第六講移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸

1、移動(dòng)通信移動(dòng)通信Mobile Communication蘭州交通大學(xué)電信學(xué)院蘭州交通大學(xué)電信學(xué)院 主講：鄭玉甫主講：鄭玉甫: 2目錄目錄n第一講 概述（1學(xué)時(shí)） n第二講 移動(dòng)通信組網(wǎng)原理（2學(xué)時(shí)）n第三講 移動(dòng)信道中的電波傳播（1學(xué)時(shí)）n第四講 數(shù)字移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)（2學(xué)時(shí)）n第五講 GSM/GPRS數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（2學(xué)時(shí)）n第六講 移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸（1學(xué)時(shí)）n第七講 未來(lái)移動(dòng)通信展望（1學(xué)時(shí)）n第八講 GSM-R鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）n第九講 鐵路無(wú)線電管理（2學(xué)時(shí)）n第十講 鐵路GSM-R系統(tǒng)運(yùn)用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（2學(xué)時(shí)）n第十一講 鐵路GSM-R系統(tǒng)測(cè)試（2學(xué)時(shí)）3第六講第六講 移動(dòng)

2、數(shù)據(jù)傳輸移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)q6.1.1 引言q6.1.2 WLAN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)q6.1.3 WLAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)q6.1.4 WLAN標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展q6.1.5 WLAN的協(xié)議體系q6.1.6 WLAN技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)4n6.2 無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)q6.2.1 IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)和WiMAX組織q6.2.2 WiMAX技術(shù)特點(diǎn)q6.2.3 WiMAX協(xié)議體系結(jié)構(gòu)q6.2.4 WiMAX標(biāo)準(zhǔn)化最新進(jìn)展n6.3 移動(dòng)蜂窩網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的融合5n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 6.1.1 引言 全球有三大類型的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包括美國(guó)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)系列，歐洲

3、ETSI BRAN的HIPERLAN標(biāo)準(zhǔn)和日本ARIB開(kāi)發(fā)的多媒體移動(dòng)接入通信（MMAC）標(biāo)準(zhǔn)。在上述標(biāo)準(zhǔn)中，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)系列發(fā)展最為迅速，得到的業(yè)界支持也最為廣泛。因此，本節(jié)對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)的講述，將著重于IEEE 802.11系列。6n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 6.1.2 WLAN技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 安裝便捷覆蓋范圍廣 經(jīng)濟(jì)節(jié)約 易于擴(kuò)展 傳輸速率高 7n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 6.1.3 WLAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) WLAN有兩種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Infrastructure Network）和自組織網(wǎng)絡(luò)（也就是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，即人們常稱的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)）。 8n6

4、.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 6.1.4 WLAN標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展 1IEEE802.112IEEE802.11b 3IEEE802.11a 4IEEE802.11g 9n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 5中國(guó)WAPI標(biāo)準(zhǔn) 針對(duì)WLAN安全問(wèn)題，中國(guó)制定了自己的WLAN安全標(biāo)準(zhǔn)：WAPI。 與其他無(wú)線局域網(wǎng)安全機(jī)制（如802.11i）相比，WAPI主要的差別體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）雙向身份鑒別 （2）數(shù)字證書(shū)身份憑證 10n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) （1）雙向身份鑒別 在WAPI安全體制下，無(wú)線客戶端和WLAN設(shè)備二者處于對(duì)等地位，二者身份的相互鑒別在公信的鑒別服務(wù)器控制下實(shí)現(xiàn)。雙向

5、鑒別機(jī)制既可防止假冒的無(wú)線客戶端接入WLAN網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可杜絕假冒的WLAN設(shè)備偽裝成合法的設(shè)備。 而在其它安全體制下，只能實(shí)現(xiàn)WLAN設(shè)備對(duì)無(wú)線客戶端的單向鑒別，缺乏有效的WLAN設(shè)備身份鑒別手段11n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) （2）數(shù)字證書(shū)身份憑證 WAPI基本架構(gòu)上和802.11i采用的AAA架構(gòu)類似，也包括了三個(gè)實(shí)體，即鑒別請(qǐng)求者系統(tǒng)（WLAN終端）、鑒別器系統(tǒng)（WLAN設(shè)備）和鑒別服務(wù)系統(tǒng)，如圖8.2所示。 12n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 6.1.5 WLAN的協(xié)議體系 與有線局域網(wǎng)一樣，無(wú)線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要在邏輯鏈路層的LLC子層以下，即MAC層與物理層。由于

