无线通信技术综述.doc

无线通信技术综述一、无线通信技术分类根据无线网络的覆盖范围，可分为个人局域网（Personal Area Network，PAN）、局域网（Local Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网(Wide Area Network，WAN）等4种。1个人局域网个人局域网是随着各种短距离无线通信技术的发展而提出了一个新概念，其核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，实现个人信息终端的智能互联，组建个人信息网络。从计算机网络的角度来看，PAN是局域网，从电信网络的角度来看，PAN是接入网，因此有人把PAN称为电信网络“最后一米”的解决方案。实现PAN的技术主要有蓝牙（Bluetooth）、IrDA、Home RF与UWB（Ultra-Wideband Radio）等4种。蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙工作在全球通用ISM（即工业、科学、医学）频段2.4GHz，传输速率1Mbps。IrDA是红外数据组织（Infrared Data Association）的简称，IrDA红外连接技术由该组织提出，最高传输速率4Mbps。Home RF（Radio Frequency，射频）工作组由美国家用射频委员会领导，于1997年成立，主要任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。该工作组推出Home RF的标准集成了语音和数据传送技术，工作频段为2.4GHz，最大功率100mW，有效范围50米，最高传输速率2Mbps。UWB（Ultra-Wideband Radio，超宽带）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB一开始使用脉冲无线电技术，后来由Intel等大公司提出了应用UWB的MB-OFDM技术方案，由于两种方案截然不同，而且各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案，现在该标准还在争议之中。UWB工作频段3.1GHz10.6 GHz，有效范围10米20米，最高传输速率高达1Gbps。2局域网局域网是在局部地理范围内(如一个学校、工厂和机关内)，将各种计算机、外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。局域网技术主要包括Wi-Fi、ZigBee、DECT（无绳电话）。Wi-Fi技术在后文介绍。ZigBee（Zig Bee，“之字形的蜜蜂”） 是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率的无线技术，工作频率2.4GHz和779928MHz，传输速率250kbps2Mbps，功率1mW，有效范围小于100米。DECT（Digital Enhanced Cordless Telecommunications 数字增强无绳通信）是世界领先的数字通信无线标准，具有最佳语音质量及高度的反窃听保护，用于无绳电话领域。DECT技术使用专用频谱，传输速率 500kbps，室内有效范围200米，室外可使用6公里定向天线。3城域网城域网（MAN）是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，属宽带局域网。由于采用具有有源交换元件的局域网技术，传输媒介主要采用光缆，传输速率在l00Mbps以上。MAN的重要用途是组建骨干网，将位于同一城市内不同地点的主机、数据库，以及LAN等互相联接起来。无线城域网技术主要有WiMax和McWill。4广域网广域网也叫远程网，它的作用范围可以从几十公里至几万公里，一个国家或国际间建立的网络都是广域网。无线广域网技术主要是用于手机的移动通信技术（2G4G）。二、移动通信技术移动通信技术从第一代发展到第四代，传输能力、承载业务能力等逐渐增强。1第一代移动通信技术（1st-generation，1G）第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代；采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术，受到传输带宽限制，仅能传输语音信号，并且不能进行移动通信长途漫游，只是一种区域性移动通信系统。2第二代移动通信技术（2nd-generation，2G）从1G到2G实现了从模拟信号到数字信号的技术跨越，第二代移动通信技术能够传输语音信号和数据（例如短信），但是传输速度还不够快。2G技术包括GSM（中国移动使用的技术）和CDMA（中国联通使用的技术）两种，当前还在大量使用。GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务)是GSM的延续，俗称2.5G技术，GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，传输速率可提升至56114Kbps。3第三代移动通信技术（3rd-generation，3G）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上，目前3G标准有CDMA2000（美国版）、WCDMA（欧洲版）、TD-SCDMA（中国版）、WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access，微波存取全球互通）四种。目前3G技术正在大量推广使用，并拥有较大数量的手机用户。4第四代移动通信技术（4th-generation，4G）4G是集3G与WLAN于一体并能够传输与高清电视质量不相上下的高质量视频图像，4G系统下载速度可达100Mbps，上传速度可达20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。目前国际电信联盟（ITU）认可的4G标准包括HSPA+、LTE、LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced等4种。目前4G技术正处于开发和试验阶段，没有大量使用。