寬帶無線通信技術概述課件

1、寬帶無線通信技術（Broadband Wireless Communication Technology）電子與信息工程學院（2013年秋季學期）1課程的基本信息授課學時：40；學分：2.5。授課時間：7-16周；考試時間：18周。教學內容：教材基本內容+補充內容。教學安排：1.寬帶無線通信技術基礎部分（第1章第3章）：賈敏；2.寬帶無線通信技術應用部分（第4章第6章）：李卓明；3.課程總結：2學時。 考核：1出勤情況+課堂表現:10-20分；2作業(yè):10分；3閉卷考試:卷面70-80分。課程學習要求： 掌握寬帶無線通信的基本理論與寬帶無線通信網絡的基礎知識，以及目前寬帶無線通信領域的主流標準

2、和新技術。2第1章 寬帶無線通信技術概述主要內容:1.1 無線通信技術的發(fā)展1.2 寬帶無線接入概述1.3 寬帶無線接入技術的分類1.4 BWA技術的發(fā)展概況1.5 蜂窩移動通信技術概述1.6 寬帶無線通信技術發(fā)展趨勢31.1 無線通信技術的發(fā)展 過去的10多年是通信技術、電信基礎設施建設及電信服務水平飛速發(fā)展的黃金十年，高新技術不斷涌現，基礎設施日益完善，服務模式推陳出新，形成了一個欣欣向榮的巨大產業(yè)，涌現了一些具有代表性的通信技術。1.1.1 通信技術的總體發(fā)展4 在有線通信方面，隨著20世紀90年代中期ATM、FR、DDN網絡的大面積建設，電信數據網絡市場徹底告別了X.25時代，開啟了一

3、個寬帶數據網絡發(fā)展與應用的春天。5 在公眾服務領域，無線和移動通信技術及服務相對有線通信而言可謂是更加轟轟烈烈，后來居上。20世紀80年代末的無線尋呼技術及服務的出現，首次將普通百姓帶入了一個移動通信的時代。6 第一代移動通信系統(tǒng)是以美國的AMPS標準和歐洲的TACS標準為代表的移動通信系統(tǒng)，它是模擬體制的移動通信技術。 第二代移動通信系統(tǒng)的出現迅速將公眾個人移動通信服務推進了高速發(fā)展的黃金時期。 第三代移動通信系統(tǒng)（簡稱3G）向人們描繪的是一個空前眼花繚亂的移動通信服務世界。7 LTE (Long Term Evolution)技術進一步改進和增強現有3G技術的性能，以應對現有WiMAX等新

4、興寬帶無線接入（BWA）技術的競爭。 LTE采用原計劃用于B3G/4G的OFDM、MIMO等技術，為3G技術向B3G/4G演進提供了一個臺階，使3G向4G的演進相對平滑。 8 而與此同時，以IEEE 802.11a/b/g為代表的WLAN技術，以及以IEEE 802.16為代表的WiMAX下一代寬帶無線接入技術，甚至還包括以DVB-T、DVB-H為代表的數字電視地面無線廣播技術，如此眾多的成熟和即將成熟的無線通信技術，在不久的將來將共同組成一個高效、靈活和可靠的無線通信網絡和移動通信網絡。9圖1-1 信息網絡技術的總體發(fā)展歷程和趨勢10通信市場正在呈現出話音業(yè)務移動化，數據業(yè)務寬帶化的發(fā)展趨勢

5、；電信網絡也正向無線化和寬帶化發(fā)展；在以ITU和3GPP/3GPP2引領的蜂窩移動通信從3G到E3G，再走向B3G/4G的演進道路上，各種無線技術通過相互競爭互相借鑒和學習，使得寬帶無線通信技術不斷完善，網絡安全性、實用性不斷增強；1.1.2 寬帶無線通信技術發(fā)展背景11豐富的市場終端支持，整個產業(yè)鏈已逐漸成熟；政府社會信息化建設需求，加速了寬帶無線通信的發(fā)展。12圖1-2 移動寬帶接入的需求日益提高 截止2012年初，全球手機用戶數量達到60億，全球有超過1.2億的互聯網用戶。13ISDNFTTHVDSLCATVxDSLPHS 1990100K1M10M100M 1G19952010Data

6、 speed1K10KVoice band modem20052000 W-CDMA TD-SCDMA cdma200 cdma2000 EV-DO (2.4M) W-CDMA/TD-SCDMA HSDPA (14M) LTE (50M/100M) Systems beyond IMT-2000IMT-2000802.16 family802.11 familyFixed Communications圖1-3 固網上的應用在數年后會在移動網上出現14國際電信聯盟報告ITU-R M.2033定義：窄帶（narrowband）：是指數據傳輸速度在100kbit/s以下的通信服務；寬帶（wideba

7、nd）：是指數據傳輸速度比窄帶高，通?？蛇_幾百kbit/s；寬帶（broadband）：是指數據傳輸速度在1Mbit/s以上，典型傳輸速度在1100Mbit/s之間。1.1.3 寬帶無線通信的概念15FCC（Federal Communications Commission ）2010年07月24日為“寬帶”這個詞語下了一個定義，FCC認為寬帶意味著下載速率為4Mbps，上行為1Mbps，可以實現視頻等多媒體應用，并同時保持基礎的Web瀏覽和E-Mail特性。目前的寬帶對家庭用戶而言是指傳輸速率超過1M，可以滿足語音、圖像等大量信息傳遞的需求。 16大系統(tǒng)容量、高業(yè)務速率支持能力，亟待發(fā)展的核

