第6章現(xiàn)代無線通信原理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)

第六章無線通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)6.1概述6.2無線固定接入6.3無線移動接入6.4無線數(shù)據(jù)接入6.5無線分組網(wǎng)原理1(42)6.1概述

6.1.1無線系統(tǒng)的分類頻段范圍：短波、超短波、微波、毫米波等。傳播方式：地面視距、地面超視距、對流層散射、電離層反射、衛(wèi)星等。多址方式：點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)等。應(yīng)用背景：固定接入、移動接入、數(shù)據(jù)接入等。連接方式：電路連接、分組連接等。2(42)6.1.2地面無線系統(tǒng)的應(yīng)用分類無線固定接入：WLL，ISM，LMDS無線移動接入：

第二代蜂窩及在第二代上增加的業(yè)務(wù)：i-mode、WAP、GPRS、EDGE等

第三代蜂窩無線數(shù)據(jù)接入：

WLAN、WWAN、WMAN、WHAN、WPAN、WVAN、802.11、HIPERLAN，Bluetooth3(42)6.1.3無線系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的主要性能頻率規(guī)劃傳輸范圍傳輸質(zhì)量業(yè)務(wù)種類用戶容量標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議4(42)6.2無線固定接入

6.2.1頻率規(guī)劃450.5～452.5MHz/460.5～462.5MHz,FDD模式，窄帶無線接入。1800～1805MHz,S-CDMATDD模式,公眾網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)無線接入。1900～1920MHz,TDD模式,用于PHS、DECT、TDMA/CDMATDD、CordlessDECT。2400～2483.5MHz及5725～5850MHz,ISM頻段擴(kuò)頻SS系統(tǒng)接入及Bluetooth/Pico-cell無線接入。3400～3430MHz/3500～3530MHz,FDD模式，中高速無線接入。24/26GHz及38GHz,FDD模式，LMDS寬帶無線接入。5(42)6.2.2無線用戶環(huán)（WLL）用戶環(huán)是在電話網(wǎng)中解決交換機(jī)到用戶終端傳輸問題的一種手段。可以有有線及無線等方式。無線用戶環(huán)的特點(diǎn)：依托有線網(wǎng)，主要解決用戶接入問題，簡單說就是將用戶線用無線代替有線。無線用戶環(huán)有近距離（1公里以內(nèi)）和遠(yuǎn)距離（幾公里到十幾公里以上）二類。無線用戶環(huán)以固定為主，但也能支持慢速行走的用戶。無線用戶環(huán)產(chǎn)品類別： －近距離，如：CT-2，DECT，PHS等無繩電話。 －遠(yuǎn)距離，如：TD-SCDMA，3.5GHz等。6(42)6.2.3

ISM頻段SS系統(tǒng)美國FCC劃分了三個(gè)頻段（800M，2.4G，5.7G）給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)使用，無需許可證，簡稱ISM頻段。我國目前也參照美國的標(biāo)準(zhǔn)，開放了二個(gè)頻段，即2.4G和5.7G，但還要求執(zhí)行許可證制度。技術(shù)規(guī)范：－頻率規(guī)劃為2400－2483.5MHz，5725～5850MHz。－采用擴(kuò)頻技術(shù)（直接序列擴(kuò)頻或跳頻），擴(kuò)頻比大于10，或跳速大于2.5跳/秒。－傳輸速率為2Mbps。－發(fā)送功率小于100mW。7(42)6.2.4

寬帶LMDS系統(tǒng)LMDS(LocalMultipointDistributionService)，本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)。這是一種微波寬帶業(yè)務(wù),在厘米波及毫米波頻段，在較近的距離上以點(diǎn)對多點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)話音、視頻和圖像信號雙向傳輸。通信距離：2-10公里。使用頻率：24/26,38GHz。調(diào)制方式：多狀態(tài)正交調(diào)幅（16QAM、64QAM等）。無線頻譜資源大于1GHz，每基站總?cè)萘窟_(dá)4.8G，每扇區(qū)容量達(dá)200M，每遠(yuǎn)端站容量達(dá)Nx2M（2-155Mbps）?？梢灾С脂F(xiàn)存的任何業(yè)務(wù)，包括：話音,數(shù)據(jù)和圖像8(42)6.3無線移動接入