三、主要无线（移动）通信技术1CDMACDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）是3G技术的基础。1G技术采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，频谱利用率低，信令干扰话音业务；2G技术采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善；CDMA系统具有频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等优点。（1）W-CDMAW-CDMA（Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取）是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术。W-CDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商和少部分日本厂商，该标准提出了GSM（2G）GPRSEDGEWCDMA（3G）的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对原有技术兼容性号，系统提供商容易实现系统升级。中国联通使用该技术。W-CDMA是异步CDMA系统，不能实现GPS，带宽5MHz，码片速率3.84Mcps，使用频率1940MHz1955MHz（上行）和2130MHz 2145MHz（下行），传输速率14.4Mbps（上行）和5.76Mbps（下行），传输距离受基站高度、功率等影响，具体数值不详。（2）CDMA2000CDMA2000由窄带CDMA（CDMA IS95）技术发展而来，也称为CDMA Multi-Carrier，由美国公司主导，日本、韩国部分厂商参与，韩国现在成为该标准的主导者。该标准提出了CDMA IS95（2G）CDMA20001xCDMA20003x（3G）的演进策略，中国电信使用该技术。CDMA2000是同步CDMA系统，可实现GPS，带宽1.25MHz，码片速率1.2288Mcps，使用频率1920MHz -1935MHz（上行）和2110MHz -2125MHz（下行），传输速率3.1Mbps（下行）和1.8Mbps（上行），传输距离受基站高度、功率等影响，具体数值不详。（3）TD-SCDMATD-SCDMA（Time Division - Synchronous CDMA，时分同步CDMA），该标准由大唐电信（原邮电部电信科学技术研究院）开发并制订。TD-SCDMA辐射低，被誉为绿色3G，该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。中国移动使用该技术。TD-SCDMA是同步CDMA系统，可实现GPS，带宽1.6MHz，码片速率1.28Mcps，使用频率18801920MHz、20102025MHz和23002400MHz，传输速率2.8Mbps（下行）和0.384Mbps（上行），传输距离不详。2WiMaxWiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access，微波存取全球互通）又称为80216无线城域网，是一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。WiMax具有QoS（Quality of Service，是网络的一种安全机制技术，用来解决网络延迟和阻塞等问题）保障、传输速率高、业务丰富多样等优点；WiMax技术起点高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA（OFDM，正交频分复用技术，OFDMA，正交频分多址技术，可提高数据传输质量和效率）、AAS、MIMO（多输入输出技术）等先进技术。WiMax的优势是：传输距离更远，传输距离可达50公里，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍；速度更快，号称最高接入速度是70Mbps，是3G技术的30倍；可提供优良的最后一公里网络接入服务，作为一种无线城域网技术，它可以将Wi-Fi热点连接到互联网，也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展；提供多媒体通信服务，比Wi-Fi具有更好的可扩展性和安全性，能够实现电信级的多媒体通信服务。WiMax的劣势是：不支持用户在移动过程中无缝切换，根据WiMax技术标准，高速移动设备无法实现无缝切换，跟3G的三个主流标准比，性能差距很大；WiMax严格意义讲不是移动通信系统标准，是无线城域网技术；WiMax的802.16m 标准可实现无缝切换，其进展情况还存在不确定性。WiMax带宽1.520MHz；理论传输速率可达108Mbps，号称70Mbps, 实际环境测试能达到45 Mbps,也有资料显示速率为100Mbps（下行）和50Mbps（上行）；传输距离最大可达50公里；WiMax可在2G66G频率下工作，目前频率使用争议较大，工信部暂时没有为WiMax分配频率。3HSPA+HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行链路分组接入技术）与HSUPA（高速上行链路分组接入技术）合称为HSPA技术，HSPA+是HSPA的衍生版，能够在HSPA网络上进行改造升级，是一种经济高效的4G网络。HSPA+有利于WCDMA 网络和HSPA网络的升级与过渡，成本优势明显，对比HSPA网络，HSPA+在室内吞吐量约提高12.58% ，室外小区吞吐量约提高32.4%，是短期内4G标准的理想选择。目前中国联通已经着手相关规划，T-Mobile也开通了这个4G网络，但是由于4G标准并没有被ITU完全确定下来，所以动作并不大。HSPA+带宽5MHz；码片速率3.84 Mcps，工作频率1.8GHz，传输速率42Mbps（下行）和22Mbps（上行），2011年，诺基亚西门子通信集合8 条 HSPA 载波，实现了峰值速率336 Mbps 的HSPA+ 数据呼叫。4LTELTE（Long Term Evolution,长期演进）项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议，是近年来3GPP启动的最大的新技术研发项目。