8、心技術領域；世界各國高新技術支柱產業(yè)；當前和今后國際學術界及產業(yè)界競爭焦點；瓶頸問題突出，發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)：業(yè)務需求旺盛，增長迅猛；頻譜資源受限，形成瓶頸。1.1.4 寬帶無線通信的特點17我國的國家科技重大專項“新一代寬帶無線移動通信網”屬于國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)中確定的16個重大科技專項之一。正在制定“寬帶中國”戰(zhàn)略。2012年4月工信部召開寬帶戰(zhàn)略全國啟動動員會，我國寬帶提速的目標是到2015年末，城市家庭上網帶寬達到20M，農村家庭上網帶寬達到4M。目前寬帶中國戰(zhàn)略已經上升到國家層面，具體規(guī)劃預計在年底正式出臺。181.2 寬帶無線接入概述1.2.1

9、接入網的定義 根據國際電信聯盟（ITU-T）關于接入網框架建議（G.902），接入網是在業(yè)務節(jié)點接口（SNI）和用戶網絡接口（UNI）之間的一系列為傳送實體提供所需傳送能力的實施系統(tǒng)，可經由管理接口（Q3）配置和管理。因此，接入網可由三個接口界定，即網絡側經由SNI與業(yè)務節(jié)點相連，用戶側由UNI與用戶相連，管理方面則經Q3接口與電信管理網（TMN）相連。19圖1-4 接入網架構20 接入網的重要特征：（1）接入網對于所接入的業(yè)務提供承載能力，實現業(yè)務的透明傳送。 （2）接入網對用戶信令是透明的，除了一些用戶信令格式轉換外，信令和業(yè)務處理的功能依然在業(yè)務節(jié)點中。21 （3）接入網的引入不應限制現

10、有的各種接入類型和業(yè)務，接入網應通過有限的標準化的接口與業(yè)務節(jié)點相連。 （4）接入網有獨立于業(yè)務節(jié)點的網絡管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過標準化的接口連接TMN，TMN實施對接入網的操作、維護和管理。22 根據傳輸方式細分，可以將接入網分為有線接入網和無線接入網兩種方式。 對于無線接入網，按照空中接口承載業(yè)務帶寬的大小，又可以將其分為寬帶無線接入網和窄帶無線接入網。231.2.2 寬帶無線接入技術基本概念 和基本特點 在信息通信領域，發(fā)展速度最快，對人們影響最大的兩大技術就是寬帶網絡技術和無線（移動）通信技術，這兩大技術的結合，即為寬帶無線接入（Broadband Wireless Access，BWA）

11、技術。 BWA技術指從用戶終端到業(yè)務交換點之間通信鏈路采用無線鏈路的寬帶接入技術，它實際上是核心網絡的無線延伸。24 與傳統(tǒng)的有線接入方式相比，BWA具有如下特點。 （1）覆蓋范圍靈活，單基站（或接入點）的覆蓋范圍通常從幾十米到幾公里數量級不等，可以使BWA技術靈活地應用于從局域網到城域網的整個區(qū)域。 （2）工作頻帶寬，可提供寬帶接入。 25 （3）啟動資金較小，不需要進行大量的基礎設施建設，初期投入少，僅在增加用戶（即有業(yè)務收入）時才需增加資金投入。 （4）提供服務速度快，無線系統(tǒng)安裝調試容易。 （5）頻率復用度高，系統(tǒng)容量大。 （6）靈活的鏈路自適應技術。26（7）MAC層具備調度機制。（

12、8）動態(tài)帶寬分配能力。（9）安全性。（10）在發(fā)展方面極具靈活性。（11）提供優(yōu)質價廉的多種業(yè)務。（12）運營維護成本低。27 寬帶無線接入技術從覆蓋范圍上可以分為個域網無線寬帶接入技術、局域網寬帶無線接入技術、城域網寬帶無線接入技術和廣域網寬帶無線接入技術四類。 （1）無線個域網（WPAN）覆蓋范圍從幾厘米到幾米，為不同設備間提供雙向短程通信，以藍牙技術為代表。 （IEEE 802.15）1.3 寬帶無線接入技術的分類28 （2）無線局域網（WLAN）覆蓋范圍從幾米到幾百米，可以為一定范圍內的用戶提供共享的無線接入帶寬，Wi-Fi是其代名詞。它的最大特點是便攜性，主要用來解決用戶“最后100

13、米”的通信需求，定位于熱點地區(qū)的高速游牧數據接入，不支持高速移動性。（IEEE 802.11）29 （3）無線城域網（WMAN）覆蓋范圍為幾公里數量級（3km5km是典型值，點對點鏈路的覆蓋可以高達幾十公里），是為解決寬帶接入“最后一公 里”問題而專門設計的，可以提供支持QoS能力和一定范圍移動性的共享接入能力。MMDS、LMDS和WiMAX等技術屬于城域網范疇。 （IEEE 802.16）30 （4）無線廣域網（WWAN）。覆蓋范圍更廣，最主要的是可以支持全球范圍內的廣泛的移動性，屬于B3G和4G的范疇，IEEE 802.20中的iBurst和Flash OFDM等技術是該類技術的前身。（

14、IEEE 802.20 ） 從是否支持終端移動性上，寬帶無線接入技術可以分為移動寬帶無線接入技術和固定寬帶無線接入技術。311.3.1 移動寬帶無線接入技術 根據ITU-R的M.1034-1建議，無線接入可以分為靜止、步行、典型車速和高速車速四類。移動寬帶無線接入（MBWA）就是能夠在典型車速和高速車速狀態(tài)下提供的寬帶無線接入，即上述分類中的后兩類的系統(tǒng)。 與此相反，固定和游牧無線接入要求用戶終端使用的時候保持靜止，也稱為便攜性系統(tǒng)。32 移動寬帶無線接入技術在空中接口部分需要解決的關鍵技術有：在高速數據傳輸方面主要有多天線、分集和波束成形技術、多用戶檢測和干擾抵消技術、自適應調制等；在高頻傳

