第5讲移动无线网络技术专题

第五章移动无线网络技术专题

本章概述移动无线网络的发展历程、基本概念和相关技术，从网络覆盖范围的角度将移动无线网络技术分成无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网，并分别对它们进行阐述和分析。本章内容组织如下：

5.1节概述移动无线网络的发展历程和技术特点；

5.2节介绍无线个域网技术；

5.3节讲解无线局域网技术；

5.4节阐述无线城域网技术；

5.5节说明无线广域网相关技术。

近20年来，移动无线通信网络得到了飞速发展，基于移动无线通信网络的各种应用和服务层出不穷，显示出巨大的活力。进入21世纪以来，信息技术领域出现了两个重大事件：一是全球移动通信用户数超过了固定通信用户数；二是数据业务量超过了话音业务量。这两个“超过”反映出随时时代与技术的进步，人们越来越依赖移动无线网络技术。

5.1节概述移动无线网络的发展历程和技术特点

中国工业和信息化部24日发布了最新的中国移动电话网络用户数据，截至到2012年11月底，中国移动电话用户数达到11.04亿，其中3G用户2.2亿。数据显示中国电话用户净增783.3万，总数达13.8亿——其中，固话用户2.79亿，移动电话用户达到11.04亿。3G用户在移动用户中的渗透率由去年末的13%提高到今年11月末的20%。移动互联网用户净增1.11亿，达到7.5亿。（财经专线消息）5.1.1发展历程移动无线网络技术的发展主要经过了以下几个阶段：

（1）20世纪40年代以前——早期发展阶段。

标志性事件：1897年，马可尼，第一次无线电传输。

1915年，纽约与旧金山无线音频传输采用AM（AmplitudeModulation

）或FM（FrequencyModulation

）调制方式

（2）20世纪40年代到60年代——公用移动通信网问世。人工接续的公用移动通信网

（3）20世纪60年代到70年代初期——移动通信系统的改进与完善。

自动接续到公用电话网的移动通信网，系统容量改善，典型代表美国的改进移动电话业务IMTS(ImprovedMobileTelephoneService).

（4）20世纪70年代中期到80年代中期——移动通信蓬勃发展阶段（模拟蜂窝系统，1G）传输模拟语音信号，采用频分多址方式(FDMA)，典型代表：美国AMPS，英国TACS,北欧NMT

(5）20世纪80年代中期到90年代中期——移动通信的成熟阶段（数字蜂窝系统，2G）。采用数字调制、编码、时分多址TDMA或码分多址CDMA技术。（6）21世纪初至今——移动通信飞速发展阶段（3G、B3G/4G）。

三大公认的技术标准：CDMA2000，WCDMA，和TD-SCDMA;3G的特点：移动无线通信技术的发展有两条主线：第一条主线是蜂窝通信技术从1G—4G

第二条主线涵盖了WLAN，WPAN，Bluetooth，WiMAX,RFID等技术发展。5.1.2技术特点

与固定有线网络相比，移动无线网络主要具有如下技术特点：（1）电波传播环境复杂、误码率高，通信易受干扰，存在衰落、遮蔽和多径传输效应；（2）节点的移动和不稳定的链路都会造成网络拓扑的动态变化，网络的路由和移动管理变得较为复杂；（3）无线网络中的广播是多跳广播，存在隐终端和暴露终端问题，增加了信道接入控制的复杂性；（4）无线频谱资源受管制，资源稀缺且价格昂贵，欧洲3G运营频段曾拍出过3000亿欧元的天价；（5）对移动设备的要求高，如低功耗、便携灵活、低成本（复杂度）、低辐射和高性能；（6）系统构建复杂，涉及移动设备、无线接入网、无线核心网和服务提供商网络。一般将无线网络的协议分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。无线网络与移动网络的含义并不完全相同。无线网络未必需要移动性支持，同时移动网络用户也可以使用有线手段接入网络。无线网络侧重于通过无线接口和无线传输技术向用户提供网络服务；而移动网络则强调向移动用户提供网络服务，需要解决移动中的路由和位置管理等问题。移动网络通常采用无线通信技术，因此这里不严格区分移动网络和无线网络技术，统称为移动无线网络技术。当今时代，手机、PC、汽车、电视、电冰箱等设备逐渐成为人们工作和日常学习中不可缺少的消费产品。人们在享受这些产品带来的方便的过程中，也逐渐感觉单一产品的功能局限性，希望可以有一种短距离、成本低、小功耗的无线通信方式，实现不通设备的互联，提供小范围内的设备的自组网机制，并且通过一定的安全接口完成自组小网与广域大网的互联。无线个域网（WPAN:WirelessPersonalAreaNetwork）诞生。

5.2无线个域网

无线个域网（WPAN）是为了支持活动半径小、业务类型多样、无线无缝的连接而提出的面向特定用户群体的新兴无线通信网络技术，它能够将个人携带的各种电子信息设备以及周边相关通信设备进行短距离自组织互连而组成的小范围无线网络，对于人们的工作、学习、生活和娱乐都大有裨益。与无线局域网相比，无线个域网不需要使用接入点（AP），覆盖范围一般在10m以内。无线个域网的标准化工作由IEEE802.15工作组负责制定，下辖7个任务组（TG），负责不同应用领域的具体技术标准的制定，如蓝牙的技术标准802.15.1、ZigBee的技术标准802.15.4和超宽带UWB的技术标准802.15.3。5.2.1红外技术（IrDA）

红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现的无线个人局域网技术。红外线数据标准协会IrDA由HP、Compaq、Intel等20多家公司组成，成立于1993年，致力于建立无线传播连接的世界标准。