LTE项目改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为演进的唯一标准。该技术提出了GSM（9K）GPRS（42K）EDGE（172K）WCDMA（364k）HSDPA/HSUPA（14.4M）HSDPA+/HSUPA+（42M）LTE（300M）的演进策略。LTE协议2009年3月发布第一版，2010年3月发布第二版，已先后冻结。由于目前WCDMA网络及其升级版HSPA和HSPA+均能够演化到LTE，中国自主的TD-SCDMA网络也将绕过HSPA直接向LTE演进，所以这一4G标准获得了最大的支持，也将是未来4G标准的主流。TD-LTE是TDD版本的LTE技术，FDD-LTE是FDD版本的LTE技术，TDD和FDD的差别就是TD采用不对称频率并用时间进行双工，而FDD是采用一对频率来进行双工。TD-LTE的优势是：包含大量中国专利，由中国主导，同时得到了广泛国际支持并成为国际标准；速度快，是TD-SCDMA技术的几十倍，使无处不在的高速上网成为可能；产业发展速度快，与其他国际移动宽带技术基本实现了同步发展，代表着当今世界移动通信产业的最先进水平。TD-LTE灵活支持1.4、3、5、10、15、20MHz带宽，传输速率为100Mbps（下行）和50Mbps（上行），传输距离不详；工作频率2570MHz2620MHz（2011年，工信部批准用于中国移动研发试验，中国移动更希望采用2.3GHz）。目前，TD-LTE技术处于研究阶段，中国移动TD-LTE规模试验网部署项目采取“6+1”方案，投资15亿建网覆盖上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6个城市，每个城市将部署约200个基站，并在北京建TD-LTE演示网。5LTE-AdvancedLTE-Advanced正式名称为 Further Advancements for E-UTRA，它满足 ITU-R的IMT-Advanced技术征集的需求，是3GPP形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。LTE-Advanced是一个后向兼容的技术，完全兼容LTE，是LTE的演进。LTE-Advanced的带宽是100MHz，传输速率1Gbps（下行）和500Mbps（上行）。6WirelessMAN-AdvancedWirelessMAN-Advanced实际上是WiMax的升级版，即IEEE 802.16m标准（802.16系列标准在IEEE正式称为WirelessMAN）。802.16m最高可以提供1Gbps无线传输速率，还兼容4G无线网络。7Wi-FiWi-Fi是一个无线网络通信技术品牌，由Wi-Fi联盟持有，该联盟倡导IEEE 802.11技术标准，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。IEEE 802.11标准是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。IEEE 802.11第一个版本发表于1997年，至今，已经发布了IEEE 802.11an等多项标准，目前，机场等公共场所、家庭局域网、个人笔记本电脑等多采用IEEE 802.11g和IEEE 802.11n标准。IEEE 802.11g和IEEE 802.11n工作频率2.4GHz或5.8GHz，家用无线路由器覆盖范围100米左右，IEEE 802.11g传输速度54Mbps，IEEE 802.11n传输速率可达300600Mbps。8McWillMcWiLL（Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路）是北京信威通信自主研发的移动宽带无线接入（BWA）系统，是基于SCDMA衍生出的宽带无线技术，McWiLL与Wi-Fi和CDMA 1XDO的兼容效果都很好。McWiLL系统的优势有：提供宽窄带一体化的业务，McWiLL可以同时支持语音业务、数据业务、多媒体，是语音数据一体化的宽带无线接入系统；系统容量高，McWiLL单基站占用5 MHz带宽，最高吞吐量为15Mbps，终端最高吞吐量为3Mbps，最多支持并发300路语音；支持终端高速移动；终端形式丰富，McWiLL目前可商用的终端有桌面式CPE、PCMCIA卡、有/无线话机、PDA等类型，其终端具有系列化、便携式、傻瓜型、零安装、即插即用等特点。McWill带宽5MHz，工作频率1.8GHz，城市基站覆盖范围13公里（非视距），郊区35公里，农村420公里，终端传输速率2Mbps，支持终端移动速度不大于120公里/小时。9MobitixMobitex是一个无线网络结构，它指明支持分封交换式无线电通信系统中所有无线终端所必需的固定装置的框架。一个Mobitex网络的三个主要组成部分是无线电基站、MX开关和网络管理中心（NCC）。Mobitex是1984年由爱立信的Eritel分部为瑞典电讯管理局开发的。Mobitex带宽12.5kHz，工作频率80、400（欧洲）或900MHz（美国），中国使用频率230MHz，传输速率8kbps（上下行）。四、电力系统无线通信目前，电力系统专用无线通信包括微功率无线（WSN）通信和230MHz无线专网。1微功率无线（WSN）通信WSN（Wireless Sensor Network，无线传感器网络）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。目前电力系统使用WSN解决集中抄表问题，由于对通信距离、通信速度、功耗、网络容量等特殊的要求, 目前没有专门规范, 微功率无线通信的集中抄表方案按组网方案标准分为2 种，一是基于标准的Zigbee（IEEE 802.15.4）技术的方案，其优势是采用标准协议，方便不同厂家设备互联互通，但其工作频率为2.4GHz，信号传输距离短；二是基于方案提供商自定义的协议规范，由于标准不统一，不利于设备更替，工作频率一般选用433MHz和470MHz，其中470MHz是电力专用频率，433MHz是公用频率。2011年，中国向国际组织申请并获批了物联网标准，是基于Zigbee（IEEE 802.15.4）的IE