15、輸的可靠性方面主要有糾錯編碼（Turbo編碼或LDPC編碼等）、自適應編碼、重傳機制；33在非對稱的多址接入和雙工方面，由于其存在非對稱性問題，可以考慮的雙工方式主要有頻分雙工和時分雙工兩種模式；在業(yè)務量和QoS的MAC層設計方面主要有業(yè)務量設計與QoS保障的結合。34 網絡協議方面需要考慮和解決的問題有水平/垂直切換、快速IP切換、服務質量和安全性等。 由于移動寬帶接入的技術特點，它需要在以下方面做出技術上的折衷考慮：移動性對寬帶、調制方式對多址接入方式、業(yè)務量對復雜性、公平性對服務質量等。35移動寬帶無線接入技術以IEEE 802.162005和IEEE 802.20標準為代表。其覆蓋范圍

16、在幾公里以內，有移動通信網絡小區(qū)規(guī)劃特點，其目標是提供在120km/h（IEEE 802.16e2005）和250km/h（IEEE 802.20）的典型移動速率下的超高帶寬接入，最大限度地滿足用戶未來對高帶寬數據傳輸的需求。361.3.2 固定寬帶無線接入技術 固定寬帶無線接入技術帶寬高，雙向傳輸數據，可提供寬帶交互式數據及媒體業(yè)務，克服了傳統(tǒng)的本地環(huán)路的瓶頸，能滿足用戶對高速率數據和圖像通信日益增長的需求。 在各種接入技術中，固定寬帶無線接入憑借其組網快速靈活、運營維護方便及良好的成本競爭力，已迅速成為市場熱點。37 尤其對新的電信運營商，能夠以無線技術快速低成本地建設自己的接入網，與傳統(tǒng)

17、的電信運營商競爭，這是一個至關重要的手段，也是迅速切入市場的有效途徑。38固定寬帶無線接入系統(tǒng)的工作頻率在3GHz40GHz，屬于微波頻段。如LMDS、MMDS等。不同頻段固定無線接入技術的組網均采用一種類似蜂窩的服務區(qū)結構，將一個需要提供業(yè)務的地區(qū)劃分為若干服務區(qū)，每個服務區(qū)內設基站，基站設備經點到多點無線鏈路與服務區(qū)內的遠端站通信。 固定寬帶無線接入系統(tǒng)一般由三部分組成：中心站（基站）、遠端站、網管系統(tǒng)。391中心站 主要匯聚中心站不同扇區(qū)設備上的業(yè)務與信令數據，實現與核心網絡相連。中心站可以根據上聯的網絡和業(yè)務需求，配置不同的接口，例如ATM接口、2M接口、10/100Base-T接口和

18、V5接口等。中心站設備包括室內單元和室外單元兩個部分。 402遠端站 包括室外單元（含定向天線、射頻單元）和室內單元（調制與解調單元以及與用戶室內設備相連的業(yè)務接口單元）。系統(tǒng)可提供多種類型的用戶接口，目前常見的業(yè)務都可直接接入。與遠端站相連的用戶（通過UNI）可以是單個用戶終端，也可以是一個用戶駐地網（CPN）。 413網管系統(tǒng) 主要與中心站相連，有帶內、帶外和串口連接三種方式。網管系統(tǒng)應完成設備基本的配置、故障、性能、安全管理以及計費信息的采集。 26G LMDS、3.5G MMDS和5.8G點對多點固定寬帶無線接入系統(tǒng)的組網模式相同，均由中心站、遠端站和網管這三部分組成。421.4 BW

19、A技術的發(fā)展概況1.4.1 傳統(tǒng)BWA技術1傳統(tǒng)BWA技術概況 傳統(tǒng)的BWA技術是指以固定寬帶為技術特征，空中接口立足于各設備制造商私有技術實現的無線接入技術，主要目的是解決網絡接入部分帶寬不足和有線接入網絡鋪設困難等瓶頸問題，屬于典型的“最后一公里”技術。432LMDS技術概述 LMDS（Local Multipoint Distribution System，本地多點分布系統(tǒng)）是點對多點的固定無線通信方式，具有非常高的帶寬和雙向數據傳輸的特點，可提供多種寬帶交互式數據及多媒體業(yè)務，滿足用戶對高速數據和圖像通信日益增長的要求。 其工作頻率通常為10GHz43GHz，在26GHz頻段附近可用的

20、頻譜帶寬最大可達1GHz以上。 （1）LMDS的概念44（2）LMDS的技術參數 不同國家或地區(qū)的電信管理部門分配給LMDS的具體工作頻段及頻帶寬度有所不同，其中大約有80%的國家將27.5GHz29.5GHz定為LMDS頻段。 工作頻段45 我國為滿足寬帶無線接入業(yè)務發(fā)展的需求，規(guī)劃的LMDS工作頻段和主要技術參數暫定為：中心站發(fā)射頻段24.507GHz25.515GHz；遠端站發(fā)射頻段25.757GHz26.765GHz；收發(fā)頻率間隔為1250MHz，基本頻道帶寬為3.5MHz、7MHz、14MHz和28MHz，可根據具體業(yè)務需求將基本信道合并使用，傳輸容量42.048Mbit/s/7MH

21、z。46 多址方式 LMDS無線收發(fā)大多選用頻分雙工（FDD）.下行鏈路一般通過時分復用（TDM），將信號向相應扇區(qū)廣播，每個用戶終端在特定的頻段內接收屬于自己的信號上行鏈路可通過頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）等多址方式與基站進行通信。 47 調制方式 LMDS系統(tǒng)可采用的調制方式有相移鍵控PSK（包括BPSK，DQPSK，QPSK）和正交幅度調制QAM（包括4QAM，16QAM，64QAM），具體應用時將根據實際情況選定。48 拓撲結構 LMDS系統(tǒng)的拓撲結構與局域網類似，可有星形和環(huán)形兩種主要結構形式。 49（3）LMDS系統(tǒng)的組成圖1-5 LMDS系統(tǒng)組成示意圖50 基礎骨干

