《移动数据通信》PPT课件.ppt

第4章 移动数据通信,第1节 移动数据通信概述 第2节 蜂窝移动数据通信 第3节 CDPD分组数据业务 第4节 无绳移动数据通信 第5节 集群通信 课后作业,第1节 移动数据通信概述,4.1.1 移动数据通信概念 4.1.2 移动数据通信系统的组成和分类 4.1.3 移动数据通信系统的主要技术问题 4.1.4 移动数据通信的网络技术比较 4.1.5 移动数据通信的发展前景与趋势,移动数据通信,主要指通信双方相对位置经常变化的无线数据通信方式 常对应于广域、低速的公用或专用移动通信网络 通过与有线数据网络的互联，将有线数据网络的应用扩展到移动和便携式终端,移动数据通信系统的组成和分类,移动数据通信系统的组成 移动数据业务分类,移动数据通信系统的组成,移动数据通信网络 用户终端,移动数据通信网络,按功能分成三层： 无线层 互连层 管理监控层,移动数据通信网络,按功能分成三层： 无线层 在移动用户和基础设施之间传送数据 终端登记、管理和自动用户定位 互连层 管理监控层,移动数据通信网络,按功能分成三层 无线层 互连层 为来自无线层的数据在移动终端之间或移动终端与固定终端之间选择路由 通过各种有线传输媒介完成与固定数据终端的连接 管理监控层,移动数据通信网络,按功能分成三层 无线层 互连层 管理监控层 网络的运行、维护 用户管理 计费管理,移动数据通信网络,从用途和主要应用技术，分成： 寻呼网络 蜂窝网络 集群网络 无绳网络,寻呼网络,指利用寻呼技术实现的单向/双向移动数据传输。 主要发送数字或文本消息 是应用时间最早的移动数据网络,蜂窝网络,主要指运用蜂窝通信技术，在现有的蜂窝移动通信网络基础上提供数据通信业务 主要用于公众数据服务，属于公用数据网络的范畴,蜂窝网络分类,按制式分为： 模拟蜂窝数据网络 数字蜂窝数据网络 按数据交换方式分为： 按承载系统分为：,蜂窝网络分类,按制式分为： 按数据交换方式分为： 电路交换蜂窝数据网络 分组交换蜂窝数据网络 按承载系统分为：,蜂窝网络分类,按制式分为： 按数据交换方式分为： 按承载系统分为： 专用移动分组网络（如Data TAC、Mobitex） 利用现有模拟蜂窝基础设施传输分组数据的分组网络（如CDPD系统等）,集群网络,主要指利用集群技术进行移动数据传输的通信网络。 集群技术把有限的信道自动地、动态地、快速地分配给系统的所有用户，以最大限度的利用系统信道和频率资源 主要用于公安、交通、铁路等行业部门的业务应用，属于专用数据网络 中国标准：TETRA系统和iDEN系统,无绳网络,属于微蜂窝或微微蜂窝的范畴 特点：容量大、成本低、应用灵活 与蜂窝移动通信技术之间是互补关系，可用于本地微型覆盖区域的移动数据传输 常用系统包括：DECT、PHS、PACS等,用户终端,无线调制解调器和信息处理设备 例如：移动网卡+便携计算机 无线调制解调器根据选定的通信协议，把信息处理设备发出的数据转换成无线信道能传送的信号形式 具有数据收发和处理能力的智能终端 例如：支持WAP功能的手机,移动数据业务分类,按业务处理方法分为： 事务处理型应用 接入式应用 广播式应用,事务处理型应用,通信双方为了达到一个共同的目的（事务），要形成一种事务处理过程，主要表现在数据通信双方有一次或多次的相互的请求和请求确认的信息交换。 包括： 身份认证、车辆调度、文件交换、无线电子商务应用等,接入式应用,主要指移动工作站与提供网络接入的服务器主机间的数据传输联系 典型应用： 互联网接入、数据库接入和远程局域网接入等,广播式应用,主要指单向的或不对称双向的移动数据传输。 特点：移动终端接收的下行数据量要远大于其上发数据量。消息常覆盖很大区域，可以重发多次，且不需要确认或不需要立即确认 包括：寻呼消息、广播短消息服务、天气航班等消息、移动网络公告消息等,移动数据通信系统 的主要技术问题,移动信道传输 移动数据网络的拓扑结构,移动信道传输,移动信道 移动信道传输技术,移动信道,移动信道传输媒体主要是空间，发射信号要经过空间的直射、反射和绕射，经多径传播到达接收设备，所以接收信号是多径合成信号 信道特性主要参量： 多径时延扩散有效值 距离功率梯度 多普勒频谱,多普勒效应,多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名,他于1842年首先提出这一理论。 多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高,而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。 