移动通信原理与系统第8章

移动通信MobileCommunication2目录第一章概述（4学时）第二章移动通信组网原理（8学时）第三章移动信道中的电波传播（8学时）第四章数字移动通信关键技术（8学时）第五章GSM/GPRS数字蜂窝移动通信系统（8学时）第六章窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统（6学时）第七章第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统（8学时）第八章移动数据传输（4学时）第九章未来移动通信展望（2学时）习题讲解与课堂练习（6学时）复习（2学时）3第八章移动数据传输8.1无线局域网（WLAN）技术8.1.1引言8.1.2WLAN技术的优势8.1.3WLAN的拓扑结构8.1.4WLAN标准的发展8.1.5WLAN的协议体系8.1.6WLAN技术发展趋势48.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.1IEEE802.16标准和WiMAX组织8.2.2WiMAX技术特点8.2.3WiMAX协议体系结构8.2.4WiMAX标准化最新进展8.3移动蜂窝网和数据网的融合58.1无线局域网（WLAN）技术8.1.1引言全球有三大类型的无线局域网标准，包括美国IEEE802.11标准系列，欧洲ETSIBRAN的HIPERLAN标准和日本ARIB开发的多媒体移动接入通信（MMAC）标准。在上述标准中，IEEE802.11标准系列发展最为迅速，得到的业界支持也最为广泛。因此，本节对无线局域网的讲述，将着重于IEEE802.11系列。68.1无线局域网（WLAN）技术8.1.2WLAN技术的优势安装便捷覆盖范围广经济节约易于扩展传输速率高78.1无线局域网（WLAN）技术8.1.3WLAN的拓扑结构WLAN有两种主要的拓扑结构，即基础结构网络（InfrastructureNetwork）和自组织网络（也就是对等网络，即人们常称的Ad-Hoc网络）。AP基本业务域(BSA)基本业务集(BSS)Ad-Hoc路由器MSMS（a）基础结构网络（b）自组织网络88.1无线局域网（WLAN）技术8.1.4WLAN标准的发展1．IEEE802.112．IEEE802.11b3．IEEE802.11a4．IEEE802.11g98.1无线局域网（WLAN）技术5．中国WAPI标准针对WLAN安全问题，中国制定了自己的WLAN安全标准：WAPI。与其他无线局域网安全机制（如802.11i）相比，WAPI主要的差别体现在以下几个方面：（1）双向身份鉴别（2）数字证书身份凭证108.1无线局域网（WLAN）技术（1）双向身份鉴别在WAPI安全体制下，无线客户端和WLAN设备二者处于对等地位，二者身份的相互鉴别在公信的鉴别服务器控制下实现。双向鉴别机制既可防止假冒的无线客户端接入WLAN网络，同时也可杜绝假冒的WLAN设备伪装成合法的设备。而在其它安全体制下，只能实现WLAN设备对无线客户端的单向鉴别，缺乏有效的WLAN设备身份鉴别手段。118.1无线局域网（WLAN）技术（2）数字证书身份凭证WAPI基本架构上和802.11i采用的AAA架构类似，也包括了三个实体，即鉴别请求者系统（WLAN终端）、鉴别器系统（WLAN设备）和鉴别服务系统，如图8.2所示。无线客户端无线设备鉴别服务器WAIoverUDPWAIover802.11身份认证、密钥协商128.1无线局域网（WLAN）技术8.1.5WLAN的协议体系与有线局域网一样，无线局域网的标准化工作主要在逻辑链路层的LLC子层以下，即MAC层与物理层。由于无线的传输技术与有线传输技术的差异以及无线信道的独特性，需要制定新的MAC协议和相应的物理层协议。IEEE802.3IEEE802.10MAC物理媒体1物理媒体2…物理媒体n802.11138.1无线局域网（WLAN）技术8.1.5WLAN的协议体系1．802.11物理层（1）FH-SS技术（2）DS-SS技术（3）OFDM技术协议传统802.11802.11a802.11b802.11g802.11n频率2.4GHz5GHz2.4GHz2.4GHz2.4或5GHz信号FHSS或DSSSOFDMHR-DSSSOFDMOFDM最大数据传输率2Mbps54Mbps11Mbps54Mbps540Mbps（理论值）发布时间199719991999（先于a）2003于2008年认证传输速率1Mbps和2Mbps6、9、12、18、24、36、48、54Mbps1、2、5.5、11Mbps6、9、12、18、24、36、48、54Mbps1、2、5.5、6、9、11、12、18、24、36、48、54Mbps148.1无线局域网（WLAN）技术2．802.11数据链路层802.11的数据链路层包括两个子层，一是逻辑链路层LLC，另一个是媒体访问控制层MAC。IEEE802.3有线局域网标准定义了CSMA/CD（带有碰撞检测的载波侦听多址接入）MAC层协议，适用于总线拓扑结构。由于IEEE802.3是当前流行的有线局域网标准，CSMA/CD也是当前使用最多的有线局域网协议。158.1无线局域网（WLAN）技术2．802.11数据链路层实现CSMA/CD的一个重要前提是：各站能够非常容易地实现碰撞检测功能。在有线局域网的情况下，可根据检测线缆上直流分量的变化容易地实现碰撞检测。在IEEE802.11无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题称为“远近效应”现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接收数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。所以CSMA/CD协议不能照搬到无线局域网中去。168.1无线局域网（WLAN）技术2．802.11数据链路层为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序地争用信道，无线局域网中采用了与以太网CSMA/CD类似的CSMA/CA（载波侦听多址接入/冲突避免）协议。CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制。