22、網絡 基站 用戶端設備（CPE） 網管系統(tǒng)51（4）LMDS的主要特點 可提供極高的通信帶寬。 蜂窩式的結構配置可覆蓋整個城域范圍。 可提供多種業(yè)務（語音、數據、圖像等）。 高效的調制與編碼方式。52（5）LMDS的優(yōu)缺點 與傳統(tǒng)的有線接入或者低頻段無線接入方式相比，LMDS具有以下優(yōu)勢。 項目啟動快，工程完成快。 工作頻帶寬，可提供寬帶接入。 前期投資比較小，后期擴容能力強，投資回收快。53 業(yè)務提供速度快。 在用戶發(fā)展方面極具靈活性。 可提供質優(yōu)價廉的多種業(yè)務。 頻率復用度高，系統(tǒng)容量大。 網絡運行、維護費用比較低。54 雖然LMDS有以上的優(yōu)點，但是亦存在不同程度的局限性。 LMDS的致

23、命缺點是在信號傳輸上會有發(fā)射器和接收器之間一條直射的傳輸限制，如果中間有過多的障礙物阻擋信號傳送，就會影響傳輸品質。 LMDS服務區(qū)覆蓋范圍較小，不適合遠程用戶使用。覆蓋半徑通常為幾公里。 55 LMDS使用約30GHz的頻段作為傳輸媒介，對于樹木、建筑物等障礙物的穿透能力較弱，而且有嚴重的雨衰效應，通信質量受雨、雪等天氣影響較大，只有在與基地臺建立直線傳輸線路時才會有較佳的通信品質。 基站設備比較復雜，價格較貴，所以在用戶少時，每個用戶的分攤成本較高。適合于大城市或其他人口比較稠密的地區(qū)。 56（6）LMDS的應用 LMDS屬于無線訪問的一種新形式，可以采用蜂窩式的小區(qū)結構覆蓋整個城域范圍，

24、每個蜂窩站的覆蓋區(qū)為5km7km。 若采用具有更高的發(fā)射功率、更強的接收靈敏度，可增加基站的覆蓋范圍，使覆蓋范圍達到10km以上。 57 LMDS覆蓋區(qū)可相互重疊，每個蜂窩的覆蓋區(qū)又可以劃分為多個扇區(qū)，可以根據需要在該扇區(qū)提供特定業(yè)務或服務。 LMDS系統(tǒng)特別適于在城市商貿區(qū)、技術開發(fā)區(qū)、寫字樓群、城市居民小區(qū)等高密度用戶地區(qū)使用。58LMDS的應用場合如下。 企業(yè)應用。 住宅用戶。 連接2G和3G。59LMDS系統(tǒng)可提供的業(yè)務如下。 話音業(yè)務。 數據業(yè)務。 視頻業(yè)務。603MMDS技術概述 MMDS（ Multi-channel Microwave Distribution System，多

25、信道多點分布系統(tǒng)）可透明傳輸業(yè)務，在基站端與網絡的接口為T1/E1、100Base-T等，在用戶端的接口為E1和10Base-T等。可為用戶提供internet接入、本地用戶的數據交換、話音業(yè)務和VOD視頻點播等業(yè)務。 （1）MMDS技術的概念61 MMDS工作頻段一般為2GHz5GHz，使用的頻率要比LMDS少得多。由于該頻段受雨衰的影響很小，并且在同等條件下空間傳輸損耗也較LMDS低，故MMDS頻段可應用于半徑為幾十公里的大范圍覆蓋。 MMDS最初用于傳輸單向電視和網絡廣播。近些年來，高速數據接入需求的不斷增長促進了MMDS的發(fā)展。62 與點對多點的LMDS相比，MMDS適于用戶相對分散、

26、容量較小的地區(qū)，從成本上來講，MMDS低于LMDS。MMDS所能提供的數據帶寬同樣與可利用的頻段、采用的調制方式（QPSK、16QAM或64QAM）和扇區(qū)數量有關。能夠提供的數據容量大約為所占頻率帶寬的34倍。即100MHz的頻率帶寬能提供300Mbit/s400Mbit/s的數據帶寬，供一個基站覆蓋范圍內的用戶共享。63圖1-6 MMDS系統(tǒng)功能框圖 64（2）MMDS技術可以提供的業(yè)務 MMDS技術可以為用戶提供多種業(yè)務功能，包括點對點面向連接的數據業(yè)務、點對多點業(yè)務、點對點無連接型網絡業(yè)務等。654傳統(tǒng)BWA技術的發(fā)展 目前，LMDS和MMDS并沒有形成FBWA領域的統(tǒng)一技術標準，各個設

27、備制造商的空中接口協議沒有實現兼容性和互操作性。 因此，產品批量生產能力不高，成本下降較慢，產業(yè)鏈不健全，導致技術更新和新技術的引入無法有效進行，致使整個行業(yè)的發(fā)展受到了很大的局限。由于標準不統(tǒng)一造成的成本問題已經成為制約寬帶固定無線接入技術發(fā)展的最大障礙。66 整個BWA產業(yè)需要成熟的技術、統(tǒng)一的標準以及有效的成本降低機制構成的良性循環(huán)，為此，許多機構開始著手解決這一問題，試圖建立起真正統(tǒng)一的全球性標準。 在這樣的背景下，誕生了ETSI HIPER ACCESS、ARIB MMAC和IEEE 802.11等標準。671.4.2 IEEE 802.11技術 無線局域網（Wireless Loc

