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无线通信工程

无线通信工程. 姚彦教授 清华大学微波与数字通信国家重点实验室 2001 年 12 月 15 日. 第十二讲. 无线通信系统及网络. 内容提要. 概述 无线固定接入 无线移动接入 无线数据接入 无线分组网原理. 概述. 无线系统的分类. 按照频段范围分：短波、超短波、微波、毫米波等。 按照传播方式分：地面视距、地面超视距、对流层散射、电离层反射、卫星等。 按照多址方式分：点对点、点对多点等。 按照应用背景分：固定接入、移动接入、数据接入等。 按照连接方式分：电路连接、分组连接等。. 地面无线系统的应用分类. 无线固定接入

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  1. 无线通信工程 姚彦教授 清华大学微波与数字通信国家重点实验室 2001年12月15日

  2. 第十二讲 无线通信系统及网络

  3. 内容提要 • 概述 • 无线固定接入 • 无线移动接入 • 无线数据接入 • 无线分组网原理

  4. 概述

  5. 无线系统的分类 • 按照频段范围分：短波、超短波、微波、毫米波等。 • 按照传播方式分：地面视距、地面超视距、对流层散射、电离层反射、卫星等。 • 按照多址方式分：点对点、点对多点等。 • 按照应用背景分：固定接入、移动接入、数据接入等。 • 按照连接方式分：电路连接、分组连接等。

  6. 地面无线系统的应用分类 • 无线固定接入 －WLL，ISM，LMDS • 无线移动接入 －第二代蜂窝及在第二代上增加的业务：i-mode、WAP、GPRS、EDGE等 －第三代蜂窝 • 无线数据接入 －WLAN、WWAN、WMAN、WHAN、WPAN、WVAN －802.11、HIPERLAN，Bluetooth

  7. 无线系统及网络的主要性能 • 频率规划 • 传输范围 • 传输质量 • 业务种类 • 用户容量 • 标准及协议

  8. 无线固定接入

  9. 频率规划 • 450.5～452.5MHz/460.5～462.5MHz，FDD模式，窄带无线接入。 • 1800～1805MHz，S-CDMA TDD模式，公众网或专用网无线接入。 • 1900～1920MHz，TDD模式，用于PHS、DECT、TDMA/CDMA TDD、Cordless DECT。 • 2400～2483.5MHz及5725～5850MHz，ISM频段扩频SS系统接入及Bluetooth/Pico-cell无线接入。 • 3400～3430MHz/3500～3530MHz，FDD模式，中高速无线接入。 • 24/26GHz及38GHz，FDD模式，LMDS宽带无线接入。

  10. 无线用户环（WLL） • 用户环是在电话网中解决交换机到用户终端传输问题的一种手段。可以有有线及无线等方式。 • 无线用户环的特点： －依托有线网，主要解决用户接入问题，简单说就是将用户线用无线代替有线。 －无线用户环有近距离（1公里以内）和远距离（几公里到十几公里以上）二类。 －无线用户环以固定为主，但也能支持慢速行走的用户。 • 无线用户环产品类别： －近距离，如：CT-2，DECT，PHS等无绳电话。 －远距离，如：TD-SCDMA，3.5GHz等。

  11. ISM频段SS系统 • 美国FCC划分了三个频段（800M，2.4G，5.7G）给工业、科学和医学使用，无需许可证，简称ISM频段。 • 我们国家目前也参照美国的标准，开放了二个频段，即2.4G和5.7G，但还要求执行许可证制度。 • 技术规范： －频率规划为2400－2483.5MHz， 5725～5850MHz。 －采用扩频技术（直接序列扩频或跳频），扩频比大于10，或跳速大于2.5跳/秒。 －传输速率为2Mbps。 －发送功率小于100mW。 －EIRP小于-10dBW/100KHz（跳频），-20dBW/MHz（直扩）

  12. 宽带LMDS系统 • LMDS-Local Multipoint Distribution Service，本地多点分配业务。这是一种微波宽带业务,在厘米波及毫米波频段，在较近的距离上以点对多点方式实现话音 、视频和图像信号双向传输。 • 通信距离：2-10公里。 • 使用频率：24/26,38GHz。 • 调制方式：多状态正交调幅（16QAM、64QAM等）。 • 无线频谱资源大于1GHz，每基站总容量达4.8G，每扇区容量达200M，每远端站容量达Nx2M（2-155Mbps）。 • 可以支持现存的任何业务，包括：话音,数据和图像。

