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蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用-在線瀏覽

2024-12-30 02:12本頁(yè)面
  

【正文】 .................................................................................. 23 1 一 緒論 蜂窩網(wǎng)絡(luò)從誕生之日起,注定要為社會(huì)發(fā)展帶來一場(chǎng)變革。人們無需像從前那樣必須在一個(gè)固定地點(diǎn)來?yè)艽螂娫?,隨時(shí)隨地可以呼叫或者接聽電話。考慮到使用WiFi 熱點(diǎn)接入到因特網(wǎng)中的距離等因素的限制,于是人們把目光投向了蜂窩網(wǎng)絡(luò)。能否讓蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持接 入因特網(wǎng)呢。而這項(xiàng)技術(shù)也正在繼續(xù)向更有效、更快捷的方向發(fā)展。 1864 年麥克斯韋從理論上證明了電磁波的存在; 1876 年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在; 1900 年馬可尼等人利用電磁波進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線電通信取得了成功,從此世界進(jìn)入了無線電通信的新時(shí)代。最初美國(guó)Purdue 大學(xué)學(xué)生發(fā)明 了工作頻率為 2MHz 的無線電接收機(jī),并很快在底特律的警察局的車載無線電系統(tǒng)中投入使用,這成為了世界上首個(gè)可以有效工作的移動(dòng)通信系統(tǒng); 20 世紀(jì) 30 年代初,第一部調(diào)幅制式的雙向移動(dòng)通信系統(tǒng)在美國(guó)新澤西的警察局投入使用; 20 世紀(jì) 30 年代末,第一部調(diào)頻制式的移動(dòng)通信系統(tǒng)誕生,實(shí)驗(yàn)表明調(diào)頻制式的移動(dòng)通信系統(tǒng)要比調(diào)幅制式的移動(dòng)通信系統(tǒng)更加有效。然而此時(shí)的移動(dòng)通信系統(tǒng) 存在諸多的缺陷,難以與公眾網(wǎng)絡(luò)互通。戰(zhàn)后,軍事移動(dòng)通信技術(shù)逐漸被應(yīng)用于民用領(lǐng)域,到 20 世紀(jì) 50 年代,美國(guó)和歐洲部分國(guó)家相繼成功研制了公用移動(dòng)電話系統(tǒng),在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)電話和公眾電話網(wǎng)絡(luò)的互通,并且得到了廣泛的應(yīng)用。 從 20 世紀(jì) 60 年代中期至 70 年代中期,美國(guó)推出了改進(jìn)型移動(dòng)電話系統(tǒng),它使用 150MHz 和 450MHz 頻段,采用大區(qū)制、中小容量,實(shí)現(xiàn)了無線頻 道自動(dòng)選擇及自動(dòng)接入公用電話網(wǎng)。為了更有效地利用有限的頻譜資源,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了在移動(dòng)通信發(fā)展史上具有里程 碑意義的 AMPS, 它為移動(dòng)通信系統(tǒng)在全球的廣泛應(yīng)用開辟了新的道路。由于數(shù)字無線傳輸?shù)念l譜利用率高,系統(tǒng)的容量得到大大地提升。 2 第一代移動(dòng)通信技術(shù)( 1G) 在第一代通信技術(shù)中,主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址( FDMA)技術(shù)。第一代移動(dòng)通信有多種制式,不同制式采用的標(biāo)準(zhǔn)也不同,具體見下表。第一代移動(dòng)通信技術(shù)存在著很多不足之處,比如容量小,制式太多并且互不兼容,保密性不夠好,通話質(zhì)量差,無法提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),無法漫游等。在全球主要有 GSM 和 CDMA 兩種體制。隨后美國(guó)和日本等國(guó)的 2G 系統(tǒng)也相繼投入使用。第二代移動(dòng)通信替代第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)完成了從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變,但是由于第二代數(shù)字移動(dòng)技術(shù)的帶寬有限,限制了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用,并不能實(shí)現(xiàn)高速率的移 動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)。它是2G 邁向 3G 的銜接性技術(shù)。 GPRS 技術(shù)史中國(guó)移動(dòng)推出的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 。 第三代移動(dòng)通信技術(shù)( 3G) 與前兩 代移動(dòng)通信技術(shù)相比,第三代移動(dòng)通信技術(shù)有更寬的帶寬,其傳輸速度最低為 384K,最高為 2M,帶寬可達(dá) 5MHz 以上。