178.1无线局域网（WLAN）技术（1）探询脉冲CSMA/CA在IEEE802.11无线局域网中，使用的是探询脉冲CSMA/CA协议。188.1无线局域网（WLAN）技术（2）RTS/CTS在无线局域网中存在一个有线局域网没有的特别问题，那就是“隐藏终端”问题。隐藏终端问题AP（接入点）ABCAP（接入点）4方握手（RTS/CTS）RTS（ReguesttoSend）CTS（CleartoSend）DataAck无线工作站198.1无线局域网（WLAN）技术（2）RTS/CTS两个互不可见（即无线信号不能互达）的工作站利用一个中心接入点进行连接，这两个工作站都能够“听”到中心接入点的存在，而相互之间则可能由于障碍或者距离原因无法感知到对方的存在。由于两个发送站点都无法检测到介质中有对方的信号，于是都认为此时介质为空闲，可以使用，并同时向中心接入点发送信号。显然，接收信号的中心接入点将无所适从，因为它接收到的实际是两个发送站点送来的相互干扰的信号。208.1无线局域网（WLAN）技术（2）RTS/CTS为了解决“隐藏终端”问题，RTS/CTS机制的工作原理是：发送站点在向接收站点发送数据包之前，即在DIFS（DCF帧间隔）之后不是立即发送数据，而是代之以发送一个请求发送RTS帧，以申请对介质的占用，当接收站点收到RTS帧后，立即在一个短帧隙SIFS之后回应一个准许发送CTS帧，告知对方已准备好接收数据。双方在成功交换RTS/CTS信号（即完成握手）后才开始真正的数据传递，这就保证了多个互不可见的发送站点同时向同一接收点发送信号时，实际只能是接收到接收站点回应CTS帧的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。即使有冲突发生，也只是在发送RTS帧时，这种情况下，由于收不到接收站点的CTS消息，大家回头再用CSMA/CA协议的竞争机制，分配一个随机退守定时值，等待下一次介质空闲DIFS后竞争发送RTS帧，直到成功为止。这样发送端就可以发送数据和接收ACK信号，而不会造成数据的冲突，从而间接解决了“隐藏终端”问题。218.1无线局域网（WLAN）技术8.1.6WLAN技术发展趋势IEEE802.11工作组陆续推出新的802.11i、802.11e、802.11n、802.11k等大量标准。可以从无线安全、吞吐提高、可管理等方面对WLAN相关标准的发展进行分类。实现无线安全提高无线可管理性无线吞吐提高其它标准228.2无线城域网（WiMAX）技术随着移动通信技术和宽带技术的发展，WiMAX（全球微波接入互操作性）技术已经成为全球电信运营商和设备制造商关注的热点问题之一。解决如何在保证服务质量的前提下，有效的降低每比特成本以更好地满足用户需求，对运营商意义重大。WiMAX正是这样一种极具潜力的应用。238.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.1IEEE802.16标准和WiMAX组织1999年，IEEE专门成立了IEEE802.16工作组IEEE802.16标准于2001年12月发布IEEE在2003年1月又发布了新的扩展协议IEEE802.16aIEEE802.16-2004IEEE802.16eWiMAX论坛248.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.2WiMAX技术特点传输距离远、接入速度高无“最后一公里”瓶颈限制、系统容量大提供广泛的多媒体通信服务提供安全保证互操作性好应用范围广258.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构IEEE802.16工作组的主要工作都围绕空中接口展开，空中接口主要由物理层和MAC层组成。物理层由传输汇聚(TC)子层和物理媒介依赖(PMD)子层组成，通常说的物理层主要是指PMD。物理层定义了TDD和FDD两种双工方式。MAC层又分为三个子层：面向业务的汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)和安全子层(SS)。268.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构面向业务的汇聚子层(CS)公共部分子层(CPS)安全子层(SS)物理层CSSPAMACSPAPHYSPA管理实体面向业务汇聚子层管理实体公共部分子层安全子层管理实体物理层网络管理系统数据/控制平面MACPHY平面管理278.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构从图中我们可以看出，WiMAX/802.16系统包括两个平面，数据/控制平面与管理平面。系统在数据/控制平面实现的功能主要是保证数据的正确传输。因此，数据/控制平面在定义了必要的传输功能之外，还需要定义一些控制机制来保障传输的顺利进行，而管理平面中定义的管理实体，分别与数据/控制平面的功能实体相对应。通过与数据/控制平面中实体的交互，管理实体可以协助外部的组网管理系统完成有关的管理功能。288.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构1．物理层WiMAX/802.16定义了5种不同的物理层规范：无线城域网－单载波（WMAN-SC)、无线城域网－增强单载波(WMAN-SCa)、无线城域网－正交频分复用(WMAN-OFDM)、无线城域网－正交频分多址(WMAN-OFDMA)、无线高速免执照城域网(wirelesshigh-speedunlicensedMAN)。WiMAX的物理层支持时分双工（TDD）和频分双工(FDD)两种工作方式。WiMAX支持灵活地划分载波带宽，系统采用1.25~20MHz之间的带宽。298.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构2．MAC层MAC层分为三层：从上到下依次是面向业务的汇聚子层CS，公共部分子层CPS和安全子层（可选）。308.2无线城域网（WiMAX）技术8.2.3WiMAX协议体系结构3．网络协议流程Network以太网驱动MACMAC以太网驱动NetworkIP协议802.16MACSSBS以太网驱动IPTCP/UDPAPPAPPTCP/U