6.3.1頻率規(guī)劃模擬蜂窩TACS： 890-915/935-960MHz模擬蜂窩AMPS： 824-849/869-894MHz數(shù)字蜂窩GSM： 890-915/935-960MHz數(shù)字蜂窩DCS-1800： 1710-1785/1805-1880MHz數(shù)字蜂窩IS-95： 824-849/869-894MHz模擬集群 350MHz數(shù)字集群： 806-821/851-866MHz9(42)6.3.2蜂窩系統(tǒng)概念引入蜂窩概念是無線移動通信的重大突破，其主要目的是為了在有限的頻譜資源上提供更多的移動電話用戶服務(wù)。蜂窩的主要特點(diǎn)：－通過控制發(fā)射功率使得頻譜資源在一個(gè)大區(qū)的不同小區(qū)間重復(fù)利用，－通過將小區(qū)劃分成更小的小區(qū)的方法（小區(qū)分裂）來增大系統(tǒng)的容量。10(42)6.3.3蜂窩系統(tǒng)的頻率再用蜂窩系統(tǒng)在幾何上可以看出由六邊形組成。形同蜂窩。頻率再用距離：D小區(qū)半徑：R頻率再用因子：

Q＝D/R不同多址體制的Q值：

FDMA，Q＝7 TDMA，Q＝3或4

CDMA，Q＝1f1f2f3f1DR11(42)6.3.4蜂窩系統(tǒng)的容量小區(qū)容量：每個(gè)小區(qū)在給定工作頻段上所能支持的最大用戶數(shù)。系統(tǒng)容量：整個(gè)系統(tǒng)在給定頻段上單位面積所能支持的用戶數(shù)。影響容量的因素：可用帶寬；要求的載波-干擾比；頻率再用因子；小區(qū)大小；提高容量的其它措施，如：話音激活、扇區(qū)化等。TDMA（GSM）比FDMA（AMPS）的系統(tǒng)容量可提高3-6倍。CDMA（IS-95）比TDMA（GSM）的系統(tǒng)容量可提高3-4倍。12(42)6.3.5第一代蜂窩系統(tǒng)：模擬模擬蜂窩系統(tǒng)：歐洲的TACS和北美的AMPS多址方式：FDMA/FDD信道帶寬：30KHz（AMPS）、25KHz（TACS）使用頻率：8－900MHz語音調(diào)制：FM信道數(shù)：832（AMPS）、1000（TACS）13(42)6.3.6

第一代蜂窩系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù):CDPDCDPD(CELLULARDIGITALPACKETDATA)：蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)，美國一些公司聯(lián)合開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)。承載在美國模擬蜂窩AMPS上，采用TCP/IP。調(diào)制方式為GMSK，數(shù)據(jù)率為19.2kbps。利用跳頻技術(shù)在蜂窩頻道的空閑時(shí)隙傳送突發(fā)數(shù)據(jù)。是一種無連接協(xié)議。采用RS碼糾錯(cuò)，可以采用加密。收費(fèi)合理，是一種過渡方案。14(42)6.3.7第二代蜂窩系統(tǒng)：數(shù)字基本上是兩大標(biāo)準(zhǔn)：歐洲的GSM和北美的IS-95。使用頻率：8－900MHz。多址方式：TDMA/FDMA/FDD(GSM)，CDMA/FDMA/FDD(IS-95)。傳輸速率：270.833kbps(GSM)，1.2288Mbps(IS-95)。調(diào)制方式：GMSK(GSM)，QPSK/OQPSK(IS－95)。語音編碼：13kbpsRPE-LTP(GSM)， 1200/2400/4800/9600bps變速率CELP(IS-95)。信道編碼：1/2卷積碼(GSM)， 1/2卷積碼/維特比譯碼（IS-95)。15(42)6.3.8

