无线接入概论

无线接入概论第1页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.1概述无线接入具有不可替代的优点：使用灵活性和更强的抗灾变能力游牧式的接入：NomadicAccess无线接入网，是部分或全部采用无线电波这一传输媒质连接用户与交换中心的接入网无线接入网无线本地环路蜂窝与无绳系统连接用户终端与交换中心的微波一点对多点系统卫星接入系统无线局域网第2页，共30页，2023年，2月20日，星期五使用历史采用无线电波连接用户与交换中心已有多年历史最初，其主要应用为两个方面用于用户密度稀疏且有线链路难以到达的地区，如海岛、山区和农村等作为临时性通信手段使用，例如，临时贸易中心、临时体育比赛中心等应用场合随着蜂窝和无绳移动系统的发展，无线链路的使用已移向用户密集的市区同时，它也逐渐从临时性链路变为永久性链路从固定性接入变为移动性接入从窄带接入向宽带接入发展第3页，共30页，2023年，2月20日，星期五例：蜂窝移动通信第一代（1G）模拟移动通信的历史使命已完成第二代（2G）数字移动通信系统正在运营第三代（3G）移动通信系统正在运营第四代（4G）移动通信系统正在孕育之中第4页，共30页，2023年，2月20日，星期五分类无线接入网按照用户终端的可移动性，可分为固定接入移动接入按照传输带宽的宽窄，可分为窄带接入：接入速率低于2Mb/s宽带接入：传输带宽高于或等于2Mb/s第5页，共30页，2023年，2月20日，星期五无线接入网主要特点建设周期短-省去了挖坑埋缆，或竖杆架线等线路施工过程在通信距离较长时，具有较好的经济性-节省建设投资和维护费用抗灾变能力强-不容易被自然灾害所中断，恢复时间也较短能同时向用户提供固定接入和移动接入。能向用户提供移动性业务是无线接入网区别于有线接入网的最重要标志支持个人通信。个人通信的特点是用户与终端的移动性第6页，共30页，2023年，2月20日，星期五无线接入信道的反射、衍射和散射电磁波在传播时，如果遇到障碍物，并且此障碍物大小与波长相比很大，那么电磁波就会发生反射遇到障碍物有比较尖锐的断面，电磁波会发生衍射，即不按直线传播当传播介质充满了远小于波长的障碍物，则电磁波发生散射-向多方向辐射第7页，共30页，2023年，2月20日，星期五衰落与多径传播多径传播在无线信道中，电磁波传播时由于各种反射、衍射和散射，会产生大量的传播路径，传播路径不同会造成相位差异，路径损失也不同在接收端来自不同方向、通过不同传播路径的电磁波经由同一天线接收，会在天线处通过矢量叠加得到合成信号，形成多径传播衰落移动台短时快速移动，会使接收的能量起伏不定，呈现明显的随机波动现象，即衰落，这种衰落的能量波动变化很快，称为快衰落，（小尺度衰落）当接收天线向远离发射天线方向运动时，能量也会衰减，这种衰减幅度较小，称为慢衰落（大尺度衰落）第8页，共30页，2023年，2月20日，星期五影响衰落的因素多径传播移动台的移动速度信道中障碍物的移动速度信号的带宽第9页，共30页，2023年，2月20日，星期五衰落类型信道参数（时延和Doppler扩展）以及信号参数（带宽、符号间隔）共同决定了发射信号所经历的衰落特性，根据这些参数可以将信道进行分类。多径时延扩展产生的衰落效应平坦衰落：无线信道带宽大于发射信号带宽，信号频谱不变频率选择性衰落：信道带宽小于信号带宽，接收信号各频率分量增益不同Doppler扩展引起的衰落效应快衰落：信道的变化率大于信号的变化率，即数据率很低的情况下慢衰落：信道的变化率小于信号的变化率，即信道可以在一个或多个符号周期不变化第10页，共30页，2023年，2月20日，星期五常见的无线环境车载无线环境特征是宏小区和大的发射功率室外到室内和步行者的无线环境特征是微小区和低的发射功率室内办公无线环境发射功率较小，基站和用户均在室内第11页，共30页，2023年，2月20日，星期五无线接入的基本技术信源编码与信道编码技术多址接入技术抗衰落技术网络安全技术无线空中接口第12页，共30页，2023年，2月20日，星期五信源编码技术信源编码就是将来自模拟信源或离散信源的信号变换为适合于在数字通信系统中传输的数字信号波形编码对模拟话音信号取样、量化后直接编码形成数字信号在接收端通过解码恢复话音信号的原始波形参