第5章 无线通信技术

第五章无线通信技术概述5.1无线通信概述5.2无线链路和网络特征5.3GSM通信技术5.43G通信技术5.5短距离无线通信技术5.6卫星通信5.1无线通信概述网络技术快速发展，人们的资源共享需求不断提高。构造无处不在的计算环境，真正实现6A：任何人(anyone)在任何时候(anytime)、任何地点(anywhere)可以采用任何方式(anymeans)与其他任何人(anyother)进行任何通信(anything)。与有线网络技术相比，无线技术能适合无处不在的计算环境。无线网路的兴起：无线网路更加灵活同时适应于无法布线的场合（如轮船上），无线网络最大的优点是可以让人们摆脱有线的束缚，更便捷、更自由的沟通。无线网络的历史起源可以追朔到五十年前的第二次世界大战期间。1971年时，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络ALOHANET，可以算是相当早期的无线局域网络(WLAN)。无线网路的兴起：80年代GSM网络3G、4G、物联网……ALOHA系统IMP天线ARPANETIBM370控制单元网络中心集线器中继器500km无线网络分类从通信方式：基于基础设施的无线网络和自组织网络；从覆盖范围：无线局域网无线个域网无线城域网无线广域网无线体域网从应用角度：GSM,CDMA…移动AdHoc网络无线传感器网络无线Mesh网络车载自组织网络无线网络元素网络基础设施无线主机r笔记本,PDA,r运行应用程序r可能是静态的(没有移动)或者移动的m无线并不总是意味着移动无线网络元素网络基础设施基站r典型地连接到接入路由器r中继–负责在有线网络和其区域内的无线主机转发报文如,蜂窝塔802.11访问点AP无线网络元素网络基础设施无线链路r典型地用来连接移动主机和基站r也用于骨干网r多重访问协议协调链路访问r多种数据速率，传输距离无线网络的基础设施模式网络基础设施基础设施模式r基站连接移动主机到有线网络r切换:当一台移动主机移动范围超出一个基站的覆盖范围后，它将改变接入网络的基站，这一过程称为切换。r单跳传输无线网络的自组织模式自组模式r没有基站，节点地位平等。r节点能够传输到链路范围内的其他节点r节点自己组织成为一个网络，在它们之间路由无线链路和网络特征同有线链路不同，无线链路有如下特征：衰减的信号强度:无线电信号在传输时穿过物体时会衰减（路径损失）；来自其他源的干扰:标准化的无线网络频率（如2.4GHz)是与其他设备共享的（如电话）或者受其他设备干扰（如马达）多路传播:电磁波受物体和地面反射，导致到达目的地的时间有些不一样。因此，无线链路中的比特错误将比有线链路中更加常见。无线链路的通信更加困难。隐藏终端问题无线自组织网络电子科大计算机学院，软件学院当A和C检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐藏终端问题(hiddenstationproblem)A的作用范围C的作用范围ABCD隐藏终端问题暴露终端问题无线自组织网络电子科大计算机学院，软件学院B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据,这就是暴露终端问题(exposedstationproblem)(因为D在B通信范围外,B发送的信号D收不到)ADCB？B的作用范围C的作用范围复用技术复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。为什么多路复用？数据速率越高传输设施的成本就越高；大多数个人数据通信设备要求相对低的数据率,使用复用技术是为了区分用户，合理利用所有的频谱资源不浪费；共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用频分复用FDM频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用TDM频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧码分多址CDMA各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。码片序列(chipsequence)每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，S站的8bit码片序列是00011011。发送比特1时，就发送序列00011011，发送比特0时，就发送序列11100100。S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。码片序列的正交关系令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是0：(1)011miiiTSmTS码片序列的正交关系举例令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T为(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(1)式就可看出这两个码片序列是正交的。正交关系的另一个重要特性任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。mimiimiiimSmSSm112211)1(111SS接收方如何恢复信号：根据公式：𝑑𝑖=1𝑀𝑍𝑎𝑙𝑙.𝑐𝑚𝑀𝑚=1CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttttm个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积S’Sx规格化内积S’Tx数据码元比特发送端接收端1Mbps802.155-11Mbps802.11b54Mbps802.11{a,g}.11p-to-plink56KbpsIS-95CDMA,GSM2G384KbpsUMTS/WCDMA,CDMA20003GIndoor10–30mOutdoor50–200mMidrangeoutdoor200m–4KmLongrangeoutdoor5Km–20Km几种链路协议标准的特点5.3GSM通信技术GSM数字移动通信系统现在已成为应用最广泛的2G蜂窝通信标准。