移动宽带系统——包括WiMAX和LTE

内容简介

本书是一本介绍关于IP-OFDMA技术的专著。首先论述蜂窝和IP技术，为后面介绍OFDMA理论及新兴的技术，如WiMAX、LTE及未来发展做好铺垫。本书前半部分内容主要是针对初学者，涉及OFDM技术，后半部分内容主要是针对专业读者和研发人员，涉及OFDMA、MIMO理论、基于IP和OFDMA技术的端到端的系统架构。全书分为三个部分共计13章。第一部分包含第1~3章，主要介绍IP网络和蜂窝通信的基本背景知识；第二部分包含第4~7章，主要介绍OFDMA和资源分配方案，MIMO技术，SC-FDMA方案；第三部分包含第8~13章，主要介绍基于OFDMA接入技术，基于IEEE 802.16e2005协议的移动WiMAX的物理层（PHY）和媒体接入层(MAC)，3GPP的LTE的网络架构和空中接口,3GPP2的UMB技术,,最后是总结和展望。本书阐述清晰、内容翔实，提供了基于IP-OFDMA技术的移动宽带系统的全貌。本书适于作为通信工程和相关专业的研究工作者、工程师、高年级学生，以及对此书感兴趣的任何人士的技术参考书。读者对象：对下一代基于OFDMA的无线宽带技术研发和部署感兴趣的研究人员、工程技术人员、学生等。

目    录
第一部分  无线通信与IP网络概论
第1章  移动宽带的介绍	（3）
　　1.1  概述	（3）
　　1.2  在3G和宽带之前	（5）
     1.2.1  蜂窝通信	（5）
     1.2.2  宽带和WLAN/WiFi	（6）
　　1.3  3G和宽带无线	（7）
     1.3.1  3GPP家族	（7）
     1.3.2  3GPP2家族	（9）
     1.3.3  宽带无线接入	（10）
　　1.4  移动WiMAX和4G	（11）
　　1.5  重要特征	（12）
　　1.6  移动宽带市场	（12）
　　1.7  小结	（12）
　　参考文献	（13）
第2章  基本蜂窝通信	（14）
　　2.1  蜂窝的概念	（14）
     2.1.1  切换	（15）
     2.1.2  蜂窝小区部署	（16）
　　2.2  频谱效率	（18）
　　2.3  数字通信	（19）
     2.3.1  信源编码	（20）
     2.3.2  信道编码	（21）
     2.3.3  错误检测编码	（21）
     2.3.4  前向错误纠正	（22）
     2.3.5  硬判决和软判决译码	（22）
     2.3.6  打孔	（22）
     2.3.7  混合自动请求重传	（23）
     2.3.8  交织	（23）
     2.3.9  加密和鉴权	（24）
     2.3.10  数字调制	（26）
　　2.4  无线信道	（27）
     2.4.1  路损	（28）
     2.4.2  阴影	（32）
     2.4.3  衰落	（33）
     2.4.4  延迟扩展	（34）
     2.4.5  相干带宽	（35）
     2.4.6  多普勒扩展	（36）
     2.4.7  相干时间	（36）
     2.4.8  信道模型	（37）
　　2.5  分集技术	（41）
　　2.6  多址接入技术	（41）
　　2.7  OFDMA	（42）
　　2.8  复用：TDD与H/FDD结构	（44）
　　2.9  无线回程	（46）
　　2.10  小结	（47）
　　参考文献	（48）
第3章  全IP网络基础	（50）
　　3.1  概述	（50）
　　3.2  IP协议	（50）
　　3.3  IP地址分配	（52）
　　3.4  IPv6	（53）
　　3.5  IP传输	（54）
　　3.6  IP路由协议	（55）
     3.6.1  RIP版本2	（56）
     3.6.2  OSPF	（56）
     3.6.3  BGP 版本4	（57）
     3.6.4  多播IP	（57）
　　3.7  全IP网络的QoS	（57）
     3.7.1  DiffServ：差分服务	（58）
     3.7.2  IntServ：集成服务	（58）
     3.7.3  RSVP：资源预留协议	（59）
     3.7.4  MPLS：多协议标签交换	（60）
     3.7.5  DPI：深度包检测	（61）
　　3.8  IP头压缩	（62）
　　3.9  IP安全	（63）
     3.9.1  安全协议	（65）
　　3.10  IP管道	（66）
　　3.11  PPP：点到点协议	（67）
     3.11.1  LCP链路建立	（67）
