二个频段 即2 4G和5 7G 但还要求执行许可证制度 技术规范 频率规划为2400 2483 5MHz 5725 5850MHz 采用扩频技术 直接序列扩频或跳频 扩频比大于10 或跳速大于2 5跳 秒 传输速率为2Mbps 发送功率小于100mW EIRP小于 10dBW 100KHz 跳频 20dBW MHz 直扩 11 宽带LMDS系统 LMDS LocalMultipointDistributionService 本地多点分配业务 这是一种微波宽带业务 在厘米波及毫米波频段 在较近的距离上以点对多点方式实现话音 视频和图像信号双向传输 通信距离 2 10公里 使用频率 24 26 38GHz 调制方式 多状态正交调幅 16QAM 64QAM等 无线频谱资源大于1GHz 每基站总容量达4 8G 每扇区容量达200M 每远端站容量达Nx2M 2 155Mbps 可以支持现存的任何业务 包括 话音 数据和图像 12 无线移动接入 13 频率规划 模拟蜂窝TACS 890 915 935 960MHz模拟蜂窝AMPS 824 849 869 894MHz数字蜂窝GSM 890 915 935 960MHz数字蜂窝DCS 1800 1710 1785 1805 1880MHz数字蜂窝IS 95 824 849 869 894MHz模拟集群350MHz数字集群 806 821 851 866MHz 14 蜂窝系统概念 引入蜂窝概念是无线移动通信的重大突破 其主要目的是为了在有限的频谱资源上提供更多的移动电话用户服务 蜂窝的主要特点 通过控制发射功率使得频谱资源在一个大区的不同小区间重复利用 通过将小区划分成更小的小区的方法 小区分裂 来增大系统的容量 15 蜂窝系统的频率再用 蜂窝系统在几何上可以看出由六边形组成 形同蜂窝 频率再用距离 D小区半径 R频率再用因子 Q D R不同多址体制的Q值 FDMA Q 7TDMA Q 3或4CDMA Q 1 16 蜂窝系统的容量 小区容量 每个小区在给定工作频段上所能支持的最大用户数 系统容量 整个系统在给定频段上单位面积所能支持的用户数 影响容量的因素 可用带宽 要求的载波 干扰比 频率再用因子 小区大小 提高容量的其它措施 如 话音激活 扇区化等 TDMA GSM 比FDMA AMPS 的系统容量可提高3 6倍 CDMA IS 95 比TDMA GSM 的系统容量可提高3 4倍 17 第一代蜂窝系统 模拟 模拟蜂窝系统 欧洲的TACS和北美的AMPS多址方式 FDMA FDD信道带宽 30KHz AMPS 25KHz TACS 使用频率 8 900MHz语音调制 FM信道数 832 AMPS 1000 TACS 18 第一代蜂窝系统上的数据业务 CDPD CDPD CELLULARDIGITALPACKETDATA 蜂窝数字分组数据 美国一些公司联合开发的一种标准 承载在美国模拟蜂窝AMPS上 采用TCP IP 调制方式为GMSK 数据率为19 2kbps 利用跳频技术在蜂窝频道的空闲时隙传送突发数据 是一种无连接协议 采用RS码纠错 可以采用加密 收费合理 是一种过渡方案 19 第二代蜂窝系统 数字 基本上是两大标准 欧洲的GSM和北美的IS 95 使用频率 8 900MHz 多址方式 TDMA FDMA FDD GSM CDMA FDMA FDD IS 95 传输速率 270 833kbps GSM 1 2288Mbps IS 95 调制方式 GMSK GSM QPSK OQPSK IS 95 语音编码 13kbpsRPE LTP GSM 1200 2400 4800 9600bps变速率CELP IS 95 信道编码 1 2卷积码 GSM 1 2卷积码 维特比译码 IS 95 20 第二代蜂窝系统上的数据业务 WAP WAP WirelessApplicationProtocol 无线应用协议 采用全球统一标准 支持GSM GPRS和WCDMA等移动通信系统 简化 优化和扩展了因特网Web技术 消除了移动终端在屏幕显示 内存 处理能力和无线传输带宽等方面的限制 主要特点 1 WAP协议栈采用层次化的设计 每层均定义有接口 可被上一层协议使用 也可被其它的服务或应用程序直接使用 2 WAP应用结构类似于因特网结构 21 第二代蜂窝系统上的数据业务 GPRS GPRS GeneralPacketRadioService 通用分组无线业务 以分组技术为基础的传输系统 能为用户提供高达160kbits s的数据速率 基于现有GSM系统 可根据需要对一个载频的8个时隙进行捆绑 在初始阶段 4个时隙作为一组进行捆绑 速率可以提高4倍 是由ETSI定义的一种分组数据无线传输技术 其目的是在GSM等移动通信网络上实现移动互联网的中低速业务 使移动台和终端设备可以通过GPRS访问全球任何一个网络 22 第二代蜂窝系统上的数据业务 EDGE EDGE EnhancedDataRatesforGSMEvolution 在GPRS基础上提高速率的一种标准 主要技术措施 将GSM的四相调制改为八相调制 使每个信道的传输速率由14 4kbps提高到48kbps 再通过多时隙捆绑 最高传输速率可以达到384kbps 优点 只要在GSM原有系统的基础上 对基站进行简单的升级 就可以在兼容原有业务的情况下开通EDGE业务 23 2020 3 18 24 第三代蜂窝系统 IMT 2000概况 IMT2000是第三代移动通信系统标准 以支持移动多媒体通信为目标 多个标准并存 