蜂窝网络技术和应用

蜂窝网络的技术和应用目 录一 绪论11.1 蜂窝网络历史11.2 第一代移动通信技术（1G）21.3 第二代移动通信技术（2G）21.4 2.5代移动通信技术（2.5G）31.5 第三代移动通信技术（3G）31.6 第四代移动通信技术（4G）3二 蜂窝网络技术概述32.1 多址接入技术32.2 蜂窝网络的组成42.3 蜂窝网络的几何表示52.4 无线扩展5三 第一代蜂窝网络53.1 第一代蜂窝网技术的应用与服务53.2第一代蜂窝网络的局限性6四 第二代蜂窝网络64.1 GSM全球移动通讯系统64.2 IS-95系统84.3 GPRS全球移动通讯系统84.4 GSM应用10五 第三代蜂窝网络125.1 第三代蜂窝网络特点125.2 第三代蜂窝网络的主流技术125.3 WCDMA 系统结构与主要技术135.4 CDMA2000概述与移动IP技术145.5 TD-SCDMA信道分配和可用频段145.6 第三代蜂窝网络的关键技术155.7 第三代蜂窝网络技术的应用15六 第四代通信网络技术4G176.1 4G通信网的关键技术186.2 4G的主要优势206.3 4G存在的缺陷216.4 4G的应用21参考文献23一 绪论蜂窝网络从诞生之日起，注定要为社会发展带来一场变革。人们无需像从前那样必须在一个固定地点来拨打电话，随时随地可以呼叫或者接听电话。随着当今社会信息化的高速发展，仅仅含有语音电话功能的蜂窝网络无法满足人们日益增长的需求，于是能够随时随地的介入因特网获得信息变得越来越重要，近年来无线移动网络的兴吸引了越来越多的研究人员投身到这一领域中来。考虑到使用WiFi热点接入到因特网中的距离等因素的限制，于是人们把目光投向了蜂窝网络。由于蜂窝电话在世界范围内很多领域得到应用，研究人员就提出新的想法。能否让蜂窝网络支持接入因特网呢。通过不断的研究和实验，蜂窝网络得到不断的优化，承载的数据传输速率不断提升，目前在各个领域已经得到了广泛的应用。而这项技术也正在继续向更有效、更快捷的方向发展。1.1 蜂窝网络历史移动通信的发展历史可以追溯到19世纪。1864年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在；1876年赫兹用实验证实了电磁波的存在；1900年马可尼等人利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功，从此世界进入了无线电通信的新时代。现今我们每天用到的移动通信技术开始于20世纪20年代的初期。最初美国Purdue大学学生发明了工作频率为2MHz的无线电接收机，并很快在底特律的警察局的车载无线电系统中投入使用，这成为了世界上首个可以有效工作的移动通信系统；20世纪30年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用；20世纪30年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，实验表明调频制式的移动通信系统要比调幅制式的移动通信系统更加有效。在随后的10几年间，调频制式的移动通信系统占据主导地位，也是在这个时期中，通信实验和电磁波传输的实验等工作完成了，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。然而此时的移动通信系统存在诸多的缺陷，难以与公众网络互通。第二次世界大战期间，由于军事上的需求，极大的促进了移动通信技术的快速发展。战后，军事移动通信技术逐渐被应用于民用领域，到20世纪50年代，美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话和公众电话网络的互通，并且得到了广泛的应用。不过当时这种移动电话系统仍然采用人工接入方式，存在局限性，系统容量小。从20 世纪60 年代中期至70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统，它使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择及自动接入公用电话网。20世纪70 年代中期，随着民用移动通信用户数量的不断增加，以及业务范围的扩大，可用频道数要求递增与有限的频谱供给之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的AMPS，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了新的道路。冲80年代中期开始，移动通信蓬勃发展，走向成熟，开发了新一代的数字蜂窝移动通信系统。由于数字无线传输的频谱利用率高，系统的容量得到大大地提升。除此之外，数字网能够同时提供语音，数据等多种业务。1.2 第一代移动通信技术（1G）在第一代通信技术中，主要采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术。由于传输带宽的限制，此移动技术并不能应用到长途的漫游，仅仅局限于一个区域内部的移动系统。第一代移动通信有多种制式，不同制式采用的标准也不同，具体见下表。