     3.11.2  PPP 鉴权	（68）
　　3.12  AAA	（68）
     3.12.1  RADIUS	（69）
     3.12.2  DIAMETER	（69）
　　3.13  EAP：扩展鉴权协议	（71）
     3.13.1  EAP-TLS	（71）
     3.13.2  EAP-TTLS	（71）
     3.13.3  EAP-AKA	（72）
　　3.14  移动IP	（73）
     3.14.1  路由优化	（74）
     3.14.2  反向管道	（74）
     3.14.3  PMIPv4：代理移动IPv4	（74）
     3.14.4  IPv6的移动IP	（75）
     3.14.5  PMIPv6：代理移动IPv6	（76）
　　3.15  SIP：会话初始协议	（76）
　　3.16  IMS：IP多媒体子系统	（78）
　　3.17  小结	（81）
　　参考文献	（81）
第二部分  OFDMA与MIMO理论
第4章  OFDM原理	（85）
　　4.1  概述	（85）
　　4.2  一个简单的OFDM系统	（89）
　　4.3  编码	（92）
     4.3.1  分组编码	（93）
     4.3.2  Reed-Solomon编码	（96）
     4.3.3  卷积编码	（97）
     4.3.4  级联编码	（100）
     4.3.5  网格编码	（101）
     4.3.6  Turbo编码	（103）
     4.3.7  LDPC编码	（105）
　　4.4  同步	（107）
     4.4.1  时间偏移	（108）
     4.4.2  频率偏移	（108）
     4.4.3  相位噪声	（109）
     4.4.4  基于引导的时间和频率同步	（109）
     4.4.5  盲时间–频率同步	（110）
　　4.5  检测和信道估计	（111）
     4.5.1  相干检测	（111）
　　4.6  均衡	（113）
     4.6.1  ZF：迫零均衡器	（115）
     4.6.2  MMSE：最小均方误差均衡器	（115）
     4.6.3  DFE：判决反馈均衡器	（116）
     4.6.4  自适应均衡器	（117）
     4.6.5  MLSE：最大似然序列估计	（118）
     4.6.6  维特比均衡器	（118）
     4.6.7  Turbo 均衡器	（119）
     4.6.8  OFDM中的均衡	（119）
     4.6.9  时域和频域均衡	（122）
　　4.7  峰均功率比和削峰	（122）
     4.7.1  PAPR是什么？	（123）
     4.7.2  削峰	（124）
     4.7.3  其他方法	（128）
　　4.8  应用：IEEE 802.11a	（130）
　　4.9  小结	（131）
　　参考文献	（132）
第5章  OFDMA基本原理	（136）
　　5.1  概述	（136）
     5.1.1  随机接入：CSMA-OFDM	（137）
     5.1.2  时分：TDMA-OFDM	（138）
     5.1.3  频分：FDMA-OFDM	（138）
     5.1.4  码分：MC-CDMA	（139）
     5.1.5  空分：SDMA-OFDM	（139）
     5.1.6  OFDMA	（139）
　　5.2  多用户分集和自适应编码调制	（140）
　　5.3  OFDMA系统模型和框架	（142）
     5.3.1  可扩展的OFDMA	（142）
     5.3.2  系统模型	（142）
     5.3.3  QoS认知	（143）
     5.3.4  信道	（144）
　　5.4  子载波分配：固定的QoS约束	（145）
     5.4.1  最优解	（145）
     5.4.2  次最优方法	（146）
     5.4.3  子载波分配	（146）
     5.4.4  比特负荷分配算法	（147）
     5.4.5  迭代解决方案	（148）
     5.4.6  公平调度算法	（148）
     5.4.7  贪婪释放算法	（149）
     5.4.8  水平交换算法	（149）
     5.4.9  垂直交换算法	（149）
     5.4.10  性能分析	（150）
　　5.5  子载波分配：可变QoS	（154）
　　5.6  频率复用：单频点网络	（155）