在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑多普勒效应。,移动信道传输技术,在数据蜂窝移动系统和移动数据网中采用频带利用率较高的数字调制方式，如GMSK（高斯最小频移键控）、QPSK（四象限相移键控 ） 在无线局域网中采用比较简单的调制技术，如BPSK（二进制相移键控 ） 为提高数据传输速率，采取的措施有： 分级接收技术、定向天线、更高的调制和编码技术、自适应均衡技术、扩频技术等,移动数据网络的拓扑结构,集中控制结构 具有有效利用信号发送功率、易于与现有的有线骨干网相连等优点，现在的移动数据网多采用这种结构 分布式控制结构 多跳点结构,移动数据通信的网络技术比较,移动数据通信网络的三种主要形式 专用分组网络 电路交换的蜂窝网络 分组交换的蜂窝网络,专用分组网络,主要特点：从数据的传输到交换都采用分组技术，用户端配置无线分组调制解调器，通过专用的分组基站进入专用分组网 优点：最适合传递突发数据，占线时间短，节省费用 缺点：建设专用数据网，投资大,电路交换的蜂窝网络,主要特点：在传统的蜂窝电话网上使用专门的蜂窝调制解调器来传输数据。任何蜂窝网上的用户可以使用电话和专用调制解调器进行数据传输 优点：应用范围广，很适合传输大数据量数据 缺点：信噪比较低，跨区时，连接质量难以保证，邻道干扰等，要求调制解调器具有较强的自适应能力和纠错功能,分组交换的蜂窝网络,主要特点：通过在蜂窝网增加分组数据处理装置，使蜂窝网能同时处理话音和分组数据业务，充分利用信道的话务之间的空闲时间传送无线数据 优点：采用高可靠性的纠错技术来提高传输质量，收费通常基于传递的信息量，安全性较高，不需建专网 缺点：分组数据网络各自有专用的无线接口和网络协议，使得网络不兼容,移动数据通信的发展前景与趋势,技术不断完善，功能不断增强 标准逐步统一，接口逐渐实现标准化 业务综合多样化 终端智能化，降低成本，提高功能,第2节 蜂窝移动数据通信,4.2.1 电路交换蜂窝移动数据通信 4.2.2 分组交换蜂窝移动数据通信 4.2.3 短消息服务,电路交换蜂窝移动数据通信,模拟蜂窝移动数据通信 数字蜂窝移动数据通信 数字蜂窝网络对数据传输的增强技术 电路交换蜂窝移动数据通信主要缺陷,电路交换 蜂窝移动数据通信,直接利用现有的蜂窝通信网络，使用专门的调制解调器来传输数据。 原理上类似于有线电话网上的数据传输 特点：用户在呼叫建立后，无线信道一直归此用户使用，直到数据传送结束，无线信道释放后，其他用户才能重新使用该无线信道 优点：实施相对简单，初期占主导地位,模拟蜂窝移动数据通信,主要系统包括：NMT、TACS 、AMPS 数据业务一般有两类： 三类传真 计算机配上MODEM的连接传送数据。 移动用户设备 带有通信软件的PC机、标准调制解调器和带有移动无线收发设备的移动终端 三类传真机或有传真功能的PC机与移动终端,模拟蜂窝移动传输示意图,个人计算机,调制解调器,无线基站,公用交换电话网 PSTN,移动交换中心,三类传真机,调制解调器,主计算机,移动终端,三类传真机,移动终端,移动用户设备,移动用户网络,无线接口,模拟蜂窝移动数据通信存在问题,移动无线信道是对误码率影响最大的因素，主要包括： 信号的衰减和屏蔽（大楼后、隧道内等） 相邻信道干扰、同频干扰 越区切换 缺点： 不能区分数据、话音业务的不同 安全保密性差,数字蜂窝移动数据通信,GSM系统 CDMA系统,GSM系统的数据通信,GSM使用了ISDN的一般机制，本身有传输数据的能力，且是数字传输信道，不需要调制解调器。 GSM单个业务信道数据传输速率最高不超过12kbps，与其它网络数据通信速率最高9.6kbps，即只能提供低速数据业务,CDMA系统的数据通信,Qualcomm（高通）公司的IS-95 CDMA提供的电路交换式数据业务使用笔记本电脑的串口直接连接移动电话或PCS手机，比GSM系统的PCMCIA卡连接经济 一个码信道速率9.6kbps或14.4kbps,数字蜂窝网络 对数据传输的增强技术,GSM系统 CDMA系统,GSM系统 对数据传输的增强技术,采用HSCSD（高速电路交换数据）技术和GPRS（通用分组无线服务）技术提高用户比特率到115.2kbps，适合于Internet的接入业务 EDGE（增强数据速率改进）技术，提高比特率到384kbps，以处理多媒体业务,CDMA系统 对数据传输的增强技术,IS-95B，可同时分配8个信道给一个用户，可支持最高数据速率76.8kbps或115.2kbps