1、1,笫十四讲 无线网络概述和无线蜂窝系统,2,本讲内容,第六章 无线网络6.1 无线网络概述6.1.1 无线网络应用6.1.2 无线网络发展6.1.3 无线信道接入方法和多址技术 6.1.4 无线网络拓扑6.2 无线蜂窝系统6.2.1 蜂窝概念6.2.2 蜂窝拓扑结构6.2.3 CDMA系统,3,6.1.1 无线网络应用,无线网络的应用从逻辑上可以分成两类： 面向语音的应用 面向数据的应用每一类都有局域和广域两个应用场合，从而形成四个不同的应用部分。,4,面向语音的无线网络应用围绕着连接PSTN的无线网络，这些业务进一步形成局域网应用和广域网应用。（举例并说明其特征）面向数据的无线网络应用围绕
2、着Internet和计算机通信网络的基础结构。这些业务进一步分为宽带局域与Ad-hoc（点对点）应用和广域无线数据应用。（举例并说明其特征）,6.1.1 无线网络应用,5,6.1.2 无线网络发展,面向语音无线网络发展的重大事件,面向语音的广域无线应用 贝尔实验室的 FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）模拟蜂窝系统技术 欧洲的NMT（Nordic Mobile Telephony，北欧移动电话） 美国的AMPS（Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统） 北欧的TDMA（Time Division Mult
3、iple Access，时分多址）数字蜂窝系统技术 GSM（Global System for Mobile communication，全球移动通信系统，简称“全球通”） 北美的CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）数字蜂窝系统技术 3G（第三代蜂窝移动通信系统）技术,6.1.2 无线网络发展,7,面向语音的局域无线应用 无绳电话 英国的CT-2 欧洲的DECT（Digital European Cordless Telephone，数字欧洲无绳电话） PCS服务 日本的PHP（Personal Handy Phone，个人手持电话），后来成为PHS
4、（Personal Handyphone System个人手持系统，即“小灵通”） 英国的DCS-1800（GSM技术） 美国的PACS（Person Access Communications System，个人接入通信系统）,6.1.2 无线网络发展,8,面向语数据无线网络发展的重大事件,6.1.2 无线网络发展,9,6.1.2 无线网络发展,面向语数据无线网络发展的重大事件（续）,10,面向数据的广域无线应用 Motorola和IBM的ARDIS Ericsson的Mobitex 美国的CDPD（Cellular Digital Packet Data，蜂窝数字分组数据） GSM上的GP
5、RS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务） 3G技术,6.1.2 无线网络发展,11,面向数据的宽带局域无线与Ad-hoc应用 宽带无线局域网和Ad-hoc网络的一个主要特点是工作在ISM免许可证频段。 宽带局域无线应用 WLAN（无线局域网） IEEE的802.11 欧洲的HiperLAN WATM（无线ATM） Ad-hoc应用（WPAN） 蓝牙（Bluetooth）,6.1.2 无线网络发展,12,无线网络分代 第一代（1G）无线系统是面向语音的模拟无线系统，使用FDMA技术实现。典型的1G标准：美国的AMPS、欧洲的TACS。 第二代（2G）无线
6、系统是面向语音的数字无线系统，使用TDMA或窄带CDMA技术实现。典型的2G数字蜂窝移动标准：欧洲的GSM、北美的IS-54（IS-136）和IS-95以及日本的JDC，2G PCS标准：欧洲的CT-2和DECT、美国的PACS、日本的PHS，2G移动数据业务标准：CDPD、GPRS，2G WLAN标准：IEEE 802.11、HiperLAN。 第三代（3G）无线系统把蜂窝电话、PCS语音业务以及移动数据业务用各种分组交换数据业务综合在一个高语音质量、高容量、高速率的网络系统中。典型的3G标准：W-CDMA、CDMA2000。,6.1.2 无线网络发展,13,6.1.3 无线信道接入方法和多
7、址技术,无线信道接入方法构成了OSI协议体系的第二层和用于局域网的IEEE802标准的第三层，主要负责完成与介质接口并协调无线信道里多个终端顺利工作的任务。 所有面向语音的无线网络都采用固定分配无线信道接入（或称信道分割）技术，为了有效提高有限、宝贵的无线频段资源，无线信道接入都使用了多址技术。,14,现在主要有五种多址方式：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA和WDMA。 无线信道接入上主要使用前三种。 SDMA（Space Division Multiple Access，空分多址）主要用于蜂窝小区划分或定向无线通信等 WDMA（Wave Division Multiple Access
