第5章-无线广域网课件

第5章 无线广域网2本章内容简介无线广域网概述IEEE802.20技术标准2G/3G/4G技术简介无线广域网的应用3无线广域网概述无线广域网(WWAN)指能覆盖很大面积范围的无线网络，它能提供更大范围内的无线接入，与其它无线网络相比较，应更能强调快速移动性。从目前的应用实际来看，WWAN的传输速率通常不是很高。典型的WWAN如GSM移动通信、卫星通信、3G、4G等系统。4WWAN使用户能使用笔记本电脑、智能手机或其它移动设备在蜂窝网络覆盖范围内方便地接入网络，进而访问因特网。WWAN的连接能力可涵盖相当广泛的地理区域，但迄今为止其数据传输速率相比WiFi、WiMax等都偏低。目前全球的移动通信网络主要采用两大技术：GSM和CDMA，预计这两者均将逐步向3G/4G等技术演进。5GSM标准很早就在欧盟得以使用，包括GSM语音通信、GPRS数据传输、EDGE等技术，占据了全球60%的市场。WCDMA(Wideband CDMA)技术被许多运营商选为GSM的3G更新标准，WCDMA的数据传输速率可达2Mbps或更高。美国高通公司最早提出了窄带CDMA(CDMA IS95)技术，之后发展为CDMA2000，也称CDMA Multi-Carrier。6摩托罗拉、朗讯、三星等公司积极参与CDMA标准制定，韩国现已几乎成为该标准的主导者。目前使用CDMA的地区为日、韩和北美，虽然市场份额少于WCDMA，但技术研发进展很快，许多3G产品已面世并得到使用。7TD-SCDMA(Time Division-Synchronous CDMA，时分同步码分多址)是我国提出的具有自主知识产权的3G技术标准，相对于CDMA2000和WCDMA，其起步较晚。该标准融合了智能天线、同步和软件无线电等技术，在频谱利用率、业务支持的灵活性、频率灵活性、成本等方面有独特优势。8为提高移动宽带无线接入(MBWA)速度，IEEE802委员会专门设立了802.20工作组，制定IEEE802.20相关标准。IEEE 802.20标准规定了工作在3.5GHz以下需申请牌照的频段用户峰值：4Mbps(下行)/1.2Mbps(上行)小区峰值：16Mbps(下行)/3.2Mbps(上行)9802.20采用纯IP体系结构，从网络到终端均使用基于IP的协议通信组成主要包括：IP核心网、含高速路由器的基站、网络调度器、鉴权、认证和计费(AAA)服务器、及支持各种应用的终端设备等10IEEE802.20技术标准lIEEE802.20的发展2002年3月，思科等提出Mobile-Fi概念2002年7月，移动宽带无线接入研究小组从802.16工作组中独立出来2002年11月，802.20工作组正式成立2004年11月，802.20工作组确定了其标准化时间表2005年，初步完成前期准备和征集提案等工作 2006年6月IEEE暂停了802.20工作组的活动112006年11月，802.20工作组重新开始标准的制定活动 目前，802.20标准还处于制定阶段 12lIEEE802.20的组成与模型IEEE802.20主要包括以下部分：无线信道模型移动性管理及切换模型分布式安全模型支持的业务模型13l无线信道模型802.20的无线信道模型采用了MIMO，主要有：相关模型、射线跟踪模型和散射模型。相关模型通过在发射端和接收端合并独立复高斯信道矩阵来描述空间相关性。射线跟踪模型假设已知反射物位置，信道特性通过仿真从每一个发送天线到每一个接收天线的大量数据累加来预测。散射模型假定散射物的特定统计分布，利用该分布，通过仿真散射物间的相互作用平面波的方向产生信道模型。14l移动性管理及切换模型移动节点(MN)与固定用户通信，则需家乡代理(HA)和外地代理(FA)共同参与。HA和FA可以是驻留在基站路由器的专用通信模块，也可采用另外的通信设备来实现。l分布式安全模型 分布式安全模型是相对于集中式安全模型而言分布式安全模型中，各设备只需将自身作为安全管理器，不依赖其它设备来实现信任功能。15l业务模型各种移动终端设备(如笔记本PC、PDA、智能手机等)的普及移动通信业务的需求也在不断增长 WWW、FTP、Email、VoIP、视频会议、即时通信及其它各种应用等 16lIEEE802.20的性能和协议栈IEEE802.20的目标是制定适用于高速移动环境下的宽带无线接入系统的空中接口规范在物理层技术上，以OFDM和MIMO为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，提高系统的频谱效率。在设计理念上，基于分组转发的纯IP架构处理突发性数据的性能也优于现有3G技术，与3.5G(HSDPA、EV-DO)性能相当。17lIEEE802.20的性能指标表工作频率3.5G频带分配分配给移动通信业务的需牌照频段双工方式FDD和TDD移动速度最高可达250kmph小区范围约15km，即一般城域网范围，视具体而定安全模式AESMAC帧环路时延800kbps3.2Mbps用户峰值数据速率(上行)300kbps1.2Mbps小区峰值数据速率(下行)4Mbps16Mbps用户峰值数据速率(下行)1Mbps4Mbps频谱效率移动终端速度上行下行3kmph120kmph3kmph120kmph频谱效率(bit/s Hz/sector)1.00.752.01.7518l从上表的性能指标可以看出802.20具有如下特点：高移动性。