1994年第一个红外数据通信标准IrDA1.0发布，简称SIR（SerialInfraRed）。它是一种异步的、半双工的红外通信方式，在lm范围内最高数据速率只有115.2kbps。1996年，发布了IrDA1.1标准，即FIR（FastInfraRed），最高数据传输速率可达到4Mbps。继FIR之后，IrDA又发布了速率高达16Mbps的VFIR（VeryFastInfraRed），接收角度也由传统的30度扩展到120度，并将其补充纳入到IrDA1.1标准中。当前，IrDA技术的软件和硬件技术都已经比较成熟，现行的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。IrDA的不足通信距离短（2~3m）并且是一种视距传输技术功能单一，可扩展性差。没有提供很好的安全措施，红外线LED不是十分耐用研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。5.2.2蓝牙技术（Bluetooth）1994年Ericsson发起multi-communicatorlink的研究1998成立了特别兴趣小组（SIG）并更名bluetooth；创始成员：Ericsson、IBM(Lenovo)、Intel、Nokia、Toshiba；目标：将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗、低成本的无线电波连接起来发展：Lucent、3Com、Microsoft和Motorola加入SIG；现SIG成员超过14000个，大多来自计算机、通信、网络和电子消费领域；1999Bluetooth1.0发布，最高传输速为721kbps，实际测试约为24KB/S(192Kbps)左右；蓝牙WPAN工作组蓝牙是无线个人局域网的先驱。在初始阶段，IEEE并没有制定蓝牙相关的标准，经过一段快速发展时期后，蓝牙很快就有了产品兼容性的问题。2001年，IEEE决定制定行业标准来开发能够相互兼容的蓝牙芯片、网络和产品；2001年推出bluetooth1.1版本，修正了1.0版本的BUG，以及非加密高速信道的支持，市场巨大成功；2003年，bluetooth1.2列入IEEE802.15.1a，改进了加密性能和底层跳频技术，抗干扰性和传输稳定性能进一步增强；市场情况不太理想受WiFi（802.11b）的冲击，WiFi产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。为了覆盖更多的应用和提供QoS，使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合要求低功率、低成本的简单应用。2004年推出bluetooth2.0+EDR版本，发布了简化确认应答的机制的非跳跃窄频通道EDR传输率提升至2-3Mbps，(实际测试速度为72KB/s=576Kbps);2007年推出bluetooth2.1+EDR版本，简易安全配对、暂停与继续加密、Sniff省电;2009年推出bluetooth3.0+HS版本，集成802.11PAL最高速度可达24Mbps。是2.0速度的8倍。引入了增强电源控制，实际空闲功耗明显降低;2010年7月推出bluetooth4.0（智能蓝牙）实现了传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术的融合，传输范围可达100米，最短延迟(3毫秒启动)。低能耗标准无线通信使蓝牙设备的潜在使用空间大大的增加。可在心率监视器，血糖仪，智能手表，窗和防盗门传感器，汽车钥匙链和血压测量手环等设备上使用。2011年12月世界上第一款支持蓝牙4.0的手机IPhone4s发布。目前，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。2000年5月发布了蓝牙应用新图标：它取自HaraldBluetooth名字中的[H]和[B]两个蓝牙标志的来历字母，用古北欧字母来表示，将这两者结合起来，就成为了蓝牙的logo。Ericsson借用了统一了丹麦（958）和挪威（970）的丹麦的国王（A.D.940~986）HaraldGormsen的昵称blatand→“Bluetooth”具有如下的技术特点：全球范围适用支持语音和数据的多业务传输支持点到点和点到多点的连接，可以建立临时性的对等连接PicoNet

ScatterNet抗干扰能力强低功耗、低辐射、低成本和小体积。支持10m～100m的无线覆盖范围：开放的接口标准：安全性：采用鉴权和加密等措施保证设备识别码在全球的唯一性以及通信过程中设备蓝牙的协议栈图5.1bluetooth的应用可替代所有需要传输数据的家电的有线连接：使一组个人设备协同工作；充当进入Internet的桥梁构建居家网络运动中组网5.2.3

家庭射频技术（HomeRF）

HomeRF（家庭射频）规范是由产业标准团体HomeRF工作组（HRFWG）提出的，它使用SWAP（SharedWireless

AccessProtocol）协议，使数据和语音在2.4GHz频带上传输，传输半径为50m左右。

HomeRF的主要目标是支持家庭网络环境的应用，采用的技术是将IEEE802.11中的FHSS（Frequency-HoppingSpreadSpectrum）WLAN与DECT（DigitalEnhancedCordlessTelecommunications数字增强无绳通信）结合，目前在产品应用上主要采用跳频扩频技术。HomeRF与Bluetooth的区别HomeRF工作组的主要目标是希望制定一个能够同时提供数据与语音传输，使家庭网络能够与各项多媒体设备相结合的规范。最早的HomeRF1.0标准的传输速度为2Mbps，而2001年2月新发布的HomeRF2.0的传输速率达到10Mbps，工作频段为2.4GHz，此外还可以支持漫游。HomeRF是面向打印机、膝上电脑及一些消费用电子设备的联网标准。Bluetooth技术标准与HomeRF均采用了２.4GHZ的无线调频扩频技术，且传输速率目前均为１～２Ｍｂｉｔ／ｓ两者的主要区别：5.2.4

ZigBee技术ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低复杂度、低成本、大容量的无线通信技术，是当前面向无线传感器网络的技术标准。

ZigBee一词源于蜂群使用的赖以生存的通信方式——蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知新发现的食物源的位置信息。ZigBee技术的主要技术特点：低速率低功耗低成本低时延网络容量高数据传输可靠高安全性近距离工作频段灵活ZigBee的应用范围很广，包括建筑自动化（如安全、HVAC、照明控制、门禁控制）、消费电子产品（如遥控器）、计算机和外设（如鼠标、键盘等）、工业控制（如资产管理、过程控制、能量管理）、医疗（如患者监护）。5.2.5超宽带技术（UWB）