8、，波分多址）主要用于光通信。,6.1.3 无线信道接入方法和多址技术,15,另一个与接入方法有关的重要参数是正向信道和反向信道的载波频率差。 正向信道又叫下行链路，指从基站到移动终端的通信； 反向信道又叫上行链路，指从移动终端到基站的通信。 如果正向信道和反向信道采用不同的载波频率，而且间隔足够大，这样的双工技术叫做FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）； 如果正向信道和反向信道采用相同的载波频率，但采用交替的时隙，这样的双工技术叫做TDD（Time Division Duplexing，时分双工）。 TDD方式由于时隙同步等要求，常用于PCS等局域微微蜂
9、窝或微蜂窝系统中。而FDD一般用于覆盖几十公里区域的宏蜂窝系统中。,6.1.3 无线信道接入方法和多址技术,16,6.1.3 无线信道接入方法和多址技术,频分多址FDMA FDMA以PSTN干线网络上的多址技术FDM为基础，它把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道（或称信道），分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息，而在相邻频道之间无明显串扰。发送端将发送的信息调制到某个频道上，接收端通过频率选择（滤波），从混合信号中选出相应的信号。 模拟的蜂窝系统都采用了FDMA/FDD，如AMPS和TACS。数字无绳电话CT-2采用了FDMA/TDD。,17,时分多址T
10、DMA TDMA以PSTN干线网络上的多址技术TDM为基础，它把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定的时隙向基站发送信号，基站可以分别在各时隙中接收到移动台的信号而不干扰。同时基站发向多个移动台的信号，都按规定在预定的时隙中发射，各移动台在指定的时隙中接收（时间选择），从合路的信号中提取发给它的信号。 最主要的特征是其格式的灵活性。 应用这种多址方式的主要系统有北美的IS-54和欧洲的GSM。,6.1.3 无线信道接入方法和多址技术,18,码分多址CDMA 每个用户（收发信机）具有特定的地址码，用于发射信号的扩展频谱调制，从而实现在公
11、共信道上传输信息。 CDMA的特征是代表各信源信息的发射信号在结构上各不相同，并且其地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。 由于CDMA多址技术在综合语音、数据、视频等多业务上的优势，它已被选作发展3G系统的原型技术。,6.1.3 无线信道接入方法和多址技术,19,无线网络中使用了两种基本拓扑类型 基础结构集中式（或称中心辐射式）拓扑 Ad-hoc（或称分布式）拓扑 基础结构网络 固定（有线）基础结构用来支持移动终端（MT，或称移动台MS）之间和移动终端与固定终端之间的通信。 通常设计用于大的覆盖区域和使用多个BS（Base Station，基站）或AP（Acc
12、ess Point，接入点）的情况。,6.1.4 无线网络拓扑,20,基础结构网络拓扑图例无线蜂窝产品、IEEE802.11和大部分无线LAN产品都支持基础结构的使用。,6.1.4 无线网络拓扑,21,Ad-hoc网络 Ad-hoc或分布式网络拓扑用于重组网络，它不需要固定的基础结构就能工作。 适于在移动或固定情况下快速部署无线网络。 有2种Ad-hoc网络拓扑 单跳Ad-hoc网络。如：IEEE 802.11、PHS等。 多跳Ad-hoc网络。如：HiperLAN。,6.1.4 无线网络拓扑,22,Ad-hoc网络拓扑图例,6.1.4 无线网络拓扑,（a） 单跳对等拓扑 （b） 多跳拓扑,2
13、3,6.2.1 蜂窝概念,蜂窝通信是一种使用频率复用的智能方法，以使有限的带宽可以容纳巨大数量的用户。 其基本原理是把覆盖区域分为大量相连的小区域，每个小区域都使用自己的、低功率的无线基站。由于同样的频谱在分散的区域内可以被多次复用，这样，每次建立一个新的基站（一个小区域）时，容量就会增加。 小区域被称为小区或单元（cell），一组小区组成区群（cluster）。 一个区群中小区的数量称为区群大小或频率复用因子。 需要对这些小区域以智能的方式分配信道，以避免两种干扰： 同频道干扰（cochannel interference） 邻道干扰（adjacent channel interferenc