量编码对模拟话音信号取样、量化后，取出话音的特征参量，对这些特征参量进行编码形成数字信号直接编码形成数字信号在接收端通过解码确保话音的可懂度和清晰度混合编码不但对话音信号的特征参量进行编码，而且对原信号的部分波形进行编码在数字蜂窝移动通信系统中采用第13页，共30页，2023年，2月20日，星期五信道编码技术信道编码就是在数据发送之前，在信息码元中再增加冗余码元（即监督码元），用来供接收端纠正或检出信息在信道传输中产生的误码分组码特点：监督码元只与本组的信息码元有关循环码中的任何一个码字向左或向右循环移位后，仍是该码字集合中的码字BCH码是一种能纠正多个随机差错的特殊循环码，其码长为n＝2m－1或是2m－1的因子，m为正整数R-S是Reed-Solomon码的缩写，是一种多进制的BCH码。一个M进制码元有M个二进制码元第14页，共30页，2023年，2月20日，星期五信道编码技术（2）交织编码将已编码的码字交织，使突发误码转换为一个纠错码字内的随机误码对突发错误有效卷积码表示编码器的n个输出不仅与本时间单元内的k个输入码有关，还和前m-1个时间单元的输入码有关Turbo码卷积编码+非均匀交织第15页，共30页，2023年，2月20日，星期五多址接入技术频分多址（FDMA）FrequencyDivisionMultipleAccess把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道（或称信道），分配给不同的用户使用时分多址（TDMA）TimeDivisionMultipleAccess把无线频谱按时隙划分，若干个时隙组成一帧码分多址（CDMA）CodeDivisionMultipleAccess各用户使用各自的扩频编码，即用互不相同、相互正交或准正交的地址码来调制信号，在接收端通过相关检测从混合信号中选出相应的信号空分多址（SDMA）SpaceDivisionMultipleAccess通过控制用户的空间辐射能量来提供多址接入能力通过分割空间信道分离同一时隙和同一频道上的多个用户信号第16页，共30页，2023年，2月20日，星期五抗衰落技术分集技术空间分集（SpaceDiversity）是在发端使用一副发射天线，接收端使用多副接收天线，并且接收端天线的间隔足够大（d≥/2），从而保证各接收天线输入信号的衰落特性相互独立时间分集（TimeDiversity）就是将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输多次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到多条独立的分集支路频率分集（FrequencyDiversity）是将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频的间隔大于相干带宽，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号第17页，共30页，2023年，2月20日，星期五抗衰落技术（2）自适应均衡技术采用自适应均衡技术可以克服码间干扰均衡技术的目的是根据信道的特性，按某种最佳准则来设计均衡器的特性，使得经过信道传输后的收端信号与发端信号之间达到最佳匹配算法有多种，即最小均方误差算法、递归最小二乘法、快速递归最小二乘法、平方根递归最小二乘法和梯度递归最小二乘法等第18页，共30页，2023年，2月20日，星期五网络安全技术目标对于接入网络的呼叫请求进行鉴权，判定用户身份的合法性对移动台的用户识别码进行保护，即用经常变更的临时移动台识别码代替用户识别码对无线信道上的用户数据和信令信息进行加密用户鉴权移动台做主叫、移动台做被叫、移动台位置登记、位置更新、基站要求鉴权信息加密使基站和移动台之间交换的用户信息和用户参数不被截获或监听第19页，共30页，2023年，2月20日，星期五无线空中接口无线接口自下而上分为三层：物理层---完成编码、调制及各物理信道的扩频数据链路层---在移动台和基站之间建立可靠的数据传输通道完成建立、维持及释放一个逻辑链路连接所必须的功能，包括流量控制、争先判决、序列控制，选择确认或不确认操作之类的通信方式，将通信数据插入发信数据帧或从收信帧中取出等管理层---可进一步分为三个子层无线资源管理子层：建立、改变和释放无线信道。