超宽带技术起源于20世纪50年代末。主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出。

2002年，美国联邦通信委员会（FFC）批准UWB在3.1～10.6GHz的频率范围、以受限的发射功率进行商业应用。超宽带技术是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于0.2的无线通信方式。在10m的范围内，脉冲所占用的带宽高达几GHz，数据传输速率可以达到1Gbit/s，设备发射功率却很小。超宽带无线通信技术以其传输速率高、抗干扰性能强、低功耗、隐蔽性好、定位精度高等突出优点，在无线通信领域得到广泛的应用。它存在的主要问题是由于系统占用的带宽很高，可能会干扰现有其他无线通信系统。5.2.6射频识别技术（RFID）

RFID技术是从20世纪80年代走向成熟的一项自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递，并通过传递的信息达到识别目的的技术。RFID由标签、阅读器和天线三个基本要素组成。电子标签与阅读器配合完成对被识别对象的信息采集功能，信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。与传统的识别方式相比，RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，并且操作快捷方便，具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、标签上数据存储量大、可以加密和更改等优点，可广泛应用于物流业、交通运输、医药、食品等多个领域，是物联网的关键技术手段之一。5.3无线局域网

20世纪90年代以来，随着个人数据通信的发展以及功能强大的便携式移动终端的广泛应用，为了满足随时随地进行通信的需求，无线局域网（WirelessLAN）技术被提出并得到了迅猛发展。无线局域网起源于二战期间美国陆军开发的无线电传输技术，后来将其应用于校园网，最早的无线局域网是1971年由夏威夷大学利用分组无线网技术搭建的ALOHA网络。目前，无线局域网的技术标准主要有IEEE802.11系列、HiPERLAN和WATM，其中最流行的是IEEE802.11系列标准。5.3.1IEEE802.11系列

5.3.1.1概述

IEEE802标准化委员会于1990年成立了802.11

WLAN标准工作组，目标是创建WLAN标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取。IEEE802.11,IEEEE802.11b,IEEE802.11a和IEEE802.11g表5-1给出了IEEE802.11各种标准的分布和进展情况IEEE802.11标准的协议定义包括了介质控制访问层（MAC）和物理层（PHY）。MAC层分为MAC子层和管理层。MAC子层主要负责访问机制的实现和分组的拆分与重组。MAC管理层主要负责ESS漫游管理、电源管理，还有登记过程中的关联、消去关联以及要求重新关联等过程的管理。物理层分为三个子层即PLCP（物理层会聚协议）：主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组；PMD协议（物理介质相关协议）：用于识别相关介质传输信号所使用的调制和编码技术；管理子层：为不同的物理层进行信道选择和调谐。一个完整的IEEE802.11标准协议还定义了站管理层。任务是协调物理层和ＭＡＣ层之间的交互作用。IEEE802.11标准协议栈结构LLCMACPLCPPWDMAC管理器PHY管理器站管理层5.3.1.2物理层规范

物理层定义了数据传输的信号特征和传输方式。传输方式涉及无线局域网采用的传输媒体、选择的频段及使用的调制方式。IEEE802.11的WLAN的物理层分为两类：一类是IEEE802.11的基本型WLAN物理层协议；另一类是高速扩展型协议，目前主要有802.11a/b/g。

1.基本型的IEEE802.11协议对于基本型的IEEE802.11WLAN的物理层协议，依据调制方式不同，可分为扩展频谱方式与窄带调制方式，即跳频扩展频谱（FHSS）方式、直接序列扩展频谱（DSSS）方式和红外（Infrared）方式。

a.2.4GHz跳频扩频FHSS。速率1Mbps时用2电平GFSK调制，速率2Mps时用4电平GFSK调制，频道间隔1MHz，共79个信道。

b.2.4GHz直接序列扩频DSSS。速率1Mbps时用DBPSK调制，2Mbps时用DQPSK调制并用11位的巴克码作PN序列。

2.高速扩展型的IEEE802.11b协议对于IEEE802.11b而言，除了在IEEE802.11中规定的1Mbps和2Mbps速率之外，还提供5.5Mbps和11Mbps的数据速率。为了提供高的数据速率，调制方式采用CCK或PBCC方式。在CCK方式下，码片速率为11Mc/s，这与在802.11协议中规定的DSSS系统相同，因此占用相同的信道带宽。3.5GHz频段高速物理层扩展的IEEE802.11a协议

5GHz频段WLAN系统主要是使用5.15~5.25、5.25~5.35、5.725~5.825GHz（U-NII）频段的正交复用（OFDM）系统，它可以提供速率为6、9、12、18、24、36、48和54Mbps的数据通信能力。其中，必须支持6、12、24Mbps的数据速率。系统采用经BPSK和QPSK、16-QAM和64-QAM调制后的52个子载波。系统还采用了编码速率为1/2、2/3、3/4的卷积编码来实现来实现前向纠错。5.3.1.3MAC协议

IEEE802.11和802.3的MAC协议非常相似，都是在一个共享媒体上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先检测网络的可用性。同时，802.11MAC还提供了一些比有线局域网更有意义的局域网服务。

在MAC层，802.11、802.11b、802.11g和802.11a这四种标准均采用载波侦听多址接入/碰撞回避（CSMA/CA）策略。

802.11MAC子层的主要有两大功能：为MAC子层用户提供可靠的数据传输；对共享媒介接入的公平控制。该功能主要通过两种接入机制来实现：

基本接入机制，即分布式协调功能（DCF）；

集中控制接入机制，即集中协调功能（PCF），如图5.3所示。图5.3802.11的MAC子层基本结构ＤＣＦ是ieee802.11最基本的媒体访问方法，作用于基本服务群和基本网络结构中，可在所有站实现。ＤＣＦ向上提供信道争用服务。有两种工作方式：基本ＣＳＭＡ／ＣＡＲＴＳ／ＣＴＳ握手机制ＣＳＭＡ／ＣＡ与ＣＳＭＡ／ＣＤ的区别。

