宽带无线通信技术概述

1宽带无线通信技术（BroadbandWirelessCommunicationTechnology）电子与信息工程学院（2013年秋季学期）2课程的基本信息授课学时：40；学分：2.5。授课时间：7-16周；考试时间：18周。教学内容：教材基本内容+补充内容。教学安排：1.宽带无线通信技术基础部分（第1章~第3章）：贾敏；2.宽带无线通信技术应用部分（第4章~第6章）：李卓明；3.课程总结：2学时。考核：1．出勤情况+课堂表现:10-20分；2．作业:10分；3．闭卷考试:卷面70-80分。课程学习要求：掌握宽带无线通信的基本理论与宽带无线通信网络的基础知识，以及目前宽带无线通信领域的主流标准和新技术。3第1章宽带无线通信技术概述主要内容:1.1无线通信技术的发展1.2宽带无线接入概述1.3宽带无线接入技术的分类1.4BWA技术的发展概况1.5蜂窝移动通信技术概述1.6宽带无线通信技术发展趋势41.1无线通信技术的发展过去的10多年是通信技术、电信基础设施建设及电信服务水平飞速发展的黄金十年，高新技术不断涌现，基础设施日益完善，服务模式推陈出新，形成了一个欣欣向荣的巨大产业，涌现了一些具有代表性的通信技术。1.1.1通信技术的总体发展5在有线通信方面，随着20世纪90年代中期ATM、FR、DDN网络的大面积建设，电信数据网络市场彻底告别了X.25时代，开启了一个宽带数据网络发展与应用的春天。6在公众服务领域，无线和移动通信技术及服务相对有线通信而言可谓是更加轰轰烈烈，后来居上。20世纪80年代末的无线寻呼技术及服务的出现，首次将普通百姓带入了一个移动通信的时代。7第一代移动通信系统是以美国的AMPS标准和欧洲的TACS标准为代表的移动通信系统，它是模拟体制的移动通信技术。第二代移动通信系统的出现迅速将公众个人移动通信服务推进了高速发展的黄金时期。第三代移动通信系统（简称3G）向人们描绘的是一个空前眼花缭乱的移动通信服务世界。8LTE(LongTermEvolution)技术进一步改进和增强现有3G技术的性能，以应对现有WiMAX等新兴宽带无线接入（BWA）技术的竞争。LTE采用原计划用于B3G/4G的OFDM、MIMO等技术，为3G技术向B3G/4G演进提供了一个台阶，使3G向4G的演进相对平滑。9而与此同时，以IEEE802.11a/b/g为代表的WLAN技术，以及以IEEE802.16为代表的WiMAX下一代宽带无线接入技术，甚至还包括以DVB-T、DVB-H为代表的数字电视地面无线广播技术，如此众多的成熟和即将成熟的无线通信技术，在不久的将来将共同组成一个高效、灵活和可靠的无线通信网络和移动通信网络。10图1-1信息网络技术的总体发展历程和趋势11通信市场正在呈现出话音业务移动化，数据业务宽带化的发展趋势；电信网络也正向无线化和宽带化发展；在以ITU和3GPP/3GPP2引领的蜂窝移动通信从3G到E3G，再走向B3G/4G的演进道路上，各种无线技术通过相互竞争互相借鉴和学习，使得宽带无线通信技术不断完善，网络安全性、实用性不断增强；1.1.2宽带无线通信技术发展背景12丰富的市场终端支持，整个产业链已逐渐成熟；政府社会信息化建设需求，加速了宽带无线通信的发展。13图1-2移动宽带接入的需求日益提高截止2012年初，全球手机用户数量达到60亿，全球有超过1.2亿的互联网用户。14ISDNVDSLCATVxDSL1990100K1M10M100M1G19952010Dataspeed1K10KVoicebandmodem20052000●W-CDMATD-SCDMAcdma200●cdma2000EV-DO(2.4M)●W-CDMA/TD-SCDMAHSDPA(14M)●LTE(50M/100M)图1-3固网上的应用在数年后会在移动网上出现15国际电信联盟报告ITU-RM.2033定义：窄带（narrowband）：是指数据传输速度在100kbit/s以下的通信服务；宽带（wideband）：是指数据传输速度比窄带高，通常可达几百kbit/s；宽带（broadband）：是指数据传输速度在1Mbit/s以上，典型传输速度在1~100Mbit/s之间。