無線接入概論

無線接入概論第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五7.1概述無線接入具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)：使用靈活性和更強(qiáng)的抗災(zāi)變能力游牧式的接入：NomadicAccess無線接入網(wǎng)，是部分或全部采用無線電波這一傳輸媒質(zhì)連接用戶與交換中心的接入網(wǎng)無線接入網(wǎng)無線本地環(huán)路蜂窩與無繩系統(tǒng)連接用戶終端與交換中心的微波一點(diǎn)對多點(diǎn)系統(tǒng)衛(wèi)星接入系統(tǒng)無線局域網(wǎng)第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五使用歷史采用無線電波連接用戶與交換中心已有多年歷史最初，其主要應(yīng)用為兩個(gè)方面用于用戶密度稀疏且有線鏈路難以到達(dá)的地區(qū)，如海島、山區(qū)和農(nóng)村等作為臨時(shí)性通信手段使用，例如，臨時(shí)貿(mào)易中心、臨時(shí)體育比賽中心等應(yīng)用場合隨著蜂窩和無繩移動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，無線鏈路的使用已移向用戶密集的市區(qū)同時(shí)，它也逐漸從臨時(shí)性鏈路變?yōu)橛谰眯枣溌窂墓潭ㄐ越尤胱優(yōu)橐苿?dòng)性接入從窄帶接入向?qū)拵Ы尤氚l(fā)展第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五例：蜂窩移動(dòng)通信第一代（1G）模擬移動(dòng)通信的歷史使命已完成第二代（2G）數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)正在運(yùn)營第三代（3G）移動(dòng)通信系統(tǒng)正在運(yùn)營第四代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)正在孕育之中第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五分類無線接入網(wǎng)按照用戶終端的可移動(dòng)性，可分為固定接入移動(dòng)接入按照傳輸帶寬的寬窄，可分為窄帶接入：接入速率低于2Mb/s寬帶接入：傳輸帶寬高于或等于2Mb/s第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五無線接入網(wǎng)主要特點(diǎn)建設(shè)周期短-省去了挖坑埋纜，或豎桿架線等線路施工過程在通信距離較長時(shí)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性-節(jié)省建設(shè)投資和維護(hù)費(fèi)用抗災(zāi)變能力強(qiáng)-不容易被自然災(zāi)害所中斷，恢復(fù)時(shí)間也較短能同時(shí)向用戶提供固定接入和移動(dòng)接入。能向用戶提供移動(dòng)性業(yè)務(wù)是無線接入網(wǎng)區(qū)別于有線接入網(wǎng)的最重要標(biāo)志支持個(gè)人通信。個(gè)人通信的特點(diǎn)是用戶與終端的移動(dòng)性第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五無線接入信道的反射、衍射和散射電磁波在傳播時(shí)，如果遇到障礙物，并且此障礙物大小與波長相比很大，那么電磁波就會(huì)發(fā)生反射遇到障礙物有比較尖銳的斷面，電磁波會(huì)發(fā)生衍射，即不按直線傳播當(dāng)傳播介質(zhì)充滿了遠(yuǎn)小于波長的障礙物，則電磁波發(fā)生散射-向多方向輻射第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五衰落與多徑傳播多徑傳播在無線信道中，電磁波傳播時(shí)由于各種反射、衍射和散射，會(huì)產(chǎn)生大量的傳播路徑，傳播路徑不同會(huì)造成相位差異，路徑損失也不同在接收端來自不同方向、通過不同傳播路徑的電磁波經(jīng)由同一天線接收，會(huì)在天線處通過矢量疊加得到合成信號，形成多徑傳播衰落移動(dòng)臺(tái)短時(shí)快速移動(dòng)，會(huì)使接收的能量起伏不定，呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)波動(dòng)現(xiàn)象，即衰落，這種衰落的能量波動(dòng)變化很快，稱為快衰落，（小尺度衰落）當(dāng)接收天線向遠(yuǎn)離發(fā)射天線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量也會(huì)衰減，這種衰減幅度較小，稱為慢衰落（大尺度衰落）第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五影響衰落的因素多徑傳播移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度信道中障礙物的移動(dòng)速度信號的帶寬第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五衰落類型信道參數(shù)（時(shí)延和Doppler擴(kuò)展）以及信號參數(shù)（帶寬、符號間隔）共同決定了發(fā)射信號所經(jīng)歷的衰落特性，根據(jù)這些參數(shù)可以將信道進(jìn)行分類。