IEEE802.11采用RTS/CTS握手机制，同时引入ACK确认机制来确保传输的正确性，以解决“隐藏终端”问题。隐藏终端是指位于站A和站A传输范围之外的站C同时将信号发送至站B而引起信号的碰撞，也就是说站A和站C互为对方的隐藏终端，如图5.4所示。图5.4

隐藏终端问题RTS/CTS握手机制解决了“隐藏终端”问题，但却无法解决“暴露终端”问题。

暴露终端是指站B向站A发送数据的同时，位于站B传输范围之内的站C无法向站D发送数据，如图5.5所示。图中，当站B向站A传输数据时，如果同时站C收到来自站D的RTS，根据RTS/CTS协议，C侦听到B正在发送数据，它不能发回CTS。实际上，建立D到C的通信并不会影响B到A的通信。图5.5暴露终端问题在单信道条件下使用控制分组的方法只能解决隐发送终端，无法解决隐藏接收终端和暴露终端问题。为此，必须采用双信道的方法。即利用数据信道收发数据，利用控制信道收发控制信号。5.3.1.4高速无线局域网技术

为了满足人们对传输速率日益增长的要求，在相继推出了802.11b、802.11a以及802.11g标准以后，2003年IEEE提出了下一代高速无线局域网标准——802.11n。此后，很多厂家参与到标准的制定中，并逐渐形成了全球频谱效率联盟（WWiSE）和TGnSync两大阵营。事实上，两者的标准提案差别不大，均采用了天线阵列、OFDM-MIMO和简化的MAC协议。2005年10月两大阵营基于共同的利益达成和解，在Intel发起下组建了增强无线联盟（EWC）。

在EWC提出的物理（PHY）层和媒体访问控制（MAC）层的草案中，802.11n的技术优势已初见端倪：采用混合工作模式，可以与采用802.11a/b/g标准的网络协同工作，在保持与现有设备通信的同时提供增强的性能；高达600Mbps的物理层传输速率，支持需要高数据传输速率的应用，并且通过将发送和接收数据流的时间最小化来减少电池的消耗；利用帧集合结构增强MAC的效率，使实际的吞吐量更接近最初的物理层传输速率，为终端用户提供最低100Mb/s的应用级带宽；

使用2.4GHz和/或5GHz无需许可的频段，与目前的802.11设备的频率规划相匹配；

使用1-4个天线同时传输的多工模式，增强无线连接的鲁棒性以支持高数据速率；

通过多天线和先进的编码来增加覆盖范围，在更广阔的区域中提供统一的传输速度。5.3.2HiperLAN

为了满足未来的Internet访问和宽带多媒体数据业务的需求，一些标准化组织开发了新一代WLAN技术标准。除了上述的IEEE802.11n外，欧洲ETSI提出的HiperLAN不失为一种可行的技术。HiperLAN工作在5GHz的频段上，而传统的无线局域网技术大多使用2.4GHz频段。早期的HiperLAN（即HiperLAN1）采用GMSK调制，最高可以提供20Mb/s的传输速率。但是，由于当时802.11b在技术上相当成熟，HiperLAN1与之相比优势并不突出，直到HiperLAN2的出现。它采用OFDM作为物理层，因而可以有效对抗多径干扰，提高数据速率。另外由于采用和802.11a相同的物理层，因此它们可以共享一些相同的组件，从而降低系统成本。5.3.3无线ATM（WATM）

无线ATM是ATM与无线通信技术的融合，无线ATM不仅可以有效地支持宽带多媒体业务，而且还能与有线ATM实现无缝连接。与标准ATM协议分层结构不同的是．无线ATM增加了无线接入层（WAL），以便在无线网络中实现ATM技术，支持对各种业务的QoS控制。无线ATM终端和交换机所采用的信令和协议均在标推ATM的基础上增加了支持移动性的功能，其中无线ATM终端通过具有天线寻址功能的WAL接入网络，无线ATM交换机支持移动控制和管理功能，并能完成与固定ATM交换机的互通。5.4无线城域网

无线城域网正是一种介于无线局域网和无线广域网的宽带无线接入技术，它的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入（BWA）的市场需求。虽然多年来802.11x技术一直与其他许多专有技术一起被用于BWA、并获得很大成功，但是WLAN的的技术特点并不能很好适用于室外的BWA应用，当其用于室外时，在带宽和用户数方面将受到限制，同时还存在通信距离等其他一些问题。基于上述情况，IEEE决定制定一种新的技术标准以满足BWA和最后一英里接入市场的需求。本节将主要介绍IEEE制定的两种无线城域网（WMAN）标准：802.16/WiMAX和802.20/MBWA。5.4.1IEEE802.16/WiMAX

5.4.1.1概述

20世纪90年代宽带无线接入技术发展迅速，以本地多点分配系统（LMDS）和多信道多点分配为代表的无线技术的市场定位为小型办公室（SOHO）、中/小企业、城市商业中心等用户。但是这一产业并没有像人们预期的那样进一步繁荣壮大，一个重要原因就是没有统一的全球性宽带无线接入标准。5.4.1.2WiMAX技术特点

当前的WiMAX标准可以分为两大部分：物理层和媒体访问控制（MAC）层。IEEE802.16在许可频带中支持如下4种物理层规范：

WirelessMAN-SC（单载波，10-66GHz）

WirelessMAN-SCa（单载波，11GHz以下）

Wireless-OFDM（正交频分多路复用，11GHz以下）

Wireless-OFDMA（正交频分多址接入，11GHz以下）5.4.1.3WiMAX技术应用场景

WiMAX论坛给出了WiMAX技术的5种应用场景定义，即固定、游牧、便携、简单移动和全移动。（1）固定应用场景：固定接入业务是802.16运营网络中最基本的业务模型，包括用户因特网接入、传输承载业务以及Wi-Fi热点回程等。（2）游牧应用场景：游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中；在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入；在两次不同网络的接入中，传输的数据将不被保留。在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游，并应具备终端电源管理功能。（3）便携应用场景：在这一场景下，用户可以在较低移动速度下连接到网络，除了进行小区切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上作了改进，终端可以在不同的基站之间进行切换。当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。