     5.6.1  最优解	（156）
     5.6.2  自适应解决方法	（157）
     5.6.3  启发式方法	（158）
　　5.7  基于编码的分配：Flash-OFDM	（161）
     5.7.1  干扰多样性	（161）
     5.7.2  跳频方法	（164）
     5.7.3  拉丁方	（165）
     5.7.4  Flash-OFDM结构	（165）
　　5.8  子载波共享：嵌入式调制	（166）
     5.8.1  最优解	（167）
     5.8.2  迭代解决方法	（167）
　　5.9  小结	（168）
　　参考文献	（169）
第6章  多天线系统	（170）
　　6.1  概述	（170）
　　6.2  空间分集	（172）
　　6.3  MIMO基本介绍	（173）
     6.3.1  MIMO信道	（173）
     6.3.2  译码	（174）
     6.3.3  信道估计	（174）
     6.3.4  信道反馈	（175）
　　6.4  SIMO	（176）
     6.4.1  组合技术	（176）
　　6.5  MISO	（179）
     6.5.1  CSI发射分集	（179）
     6.5.2  无CSI的发射分集（Alamouti方案）	（180）
     6.5.3  MISO容量	（181）
　　6.6  MIMO	（181）
     6.6.1  MIMO波束成形	（181）
     6.6.2  2×2 MIMO——基于Alamouti	（183）
     6.6.3  空间复用增益	（184）
     6.6.4  具有CSI 的MIMO容量	（185）
     6.6.5  无CSI 的MIMO容量	（186）
　　6.7  空时编码	（186）
     6.7.1  空时分组编码（STBC）	（187）
     6.7.2  空时Trellis编码（STTC）	（188）
　　6.8  MIMO BLAST收发机	（190）
　　6.9  具有HARQ的 MIMO	（193）
　　6.10  多用户MIMO-SDMA	（194）
　　6.11  协作MIMO与宏分集	（194）
　　6.12  其他智能天线技术	（195）
　　6.13  IEEE 802.11n应用	（195）
　　6.14  小结	（197）
　　参考文献	（198）
第7章  SC-FDMA	（200）
　　7.1  概述	（200）
　　7.2  SC-FDMA与OFDMA的比较	（200）
　　7.3  SC-FDMA系统	（202）
　　7.4  小结	（203）
　　参考文献	（204）
第三部分  IP-OFDMA应用
第8章  WiMAX物理层	（207）
　　8.1  OFDMA信号	（208）
　　8.2  OFDMA符号	（209）
     8.2.1  FUSC	（209）
     8.2.2  DL PUSC：下行部分选用子载波	（211）
     8.2.3  UL PUSC：上行部分选用子载波	（211）
     8.2.4  TUSC：子载波的小片应用	（213）
     8.2.5  AMC子信道	（213）
     8.2.6  数据旋转	（215）
　　8.3  OFDMA帧	（215）
     8.3.1  OFDMA 数据映射	（216）
     8.3.2  TDD帧	（217）
     8.3.3  FDD/HFDD帧	（218）
     8.3.4  段与区域	（218）
     8.3.5  多播广播服务（MBS）区域	（220）
     8.3.6  探测区域	（221）
　　8.4  多天线系统支持	（221）
     8.4.1  自适应天线系统（AAS）	（222）
     8.4.2  空时编码：开环	（222）
     8.4.3  FHDC：跳频分集码	（224）
     8.4.4  闭环MIMO	（225）
     8.4.5  反馈方法	（226）
　　8.5  信道编码	（228）
     8.5.1  随机选择	（228）
     8.5.2  FEC编码	（228）
     8.5.3  交织	（233）
     8.5.4  循环码	（233）
     8.5.5  调制	（233）
　　8.6  控制机制	（233）
     8.6.1  测距	（234）
     8.6.2  功率控制	（235）
     8.6.3  信道质量测量	（235）
　　8.7  小结	（236）