1.1.3宽带无线通信的概念16FCC（FederalCommunicationsCommission）2010年07月24日为“宽带”这个词语下了一个定义，FCC认为宽带意味着下载速率为4Mbps，上行为1Mbps，可以实现视频等多媒体应用，并同时保持基础的Web浏览和E-Mail特性。目前的宽带对家庭用户而言是指传输速率超过1M，可以满足语音、图像等大量信息传递的需求。17大系统容量、高业务速率支持能力，亟待发展的核心技术领域；世界各国高新技术支柱产业；当前和今后国际学术界及产业界竞争焦点；瓶颈问题突出，发展面临巨大挑战：业务需求旺盛，增长迅猛；频谱资源受限，形成瓶颈。1.1.4宽带无线通信的特点18我国的国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”属于《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中确定的16个重大科技专项之一。正在制定“宽带中国”战略。2012年4月工信部召开宽带战略全国启动动员会，我国宽带提速的目标是到2015年末，城市家庭上网带宽达到20M，农村家庭上网带宽达到4M。目前宽带中国战略已经上升到国家层面，具体规划预计在年底正式出台。191.2宽带无线接入概述1.2.1接入网的定义根据国际电信联盟（ITU-T）关于接入网框架建议（G.902），接入网是在业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）之间的一系列为传送实体提供所需传送能力的实施系统，可经由管理接口（Q3）配置和管理。因此，接入网可由三个接口界定，即网络侧经由SNI与业务节点相连，用户侧由UNI与用户相连，管理方面则经Q3接口与电信管理网（TMN）相连。20图1-4接入网架构21接入网的重要特征：（1）接入网对于所接入的业务提供承载能力，实现业务的透明传送。（2）接入网对用户信令是透明的，除了一些用户信令格式转换外，信令和业务处理的功能依然在业务节点中。22（3）接入网的引入不应限制现有的各种接入类型和业务，接入网应通过有限的标准化的接口与业务节点相连。（4）接入网有独立于业务节点的网络管理系统，该系统通过标准化的接口连接TMN，TMN实施对接入网的操作、维护和管理。23根据传输方式细分，可以将接入网分为有线接入网和无线接入网两种方式。对于无线接入网，按照空中接口承载业务带宽的大小，又可以将其分为宽带无线接入网和窄带无线接入网。241.2.2宽带无线接入技术基本概念和基本特点在信息通信领域，发展速度最快，对人们影响最大的两大技术就是宽带网络技术和无线（移动）通信技术，这两大技术的结合，即为宽带无线接入（BroadbandWirelessAccess，BWA）技术。BWA技术指从用户终端到业务交换点之间通信链路采用无线链路的宽带接入技术，它实际上是核心网络的无线延伸。25与传统的有线接入方式相比，BWA具有如下特点。（1）覆盖范围灵活，单基站（或接入点）的覆盖范围通常从几十米到几公里数量级不等，可以使BWA技术灵活地应用于从局域网到城域网的整个区域。（2）工作频带宽，可提供宽带接入。26（3）启动资金较小，不需要进行大量的基础设施建设，初期投入少，仅在增加用户（即有业务收入）时才需增加资金投入。（4）提供服务速度快，无线系统安装调试容易。（5）频率复用度高，系统容量大。（6）灵活的链路自适应技术。27（7）MAC层具备调度机制。（8）动态带宽分配能力。（9）安全性。（10）在发展方面极具灵活性。（11）提供优质价廉的多种业务。（12）运营维护成本低。28宽带无线接入技术从覆盖范围上可以分为个域网无线宽带接入技术、局域网宽带无线接入技术、城域网宽带无线接入技术和广域网宽带无线接入技术四类。