（通信与信息系统专业论文）基于tdcdma的无线pos专用系统通信协议设计与性能分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着我国国民经济的不断发展，银行业务已向金融电子化方向迈进。与 此同时，通信技术的不断发展也使得无线网络和有线网络正快速实现无缝融 合，从而为用户提供随时随地随意的接入。无线p o s 支付系统由于其组网迅 速，移动性强，正日益受到人们的青睐，成为商家的一种选择。但无线通信 过程中的高误码率、大传播时延等缺陷，也使得有线互联网络的成熟技术在 无线环境中的应用遇到了极大的挑战。 传统的p o s 交易系统采用传统的传输协议，造成了p o s 数据传输的交 易时间长、传输可靠性不高、带宽利用率低的现状，本文根据无线p o s 交易 系统的特性，在保证传输可靠性的条件下，设计了此系统专用的通信协议一 w p t p ( w i r e l e s sp o st r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ，提高了带宽的利用率，有效的利用了 有限的无线资源。 本文首先介绍了无线p o s 系统的研究现状以及本课题的项目背景以及 研究目的。其次，从无线p o s 专用系统需求入手，分析了系统的性能指标， 对系统做了总体的设计，说明了无线p o s 系统的多址方式、双工方式、信道 分配方式以及地址码的选择。然后，针对专用系统自身的特点，从时隙的划 分、报文的设计、传输流程以及差错控制方面设计了无线p o s 系统专用协议 - - w p t p 协议。同时为了保证系统的可靠性，减少数据包的重传概率，设计 了系统的纠错编码一采用r s ( 3 1 ，2 5 ) 和c r c 1 6 的混合纠错方案。最后介绍 了n s 2 网络仿真工具，并用分层实现的方式给出了在n s 2 中如何实现w p i p 协议的步骤。仿真的结果表明，由i 于w p t p 协议的纠错功能，使得无线信道 上重传包的数量大大减少。在相同的时间里，传输的有效数据几乎是使用t c p 协议的三倍，从而提高了带宽的利用率，节约了宝贵的无线资源；同时，仿 真证明，w f r p 协议达到了系统误码率的指标。 关键词：无线p o s ；传输控制协议；w p t p ；纠错编码；n s 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，t h em e c h a n i c so fb a n k i n g i n d u s t r y s t a r t st om a k e g r e a t s t r i d e st o w a r d st h e d i r e c t i o no ff i n a n c i a l c o m p u t e r i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ew i r e l e s sn e t w o r ka n dt h ew i r e dn e t w o r k w i l la l s or e a l i z et h es e a m l e s sf u s i o n ，w h i c hw i l lp r o v i d eo p t i o n a la c c e s sf o rt h e u s e r sa n y t i m ea n da n y w h e r e n es y s t e mo fw i r e l e s sp o s ，w h i c hi sc h a r a c t e r i s t i c o fr a p i da s s e m b l ya n ds t r o n gm o b i l i t y ，r e c e i v e sp e o p l e sf a v o rd a yb yd a ya n d b e c o m e sab e t t e ro p t i o nf o rb u s i n e s s e s b e c a u s eo ft h eh i g he r r o rr a t ea n dt h e d e l a yo ft r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h e r ew i l lb ea ne n o r m o u s c h a l l e n g e f o rt h e a p p l i c a t i o n o ft h em a t u r et e c h n o l o g yi nt h ew i r e l e s s e n v i r o n m e n t n et r a d i t i o n a lp o st r a n s a c t i o ns y s t e mu s et h et r a d i t i o n a lt r a