第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能將高速移動(dòng)接入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)結(jié)合起來,提高無線頻率利用效率。滿足多 媒體業(yè)務(wù)的要求,從而為用戶提供更經(jīng)濟(jì)、內(nèi)容更豐富的無線通信服務(wù)。雖然第三代移動(dòng)通信可以比現(xiàn)有傳輸率快上千倍,但是未來仍無法滿足多媒體的通信需求。在業(yè)務(wù)上、功能上、頻帶上都與第三代系統(tǒng)不同,將在不同的固定和無線平臺(tái)及跨越不同頻 帶的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中提供無線服務(wù),比第三代移動(dòng)通信更接近于個(gè)人通信。 二 蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述 “蜂窩”一詞指示了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。每一個(gè)小區(qū)擁有一個(gè)基站,這個(gè)基站負(fù)責(zé)接受和傳輸在它覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)站點(diǎn)的信號(hào)。 多址接入技術(shù) 多址接入技術(shù)指發(fā)射站發(fā)射的 信號(hào)可以沒有任何干擾的道道接收站。 1. 頻分多址接入( FDMA) 頻分多址是無線網(wǎng)絡(luò)中最基礎(chǔ)的一種多址接入技術(shù)。當(dāng)有多個(gè)移動(dòng)設(shè)備需要同時(shí)發(fā)送或者接受信4 號(hào)時(shí),為每一個(gè)設(shè)備分配一個(gè)固定的信道來傳輸。 2. 時(shí)分多址接入( TDMA) 時(shí)分多址技術(shù)與頻分多址很相似,它是把發(fā)送的時(shí)間按照一定的時(shí)間間隔劃分成多 個(gè)區(qū)域,每個(gè)設(shè)備分配一個(gè)固定的時(shí)間片,所有設(shè)備進(jìn)行輪轉(zhuǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。最初 CDMA 是用于軍事應(yīng)用,通過不斷的發(fā)展和演變,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到實(shí)際生活中。 CDMA 技術(shù)是在為每一個(gè)用戶分配一個(gè)或一些相互獨(dú)立的碼字,當(dāng)用戶想要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)送端會(huì)把碼字和信號(hào)進(jìn)行混合編碼,當(dāng)接受到數(shù)據(jù)時(shí),接收端會(huì)用碼字把信息提取出來。 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的組成 ( MS) 移動(dòng)站就是我們的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,比如我們?nèi)粘I钪忻刻焓褂玫氖謾C(jī)或者一些蜂窩工控設(shè)備。 ( BTS) 基站是無線網(wǎng)絡(luò)中重要組成部分。實(shí)現(xiàn)與更多的設(shè)備互聯(lián)。它在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中起到了關(guān)鍵的作用。在正多邊形中,能夠完整的無重疊的覆蓋所有面積的圖形有,三角形,正方形,和正六邊形,當(dāng)邊長(zhǎng)相等的時(shí)正六邊形的面積最大,因此采用正六邊 形來表示蜂窩網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)智能保留在了每一個(gè)接入點(diǎn),所以不需要集中式交換機(jī),而只需要智能計(jì)入點(diǎn)和 網(wǎng)絡(luò)處理器、交換能力和系統(tǒng)軟件。 其次,單一的節(jié)點(diǎn)用發(fā)現(xiàn)查詢 /響應(yīng)協(xié)議來定位它們的鄰居。 一旦某節(jié)點(diǎn)識(shí)別出另一個(gè)節(jié)點(diǎn),它們會(huì)計(jì)算路徑信息,如接收信號(hào)的強(qiáng)度、吞吐量、錯(cuò)誤率和遺留的老系統(tǒng)等?;谶@些信息,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠選擇通向其鄰居的最佳路徑,從而使每一時(shí)刻的服務(wù)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。因?yàn)樵诰S護(hù)、重新安排或出故障時(shí),假如一個(gè)節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中斷開,臨近它的節(jié)點(diǎn)可以迅速地重新配置它們的信息列表并重新計(jì)算路徑,以便 在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí),保持信息流量。 