（1）无线个域网（WPAN）覆盖范围从几厘米到几米，为不同设备间提供双向短程通信，以蓝牙技术为代表。（IEEE802.15）1.3宽带无线接入技术的分类29（2）无线局域网（WLAN）覆盖范围从几米到几百米，可以为一定范围内的用户提供共享的无线接入带宽，Wi-Fi是其代名词。它的最大特点是便携性，主要用来解决用户“最后100米”的通信需求，定位于热点地区的高速游牧数据接入，不支持高速移动性。（IEEE802.11）30（3）无线城域网（WMAN）覆盖范围为几公里数量级（3km～5km是典型值，点对点链路的覆盖可以高达几十公里），是为解决宽带接入“最后一公里”问题而专门设计的，可以提供支持QoS能力和一定范围移动性的共享接入能力。MMDS、LMDS和WiMAX等技术属于城域网范畴。（IEEE802.16）31（4）无线广域网（WWAN）。覆盖范围更广，最主要的是可以支持全球范围内的广泛的移动性，属于B3G和4G的范畴，IEEE802.20中的iBurst和FlashOFDM等技术是该类技术的前身。（IEEE802.20）从是否支持终端移动性上，宽带无线接入技术可以分为移动宽带无线接入技术和固定宽带无线接入技术。321.3.1移动宽带无线接入技术根据ITU-R的M.1034-1建议，无线接入可以分为静止、步行、典型车速和高速车速四类。移动宽带无线接入（MBWA）就是能够在典型车速和高速车速状态下提供的宽带无线接入，即上述分类中的后两类的系统。与此相反，固定和游牧无线接入要求用户终端使用的时候保持静止，也称为便携性系统。33移动宽带无线接入技术在空中接口部分需要解决的关键技术有：在高速数据传输方面主要有多天线、分集和波束成形技术、多用户检测和干扰抵消技术、自适应调制等；在高频传输的可靠性方面主要有纠错编码（Turbo编码或LDPC编码等）、自适应编码、重传机制；34在非对称的多址接入和双工方面，由于其存在非对称性问题，可以考虑的双工方式主要有频分双工和时分双工两种模式；在业务量和QoS的MAC层设计方面主要有业务量设计与QoS保障的结合。35网络协议方面需要考虑和解决的问题有水平/垂直切换、快速IP切换、服务质量和安全性等。由于移动宽带接入的技术特点，它需要在以下方面做出技术上的折衷考虑：移动性对宽带、调制方式对多址接入方式、业务量对复杂性、公平性对服务质量等。36移动宽带无线接入技术以IEEE802.16—2005和IEEE802.20标准为代表。其覆盖范围在几公里以内，有移动通信网络小区规划特点，其目标是提供在120km/h（IEEE802.16e—2005）和250km/h（IEEE802.20）的典型移动速率下的超高带宽接入，最大限度地满足用户未来对高带宽数据传输的需求。371.3.2固定宽带无线接入技术固定宽带无线接入技术带宽高，双向传输数据，可提供宽带交互式数据及媒体业务，克服了传统的本地环路的瓶颈，能满足用户对高速率数据和图像通信日益增长的需求。在各种接入技术中，固定宽带无线接入凭借其组网快速灵活、运营维护方便及良好的成本竞争力，已迅速成为市场热点。38尤其对新的电信运营商，能够以无线技术快速低成本地建设自己的接入网，与传统的电信运营商竞争，这是一个至关重要的手段，也是迅速切入市场的有效途径。39固定宽带无线接入系统的工作频率在3GHz～40GHz，属于微波频段。如LMDS、MMDS等。不同频段固定无线接入技术的组网均采用一种类似蜂窝的服务区结构，将一个需要提供业务的地区划分为若干服务区，每个服务区内设基站，基站设备经点到多点无线链路与服务区内的远端站通信。固定宽带无线接入系统一般由三部分组成：中心站（基站）、远端站、网管系统。401．中心站主要汇聚中心站不同扇区设备上的业务与信令数据，实现与核心网络相连。中心站可以根据上联的网络和业务需求，配置不同的接口，例如ATM接口、2M接口、10/100Base-T接口和V5接口等。中心站设备包括室内单元和室外单元两个部分。412．远端站包括室外单元（含定向天线、射频单元）和室