n s f e rp r o t o c o l ， w h i c hh a sr e s u l t e di nal o to fq u e s t i o n ss u c ha sw o r k i n gf o ral o n gt i m e 、l o w r e l i a b i l i t ya n dl o wb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n t h i sp a p e r ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h et r a d i n gs y s t e m ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so fr e l i a b i l i t y ，d e s i g n san e ws p e c i a l c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l - w i r r p ( w i r e l e s sp o st r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ，t oi n c r e a s e t h eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n , a n dm a k et h ee f f e c t i v eu s eo ft h el i m i t e da n dv a l u a b l e w i r e l e s sr e s o u r c 宅 i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yi n t r o d u c e s t h es t a t u so ft h ew i r e l e s sp o ss y s t e ma n d g i v et h ep u r p o s eo ft h es t u d y s e c o n d l y ，f r o mt h ea s p e c to fs y s t e mp e r f o r m a n c e ， g i v ea no v e r a l ld e s i g no ft h ew i r e l e s sp o ss y s t e m s ，e x p l a i nt h em u l t i p l ea c c e s s ， d u p l e xm o d e ，c h a n n e ld i s t r i b u t i o nm e t h o d sa n dt h ec h o i c eo fc o d eo ft h ew i r e l e s s p o ss y s t e m t h i r d l y ，d e s i g nt h ed i v i s i o no fs l o t s 、m e s s a g ef o r m a t s 、t r a n s m i s s i o n f l o w sa n de l r o rc o n t r o lm e t h o do ft h ew i r e l e s sp o ss y s t e m a n dt h e n ，i no r d e rt o r e d u c e t h e p r o b a b i l i t y o f p a c k e tr e - t r a n s m i s s i o n ，d e s i g n t h em i x e d m e t h o d r s 0 1 ，2 5 ) a n dc r c - 1 6f o re r r o r c o r r e c t i n g f i n a l l y ，i n t r o d u c en e t w o r k s i m u l a t i o nt o o l - n s 2 ，a n dg i v et h es t e p so fh o wt os i m u l a t ew p t pp r o t o c o lb ya l a y e r e da p p r o a c h 。s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，b e c a u s eo ft h ee r r o r c o r r e c t i n g 亘童奎道盔兰堕主塑窒生堂焦迨塞： 蔓! ! ! 夏 - _ i _ _ _ i _ _ _ - _ l _ - _ l - _ _ _ _ l _ - _ _ _ _ - _ - _ - _ i _ 。_ - l _ - 。- _ _ - 。_ _ 。_ 。_ _ 。_ 。