标准GSM仅支持最大9.6kbps的数据率。数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区，移动用户可以从一个小区运动到另一个小区，依靠基站对终端的跟踪，从而使通信不中断。蜂窝技术1969年，Bell实验室把整个大范围的无线服务区划分成彼此相邻的正六边形小区，每个小区设置基站。每个基站使用多个无线电频率作为通信信道，各相邻基站使用不同的无线电频率。蜂窝系统的构成MobileSwitchingCenterPublictelephonenetwork,andInternetMobileSwitchingCenter连接发射区到广域网管理呼叫建立处理移动MSC覆盖地理区域基站(BS)类似于802.11AP移动用户通过BS连接到网络空中接口:在移动用户和基站间的物理层和链路层协议发射区有线网络蜂窝组网中的问题如何提高频率利用率？信道窄带化、窄带调制技术、多址技术和同频复用技术。如何进行区域覆盖？大区制、小区制、微蜂窝技术和带状网络如何进行通话控制？信令的种类：移动台位置、移动台操作。信令的传送方式大区制移动通信网：采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区（半径可达几十公里）。主要特点：基站天线很高：几十米至几百米基站发射功率大：50~200W覆盖半径：30~50公里缺点：同时能提供给用户使用的信道数极为有限），一般用户几十至几百个。大区制移动通信网：小区制覆盖实际的面状小区的覆盖，基站天线全向辐射时为一个圆，实际为不规则，有重叠区。为了理论分析和设计方便，用全覆盖的形状代表，可用全六边形、四面形、三角形，面积最大、最直接的为六边形。小区制覆盖(b)理想形状(c)实际形状(a)理论形状GSM共享移动主机到基站无线频谱的两个技术：组合FDMA/TDMA:将频谱划分为频率信道，把每个信道划分为时槽;支持F.T个同时呼叫。CDMA:码分多址频带时槽同频复用技术频率复用是小区制网的核心问题。频率复用：小区内基站的工作频率，由于电波传播损耗产生的隔离度，可以在相隔一定距离后的另一小区重复使用。相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生相互干扰，称同道干扰（同频干扰）同频小区间的距离取决于能容的同频干扰。同频干扰又取决于话音质量要求的载噪比（C/N）或C/I（N、I均为干扰功率)同频复用技术不同颜色代表不同频率载频小区同频复用技术簇：共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇。数N叫做簇的大小，典型值3、4、7、9、12……N越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。N越小，则意味着一个系统中可有更多的簇，频率利用率高，有更多的容量。N的选取原则：从提高频率利用率的角度，在保持满意的通信质量的前提下，N应取最小值最好。D：同频基站间的距离为同频复用距离R：小区半径定义：Q=D/R为同频复用比同频复用比告诉我们：Q↓复用次数越多，系统容量越大；Q↑复用次数越少，话音质量好，干扰小。Q的选取主要考虑C/I比，C/I取决于同频干扰射频防卫度，射频防卫度是满足接收质量要求时的射频信号与干扰信号之比（射频防卫度，一般定为话音4级时为17dB、3级时为12dB）。越区切换越区切换：当前正在通信的移动台与基站之间的链路转移到另一个基站的过程。从技术上可分：硬切换：新的连接建立前，先中断旧的连接。例如GSM系统软切换：指既维持旧的连接，又同时建立新的连接。例如CDMA系统。需要解决：何时需要进行越区切换系统完成切换的实施过程信道分配切换方式比较软切换硬切换切换的原因：当前基站和移动用户之间的信号减弱，使得该呼叫有被中断的危险；一个蜂窝处理的呼叫太多，变得过载。可以通过将一些移动用户切换到邻近不太拥挤的蜂窝中，使这种拥塞得到缓解。越区切换准则在任何时间都选择具有最强接收信号的基站。在原基站信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换。仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可能进行切换。此法选门限为关键，如果门限太高，则该准则与准则1相同。门限低会引越较大的越区时延，此时链路质量差，可能会导致信号中断。越区切换准则仅允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强很多（即大于滞后余量）的情况下切换。可以防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的来回重复切换。越区切换过程假设新旧基站共享同一个MSC。一个基站决定切换一个移动用户时包括的步骤：1）旧基站通知被访MSC（移动交换中心）即将要进行一个切换；2）被访MSC开始建立到新BS的路径，分配承载重选路的呼叫所需的资源，以及用信令告知新BS一个切换即将出现。3）新BS分配并激活一个无线信道供移动用户使用。4）新BS发出信令返回被访MSC和旧BS，告知已经建立了MSC到新BS的路径。5）移动用户被告知它应当进行一个切换。6）移动用户和新BS交换一个或多个报文，以完全激活新BS中新的信道。7）移动用户向新BS发送一个切换完成报文，该报文随后向上转发给被访MSC。被访MSC重选路正在进行的到移动用户的呼叫，使其经过新BS。8）沿着到旧BS的路径分配的资源随后被释放。5.43G通信技术3G系统与现有的2G系统有着根本的不同:本质上，3G系统采用CDMA和分组交换技术，而2G系统则通常采用的TDMA和电路交换技术。在电路交换的传输模式下，无论通话双方是否说话，线路在接通期间保持