　　参考文献	（236）
第9章  WiMAX MAC层	（237）
　　9.1  参考模型	（237）
　　9.2  PHS：包头压缩	（239）
　　9.3  数据/控制面	（239）
     9.3.1  MAC PDU 格式	（240）
     9.3.2  MAC PDU的结构和传输	（245）
     9.3.3  ARQ机制	（245）
     9.3.4  传输调度	（247）
　　9.4  网络进入和初始化	（248）
　　9.5  QoS	（250）
　　9.6  支持移动性MS的睡眠模式	（252）
     9.6.1  省电类型Ⅰ	（252）
     9.6.2  省电类型Ⅱ	（253）
     9.6.3  省电类型Ⅲ	（253）
     9.6.4  睡眠模式下的周期性测距	（253）
　　9.7  切换	（253）
     9.7.1  扫描	（253）
     9.7.2  关联过程	（253）
     9.7.3  切换过程	（254）
     9.7.4  软切换	（255）
　　9.8  MBS：多播广播业务	（257）
　　9.9  空闲模式和寻呼	（258）
　　9.10  小结	（259）
　　参考文献	（259）
第10章  WiMAX网络层	（260）
　　10.1  概述	（260）
　　10.2  设计限制	（260）
　　10.3  网络参考模型	（261）
　　10.4  ASN：接入服务网络	（262）
     10.4.1  BS：基站	（262）
     10.4.2  ASN-GW：接入服务网络?网关	（263）
　　10.5  CSN：连接服务网络	（264）
　　10.6  参考点	（264）
　　10.7  协议汇聚层	（265）
　　10.8  网络发现和选择	（266）
　　10.9  IP寻址	（267）
　　10.10  AAA框架	（268）
     10.10.1  鉴权和授权协议	（268）
     10.10.2  鉴权器域和移动域	（271）
　　10.11  账户	（271）
     10.11.1  离线账户	（272）
     10.11.2  在线账户	（272）
     10.11.3  热线	（272）
　　10.12  QoS框架	（273）
     10.12.1  DiffServ支持	（274）
　　10.13  ASN锚点移动性	（275）
     10.13.1  数据通道（承载）功能	（276）
     10.13.2  切换功能	（276）
     10.13.3  上下文功能	（276）
     10.13.4  数据完整性	（276）
　　10.14  CSN锚点移动性	（277）
     10.14.1  代理MIP	（277）
     10.14.2  客户MIP	（278）
　　10.15  RRM：无线资源管理	（278）
　　10.16  寻呼和空闲模式	（279）
　　10.17  Release 1.5特性	（280）
     10.17.1  ROHC：鲁棒性头压缩	（280）
     10.17.2  MCBCS：多播广播服务	（282）
     10.17.3  LBS：基于位置的服务	（283）
     10.17.4  ES：紧急服务	（285）
     10.17.5  合法拦截	（285）
     10.17.6  USI：统一服务接口	（286）
     10.17.7  OTA：空中下载供应	（287）
　　10.18  小结	（288）
　　参考文献	（289）
第11章  3GPP的长期演进	（290）
　　11.1  EPC：演进分组系统	（291）
     11.1.1  MME：移动管理实体	（292）
     11.1.2  SGW：服务网关	（293）
     11.1.3  PDN GW：分组数据网关	（294）
　　11.2  E-UTRAN	（294）
     11.2.1  eNB：形成节点B	（295）
　　11.3  UE：用户设备	（296）
     11.3.1  参考点	（297）
　　11.4  系统性能因素	（299）
     11.4.1  QoS	（299）
     11.4.2  安全性	（300）
　　11.5  LTE更高协议层	（301）
     11.5.1  信道结构	（301）
     11.5.2  NAS层	（303）
     11.5.3  RRC层	（303）
     11.5.4  PDCP层	（304）