一一一 f u n c t i o n si nw p t p ，t h er e t r a n s m i s s i o no fp a c k e t sh a v e b e e ns i g n i f i c a n t l y r e d u c e di nt h ew i r e l e s sc h a n n e l ，a tt h es a m et i m e ，e f f e c t i v ed a t aw h i c hh a sb e e n s e n tb yw p t pi st h r e et i m e sa sm a n y 弱s e n tb yt c p t h e r e f o r ew p t pi m p r o v e d t t l eu t i l i z a t i o no fb a n d w i d t h ，a n ds a v e dt h ev a l u a b l ew i r e l e s sr e s o u r c e s a tt h e s a m et i m e ，s i m u l a t i o nr e s u l t st e s t i f yt h a tt h ew p 四p r o t o c o lh a sa c h i e v e dt h e t a r g e tb e ro ft h es y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s sp o s ；t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l ；哪：e r r o rc o r r e c t i o n c o d i n g ：n s 2 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索。可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作砉签名：p 碌羽素 指导老师签名糊， 日期：加易工f c j日赢) o 唱5 吻 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 成都东泰金网公司提供了3 3 6 3 4 4 m h z 的带宽，要求设计和实现无线 p o s 专用通信系统。本文根据无线p o s 交易系统的特性，在保证传输可靠 性的条件下，设计了此系统专用的通信协议- - w f i p 协议。从系统的多址 方式、双工方式、信道分配方式以及地址码的选择等方面对无线p o s 专用 系统进行了总体设计：完成了时隙的划分、数据报文的设计、确认报文的 设计以及确定了系统的传输流程；采用了前向纠错和反馈重传的机制作为 系统的纠错手段，设计了r s ( 3 1 ，2 5 ) 坌q 错码和选取了c r c - 1 6 检错码，并将 编码解码模块成功的嵌入n s 2 中。仿真的结果表明，w p t p 不仅达到了系 统误码率的要求，而且使得无线信道上重传包的数量大大减少。在相同的 时间里，传输的有效数据几乎是使用t c p 协议的三倍，从而提高了带宽的 利用率，节约了宝贵的无线资源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 p o s ( p o i n to fs a l e ) 即销售终端，是利用银行卡进行支付的一种终端设 备。p o s 系统是信用卡社会应用非常普及的支付设备。最初在美国应用，已 经有六十多年的发展历史，截至2 0 0 6 年在美国运行的p o s 机已有2 0 0 0 万台。 在欧洲，p o s 最早在法国( 1 9 7 4 年) 诞生，截至2 0 0 6 年法国拥有1 2 0 万台 p o s 机【1 】。国内的的第一张银行卡于1 9 8 5 年发行，伴随着p o s 机的诞生， 经过将近2 0 年的发展，p o s 系统已由最初的手工操作历经联机处理、区域 联网处理，利用公用数据通信网络( p s t n ) 、x 2 5 、d d n 网络实现全国联 网处理阶段。银行卡在中国现在的支付体系中扮演的角色越来越重要，并已 有了一定的市场规模，但整体普及程度与欧美、日本甚至东南亚国家和地区 相比都有较大的差距【2 】。 近年来，随着中国经济的不断发展，中国国内的消费总量年年都在不断 攀升。截至2 0 0 6 年底，全国可以受理银行卡的特约商户4 3 万家，布放p o s 机7 9 万刽引。2 0 0 6 年银行卡总交易金额5 9 万亿元，其中消费交易额2 万亿 元。随着消费观念的不断更新，旅游业的不断开放，国内消费总量更是随着 经济的发展不断的增加，今年将举行的北京奥运会更是对中国经济，特别是 卡消费市场的巨大考验，同样也是一次发展良机。各金融行业更是会以此为 契机，不断发展各自的银行卡业务，争夺持卡消费市场。卡消费市场很大一 部分即为p o s 消费，因此系统能否提供高效便捷的服务便成为了重中之重。 