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第5章无线广域网 2 本章内容简介 无线广域网概述 IEEE802 20技术标准 2G 3G 4G技术简介 无线广域网的应用 2 3 无线广域网概述 无线广域网 WWAN 指能覆盖很大面积范围的无线网络 它能提供更大范围内的无线接入 与其它无线网络相比较 应更能强调快速移动性 从目前的应用实际来看 WWAN的传输速率通常不是很高 典型的WWAN的例子如GSM移动通信 卫星通信 3G 4G等系统 3 4 无线广域网概述 WWAN使用户能使用笔记本电脑 智能手机或其它移动设备在蜂窝网络覆盖范围内方便地接入网络 进而访问因特网 WWAN的连接能力可涵盖相当广泛的地理区域 但迄今为止其数据传输速率相比WiFi WiMax等都偏低 目前全球的移动通信网络主要采用两大技术 GSM和CDMA 预计这两者均将逐步向3G 4G等技术演进 4 5 无线广域网概述 GSM标准很早就在欧盟得以使用 包括GSM语音通信 GPRS数据传输 EDGE等技术 占据了全球60 的市场 WCDMA WidebandCDMA 技术被许多运营商选为GSM的3G更新标准 WCDMA的数据传输速率可达2Mbps或更高 美国高通公司最早提出了窄带CDMA CDMAIS95 技术 之后发展为CDMA2000 也称CDMAMulti Carrier 5 6 无线广域网概述 摩托罗拉 朗讯 三星等公司积极参与CDMA标准制定 韩国现已几乎成为该标准的主导者 目前使用CDMA的地区为日 韩和北美 虽然市场份额少于WCDMA 但技术研发进展很快 许多3G产品已面世并得到使用 6 7 无线广域网概述 TD SCDMA TimeDivision SynchronousCDMA 时分同步码分多址 是我国提出的具有自主知识产权的3G技术标准 相对于CDMA2000和WCDMA 其起步较晚 该标准融合了智能天线 同步和软件无线电等技术 在频谱利用率 业务支持的灵活性 频率灵活性 成本等方面有独特优势 7 8 无线广域网概述 为提高移动宽带无线接入 MBWA 速度 IEEE802委员会专门设立了802 20工作组 制定IEEE802 20相关标准 IEEE802 20标准规定了工作在3 5GHz以下需申请牌照的频段 用户峰值 4Mbps 下行 1 2Mbps 上行 小区峰值 16Mbps 下行 3 2Mbps 上行 8 9 无线广域网概述 802 20采用纯IP体系结构 从网络到终端均使用基于IP的协议通信 组成主要包括 IP核心网 含高速路由器的基站 网络调度器 鉴权 认证和计费 AAA 服务器 及支持各种应用的终端设备等 9 10 IEEE802 20技术标准 IEEE802 20的发展 2002年3月 思科等提出Mobile Fi概念 2002年7月 移动宽带无线接入研究小组从802 16工作组中独立出来 2002年11月 802 20工作组正式成立 2004年11月 802 20工作组确定了其标准化时间表 2005年 初步完成前期准备和征集提案等工作 2006年6月IEEE暂停了802 20工作组的活动 10 11 IEEE802 20技术标准 2006年11月 802 20工作组重新开始标准的制定活动 目前 802 20标准还处于制定阶段 11 12 IEEE802 20技术标准 IEEE802 20的组成与模型IEEE802 20主要包括以下部分 无线信道模型 移动性管理及切换模型 分布式安全模型 支持的业务模型 12 13 IEEE802 20技术标准 无线信道模型802 20的无线信道模型采用了MIMO 主要有 相关模型 射线跟踪模型和散射模型 相关模型通过在发射端和接收端合并独立复高斯信道矩阵来描述空间相关性 射线跟踪模型假设已知反射物位置 信道特性通过仿真从每一个发送天线到每一个接收天线的大量数据累加来预测 散射模型假定散射物的特定统计分布 利用该分布 通过仿真散射物间的相互作用平面波的方向产生信道模型 13 14 IEEE802 20技术标准 移动性管理及切换模型 移动节点 MN 与固定用户通信 则需家乡代理 HA 和外地代理 FA 共同参与 HA和FA可以是驻留在基站路由器的专用通信模块 也可采用另外的通信设备来实现 分布式安全模型 分布式安全模型是相对于集中式安全模型而言 分布式安全模型中 各设备只需将自身作为安全管理器 不依赖其它设备来实现信任功能 14 15 IEEE802 20技术标准 业务模型 各种移动终端设备 如笔记本PC PDA 智能手机等 