第二代蜂窩系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù):WAPWAP（WirelessApplicationProtocol）無線應(yīng)用協(xié)議。采用全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，支持GSM、GPRS和WCDMA等移動通信系統(tǒng)。簡化、優(yōu)化和擴(kuò)展了因特網(wǎng)Web技術(shù)，消除了移動終端在屏幕顯示、內(nèi)存、處理能力和無線傳輸帶寬等方面的限制。主要特點(diǎn)：1）WAP協(xié)議棧采用層次化的設(shè)計(jì)，每層均定義有接口，可被上一層協(xié)議使用，也可被其它的服務(wù)或應(yīng)用程序直接使用。2）WAP應(yīng)用結(jié)構(gòu)類似于因特網(wǎng)結(jié)構(gòu)。16(42)6.3.9第二代蜂窩系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù):GPRSGPRS（GeneralPacketRadioService）通用分組無線業(yè)務(wù)。以分組技術(shù)為基礎(chǔ)的傳輸系統(tǒng)，能為用戶提供高達(dá)160kbits/s的數(shù)據(jù)速率?；诂F(xiàn)有GSM系統(tǒng)，可根據(jù)需要對一個(gè)載頻的8個(gè)時(shí)隙進(jìn)行捆綁。在初始階段，4個(gè)時(shí)隙作為一組進(jìn)行捆綁，速率可以提高4倍。17(42)6.3.9第二代蜂窩系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù):GPRSGPRS（GeneralPacketRadioService）通用分組無線業(yè)務(wù)。..是由ETSI定義的一種分組數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，其目的是在GSM等移動通信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)的中低速業(yè)務(wù)，使移動臺和終端設(shè)備可以通過GPRS訪問全球任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。18(42)6.3.10第二代蜂窩系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù):EDGEEDGE（EnhancedDataRatesforGSMEvolution）在GPRS基礎(chǔ)上提高速率的一種標(biāo)準(zhǔn)。主要技術(shù)措施：將GSM的四相調(diào)制改為八相調(diào)制，使每個(gè)信道的傳輸速率由14.4kbps提高到48kbps；再通過多時(shí)隙捆綁，最高傳輸速率可以達(dá)到384kbps。優(yōu)點(diǎn)：只要在GSM原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對基站進(jìn)行簡單的升級，就可以在兼容原有業(yè)務(wù)的情況下開通EDGE業(yè)務(wù)。19(42)6.3.11第三代蜂窩系統(tǒng):IMT-2000概況IMT2000是第三代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),以支持移動多媒體通信為目標(biāo)，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并存（出現(xiàn)所謂IMT2000家族的概念），頻段為2000MHz，使用日期為2000年。使用頻率：1890-2030MHz，2110-2250MHz。最高傳輸速率：144kb/s（高速運(yùn)動），384kb/s（步行速度），2Mb/s（室內(nèi)環(huán)境）。三種代表性的RTT技術(shù)方案：歐洲和日本的WCDMA方案，北美的CDMA2000方案，中國CATT提出的TD-SCDMA方案。20(42)6.3.12

第三代蜂窩系統(tǒng):IMT-2000

過渡情況北美歐洲IS-95AIS-95BIS-95CCDMA2000GSMTDMAGSM+GPRS,HSCSDGSM++EDGEWCDMA普通分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高速電路交換數(shù)據(jù)GSM增強(qiáng)數(shù)據(jù)率21(42)6.3.13第三代蜂窩系統(tǒng):WCDMA