Cdma2000，2Mbps,电路交换蜂窝移动数据通信 主要缺陷,电路利用率不高，通信费用贵 电路交换不适合交互式短报文的场合 传输速率不高，一般模拟式为2.4kbps，数字式为9.6kbps 连接建立时间较长 提供的服务类型较少,分组交换 蜂窝移动数据通信,主要两大类系统 专用分组交换蜂窝数据系统 利用现有模拟蜂窝基础设施传输分组数据的分组网络（如CDPD系统等，详见下一节）,专用分组交换蜂窝数据系统,从数据的传输到交换都采用分组技术，用户端配置无线分组调制解调器，通过专用的分组基站进入专用分组网，可以访问分组网上的主机、数据库，也可以呼叫另一个移动数据终端 代表：Data TAC系统、Mobitex系统 缺点：只能为移动数据用户提供到分组交换数据网用户的连接，覆盖面不够大，吞吐量也不大。,Data TAC系统,是由Motorola公司开发的。无线链路协议为Motorola专利技术（RD-LAP），整个网络可通过X.25或TCP/IP协议与计算机主机、公众分组数据网以及LAN相连 工作频段：806825MHz或410470MHz 工作速率：19.2kbps或9.6kbps 实际速率：28kbps,Data TAC系统组成*,交换系统ACC 包括：无线网关、无线网络控制器、通信控制器和网络管理中心 基站系统DSS 包括：无线收发信机和基站控制器 用户设备 包括：移动终端（PC、POS机、PDA等）和与其配套的无线调制解调器,Data TAC系统原理*,用户终端通过基站接入Data TAC网络，终端通过无线Modem与基站交换数据，所用协议为RD-LAP。 基站与交换机通过通信线路相连。 Data TAC与公用分组网互联的协议是X.25，与LAN或主机互联的协议为X.25或TCP/IP 漫游时，要通过专线将ACC的通信控制器连接,Mobitex系统,是由Ericsson和瑞典电信联合开发的，通信规程采用专利技术，但以ISO模型为基础，可支持许多标准网络接口，包括TCP/IP和X.25，采用的协议对所有的应用开发者和制造商是公开的。协议的更改和标准化由Mobitex经营协会负责 工作频段：450MHz或900MHz 工作速率：1.2kbps或8kbps,Mobitex系统层次结构*,基站BS 区交换局MOX 主交换局MHX 网络控制中心NOC,短消息服务,短消息服务（Short Messaging Service，SMS ） 是一种使用移动设备发送和接收文本信息的技术。 消息可能传递于 移动通信系统和移动通信用户之间 PSTN系统与移动通信用户之间 移动通信用户之间,短消息服务技术,短消息通过数字控制信道传递，而其它数据业务是通过无线接口上的电路交换数字业务信道传递 GSM系统中，引入短消息服务中心SMSC作为短消息的存储转发单元，消息只与用户和SMSC有关，而与其他GSM基础设施无关。 SMS需要硬件产品的支持，现在大多数移动设备、手机产品都具有SMS功能。,短消息长度,许多移动站共用数字控制信道，为避免争用造成的延迟过长和较重负荷，规定短信息长度 在点对点通信中，最多140个字节 在广播通信中，最多83个字节,短消息中心号码,在No.7信令消息中使用的、代表短消息中心的号码 结构：13SH00X1X2X3500 X1X2X3与当地的长途区号相同，两位长途区号的地区X3设为0 例如，沈阳移动短消息中心的号码用户发送短消息前，必须先设置短消息中心号码,短消息服务优点,发送一条短消息与大约1秒钟的语音呼叫所占用的空间相当，故其通讯费用十分低廉。 是GSM中唯一不要求建立端到端业务路径的业务，即使移动台关机仍可进行短消息传输。,第3节 CDPD分组数据业务,4.3.1 CDPD发展历史 4.3.2 CDPD的网络结构与系统组成 4.3.3 CDPD原理 4.3.4 CDPD的协议模型* 4.3.4 CDPD的主要特点 4.3.5 CDPD的主要业务应用,CDPD,Cellular Digital Packet Data（蜂窝数字分组数据交换） 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,CDPD发展历史,1992年美国几大蜂窝运营商根据市场的需要，出资成立发展基金对无线数据通信技术进行研究 1993年CDPD规范1.0版草案问世，美国多家大公司宣布支持CDPD规范 1994年2月美国建立了第一个试验网 1995年中，美国出现了第一个正式投入商用的CDPD网络 2001年，美国已基本实现全国覆盖，用户数量约为20万,CDPD发展历史,1995年后CDPD从美国走向世界，很 多国家和地区开始提供CDPD服务或进行试验 1997年，中国原邮电部决定建设“中国公用无线数据通信网”。