14、e）,24,6.2.2 蜂窝拓扑结构,蜂窝拓扑结构图使用蜂窝拓扑可以有效实现频率复用。,25,6.2.2 蜂窝拓扑结构,典型蜂窝网络GSM的组成,26,越区切换（handoff）过程 当某移动终端离开一个小区时，就会询问所有邻近的基站收到该电话的信号的强弱。该基站随后将控制权转交给获得最强信号的小区。该电话随即被告之它有新的管理者，并且如果正在进行通话，它会被要求切换到新的信道。,6.2.2 蜂窝拓扑结构,27,6.2.3 CDMA系统,CDMA由Qualcomm于1989年首次提出，其最初的目的是在有限的频段上满足巨大容量的需求。 CDMA中，所有的用户数据和控制信令都在同一时间同一频率上传
15、输。因此，其最大的特点在于使用不同的物理层机制，可在所有的小区内重用频率。,28,6.2.3 CDMA系统,CDMA系统的优势 采用码分多址，系统的容量大大提高； 采用性能更好的声码器来提高语音的质量，可抑制多径效应和衰落； 使用软切换，无需对频率进行分配，功率消耗更小； 具备多媒体业务需要的固有的灵活性。 CDMA系统的缺点 功率控制和实现上的复杂性。 CDMA的2个发展方向 W-CDMA CDMA2000,29,CDMA系统结构比GSM新增加的部件：DMH、IWF、AUX,6.2.3 CDMA系统,30,码分多址原理 每个站点（移动台）被指定一个唯一的m位代码或称码片序列（chip seq
16、uence），当发送比特1时，站点就发送其码片序列，发送比特0时，站点就发送其码片序列的反码。 例：一个8位码片序列的站点。 也可以采用双极型的形式表示：二进制0用“-1”代替，二进制1用“+1”代替。例：4个站点的双极型表示。 每个站点都有自己唯一的码片序列。 以符号S来表示站点S的m维码片矢量，S为它的反。,6.2.3 CDMA系统,31,所有的码片序列都必须是两两正交的，即满足两点： 1.任意两个不同的码片序列S和T的内积（ST）均为0（则ST=0）。即：2.任何码片序列与自己的内积（SS）均为1 （则SS=-1）。即：,6.2.3 CDMA系统,32,6.2.3 CDMA系统,若两个或
17、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。 发送的六个例子 站点C的信号复原。,33,CDMA扩频通信 转化香农公式 这说明增加信道带宽B，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。这样可增强系统抗干扰能力。 扩频系统的处理增益为：,6.2.3 CDMA系统,34,如果射频信号带宽为原始信息带宽的100倍以上，则称为扩展频谱通信（简称扩频通信）。 CDMA采用的是扩频通信技术。最基本的扩频技术有2种。,6.2.3 CDMA系统,35,直接序列扩频DS/DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，简称直扩）。 用比特率非常高的数字编码的
18、伪随机序列调制载波，从而扩展到很宽的频带上。,6.2.3 CDMA系统,36,在发送端，窄带的基带信息码（要传输的信息）通过与速率很高的编码序列进行调制将其频谱展宽（扩频过程）。 频谱展宽后的序列被进行射频调制，其输出的射频信号经天线辐射出去。 在接收端，射频信号经混频后变为中频信号，对它用与发端相同的编码序列进行反扩展，将宽带信号恢复成窄带信号（解扩过程）。解扩后的中频窄带信号经普通信息解调器进行解调，恢复成原始的信息码。,6.2.3 CDMA系统,37,频率跳变扩频FH/FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum，简称跳频）。 用较低速率的伪随机序列的指令
19、去控制载波的中心频率，离散地在一个给定的频带内跳变，形成一个宽带的离散频率谱。,6.2.3 CDMA系统,38,利用伪随机码来控制频率的变化，发射机的频率将在很宽的范围内不断改变，从而射频载波的频率也在很宽的范围内变化，由此形成了一个宽带离散频谱。 接收端必须用相同的伪码置定本地频率合成器，使其与发端的频率做相同的改变，经与接收到的信号混频，得到一个中频信号，再经过带通滤波，得到一个窄带信号。 干扰信号在混频时不再是稳定的中频信号，带内的信噪比就可以大大提高。,6.2.3 CDMA系统,39,6.2.3 CDMA系统,跳频系统的频率跳变规律称为跳频图案。跳频图案是时间和频率的函数，故又称为时间频率矩阵，简称时-频矩阵。 跳频图案直接影响跳频系统的保密、抗干扰、多址等能力。因此对跳频图案有多方面要求。,40,练习题,6.1画图说明一个典型无线网络的拓扑结构。为什么有线网络通常作为无线网络基础设施的一部分？ 6.8简述主要的三种多址无线信道接入技术的原理。同时指出使用该种多址技术实现的典型系统。 6.11极限情况下，可以使蜂窝拓扑中的小区无限小而使系统总的容量无限大。但实际上是不可能的，为什么？ 6.13窄带CDMA的峰值传输速率为384kb/s，系统带宽为1.25MHz，根据香农公式，要到达峰值速率，该系统能在信噪比为多少的情况下工作？,
