第六章 无线接入技术

第六章无线接入技术无线传输技术用于接入领域有其不可替代的特点。在无线传输技术取得关键的重大突破之后，近年来在无线接入领域的技术进步令人瞩目，已经制订了一批重要的技术标准，还有更重要的标准在制定、补充和完善之中。无线接入的产品种类和市场正在迅猛扩大。无线接入特别是宽带无线接入（BWA）正在发展成宽带接入的一个越来越重要的组成部分。无线接入技术的最大特点和最大优点是具有接入不受线缆约束的自由性，这在日益追求随时随地均可通信的今天，越发显得可贵。虽然长期以来人们都知道无线接入的优点，但无线接入一直未能得到广泛应用，其原因是无线传输面临很多技术难题难以解决。在标准化活动的广泛支持下，BWA的产品种类和市场也开始迅猛扩大。WLAN已经开始了广泛的应用。在园区网中，包括企业网和校园网，已经开始建设WLAN以提供更为灵活游牧式的接入。电信运营商开始在热点区域部署WLAN实现随时随地的运营商网络接入。WLAN的应用已经初现规模并正在快速扩大。WMAN已经开始步入系统试运行和产品完善期。随着需要分流庞大的网络数据，以及带WiFi功能的终端设备(智能手机，平板电脑等)的越来越多，扩大WiFi覆盖范围成为三个运营商的一大重要课题。中国移动计划在三年内将全国范围内的WiFi热点数量增加至100万个。据不完全统计，目前中国移动全国的WiFi热点已经达到12万个，中国联通有3万至5万个，中国电信WiFi热点数2010年底已经超过10万个。三大运营商均把WLAN作为2011年的运营重点。无线接入技术概述无线局域网（WLAN）的关键技术无线局域网的安全技术无线局域网（WLAN）的系统结构无线局域网接入的产品与应用WiMAX技术及应用6.1.1无线接入技术的发展无线接入技术是指通过无线介质将用户终端与网络节点连接起来，以实现用户与网络间的信息传递。无线信道传输的信号应遵循一定的协议，这些协议即构成无线接入技术的主要内容。由无线接入系统所构成的用户接入网称为无线接入网。无线接入网按照空中接口承载业务带宽的大小，也可分为宽带无线接入网和窄带无线接入网。其中，宽带无线接入（BWA）技术是指从网络节点到用户终端采用无线通信并能实现宽带业务接入的技术。BWA技术涉及的应用领域很广，按应用需求可分为固定宽带无线接入技术和移动宽带无线接入技术。按不同的覆盖区域，可分为无线个域网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN），以及无线区域网（WRAN）。传统BWA技术是指以固定宽带为技术特征，主要目的是为解决网络接入部分带宽不足和有线接入网络铺设困难等瓶颈问题，属于典型的“最后一公里”技术。从使用频段上可分为两类：高频段的LMDS(LocalMultipointDistributionServices,区域多点传输服务)系统和低频段的MMDS（MultichannelMicrowaveDistributionSystem无线微波多点分布式系统）系统。LMDS技术LMDS技术是20世纪90年代发展起来的一种宽带无线接入技术，工作在20GHz～40GHz频段上，覆盖范围在3~5km。目前的LMDS主要使用异步传输模式（ATM）传送协议，具有很宽的带宽和双向数据传输的特点，传输速率高达155Mbit/s，能满足用户对高速数据和图像通信日益增长的需求。MMDS技术MMDS技术是一种点对多点分布、提供宽带业务的无线技术。由单向的无线电缆电视微波传输技术发展而来，目前已由模拟系统向数字MMDS过渡，也被称为无线数字用户环路（WDSL）或宽带无线技术。用于2.5GHz/5.7GHz的MMDS系统采用先进的VOFDM(矢量正交频分复用)技术实现无线通信，在大楼林立的城市里利用“多径”，实现单载波6MHz带宽下高达22Mbit/s的数据接入，频谱效率较高。目前业界常用的“3.5G固定无线接入”也属于MMDS技术范畴。WPAN是一种采用无线连接的个人局域网。现通常指覆盖范围在10m半径以内的短距离无线网络，尤其是指能在便携式消费者电器和通信设备之间进行短距离特别连接的自组织网。WPAN被定位于短距离无线通信技术。