IEEE802.20可支持的最高速率为250km/h，已达传统2G/3G的性能。频谱效率高IEEE802.20频谱效率远高于当前的主流移动技术，如CDMA2000、EV-DO等。19非视距环境下的覆盖范围广 IEEE802.20的单个小区覆盖半径为15km，可以和WCDMA等3G技术和HSDPA等3G的演进技术相竞争。短时延 IEEE802.20的MAC帧往返时延小于10ms，加上无线链路控制层和应用层的处理时延，足以满足ITU-T规定的电话语音传输时延要求，可提供优质的无线VoIP语音业务。20数据传输高于3G下行链路可提供大于1Mbps的峰值速率，远高于3G技术的性能指标（步行384kbps，高速移动144kbps）21lIEEE802.20协议模型 22l基于IP的802.20协议栈 23l基于IP的802.20协议栈具有下列优势：基于IP的设计，将现有IP网络简单扩展到无线终端，形成移动的、无处不在的网络接入，透明地支持基于各种网络的应用业务。使用标准IP网络部件，无需额外增加网络设备。以数据为中心的物理层和MAC层具有高吞吐量、低冗余等特点。24lIEEE802.20与IEEE802.16e、3G的比较802.20在保持较高数据传输速率的同时，能满足用户更高的移动性要求802.16e为移动性要求不高的用户提供高速、有效的对称数据传输3G的数据传输速率较低，但能满足用户的全球移动性要求。802.20、802.16e 和3G技术比较l表5.2，802.20、802.16e 和3G 的主要技术比较一，见5.2.3节；262G/3G/4G技术简介l移动通信网络的几个发展阶段模拟蜂窝通信 GSM支持数据业务的GPRS GPRS到3G的过渡 3G4G技术27l2G技术以GSM数字蜂窝移动通信系统为例，它具有以下特点：由几个子系统组成，并可与PSTN等各种公用通信网互连互通；能提供穿过国际边界的自动漫游功能，移动用户可进入GSM系统而与国别无关；除话音业务外，还可开放各种承载业务、补充业务等；28有加密和鉴权功能，确保通信保密和网络安全；具有灵活方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承载能力较强，保证在话音和数据两方面都能满足用户的要求；抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高；终端设备(手机)向更小型、轻巧和增强功能趋势发展。29l3G技术ITU在2000年确定了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准。WCDMA(Wideband CDMA)的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商 CDMA2000由高通公司主导TD-SCDMA是由我国主导的3G标准 30lWCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000技术比较 WCDMATD-SCDMACDMA2000载波间隔5MHz1.6MHz1.25MHz码片速率3.84Mcps1.28Mcps1.2288Mcps帧长10ms10ms(分为两个子帧)20ms基站同步不需要需要需要典型方法GPS功率控制快速功控：上、下行1500Hz0-200Hz反向：800Hz前向：慢/快速功控下行发射分集支持支持支持频率间切换支持，可用压缩模式进行测量支持，可用空闲时隙进行测量支持检测方式相干解调联合检测相干解调信道估计公共导频DwPCH,UpPCH,Midamble前向，反向导频编码方式卷积码Turbo码卷积码Turbo码卷积码Turbo码31l4G技术4G网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，由无线和核心网结合完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。提供具体的应用服务l2010年底，ITU已将LTE-Advanced 和Wireless MAN-Advanced确定为4G标准。32无线广域网的应用行业应用电力连接分布于不同地点的变电站、电厂和电力局税务连接税务征收点、基层税收部门、税务分局和税务局教育连接教学楼、图书馆和学生宿舍医疗连接医院、药房和诊所银行连接分散的营业网点、分行和总部交通运输连接各路口的监控点和监控中心，连接机场、铁路、港口大型企业连接公司总部、远程办公室、销售终端和厂区公共安全连接公安局、派出所、消防和治安点安全监控将远程监控点采集的视频监控信息传输到监控中心大型场馆和展览馆为体育、表演、展览和促销活动建立临时网络连接33l无线广域网应用实例在公安巡逻中，一线公安人员(如交警和巡警)每天都驾驶摩托车或警车在路上执勤，处理交通违规事件，检查来往车辆，有时可能需要迅速获得一些有关车辆及驾驶员的信息。然而，在目前大多数条件下，一线民警一般都采用对讲机与总部联系，因此只能得到语音信息，无法得到确切数据信息。此外，对违章驾驶员的罚款缴纳，也需要等到罚单汇总到系统中，这对交通管理带来诸多不便。为此，采用无线广域网技术，能有效解决该问题。