特點(diǎn)：

1、強(qiáng)調(diào)寬帶技術(shù)，最小帶寬5MHz2、BTS間不需要同步和GPS

3、正反向信道相干解調(diào)基本參數(shù)：1、碼片速率：4.096/8.192/16.3843Mc/s2、波道間隔：5/10/20MHz3、功率控制速率：1600b/s4、編碼方式：卷積碼R=1/3,1/2,k=9和TurboCode22(42)6.3.14第三代蜂窩系統(tǒng):CDMA-2000以IS-95為基礎(chǔ)相同的碼片速率、軟切換技術(shù)、功率控制技術(shù)技術(shù)改進(jìn)反向信道連續(xù)導(dǎo)頻和相干解調(diào)多載波方式提高傳輸速率基本參數(shù)碼片速率：1.2288/3.686Mc/s波道間隔：N1.25/5MHz功率控制速率：800b/s編碼方式：卷積碼R=1/4,1/3,1/2,k=9和TurboCode23(42)6.3.15第三代蜂窩系統(tǒng)：TD-SCDMA時(shí)分復(fù)用、時(shí)分雙工，軟件化、智能天線、同步CDMA技術(shù)8個(gè)時(shí)隙，正、反向信道各4個(gè)時(shí)隙每個(gè)時(shí)隙16各地址碼可變的雙工信道速率采用16QAM和非對稱傳輸支持2Mb/s速率語音傳輸：8kb/s擴(kuò)頻切普率：1.1136Mc/s信道編碼：語音為3/4卷積碼24(42)6.3.16無線集群系統(tǒng)專用網(wǎng)：主要用于公安和部隊(duì)。數(shù)字集群的性能： －信道帶寬 25KHz －多址方式 6信道TDMA －信道速率 64kbps －調(diào)制方式 16QAM －語音編碼 4.2kbps，VSELP －信道編碼 TCM25(42)6.4無線數(shù)據(jù)接入

6.4.1各種應(yīng)用系統(tǒng)WLAN：無線局域網(wǎng)WWAN：無線廣域網(wǎng)WMAN：無線城域網(wǎng)WHAN:無線家域網(wǎng)WPAN：無線個(gè)域網(wǎng)WVAN：無線車域網(wǎng)26(42)6.4.2標(biāo)準(zhǔn):IEEE802.11IEEE802是美國制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)系列，其中802.11是無線訪問方法和物理層規(guī)范，包括跳頻、直擴(kuò)等無線傳輸以及數(shù)據(jù)率高達(dá)2Mbps的紅外傳輸。媒質(zhì)訪問控制（MAC）方法：載波檢測多址訪問及避免碰撞技術(shù)（CSMA-CA）。首先，每個(gè)要發(fā)送的無線節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)必需檢測到網(wǎng)絡(luò)靜默才能發(fā)送，但如果網(wǎng)絡(luò)靜默時(shí)二個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，就會產(chǎn)生碰撞。為此，專門設(shè)計(jì)了避免碰撞的協(xié)議。物理層采用：紅外傳輸、跳頻傳輸、直擴(kuò)傳輸。最高傳輸速率2Mbps。無線傳輸采用2.4GHzISM頻段。27(42)6.4.3

標(biāo)準(zhǔn):HIPERLAN高性能無線局域網(wǎng)的簡稱。這是歐洲各國制定的標(biāo)準(zhǔn)系列。使用頻率：5.15-5.3GHz和17.1-17.3GHz。傳輸范圍：50m。支持異步和同步通信。支持32kbps音頻、2Mbps視頻、10Mbps數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。和IEEE802.11不兼容。28(42)6.4.4

標(biāo)準(zhǔn):Bluetooth目標(biāo)：通過將一種微小的短距的無線通信技術(shù)集成到各種不同的電子設(shè)備中來為移動和商業(yè)用戶提供方便服務(wù)。技術(shù)性能：

－使用頻率 2.4GHzISM頻段－傳輸速率 1Mbps－調(diào)制方式 GFSK－雙工方式 TDD－通信距離 10m（10mW），100m（100mW）－抗干擾方式快速跳頻（1600跳/秒）、自適應(yīng)發(fā)送功率

