ch5-宽带无线接入网--2016

计算机及无线通信(研究生用),马彬(博士/副教授)/谢显中(博士/教授)重庆邮电大学(个人通信研究所)E-mail:mabin,第五章宽带无线接入网,概述WPANWLANWMANWWAN/MobileCommNetworks,5.1概述,从全球范围来看，无线通信用户持续高速增长，新业务发展速度加快，无线通信已成为信息产业中最为耀眼的“亮点”，并成为推动社会经济发展的强劲动力。比如：在2008年，移动电话用户数达到7.1亿（含小灵通用户7千万），且每月以超过7百万的速度递增；固定电话用户数为2.3亿（不含小灵通用户7千万），且全年减少6百万用户；移动数据业务用户数约2.5亿，且全年增长1亿用户；上海、北京、广州、成都等正在实施建设无线城市计划。不仅中国是这样，其他国家大体上也有同样的升降趋势，且已经持续多年。这些信息说明，无线通信用户正在快速增长，无线通信业务需求正在高速发展，无线通信逐渐成为人们首选的通信手段和通信方式。,无线网络走势全球化无线业务走势数据化无线技术走势宽带化多种系统共存和融合是大势所趋,802.20,宽带无线接入与宽带有线接入的差别多径传播；用户随机移动；用户量大；频谱有限。,5.2WPAN,WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)WPAN是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。在网络构成上，WPAN位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接，如连接手机和蓝牙耳机等。WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。,蓝牙(Bluetooth)，802.15.1UWB(超宽带)，802.15.3，802.15.3a(高速)Zigbee，802.15.4RFID(电子标签)，802.15.4b,5.3WLAN,WLAN(WirelessLocalAreaNetwork),WiFi有线网络在某些场合要受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点联接起来时，敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长,对正在迅速扩大的连网需求形成了严重的瓶颈。另外，人们对移动通信有比较迫切的需求，需要有一种支持移动接入的计算机网络。无线局域网就是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能。WLAN可以覆盖几十至几百米，为有线局域网的有效延伸。,与有线局域网相比，WLAN具有以下优点：(1)安装便捷：免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。(2)使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受受布线接点位置的限制。而一旦WLAN建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。(3)经济节约：由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造。而WLAN可以避免或减少以上情况的发生。(4)易于扩展：WLAN有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，WLAN就能胜任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够提供像“漫游(Roaming)”等有线网络无法提供的特性。,目前，无线局域网包括美国的802.11系列协议和欧洲的HiperLAN系列等，但802.11系列几乎占统治地位，我们主要讨论这种无线局域网。802.11无线局域网可再细分为不同的类型。最早的802.11(2Mbps,2.4GHz)于1997年发布，现在最流行的无线局域网是802.11b(11Mbps,2.4GHz)和802.11g(54Mbps,2.4GHz)，另外802.11a(54Mbps,5GHz)的产品也广泛存在，最新的为802.11n(300-600Mbps,2.4GHz/5GHz)。,无线局域网由无线网卡、无线接入点(AP)和分配系统(DS)/Portal(门户)组成。分配系统本质上是网桥。采用单元结构，每个单元称为一个基本服务组(BSS)，BSS的组成有两种方式：集中控制/有固定基础设施(有AP)方式：每个单元由一个中心站控制，终端在该中心站的控制下相互通信。这种方式中BSS区域较大，中心站建设费用较昂贵。分布对等/无固定基础设施(没有AP)方式：BSS中任意两个终端可直接通信，无需中心站转接。这种方式中BSS区域较小，结构简单，使用方便。,MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。