表1-1 第一代蜂窝移动通信系统的主要特征及使用地区系统名称(上行/下行频率）/MHz信道带宽信道数地区AMPS824-849/869-89430832美国TACS890-915/935-960251000欧洲ETACS872-905/935-960251240美国NMT-450453-457.5/463-467.525180欧洲NMT-900890-915/935-96012.51999欧洲C-450450-455.74/460-465.7410573西德、葡萄牙RTMS450-455/460-46525200意大利NTT925-940/870-885915-918.5/860-863.5922-925/867-87025/6.256.256.25600/2400560480日本JTACSNTACS915-925/860-870898-901/843-846918.5-922/863.5-86725/12.525/12.512.5400/800120/240280日本而我国当年采用的是TACS。第一代移动通信技术存在着很多不足之处，比如容量小，制式太多并且互不兼容，保密性不够好，通话质量差，无法提供数据业务，无法漫游等。1.3 第二代移动通信技术（2G）第二代的移动通信技术比第一代在性能方面有很大的提升，采用了数字时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。在全球主要有GSM和CDMA两种体制。1992年，欧洲率先开始铺设第一个数字蜂窝移动通信网络GSM，由于其优良的性能，GSM迅速在全球范围内扩张，GSM用户数量曾一度超过全球蜂窝移动系统用户总数的70%。随后美国和日本等国的2G系统也相继投入使用。1993年，美国高通公司推出了CDMA接入技术。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成了从模拟技术向数字技术的转变，但是由于第二代数字移动技术的带宽有限，限制了数据业务的应用，并不能实现高速率的移动多媒体业务。表1-2 第二代蜂窝移动通信系统的基本特征系统名称GSMIS-54PDCIS-95引入年代1990199119931993多址方式TDMATDMATDMACDMA(上行/下行频率)/MHz890-915935-960824-849869-894810-830 1429-1453940-960 1477-1501824-849869-894调制方式GMSKDQPSKDQPSKOQPSK/QPSK载波带宽200kHz30kHz25kHz1250kHz信道速率/(kbit/s)270.848.6421228.8编码方式/码率RELP-LTP/13VSELP/8VSELP/6.7QCELP/81.4 2.5代移动通信技术（2.5G）由于移动数据业务的需求，在短时期内又无法彻底替换第二代移动通信系统，于是在第二代移动通信技术的基础之上，出现2.5代移动通信技术。它是2G迈向3G的衔接性技术。HSCSD，WAP，EDGE，蓝牙，EPOC等技术都是2.5G技术。GPRS技术史中国移动推出的数据业务。这些技术都没有3G快，但是能够满足低速率接入因特网的需求，从而在短时期内解决了移动用户随时上网的需求。1.5 第三代移动通信技术（3G）与前两代移动通信技术相比，第三代移动通信技术有更宽的带宽，其传输速度最低为384K，最高为2M，带宽可达5MHz以上。不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入因特网。第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。但第三代移动通信仍是基于地面、标准不同的区域性通信系统。虽然第三代移动通信可以比现有传输率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通信需求。1.6 第四代移动通信技术（4G）第四代移动通信的概念可称为宽带（Broadband）接入和分布网络，是多功能集成的宽带移动通信系统，其关键技术是正交频分复用（OFDM）、智能天线、多入多出天线（MIMO）、软件无线电等技术。在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不同，将在不同的固定和无线平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，比第三代移动通信更接近于个人通信。以上小节仅对四代移动技术分别做了概述，后续会对每一代技术进行详细介绍。二 蜂窝网络技术概述“蜂窝”一词指示了蜂窝网络的物理结构特点。它是把一大片地理区域划分成一个个小的单元，每一个单元叫做一个小区。每一个小区拥有一个基站，这个基站负责接受和传输在它覆盖范围内的移动站点的信号。而基站覆盖小区的面积考虑了很多因素，例如基站传输能力，移动站点传输能力，小区中建筑的构成，以及基站天线高度等。2.1 多址接入技术多址接入技术指发射站发射的信号可以没有任何干扰的道道接收站。通过发送用频率、时间和码字来区分的载波可以实现多址接入。1. 频分多址接入（FDMA）频分多址是无线网络中最基础的一种多址接入技术。它是把发送和接受的信号的信道按照频率划分成多个区域。当有多个移动设备需要同时发送或者接受信号时，为每一个设备分配一个固定的信道来传输。