出现所谓IMT2000家族的概念 频段为2000MHz 使用日期为2000年 使用频率 1890 2030MHz 2110 2250MHz 最高传输速率 144kb s 高速运动 384kb s 步行速度 2Mb s 室内环境 三种代表性的RTT技术方案 欧洲和日本的WCDMA方案 北美的CDMA2000方案 中国CATT提出的TD SCDMA方案 25 第三代蜂窝系统 IMT 2000过渡情况 26 第三代蜂窝系统 WCDMA 特点强调宽带技术 最小带宽5MHzBTS间不需要同步和GPS正反向信道相干解调基本参数码片速率 4 096 8 192 16 3843Mc s 波道间隔 5 10 20MHz功率控制速率 1600b s编码方式 卷积码R 1 3 1 2 k 9和TurboCode 27 第三代蜂窝系统 CDMA 2000 以IS 95为基础相同的码片速率 软切换技术 功率控制技术技术改进反向信道连续导频和相干解调多载波方式提高传输速率基本参数码片速率 1 2288 3 686Mc s 波道间隔 N 1 25 5MHz功率控制速率 800b s编码方式 卷积码R 1 4 1 3 1 2 k 9和TurboCode 28 第三代蜂窝系统 TD SCDMA 时分复用 时分双工 软件化 智能天线 同步CDMA技术8个时隙 正 反向信道各4个时隙每个时隙16各地址码可变的双工信道速率采用16QAM和非对称传输支持2Mb s速率语音传输 8kb s扩频切普率 1 1136Mc s信道编码 语音为3 4卷积码 29 无线集群系统 专用网 主要用于公安和部队 数字集群的性能 信道带宽25KHz 多址方式6信道TDMA 信道速率64kbps 调制方式16QAM 语音编码4 2kbps VSELP 信道编码TCM 30 无线数据接入 31 各种应用系统 WLAN 无线局域网WWAN 无线广域网WMAN 无线城域网WHAN 无线家域网WPAN 无线个域网WVAN 无线车域网 32 标准 IEEE802 11 IEEE802是美国制定的局域网标准系列 其中802 11是无线访问方法和物理层规范 包括跳频 直扩等无线传输以及数据率高达2Mbps的红外传输 媒质访问控制 MAC 方法 载波检测多址访问及避免碰撞技术 CSMA CA 首先 每个要发送的无线节点和数据必需检测到网络静默才能发送 但如果网络静默时二个以上节点同时发送 就会产生碰撞 为此 专门设计了避免碰撞的协议 物理层采用 红外传输 跳频传输 直扩传输 最高传输速率2Mbps 无线传输采用2 4GHzISM频段 33 标准 HIPERLAN 高性能无线局域网的简称 这是欧洲各国制定的标准系列 使用频率 5 15 5 3GHz和17 1 17 3GHz 传输范围 50m 支持异步和同步通信 支持32kbps音频 2Mbps视频 10Mbps数据 标准规定网络结构中的网络层和数据链路层 和IEEE802 11不兼容 34 标准 Bluetooth 目标 通过将一种微小的短距的无线通信技术集成到各种不同的电子设备中来为移动和商业用户提供方便服务 技术性能 使用频率2 4GHzISM频段 传输速率1Mbps 调制方式GFSK 双工方式TDD 通信距离10m 10mW 100m 100mW 抗干扰方式快速跳频 1600跳 秒 自适应发送功率 灵活而短的数据包 支持多种应用 35 无线分组网原理 36 无线分组网概念 无线分组网是一种分组交换网 采用分组交换而不是电路交换 无线分组网利用无线信道的特点 具有广播通信的性质 可以同时把分组数据分发给多个用户 用户对信道的访问是随机的 传输速率可以较高 但延时也较大 无线分组网在民用及军用的移动数据中有广泛的使用前景 37 空中接口的协议体系 空中接口是无线分组网的核心问题之一 空中接口协议可以分成 物理层 PHL 介质接入控制层 MAC 数据链路控制层 DLC 网络层 NWK 它们和OSI模型的低三层有一定关系 但不是严格对应的 网络层 数据链路控制层 介质接入控制层 物理层 第一层 第二层 第三层 OSI 38 空中接口的协议 1 物理层确定无线参数 如 频率 定时 功率 码片 比特或时隙同步 调制解调 收发信机性能等 分配无线资源 如 多址协议等 在MAC层的控制下进行数据或数据分组的收发 39 空中接口的协议 2 介质接入控制层介质访问管理 首先选择物理信道 然后在这些信道上建立或释放连接 数据封装 将控制信息 高层的信息和差错控制信息进行复接 或分接 使之适合在物理信道上传输 形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务 如 广播业务 面向连接的业务和无连接业务等 40 空中接口的协议 3 数据链路控制层主要功能 为网络层提供非常可靠的数据链路 可以分为二个平面 控制平面 保护内部控制信令和有限数量的用户信息 用户平面 以不同能力保护不同的用户信息 网络层主要是信令 包括 链路控制 呼叫控制 附加业务 面向连接的消息业务 无连接的消息业务 移动性管理等 41 关于介质访问协议 概述各个用户的突发数据以随机方式接入信道 实现多址 无线信道是公用的 以竞争方式发送数据 这样就存在碰撞问题 用户数越多 碰撞概率越大 接入概率越低 接入时间越长 为此 就要有个规则 这就是介质访问协议 42 关于介质访问协议 ALOHA访问方式随机ALOHA方式 随时发送 检测到碰撞 重新发送 给每个用户分配不同的重发间隔时间 优点 实现简单 缺点 吞吐量下降 时隙ALOHA方式 和随