（4）简单移动应用场景：在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够步行，驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到60-120KM/H时，数据传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程中，数据包的丢失将控制在一定范围内，最差的情况下，TCP/IP会话不中断，但应用层业务可能有一定的中断。切换完成后，QoS将重建到初始级别。简单移动和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。移动数据业务是移动场景（包括简单移动和全移动）的主要应用，包括目前被业界广泛看好的移动电子邮件、流煤体、可视电话、移动游戏、移动VOIP（MVOIP）等业务，同时它们也是占用无线资源较多的业务。（5）全移动应用场景：在这一场景下，用户可以在移动速度为120KM/H甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。5.4.2lEEE802.20/MBWA

5.4.2.1提出背景

提出移动宽带无线接入（MBWA）的目的是提供与移动电话系统一样的覆盖率和灵活性并具有与WiFi可比拟的数据传输速率。IEEE802.20协议是MBWA工作组于2002年12月开始着手制定的，其任务是制定高效的、基于分组的空中接口规范，并对基于IP的业务传输进行优化。MBWA的目标是使易于部署的、普遍范围的、具有互操作性的移动宽带无线接入网成为可能，从而为移动和固定用户提供持续服务，在保证WLAN级别连接速度的同时获得与移动电话相似的覆盖范围。5.4.2.2技术特点

MBWA具有如下技术特点：透明地支持实时和非实时应用，并一直保持与网络连接：支持小区间和扇区间的无缝、快速切换；支持不同技术之间的漫游和切换（如WLAN和MBWA之间的切换）；支持频率复用，能够为上下行链路快速分配资源；支持基于策略的QoS，且同时支持IPv4和IPv6；可以根据无线网络环境对用户数据速率进行自动化管理；空中接口提供信令消息，以支持用户与网络双方的认证；允许与现有的蜂窝网络协同部署，降低网络部署成本；5.4.2.3安全机制

IEEE802.20采用分布式安全模型进行网络的安全管理。IEEE802.20的分布式安全解决方案包括公钥建立机制、密钥传输机制和数据传输机制，完成密钥产生、传输与管理的整个过程。分市式安全模型适合无线网络环境，各设备只需把自己当作安全管理器，不依赖某个中心管理设备来实现安全功能，设备状态的改变也不会影响其他设备间的密钥关系。5.5无线广域网

无线广域网（WWAN）是采用无线通信技术手段将距离上分布较远的（无线）局域网连接起来构成的无线网络，其显著特点是网络覆盖范围很大，可达一个省乃至一个国家。5.5.1GSM

全球移动通讯系统（GlobalSystemforMobileCommunications,GSM）是当前应用最广泛的移动电话标准，全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。由于它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代（2G）移动电话系统。GSM标准当前由3GPP组织负责制定和维护。5.5.1.1发展概况

1980年代初，第一代移动电话技术开始应用，当时存在众多互不兼容的标准，给技术的推广和用户的使用造成很大的不便。为此，CEPT〔欧洲邮电行政大会〕开始考虑制定一个统一的下一代移动电话标准，以便能够提供更多样的功能和使用户漫游更加容易。标准制定的具体工作由1982年成立的“移动专家组”负责，GSM的名字即是移动专家组（法语：GroupeSpécialMobile）的缩写，后来这一缩写词的含义变为“全球移动通讯系统”。

1987年5月GSM成员国达成一致，确定了GSM最重要的几项关键技术。

1989年,ETSI〔欧洲电信标准协会〕从CEPT接手标准的制定工作。

1990年第一版GSM标准完成。1992年1月，芬兰的OyRadiolinjaAb成为第一个商业运营的GSM网络。GSM的推出推动了移动通信的普及，用户持续快速增长。

1995年，全球用户达到1千万，1998年，达到一亿，2005年已经超过15亿。GSM系统首先引入SMS（短信息服务），1994年实现数据业务和传真服务1999手机访问互联网—WAP2000开始，通用分组无线服务（GPRS）使得GSM系统能够以效率更高的分组方式提供数据通信。2003年，EDGE技术提供了接近3G的数据通信能力。目前，GSM标准仍在发展5.5.1.2技术特点

从用户观点出发，GSM的主要优势在于提供更高的数字语音质量和替代呼叫的低成本的新选择（比如短信）。从网络运营商角度看来，其优势是能够部署来自不同厂商的设备，因为GSM作为开放标准提供了更容易的互操作性。而且，标准支持网络运营商提供漫游服务，用户就可以在全球使用他们的移动电话了。GSM是一个蜂窝网络GSM的一个关键特征是用户身份模块SIM。5.2.2GPRS1技术特点传统的GSM网络（2G）主要提供语音业务，仅能提供9.6Kbps速率的数据传输业务，这远远不能满足用户对高速无线数据业务的需求。GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分组无线业务）是构架在传统GSM网络之上的一种标准化的分组交换数据业务，它可以提供高达115Kbps速率的分组数据业务，从而使得包括图片、话音和视频的多媒体业务在无线网络中的传输成为现实。GPRS采用分组交换技术，在通信的过程中没有不需要建立和保持电路，符合数据通信突发性的特点，并且呼叫建立时间很短。GPRS不再根据用户占用信道的时间长短来计费，而是根据用户实际的数据流量来计费，这样就允许用户始终在线，享受方便快捷的服务。因此，GPRS被认为是第二代移动通信系统向第三代移动通信演进的重要一步。2体系结构3GPRS的终端和应用GPRS中主要定义了三类终端：（1）A类终端能够同时处理电路交换和分组交换业务，并且两种业务相互独立。（2）B类终端在某一时刻只能处理电路交换或分组交换业务当中的一种，但是具备在两种模式间自动切换的能力。当一个基于电路交换的呼叫到达时，B类终端能够暂停对分组数据的处理，而后再恢复处理数据业务。（3）C类终端必须被人工设置为电路交换模式或分组交换模式，当它处于电路交换模式时，无法接收分组交换数据业务，反之亦然。还有一些C类终端只能处理分组数据业务。5.5.3EDGE