这样不会引起载波带宽的重叠，频分多址技术不需要协调和同步，但是在接入的设备增多的时候，信道的数量就会满足不了需求。2. 时分多址接入（TDMA）时分多址技术与频分多址很相似，它是把发送的时间按照一定的时间间隔划分成多个区域，每个设备分配一个固定的时间片，所有设备进行轮转发送数据。3. 码分多址接入（CDMA）通过扩频技术，码分多址接入将调制和多址接入结合在一起，以此来获得一定程度的信息效率和保护。最初CDMA是用于军事应用，通过不断的发展和演变，现在已经广泛应用到实际生活中。CDMA在一个频谱拥塞和干扰的环境下也能够保证良好的带宽的服务质量。CDMA技术是在为每一个用户分配一个或一些相互独立的码字，当用户想要发送数据时，发送端会把码字和信号进行混合编码，当接受到数据时，接收端会用码字把信息提取出来。采用CDMA的主要优势是不需要频率复用规划，信道数目相对较多，带宽利用率高，信息保密性好。2.2 蜂窝网络的组成1.移动站（MS）移动站就是我们的网络终端设备，比如我们日常生活中每天使用的手机或者一些蜂窝工控设备。终端设备需要在一个小区内能够和基站相连，然后进行接受和发送数据。2.基站（BTS）基站是无线网络中重要组成部分。一方面，基站通过空中接口提供了与移动设备的物理连接；另一方面，基站通过有线的链接扩展到更加广阔的区域中去。实现与更多的设备互联。3.移动交换中心（MSC）每一个基站与一个移动交换中心相连接，移动交换中心负责多个小区之间的链接的协调，当移动设备需要与超过一个小区以上的设备相连接的时候，移动交换中心就负责在中间建立链接，不仅如此，它还可以把有线用户和无线用户相连。它在蜂窝网络中起到了关键的作用。图2-1 蜂窝网络基础结构2.3 蜂窝网络的几何表示顾名思义，蜂窝网络的几何表示为正六边形，就想蜜蜂的巢穴一样。在正多边形中，能够完整的无重叠的覆盖所有面积的图形有，三角形，正方形，和正六边形，当边长相等的时正六边形的面积最大，因此采用正六边形来表示蜂窝网络。2.4 无线扩展我们今天使用的无线局域蜂窝网络是基于802.11a/b/g标准来实现的，但是他们可以扩展到任何射频技术。因为网络智能保留在了每一个接入点，所以不需要集中式交换机，而只需要智能计入点和网络处理器、交换能力和系统软件。网络在蜂窝结构中相互连接时，首先，节点的自我发现功能必须确定它们是作为无线设备的接入点来服务，还是作为来自另一节点的信息量的骨干网来服务，或者两项功能都具备。其次，单一的节点用发现查询/响应协议来定位它们的邻居。这些网络协议必须简洁，所以不能增加信息流量的负担，即它们不能超过可用带宽的1%到2%。一旦某节点识别出另一个节点，它们会计算路径信息，如接收信号的强度、吞吐量、错误率和遗留的老系统等。这些信息必须在节点之间交换，但又不能占用太多的带宽。基于这些信息，每一个节点都能够选择通向其邻居的最佳路径，从而使每一时刻的服务质量达到最优。网络发现和路径选择的过程在后台运行，这样每一个节点保留现有邻居的列表并不断重新计算最佳路径。因为在维护、重新安排或出故障时，假如一个节点从网络中断开，临近它的节点可以迅速地重新配置它们的信息列表并重新计算路径，以便在网络发生变化时，保持信息流量。这种自我恢复的特性或纠错能力，是蜂窝结构与集线器辐射网络的区别所在。三 第一代蜂窝网络3.1 第一代蜂窝网技术的应用与服务第一代移动通信系统的主要蜂窝系统包括AMPS、NMT、Hicap、CDPD、MOBITEX、DataTac、TACS和ETACS，并且所有1G系统都有两类逻辑信道：业务信道和控制信道。业务信道传输模拟FM电话，同时还传输必要的模拟信令。控制信道分为下行的寻呼信道和上行的接入信道，均传输数字信令。第一代移动通信有代表性的终端设备就是众所熟知的“大哥大”。最先研制出大哥大的是美国摩托罗拉公司的Cooper博士。由于当时的电池容量限制和模拟调制技术需要硕大的无线和集成电路的发展状况等等制约，这种手机只能移动称不上便携。这种手机有多种制式，如NMT、AMPS、TACS，但是基本上使用频分复用方式，只能进行语音通信，收讯效果不稳定，且保密性不足，无线宽带利用不充分。此类手机的通话是锁定在一定频率内的，所以使用可调电台就可以窃听通话。 第一代网络采用了模拟调制、频分多址、蜂窝小区结构和双向信道等技术，在世界各地建立了服务网络，拥有为数众多的用户，直至今天，北美等地区仍在使用第一代网络，可见在一定程度上模拟网络可以提供较好的通信服务，即使在数字技术已经相当成熟的今天，第一代模拟网络还具有一定的吸引力。3.2第一代蜂窝网络的局限性第一代移动通信系统在商业上取得了巨大的成功，但是其弊端也日渐显露出来，如频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、制式太多且互不兼容、保密性差、易被盗听和盗号、设备成本高。体积大。重量大。作为第一代移动通信系统，模拟系统的频谱利用率较低，保密性差，且提供的业务比较单一，难以适应用户的数字业务需求。因此，走向数字化是移动通信发展的必然趋势。由于FDMA技术的每信道占用一个载频，相对宽带较窄，故通常在窄带系统中实现；系统中激战复杂庞大，易产生信道间的互调干扰；可以用带通滤波器来限制邻道干扰；越区切换复杂；模拟调制，故保密性差，容易被第三方窃听；提供业务单一，只能实现话务；受传输宽带限制，不能进行长途漫游；传输速率低，只有1.2kb/s10kb/s。