多徑時(shí)延擴(kuò)展產(chǎn)生的衰落效應(yīng)平坦衰落：無線信道帶寬大于發(fā)射信號帶寬，信號頻譜不變頻率選擇性衰落：信道帶寬小于信號帶寬，接收信號各頻率分量增益不同Doppler擴(kuò)展引起的衰落效應(yīng)快衰落：信道的變化率大于信號的變化率，即數(shù)據(jù)率很低的情況下慢衰落：信道的變化率小于信號的變化率，即信道可以在一個(gè)或多個(gè)符號周期不變化第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五常見的無線環(huán)境車載無線環(huán)境特征是宏小區(qū)和大的發(fā)射功率室外到室內(nèi)和步行者的無線環(huán)境特征是微小區(qū)和低的發(fā)射功率室內(nèi)辦公無線環(huán)境發(fā)射功率較小，基站和用戶均在室內(nèi)第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五無線接入的基本技術(shù)信源編碼與信道編碼技術(shù)多址接入技術(shù)抗衰落技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)無線空中接口第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五信源編碼技術(shù)信源編碼就是將來自模擬信源或離散信源的信號變換為適合于在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)字信號波形編碼對模擬話音信號取樣、量化后直接編碼形成數(shù)字信號在接收端通過解碼恢復(fù)話音信號的原始波形參量編碼對模擬話音信號取樣、量化后，取出話音的特征參量，對這些特征參量進(jìn)行編碼形成數(shù)字信號直接編碼形成數(shù)字信號在接收端通過解碼確保話音的可懂度和清晰度混合編碼不但對話音信號的特征參量進(jìn)行編碼，而且對原信號的部分波形進(jìn)行編碼在數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五信道編碼技術(shù)信道編碼就是在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，在信息碼元中再增加冗余碼元（即監(jiān)督碼元），用來供接收端糾正或檢出信息在信道傳輸中產(chǎn)生的誤碼分組碼特點(diǎn)：監(jiān)督碼元只與本組的信息碼元有關(guān)循環(huán)碼中的任何一個(gè)碼字向左或向右循環(huán)移位后，仍是該碼字集合中的碼字BCH碼是一種能糾正多個(gè)隨機(jī)差錯(cuò)的特殊循環(huán)碼，其碼長為n＝2m－1或是2m－1的因子，m為正整數(shù)R-S是Reed-Solomon碼的縮寫，是一種多進(jìn)制的BCH碼。一個(gè)M進(jìn)制碼元有M個(gè)二進(jìn)制碼元第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五信道編碼技術(shù)（2）交織編碼將已編碼的碼字交織，使突發(fā)誤碼轉(zhuǎn)換為一個(gè)糾錯(cuò)碼字內(nèi)的隨機(jī)誤碼對突發(fā)錯(cuò)誤有效卷積碼表示編碼器的n個(gè)輸出不僅與本時(shí)間單元內(nèi)的k個(gè)輸入碼有關(guān)，還和前m-1個(gè)時(shí)間單元的輸入碼有關(guān)Turbo碼卷積編碼+非均勻交織第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五多址接入技術(shù)頻分多址（FDMA）FrequencyDivisionMultipleAccess把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個(gè)等間隔的頻道（或稱信道），分配給不同的用戶使用時(shí)分多址（TDMA）TimeDivisionMultipleAccess把無線頻譜按時(shí)隙劃分，若干個(gè)時(shí)隙組成一幀碼分多址（CDMA）CodeDivisionMultipleAccess各用戶使用各自的擴(kuò)頻編碼，即用互不相同、相互正交或準(zhǔn)正交的地址碼來調(diào)制信號，在接收端通過相關(guān)檢測從混合信號中選出相應(yīng)的信號空分多址（SDMA）SpaceDivisionMultipleAccess通過控制用戶的空間輻射能量來提供多址接入能力通過分割空