笫十四講-無線網(wǎng)絡(luò)概述和無線蜂窩系統(tǒng)課件

笫十四講無線網(wǎng)絡(luò)概述和無線蜂窩系統(tǒng)1本講內(nèi)容第六章無線網(wǎng)絡(luò) 6.1無線網(wǎng)絡(luò)概述 6.1.1無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 6.1.2無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展 6.1.3無線信道接入方法和多址技術(shù) 6.1.4無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?6.2無線蜂窩系統(tǒng) 6.2.1蜂窩概念 6.2.2蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 6.2.3CDMA系統(tǒng)26.1.1無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用從邏輯上可以分成兩類：面向語(yǔ)音的應(yīng)用面向數(shù)據(jù)的應(yīng)用 每一類都有局域和廣域兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，從而形成四個(gè)不同的應(yīng)用部分。3面向語(yǔ)音的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著連接PSTN的無線網(wǎng)絡(luò)，這些業(yè)務(wù)進(jìn)一步形成局域網(wǎng)應(yīng)用和廣域網(wǎng)應(yīng)用。（舉例并說明其特征）面向數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著Internet和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。這些業(yè)務(wù)進(jìn)一步分為寬帶局域與Ad-hoc（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）應(yīng)用和廣域無線數(shù)據(jù)應(yīng)用。（舉例并說明其特征）6.1.1無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用46.1.2無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展20世紀(jì)70年代早期貝爾實(shí)驗(yàn)室研究第一代移動(dòng)無線電20世紀(jì)70年代晚期第一代無繩電話面世1982年研究第二代數(shù)字無繩電話CT-21982年部署第一代北歐模擬NMT系統(tǒng)1983年部署美國(guó)AMPS系統(tǒng)1983年研究第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)GSM1985年研究無線PBX，DECT1988年開始發(fā)展GSM1988年開始IS-54數(shù)字蜂窩1988年研究QualcommCDMA技術(shù)1991年部署GSM系統(tǒng)1993年部署PHS/PHP和DCS-18001995年FCC拍賣PCS頻段1995年完成PACS1998年開始3G標(biāo)準(zhǔn)化面向語(yǔ)音無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件5面向語(yǔ)音的廣域無線應(yīng)用貝爾實(shí)驗(yàn)室的FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess，頻分多址）模擬蜂窩系統(tǒng)技術(shù)歐洲的NMT（NordicMobileTelephony，北歐移動(dòng)電話）美國(guó)的AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem，高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)）北歐的TDMA（TimeDivisionMultipleAccess，時(shí)分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術(shù)GSM（GlobalSystemforMobilecommunication，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱“全球通”）北美的CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，碼分多址）數(shù)字蜂窩系統(tǒng)技術(shù)3G（第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)6.1.2無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展66.1.2無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面向語(yǔ)數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大事件（續(xù)）1996年無線ATM論壇創(chuàng)立1997年發(fā)布U-NII頻段、IEEE802.11完成、GPRS出現(xiàn)1998年推出IEEE802.11b和藍(lán)牙技術(shù)1999年IEEE802.11a/HiperLAN-2出現(xiàn)9面向數(shù)據(jù)的廣域無線應(yīng)用Motorola和IBM的ARDISEricsson的Mobitex美國(guó)的CDPD（CellularDigitalPacketData，蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)）GSM上的GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分組無線業(yè)務(wù)）3G技術(shù)6.1.2無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展10面向數(shù)據(jù)的寬帶局域無線與Ad-hoc應(yīng)用寬帶無線局域網(wǎng)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要特點(diǎn)是工作在ISM免許可證頻段。