所以，第一代移动通信技术作为20世纪80年代到90年代初的产物已经完成了任务推出了历史舞台。四 第二代蜂窝网络由于第一代蜂窝网络的种种缺陷，以及人们越来越多的开始使用移动电话和网络，寻找一种高效便利的通讯技术显得尤为重要，于是第二代蜂窝网络在这种历史条件下诞生了。4.1 GSM全球移动通讯系统全球移动通信系统（Global System of Mobile communication）就是众所周知的GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球有超过200个国家和地区共计超过10亿人正在使用GSM电话。GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署漫游协定后用户的国际漫游变得很平常。 GSM 较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代 (2G)移动电话系统。1 频道分配目前，GSM通信系统可以采用900 MHz、扩展900 MHz和1800 MHz频段，有些国家也采用1900 MHz频段。所有频段相邻两频道的间隔都为200kHz，并且采用等间隔频道配置方法。2 频率复用目前，GSM网络的覆盖方式采用小区制，即蜂窝系统，它把整个GSM网络服务区分成若干个小区，每个小区设置一个基站，负责本小区移动通信的联络和控制，同时又在MSC的统一控制下实现小区间移动用户的通信以及与市话用户间的通信。在蜂窝系统中，主要通过频率复用来增大系统的容量，即小区之间在间隔足够远的情况下（干扰信号不至于影响有用信号的接收），可使用相同的频率，一般情况下把可用的N个频道分成F组，依次把F组频道分配给相邻小区使用。其中每个小区的频道数约为N/F个，如果采用全向型天线，通常在每个小区的中心位置设立一个基站，称为O型站点；如果采用定向扇型天线，则通常在三个小区的交叉点上设立一个基站，称为S型站点，该站点覆盖相邻的三个小区。下图为频率复用示意图。图4-1 频率复用示意图3 非持续发送 非连续发送方式DTX（Discontinuous Transmission）：在话音激活期进行13 kbps编码，在话音非激活期进行500 bit/s编码，每480 ms传输一个舒适噪声帧（每帧20 ms）。这样做有两个目的，一是降低空中总的干扰电平，二是节约发射机的功率。DTX模式与普通模式是可选的，因为DTX模式会使传输质量稍有下降。4 GMSK调制GMSK是一种特殊的数字FM调制方式。调制速率为270.833千波特。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK（最小频移键控）。在GSM中，使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱。它可以降低频率转换速度。5 信道编码与交织 信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰对信号产生不良影响。信道编码采用专门的冗余技术，在发送端按一定的规律插入冗余位进行编码，接收端的解码过程利用这些冗余位检测误码并尽可能地纠正错误，恢复出原始的发送信息。GSM中使用的编码方式有卷积码和分组码，在实际应用中是把这两种方式组合在一起使用。交织实际上是把一个消息块原来连续的比特按一定规则分开发送传输，即在传送过程中原来的连续块变成不连续，然后形成一组交织后的发送消息块，在接收端对这种交织信息块复原（解交织）成原来的信息块。采用交织技术后，如果传送过程中某块消息丢失，在恢复后实际上只丢失每个信息块的一部分，而不至于全部丢失，采用编码技术后就很容易恢复那些被丢失的消息。6 加密与解密GSM系统可以提供加密措施。这种加密可以用于语音、数据和信令，与数据类型无关，只限于用在常规突发脉冲上。加密通过一个加密序列（由加密密钥Kc、帧号通过A5加密算法产生）和常规突发脉冲之中的114个信息比特进行异或操作得到。在接收端采用相同的序列，与加密序列进行异或操作便可得到原始发送数据。7 跳频 跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种序列进行跳变。控制和信息数据经过调制后成为基带信号，送入载波调制，然后载波频率在伪随机码的控制下改变频率，这种伪随机码序列即为跳频序列。最后再经过射频滤波器送至天线发射出去。接收机根据跳频同步信号和跳频序列确定接收频率，把相应的跳频后信号接收下来，进行解调。跳频技术实际是避开外部干扰，使之跟不上频率的改变从而避免或明显降低同频道干扰和频率选择性衰落。而增加跳频数是因为跳频系统的增益等于跳频系统的频带宽度与N个最小跳频间隔的比值，所以增加跳频可使跳频增益提高。通常的跳频数应大于3。如果跳频系统再加上频率的分集，若干组跳变频率同时传送一个信息然后用大数判定定律更有效地判决信息，则可使更多用户同时工作而相互干扰最小。8 功率控制在无线传播上对手机或基站的实际发射功率进行控制，以尽可能降低基站或手机的发射功率，这样就能达到降低手机和基站的功耗以及降低整个GSM网络干扰这两个目的。4.2 IS-95系统1992年3月，TIA委派TR-45小组制定了一个扩频数字蜂窝系统标准。1993年7月，TIA批准了CDMA IS-95标准。