我国各商业银行己经建立起了各自传统的借助有线电话网接入的p o s 系统，但随着客户资金转账、结算、支付量不断增加和需求的日益多样化， p o s 系统有线接入的缺点进一步呈现出来，主要表现在： ( 一) 系统的可靠性较差 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 由于电话网是为传送话音而设计的，它的传输误码率为l x l 0 4 1 ，传输 质量较差，不符合对数据传输要求较高的银行业务。 ( 二) 系统的保密性差 电话网是一个开放的网络，很容易遭到“入侵 。 ( 三) 交易时间长 p o s 交易时间大致分两部分：通信和主机处理。后者的速率可以靠升级 主机、改进软件来提高。这方面各厂商已经竭尽全力，改进余地不会很大。 而速度慢的真正瓶颈在于通信。p o s 通过拨号上送数据，首先需要m o d e m 建立连接，这个时间大概在1 0 , - - , 2 0 秒( 采用“快速握手升技术也至少需要5 秒左右) 。因此每笔交易2 0 - - - 3 0 秒不等，甚至更长【5 1 。 ( 四) 接通率低、重拨现象明显 电话网本身的接通率平均就只有5 5 ，授权中心的电话中继线及商场电 话小交换机的出口中继线路均是点到点拨号p o s 的瓶颈，而且p o s 机与商 场的业务电话是混用的，这就使p o s 机在拨外线时发生困难，直接影响交易 时间及交易质量。 目前采用有线接入方式的p o s 机主要部署在大型宾馆、商场和超市，而 在其它小型宾馆、超市、餐饮店、展览会和广大的农村市场等场所，由于受 到场地和有线通讯线路的限制，使得有线接入方式的p o s 机无法灵活部署， 持卡消费就更难以实现。 鉴于上述原因，无线p o s 接入方式为p o s 业务的延伸和扩展，提供了很 好的解决方案。它在原有p o s 终端的基础上，利用g p r s 、c d m a 等无线通信 平台，建立移动的商务模式系统，开展无线p o s 业务具有如下优势【6 】： ( 一) 移动性强 由于无线p o s 通过无线网络来传输数据，所以只要是网络覆盖到的地方 均可使用，不受地点、电话线的限制。另外，无线p o s 体积小巧，方便携带， 使商户由柜台服务变为移动服务，使消费者充分感受到刷卡消费的方便、时 尚和快捷。 ( 二) 容易安装，操作简便 由于无线p o s 无需使用电话线，所以免去了以往需要技术人员到现场安 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 装调试的麻烦。而且，很多无线p o s 采用了菜单式操作，简单明了，基本无 需对使用者进行培训。 ( 三) 网络的可扩充性 由于无线p o s 不需要电话线，商户可依据自身业务的发展需要随时增加 p o s 的数量，而无需考虑自身电话线路的容量。 ( 四) 通信费用更低 一般g p r s 、c d m a 采：用流量计费或者费用包月的方式结算，节省了商户 通信费用，受到了商户的欢迎。 ( 五) 应用范围广泛 无线p o s 为商户提供了便捷的结算工具和结算方式，是酒店、宾馆、商 场、航空、移动售货、物流配送结算的最佳选择。 由于g p r s c d m a 无线网络有着“无缝覆盖”的强大优势，摆脱了传统 p o s 终端受电源和电话线的制约，使“银行卡在有g p r s c d m a 通信信号的 地方就能实时进行交易 的构想成为现实。这不仅为用户提供了便捷、可靠、 多功能、低成本的移动支付解决方案，而且为银行提出了中间业务的新思路， 随着中国银行卡产业的发展，利用无线技术发展p o s 系统将会有广阔的应用 空间。文献【7 1 4 】论述了无线p o s 组网或接入的解决方案，以及无线p o s 系 统的设计与应用等等，其中【1 0 1 2 是基于g p r s 网络的方案，【1 3 1 4 】是基于 c d m a 网络的方案。从研究的大体状况来说，都是为了改造现有的有线p o s 所提出的在无线环境中的一些网络规划、实现方案、终端软硬件设计等等。 1 2 项目背景与研究目的 目前的无线p o s 系统除了银行端的专线接入外，是在现存的公共网络上 进行无线数据的传输，无法适应各个专用系统独有的特点。无线p o s 交易系 统是一个金融相关的专用系统，具有很强的特殊性。用户从划卡开始到交易 结束，期间等待数据的传输、等待银行的认证和处理，这个过程一直建立信 道的连接而不能释放，尤其在用户使用的高峰期，将导致信道长时间等待而 处于空闲状态，这对宝贵的无线资源是一种极大的浪费。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 成都东泰金网公司提供了3 3 6 3 4 4 m h z 的带宽，要求设计和实现无线 p o s 专用通信系统，能将分布在成都市各商场的电子支付终端和网络服务中 心、各大商业银行连接起来，使得原来繁琐的申请、安装过程变得简单，更 容易为广大商家所接受。从而也为该系统的大规模使用和普及提供了先决条 件，使原来只能使用在大型商场和酒店的信用卡支付系统可以普及到广大普 通商户，真正实现无现钞交易。 