由于无线局域网有两种组成方式，802.11工作组考虑了两种MAC算法：一种是分布式的访问控制(DCF)，另一种是集中式访问控制(PCF)。,DCF（Distributedcoordinatedfunction）分布协调方式，D为分布式的意思，依托分布式协调方式各个工作站公平地竞争资源。也就是采用的CSMA/CA方式。PCF（PointCoordinationFunction）点协调方式。PCF为依托中心协调无线资源分配的一种方式，必须要有一个节点担任P的角色，也就是中心接入点，即基站AP。,约定一些发送规则（直接发还是通过AP转发）；标识数据帧，管理帧，控制帧等等,源站要发送的控制帧和数据帧要占的信道时间,确定源地址，目的地址，转发AP地址,封装IP层的数据报,差错控制,5.4WMAN,WMAN(WirelessMetropolitanAreaNetwork),WiMAX一方面，传统宽带固定接人用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务，希望使用宽带接人移动服务；另一方面，传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的趋势，并互为补充，互相促进。WiMAX是基于这种需求发展起来的。,目前，无线城域网包括美国的802.16系列协议、欧洲的HiperAcces系列和韩国的WiBro等，但802.16系列受到更多支持，我们主要讨论这种无线城域网。802.16无城局域网包括：IEEE802.16(固定无线接入，1066GHz，70Mbps)，802.16a(固定无线接入，211GHz，70Mbps)，802.16d(固定无线接入，2-66GHz，70Mbps)，802.16e(移动无线接入，2-10GHz，30Mbps)。我国有McWiLL宽带无线接入系统。,上连干线固定接入游牧移动,无线城市计划：宽带无线接入/WiFi+WiMAX,按照IEEE802.16e设定的目标，该系统具有以下基本特征：(1)高速移动：802.16e可以同时支持固定和移动无线接入，其移动速率目标为车速移动(通常认为可以达到120km/h)。为了支持移动性，802.16e在MAC层引入了很多新的特性。(2)在不同的载波带宽和调制方式下可以获得不同的接入速率，标准并未规定载波带宽，适用的载波带宽范围从1.75MHz到20MHz，以10MHz载波带宽为例，若采用OFDM-64QAM调制方式，除去开销，则单载波带宽可以提供约30Mbit/s的有效接入速率，由蜂窝或扇区内的所有用户共享。(3)城域覆盖范围：802.16e的单基站覆盖范围在几km量级，应用于城域范围。(4)主要提供数据业务：802.16e系统将接入基于IP协议的核心网，主要面向个人用户提供数据接入业务，也可以提供话音业务。(5)有效的QoS控制。,物理层主要对高层来的信息进行必要处理，并提供一个可靠的传输通道。高层来的信息在物理层信道上传输前需要进行适当的编码交织、调制，并加上必要的控制信息。,MAC层包括：服务汇聚子层(CS)：将所有从汇聚层服务接入点(CSSAP)接收到的外部网络数据的转化/映射成MACSDU，然后分类外部网络服务数据（SDU），将这些数据关联到正确的MAC服务流（SFID）及连接（CID）最后通过MACSAP发送给MACCPS。还可能包含负荷头压缩功能（PHS）。MAC公共子层(CPS)：主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MACSAP接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接，同时对在物理层上传输和调度的数据实施QoS控制。通常说的MAC层就是主要指MAC公共子层。加密子层：是可选部分主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。,包括两种MACPDU头格式：通用MAC头格式；带宽请求头格式。,通用MAC头格式,带宽请求头格式,McWiLL宽带无线接入系统是在无线本地环路系统SCDMA平台上开发的一种支持移动语音和宽带数据业务的综合宽带数据系统。McWiLL系统设计采用了全IP的构架，能够直接接入运营商的IP业务网络，大幅度提高了运营商为客户提供语音和宽带数据业务的能力。,系统特点：支持非视距传输；覆盖距离广，在典型城区环境覆盖范围为1-3公里，开阔地可达19公里；高吞吐量，单基站（5M带宽）单扇区吞吐量为15Mbps，三扇区联合可达45Mbps；高速无线接入（CPE最大传输速率为2Mbps），动态分配带宽，可自适应上下行不对称传输要求；支持同频组网；支持终端的移动，终端最大移动速度可达120km/h；终端真正实现“零安装”，“即插即用”；EMS最大可以管理1000个基站，具有全网元管理和计费功能，可实现系统空中加载软件升级；系统具备大区域组网能力，能够实现跨区域漫游（按需指定）、移动IP功能；系统具备VLAN/VPN等功能，以及可靠的网络安全保证，可以同时开展视频会议/VOIP/Intranet专网接入/流媒体等业务；系统可靠、稳定，具备广泛的Qos/GoS保证，非常适合电信级运营；系统工作于国家批准的专用频段（400MHz/1800MHz），避免了干扰及投资风险问题。