IEEE802.15工作组负责WPAN标准的制定工作。目前，IEEE802.15.1标准协议主要基于蓝牙（Bluetooth）技术，由蓝牙小组SIG负责。IEEE802.15.2是对蓝牙和IEEE802.15.1标准的修改，其目的是减轻与IEEE802.11b和IEEE802.11g的干扰。IEEE802.15.3旨在实现高速率，支持介于20Mbps和1Gbps之间的多媒体传输速度，而IEEE802.15.3a则使用超宽带（UWB）的多频段OFDM联盟（MBOA多频带正交频分复用联盟）的物理层，速率可达480Mbps。IEEE802.15.4标准协议主要基于Zigbee(紫蜂)技术，由Zigbee联盟负责，主要是为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，开发一个低数据率的WPAN(LR-WPAN)标准。目前，低成本、低功耗和对等通信是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。支持WPAN的短距离无线通信技术包括：蓝牙、ZigBee、UWB、IrDA（红外数据组织InfraredDataAssociation）、HomeRF(RadioFrequency在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信)等，其中蓝牙技术使用最广泛。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，以无线多址信道为传输媒介，利用电磁波完成数据交互，实现传统有线局域网的功能，与有线网络比，具有安装便捷、高移动性，易扩展和可靠等特点。一般来说，WLAN的覆盖范围在室外可达300m，在办公室环境下为10m～100m。目前，主要以IEEE802.11和ETSIHiperLAN2标准为代表。1991年IEEE成立了802.11工作组。1997年发布了第一个WLAN标准：802.11。目前，WLAN的推广和认证工作主要由产业标准组织无线保真（Wi-Fi）联盟完成，所以WLAN技术常常被称之为Wi-Fi。802.11是1997年IEEE最初制定的一个WLAN标准，工作在2.4GHz开放频段，支持1Mbps和2Mbps的数据传输速率，定义了物理层和MAC（MediaAccessControl）层规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。基于IEEE802．11系列的WLAN标准目前已包括共21个标准，其中802.11a、802.11b和802.11g最具代表性。802.11a在整个覆盖范围内可提供高达54Mbps的速率，工作在5GHz频段。802.11b工作在2.4GHz～2.483GHz频段，数据速率可根据噪音状况自动调整。为了解决802.11a与802.11b产品无法互通的问题，IEEE批准了新的802.11g标准。IEEE的新标准802.11n，可将WLAN的传输速率由目前的54Mbps提高到108Mbps，甚至高达500Mbps。另外，为了支持网状网(Mesh)技术，IEEE还成立了一个工作组制定802.1ls。WMAN的覆盖范围一般为几千米到几十千米，旨在提供城域覆盖和高数据传输速率，以支持QoS和一定范围移动性的共享接入。其标准的主要开发组织为IEEE802.16工作组（802.16系列标准）和欧洲ETSI的HiperAccess标准，802.16和HiperAccess构成了宽带MAN的无线接入标准。IEEE802.16工作组主要针对无线城域网的物理层和MAC层制定规范和标准。2001年4月成立WiMAX（全球微波接入互操作性）联盟，从此WiMAX成为了802.16的代名词。目前WiMAX主要有两种标准，即固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带接入空中接口标准，都是通过核心网向用户提供业务。无线广域网络覆盖范围更广，最主要的是支持全球范围内广泛的移动性。