     11.5.5  RLC层	（304）
　　11.6  LTE MAC层	（305）
     11.6.1  调度	（305）
     11.6.2  HARQ	（305）
     11.6.3  小区搜索	（306）
     11.6.4  功率控制	（306）
     11.6.5  小区干扰抑制	（306）
     11.6.6  基站间同步	（307）
     11.6.7  物理层测量	（307）
     11.6.8  E-MBMS	（307）
     11.6.9  自配置	（308）
　　11.7  物理层	（309）
     11.7.1  LTE帧结构	（309）
     11.7.2  信道编码	（311）
     11.7.3  OFDMA下行链路	（312）
     11.7.4  OFDMA下行链路MIMO	（314）
     11.7.5  SC-FDMA上行链路	（315）
     11.7.6  上行链路SC-FDMA MIMO	（316）
　　11.8  小结	（318）
　　参考文献	（318）
第12章  3GPP2的超移动宽带	（321）
　　12.1  概述	（321）
　　12.2  参考模型	（322）
　　12.3  CAN：汇聚接入网	（323）
     12.3.1  AGW：接入网关	（324）
     12.3.2  SRNC：会话参考网络控制器	（324）
     12.3.3  eBS：演进型基站	（325）
     12.3.4  其他实体	（325）
     12.3.5  参考点	（326）
　　12.4  移动性支持	（327）
     12.4.1  多重路由	（327）
     12.4.2  基站内部切换	（327）
     12.4.3  网关间切换	（328）
     12.4.4  系统间切换	（328）
　　12.5  UMB空中接口协议架构	（328）
　　12.6  UMB物理和MAC层	（330）
     12.6.1  前向和反向链路信道	（330）
     12.6.2  编码与调制	（332）
     12.6.3  OFDM结构与调制参数	（333）
     12.6.4  HARQ	（334）
     12.6.5  多天线策略	（335）
     12.6.6  跳频端口定义和索引	（336）
     12.6.7  信道树	（338）
     12.6.8  资源管理	（338）
     12.6.9  接口管理	（340）
     12.6.10  功率节省	（341）
　　12.7  小结	（342）
　　参考文献	（342）
第13章  融合驱动	（344）
　　13.1  网络融合	（344）
     13.1.1  LTE与WiMAX的互操作	（345）
     13.1.2  LTE与3GPP2的HRPD互操作	（347）
     13.1.3  WiMAX与3GPP2的互操作	（348）
     13.1.4  WiMAX与3GPP的互操作	（349）
     13.1.5  WiMAX与DSL的互操作	（349）
     13.1.6  GAN：通用接入网络（过去的UMA）	（350）
     13.1.7  IEEE 802.21的无缝性	（352）
　　13.2  服务融合	（355）
     13.2.1  单个PCC	（355）
     13.2.2  单个IMS	（357）
　　13.3  设备融合	（358）
　　13.4  IEEE 802.16j的增强覆盖	（359）
     13.4.1  透明中继模式	（360）
     13.4.2  非透明中继模式	（360）
　　13.5  IEEE 802.16m的更多能力	（360）
     13.5.1  上行	（362）
     13.5.2  低时延帧	（363）
　　13.6  IEEE 802.20中的更多接入	（365）
　　13.7  IEEE 802.22中更多灵活的频谱使用	（365）
     13.7.1  IEEE 802.22空中接口	（367）
　　13.8  小结	（369）
　　参考文献	（370）
中英文缩写	（371）
     
　　
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序言/前言

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前言

前    言