,5.5WWAN,WWAN(WirelessWideNetwork)，MobileCommNetworks固定电话让相隔千山万水的人能够自由地交谈，但是人们还希望随时随地更加方便地交流，甚至在移动中也可以交流，这需要身边有可供使用地电话机才行。由于固定电话需要架设有线线路安装，这样不可能做到随时随地和移动中通信，能够满足这个要求的电话就是移动电话，相应的通信技术就是移动通信。,现代移动通信起源于19世纪Hertz的电磁波辐射试验，使人们认识到电磁波和电磁能量是可以控制发射的，其后Marconi的跨大西洋无线电通信证实了电波携带信息的能力，而理论基础由Maxwell的电磁波方程组奠定。但是真正的移动通信技术的发展应从20世纪20年代开始，其代表是工作于2MHz的美国底特律警察局使用的专用移动通信（车载）系统。20世纪30年代初，移动发射机出现，第二次世界大战各国武装部队采用了大量的无线电通信系统，极大地促进了移动通信的发展。第二次世界大战结束后开始了建立公众移动通信系统阶段，到目前为止移动通信经历了三代，从第一代模拟移动通信系统（1G），到第二代数字移动通信系统(2G)，再到第三代多媒体移动通信系统（3G），正在向三代后或第四代宽带移动通信系统（B3G/4G）发展。,第一代移动通信系统是模拟系统，它的发展大致分为两个阶段。第一阶段是从40年代中期到70年代中期，开始主要提供公用汽车电话业务，采用大区制，可以实现人工交换与公众电话网的接续。60年代中期进行自动交换与公众电话网的接续，并且由于频率合成器的出现，信道间隔缩小，信道数目增加。第二阶段是从70年代中期到90年代初期，主要是解决用户增加而频道有限的情况下，如何提高频谱利用率的问题，Bell实验室提出了蜂窝系统概念，进而发展了小区制大容量系统，典型代表有：美国的AMPS、英国的TACS、北欧的NMT-450/900、德国的C-450/900、日本的NAMTS等。第一代移动通信系统的主要问题是：各系统间没有公共接口；频谱利用率太低；无法与固定网向数字化推进相适应；不能漫游。,80年代初期，欧洲电信管理部门成立了一个被称为GSM（移动特别小组）的专题小组研究和发展泛欧各国统一的数字移动通信系统技术规范，1988年确定了采用以TDMA为多址技术的主要建议与实施计划，1990年开始试运行，然后进行商用，到1993年中期已经取得相当成功，吸引了全世界的注意，现已成为世界上最大的移动通信网。美国于1990年确定了采用以TDMA为多址技术的数模兼容的数字移动通信系统D-AMPS(IS-54/136)。1992年美国Qualcomm公司发展了基于CDMA为多址技术的IS-95数字移动通信系统，该系统不仅数摸兼容，而且系统容量是模拟系统的20倍，数字TDMA系统的4倍。日本于1993年发展了自成一体的采用TDMA为多址技术的数字移动通信系统JDC。虽然第二代数字移动通信系统较第一代模拟移动通信系统有很大的改进，但是也存在许多问题：没有统一的国际标准；频谱利用率较低；不能满足移动通信容量的巨大要求；不能经济地提供高速数据和多媒体业务；不能有效地支持Internet业务。,第一代移动通信系统的作用在于给人们开辟了移动通信的崭新天地。第二代移动通信系统的贡献在于让普通人享受到移动通信的方便和益处。但是，随着人们的物质和文化生活水平的进一步提高，对移动通信业务的需求还越来越大，目前的第二代移动通信系统在容量和业务能力方面均不能满足社会的巨大需求。因此，正在推广商用第三代移动通信系统（3G），研究发展第四代移动通信系统（4G）。,第三代系统有下面特点：系统的国际性，提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一致性；业务的多样性，提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率为144kbps，步行通信速率为384kbps，室内通信速率为2Mbps；高质量的业务，满足通信质量能达到与固定网相比拟的高质量业务要求；高度的灵活性，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送；频谱利用率高、通信容量大；袖珍、多频、多模、通用移动终端；满足通信个人化的要求；系统初始配置能充分利用第二代系统设备和设施，随后实现平滑升级；低的费用，包括设备和服务两方面。,5个正式的3G无线接口标准：IMT-DS(即WCDMA)、IMT-MC(即CDMA2000)和IMT-TD（包括UTRA-TDD作为高码片速率选项和TD-SCDMA作为低码片速率选项）、IMT-SC（即UWC-136）、IMT-FT（即E-EDCT）。,被公认为世界各国会在商用中采用的主流标准为：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等三种，三种主流标准都采用了CDMA技术，但WCDMA和CDMA2000并没有本质上的差别，基本上是IS-95技术的改进，而TD-SC