三 第一代蜂窩網(wǎng)絡(luò) 第一代蜂窩網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與服務(wù) 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要蜂窩系統(tǒng)包括 AMPS、 NMT、 Hicap、 CDPD、 MOBITEX、DataTac、 TACS 和 ETACS,并且所有 1G 系統(tǒng)都有兩類邏輯信道:業(yè)務(wù)信道和控制信道??刂菩诺婪譃橄滦械膶ず粜诺篮蜕闲械慕尤胄诺溃鶄鬏敂?shù)字信令。最先研制出大哥大的是美國(guó)摩托羅拉公司的 Cooper 博士。這種手機(jī)有多種制式,如 NMT、 AMPS、 TACS,但是基本上使用頻分復(fù)用方式,只能進(jìn)行語(yǔ)音通信,收訊效果不穩(wěn)定,且保密性不足,無線寬帶利用不充分。 第一代網(wǎng)絡(luò)采用了模擬調(diào)制、頻分多址、蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)和雙向信道等技術(shù),在世界各地建立了服務(wù)網(wǎng)絡(luò),擁有為數(shù)眾多的用戶,直至今 天,北美等地區(qū)仍在使用第一代網(wǎng)絡(luò),可見在一定程度上模擬網(wǎng)絡(luò)可以提供較好的通信服務(wù),即使在數(shù)字技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的今天,第一代模擬網(wǎng)絡(luò)還具有一定的吸引力。體積大。作為第一代移動(dòng)通信系統(tǒng),模擬系統(tǒng)的頻譜利用率較低,保密性差,且提供的業(yè)務(wù)比較單一,難以適應(yīng)用戶的數(shù)字業(yè)務(wù)需求。由于FDMA 技術(shù)的每信道占用一個(gè)載頻,相對(duì)寬帶較窄,故通常在窄帶系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn);系統(tǒng)中激戰(zhàn)復(fù)雜龐大,易產(chǎn)生信道間的互調(diào)干擾;可以用帶通濾波器來限制鄰道干擾;越區(qū)切換復(fù)雜;模擬調(diào)制,故保密性差,容易被第三方竊聽;提供業(yè)務(wù)單一,只能實(shí)現(xiàn)話務(wù);受傳輸寬帶限制,不能進(jìn)行長(zhǎng)途漫游;傳輸速率低,只有~10kb/s。 四 第二代蜂窩網(wǎng)絡(luò) 由于第一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)的種種缺陷,以及人們?cè)絹碓蕉嗟拈_始使用移動(dòng)電話和網(wǎng)絡(luò),尋找一種高效便利的通訊技術(shù)顯得尤為重要,于是第二代蜂窩網(wǎng)絡(luò)在這種歷史條件下誕生了。全球有超過 200 個(gè)國(guó)家和地區(qū)共計(jì)超過 10 億人正在使用 GSM 電話。 GSM 較之它以前的標(biāo)準(zhǔn)最大的不同是他的信令和語(yǔ)音信道都是數(shù)字式的,因此 GSM 被 看作是第二代 (2G)移動(dòng)電話系統(tǒng)。所有頻段相鄰兩頻道的間隔都為 200kHz,并且采用等間隔頻道配置方法。 在蜂窩系統(tǒng)中,主要通過頻率復(fù)用來 增大系統(tǒng)的容量,即小區(qū)之間在間隔足夠遠(yuǎn)的情況下(干擾信號(hào)不至于影響有用信號(hào)的接收),可使用相同的頻率,一般情況下把可用的 N 個(gè)頻道分成 F 組,依次把 F 組頻道分配給相鄰小區(qū)使用。下圖為頻率復(fù)用示意圖。這樣做有兩個(gè)目的,一是降低空中總的干擾電平,二是節(jié)約發(fā)射機(jī)的功率。 4 GMSK 調(diào)制 GMSK 是一種特殊的數(shù)字 FM 調(diào)制方式。比特率正好是頻率偏移 4 倍的 FSK 調(diào)制稱作 MSK(最小頻移鍵控)。它可以降低頻率轉(zhuǎn)換速度 。 信道編碼采用專門的冗余技術(shù),在發(fā)送端按一定的規(guī)律插入冗余位進(jìn)行編碼,接收端的解碼過程利用這些冗余位檢測(cè)誤碼并盡可能地糾正錯(cuò)誤,恢復(fù)出原始的發(fā)送信息。 交織實(shí)際上是把一個(gè)消息塊原來連續(xù)的比特按一定規(guī)則分開發(fā)送傳輸,即在傳送過程中原來的連續(xù)塊變成不連續(xù),然后形成一組交織后的發(fā)送消息塊,在接收端對(duì)這種交織信息塊復(fù)原(解交織)成原來的信息塊。 6 加密與解密 GSM 系統(tǒng)可以提供加密措施。加密通過一個(gè)加密序列(由加密密鑰Kc、幀號(hào)通過 A5 加密算法產(chǎn)生)和常規(guī)突發(fā)脈沖之中的 114 個(gè)信息比特進(jìn)行異或操作得到。 7 跳頻 跳頻是指載波頻率在很寬頻帶范圍內(nèi)按某種序列進(jìn)行跳 變。最后再經(jīng)過射頻濾波器送至天線發(fā)射出去。 跳頻技術(shù)實(shí)際是避開外部干擾,使之跟不上頻率的改變從而避免或明顯降低同頻道干擾和頻率選擇性衰落。通8 常的跳頻數(shù)應(yīng)大于 3。 8 功率控制 在無線傳播上對(duì)手機(jī)或基站的實(shí)際發(fā)射功率進(jìn)行控制,以盡可能降低基站或手機(jī)的發(fā)射功率,這樣就能達(dá)到降低手機(jī)和基站的功耗以及降低整個(gè) GSM 網(wǎng)絡(luò)干擾這兩個(gè)目的。 1993年 7 月, TIA 批準(zhǔn)了 CDMA IS95 標(biāo)準(zhǔn)。 GPRS—— 全球移動(dòng)通訊系統(tǒng) GPRS(General Packet Radio Service)—— 通用分組無線業(yè)務(wù)??