寬帶局域無線應(yīng)用WLAN（無線局域網(wǎng)）IEEE的802.11歐洲的HiperLANWATM（無線ATM）Ad-hoc應(yīng)用（WPAN）藍(lán)牙（Bluetooth）6.1.2無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展11無線網(wǎng)絡(luò)分代第一代（1G）無線系統(tǒng)是面向語(yǔ)音的模擬無線系統(tǒng)，使用FDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。典型的1G標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)的AMPS、歐洲的TACS。第二代（2G）無線系統(tǒng)是面向語(yǔ)音的數(shù)字無線系統(tǒng)，使用TDMA或窄帶CDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。典型的2G數(shù)字蜂窩移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)：歐洲的GSM、北美的IS-54（IS-136）和IS-95以及日本的JDC，2GPCS標(biāo)準(zhǔn)：歐洲的CT-2和DECT、美國(guó)的PACS、日本的PHS，2G移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)：CDPD、GPRS，2GWLAN標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.11、HiperLAN。第三代（3G）無線系統(tǒng)把蜂窩電話、PCS語(yǔ)音業(yè)務(wù)以及移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用各種分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)綜合在一個(gè)高語(yǔ)音質(zhì)量、高容量、高速率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。典型的3G標(biāo)準(zhǔn)：W-CDMA、CDMA2000。6.1.2無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展126.1.3無線信道接入方法和多址技術(shù)無線信道接入方法構(gòu)成了OSI協(xié)議體系的第二層和用于局域網(wǎng)的IEEE802標(biāo)準(zhǔn)的第三層，主要負(fù)責(zé)完成與介質(zhì)接口并協(xié)調(diào)無線信道里多個(gè)終端順利工作的任務(wù)。所有面向語(yǔ)音的無線網(wǎng)絡(luò)都采用固定分配無線信道接入（或稱信道分割）技術(shù)，為了有效提高有限、寶貴的無線頻段資源，無線信道接入都使用了多址技術(shù)。13現(xiàn)在主要有五種多址方式：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA和WDMA。無線信道接入上主要使用前三種。SDMA（SpaceDivisionMultipleAccess，空分多址）主要用于蜂窩小區(qū)劃分或定向無線通信等WDMA（WaveDivisionMultipleAccess，波分多址）主要用于光通信。6.1.3無線信道接入方法和多址技術(shù)14另一個(gè)與接入方法有關(guān)的重要參數(shù)是正向信道和反向信道的載波頻率差。正向信道又叫下行鏈路，指從基站到移動(dòng)終端的通信；反向信道又叫上行鏈路，指從移動(dòng)終端到基站的通信。如果正向信道和反向信道采用不同的載波頻率，而且間隔足夠大，這樣的雙工技術(shù)叫做FDD（FrequencyDivisionDuplexing，頻分雙工）；如果正向信道和反向信道采用相同的載波頻率，但采用交替的時(shí)隙，這樣的雙工技術(shù)叫做TDD（TimeDivisionDuplexing，時(shí)分雙工）。TDD方式由于時(shí)隙同步等要求，常用于PCS等局域微微蜂窩或微蜂窩系統(tǒng)中。而FDD一般用于覆蓋幾十公里區(qū)域的宏蜂窩系統(tǒng)中。6.1.3無線信道接入方法和多址技術(shù)156.1.3無線信道接入方法和多址技術(shù)頻分多址FDMAFDMA以PSTN干線網(wǎng)絡(luò)上的多址技術(shù)FDM為基礎(chǔ)，它把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個(gè)等間隔的頻道（或稱信道），分配給不同的用戶使用。這些頻道互不交疊，其寬度應(yīng)能傳輸一路數(shù)字話音信息，而在相鄰頻道之間無明顯串?dāng)_。發(fā)送端將發(fā)送的信息調(diào)制到某個(gè)頻道上，接收端通過頻率選擇（濾波），從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)。模擬的蜂窩系統(tǒng)都采用了FDMA/FDD，如AMPS和TACS。數(shù)字無繩電話CT-2采用了FDMA/TDD。