数据通信与计算机网络--无线网络技术

GSM移动通信的发展过程1970's1980's1990's2000's第一代(AMPS为例)第二代(以GSM为例)第三代(IMT2000)第四代提出方案制定标准商业运营提出方案制定标准商业运营提出方案制定标准商业运营提出方案移动通信系统主要采用的多址方式•频分多址(FDMA)–频分多址（FDMA）是采用调频的多址技术。业务信道在不同的频段分配给不同的用户。•时分多址(TDMA)–时分多址（TDMA）是采用时分的多址技术。业务信道在不同的时间分配给不同的用户。•码分多址(CDMA)–在码分多址系统中，各发送端用各不相同的、相互(准)正交的地址码调制其所发送的信号。在接收端利用码型的(准)正交性，通过地址识别(相关检测)，从混合信号中选出相应的信号无线蜂窝系统•综述•蜂窝技术的基本概念–提高容量–蜂窝技术不是分割频率而是分割地理区域–蜂窝系统的优势：频率复用•蜂窝移动通信的频率分配–我国模拟蜂窝移动通信曾使用890—905MHz（移动台发，基站收）和935—950MHz（基站发，移动台收）工作频段，现已逐步将部分频率让给GSM–我国数字蜂窝移动通信使用905—915MHz（移动台发，基站收）和950—960MHz（基站发，移动台收）工作频段，其中中国移动通信公司GSM系统使用905—909MHz和950—954MHz工作频段，中国联通公司GSM系统使用909—915MHz和954—960MHz工作频段。此外中国移动通信公司还使用了1800MHz频段的10MHz的带宽。–第三代移动通信工作在2000MHz频段上。蜂窝拓扑结构蜂窝结构示意图(a)7个小区模型（每个基站1个小区）(b)21个小区模型（每个基站3个小区）(c)24个小区模型（每个基站6个小区）1—24:信道组编号159131722261014182137111519234812162024159131722B3B1B2A3A1A2C3C1C2D2G1G2F1E1D3D1E3G3F2F3E2BCGADFE常用无线区群结构无线网络分代无线通信系统分为:•第一代无线系统：面向语音的模拟无线系统•第二代无线系统：面向语音的数字无线系统•第三代无线系统:多模式、多频HLRVLREIRAUCMSCOMCBSCBTSNSSBSSPLMNPSTNISDNPSPDNCDPDNMSISDN综合业务数字网PSTN公众电话交换网PLMN公众陆地移动网PSPDN分组交换公众数据网CSPDN电路交换公众数据网NSS网络交换子系统MSC移动交换中心HLR归属位置寄存器VLR访问位置寄存器AUC鉴权中心EIR设备识别寄存器BSS基站子系统BSC基站控制器BTS基站收发信台OMC操作维护中心MS移动台GSM系统结构GSM移动通信系统基站BTS移动交换机MSC基站控制器BSC数据库VLR/HLR网络管理公共电话网PSTN基站控制器BSC基站BTS基站BTS基站BTS手持机HSMS移动台MS移动台CDMA技术CDMA概述•CDMA技术早已在军用抗干扰通信研究中得到广泛应用，1989年.11月，Qualcomm在美国的现场试验证明CDMA用于蜂窝移动通信的容量大，并经理论推导其为AMPS容量的20倍。CDMA技术的出现AMPSTACSNMT其它GSMCDMAIS95TDMAIS-136PDC第一代80年代模拟第二代90年代数字第三代IMT-2000UMTSWCDMACDMA2000技术驱动业务驱动模拟技术数字技术语音业务多媒体业务频率码CDMA：CodeDivisionMultipleAccess（码分多址）。所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获得业务信道。用户3用户2用户1CDMACDMA技术与其它多址技术的比较用户1用户2用户3用户1用户2用户3时间频率时间时间频率频率码业务信道在不同频段分配给不同用户如：TACS系统、AMPS系统业务信道在不同时间分配给不同用户如：GSM所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获得业务信道FDMATDMACDMA用户3用户2用户1CDMA参考体系结构其他MSCPSTN/ISDN其他PLMNMSC：移动业务交换中心BSC：基站控制器MC：短消息中心HLR：归属位置寄存器BTS：基站收发信台VM：语音邮箱VLR：拜访位置寄存器OMC：操作维护中心AC：鉴权中心SCP：业务控制点MC/VMMSC/SSP/VLROMCHLR/ACSDHGMSC/SSPSCPSTPIOS4.0SS7IS-41IS-41IS-41IS-41移动客户服务中心INTERNETSS7TCP/IPSS7IS-41BTSBTSBSCMSIS95----CDMA2000码分多址原理•码分多址码分多址（CDMA,CodeDivisionMultipleAccess）也称扩频多址（SSMA,SpreadSpectrumMultipleAccess）。将原信号的频带扩宽，再经调制发送出去；接收端接收到经扩频的宽带信号后，作相关处理，再将其解扩为原始数据信号。•CDMA给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据。•CDMA的原理是，任何一个发送方都要把自己发送的01代码串中的每一位，分成m个更短的时隙或称芯片（Chip）。通常m取64片或128片，也就是将原先要发送的信号速率或带宽提高了64倍或128倍。为了简便，现假定芯片序列为8位，又假定用芯片序列00011011表示1，当发送0时则用其反码11100100。但这种芯片序列是双极型表示的，即0用-1表示，1用+1表示。码分多址原理•每个站点都有自己唯一的芯片序列。用符号S来表示站点S的m维芯片序列，为它的相反。而且所有的芯片序列都是两两正交的。•设S和T是两个不同的芯片序列，其标量积（表示为S·T）均为0。内标积就是对双极型芯片序列中的m位相乘之和、在除以m的结果，可用下式表示：TS=0。其正交特性是及其关键的。只要=0，那么=0TSTS任何芯片序列与自己的内标积均为1，即：1)1(11112121mimimimSimSiSimSSSS在每个比特时间内，站点可以发送其芯片序列表示发送1，可以发送其序列的反码表示发送0，也可以保持沉默什么都不干。