－靈活而短的數(shù)據(jù)包，支持多種應(yīng)用29(42)6.5無線分組網(wǎng)原理

6.5.1無線分組網(wǎng)概念無線分組網(wǎng)是一種分組交換網(wǎng)，采用分組交換而不是電路交換。無線分組網(wǎng)利用無線信道的特點(diǎn)，具有廣播通信的性質(zhì)，可以同時(shí)把分組數(shù)據(jù)分發(fā)給多個(gè)用戶。用戶對信道的訪問是隨機(jī)的。傳輸速率可以較高，但延時(shí)也較大。無線分組網(wǎng)在民用及軍用的移動數(shù)據(jù)中有廣泛的使用前景。30(42)6.5.2空中接口的協(xié)議體系空中接口是無線分組網(wǎng)的核心問題之一?？罩薪涌趨f(xié)議可以分成：物理層（PHL）、介質(zhì)接入控制層（MAC）、數(shù)據(jù)鏈路控制層（DLC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）。它們和OSI模型的低三層有一定關(guān)系，但不是嚴(yán)格對應(yīng)的。第三層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路控制層介質(zhì)接入控制層物理層第一層第二層OSI31(42)6.5.3空中接口的協(xié)議（1）物理層確定無線參數(shù)，如；頻率、定時(shí)、功率、碼片、比特或時(shí)隙同步、調(diào)制解調(diào)、收發(fā)信機(jī)性能等。分配無線資源，如：多址協(xié)議等。在MAC層的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)分組的收發(fā)。32(42)6.5.4空中接口的協(xié)議（2）介質(zhì)接入控制層介質(zhì)訪問管理：首先選擇物理信道，然后在這些信道上建立或釋放連接。數(shù)據(jù)封裝：將控制信息、高層的信息和差錯(cuò)控制信息進(jìn)行復(fù)接（或分接），使之適合在物理信道上傳輸。形成多種邏輯信道為高層提供不同的業(yè)務(wù)。如：廣播業(yè)務(wù)、面向連接的業(yè)務(wù)和無連接業(yè)務(wù)等。33(42)6.5.4空中接口的協(xié)議（3）數(shù)據(jù)鏈路控制層主要功能：為網(wǎng)絡(luò)層提供非?？煽康臄?shù)據(jù)鏈路?？梢苑譃槎€(gè)平面：－控制平面：保護(hù)內(nèi)部控制信令和有限數(shù)量的用戶信息。－用戶平面：以不同能力保護(hù)不同的用戶信息。網(wǎng)絡(luò)層主要是信令。包括：鏈路控制、呼叫控制、附加業(yè)務(wù)、面向連接的消息業(yè)務(wù)、無連接的消息業(yè)務(wù)、移動性管理等。34(42)6.5.5關(guān)于介質(zhì)訪問協(xié)議概述各個(gè)用戶的突發(fā)數(shù)據(jù)以隨機(jī)方式接入信道，實(shí)現(xiàn)多址；無線信道是公用的，以競爭方式發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就存在碰撞問題；用戶數(shù)越多，碰撞概率越大，接入概率越低，接入時(shí)間越長；為此，就要有個(gè)規(guī)則，這就是介質(zhì)訪問協(xié)議。35(42)6.5.6關(guān)于介質(zhì)訪問協(xié)議:

ALOHA訪問方式隨機(jī)ALOHA方式：隨時(shí)發(fā)送檢測到碰撞重新發(fā)送，給每個(gè)用戶分配不同的重發(fā)間隔時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)；吞吐量下降。時(shí)隙ALOHA方式：和隨機(jī)ALOHA類似，但把發(fā)送時(shí)間劃分成等長的時(shí)隙，按時(shí)隙發(fā)送，這樣可以減少碰撞機(jī)會和重發(fā)次數(shù)。因而改善吞吐量。對時(shí)隙ALOHA方式的改進(jìn)：無主時(shí)隙ALOHA和有主時(shí)隙ALOHA。36(42)6.5.7關(guān)于介質(zhì)訪問協(xié)議: