2.10 无线通信

2.10.1 蜂窝无线通信概述

1. 无线寻呼和无绳电话

(1)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)。计算机收到请求后,通过地面线路将其传到高架天线,将其广播出去。当寻呼机在输入无线电波流中检测到它惟一的号码时,它就鸣响并显示呼叫的电话号码。图2.38是一个寻呼系统的示意图,寻呼者通过公用电话交换网与寻呼控制中心联系,寻呼控制中心再将要寻呼的信息通过寻呼终端向寻呼者发送出去。当前的大多数寻呼系统的共同特点是,它们是单向系统,不会出现多个竞争用户间争抢少量有限信道的情况。

图2.38寻呼系统示意图

(2)无绳电话

无绳电话使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。图2.39是一个无绳电话系统的示意图,无绳手机通过无线链路和基站相连,基站在通过电话线连接到公用电话交换网上。

图2.39无绳电话系统示例

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),该系统由贝尔实验室(Bell Labs)发明,1982年首次在美国安装。

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。这些众多的六边形在空间上构成了通信系统蜂窝,关于蜂窝的概念在2.10.2小节中详细介绍。在图2.40中,单元的大小都一样,它们被分成7个组,其上的字母代表一组频率。应注意对于每个频率集都有一个大约2单元宽的缓冲,缓冲区处于同频率干扰范围之内,这里的频率不被重用,以获得较好的分割效果和较小的串扰。

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:全球可移动通信系统(GSM),蜂窝数字分组数据(CDPD)和码分多址访问(CDMA)。

① 全球可移动通信系统

全球可移动通信系统(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。

② 蜂窝数字分组数据

蜂窝数字分组数据(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。

③ 码分多址访问

码分多址访问(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点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 蜂窝移动电话系统及主要通信技术

1. 蜂窝移动电话系统

(1)蜂窝移动电话系统的组成

蜂窝移动通信系统主要是由移动台(MS)、无线基站子系怎么用u盘装win7系统统(BSS)和交换网络子系统(NSS)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

① 移动台

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)。移动终端就是“机”,它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。 SIM卡就是“身份卡”,它类似于我们现在所用的IC卡,因此也称作智能卡,存有认证客户身份所需的所有信息,并能执行一些与安全保密有关的重要信息,以防止非法客户进入网路。

②无线基站子系统

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)和基站收发信台(BTS)。

③交换网络子系统

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。

(2)蜂窝移动电话系统的工作原理

蜂窝移动电话系统为在无线覆盖范围内的任何站点的用户提供公用电话交换网的无线接入。蜂窝系统能在有限的频带范围内在很大地理范围内容纳大量拥护。它提供了和有线电话系统相当的高通话质量。高容量的获得主要是因为将每一基站发射站的覆盖范围限制到称为小区的小块地理区域,这样相同的无线信道可以在相距不远的另一个基站里使用。

图2.42蜂窝通信原理图

图2.42说明了包括移动站、基站和移动交换中心(MSC)的基本蜂窝系统。移动交换中心负责在蜂窝系统中将所有的移动用户连接到公用电话交换网上,有时被称作移动电话交换局(MTSO)。每一移动用户通过无线电和某一个基站通信,在通话过程中,可能被切换到其它任一个基站去。移动站包括发送器、天线和控制电路,可以安装在机动车辆上或作为携带手机使用。即站包括有几个同事处理全双工通信的发送器、接收器和支撑几个发送和接收天线的塔。基站担当的就像桥的功能,将小区中的所有用户的通话通过电话线或微波线路连到MSC。MSC协调所有基站的操作,并将整个蜂窝系统连到PSTN上去。典型的MCS可容纳10万个用户,并能同时处理5000个通话,同时还提供记费和系统维护功能。

2. 蜂窝移动电话系统的主要通信技术

(1)无线通讯复用技术

① 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。

② 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即时隙,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。

③ 码分多址

码分多址(CDMA, CodeDivisionMultipleAccess)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。

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。

如图2.43所示:图(a)是ABCD4个站点上的二进制芯片序列,图(b)是u盘装系统双极型芯片序列,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:

其正交特性是及其关键的。只要 =0,那么 =0。任何芯片序列与自己的内标积均为1,即:

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。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。比如,在某一芯片内,3个站点输出+1,一个站点输出-1,那么结果就为+2。我们可把它想象为电压相加:3个站点输出+1V,另一个站点输出为-1V,最终输出电压就为+2V。

图2.43CDMA实例

图2.43(c)中,给出了站点同时发送的6个例子。第1个例子中,只有C发送了1位,所以结果只有C的芯片序列。第2个例子中,B和C均发送1,因此结果为它们序列之和,即(-1-1+1-1+1+1+1-1)+(-1+1-1+1+1-1-1)=(-2 0 0 0 +2 +2 0 -2)。

第2个例子中,站点A发送1,站点B发送0,其余保持沉默。第4个例子中,站点A,站点C发送1,站点B发送0。第5个例子中,4个站点均发送1。最后一个例子中,站点A,站点B和站点D发送1,站点C发送0。应该注意的是,图2.43(c)中给出的从序列

S1到序列S6任一序列仅占用一个比特时间。

要从信号中还原出单个站点的比特流,接收方必须事先知道站点的芯片序列。通过计算收到的芯片序列(所有站点发送的线性和)和欲还原站点的芯片序列的内标积,就可以还原出原比特流。假设收到的芯片序列为S,接收方想收听的站点芯片序列为C,只需计算它们的内标积 ,就可得出原比特流。

下面解释一下上述方法的原理。假设站点A,站点C均发送1,站点B发送0。接收方收到的总和为 ,计算:

式中的前两项消失,因为所有的芯片序列都经过仔细的挑选,确保它们两两正交,就像式 所表示的那样。这里也说明了为什么要给芯片序列上强加上这个条件。

④ 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,每个人使用的自己国家的语言进行讨论。

(2)蜂窝移动电话系统中的蜂窝

① 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电路与交换局相连接。