在北京、上海、广州、深圳、厦门和长沙等六城市启动了CDPD网络建设工程,几种蜂窝移动数据通信发展比较,CDPD的系统组成与网络结构,CDPD系统主要由三个部分组成： MDBS（移动数据基站） MDIS（移动数据中介系统） MES（移动终端系统）,CDPD系统结构图,CDPD的网络结构图,MDBS（移动数据基站）,为用户提供无线接口和无线接续、频谱管理和自动信道跳频。 通过一根64kbps帧中继与交换机相联 组成 收发信机 MODEM 计算机控制模块 电源模块,收发信机和MODEM,每个收发信机和MODEM模块支持一个CDPD信道 无线收发信机产生可用信道所需的频率 MODEM负责CDPD数字信号处理,计算机控制模块,负责MDBS内控制信号与数据信号的路由选择 通过专用接口连接到CDPD网管系统，对MDBS进行控制和监视,MDIS（移动数据中介系统）,组成 分组服务器：负责MES到其它MES或固定终端的分组路由选择 管理服务器：通过提供鉴别、登记、信息转换、系统计费数据收集等方面的功能来支持分组服务器 通过中介系统IS，采用TCP/IP，连接到公用分组数据网或专用分组网,CDPD的移动终端设备,即CDPD的用户端设备，由移动终端和CDPD无线Modem组成 CDPD无线Modem负责管理无线链路和协议 移动终端与无线Modem之间的通信采用标准的串口协议，如：串行网际协议(SLIP)或点对点协议(PPP),CDPD的移动终端设备分类,按MODEM物理接口来区分，有三种： PCMCIA：主要用于具有PCMCIA插槽的便携式电脑和掌上型电脑 RS-232：连接各种计算机的串行口，包括PC、单片机及其它具有串行口的专用设备 内置PCI插槽型：集计算机与无线Modem于一体的设备，如无线POS机、无线炒股机等,CDPD原理,将要传输的数据按一定的长度分组 给每一个数据段加上收发终端地址及其它控制信息 寻找一个空闲的话音信道 把来自不 同数据源的数据分组在空闲信道上进行交织传输 当语音用户要求占用该信道时，CDPD系统将重新寻找新的空闲信道，并利用信道跳频技术，自动跳到新的空闲信道，直到传输完成,分组数据通信原理示意图,CDPD的数据发送处理过程,数据被分段、加密后，加入终端标志形成数据帧 每帧分成282bit的块，通过RS编码，形成378bit的帧 上述帧经GMSK调制后送往蜂窝网上的信道 多址访问协议使用数字监听多址访问冲突检测(DSMACD) ：先监听是否有空闲信道，如果有，立即发送数据帧；否则等待，直到系统有空闲信道,CDPD的协议模型图,CDPD的协议模型*,自下而上依次为： 物理层 MAC(媒体接入控制)层 LLC(逻辑链路控制)层 SNDCP(子网依赖结合协议)层 网络层,物理层*,为射频接口部分，物理链路负责提供空中接口的射频信道 MES与MDBS间靠一对30kHz的RF信道进行通信，从MDBS至MES的信道称正向信道，从MES至MDBS的信道称反向信道，一对正、反向信道形成了一条CDPD信道流 信道流使用的调制方式为GMSK(相对带宽BT0.5)，调制速率为19.2kb/s,MAC(媒体接入控制)层*,定义和分配空中接口的CDPD逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。CDPD的逻辑信道分为 广播信道 控制：用于广播控制信息 管理：用于广播无线资源管理信息 点对点业务信道,MAC(媒体接入控制)层*,每个逻辑信道都分配了一个叫临时设备识别号(TEI)的信道号，在点对点数据链路连接建立之前，分配给与这次连接相对应的MES，该MES就用分配的TEI值发送并接收包含指定TEI值的帧。,LLC(逻辑链路控制)层*,基于无线链路协议： MDLP（移动数据链路协议) 在MES内实现的MDLP与位于它的服务MDIS中的对等MDLP通信 LLC层负责在高层（SNDCP）的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧 LLC可以实现点对多点的寻址和数据的重发控制,SNDCP(子网依赖结合协议)层*,完成传送数据的分组、打包、数据压缩，确定TCPIP地址和加密方式 提供SNDCP顶层多个网络层实体的复接数据被分割为一个或多个NPDU(网络协议数据单元)数据包单元，放置到LLC帧内,网络层*,协议为TCPIP和X25协议,LLR（逻辑链路转送）层*,MDBS中的LLR层负责转送MES和MDIS之间的LLC帧 LLR层对于MDLP数据单元