28、al Area Network，WLAN）是固定局域網的一種延伸，指以無線媒體作為傳輸媒介的局域網。68 目前國際上無線局域網有三大標準家族，美國IEEE 802.11、歐洲ETSI高性能局域網HiperLAN和日本ARIB移動多媒體接入通信MMAC，其中IEEE 802.11系列標準是無線局域網的主流標準。 隨著IEEE 802.11標準的推行，無線局域網的產品越來越豐富，不同產品的兼容性得到加強。69 美國電氣和電子工程學會（IEEE）在制定局域網標準中起了重大作用，IEEE 802是主要的局域網標準，已經成為ISO國際標準，IEEE 802.11對應的ISO標準是ISO/IEC 8802

29、-11，定義了無線局域網的MAC層和物理層規(guī)范。70 IEEE 802.11的制定，主要用于解決辦公室局域網和校園網中用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務主要局限于數據訪問，速度最高只能達到2Mbit/s。 由于它在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，因此，IEEE又相繼推出了802.11b和802.11a兩個標準。此后，ci的標準也在不斷形成和制定之中。71圖1-7 IEEE 802.11協議棧 72圖1-8 IEEE 802.11協議基本參考模型 1協議基本參考模型732IEEE 802.11 MAC層 由于IEEE 802.11網絡中，多個終端共享同一傳輸媒質，所以需要一種MAC協議來控制各

30、個終端對同一傳輸媒質的訪問。 IEEE 802.11MAC層采用了與以太網類似的CSMA（載波監(jiān)聽多路訪問）來控制對傳輸媒質的訪問。 74（1）MAC數據服務（MAC Data Service）（2）MAC層功能 訪問控制 a分布訪問協同功能（Distributed Coordination Function，DCF）。DCF是物理層和AP之間自動共享無線介質的協議，IEEE 802.11采用CSMA/CA協議進行無線介質共享。 b中心點協同功能（Point Coordination Function，PCF）。提供無競爭的幀傳送。75 c請求發(fā)送/允許發(fā)送（Request To Send/C

31、lear To Send，RTS/CTS）協議。 RTS/CTS協議相當于一種握手協議，用來解決“隱藏終端”問題。 d分段技術和差錯恢復機制 eQoS機制76 網絡連接 工作站開機后通過被動或主動掃描方式搜索有無現成的AP可供加入，搜索到后從AP接收服務集標識符（Service Set Identifier，SSID）、時間同步函數（Timer Synchronization Function，TSF）、計數器的值和物理安裝等參數。77 提供身份驗證和數據加密 無線局域網中所有工作站共享無線介質，由于傳輸介質的脆弱性，工作站更容易受到攻擊，主要包括身份假冒、重放攻擊、信息篡改、拒絕服務攻擊等主

32、動式攻擊和網絡竊聽、網絡通信量分析等被動式攻擊，因此安全性需要高度重視。78 當無須對發(fā)送工作站進行身份認證時，一般采用開放系統(tǒng)認證（Open System Authentication），通常情況下，無線局域網中的數據傳輸需要更高的安全級別，包括IEEE 802.11定義的共享密鑰認證（Shared Key Authentication）在內，基于IEEE 802.11的局域網主要采用以下幾種安全技術。79 aSSID技術 bMAC技術 c有線對等加密（Wired Equivalent Privacy，WEP）技術 d無線局域網鑒別與保密基礎結構（WLAN Authentication an

33、d Privacy Infrastructure，WAPI） e用戶認證技術（IEEE 802.1x）80（3）MAC層幀 MAC幀格式圖1-9 IEEE 802.11 MAC幀格式81圖1-10 MAC幀控制字段格式 MAC幀分類82圖1-11 管理幀格式a管理幀83圖1-12 RTS/CTS幀格式b控制幀c數據幀843802.11物理層 IEEE 802.11定義了FHSS，DSSS和IR物理層；802.11b對DSSS物理層進行了補充，定義了HR/DSSS（High Rate/direct sequence spread spectrum）；802.11a定義了OFDM物理層；802.1

34、1g對802.11和802.11b定義的DSSS物理層做了進一步擴展，定義了擴展速率物理層（Extend Rate PHY，ERP），并對ERP和非ERP（nonERP）工作站共處等問題做了規(guī)范。85（1）物理層服務原語物理層與MAC層通過12條服務原語進行通信。86（2）物理層功能 載波監(jiān)聽 傳送功能 接收功能87圖1-13 IEEE 802.11中FHSS方式的PLCP幀格式（3）PLCP子層幀格式88圖1-14 IEEE 802.11b中DSSS方式的長PLCP幀格式89圖1-15 IEEE 802.11a中OFDM方式的PLCP幀格式90（4）PMD子層 PMD子層通過服務原語與PLC

35、P子層通信，通過管理實體原語實現對管理信息庫（Management Information Base，MIB）的訪問，PMD操作負責將PPDU的二進制數轉換成相應適合發(fā)送的無線信號，主要包括擴頻和調制功能。91 IEEE 802.11 IEEE 802.11b IEEE 802.11a IEEE 802.11g 其他IEEE 802.11標準921IEEE 802.16標準1.4.3 IEEE 802.16技術 1999年，IEEE-SA成立了IEEE 802.16工作組來專門開發(fā)寬帶固定無線技術標準。 93 IEEE 802.16主要用來解決寬帶接入“最后一公里”的問題。它可作為線纜和DSL