6、無(wú)線的傳輸技術(shù)與有線傳輸技術(shù)的差異以及無(wú)線信道的獨(dú)特性，需要制定新的MAC協(xié)議和相應(yīng)的物理層協(xié)議。 136.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)n 6.1.5 WLAN的協(xié)議體系 1802.11物理層 （1）FH-SS技術(shù)（2）DS-SS技術(shù) （3）OFDM技術(shù)協(xié)議傳統(tǒng) 802.11802.11a802.11b802.11g802.11n頻率2.4 GHz5GHz2.4GHz2.4GHz2.4或5GHz信號(hào)FHSS或DSSSOFDMHR-DSSSOFDMOFDM最大數(shù)據(jù)傳輸率2 Mbps54 Mbps11 Mbps54 Mbps540 Mbps（理論值）發(fā)布時(shí)間199719991999（先于a）200

7、3于2008年認(rèn)證傳輸速率1Mbps2Mbps6、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、54Mbps146.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 2802.11數(shù)據(jù)鏈路層 802.11的數(shù)據(jù)鏈路層包括兩個(gè)子層，一是邏輯鏈路層LLC，另一個(gè)是媒體訪問(wèn)控制層MAC。 IEEE802.3有線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義了CSMA/CD（帶有碰撞檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多址接入）MAC層協(xié)議，適用于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于IEEE802.3是當(dāng)前流行的有線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，CSMA/CD也是當(dāng)前使用

8、最多的有線局域網(wǎng)協(xié)議。 156.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 為了盡量減少數(shù)據(jù)的傳輸碰撞和重試發(fā)送，防止各站點(diǎn)無(wú)序地爭(zhēng)用信道，無(wú)線局域網(wǎng)中采用了與以太網(wǎng)CSMA/CD類似的CSMA/CA（載波偵聽(tīng)多址接入/沖突避免）協(xié)議。CSMA/CA通信方式將時(shí)間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來(lái)，保證某一時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制。 166.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 在IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)中，使用的是探詢脈沖CSMA/CA協(xié)議。 （1）探詢脈沖CSMA/CA 176.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 在無(wú)線局域網(wǎng)中存在一個(gè)有線局域網(wǎng)沒(méi)有的特別問(wèn)題，那就是“隱藏終端”問(wèn)題。 為了解

9、決“隱藏終端”問(wèn)題，可采用RTS/CTS機(jī)制（2）RTS/CTS 186.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) “隱藏終端”： 兩個(gè)互不可見(jiàn)（即無(wú)線信號(hào)不能互達(dá)）的工作站利用一個(gè)中心接入點(diǎn)進(jìn)行連接，這兩個(gè)工作站都能夠“聽(tīng)”到中心接入點(diǎn)的存在，而相互之間則可能由于障礙或者距離原因無(wú)法感知到對(duì)方的存在。由于兩個(gè)發(fā)送站點(diǎn)都無(wú)法檢測(cè)到介質(zhì)中有對(duì)方的信號(hào)，于是都認(rèn)為此時(shí)介質(zhì)為空閑，可以使用，并同時(shí)向中心接入點(diǎn)發(fā)送信號(hào)。顯然，接收信號(hào)的中心接入點(diǎn)將無(wú)所適從，因?yàn)樗邮盏降膶?shí)際是兩個(gè)發(fā)送站點(diǎn)送來(lái)的相互干擾的信號(hào)。 196.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) RTS/CTS： 為了解決“隱藏終端”問(wèn)題，RTS/CTS機(jī)制的

