2.10 无线通信

第 2 章数据通信1

2.10 无线通信

2.10.1 蜂窝无线通信发展概述

2.10.2 蜂窝移动电话系统主要通信技术

2.10.3 Ad hoc无线网络通信

2.10.4 卫星通信技术



1. 无线寻呼和无绳电话无线寻呼无线寻呼是日常生活中非常普及的一种技术。要呼叫一个有寻呼机的人时 , 可以打电话给寻呼服务公司并输入一个安全码、寻呼机号以及要回的电话号码 ( 或一条短消息 ) 。

无绳电话无绳电话允许人们在打电话时可以在屋里走来走去。无绳电话由两部分组成 : 基站和电话 , 它们通常是一起卖的。基站的后面有一个标准的电话插座 , 可以通过电话线连接到电话系统上。电话和基站通过低功率无线电波通信 , 范围一般为 100～ 300m。



2. 蜂窝移动通信

(1) 模拟蜂窝移动通信模拟蜂窝移动通信中使用最普及的技术是先进移动电话系统 AMPS(Advanced Mobile Phone System)，AMPS容量增大的关键思想是利用相对较小的单元 , 并且重用附近 ( 不是邻接 ) 单元的传送频率。频率重用的思想如图 2.40所示，单元一般都近似于圆形 , 但是用六边形更容易表示。



图 2.40 蜂窝结构示意图



（ 2 ）数字蜂窝移动通信第二代蜂窝电话是数字的 , 它是在 AMPS 基础上发展起

来的。数字蜂窝无线电系统信道分配方案有 3 种：GSM ， CDPD 和 CDMA 。

GSM （ Global Systems for Mobile communications ）主要用于话音通信 , 但若用带有特殊调制解调器的便携机 , 亦可进行数据通信。其缺点 : 一是基站之间的接管相当频繁 , 每次接管会导致300ms 数据的丢失；二是 GSM 的错误率较高；三是由于按接通的时间计费而不是按传送的字节收费 , 所以花费很大。解决的方法之一是采用蜂窝数字分组数据 CDPD 。



蜂窝数字分组数据（ CDPD ） CDPD(Cellular Digital Packet Data) 实际上是蜂窝状数字式分组数据交换网络 , 它是以数字分组数据技术为基础 , 以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通信技术。蜂窝移动系统起源于美国的贝尔系统 , 蜂窝系统的构造是以 AMPS 为基础并与 AMPS 兼容 , 即利用划分小区和频率复用技术。



码分多址访问（ CDMA ） CDMA （ Code Division Multiple Access ）的工作原理在 2.10.2 中介绍。 CDMA 有很多优点 , 如容量是目前流行的 GSM 的 3~4 倍；通话质量大幅度提高 , 接近有线电话的通话质量；由于所有小区使用相同的频率故大大简化小区频率规划；保密性能更强；手机功耗更小 , 通话时间更长；增强小区的覆盖能力 , 减少基站数目；不会与现在的模拟和数字系统产生干扰；提供可靠的移动数据通信；可靠的软切换方式大大降低了切换的失败几率。


2.10.2 蜂窝移动电话系统组成及主要通信技术

1. 蜂窝移动电话系统的组成蜂窝移动通信系统主要是由交换网络子系统、无线基站子系

统 ) 和移动台三大部分组成，如图 2.41 所示。

图 2.41 蜂窝移动通信系统的组成



移动台（ MS ， Mobile Station ）移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端 (MS) 和客户识别卡（ SIM, Subscriber Identity Module ）

交换网路子系统（ NSS, Network Switching System ）交换网络子系统主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。

无线基站子系统（ BSS, Base Station System ）无线基站子系统是在一定的无线覆盖区中由移动交换中心（ MSC）控制，与 MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（ BSC, Base Station Controller ）和基站收发信台（ BTS, Base Transceiver Station ）。



移动站移动站

移动站

MSC

图 2.42 蜂窝通信原理图



2. 蜂窝移动电话系统主要通信技术（ 1 ）无线通信复用技术

传输技术的一个关键就是解决传输的有效问题，为此，要赋予不同的用户信号以不同的信号特征，这些信号特征能区分不同的用户，就像不同的地址区分不同的用户一样。因此，这种技术称为多址技术。

这里要注意区分多路复用技术和多址技术。其中在两点之间同时互不干扰的传送多个信号是信道的多路复用。在多点之间实现互不干扰的通信是多址访问技术。



频分多址频分多址（ FDMA, Frequency Division Multiple

Access ）是使用较早也是使用较多的一种多址接入方式，被广泛应用于卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。 FDMA 的技术核心是把传输频带划分为较窄的且互不重叠的多个子频带，每个用户都被分配到一个独立的子频带中；各用户采用滤波器，分别按分配的子频带从信道上提取信号，实现多址通信。



时分多址时分多址（ TDMA, Time Division

Multiple Access ）是在给定频带的最高数据传输速率的条件下，把传递时间划分为若干时间间隙，各用户按照分配的时隙，以突发脉冲序列方式接受和发送信号。



码分多址码分多址（ CDMA, Code Division

Multiple Access ）也称扩频多址（ SSMA, Spread Spectrum Multiple Access ）。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。





FDMA 、 TDMA 和 CDMA 对比 CDMA 与 TDMA 和 FDMA 的区别，就好像一个国际会议上， TDMA 是任何时间只有一个人讲话，其他人轮流发言； FDMA 则是把与会的人员分成几个小组，分别进行讨论；而 CDMA 就像大家在一起，每个人使用自己国家的语言进行讨论