  13. 无线移动接入

  14. 频率规划 • 模拟蜂窝TACS： 890-915/935-960MHz • 模拟蜂窝AMPS： 824-849/869-894MHz • 数字蜂窝GSM： 890-915/935-960MHz • 数字蜂窝DCS-1800： 1710-1785/1805-1880MHz • 数字蜂窝IS-95： 824-849/869-894MHz • 模拟集群 350MHz • 数字集群： 806-821/851-866MHz

  15. 蜂窝系统概念 • 引入蜂窝概念是无线移动通信的重大突破，其主要目的是为了在有限的频谱资源上提供更多的移动电话用户服务。 • 蜂窝的主要特点： －通过控制发射功率使得频谱资源在一个大区的不同小区间重复利用， －通过将小区划分成更小的小区的方法（小区分裂）来增大系统的容量。

  16. f1 R f2 D f3 f1 蜂窝系统的频率再用 • 蜂窝系统在几何上可以看出由六边形组成。形同蜂窝。 • 频率再用距离：D • 小区半径：R • 频率再用因子： Q＝D/R • 不同多址体制的Q值： FDMA，Q＝7 TDMA，Q＝3或4 CDMA，Q＝1

  17. 蜂窝系统的容量 • 小区容量：每个小区在给定工作频段上所能支持的最大用户数。 • 系统容量：整个系统在给定频段上单位面积所能支持的用户数。 • 影响容量的因素： 可用带宽；要求的载波-干扰比；频率再用因子；小区大小；提高容量的其它措施，如：话音激活、扇区化等。 • TDMA（GSM）比FDMA（AMPS）的系统容量可提高3－6倍。 • CDMA（IS-95）比TDMA（GSM）的系统容量可提高3－4倍。

  18. 第一代蜂窝系统：模拟 • 模拟蜂窝系统：欧洲的TACS和北美的AMPS • 多址方式：FDMA/FDD • 信道带宽：30KHz（AMPS）、25KHz（TACS） • 使用频率：8－900MHz • 语音调制：FM • 信道数：832（AMPS）、1000（TACS）

  19. 第一代蜂窝系统上的数据业务：CDPD • CDPD(CELLULAR DIGITAL PACKET DATA)：蜂窝数字分组数据，美国一些公司联合开发的一种标准。 • 承载在美国模拟蜂窝AMPS上，采用TCP/IP。 • 调制方式为GMSK，数据率为19.2 kbps。 • 利用跳频技术在蜂窝频道的空闲时隙传送突发数据。 • 是一种无连接协议。 • 采用RS码纠错，可以采用加密。 • 收费合理，是一种过渡方案。

  20. 第二代蜂窝系统：数字 • 基本上是两大标准：欧洲的GSM和北美的IS-95。 • 使用频率：8－900MHz。 • 多址方式：TDMA/FDMA/FDD(GSM)，CDMA/FDMA/FDD(IS-95)。 • 传输速率：270.833kbps(GSM)，1.2288Mbps(IS-95)。 • 调制方式：GMSK(GSM)，QPSK/OQPSK(IS－95)。 • 语音编码：13kbps RPE-LTP(GSM)， 1200/2400/4800/9600bps变速率CELP(IS-95)。 • 信道编码：1/2卷积码(GSM)， 1/2卷积码/维特比译码（IS-95)。

  21. 第二代蜂窝系统上的数据业务：WAP • WAP（Wireless Application Protocol）无线应用协议。 • 采用全球统一标准，支持GSM、GPRS和WCDMA等移动通信系统。 • 简化、优化和扩展了因特网Web技术，消除了移动终端在屏幕显示、内存、处理能力和无线传输带宽等方面的限制。 • 主要特点： • 1）WAP协议栈采用层次化的设计，每层均定义有接口，可被上一层协议使用，也可被其它的服务或应用程序直接使用。 • 2）WAP应用结构类似于因特网结构。

  22. 第二代蜂窝系统上的数据业务：GPRS • GPRS（General Packet Radio Service）通用分组无线业务。 • 以分组技术为基础的传输系统，能为用户提供高达160kbits/s的数据速率。 • 基于现有GSM系统，可根据需要对一个载频的8个时隙进行捆绑。在初始阶段，4个时隙作为一组进行捆绑，速率可以提高4倍。 • 是由ETSI定义的一种分组数据无线传输技术，其目的是在GSM等移动通信网络上实现移动互联网的中低速业务，使移动台和终端设备可以通过GPRS访问全球任何一个网络。