IS-95主要是一个无线接口标准，基于IS-95无线接口标准的蜂窝网络可以使用像D-AMPS之类的网络标准，这在IS-95网络中是很普通的，需要强调的是IS-95可以同样用于像GSM一样的网络，所不同的仅仅是无线接口不一样。4.3 GPRS全球移动通讯系统GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线业务。GPRS是在GSM Phase2+阶段引入的分组型数据业务，为用户提供端到端的基于分组交换和传输技术的移动数据业务。可有效地利用无线资源和网络地面资源，特别适合于长时间、小流量的突发数据业务。GPRS的主要特点有：（1）与IP无缝连接GPRS的核心网络层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接。（2）高速率借助于多时隙绑定和高速编码方案，GPRS第一阶段采用CS1和CS2编码方案，可提供高达115 kbps的接入速率，在GPRS第二阶段采用CS3和CS4编码方案，速率可提至171 kbps。（3）技术成熟 GPRS传输协议平台划分为多个层次，便于不同层次的管理和维护，就想因特网中的传输平台分层一样。如图4-2所示。4.3.1 GPRS隧道协议（GTP）GPRS骨干网中GSN间的用户数据和信令利用GTP进行隧道传输。所有的点对点PDP协议数据元（PDU）将由GTP协议进行封装。GTP是GPRS骨干网中GSN节点之间的互联协议，它是为Gn接口定义的协议。在GSM09.60中对GTP作了规范。4.3.2 TCP在GPRS骨干网中需要一个可靠的数据链路（如X.25）进行GTP PDU的传输时，所用的传输协议是TCP协议。如果不要求一个可靠的数据链路（如IP），就使用UDP协议来承载GTP PDU。TCP提供流量控制功能和防止GTP PDU丢失或破坏的功能。UDP提供防护GTP PDU受到破坏的功能。图4-2 GPRS传输协议平台4.3.3 IP这是GPRS骨干网络协议，用以用户数据和控制信令的选路。GPRS骨干网最初是建立在IPv4协议基础上的，随着IPv6的广泛使用，GPRS会最终采用IPv6协议。4.3.4 子网相关融合协议（SNDCP）这个传输功能将网络级特性映射到底层网络特性中去。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定TCP/IP地址和加密方式。在SNDC层，移动台和SGSN之间传送的数据被分割为一个或多个SNDC数据包单元。SNDC数据包单元生成后被放置到LLC帧内。SNDCP在GSM04.65中有说明。4.3.5 逻辑链路控制（LLC）LLC是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议，能够提供高可靠的加密逻辑链路。LLC层负责从高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧。另外，LLC可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。LLC独立于底层无线接口协议，这是为了在引入其他可选择的GPRS无线解决方案时，对网络子系统NSS的改动程度最小。GSM04.64对LLC进行了规范。4.3.6 中继转发（Relay）在BSS中，这项功能中继转发Um和Gb接口间的LLC PDU，在SGSNN中，这项功能是转发Gb和Gn接口间的PDP PDU。4.3.7 GPRS基站系统协议（BSSGP）这个层用来传输在BSS和SGSN之间与选路服务质量有关的信息。BSSGP没有纠错功能。GSM08.18对BSSGP进行了规范。4.3.8 网络服务（NS）这个层传输BSSGP PDU。NS以BSS和SGSN之间的帧中继连接为基础，而且有多跳功能，并能横贯有帧中继交换节点的网络。GSM08.16对NS进行了规范。4.3.9 无线链路控制（RLC）/媒体访问控制（MAC）这个层具备两个功能：一是无线链路控制功能，它能提供一条独立于无线解决方案的可靠链路。二是媒体访问控制功能，它的主要作用是定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。MAC除了控制着信令传输所用无线信道外，还将LLC帧映射到GSM物理信道中去。GSM04.60对RLC/MAC进行了规范。4.3.10 GSM RFUm接口的物理层为射频接口部分，而逻辑链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。GSM空中接口的载频带宽为200 kHz，一个载频分为8个物理信道。如果8个物理信道都分配为传送GPRS数据，则原始数据速率可达200 kbps。考虑前向纠错码的开销，最终的数据速率可达164 kbps左右。GPRS应用4.4 GSM应用1 GPRS在远程数据采集中的应用下图以单个数据采集模块为例，描述了数据经数据采集模块采集后，通过GPRS无线网络和Internet进行传输，最终到达数据采集服务器的通讯过程。