10、工作原理是：發(fā)送站點(diǎn)在向接收站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，即在DIFS（DCF幀間隔）之后不是立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是代之以發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送RTS幀，以申請(qǐng)對(duì)介質(zhì)的占用，當(dāng)接收站點(diǎn)收到RTS幀后，立即在一個(gè)短幀隙SIFS之后回應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)許發(fā)送CTS幀，告知對(duì)方已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。雙方在成功交換RTS/CTS信號(hào)（即完成握手）后才開(kāi)始真正的數(shù)據(jù)傳遞，這就保證了多個(gè)互不可見(jiàn)的發(fā)送站點(diǎn)同時(shí)向同一接收點(diǎn)發(fā)送信號(hào)時(shí)，實(shí)際只能是接收到接收站點(diǎn)回應(yīng)CTS幀的那個(gè)站點(diǎn)能夠進(jìn)行發(fā)送，避免了沖突發(fā)生。即使有沖突發(fā)生，也只是在發(fā)送RTS幀時(shí)，這種情況下，由于收不到接收站點(diǎn)的CTS消息，大家回頭再用CSMA/CA協(xié)議的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，分配一個(gè)

11、隨機(jī)退守定時(shí)值，等待下一次介質(zhì)空閑DIFS后競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送RTS幀，直到成功為止。這樣發(fā)送端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)和接收ACK信號(hào)，而不會(huì)造成數(shù)據(jù)的沖突，從而間接解決了“隱藏終端”問(wèn)題。20n6.1無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù) 6.1.6 WLAN技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) IEEE 802.11工作組陸續(xù)推出新的802.11i、802.11e、802.11n、802.11k等大量標(biāo)準(zhǔn)。可以從無(wú)線安全、吞吐提高、可管理等方面對(duì)WLAN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展進(jìn)行分類 。 實(shí)現(xiàn)無(wú)線安全提高無(wú)線可管理性無(wú)線吞吐提高 其它標(biāo)準(zhǔn) 21n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù) 隨著移動(dòng)通信技術(shù)和寬帶技術(shù)的發(fā)展，WiMAX（全球微波接入互操作性）技

12、術(shù)已經(jīng)成為全球電信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。解決如何在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，有效的降低每比特成本以更好地滿足用戶需求，對(duì)運(yùn)營(yíng)商意義重大。WiMAX正是這樣一種極具潛力的應(yīng)用。 22n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)6.2.1 IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)和WiMAX組織1999年，IEEE專門(mén)成立了IEEE802.16工作組 IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)于2001年12月發(fā)布 IEEE在2003年1月又發(fā)布了新的擴(kuò)展協(xié)議IEEE 802.16a IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16e WiMAX論壇 23n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)6.2.2 WiMAX技術(shù)特

13、點(diǎn)傳輸距離遠(yuǎn)、接入速度高無(wú)“最后一公里”瓶頸限制、系統(tǒng)容量大 提供廣泛的多媒體通信服務(wù) 提供安全保證 互操作性好 應(yīng)用范圍廣 24n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)6.2.3 WiMAX協(xié)議體系結(jié)構(gòu) IEEE802.16 工作組的主要工作都圍繞空中接口展開(kāi)，空中接口主要由物理層和MAC 層組成。物理層由傳輸匯聚(TC) 子層和物理媒介依賴(PMD)子層組成，通常說(shuō)的物理層主要是指PMD。物理層定義了 TDD 和 FDD 兩種雙工方式。MAC 層又分為三個(gè)子層：面向業(yè)務(wù)的匯聚子層(CS )、公共部分子層(CPS)和安全子層(SS) 。25n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)6.2.3 WiMA

14、X協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 26n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)6.2.3 WiMAX協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 1物理層 WiMAX/802.16定義了5種不同的物理層規(guī)范：無(wú)線城域網(wǎng)單載波（WMAN-SC)、無(wú)線城域網(wǎng)增強(qiáng)單載波(WMAN-SCa)、無(wú)線城域網(wǎng)正交頻分復(fù)用(WMAN-OFDM)、無(wú)線城域網(wǎng)正交頻分多址(WMAN-OFDMA )、無(wú)線高速免執(zhí)照城域網(wǎng)( wireless high-speed unlicensed MAN)。最常用的是OFDM模式。 WiMAX的物理層支持時(shí)分雙工（TDD）和頻分雙工(FDD)兩種工作方式。 WiMAX支持靈活地劃分載波帶寬，系統(tǒng)采用1.2520MHz之間的帶寬。