  23. 第二代蜂窝系统上的数据业务：EDGE • EDGE（Enhanced Data Rates for GSM Evolution） • 在GPRS基础上提高速率的一种标准。 • 主要技术措施：将GSM的四相调制改为八相调制，使每个信道的传输速率由14.4kbps提高到48kbps；再通过多时隙捆绑，最高传输速率可以达到384kbps。 • 优点：只要在GSM原有系统的基础上，对基站进行简单的升级，就可以在兼容原有业务的情况下开通EDGE业务。

  24. 第三代蜂窝系统：IMT-2000概况 • IMT2000是第三代移动通信系统标准,以支持移动多媒体通信为目标，多个标准并存（出现所谓IMT2000家族的概念），频段为2000MHz，使用日期为2000年。 • 使用频率：1890~2030MHz，2110~2250MHz。 • 最高传输速率：144kb/s（高速运动），384kb/s（步行速度），2Mb/s（室内环境）。 • 三种代表性的RTT技术方案：欧洲和日本的WCDMA方案，北美的CDMA2000方案，中国CATT提出的TD-SCDMA方案。

  25. 北美 IS-95A IS-95B IS-95C CDMA2000 欧洲 GSM TDMA GSM+ GPRS,HSCSD GSM++ EDGE WCDMA GSM增强数据率 普通分组数据业务 高速电路交换数据 第三代蜂窝系统：IMT-2000过渡情况

  26. 第三代蜂窝系统：WCDMA • 特点 • 强调宽带技术，最小带宽5MHz • BTS间不需要同步和GPS • 正反向信道相干解调 • 基本参数 • 码片速率：4.096/8.192/16.3843Mc/s, • 波道间隔：5/10/20 MHz • 功率控制速率：1600b/s • 编码方式：卷积码 R=1/3, 1/2, k=9和Turbo Code

  27. 第三代蜂窝系统：CDMA-2000 • 以IS-95为基础 • 相同的码片速率、软切换技术、功率控制技术 • 技术改进 • 反向信道连续导频和相干解调 • 多载波方式提高传输速率 • 基本参数 • 码片速率：1.2288/3.686Mc/s, • 波道间隔：N1.25/5 MHz • 功率控制速率：800b/s • 编码方式：卷积码 R=1/4, 1/3, 1/2, k=9和Turbo Code

  28. 第三代蜂窝系统：TD-SCDMA • 时分复用、时分双工，软件化、智能天线、同步CDMA 技术 • 8个时隙，正、反向信道各4个时隙 • 每个时隙16各地址码 • 可变的双工信道速率 • 采用16QAM和非对称传输支持2Mb/s速率 • 语音传输：8kb/s • 扩频切普率：1.1136Mc/s • 信道编码：语音为3/4卷积码

  29. 无线集群系统 • 专用网：主要用于公安和部队。 • 数字集群的性能： －信道带宽 25KHz －多址方式 6信道TDMA －信道速率 64kbps －调制方式 16QAM －语音编码 4.2kbps，VSELP －信道编码 TCM

  30. 无线数据接入

  31. 各种应用系统 • WLAN：无线局域网 • WWAN：无线广域网 • WMAN：无线城域网 • WHAN；无线家域网 • WPAN：无线个域网 • WVAN：无线车域网

  32. 标准：IEEE 802.11 • IEEE802是美国制定的局域网标准系列，其中802.11是无线访问方法和物理层规范，包括跳频、直扩等无线传输以及数据率高达2Mbps的红外传输。 • 媒质访问控制（MAC）方法：载波检测多址访问及避免碰撞技术（CSMA-CA）。首先，每个要发送的无线节点和数据必需检测到网络静默才能发送，但如果网络静默时二个以上节点同时发送，就会产生碰撞。为此，专门设计了避免碰撞的协议。 • 物理层采用：红外传输、跳频传输、直扩传输。最高传输速率2Mbps。无线传输采用2.4GHz ISM频段。

  33. 标准：HIPERLAN • 高性能无线局域网的简称。这是欧洲各国制定的标准系列。 • 使用频率：5.15-5.3GHz和17.1-17.3GHz。 • 传输范围：50m。 • 支持异步和同步通信。 • 支持32kbps音频、2Mbps视频、10Mbps数据。 • 标准规定网络结构中的网络层和数据链路层。 • 和IEEE802.11不兼容。