图4-3 GPRS 远程数据采集结构图具体通讯步骤如下：数据采集模块采集所需的数据，传送到GPRS模块； GPRS模块负责对数据进行TCPIP协议转换，再以GPRS数据包的形式发送至GPRS无线基站；数据由GPRS无线基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN)；(至)SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信，GGSN将数据进行相应处理后发送到Internet采用防火墙在Internet和数据采集服务器之间进行隔离，保证数据的安全性。数据采集服务器接入Internet，接收传回的数据。 GPRS模块和数据采集服务器必须至少有一方能够事先确定另一方的P地址。在实际应用中，可以使用公网静态m、动态域名解析、SMS通讯、APN专线接入等组网方案。根据用户需求和应用环境的不同，可以选择合适的方案进行组网和规划。在实际应用中，需要采用心跳、掉线参照等机制来解决可能造成传输失败的种种问题，确保网络传输的可靠性。心跳机制是测试服务器和GPRS模块之间通路的一种手段。启用心跳设置，模块上线后，在运行期间按照一定的时间间隔定时发送数据包，任何一方接收到对方的心跳后，都原样返回。这样可以使模块自身的优先级不被降低，保持长时间在线。如果超过时间没有收到心跳，则重新启动模块，接入GPRS网络。 掉线参照是给终端提供测试是否发生无线掉线的手段。采用掉线参照机制，可以选择GPRS网络内部的网关或路由器作为无线参照点，测试时使用ICMP协议中的PING操作。启用掉线参照设置，模块上线后，会自行依照设定的周期PING参照点，并通过测试结果确定是否进行掉线复位处理。2 防盗追踪系统防盗追踪系统作为一套完整的基站设备防盗解决方案，其主要功能有远程防盗监控及报警，被盗设备的追踪定位，定时采集和上报设备数据信息，系统软件的远程升级与维护等几项功能。整个系统分为 server 和 client 两部分，client 端即为本课题要设计的防盗追踪系统，通常被安装在各个基站的设备上，实现对设备的防盗追踪功能。Server端即为用户的集中管理端，所有的client都上报信息到此server，用户通过此server能统一管理各个基站的 client。每个具有 GPRS 功能的 client 通过无线接入 GPRS 网络，并有自己的唯一的 ID 号，GPRS 网络与 Internet 相连，从而处于 Internet 上的 server 能够集中管理这些 client。防盗追踪系统具有防盗监控以及定位追踪两项功能。作为一个能独立工作的嵌入式系统，防盗追踪系统采用独立的电池供电，并且采用电池计量芯片测量系统的剩余电量，并向用户报告耗电情况，提醒用户及时更换电池。在防盗监控方面，系统主要是通过本身集成的重力加速度传感器来获取设备受到加速度的变化，并通过一系列的算法，来判断设备是否被盗，一旦检测到目标有被移动的行为，立即向用户通过 GPRS 发送被盗警报，提醒用户作出下一步行动。追踪定位功能则是指用户在得知设备被盗后，通常来不及做出及时的制止，在设备被挪动到另外一个地方的时候，启动系统所具有的 GPS 功能，对被盗的设备进行追踪定位，以便于用户找回被盗设备。防盗追踪系统的硬件结构框图如图所示。图4-4系统硬件结构框图系统的数据流如下图所示，传感器实时侦测设备的动作，一旦设备发生位置移动，立即产生一个中断信息给处理器，处理器接收到信息后，再启动 GPRS模块，把被盗警报往上发给上位机，通知用户设备发生被盗。用户在接收到此报警信息后，再通过上位机向信息来源端发送控制指令，决定是否启动 GPS 的追踪定位功能。处理器接收到指令后，启动 GPS 模块，并接收 GPS 传过来的位置信息，处理器接收并处理这些信息，并通过 GPRS 模块发送至 Internet 上，位于Internet 上的上位机能够获取上传的位置信息，从而实现追踪定位的功能。图4-5 系统总体结构框图五 第三代蜂窝网络第二代蜂窝网络目前虽然可以满为人们通信，接入因特网等需求，但是由于其带宽以及速度的限制，满足不了越来越多的需求，于是第三代蜂窝网络应运而生。5.1 第三代蜂窝网络特点了满足当今对于第三代通讯网络系统全球化、综合化和个人化等需求，与第二代相比第三代蜂窝网络系统主要具有以下特点：1. 支持移动多媒体业务。2. 高频谱效率。3. 高保密性、低成本、低功耗和小体积。4. 全球范围无缝漫游系统。5. 带宽CDMA技术。6. 从电路交换到分组交换。7. 微蜂窝结构。8. 高服务质量。5.2 第三代蜂窝网络的主流技术带宽CDMA技术是第三代蜂窝网络的主要技术，其中主流技术是日本与欧洲的带宽CDMA标准WCDMA，美国的CDMA2000和中国的TD-SCDMA三种。这三种技术都采用的CDMA技术，各有优劣，总体水平相当。WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大技术标准的比较如表5-1所示。表5-1 3G的三大主流技术标准比较WCDMACDMA2000TD-SCDMA最小带宽要求5MHz1.25MHz整数倍1.6MHz双工方式FDD/TDDFDDTDD扩频技术类型单载波和带宽DS多载波和带宽DS时分同步CDMA码片速率3.84Mcps1.2288Mcps1.28Mcps基站同步 异步（不需GPS）同步（需GPS）同步（主从同步）帧长10ms20ms10ms调制方式（正/反）QPSK/BPSKQPSK/BPSKQPSK/8PSK同步检测与导频信令相干与导频信令相干与导频时隙切换软切换软切换接力切换功率控制速度1500Hz800Hz1400Hz5.3 WCDMA 系统结构与主要技术WCDMA延续了原有的GSM蜂窝网络体系结构，原来二代的运营商可以使用原有的核心网络，在无线部分使用WCDMA，这样很轻松就升级到第三代。