东泰金网无线数据通信系统不同于移动通信系统，也不同于普通的无线 接入系统，它的特性包括： ( 一) 专用通信网 为用户终端设备p o s 机与网络服务中心之间提供专用的数据通信，保证 业务数据的可靠传输。 ( 二) 数据通信网 系统的用户终端设备以突发方式发送数据包，并从网络服务中心获得反 馈信息，系统承载的数据业务要求误码率达到1 0 6 的水平。 ( 三) 可靠性和保密性要求高 系统面向特定的金融业务，对数据的保密性能非常敏感，银行、商业用 户和普通消费者都希望企业和个人的金融信息得到严格的保护。 ( 四) p o s 机数目众多，分布密度大，高峰期数据流量大，服务时间短， 无线资源有限( 8 m ) 。 ( 五) 经济性 通信系统能够得到成功的应用，除了系统本身能够提供稳定、可靠、高 效的服务外，还必须具备高性价比。这要求无线接入网设备的成本必须能够 控制在商户可以承受的价格范围内。 目前，无线p o s 交易系统都是通过移动终端接入g s m g p r s 或c d m a 网络，到达基站或信息服务器，再通过租用各个运营商的有线网络到达银行 的帐务主机【1 5 】。而大多数无线p o s 机都内嵌t c p i p 协议，在无线链路中采 用t c p i p 协议族进行通信和无线链路的传输。t c p 协议是固定网络上有效 的端到端传输协议，它在应用于复杂多变的无线网络时性能却大大下降。由 于移动计算环境存在着误比特率高、带宽低、移动性以及能量有限等特剧1 6 1 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 使得原本为固定主机、有线网络设计的t c p 协议在这种环境下出现了很多 不适应的问题，主要表现在： ( 1 ) 异质环境中缺乏有效的错误检测机制。 ( 2 ) 缺乏有效的错误恢复机制。 ( 3 ) 在无线环境下移动主机可用带宽往往较低，从而使得t c p 源端的发 送速率受到限制，使其用较小的拥塞窗口发送数据，故而降低了可用带宽的 使用效率并且增加了延迟。 由于以上原因造成p o s 数据传输系统的交易时间长、传输可靠性不高、 带宽利用率低的现状。无线环境与有线环境相比，通常具有时延大、误码率 高、短流速、带宽不对称、移动性和能量有限等特性，传统的基于有线环境 的t c p 技术已无法适应链路质量相对较差的无线环境。为了增强无线网络中 t c t 的性能，学者们提出了不同的技术解决方案。本章根据增强技术在o s i 参考模型中作用的层次和需要修改系统代码的位置将其分为链路层方案、分 段连接方案、端到端方案和混合方案【1 7 甾】。但是一直到今天，对标准的t c p 在无线环境中效率的提高都不能达到令人满意的程度，对t c p 的修改也经历 了漫长的过程：但t c p 最根本的a i m d ( a d d i t i v ei n 饿a s em u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) 算法没有得到解决。 因此，本课题将针对此专用系统，设计一种专用的p o s 报文交换协议 一w p t p ( w i r e l e s sp o s t r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 协议，在复杂的网络链路情况下提 供符合要求的数据传输服务，达到比通用协议更高的带宽利用率。 1 3 论文的组织结构 本文对无线环境中数据传输进行了分析和研究，根据无线网络本身的特 性和专用系统的要求，设计了一种专用的p o s 报文交换协议一w p l l p ( w i r e l e s sp o st r a n s f c rp r o t o c 0 1 ) 协议，使其在复杂的网络情况下提供符合 要求的数据传输服务，达到比通用协议更高的带宽利用率。本论文各个章节 的具体研究内容如下： 第1 章，介绍了本论文研究的背景，对目前无线p o s 系统的现状进行了 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 描述，引出了本课题研究的目的。 第2 章，介绍了无线p o s 专用系统的总体设计，从系统特性、业务量分 析、性能指标、多址体制等方面进行描述。 第3 章，介绍了无线p o s 专用系统通信协议w p t p 的设计和无线p o s 系统可靠性的设计。从w p t p 设计的必要性、通信时隙的划分、报文的设计、 传输流程的说明等方面进行描述，采用了前向纠错和反馈重传的方式进行纠 错，对采用的编码解码方法以及所选取的参数进行了详细的描述。 第4 章，介绍了系统的仿真结果。首先介绍采用的仿真工具n s 2 ，然后 介绍了w p t p 协议在n s 2 中的分层实现，最后对仿真的结果进行了分析说明。 结论部分总结了本论文的工作情况，说明了后期进一步工作的主要内容 和计划安排。