　　本书是一本关于介绍IP-OFDMA技术的专著，首先讲解蜂窝通信和IP网络技术，为后面的OFDMA理论及新兴的技术，如WiMAX，LTE及未来发展做好铺垫。本书前半部分内容主要介绍OFDM技术，后半部分内容是针对专业读者和研发人员，主要介绍OFDMA、MIMO理论、基于IP和OFDMA技术的端到端的系统架构。
　　全书分为三个部分共计13章。第一部分包含第1~3章，主要介绍IP网络和蜂窝通信的基本背景知识。第1章介绍蜂窝通信的发展历史和向移动宽带发展的趋势；第2章介绍蜂窝通信的特点及面临的机遇和挑战；第3章介绍IP网络互连的发展历史和发展趋势，以及面临的机遇和挑战。
　　第二部分包含第4~7章，第4章介绍OFDM技术；第5章是本书的核心章节之一，详细介绍正交频分多址接入（OFDMA）和资源分配方案；第6章介绍MIMO技术；第7章介绍单载波频分多址接入（SC-FDMA）方案，即OFDMA技术在LTE上行链路的技术更新。
　　第三部分包含第8~13章，主要介绍基于OFDMA的接入技术。第8章介绍基于IEEE 802.16e—2005标准的移动WIMAX的物理层（PHY）；第9章详细介绍基于IEEE 802.16e—2005标准的媒体接入层（MAC）；第10章集中介绍WiMAX论坛的网络层；第11章介绍3GPP的LTE的网络架构和空中接口；第12章介绍3GPP2的UMB技术；第13章是对全书的一个总结，展示了与公共的IMS和PCC功能实现互连互通方案的接入技术。此外，本书还展望了分别用于多跳中继和最新空中接口的基于OFDMA技术的IEEE 802.16j 和IEEE 802.16m标准。同时还论及了IEEE 802.20和基于认知无线电的IEEE 802.22标准。
　　本书面向的读者是研究工作者、工程师、学生，以及任何对下一代基于OFDMA技术的移动宽带系统感兴趣的人士。对本书中所出现的任何错误， 欢迎读者批评指正，并发送电子邮件给我，我的邮箱地址是ergen@cal.berkeley.edu，我将在以后的版本中更正。最后，要感谢我的家人和同事的无私帮助和耐心，我要将本书奉献给他们。
　　版权资料的重印已得到IEEE Std 802.16的允许。该允许同样授权了对IEEE 标准 802.16j草案、IEEE标准802.11n草案、IEEE标准802.16m工作组文档的使用权。IEEE声明对任何上述的行为负责。
　　涉及版权资料的重印已得到WiMAX论坛的允许。“WiMAX”、“移动WiMAX”、“固定WiMAX”、“WiMAX论坛”、“WiMAX资格”、“WiMAX论坛资格”，WiMAX论坛标识和WiMAX论坛资格标识都是属于WiMAX论坛的商标。WiMAX论坛声明对任何上述的行为负责。
　　涉及版权资料的使用得到了ETSI旗下的3GPP TSs/TRs的书面许可。LTE是3GPP的注册商标，3GPP声明对任何上述的行为负责。
　　涉及版权资料的使用获得第三代合作项目2（3GPP2）和通信产业联盟的书面许可。“UMB”是3GPP2的注册商标，3GPP2声明对任何上述的行为负责。
　　Mustafa Ergen  
 译  者  序
　　随着3G网络在世界各地的商用，无线宽带数据业务在全球移动业务市场迅速发展，市场需求推动了高速数据业务，特别是视频、音乐、游戏等业务的广泛应用，同时也拉升了用户对业务体验的质量预期，如何获取更高的速率、更大的系统容易、更完美的用户体验是移动运营商在网络发展过程中始终关注的问题。而要解决这些问题，一代新的技术IP-OFDMA便应运而生，这一技术在移动宽带LTE和WiMAX中的应用，有效地提高了系统的承载效率。
　　提高系统承载效率：一要依赖改善空中接口传输机制，通过利用MIMO技术中的预编码提高传输数率；利用多天线实现收／发分集增益；利用智能天线提高传输可靠性；利用更有效的编码机制，提高传输成功率；利用更快速和合理的MAC层调度机制，提高频谱使用效率。二要支持不同通信标准间的无缝切换，实现多标准通信技术的融合。不同接入技术的切换成功率在一定程度上影响业务的接续，合理的设计系统间切换机制，以保证业务在不同的通信标准间的无缝切换，可大大改善用户的感知。三要广泛地利用IP技术对移动网络进行IP化改造，更有效地提升网络资源利用率。
　　本书前半部分主要介绍OFDMA技术，后半部分主要面向专业读者和研究开发者，是一本很好地介绍OFDMA、MIMO理论，基于IP和OFDMA技术的端到端的系统架构的专著。
　　由于本人工作繁忙，用了一年多时间才完成全书的翻译，在翻译的过程中得到了李佳先生的热心帮助，李岩先生对翻译全文进行了校对，在此表示衷心的感谢！由于译者水平有限，书中难免有疏漏不妥之处，殷切希望广大读者及同行专家给予批评斧正。
　　
　　
　　译  者