  34. 标准：Bluetooth • 目标：通过将一种微小的短距的无线通信技术集成到各种不同的电子设备中来为移动和商业用户提供方便服务。 • 技术性能： －使用频率 2.4GHz ISM频段 －传输速率 1Mbps －调制方式 GFSK －双工方式 TDD －通信距离 10m（10mW），100m（100mW） －抗干扰方式 快速跳频（1600跳/秒）、自适应发送功率 －灵活而短的数据包，支持多种应用

  35. 无线分组网原理

  36. 无线分组网概念 • 无线分组网是一种分组交换网，采用分组交换而不是电路交换。 • 无线分组网利用无线信道的特点，具有广播通信的性质，可以同时把分组数据分发给多个用户。用户对信道的访问是随机的。 • 传输速率可以较高，但延时也较大。 • 无线分组网在民用及军用的移动数据中有广泛的使用前景。

  37. 空中接口的协议体系 OSI • 空中接口是无线分组网的核心问题之一。 • 空中接口协议可以分成：物理层（PHL）、介质接入控制层（MAC）、数据链路控制层（DLC）、网络层（NWK）。它们和 OSI模型的低三层有一定关系，但不是严格对应的。 第三层 网络层 数据链路控制层 第二层 介质接入控制层 第一层 物理层

  38. 空中接口的协议（1） 物理层 • 确定无线参数，如；频率、定时、功率、码片、比特或时隙同步、调制解调、收发信机性能等。 • 分配无线资源，如：多址协议等。 • 在MAC层的控制下进行数据或数据分组的收发。

  39. 空中接口的协议（2） 介质接入控制层 • 介质访问管理：首先选择物理信道，然后在这些信道上建立或释放连接。 • 数据封装：将控制信息、高层的信息和差错控制信息进行复接（或分接），使之适合在物理信道上传输。 • 形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务。如：广播业务、面向连接的业务和无连接业务等。

  40. 空中接口的协议（3） 网络层 • 主要是信令。 • 包括：链路控制、呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务、移动性管理等。 数据链路控制层 • 主要功能：为网络层提供非常可靠的数据链路。 • 可以分为二个平面： －控制平面：保护内部控制信令和有限数量的用户信息。 －用户平面：以不同能力保护不同的用户信息。

  41. 关于介质访问协议 概述 • 各个用户的突发数据以随机方式接入信道，实现多址； • 无线信道是公用的，以竞争方式发送数据，这样就存在碰撞问题； • 用户数越多，碰撞概率越大，接入概率越低，接入时间越长； • 为此，就要有个规则，这就是介质访问协议。

  42. 关于介质访问协议 ALOHA访问方式 • 随机ALOHA方式：随时发送检测到碰撞重新发送，给每个用户分配不同的重发间隔时间。优点：实现简单，缺点；吞吐量下降。 • 时隙ALOHA方式：和随机ALOHA类似，但把发送时间划分成等长的时隙，按时隙发送，这样可以减少碰撞机会和重发次数。因而改善吞吐量。 • 对时隙ALOHA方式的改进：无主时隙ALOHA和有主时隙ALOHA。

  43. 关于介质访问协议 CSMA访问方式 • CSMA（Carrier Sense Multiple Access）载波侦听访问方式。用户在发送分组前首先检测信道上是否有载波，如果有载波，则用户等候；一旦检测到信道上没有载波，就立即发送。当然这时还会有碰撞，一旦发生碰撞，仍采取重发的方式，但碰撞概率要小于ALOHA方式。 • 这时目前无线分组网最常用的介质访问方式。 • 对CSMA的改进：1-持续CSMA；非持续CSMA；P-持续CSMA；CSMA/CD；时间检测多址（DSMA）。

  44. 关于介质访问协议 PRMA访问方式 • PRMA（Packet Reservation Multiple Access）分组预约访问方式。 • 将时间轴分成许多时隙，若干时隙组成一帧。每帧中的时隙分为二类：预约时隙及可用时隙。时隙的类别根据时隙末尾收到基站的应答信息来确定。 • 过程：移动台在语音突发开始时，根据ALOHA方式竞争可用时隙，若竞争成功，它就预约了后续帧中相同的时隙这时就不会方式碰撞。当语音突发结束时，预约将被释放，该时隙就变为可用时隙。 • 利用话音激活性质，将时隙动态地分配给有话音激活的用户。

  45. 通信类型 多址技术 分组，短信息 竞争协议 分组，长信息，大量用户 预留协议 分组，长信息，少量用户 固定TDMA预留信道的预留协议 数据流或确定性的（语音） FDMA、TDMA、CDMA 无线分组网的应用 • 分组协议存在不同优缺点，适合不同通信类型，下表是不同通信类型的分组技术：

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