1提出背景

作为介于现有第二代移动通信系统与第三代移动通信系统之间的一种过渡性数据通信技术，EDGE（EnhancedDatarateforGSMEvolution）能够大大提高现有GSM网络的数据服务速率。Ericsson公司于1997年第一次向ETSI提出了EDGE的概念。同年，ETSI批准了EDGE的可行性研究，这对以后EDGE的发展铺平了道路。尽管EDGE仍然使用了GSM载波带宽和时隙结构，但它也能够用于其他蜂窝通信系统。EDGE可以被视为一个提供高比特率、并且因此促进蜂窝移动系统向第三代功能演进的、有效的通用无线接口技术。ETSI：欧洲通信标准机构5.5.3.2技术特点

EDGE无线接口的主要作用是使当前的蜂窝通信系统可以获得更高的数据通信速率。

EDGE规范的基本指导思想是尽可能多地利用现有的GSM数据服务类型，大大提高其数据通信速率。在连接移动终端的地方可以采取两种调制方式。第一种是将GMSK传输用于上行链路，将8PSK用于下行链路。第二种方式就是在上行链路和下行链路中都采取8PSK方式进行传输。5.5.43G技术标准1需求分析

由于话务密度的不断增长，第二代移动通信有限的频率资源已接近枯竭，移动通信的进一步发展迫切需求新的频段，以及能够更加有效利用频谱的无线通信技术。另一方面，第一代模拟移动通信系统与第二代数字移动通信系统的核心业务是话音业务，相应的核心网是基于电路交换的网络。随着网络容量需求的不断增加，TDM技术的高成本、设备的复杂性以及管理的不灵活性日益明显。此外，TDM网络无法满足高速的基于分组的话音、数据和多媒体业务的要求。同时2.5G系统只是在原有无线技术和通信平台上的改进，其业务速率的提高以及提供业务的灵活性等方面都受到很大限制，因此不能从根本上改变2G以话音业务和低速电路数据业务为主的局面。5.5.4.2标准概述

当前，全球移动通信存在三种主流的3G技术标准——WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，在技术上各有千秋，目前是共存竞争的关系，至于谁能在3G时代占据更大市场份额，关键是看哪种技术标准更符合市场和用户需求。需要注意的是，虽然CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA同属3G的主流技术标准，但是仍然可以将其分为两类：CDMA2000和WCDMA并作一类，TD-SCDMA为一类。因为在技术上CDMA2000和WCDMA是FDD标准，而TD-SCDMA则是一个TDD标准。TDD时分双工(TimeDivisionDuplexing)在TDD模式的移动通信系统中，接收和传送在同一频率信道(即载波)的不同时隙，用保证时间来分离接收和传送信道。FDD频分双工

FDD（FrequencyDivisionDuplexing）：也称为全双工，操作时需要两个独立的信道。一个信道用来向下传送信息，另一个信道用来向上传送信息。两个信道之间存在一个保护频段，以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。3G的关键技术是CDMACDMA系统是基于码分技术（扩频技术）和多址技术的通信系统，系统为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠；将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行向反的过程，进行解扩，增强了抗干扰的能力。

CDMA2000是从cdmaOne演进而来的第三代移动通信技术。事实上，CDMA2000标准是一个体系结构，称为CDMA2000family，它同样还包含一系列的子标准。CDMA2000的发起者主要是美国和韩国，CDMA2000继承了IS-95窄带CDMA系统的技术特点，网络运营商同样可以在窄带CDMA网络中更换或增加部分网络设备过渡到3G。、CDMA2000的主要技术特点简单说明如下：前、反向同时采用导频辅助相干解调，扩频码选择采用相同M序列，通过不同的相位偏置区分不同的小区和用户；

射频带宽从1.25MHz到20MHz可调；快速前向和反向功率控制；下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测，提高系统容量；在下行信道传输中，定义直扩和多载波传输两种方式，码片速率分别为3.6864Mcps和1.22Mcps，多载波方式能很好地兼容IS-95网络；设计了两类码复用业务信道，基本信道用于传送语音、信令和低速数据，是一个可变速率信道，补充信道用以传送高速率数据，在分组数据传送上应用了ALOHA技术，改善传输性能；在同步方式上CDMA2000与IS-95相同，基站间同步采用GPS方式。

WCDMA的发起者主要是欧洲和日本，WCDMA继承了第二代移动通信体制GSM标准化程度高和开放性好的特点，标准化进展顺利，网络运营商可以通过在GSM网络上引入GPRS网络设备和新业务，培育数据业务消费群体，逐步过渡到3G。WCDMA的主要技术特点简单介绍如下：支持高速数据传输，慢速移动时为384kb/s，室内走动时可达2Mb/s；支持异步和同步的基站运行方式，组网方便和灵活；调制方式上行为BPSK，下行为QPSK，解调方式为导频辅助的相干解调；支持三种编码方式，在话音信道采用卷积码（R=1/3，K=9）进行内部编码和Veterbi解码，在数据信道采用ReedSolomon编码，在控制信道采用卷积码（R=1/2,K=9）进行内部编码和Veterbi解码；能够适应多种速率的传输，可灵活地提供多种业务，并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源，同时对多速率、多媒体业务可通过改变扩频比和多码并行传送的方式来实现.