16時(shí)分多址TDMATDMA以PSTN干線網(wǎng)絡(luò)上的多址技術(shù)TDM為基礎(chǔ)，它把時(shí)間分割成周期性幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙，然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使移動(dòng)臺(tái)在每幀中按指定的時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，基站可以分別在各時(shí)隙中接收到移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而不干擾。同時(shí)基站發(fā)向多個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)，都按規(guī)定在預(yù)定的時(shí)隙中發(fā)射，各移動(dòng)臺(tái)在指定的時(shí)隙中接收（時(shí)間選擇），從合路的信號(hào)中提取發(fā)給它的信號(hào)。最主要的特征是其格式的靈活性。應(yīng)用這種多址方式的主要系統(tǒng)有北美的IS-54和歐洲的GSM。6.1.3無線信道接入方法和多址技術(shù)17碼分多址CDMA每個(gè)用戶（收發(fā)信機(jī)）具有特定的地址碼，用于發(fā)射信號(hào)的擴(kuò)展頻譜調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)在公共信道上傳輸信息。CDMA的特征是代表各信源信息的發(fā)射信號(hào)在結(jié)構(gòu)上各不相同，并且其地址碼相互具有準(zhǔn)正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時(shí)間和空間上都可能重疊。由于CDMA多址技術(shù)在綜合語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻等多業(yè)務(wù)上的優(yōu)勢(shì)，它已被選作發(fā)展3G系統(tǒng)的原型技術(shù)。6.1.3無線信道接入方法和多址技術(shù)18無線網(wǎng)絡(luò)中使用了兩種基本拓?fù)漕愋突A(chǔ)結(jié)構(gòu)集中式（或稱中心輻射式）拓?fù)銩d-hoc（或稱分布式）拓?fù)浠A(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)固定（有線）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)用來支持移動(dòng)終端（MT，或稱移動(dòng)臺(tái)MS）之間和移動(dòng)終端與固定終端之間的通信。通常設(shè)計(jì)用于大的覆蓋區(qū)域和使用多個(gè)BS（BaseStation，基站）或AP（AccessPoint，接入點(diǎn)）的情況。6.1.4無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?9基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瓐D例無線蜂窩產(chǎn)品、IEEE802.11和大部分無線LAN產(chǎn)品都支持基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用。6.1.4無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?0Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)Ad-hoc或分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆糜谥亟M網(wǎng)絡(luò)，它不需要固定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就能工作。適于在移動(dòng)或固定情況下快速部署無線網(wǎng)絡(luò)。有2種Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯翁鳤d-hoc網(wǎng)絡(luò)。如：IEEE802.11、PHS等。多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。如：HiperLAN。6.1.4無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?1Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瓐D例6.1.4無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╝）單跳對(duì)等拓?fù)洌╞）多跳拓?fù)?26.2.1蜂窩概念蜂窩通信是一種使用頻率復(fù)用的智能方法，以使有限的帶寬可以容納巨大數(shù)量的用戶。其基本原理是把覆蓋區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域都使用自己的、低功率的無線基站。由于同樣的頻譜在分散的區(qū)域內(nèi)可以被多次復(fù)用，這樣，每次建立一個(gè)新的基站（一個(gè)小區(qū)域）時(shí)，容量就會(huì)增加。小區(qū)域被稱為小區(qū)或單元（cell），一組小區(qū)組成區(qū)群（cluster）。一個(gè)區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復(fù)用因子。需要對(duì)這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，以避免兩種干擾：同頻道干擾（cochannelinterference）鄰道干擾（adjacentchannelinterference）236.2.2蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖使用蜂窩拓?fù)淇梢杂行?shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。