36、的無線擴展技術，或者用于將802.11a無線接入熱點連接到互聯網，也可將公司與家庭等網絡連至有線骨干線路，從而真正實現無線與寬帶接入的統(tǒng)一。 自從該標準誕生以來，已經發(fā)展出802.16a、802.16d和802.16e等一系列標準。942邏輯組成參考模型 802.16網絡由用戶站（SS）、基站（BS）、認證和業(yè)務授權服務器（ASA）組成，下圖所示的參考模型中定義了網絡實體間的各個接口和參考點。95圖1-16 IEEE 802.16邏輯參考模型96 IEEE 802.16標準定義了寬帶無線接入系統(tǒng)的空中無線接口部分，該空中接口由物理層和MAC層組成。MAC層又分為三個子層：特定業(yè)務匯聚子層、公共

37、部分子層和安全子層。3協議棧模型97圖1-17 IEEE 802.16協議棧模型984物理層（1）頻段（2）雙工方式（3）載波帶寬（4）調制方式（5）編碼方式995媒體接入控制層 IEEE 802.16標準的MAC層協議在上行通道分配帶寬時，采用的是一種基于預留的集中控制方式。 IEEE 802.16的MAC層是靠同意/請求協議來接入媒體的，它可以消除確認消息的開銷和延時來支持不同的服務水平。100 IEEE 802.16標準中，為保證各種應用業(yè)務的服務質量， MAC支持多種QoS等級，定義了豐富的QoS機制。根據用戶業(yè)務的特點，該標準定義了五種不同事物業(yè)務類型：UGS（主動分配帶寬）、rtP

38、S（實時輪詢）、nrtPS（非實時輪詢）和BE（盡力而為），并為這五種業(yè)務類型定義了不同的QoS參數。1016IEEE 802.16技術分類 根據是否支持移動特性，IEEE 802.16標準可以分為固定寬帶無線接入（Fixed Broadband Wireless Access，FBWA）空中接口標準和移動寬帶無線接入（Mobile Broadband Wireless Access，MBWA）空中接口標準，其中802.16、802.16a、802.16d屬于FBWA，而802.16e屬于MBWA。102圖1-18 802.16d和802.16e的技術參數1037移動WiMAX典型應用場景圖1

39、-19 移動WiMAX應用場景1041IEEE 802.20技術概述1.4.4 IEEE 802.20技術 移動寬帶無線接入系統(tǒng)最初由IEEE 802.16工作組在2002年3月提出；2002年7月，IEEE明確MBWA與IEEE 802.16定位于不同的市場應用；2002年12月，IEEE 802.20工作組成立。IEEE 802.16和IEEE 802.20研究組致力于兩類不同市場目標。105 IEEE 802.20工作組的目標是制定一種適用于高速移動環(huán)境下的寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口規(guī)范。工作于3.5GHz以下的需授權頻段，最優(yōu)化IP數據傳輸，每用戶峰值速率超過1Mbit/s支持城域范圍

40、內高達250km/h的各種車載移動性，在頻譜效率、可持續(xù)用戶數據速率和活動用戶數等方面比現有移動系統(tǒng)性能有顯著提高。1062IEEE 802.20技術特性 IEEE 802.20的主要技術特性如下：全面支持實時和非實時業(yè)務，在空中接口中不存在電路域和分組域的區(qū)分；能保持持續(xù)的連通性；頻率統(tǒng)一，可復用；支持小區(qū)間和扇區(qū)間的無縫切換，以及與其他無線技術（802.16、802.11等）間的切換；融入了對QoS的支持，與核心網級別的端到端QoS相一致；107 支持IPv4和IPv6等具有QoS保證的協議；支持內部狀態(tài)快速轉變的多種MAC協議狀態(tài)；為上下行鏈路快速分配所需資源，并根據信道環(huán)境的變化自動選

41、擇最優(yōu)的數據傳輸速率；提供終端與網絡間的認證機制；與現有的蜂窩移動通信系統(tǒng)可以共存，降低網絡部署成本；包含各個網絡間的開放型接口。 108（1）系統(tǒng)性能指標參 數目 標 值移動性最高達250km/h頻譜效率1 bit/s/Hz/cell工作頻率3.5GHz的許可頻段單小區(qū)覆蓋半徑4Mbit/s用戶峰值速率（上行）300kbit/s1.2Mbit/s單小區(qū)峰值速率（下行）4Mbit/s16Mbit/s單小區(qū)峰值速率（上行）800kbit/s3.2Mbit/s雙工方式FDD和TDDMAC幀往返時延（RTT）10ms安全模式AES（高級加密標準）109（2）純IP架構 IEEE 802.20秉承了I

42、EEE 802協議族的純IP架構。 純IP架構，與3GPP和3GPP2所提出的全IP概念有所不同前者是核心網和無線接入網都基于IP傳輸，而后者僅僅實現了核心網的IP化。 設計架構的差異使IEEE 802.20與其他3G技術相比具有明顯的優(yōu)勢。 1103IEEE 802.20的技術特點 透明支持實時和非實時業(yè)務；始終在線連接；廣泛的頻率重用；支持在各種不同技術間漫游和切換；小區(qū)間和扇區(qū)間無縫切換；支持空中接口的QoS與端到端核心網QoS一致：支持基于策略的QoS保證，支持IPv4和IPv6使能的QoS保證；支持多個MAC協議狀態(tài)以及狀態(tài)之間的快速轉移；對上行鏈路和下行鏈路的快速資源費配。 111

43、 用戶數據速率管理：支持與RF環(huán)境相適應的自動選擇最佳用戶速率；空中接口提供消息方式用于相互認證；允許與現存蜂窩系統(tǒng)的混合部署；空中接口的任何網絡實體之間都為開放接口，從而允許服務提供商和設備制造商分離實現這些功能實體。 盡可能首先考慮采用IETF協議。 1121.5 蜂窩移動通信技術概述1.5.1 3G的發(fā)展歷程圖1-20 3G的發(fā)展路標1131第一代移動通信系統(tǒng)(1G)主要代表：美國的AMPS系統(tǒng) 英國的TACS系統(tǒng) 北歐的 NMT系統(tǒng) 特點：采用頻分雙工（FDD） 頻分多址（FDMA） 缺點：模擬話音與傳輸 頻譜利用率低 保密性差、技術簡單 制式太多，互不兼容FDMA以模擬通信為特征11