这里假定所有的站点在时间上都是同步的，因此所有芯片序列都是在同一时刻开始。若两个或两个以上的站点同时开始传输，它们的双极型信号就线性相加。上式成立式因为内标积中的每个m项为1，因此和为m。另外还要注意=-1。SS示例:CDMA扩频通信技术•扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：SpreadSequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。•这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的：–一是信息的频谱扩展后形成宽带传输；–二是相关处理后恢复成窄带信息数据。•扩频通信有如下的优点：–抗干扰–抗噪音–抗多径衰落–具有保密性–功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率–可多址复用和任意选址–高精度测量等•按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：–直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum)工作方式，简称直扩(DS)方式–跳变频率(FrequencyHopping)工作方式，简称跳频(FH)方式–跳变时间(TimeHopping)工作方式，简称跳时(TH)方式–宽带线性调频(ChirpModulation)工作方式，简称Chirp方式–混合方式直接序列扩频所谓直接序列(DS-DirectScquency)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。•在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率fc的随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制。•这样得到了带宽为2fc的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频fT进行调制后由天线辐射出去。•解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。•频谱的展宽，使各频谱成分的幅度下降，换句话说，信号的功率谱密度降低。这就是为什么可以用扩频信号进行隐蔽通信，及扩频信号具有低的被截获概率的原故跳频扩频•所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。•上图为跳频的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。•跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性。另外，跳频通信也应用到民用通信中以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率跳频图案•常采用伪随机改变的跳频图案来直观的描述频率跳变的规律•只有通信的双方才知道此跳频图案，而对敌方则是绝对的机密。所谓“伪随机”，就是“假”的随机，其实是有规律性可循的，但当敌方不知跳频图案时，就很难猜出其跳频的规律来。•跳频图案的不同，其干扰的效果也不尽相同。当跳频图案的随机性越大时，跳频抗干扰的能力就越强；“棋盘”越大时，即频率和时间的乘积越大时，可容纳的随机图案也越多，跳频图案本身的随机性也越大，从而抗干扰能力也越强。所谓抗于扰能力强，实际上是指碰到干扰的概率小。CDMA的特点•具有很强的抗干扰性能•用户可随机接入系统进行多址通信•安全通信•越区软切换•系统性能的自适应性•抗衰落能力强移动数据业务•电路型数据业务–CSD（接入速率9.6kbit／s）–HSCSD（57.6kbit／s）•分组型数据业务–GPRS（171.2kbit／s）–EDGE（384kbit／s）–第三代数据业务（2Mbit／s）Internet计算机基站移动交换机PSTN/ISDN接入服务器接入服务器IWFIWF:互通功能单元电路交换数据业务（CSD）的实现高速电路交换数据业务(HSCSD)•采用了新的信道编码方式，使每个时隙的传输速率从9.6kbit／s提高到14.4kbit／s•可实现1—4时隙捆绑，使传输速率最高可达到57.6kbit／s•上下行数据传输可采用不同速率通用分组无线业务(GPRS)的特点•传输速率快–支持4种编码方式,并采用多时隙(最多8个时隙)合并传输技术，使数据速率最高可达171.2kbit／s•可灵活支持多种数据应用•网络接入速度快•可长时间在线连接•计费更加合理•高效地利用网络资源，降低通信成本–支持多用户共享一个信道的机制(每个时隙允许最多8个用户共享)•利用现有的无线网络覆盖，提高网络建设速度，降低建设成本–在无线接口，GPRS采用与GSM相同的物理信道，定义了新的用于分组数据传输的逻辑信道。可设置专用的分组数据信道，也可按需动态占用话音信道•GPRS的核心网络顺应通信网络的发展趋势，为GSM网向第三代演进打下基础PSTNInternetGMSCGGSNSGSNMSCBSS计算机话音数据电路交换域分组交换域GPRS是移动网和IP网的结合SGSN:服务支持节点GGSN:网关支持节点GPRS终端GPRS终端增强型数据业务(EDGE)•采用一种改进的GSM调制技术，每时隙的速率提高到48kbit/s•允许集中使用多达8个时隙，此时速率可达到384kbit/s•属于增强型GPRS数据业务WAP网网WAP网网网网网网（Internet/Intranet)无线网络WAP终端WAP协议（WML)WAP协议（WML)协议（HTML)图6-8-3WAP系统结构WAP是在Internet业务实现的机制上进行了简化、优化和扩展，以适应移动终端传输带宽窄、存储和处理能力有限、显示屏幕小等特点WAP系统组成•WAP网关(或WAP代理服务器)–功能：协议转换；内容编解码；用户认证、用