同时GSM在第二代蜂窝网络在全球约70%的市场份额，因此有较好的业务和市场延续性。如图1所示，WCDMA的系统结构由用户设备（UE）、UMTS地面无线接入网（UTRAN或RAN）和核心网（CN）三部分组成。图5-1 WCDMA系统结构WCDMA技术使用的频段一共120MHz，上下行各60MHZ：上行（19201980MHz）和下行（21102170MHz）。WCDMA技术在与其他两个技术标准的市场竞争中，在运营商的数量上取得了胜利。然而，其网络所支持的数据速率却长期停留在理论上的384kbps的水平，这速率不能很好的满足许多对于流量和延时要求较高的业务（视频、流媒体和下载等）的需求。这无法与CDMA2000 1X EV-DO的2.4Mbps的峰值速率和300kbps500kbps宽带服务的平均下载速率相媲美。HSDPA（高速下行分组接入）技术提高了WCDMA网络的下行数据传输速率，其理论最大值为14.4Mbps。HSDPA不但支持高速不对称数据业务，还大大增加了网络容量，该技术是WCDMA网络建设中提高下行容量和数据业务的一项重要技术。数据业务与语音业务具有不同的业务特性。一般的语音业务对于语音通讯的延时敏感性比较高，通讯速率的恒定性要求高，然而对于通讯的误码率要求较低。数据业务与之相反，容忍延时和通讯速率的变化，但是对于误码率比较敏感。因此，HSDPA参考了CDMA2000 1X的EV-DO机制，充分考虑到数据业务的特点并采用了一些关键技术。WCDMA的HSDPA的关键技术主要有以下几点：1. 快速链路调整技术-自适应调制和编码（AMC）。语音通讯系统通常采用功率控制技术以抵消信道衰弱对于通讯速率的影响，以保证稳定的速率。HSDPA不是去改善信道状况，而是根据信道的情况动态调整通讯速率。因此，链路层调整单元能够快速检测信道的变化情况，并针对不同的状况采用相应的编码调制方案来实现通讯速率的调整。2. 结合软合并的混合和重传（HARQ）技术。HARQ技术把前馈纠错（FEC）和ARQ方法结合起来，保存先前的尝试失败的信息，以用于之后的数据解码中。3. 集中调度技术。集中调度技术是决定HSDPA性能的关键因素。集中调度机制使系统能够根据所有用户的情况来决定每个用户如何使用信道，使得信道总是被与其状况相匹配的用户使用，以获得最大限度的信道利用率。5.4 CDMA2000概述与移动IP技术CDMA2000是一种兼容IS-95的宽带CDMA技术。在从IS-95向CDMA2000过度是采用码聚集技术，由原来的一个用户分配单码道变成一个用户分配多个码道（多达8个码道）以提高传输速率并实现上下行的不对称数据传输。其过度过程分成三个阶段：第一阶段、由IS-95B向CDMA2000 1X过渡；第二阶段、由CDMA2000 1X向CDMA2000 1X EV-DV过渡；第三阶段、由CDMA2000 1X EV-DV向CDMA20003X过渡。CDMA2000 1X的移动IP是为了解决因特网中节点的移动性而引入的IP协议。移动IP主要由移动节点（MN）、本地代理（HA）和外地代理（FA）三个功能实体组成。HA和FA通过广播消息向MN告知它们的存在，MN通过收到的广播消息来确定自己所处的网络。当MN确定自己所处的网络从本地网移动到外地网时，MN将通过在外地网获得的转交地址（转交地址可能从FA的广播消息中获得或者其他的地址分配机制获得）向HA进行注册；当MN确定自己所处的网络从外地网返回到本地网时，MN直接用本地网地址向HA进行注册。所有目的为MN的分组数据都首先传送给HA，HA在根据注册信息确定MN所处的网络，若MN在本地网，则正常转发；若MN在外地网，则根据转交地址使用隧道技术转发给MN。MN发送的分组数据直接根据标准的IP路由，不需要经过HA。在HA与处于外地网的MN通讯时，可以不通过FA也可以通过FA。MN主动向HA注册，告知其所在网络，因此HA知道MN所在的实际网络。所有想要与MN通讯的其他节点由于不知道MN的实际所在网络，都只能将数据分组发送到MN的HA，先经MN的HA再与MN通讯，这样就解决的MN的移动问题了。5.5 TD-SCDMA信道分配和可用频段TD-SCDMA是中国历史上第一个具有自主知识产权的国际通信标准，其采用了时分多址复用（TDMA）和时分双工技术（TDD）、软件无线电、智能天线和同步CDMA技术。TDD技术使TD-SCDMA频谱分配更容易，而且时隙调配灵活，在提供上下行非对称的高速数据通讯有较大优势。智能天线和多用户检测等新技术也提高了无线频谱的利用率。TD-SCDMA可以通过调整正向和反向时隙的数量比例来实现各种业务上下行不对称的数据通讯。如图2为TD-SCDMA的灵活分配正反向话务信道的示例图。图5-2 话务信道分配示例中国的频率分配与TD-SCDMA的可用频段如图5-3所示：图5-3 TD-SCDMA的可用频段其中，频段A：1880-1920MHz，按照每波道1.6MHz可提供25个频道；频段B：2010-2025MHz，按照每波道1.6MHz可提供9个频道。还有一个补充频段C：2300-2400MHz，按照每波道1.6MHz可提供62个频道。