44、42第二代移動通信系統(tǒng)(2G)以數字通信為特征主要代表：歐洲的GSM系統(tǒng) 北美的D-AMPS系統(tǒng)（IS-136） 日本的 PDC系統(tǒng) 美國的IS-95 特點：數字話音與傳輸 頻譜利用率高 話音質量和保密性提高 多種業(yè)務、集成度高 缺點：數字移動通信系統(tǒng)帶寬有限 無法實現移動多媒體業(yè)務 無法全球漫游TDMACDMA全球用戶最多1151978年：確定共用頻段。19821992年：制定GSM標準。GSM96版：提出并采用高速電路交換數據（High Speed Circuit Switch Data，HSCSD）技術?；陔娐方粨Q方式，利用多時隙為點對點用戶提供多種速率業(yè)務，最大傳輸速率達57.6kb

45、it/s，適用于語音和圖像等實時性數據業(yè)務。3GSM發(fā)展進程116GSM97版：提出并采用2.5G的通用分組無線業(yè)務（General Packet Radio Service，GPRS）技術?；诜纸M交換技術，支持115.2kbit/s的最高速率，可實現現有的TCP/IP應用，能提供Internet和其他分組網絡的全球性接入。117GSM99版：提出并采用2.75G的GSM演進的增強數據速率（Enhanced Data rate for GSM Evolution，EDGE）。能夠提供寬帶業(yè)務，采用8PSK調制技術和信道捆綁技術，可提供達384kbit/s的廣域數據通信和大約2Mbit/s的局

46、域數據通信服務。118第三代移動通信系統(tǒng)最早是由ITU在1985年提出的，考慮到該系統(tǒng)于2000年左右進入商用，且其工作頻段也在2000MHz，因此第三代移動通信系統(tǒng)正式更名為國際移動通信2000，即IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）。4第三代移動通信系統(tǒng)(3G)119主流標準包括：IMT-2000 CDMA-MC 即cdma2000（北美） FDDIMT-2000 CDMA-DS 即WCDMA（歐洲、日本） FDDIMT-2000 CDMA-TDD 即TD-SCDMA（中國） TDD WiMAX（美國） TDD120 3

47、G主流標準以CDMA碼分多址為核心。其中WCDMA、TD-SCDMA由3GPP（3rd Generation Partnership Project）負責標準化工作，而cdma2000由3GPP2（3rd Generation Partnership Project2）負責標準化工作。1211.5.2 幾種主流的3G標準1cdma2000 cdma2000是由IS-95A/B標準演進而來的第三代移動通信標準，由3GPP2負責具體標準化工作。 目前cdma2000有由3GPP2制定的 Release 0、A、B、C和D五個支持cdma2000 1x及增強型技術的版本，以及由EIA/TIA發(fā)布的支

48、持cdma2000 1x EV-DO的IS-856和IS-856A標準。122 cdma2000 1x EV-DO定位于Internet的無線延伸，能以較少的網絡和頻譜資源（在1.25MHz標準載波中）支持平均速率為：靜止或慢速移動：1.03Mbps（無分集）和1.4Mbps（分集接收）；中高速移動：700kbps（無分集）和1.03Mbps（分集接收）。其峰值速率可達2.4Mbps，而且在IS-856A中可支持高達3.1M的峰值速率。1232WCDMA WCDMA是一種由3GPP具體制定的，基于GSM MAP核心網，UTRAN（UMTS陸地無線接入網）為無線接口的第三代移動通信系統(tǒng)。目前WC

49、DMA有Release 99、Release 4、Release 5、Release 6等版本。 124 WCDMA采用直接序列擴頻碼分多址（DS-CDMA）、頻分雙工（FDD）方式、碼片速率為3.84Mbps，載波帶寬為5MHz?；赗elease 99/Release 4版本，可在5MHz的帶寬內，提供最高384kbps的用戶數據傳輸速率。125 在Release 5版本引入了下行鏈路增強技術，即HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分組接入）技術，在5MHz的帶寬內可提供最高14.4Mbps的下行數據傳輸速率。 在Release6版本中引

50、入了上行鏈路增強技術，即HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分組接入）技術，在5MHz的帶寬內可提供最高6Mbps的上行數據傳輸速率。1263TD-SCDMA TD-SCDMA（Time Division Synchronization Code Division Multiple Access）的中文含義為時分同步碼分多址接入。 TD-SCDMA從2001年3月開始，正式寫入3GPP的Release 4版本。目前TD-SCDMA已有Release 4、Release 5、Release 6等版本。127 TD-SCDMA采用不需成對頻率的TDD

51、雙工模式以及FDMA/TDMA/CDMA相結合的多址接入方式，使用1.28Mbps的低碼片速率，擴頻帶寬為1.6MHz。 基于Release 4版本， TD-SCDMA可在1.6MHz的帶寬內，提供最高384kbps的用戶數據傳輸速率。 TD-SCDMA在Release 5版本引入了HSDPA技術，在1.6MHz帶寬上理論峰值速率可達到2.8Mbps。1284三種主要技術標準比較12953G主流技術的優(yōu)勢（1）漫游能力 目前全球大部分國家已經開通3G網絡，其中80%運營商選擇WCDMA和20%運營商選擇cdma2000。良好的全球漫游能力有利于與其他運營商的合作和吸引高端用戶。 130（2）安