ABCDEGFABCDEGFABCDEGF246.2.2蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型蜂窩網(wǎng)絡(luò)GSM的組成25越區(qū)切換（handoff）過程當(dāng)某移動(dòng)終端離開一個(gè)小區(qū)時(shí)，就會(huì)詢問所有鄰近的基站收到該電話的信號(hào)的強(qiáng)弱。該基站隨后將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給獲得最強(qiáng)信號(hào)的小區(qū)。該電話隨即被告之它有新的管理者，并且如果正在進(jìn)行通話，它會(huì)被要求切換到新的信道。6.2.2蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)266.2.3CDMA系統(tǒng)CDMA由Qualcomm于1989年首次提出，其最初的目的是在有限的頻段上滿足巨大容量的需求。CDMA中，所有的用戶數(shù)據(jù)和控制信令都在同一時(shí)間同一頻率上傳輸。因此，其最大的特點(diǎn)在于使用不同的物理層機(jī)制，可在所有的小區(qū)內(nèi)重用頻率。276.2.3CDMA系統(tǒng)CDMA系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)采用碼分多址，系統(tǒng)的容量大大提高；采用性能更好的聲碼器來提高語(yǔ)音的質(zhì)量，可抑制多徑效應(yīng)和衰落；使用軟切換，無需對(duì)頻率進(jìn)行分配，功率消耗更??；具備多媒體業(yè)務(wù)需要的固有的靈活性。CDMA系統(tǒng)的缺點(diǎn)功率控制和實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜性。CDMA的2個(gè)發(fā)展方向W-CDMACDMA200028CDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比GSM新增加的部件：DMH、IWF、AUX6.2.3CDMA系統(tǒng)29碼分多址原理每個(gè)站點(diǎn)（移動(dòng)臺(tái)）被指定一個(gè)唯一的m位代碼或稱碼片序列（chipsequence），當(dāng)發(fā)送比特1時(shí)，站點(diǎn)就發(fā)送其碼片序列，發(fā)送比特0時(shí)，站點(diǎn)就發(fā)送其碼片序列的反碼。例：一個(gè)8位碼片序列的站點(diǎn)。也可以采用雙極型的形式表示：二進(jìn)制0用“-1”代替，二進(jìn)制1用“+1”代替。例：4個(gè)站點(diǎn)的雙極型表示。每個(gè)站點(diǎn)都有自己唯一的碼片序列。以符號(hào)S來表示站點(diǎn)S的m維碼片矢量，S為它的反。6.2.3CDMA系統(tǒng)30所有的碼片序列都必須是兩兩正交的，即滿足兩點(diǎn)：1.任意兩個(gè)不同的碼片序列S和T的內(nèi)積（S?T）均為0（則S?T=0）。即：2.任何碼片序列與自己的內(nèi)積（S?S）均為1（則S?S=-1）。即：6.2.3CDMA系統(tǒng)316.2.3CDMA系統(tǒng)若兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)同時(shí)開始傳輸，它們的雙極型信號(hào)就線性相加。發(fā)送的六個(gè)例子站點(diǎn)C的信號(hào)復(fù)原。32CDMA擴(kuò)頻通信轉(zhuǎn)化香農(nóng)公式這說明增加信道帶寬B，可以在低的信噪比的情況下，信道仍可在相同的容量下傳送信息。這樣可增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為：6.2.3CDMA系統(tǒng)33如果射頻信號(hào)帶寬為原始信息帶寬的100倍以上，則稱為擴(kuò)展頻譜通信（簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信）。CDMA采用的是擴(kuò)頻通信技術(shù)。最基本的擴(kuò)頻技術(shù)有2種。6.2.3CDMA系統(tǒng)34直接序列擴(kuò)頻DS/DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)）。用比特率非常高的數(shù)字編碼的偽隨機(jī)序列調(diào)制載波，從而擴(kuò)展到很寬的頻帶上。6.2.3CDMA系統(tǒng)擴(kuò)頻偽碼調(diào)制振蕩窄帶信號(hào)混頻本振解擴(kuò)偽碼窄帶信號(hào)35在發(fā)送端，窄帶的基帶信息碼（要傳輸?shù)男畔ⅲ┩ㄟ^與速率很高的編碼序列進(jìn)行調(diào)制將其頻譜展寬（擴(kuò)頻過程）。頻譜展寬后的序列被進(jìn)行射頻調(diào)制，其輸出的射頻信號(hào)經(jīng)天線輻射出去。在接收端，射頻信號(hào)經(jīng)混頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào)，對(duì)它用與發(fā)端相同的編碼序列進(jìn)行反擴(kuò)展，將寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)（解擴(kuò)過程）。解擴(kuò)后的中頻窄帶信號(hào)經(jīng)普通信息解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)成原始的信息碼。6.2.3CDMA系統(tǒng)36頻率跳變擴(kuò)頻FH/FHSS（FrequencyHoppingSpread