TD-SCDMA是中国提出的（中国大唐集团和西门子公司联合开发）第三代移动通信标准，自1998年正式向ITU提交以来，已经历十多年时间，完成了标准的专家组评估、ITU认可并发布、与3GPP体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使TD－SCDMA成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。TD-SCDMA的主要技术特点如下：采用智能天线技术，提高了频谱效率；采用同步CDMA技术，降低上行用户间的干扰和保持时隙宽度；接收机和发射机采用软件无线电技术，并采用联合检测技术来降低多址干扰；具有上下行不对称信道分配能力，适应数据业务；采用接力切换降低掉话率，提高切换的效率；核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与它们的兼容性；基站间采用GPS或者网络同步方式，降低基站间干扰。5.5.4.3标准比较和分析

WCDMA和CDMA2000能满足IMT-2000提出的全部技术要求，包括支持高比特率多媒体业务、分组数据和IP接入等。这两种系统的无线传输技术均基于DS-CDMA作为多用户接入技术，单就技术来说，WCDMA和CDMA2000在技术先进性和发展成熟度上各具优势，但总体来看，WCDMA似乎更胜一筹，以下是WCDMA相对CDMA2000的一些优势：（1）WCDMA使用的带宽和码片速率（3.84Mcps）是CDMA20001x演进家族的三倍以上，因而能提供更大的多路径分集、更高的中继增益和更小的信号开销。此外，更高的码片速率也改善了接收机解决多径效应的能力；（2）WCDMA在小区站点同步方面的设计是使用异步基站，而CDMA2000基站则通常通过GPS实现同步，这将造成室内和城市小区（采用室内天线）部署的困难；

（3）由于支持1xEV-DO的TDM接入系统采用共享时分复用下行链路，它具有固定时隙，因此CDMA2000物理层兼容性较差；（4）WCDMA较CDMA2000能够更加灵活地处理话音和数据混合业务；（5）WCDMA进行功率控制的频率几乎是CDMA2000的两倍，达到每秒1500次（1.5kHz），因而能保证更好的信号质量，并支持更多的用户；（6）CDMA2000的导频信道大约需要下行链路总传输功率的20%，相比之下WCDMA只需要约10%，因而可以节省更多的公用信道的开销；（7）为支持基于GSM的GPRS业务而部署的所有业务（如计费、安全、漫游等）也支持WCDMA业务，而为了完善新的数据/话音网络，CDMA20001x必须添加额外的网元或进行功能的升级。TD-SCDMA与WCDMA和CDMA2000相比，具有如下的特点和优势：（1）频谱利用率高：TD-SCDMA采用TDD方式和CDMA和TDMA的多址技术，在传输中很容易针对不同类型的业务设置上、下行链路转换点，因而可以使总的频谱效率更高；（2）支持多种通信接口：TD-SCDMA同时满足Iub、A、Gb、Iu、IuR多种接口要求，基站子系统既可作为2G和2.5G的GSM基站的扩容，又可作为3G网中的基站子系统，能同时兼顾现在的需求和未来长远的发展；（3）频谱灵活性强：TD-SCDMA第三代移动通信系统频谱灵活性强，仅需单一1.6M的频带就可提供速率达2M的3G业务需求，而且非常适合非对称业务的传输；（4）系统性能稳定：TD-SCDMA收发在同一频段上，上行链路和下行链路的无线环境一致性很好，更适合使用新兴的"智能天线"技术；利用了CDMA和TDMA结合的多址方式，更利于联合检测技术的采用，这些技术都能减少了干扰，提高系统的性能稳定性；

（5）与传统系统兼容性好：TD-SCDMA支持现存的覆盖结构，信令协议可以后向兼容，网络不必引入新的呼叫模式，能够实现从现存的通信系统到下一代移动通信系统的平滑过渡；（6）系统设备成本低：TD-SCDMA上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于利用智能天线等新技术，这也可达到降低成本的目的;在无线基站方面，TD-SCDMA的设备成本也比较低；（7）支持与传统系统间的切换功能：TD-SCDMA技术支持多载波直接扩频系统，可以再利用现有的框架设备、小区规划、操作系统、账单系统等，在所有环境下支持对称或不对称的数据速率。5.5.5E3G/B3G系统13GPP长期演进项目（3GPPLTE）

3GPP已经确定了增强型3G（E3G）的战略发展方向、工作计划和关键的技术要求，并提出了如下E3G系统业务能力的设计目标：

1）数据速率和频谱效率：峰值速率为下行100Mb/s，上行50Mb/s，频谱效率为下行5b/s/Hz，上行为2.5b/s/Hz；支持成对（Paired）和不成对（Unpaired）的频谱分配。

2）时延：系统以分组域业务为主要设计目标，以支持实时性强的业务，降低无线网络的时延。目前的指标主要是参考IP语音（VoIP）等各种实时业务的服务质量（QoS）要求而得到的。同时系统减小了控制平面的状态转移时延，有利于改善用户对于网络服务的体验。在用户数据平面，空中单向时延小于5ms；在控制平面，用户从空闲状态到连接状态的时延小于100ms。

3）覆盖和移动性：小区覆盖半径在5km以下时，应该满足长期演进（LTE）项目的所有性能要求，支持小于30km的小区覆盖能力，但允许有一定的性能损失。

4）面向广播、多播的MBMS业务：演进系统应该增强对于组播和广播业务（MBMS）的支持，实现MBMS这种非对称业务与双向业务的结合，以及MBMS在非对称频段的使用。5.5.5.2B3G系统1．提出背景第三代（3G）移动通信系统从2001年起先后在世界各发达国家投入商用，我国的3G也在2009年开始投入商用。目前用户对移动通信系统的速率要求越来越高，3G系统已不能满足用户的需求，特别是难以满足高速移动下的用户的传输速率需求。因此在3G的研发和应用如火如荼之际，学术界和工业界已经在思考、构建和展望B3G移动通信系统的蓝图。由于国际电信联盟（ITU）将3G标准称为IMT-2000（全球移动电信-2000），所以B3G所用的学名为BeyondIMT-2000，并于1999年将BeyondIMT-2000的概念与需求研究正式列入议事日程。2001年10月在东京进行的ITU-RWP8F会议上，初步明确了基本研究框架，并指出BeyondIMT-2000是指广泛用于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧接入系统等，不仅具有涵盖目前的IMT-2000、无线接入和数字广播等系统的能力，而且还将新增两个部分：支持100Mb/s的蜂窝系统和支持高达1Gb/s速率的游牧和本地无线接入系统.2．技术特点和挑战与现有3G系统相比，B3G系统具有以下技术特点：

（1）B3G系统的容量大幅提高：为了适应数据和多媒体业务不断增长的需求，B3G系统的容量至少为3G系统的10倍。在高速移动环境支持最高约100Mbps的速率，在低速移动环境达到1Gbps速率。（2）B3G系统是一个无缝移动通信网络：B3G系统应能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。无线通信领域的一个发展趋势是移动网络和无线接入网络的融合。B3G系统应当是一个移动网络和无线接入网的融合体，它应能实现与无线LAN的无缝连接。（3）B3G系统是一个基于IP的网络：B3G系统的核心网是一个基于全IP的网络，因此核心网独立于各种具体的无线接入方案，可以实现不同网络间的无缝互连，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN共存。

（4）B3G系统能支持不同QoS的业务：B3G系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。

从目前移动通信系统的发展趋势和研究动态可以看出，B3G移动通信系统的业务所具备的特征及对现有系统提出的挑战主要表现在如下几个方面：（1）数据业务将由从属地位上升为主导地位。传统蜂窝移动通信系统是以满足话音业务需求而设计的，如果B3G系统生搬硬套其网络结构和空中接口方案，将无法适应这一需求。因此需要运用全新的理念，设计基于数据传输的无线传输方案及网络结构，最大程度满足B3G系统数据业务占优的特点。（2）移动通信系统所支持的业务种类显著增多。由于不同的业务具有不同的特点，所以对系统的要求也有非常显著的差异。这需要系统具有支持多种业务的能力。因此系统的复杂度将显著提高，无线资源的分配方式需要高度灵活。（3）业务规模显著增大。一般认为B3G系统的容量将比3G提高10倍以上，这就需要系统在信息传递能力方面有本质性的提高。

（4）业务的峰值传输速率将提高一至两个量级，达到100Mb/s以上。传统蜂窝移动通信系统所用的3GHz以下频段无法满足这一要求，需要开发频率更高的无线资源。由此所带来的问题是，电波的传输特性将更为恶劣，受天气以及物理环境的影响更大。如果采用传统意义上的蜂窝移动通信技术，则发射功率需相应地增加十倍甚至上百倍，电磁兼容问题将变得无法容忍，因此需要采用全新的小区结构解决此问题。（5）业务传输速率的动态范围将扩大，可能会在10kb/s至100Mb/s之间动态地变化。为了满足这一需求，B3G系统的无线资源调配方式必须极为灵活，能够高效地适应数据速率的大动态变化范围。（6）考虑业务的地点和时间分布将呈现较大的差异。例如，突发事件发生时用户业务需求突然急增，需要系统具有相应的应急增容措施。业务的上述特征需要系统在通信容量方面具有较好的环境自适应性。5.6移动互联网

5.6.1移动互联网的提出和发展5.6.2移动互联网的参考模型

业界对于移动互联网有不同的理解。MarkWeiser等人认为它是不可见计算（InvisibleComputing）和无处不在的计算（UbiquitousComputing），Satyanarayanan等人认为它是普适计算（PervasiveComputing），WWRF（世界无线研究论坛）则把它看作是自适应的、个性化的、知晓周围环境的服务（AdaptablePersonalizedAmbient-awareServices）。

未来通信最显著的特征也许就是多样性，应用的种类将是多样的，通信模式和服务质量要求也是多样的，移动终端将支持多种接入模式，移动终端上通常会同时运行多个应用，一些应用甚至需要根据连接特性更改它们的行为。

下面简要介绍WWRF、MWIF（移动无线互联网论坛）和NOKIA等给出的移动互联网参考模型与体系架构，它们的共同点在于仍采用分层网络协议设计。1WWRF的移动互联网参考模型如图5.8所示，各种应用通过开放的API获得用户交互支持或移动中间件的服务，该模型中移动中间件层由多个通用服务元素构成：包括建模服务、存在服务、移动数据管理、配置管理、服务发现、事件通知、环境监测等。图5.8WWRF的移动互联网参考模型2MWIF的移动互联网体系框架

MWIF提出的移动互联网体系结构框架如图5.9所示，主要考虑了目前固定IP网络运营商向移动无线IP运营商演化，其目的是发展移动无线互联网及推进固定网络与3G的融合。在该体系框架中，接入网和核心网使用IP协议进行传输和控制，采用IP实现端到端连接，网络具有以下功能：鉴权、授权和计费、命名和目录服务、IP移动性、网络管理、QoS、安全性、会话管理等。另外，该体系框架将传输与控制分离，移动性管理与会话控制分离，使得体系结构具有较高的灵活性。图5.9MWIF给出的移动互联网参考模型4移动互联网的展望业界认为：有线互联网向具有新的功能与应用的移动互联网方向发展。

移动性、个性化、定位功能的需求。移动互联网的关键特征：IP透明：端到端的通信路径中所有涉及的部分都必须支持IP。寻址：每个用户有一个唯一的且独立于用户所在地的地址。移动性管理：必须有在全球范围内的漫游能力。定位与本地化：能够定位用户，以提供与位置有关的业务。个性化：提供用户指定的信息。关于面向服务的移动性管理，建议使用移动代理来处理分布式计算服务，以实现以