的普及 移动通信业务的需求也在不断增长 WWW FTP Email VoIP 视频会议 即时通信及其它各种应用等 15 16 IEEE802 20技术标准 IEEE802 20的性能和协议栈 IEEE802 20的目标是制定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 在物理层技术上 以OFDM和MIMO为核心 充分挖掘时域 频域和空间域的资源 提高系统的频谱效率 在设计理念上 基于分组转发的纯IP架构处理突发性数据的性能也优于现有3G技术 与3 5G HSDPA EV DO 性能相当 16 17 IEEE802 20技术标准 IEEE802 20的性能指标表 17 18 IEEE802 20技术标准 从上表的性能指标可以看出802 20具有如下特点 高移动性 IEEE802 20可支持的最高速率为250km h 已达传统2G 3G的性能 频谱效率高IEEE802 20频谱效率远高于当前的主流移动技术 如CDMA2000 EV DO等 18 19 IEEE802 20技术标准 非视距环境下的覆盖范围广IEEE802 20的单个小区覆盖半径为15km 可以和WCDMA等3G技术和HSDPA等3G的演进技术相竞争 短时延IEEE802 20的MAC帧往返时延小于10ms 加上无线链路控制层和应用层的处理时延 足以满足ITU T规定的电话语音传输时延要求 可提供优质的无线VoIP语音业务 19 20 IEEE802 20技术标准 数据传输高于3G下行链路可提供大于1Mbps的峰值速率 远高于3G技术的性能指标 步行384kbps 高速移动144kbps 20 21 IEEE802 20技术标准 IEEE802 20协议模型 21 22 IEEE802 20技术标准 基于IP的802 20协议栈 22 23 IEEE802 20与IEEE802 16e 3G的比较 802 20在保持较高数据传输速率的同时 能满足用户更高的移动性要求 802 16e为移动性要求不高的用户提供高速 有效的对称数据传输 3G的数据传输速率较低 但能满足用户的全球移动性要求 有关详细的比较见教材5 2 4节 23 24 IEEE802 20技术标准 基于IP的802 20协议栈具有下列优势 基于IP的设计 将现有IP网络简单扩展到无线终端 形成移动的 无处不在的网络接入 透明地支持基于各种网络的应用业务 使用标准IP网络部件 无需额外增加网络设备 以数据为中心的物理层和MAC层具有高吞吐量 低冗余等特点 24 802 20 802 16e和3G技术比较 表5 2 802 20 802 16e和3G的主要技术比较一 见5 2 3节 25 26 2G 3G 4G技术简介 移动通信网络的几个发展阶段 模拟蜂窝通信 GSM 支持数据业务的GPRS GPRS到3G的过渡 3G 4G技术 26 27 2G 3G 4G技术简介 2G技术以GSM数字蜂窝移动通信系统为例 它具有以下特点 由几个子系统组成 并可与PSTN等各种公用通信网互连互通 能提供穿过国际边界的自动漫游功能 移动用户可进入GSM系统而与国别无关 除话音业务外 还可开放各种承载业务 补充业务等 27 28 2G 3G 4G技术简介 有加密和鉴权功能 确保通信保密和网络安全 具有灵活方便的组网结构 频率重复利用率高 移动业务交换机的话务承载能力较强 保证在话音和数据两方面都能满足用户的要求 抗干扰能力强 覆盖区域内的通信质量高 终端设备 手机 向更小型 轻巧和增强功能趋势发展 28 29 2G 3G 4G技术简介 3G技术ITU在2000年确定了WCDMA CDMA2000和TD SCDMA三大主流无线接口标准 WCDMA WidebandCDMA 的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商 CDMA2000由高通公司主导 TD SCDMA是由我国主导的3G标准 29 30 2G 3G 4G技术简介 WCDMA TD SCDMA和CDMA2000技术比较 30 31 2G 3G 4G技术简介 4G技术4G网络结构可分为三层 物理网络层 中间环境层 应用网络层 物理网络层提供接入和路由选择功能 由无线和核心网结合完成 中间环境层的功能有QoS映射 地址变换和完全性管理等 提供具体的应用服务2010年底 ITU已将LTE Advanced和WirelessMAN Advanced确定为4G标准 31 32 无线广域网的应用 32 33 无线广域网的应用 无线广域网应用实