52、全性 目前3G采用了很多種加密技術，保證通話和數據的安全，不管是話音還是數據都具備很強的保密性，通過多層的協議控制，數據在網絡中可以非常安全的傳輸。 131（3）技術成熟度 3G于1996年提出標準，2000年完成包括上層協議在內的完整標準的制訂工作。3G網絡部署已具備相當的實踐經驗，有一成套建網的理論，包括對網絡的鏈路預算、傳播模型預算、以及計算機仿真等。 132（4）商業(yè)模式 商業(yè)運作模式成熟，3G網絡得到眾多設備商、終端制造商、內容提供商支持，具備一個非常全的產業(yè)鏈。 1332022/7/181.5.3 國內外3G頻段圖1-21 IMT-2000的核心頻段（MHz）134圖1-22 IM

53、T-2000的擴展頻譜135圖1-23 中國的3G頻率規(guī)劃136中國移動TD-SCDMA：1880MHz -1900MHz，但之前TD-SCDMA試驗網獲得2010MHz-2025MHz的頻譜，兩者加起來，TD-SCDMA共獲得35MHz。中國電信CDMA2000：1920MHz -1935MHz（上行）、2110MHz -2125MHz（下行），獲得215MHz。中國聯通WCDMA：1940MHz-1955MHz(上行)、2130MHz -2145MHz(下行) ，獲得215MHz。 1371.5.4 全球3G網絡發(fā)展現狀1全球3G進入規(guī)模發(fā)展階段 全球3G網絡數量持續(xù)增長。截至2011年2

54、月，3G網絡已經覆蓋全球超過165個國家和地區(qū)，占全球國家和地區(qū)總數的72%。全球部署3G商用網絡506個，其中WCDMA網絡383個， EV-DO網絡123個。3G增強型技術成為主流應用技術，全球90%的WCDMA 網絡已經升級到HSPA。 138 全球3G用戶已經進入規(guī)模增長階段。截至2010年底，全球3G用戶總數為8.2億。其中，2010年度3G新增用戶將達到2.1億，與2009年相比增長34.4%，在移動用戶中占比由2009年的12.9%升至 15.2%，在新增用戶比例達到39.4%。 13923G業(yè)務不斷豐富 全球智能手機市場高速發(fā)展，成為引領移動終端發(fā)展的核心動力。根據咨詢公司Ga

55、rtner的統(tǒng)計數據顯示，2010年全球智能手機終端用戶銷量共計2.97億，較2009年增長72.1%。集娛樂、應用、移動互聯三大核心功能于一身的新型操作系統(tǒng)手機成為推動智能手機市場快速發(fā)展的關鍵因素。 140 截至2010年12月，全球移動互聯網用戶達到9.4億，年復合增長率約為69%。從移動互聯網業(yè)務應用情況來看，高流量、個性化移動互聯網應用正在快速發(fā)展，多媒體大流量業(yè)務已經成為電信運營商新的利潤增長點，而位置服務、移動SNS、微博等個性化業(yè)務也正在成為拉動用戶活躍度的有效工具。 1413中國的3G發(fā)展 截止2012年9月底，我國移動用戶總數達到108474.4萬戶，其中3G用戶達到202

56、63.9萬戶，占移動用戶比例為18.68%。其中，9月份我國移動電話用戶新增1250.2萬戶，其中3G用戶凈增1008.2萬戶，3G用戶占新增用戶比例達到80.64%。 142 2009年1月7日，我國正式發(fā)放3G牌照到2011年9月底3G用戶過億，中國用了2年多時間；而從1億戶到2億戶，只用了約1年時間，我國3G發(fā)展逐步產生了規(guī)模效應。143 根據三家運營商統(tǒng)計數據，截止9月底，中國移動累計3G用戶數達7559.5萬，中國聯通3G用戶總數達到6686.3萬戶，中國電信3G用戶總數達6018.1萬戶（未正式公布），分別占到我國3G用戶總數的37.3%、33%及29.7%，基本實現三家三分天下的

57、格局。1441.5.5 3G技術的演進圖1-24 3G技術演進路徑1451.5.6 LTE技術概述 為了有效應對寬帶接入技術的挑戰(zhàn)，同時為了滿足不斷增加的新型業(yè)務需求，3GPP在2004年年底啟動了其長期演進（LTE ，Long Term Evolution ）技術的標準化工作。LTE是3GPP為了未來10年保證3GPP系列技術的生命力，抵御來自非3GPP陣營技術的競爭而啟動的最大規(guī)模的標準研究項目。希望達到以下幾個主要目標：146 保持3GPP在移動通信領域的技術及標準優(yōu)勢。通過LTE技術進一步改進和增強現有3G技術的性能，以應對現有WiMAX等新興無線寬帶接入技術的競爭。147 填補第三代

58、移動通信系統(tǒng)和第四代移動通信系統(tǒng)之間存在的巨大技術差距。LTE重新定義了空中接口和核心網絡，摒棄了CDMA技術，采用原計劃用于B3G/4G的OFDM、MIMO等技術，為3G技術向B3G/4G演進提供了一個臺階，使3G向4G的演進相對平滑。 148 希望使用已分配給第三代移動通信系統(tǒng)的頻譜，保持無線頻譜資源的優(yōu)勢。 解決第三代移動通信系統(tǒng)存在的專利過分集中的問題。149技術指標具體內容支持帶寬1.420MHz頻段和頻譜特性現有2G、3G和3G擴展頻段（900MHz、2GHz、2.6GHz等）成對和非成對頻段采用相似技術峰值數據率上行50Mbit/s（21天線），下行100Mbit/s（22天線）峰值頻譜效率下行5（bit/s）/Hz，上行2.5（bit/s）/Hz系