間信道分離同一時(shí)隙和同一頻道上的多個(gè)用戶信號第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五抗衰落技術(shù)分集技術(shù)空間分集（SpaceDiversity）是在發(fā)端使用一副發(fā)射天線，接收端使用多副接收天線，并且接收端天線的間隔足夠大（d≥/2），從而保證各接收天線輸入信號的衰落特性相互獨(dú)立時(shí)間分集（TimeDiversity）就是將給定的信號在時(shí)間上相隔一定的間隔重復(fù)傳輸多次，只要時(shí)間間隔大于相干時(shí)間，就可以得到多條獨(dú)立的分集支路頻率分集（FrequencyDiversity）是將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去，只要載頻的間隔大于相干帶寬，那么在接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五抗衰落技術(shù)（2）自適應(yīng)均衡技術(shù)采用自適應(yīng)均衡技術(shù)可以克服碼間干擾均衡技術(shù)的目的是根據(jù)信道的特性，按某種最佳準(zhǔn)則來設(shè)計(jì)均衡器的特性，使得經(jīng)過信道傳輸后的收端信號與發(fā)端信號之間達(dá)到最佳匹配算法有多種，即最小均方誤差算法、遞歸最小二乘法、快速遞歸最小二乘法、平方根遞歸最小二乘法和梯度遞歸最小二乘法等第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)目標(biāo)對于接入網(wǎng)絡(luò)的呼叫請求進(jìn)行鑒權(quán)，判定用戶身份的合法性對移動(dòng)臺(tái)的用戶識別碼進(jìn)行保護(hù)，即用經(jīng)常變更的臨時(shí)移動(dòng)臺(tái)識別碼代替用戶識別碼對無線信道上的用戶數(shù)據(jù)和信令信息進(jìn)行加密用戶鑒權(quán)移動(dòng)臺(tái)做主叫、移動(dòng)臺(tái)做被叫、移動(dòng)臺(tái)位置登記、位置更新、基站要求鑒權(quán)信息加密使基站和移動(dòng)臺(tái)之間交換的用戶信息和用戶參數(shù)不被截獲或監(jiān)聽第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五無線空中接口無線接口自下而上分為三層：物理層---完成編碼、調(diào)制及各物理信道的擴(kuò)頻數(shù)據(jù)鏈路層---在移動(dòng)臺(tái)和基站之間建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道完成建立、維持及釋放一個(gè)邏輯鏈路連接所必須的功能，包括流量控制、爭先判決、序列控制，選擇確認(rèn)或不確認(rèn)操作之類的通信方式，將通信數(shù)據(jù)插入發(fā)信數(shù)據(jù)幀或從收信幀中取出等管理層---可進(jìn)一步分為三個(gè)子層無線資源管理子層：建立、改變和釋放無線信道。包括無線信道的設(shè)置、分配、切換及性能監(jiān)測等移動(dòng)管理子層主要支持用戶的移動(dòng)性，在移動(dòng)臺(tái)和移動(dòng)交換中心間建立、保持及釋放連接，管理由移動(dòng)臺(tái)啟動(dòng)的位置更新，以及加密、識別和用戶鑒權(quán)等事務(wù)連接管理子層支持以交換信息為目的的通信，由呼叫控制、補(bǔ)充業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)組成第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五總結(jié)無線傳輸技術(shù)復(fù)雜頻率有限、干擾起伏、信道復(fù)雜近年來技術(shù)進(jìn)步令人矚目高效調(diào)制、強(qiáng)力糾錯(cuò)、有效的MAC協(xié)議需求與技術(shù)，強(qiáng)烈激發(fā)了多種BWA的標(biāo)準(zhǔn)化BWA：BroadbandWirelessAccessWPAN/WLAN/WMAN/WRAN，WWAN無線接入正在迎來生機(jī)蓬勃的春天第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五7.2無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史歷史悠久互聯(lián)網(wǎng)初期：ARPANET無線傳輸?shù)姆纸M交換網(wǎng)絡(luò)：PRNET分組無線網(wǎng)和SATNET分組衛(wèi)星網(wǎng)早期的無線接入網(wǎng)：夏威夷大學(xué)ALOHAnet：將分散在4個(gè)島嶼上的計(jì)算機(jī)終端用無線網(wǎng)絡(luò)連接到主校區(qū)的計(jì)算機(jī)主機(jī)早期網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