（ 2 ）蜂窝移动电话系统中的蜂窝宏蜂窝小区

　传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区 (Macrocell) 构成，每小区的覆盖半径大多为 1km ～ 25km 。图 2.44 是由宏蜂窝组成的移动通信系统示意图，每个小区分别设有一个基站，它与处于其服务区内的移动台建立无线通信链路。若干个小区组成一个区群 ( 蜂窝 ) ，区群内各个小区的基站可通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心 (MSC) 相连。移动交换中心通过 PCM （ pulse code modulation ）电路与市话交换局相连接。



图 2.44 宏蜂窝移动通信系统示意图



微蜂窝小区微蜂窝小区 (Microcell) 是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的一门技术。它的覆盖半径大约为 30m ～ 300m ；基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地面 5m ～ 10m ，传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。因此，微蜂窝最初被用来加大无线电覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。



微微蜂窝小区在目前的蜂窝式移动通信系统中，我们主要通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的“内含”蜂窝，形成分级蜂窝结构，从而解决网络内的“盲点”和“热点”，提高网络容量的。因此，一个多层次网络，往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层微蜂窝网络组成的多元蜂窝系统。图 2.45 为一个三层分级蜂窝结构示意图，它包括宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝。



图 2.45 三层分级蜂窝结构



智能蜂窝随着移动通信的不断发展，近年来又出现了一种新型的蜂窝形式：智能蜂窝。所谓智能蜂窝，它是相对于智能天线而言的，是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统，智能地监测移动台所处的位置，并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。智能蜂窝既可以是宏蜂窝，也可以是微蜂窝和微微蜂窝。这项技术正在研制过程中。


2.10.3 Ad hoc 无线网络通信

随着人们对移动通信要求的增强，蜂窝移动通信系统得到了迅速普及。但蜂窝移动通信系统是集中式控制的 ( 有中心的 ) ，网络的运行要基于预先架设好的网络设施。这两个特点使得蜂窝移动通信系统对有些特殊场合来说并不适用。

此时，需要一种特殊的通信系统，这种通信系统的运行不能基于任何预先架设好的网络设施，要能实现临时快速自动组网，节点要能移动。 Ad hoc 网络 ( 或自组织网络、特定网络、对等网络 ) 的出现满足了这些要求。



Ad hoc 网络中的结点不仅要具备普通移动终端的功能，还要具有报文转发能力，即要具备路由器的功能。因此，就完成的功能而言可以将结点分为主机、路由器和电台三部分。

其中主机部分完成普通移动终端的功能，包括人机接口、数据处理等应用软件。而路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发功能。电台部分为信息传输提供无线信道支持。从物理结构上分，结点可以如图2.46 所示被分为以下几类：单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。



图 2.46 Ad hoc 网络结点的结构



Ad hoc 网络一般有两种结构：平面结构 ( 见图 2.47) 和分级结构 ( 见图 2.48 和图 2.49) 。平面结构中，所有节点的地位平等．所以又可以称为对等式结构。而分级结构中，网络被划分为簇 (cluster) ，每个簇由一个接头 (cluster-header) 和多个簇成员 (cluster member) 组成，这些接头形成了高一级的网络，在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。分级结构中，接头节点负责簇间数据的转发。比如当簇 1中的节点 A 要与簇 2 中的节点 B通信时，节点 A 先把数据发送给簇 1 的接头；簇 1 的接头分析发现 B在簇 2 中，把数据转发给簇 2 的接头〔可能要经过其它接头的转发〕；接 2 的接头收到数据后，发现 B是自己簇的成员，把数据发送给B。



图 2.47 平面结构图 2.48 单频分级结构



图 2.49 多频分级结构



1. 卫星通信系统组成卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设备，主要有跟踪遥测指令分系统、监控管理分系统、空间分系统及通信地球站四部分组成，如图 2.51 所示。

图 2.51 卫星通信系统的基本组成



跟踪遥测指令分系统跟踪遥测指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入预定轨道并到达指定位置，待卫星正常运行后，定期对卫星进行轨道修正和位置保持，必要时，控制通信卫星返回地面。

监控管理分系统监控管理分系统对轨道定点上的卫星进行业务开通前、后的监测和控制，如卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频和带宽等基本的通信参数，以保证网络的正常通信。



空间分系统空间分系统是由主体部分的通信系统和保障部分的遥测指令和控制系统以及能源（包括太阳能电池和蓄电池）等组成。通信卫星主要起无线电中继站的作用，它是靠卫星上通信系统的转发器（微波收、发信机）和天线来完成。一个卫星的通信系统可以转发一个或多个地球站信号。显然，当每个转发器所能提供的功率和带宽一定时，转发器越多，卫星通信系统的容量就越大。

地球站地球站是微波无线电收、发信电台，用户通过它接入卫星通信网络进行通信。



2. 卫星通信技术特性范围广。系统的开发推广迅速。传输的价格不受距离远近的影响。较不易受自然灾害的影响。高通信容量。。多点通信导向系统 ( Multicast-oriented System ) 。终端用户预安装费用不高，且不需因增加用户数而再架设新的线路。



3. 甚小孔径终端技术

目前卫星通信中的一个重要技术是甚小孔径地球站（ VSAT ，Very Small Aperture Terminal）。其通常指卫星天线孔径小于 3 米（ 1.2 ～ 2.8米）、具有高度软件控制功能的地球站。

VSAT有两个主要特点：

地球站通信设备结构紧凑牢固，全固态化，尺寸小，功耗低，安装方便。

组网方式灵活、多样。

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