WWAN满足了超出一个城市范围的信息交流和网际接入需求，IEEE802.20和现有的蜂窝移动通信系统共同构成WWAN的无线接入。目前国际上主要由IEEE802.20工作组负责WWAN空中接口的标准化工作。由于Wi-Fi和WiMAX受到覆盖距离的限制，2002年9月，IEEE802．20工作组正式成立。2006年1月，IEEE802．20工作组确定了两种基本传输方式，即MB-FDD(频分双工)和MB-TDD(时分双工)。IEEE802.20弥补了802.1x协议族在移动性方面的不足实现了在高速移动环境下的高速率数据传输。在物理层技术上，以OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing即正交频分复用技术)和MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put多入多出技术)为核心，在设计理念上，强调基于分组数据的纯IP架构，在应对突发性数据业务的能力上，与现有的3.5G（HSDPA：HighSpeedDownlinkPacketAccess高速下行分组接入、EV-DO：全称为CDMA20001xEV-DO，是CDMA20001x演进（3G)的一条路径的一个阶段）性能相当。无线区域网络技术主要面向无线宽带（远程）接入、面向独立分散的、人口稀疏的区域，传输范围半径可达40~100km。WRAN规范被IEEE802.22工作委员会定义。2004年，美国FCC提出利用认知无线电技术实现通信系统与广播电视系统共享电视频谱的建议。2004年10月，IEEE正式成立802.22工作组，命名为“WRAN”，其主要目标是在不对电视等授权系统造成有害干扰的情况下，使用认知无线电技术动态利用空闲的电视频段（VHF甚高频/UHF频带，北美为54~862MHz）来实现农村和偏远地区的无线宽带接入。这是继2002年实现民用的UWB之后又一个的无线频率应用技术，802.22是第一个世界范围的基于认知无线电技术的空中接口标准。目前，IEEE802.22工作组基本完成了其技术需求的规范。从概念上而言无线接入网是由业务节点（交换机）接口和相关用户网络接口之间的系列传送实体组成的，为传送电信业务提供所需传送承载能力的无线实施系统。从广义看，无线接入是一个涵义十分广泛的概念，只要能用于接入网的一部分，无论是固定接入，还是移动接入，也无论服务半径多大，服务用户数多少皆可归入无线接入技术的范畴。6.1.2无线接入网络接口与信令一个无线接入系统一般是由四个基础模块组成的：用户台（SS）、基站（BS）、基站控制器（BSC）、网络管理系统（NMS）。图6.1为无线接入系统示意图。NMS交换机基站控制器Q3无线基站无线基站……光纤双绞线数字微波用户台用户台V5图6.1无线接入系统1．无线接口三层模型无线接口的功能可以取一个通用的三层模型来描述，见图6.2。CC：呼叫控制SMS：短消息业务MM：移动管理RM：无线资源管理图6.2无线接口三层模型物理层这一层为上层信息在无线接口（无线频段）中的传输，提供不同的物理信道。在CDMA方式中，这些物理信道用不同的地址码区分。BS和SS间的信息传递是以数据分组（突发脉冲串）的形式进行，每一个数据组有一定的帧结构。物理信道按传输方向可以分为由基站→用户台的正向信道和用户台→基站的反向信道，经常分别称为下行信道和上行信道。链路层它的功能是在用户台（SS）和基站（BS）之间建立可靠的数据传输的通道，它的主要作用如下：①根据要求形成数据传输帧结构。完成数据流量（每帧所含比特数）的检查和控制、数据的纠、检错编译码过程。②选择确认或不确认操作之类的通信方式。确认、不确认指收到数据后，是否要把收信状态通知发端。③根据不同的业务接入点（SAP）要求，将通信数据插入发信数据帧或从收信帧中取出。管理层管理层又分为三个子层。分别介绍如下：①无线资源管理子层（RM）处理和无线信道管理相关的一些事务，如无信线道的设置、分配、切换、性能监测等。②移动管理子层（MM）移动管理协议主要支持用户的移动性。如跟踪漫游移动台的