)無線接入，有時(shí)是不可取代的，如野外、荒島分組交換是唯一合理的技術(shù)必須大大提高調(diào)制、抗干擾的能力必須深入研究MAC協(xié)議以適應(yīng)復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境長期以來，研究工作一直在努力例如軍事通信領(lǐng)域的Ad-hoc、MANET第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五7.3地面BWA技術(shù)多種BWA技術(shù)正在蓬勃發(fā)展需求牽引、技術(shù)推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)十分活躍IEEE802委員會(huì)對BWA展開全線標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)802.11：WLAN，無線局域網(wǎng)802.15：WPAN，無線個(gè)域網(wǎng)802.16：WMAN，無線城域網(wǎng)802.20：MBWA，移動(dòng)寬帶無線接入802.22：WRAN，無線區(qū)域網(wǎng)WWAN：無線廣域網(wǎng)正在走向?qū)拵?，例?G第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五WLAN接入技術(shù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：802.11，現(xiàn)行版本是1999版802.11：2Mb/s802.11b：11Mb/s802.11a和802.11g：54Mb/s802.11n：100Mb/s802.11i：增加安全性802.11e：鏈路QoS802.11s：無線mesh網(wǎng)802.11p：車輛接入網(wǎng)802.11k：無線廣播資源管理802.11v：無線網(wǎng)絡(luò)管理廠商聯(lián)盟Wi-Fi(WirelessFidelity)第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五WMAN接入技術(shù)城域接入網(wǎng)絡(luò)，覆蓋半徑為10千米到幾十千米，70Mb/s技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：802.16802.16-2001：在10GHz-66GHz頻段工作的固定BWA系統(tǒng)2Mb/s802.16c-2002：技術(shù)上修正802.16a-2003：2GHz-11GHz頻段工作的BWA系統(tǒng)802.16-2004：當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)版本，用于城域固定寬帶無線接入802.16e：提供面向移動(dòng)終端的服務(wù)廠商聯(lián)盟WiMAX(微波接入全球互操作性)論壇第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五WWAN接入技術(shù)并不直接使用物理介質(zhì)，而是基于已有的通信基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)件網(wǎng)絡(luò)---基于移動(dòng)通信GSM+GPRS=2.5G網(wǎng)絡(luò)3G移動(dòng)通信系統(tǒng)第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五WPAN接入技術(shù)附加一公里工作于服務(wù)10m范圍的個(gè)人區(qū)域，用于組成個(gè)人網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：802.15第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五7.4衛(wèi)星接入技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋特性地面網(wǎng)絡(luò)：路燈式覆蓋衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)：陽光式覆蓋衛(wèi)星接入的特別意義覆蓋：邊遠(yuǎn)地區(qū)、崇山峻嶺、浩瀚海域用于：野外接入、應(yīng)急搶險(xiǎn)接入、海上接入衛(wèi)星軌道類型：GEO/MEO/LEOGEO：地球同步軌道衛(wèi)星，36000km的地球同步軌道上LEO：低地球軌道衛(wèi)星，800km-2000km，發(fā)射功率低MEO：中地球軌道衛(wèi)星，10000km-20000km，覆蓋單次通信應(yīng)用前景前幾年，部署受挫現(xiàn)在，正開始新一輪發(fā)展第28頁，共30頁，2023年，2月20日，星期五7.5競爭與共存BWA技術(shù)的競爭各種BWA應(yīng)用領(lǐng)域并不一致也存在強(qiáng)烈競爭，