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章无线p o s 专用系统总体设计 在选择系统的设计方案、技术路线和网络结构时，需要考虑的主要因素 包括：可供使用的无线资源、系统的工作环境、业务模式和业务特性、系统 成本。系统的业务模式决定了系统的基本数据速率，而业务特性决定了误码 率、时延特性等基本参数；系统的工作环境则决定了系统设计过程中使用的 信道模型；可供使用的无线资源决定了系统的技术体制；系统成本决定系统 的经济性和实用性，对系统设计的复杂度提出了要求。 2 1 系统需求 成都东泰金网公司提供了3 3 6 - - 3 4 4 m 的带宽，在频谱效率、抗干扰能力 和保密性方面，c d m a 体制较目前通信系统采用的另外两种多址方式一 t d m a 、f d m a 更好。另一方面，由于3 4 0 m h z 频段附近存在公安、军队、 消防等专用通信系统，无线电委员会对本系统的发射功率、邻带干扰等方面 都提出了严格的要求。所以，c d m a 是最佳的多址方案。东泰金网公司鉴于 此提供了基本的业务数据，并对无线接入子系统提出了以下性能指标： 2 1 1 频段指配及体制选择 ( 1 ) 工作频段：3 3 6 - - 3 4 4 m ( 2 ) 多址接入体制：c d m a ( 3 ) 发射功率：1 w ( 4 ) 杂散分量：3 0 d b m 2 1 2c d m a 接入网设备要求 ( 1 ) 全双工数据传输 ( 2 ) 全程数据传输误码率1 0 。6 ( 3 ) 从p o s 发送数据到收到响应消息时间间隔6 秒钟 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 4 ) 小区覆盖半径1 0 2 5 公里 ( 5 ) 无线终端天线为室内小型或微型天线 2 1 3 基本业务数据 ( 1 ) p o s 普通消费结算一次的传输数据量：2 8 k b ( 2 ) p o s 密度：1 2 0 0 台平方公里 ( 3 ) p o s 使用峰值密度：2 0 ( 4 ) 无线终端通过局域网连接的p o s 数量：1 5 台 2 2 系统分析及性能指标 根据东泰金网公司的需求，下面对该系统设计必需的性能指标进行分析 计算。 2 2 1 系统分析 ( 一) 系统业务量分析 小区半径：确定小区半径的关键因素是系统的业务模式、业务量以及电 波传播的损耗，针对具有不同p o s 机密度和建筑物密度，在不同区域采用不 同的小区覆盖。在市( 县) 内商业用户集中、p o s 机密度高、建筑物密度高 的地区采用小蜂窝覆盖，覆盖半径可以选择1 - 1 5 公里；在市( 县) 郊区等 商业用户分布比较稀疏、p o s 机密度低、建筑物密度低的地区采用大蜂窝覆 盖，覆盖半径可以选择1 5 2 5 公里，具体参数在系统工程实施过程中可以进 行现场调整。 小区p o s 机容量：东泰金网公司提出在商户密集区每平方公里p o s 机 数为1 2 0 0 台。按每个基站覆盖半径为1 3 公里计算，单个小区p o s 机数目 为： n ，= 1 2 0 0 f f * 1 3 2 6 3 7 0 ( 2 - 1 ) 考虑到系统应有冗余，按照每个基站容纳6 7 5 0 个p o s 机进行系统设计。 小区无线终端容量：根据东泰金网提供的系统业务需求，不同商业用户 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 所拥有的p o s 机数目存在很大差异。根据p o s 机与无线终端的接入方案， 属于不同商户的独立p o s 机可以通过集线器接入同一无线终端以节省空中 接口资源，而拥有大量p o s 机的商户( 如大商场、超市等) 可以通过使用多 个无线终端的方式保证业务高峰期的正常通信。考虑到每个p o s 机的数据包 长度和数据速率，系统按照每个无线终端连接1 5 台p o s 机进行设计，则一 个基站覆盖范围内无线终端数目为： l 撕一6 7 5 0 1 5 4 5 0( 2 - 2 ) 数据流量：根据东泰金网公司提供的业务数据，每个i o s 机每次划卡 所产生的数据量不超过3 5 0 个字节，以3 5 0 个字节( 折合2 8 k b i t s ) 计算，每个 无线终端所产生的数据量最大为： n d 一2 8 k 1 5 i4 2 k b i t s ( 2 3 ) 根据东泰金网公司提供的业务数据，同时工作的p o s 机数目为p o s 机 总数的2 0 ，因此，平均每个无线终端实际产生的数据量为： 1 4 2 k b i t s 2 0 18 4 k b i t s ( 2 - 4 ) 为便于识别每个p o s 机发送的数据以及保证数据传输的可靠性，需要增 加一定的数据冗余，以每个p o s 机经过处理后的数据为4 0 0 个字节f 折合 3 2 k b i t s ) 计算，则每个无线终端实际产生的最大数据量为： n ：3 2 k 1 5i 4 8 k b i t s ( 2 5 ) 同样根据2 0 的工作比例进行计算，每个无线终端实际产生的数据量为： 么l i r a4 8 k b i t s 宰2 0 一9 6 k b i t s( 2 6 ) ( - - ) 路径损耗计算 路径损耗是指发射机主波束信号传输到接收机的能量损耗，由于电波传 播过程中的衰减与环境密切相关，因此路径损耗的精确计算需要采用实际地 形资料和实地电波传播测量，这对于一个实际的蜂窝系统网来说几乎是不可 能，因此大多采用经验公式，或经验公式加测量修正，工程实践证明这种方 法是可行的【刈。 