5.6 第三代蜂窝网络的关键技术第三代蜂窝网络的关键技术与挑战主要有以下几点：1. 信道编码技术。如何设计与选择效率高、编码增益高、算法简单、低延时、对同步要求不过高的信道编码技术。2. 克服多径影响。3. 多速率匹配。不同的信号速率采用相应的RF信号码片与之适应。4. 同步技术。实现可靠的帧同步、符号同步、扰码同步和PN码同步。5. 多用户检测技术。用算法来消除多个用户之间的相互干扰。5.7 第三代蜂窝网络技术的应用5.7.1 蜂窝网络无线定位随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。利用移动蜂窝网络对移动台定位的方法主要有三类：1. 基于电波场强的定位技术；电波场强定位技术主要依据电波场强度与传播距离的平方成反比，因此，通过检测接受到的信号强度，在根据发射信号的初始值和电场信号衰落模型就可以计算出移动发送节点到信号接收基站的距离。根据三个或三个以上的基站所计算出来的距离值和参与定位基站的物理坐标就可以计算出移动节点的物理坐标。这种技术简单易行，但是精度有一定局限性，多用于精度要求不高的场合。其精度的局限性主要由于受到天线的安装可能倾斜、基站的扇形特性、无线电系统的变化以及物理环境、车辆等诸多因素的影响，很难建立精确反映服务范围内无线电波的传播模型造成的。2. 基于电波到达入射角（AOA）的定位技术；AOA技术的实现主要依赖与阵列天线的使用。无线电波从移动节点发出到达基站时，利用基站上安装的阵列天线能够检测出无线电波的入射角，这样就构成了从基站到移动节点的径向连线（测位线），通过计算出两个或两个以上的基站测位线的交点就能获得移动节点的坐标。这种方法不会产生定位的模糊性，精度较高，但是AOA技术要求每个基站都需要安装阵列天线，大大增加了网络建设费用。AOA技术的优点在于仅需要两个基站参与定位就能实现移动节点的定位功能。但是，当移动节点离定位基站较远时，基站定位角度的微笑偏差也会导致定位距离的较大误差。3. 基于电波到达时间（TOA）或到达时间差（TDOA）的定位技术。电波到达时间或到达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统应用最广泛的一项技术。电波到达时间定位技术通过测量目标移动节点发出的无线电波信号直线到达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度可以计算出目标移动节点与基站之间的距离，即移动节点位于以基站为圆心的传播距离为半径的圆上，根据至少三个基站的园的交点，就能定位移动节点的物理位置。但是，这种技术要求基站知道移动节点发送信号的时间，并且要求基站与移动节点有非常精确的时钟与时钟同步技术。为了克服TOA技术的这一缺点，提出了基于到达时间差的定位技术。TDOA技术它是通过测量移动节点的信号到达两个基站的时间差来实现移动节点的定位的，这就大大降低了时间同步的要求。TDOA技术中移动节点位于以两个基站为焦点的双曲线上，通过建立至少三个双曲线方程，通过求解即可获得移动节点的物理坐标。以上两种技术只要求基站能够计算出信号到达时间或时间差，无需对原有网络设备进行大规模的改造就能够实现对移动节点的精确定位，成为蜂窝网络无限定位的研究重点。其中，TruePositon公司所提供的40米精度的定位业务就是采用了U-TDOA定位技术。由于移动通信系统的通信环境复杂多变，因此各种依赖于通信信号测量的定位技术都受到各中因素的影响。影响定位精度的主要因素有：1. 多径传播；2. NLOS传播；3. CDMA多址接入干扰；4. 参与定位的基站数；5. 几何精度因子。5.7.2 基于3G的安防系统在安防系统中引入3G技术，能够大大方便和有效的帮助我们对家庭或者企业进行安全监控。在家庭或者企业需要监控的地方安装3G网络摄像机，使3G网络摄像机通过3G无线上网接入3G网络（TD-SCDMA、WCDMA或CDMA2000），用户可以轻松的实现随时随地的查看监控视频。与传统的IP接入的不同之处，也是优势在于用户可以使用手机通过高速的3G网络来实时查看现场视频。而传统的网络监控则需要用户必须坐在监控终端或者电脑前面，基于3G的安防监控相当于给用户提供了一个小型的移动监控终端。图5-4为基于第三代蜂窝网络（3G）的安防系统示意图：图5-4 基于3G安防系统示意图5.7.3 医学影像远程服务随着社会的发展，人们对于健康的关注也越来越多。然而，在一些偏远地区、农村和一些小城市的医疗资源相对匮乏，特别是各个医疗领域的专家都集中一些大城市。基于第三代蜂窝网络的“医学影像远程服务”能够使医疗资源共享，扩大专家技术的辐射范围，提高基层医疗水平，使国家医疗技术资源全社会共享，使“人人享有平等医疗”成为现实。3G网络给“医学影像远程服务”提供高速的网络多媒体传输，再加上分布式数据管理和集成信息平台，为医患之间提供高质量的无损坏的医学影像传输。只要在有3G网络覆盖的城乡或农村，通过手机就能与专家进行交流，除了文字和语音的沟通，医生更能通过患者实时视频来做出更精确的诊断。六 第四代通信网络技术4G通信技术的日新月异，的确给我们带来了不少享受。随着数字通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据，移动计算及移动多媒体运作