15、27n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)6.2.3 WiMAX協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 2MAC層 MAC層分為三層：從上到下依次是面向業(yè)務(wù)的匯聚子層CS，公共部分子層CPS和安全子層（可選）。28n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)6.2.3 WiMAX協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程 29n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)6.2.4 WiMAX標(biāo)準(zhǔn)化最新進(jìn)展 維護(hù)任務(wù)組（Maintenance TG） 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)任務(wù)組（Network Management TG） 中繼任務(wù)組（Relay TG） TGm 工作組 ITU-R Liaison Group 特設(shè)組 30n6.2無(wú)線城域網(wǎng)（WiMAX）技術(shù)8.2

16、.4 WiMAX標(biāo)準(zhǔn)化最新進(jìn)展 2007年10月19日，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU宣布，批準(zhǔn)WiMAX以O(shè)FDMA WMAN TDD的名義成為ITU移動(dòng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。這意味著，WiMax成為3G標(biāo)準(zhǔn)中IMT-2000家族的一名正式成員，與WCDMA、CDMA2000以及我國(guó)的TD-SCDMA并列，成為全球第四大3G標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)工業(yè)和信息化部無(wú)線電管理局指出，移動(dòng)WiMAX（802.16e）沒(méi)有經(jīng)過(guò)中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的審定，不能作為中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不能在中國(guó)使用。 31n6.3移動(dòng)蜂窩網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的融合 WLAN與移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的互通已成為最新的熱點(diǎn)技術(shù)。通過(guò)建立WLAN與蜂窩網(wǎng)絡(luò)兩者的互通，利用WLAN高數(shù)據(jù)

17、接入速率的特點(diǎn)，同時(shí)利用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，將為用戶提供更快捷、更靈活的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以預(yù)見(jiàn)兩者互相融合的前景非常廣闊。 本節(jié)將以WLAN和GPRS的融合為例進(jìn)行說(shuō)明。32n6.3移動(dòng)蜂窩網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的融合 目前兩種主要的融合方案被稱為：緊耦合方式（Tight coupling）和松耦合方式（Loose coupling），這兩種方案是由ETSI來(lái)制定的。 33n6.3移動(dòng)蜂窩網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的融合 在松耦合方案中，WLAN作為GPRS的輔助接入網(wǎng)，WLAN利用GPRS網(wǎng)中的用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，而與GPRS核心網(wǎng)間并沒(méi)有直接數(shù)據(jù)接口。在圖8.7示意的簡(jiǎn)化GPRS參考模型中，可以認(rèn)為WLAN和GPR

18、S間松耦合主要在Gi參考點(diǎn)，WLAN旁路GPRS網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)直接接入到分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN） 在松耦合方案中，WLAN上層協(xié)議使用的是標(biāo)準(zhǔn)的各種Internet協(xié)議，不必對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行改造。 松耦合方案34n6.3移動(dòng)蜂窩網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的融合 在緊耦合中，WLAN數(shù)據(jù)流量通過(guò)Gb或Iu-PS參考點(diǎn)連接到GPRS核心網(wǎng)再送至外部PDN。 緊耦合方案中WLAN和GPRS盡可能地采用相同的固定網(wǎng)絡(luò)資源，彼此僅在無(wú)線接入部分相互獨(dú)立 緊耦合方案35n6.3移動(dòng)蜂窩網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的融合 兩種耦合方案的比較 （1）松耦合方案的特點(diǎn) WLAN和GPRS網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，互不影響； 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)融合的技術(shù)要求較低，不需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行大的升級(jí)和改造； 對(duì)移動(dòng)終端沒(méi)有特殊要求，普通的WLAN終端也可接入； 應(yīng)用面寬，既適合于WLAN為GPRS運(yùn)營(yíng)商所擁有的情況，也適用于WLAN為第三方運(yùn)營(yíng)商所擁有的情況。松耦合的優(yōu)點(diǎn):36 當(dāng)用戶采用雙模終端時(shí)，必須采用移動(dòng)IP的方式才能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的