包括无线信道的设置、分配、切换及性能监测等移动管理子层主要支持用户的移动性，在移动台和移动交换中心间建立、保持及释放连接，管理由移动台启动的位置更新，以及加密、识别和用户鉴权等事务连接管理子层支持以交换信息为目的的通信，由呼叫控制、补充业务、短消息业务组成第20页，共30页，2023年，2月20日，星期五总结无线传输技术复杂频率有限、干扰起伏、信道复杂近年来技术进步令人瞩目高效调制、强力纠错、有效的MAC协议需求与技术，强烈激发了多种BWA的标准化BWA：BroadbandWirelessAccessWPAN/WLAN/WMAN/WRAN，WWAN无线接入正在迎来生机蓬勃的春天第21页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2无线数据网络发展史历史悠久互联网初期：ARPANET无线传输的分组交换网络：PRNET分组无线网和SATNET分组卫星网早期的无线接入网：夏威夷大学ALOHAnet：将分散在4个岛屿上的计算机终端用无线网络连接到主校区的计算机主机早期网络的经验无线接入，有时是不可取代的，如野外、荒岛分组交换是唯一合理的技术必须大大提高调制、抗干扰的能力必须深入研究MAC协议以适应复杂的无线网络环境长期以来，研究工作一直在努力例如军事通信领域的Ad-hoc、MANET第22页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.3地面BWA技术多种BWA技术正在蓬勃发展需求牵引、技术推动标准化活动十分活跃IEEE802委员会对BWA展开全线标准化活动802.11：WLAN，无线局域网802.15：WPAN，无线个域网802.16：WMAN，无线城域网802.20：MBWA，移动宽带无线接入802.22：WRAN，无线区域网WWAN：无线广域网正在走向宽带，例如3G第23页，共30页，2023年，2月20日，星期五WLAN接入技术技术标准：802.11，现行版本是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：链路QoS802.11s：无线mesh网802.11p：车辆接入网802.11k：无线广播资源管理802.11v：无线网络管理厂商联盟Wi-Fi(WirelessFidelity)第24页，共30页，2023年，2月20日，星期五WMAN接入技术城域接入网络，覆盖半径为10千米到几十千米，70Mb/s技术标准：802.16802.16-2001：在10GHz-66GHz频段工作的固定BWA系统2Mb/s802.16c-2002：技术上修正802.16a-2003：2GHz-11GHz频段工作的BWA系统802.16-2004：当前标准版本，用于城域固定宽带无线接入802.16e：提供面向移动终端的服务厂商联盟WiMAX(微波接入全球互操作性)论坛第25页，共30页，2023年，2月20日，星期五WWAN接入技术并不直接使用物理介质，而是基于已有的通信基础设施构件网络---基于移动通信GSM+GPRS=2.5G网络3G移动通信系统第26页，共30页，2023年，2月20日，星期五WPAN接入技术附加一公里工作于服务10m范围的个人区域，用于组成个人网络技术标准：802.15第27页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4卫星接入技术无线网络的覆盖特性地面网络：路灯式覆盖卫星网络：阳光式覆盖卫星接入的特别意义覆盖：边远地区、崇山峻岭、浩瀚海域用于：野外接入、应急抢险接入、海上接入卫星轨道类型：GEO/MEO/LEOGEO：地球同步轨道卫星，36000km的地球同步轨道上LEO：低地球轨道卫星，800km-2000km，发射功率低MEO：中地球轨道卫星，10000km-20000km，覆盖单次通信应用前景前几年，部署受挫现在，正开始新一轮发展第28页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.5竞争与共存BWA技术的竞争各种BWA应用领域并不一致也存在强烈竞争，