捎行У乩脽o線資源和網(wǎng)絡(luò)地面資源,特別適合于長(zhǎng)時(shí)間、小流量的突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 ( 2)高速率 借助于多時(shí)隙綁定和高速編碼方案, GPRS 第一階段采用 CS1 和 CS2 編碼方案,可提供高達(dá) 115 kbps 的接入速率,在 GPRS 第二階段采用 CS3 和 CS4 編碼方案,速率可提至 171 kbps。如圖 42 所示。所有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn) PDP 協(xié)議數(shù)據(jù)元( PDU)將由 GTP 協(xié)議進(jìn)行封裝。在 中對(duì) GTP 作了規(guī)范。如果不要求一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路(如 IP),就使用 UDP 協(xié)議來承載 GTP PDU。 UDP 提供防護(hù) GTP PDU 受到破壞的 功能。 GPRS 骨干網(wǎng)最初是建立在 IPv4 協(xié)議基礎(chǔ)上的,隨著 IPv6 的廣泛使用, GPRS 會(huì)最終采用 IPv6協(xié)議。它的主要作用是完成傳送數(shù)據(jù)的分組、打包,確定 TCP/IP 地址和加密方式。 SNDC 數(shù)據(jù)包單元生成后被放置到 LLC 幀內(nèi)。 邏輯鏈路控制( LLC) LLC 是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程 HDLC 的無線鏈路協(xié)議,能夠提供高可靠的加密邏輯鏈路。另外, LLC 可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的尋址和數(shù)據(jù)幀的重發(fā)控制。 對(duì) LLC 進(jìn)行了規(guī)范。 GPRS 基站系統(tǒng)協(xié)議( BSSGP) 這個(gè)層用來傳輸在 BSS 和 SGSN 之間與選路服務(wù)質(zhì)量有關(guān)的信息。 對(duì) BSSGP 進(jìn)行了規(guī)范。 NS 以 BSS 和 SGSN 之間的幀中繼連接為基礎(chǔ),而且有多跳功能,并能橫貫有幀中繼交換節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。 無線鏈路控制( RLC) /媒體訪問控制( MAC) 這個(gè)層具備兩個(gè)功能:一是無線鏈路控制功能,它能提供一條獨(dú)立于無線解決方案的可靠鏈路。 MAC 除了控制著信令傳輸所用無線信道外,還將 LLC 幀映射到 GSM 物理信道中去。 GSM RF Um 接口的物理層為射頻接口部分,而邏輯鏈路層則負(fù)責(zé)提供空中接口的各種邏 輯信道。如果 8 個(gè)物理信道都分配為傳送 GPRS 數(shù)據(jù),則原始數(shù)據(jù)速率可達(dá) 200 kbps。 GPRS 應(yīng)用 GSM 應(yīng)用 1 GPRS 在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用 下圖以單個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊為例,描述了數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集后,通過GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)和 Inter 進(jìn)行傳輸,最終到達(dá)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的通訊過程。⑥數(shù)據(jù)采集服務(wù)器接入 Inter,接收傳回的數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中,可以使用公網(wǎng)靜態(tài) m、動(dòng)態(tài)域名解析、 SMS 通訊、 APN 專線接入等組網(wǎng)方案。在實(shí)際應(yīng)用中,需要采用心跳、掉線參照等機(jī)制來解決可能造成傳輸失敗的種種問題,確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。啟用心跳設(shè)置,模塊上線后,在運(yùn)行期間按照一定的時(shí)間間隔定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包,任何一方接收到對(duì)方的心跳后,都原樣返回。如果超過時(shí)間沒有收到心跳,則重新啟動(dòng)模塊, 接入 GPRS 網(wǎng)絡(luò)。采用掉線參照機(jī)制,可以選擇 GPRS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的網(wǎng)關(guān)或路由器作為無線參照點(diǎn),測(cè)試時(shí)使用 ICMP 協(xié)議中的 PING 操作。 2 防盜追蹤系統(tǒng) 防盜追蹤系統(tǒng)作為一套完整的基站設(shè)備防盜解決方案,其主要功能有遠(yuǎn)程防盜監(jiān)控及報(bào)警,被盜設(shè)備的追蹤定位,定時(shí)采集和上報(bào)設(shè)備數(shù)據(jù)信息,系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程升級(jí)與維護(hù)等幾
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