已有一些比较常用的经验公式和经验曲线，其中日本的o k u m u r a 等人以 东京城市为背景给出的经验曲线比较适宜于规划蜂窝系统的传播预测。但是 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 o k u m u r a 模型的曲线很多，不便于使用，后来h a t a 将这些曲线提练为便于使 用的公式集即h a t a 模型【2 7 1 ，h a t a 模型的传播损耗的公式为： 三一6 9 5 5 + 2 6 1 6 l o g l o ，- 1 3 8 2 1 0 9 l oh 6 一a ( h 。) + ( 4 4 9 6 5 5 1 0 9 1 0h 6 ) 1 0 9 1 。d k ( 2 - v ) 其中为传播损耗，单位为d b ，为传输载波频率，单位为m h z ，d 是 收发天线的距离，单位| b ，l ，而6 和h m 分别为基站和端站天线的高度，单位为米， a ( h m ) 为天线高度增益校正因子，其取值与环境有关，按照h a t a 模型为： f 0 1 l l 0 9 1 0 ，- 0 7 ：i - 1 5 6 1 0 9 1 0 ，+ o 8 中小城市 a ( h 。) 一 8 2 9 ( 1 0 9 1 0 1 5 4 f i 。) 2 1 1 大城市，f 2 0 0 m h z ( 2 - 8 ) l3 2 ( 1 0 9 l1 7 5 h ) 一4 9 7大城市，厂 4 0 0 m h z 式中，k 为在郊区和开阔区域中应用小城市的校正因子为： 咋10勖“孺r+琵0。，+44高(2-9)478(109-183 31 0 9 aoz il o ，) 2 1 0 ，+ 4 0 9 4 ( ) 其中( 幸) 为郊区情况，( ) 为开阔地带。i t u r 经验公式的修正因子 为： b 一3 0 2 5 1 0 9 ，。( 被建筑物所占百分比) ( 2 1 0 ) 若设基站天线的高度为3 0 米，端站的天线高度为2 米，载波频率为 3 4 0 m h z ，收发距离为1 3 公里，则可以算得路径损耗为： l = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l 0 9 1 0 3 4 0 - 1 3 8 2 i 0 9 1 0 3 0 一口( 2 ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 0 9 1 0 3 0 ) l 0 9 1 0 1 3 一k - 6 9 5 5 + 6 6 2 2 2 0 4 1 一o 8 7 + 4 0 1 7 5 5 一1 1 0 。7 5 d b ( 2 - 1 1 ) 其中天线高度增益校正因子取中小城市，地域校正因子取为郊区，若取 i t u r 的修正因子，则路径损耗为： l 一1 2 0 6 9 一( - 1 0 0 5 ) a1 3 0 7 4 d b( 2 - 1 2 ) 其中建筑物覆盖区域所占的百分比取为4 0 。 因此，路径损耗采用模型不同，计算得到的结果有一定的区别，这里两 种模型的损耗差值接近2 0 d b ，按照文献【2 8 】中提供标准市区路径损耗公式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 工2 0 1 0 9 1 。吁( _ _ 尹4 - n d o ) + 1 0 1 0 9 1 。乞d ) ( 2 1 3 ) 其中九为载波波长，d 为收发距离，d o 为远场参考距离，对于蜂窝系统 常取1 0 0 米或1 公里，以为路径损耗指数，其取值参照表2 - i 2 9 1 。 表2 - 1典型路径损耗指数 环境路径损耗指数，n 自由空间 城市市区蜂窝 遮挡市区蜂窝 楼问视距 遮挡群楼 厂矿遮挡 2 2 7 4 o 3 - 5 1 6 - 1 8 缅 2 - 3 参照表2 - 1 ，路径指数n 取4 ，远场参考距离d 。取1 0 0 0 米，可计算出城 市市区的损耗约为： 三2 0 l 。g 。p 4 a d o ) + 1 0 幸疗枣l 。g 。( 鲁) a o = 9 0 2 d b ( 2 1 4 ) 由上面的计算可知路径损耗的波动范围较大，因此在考虑发射机容限和 接收机的动态时应充分予考虑，我们考虑发射机至少应有2 0 d b 以上的容限， 接收机的动态在不考虑其他因素的情况下至少应有4 0 d b 以上。根据上面的 计算，路径损耗保守考虑取为1 2 0 d b 。 2 2 2p o s 系统性能指标 ( 一) 系统性能指标 系统响应时间：= 4 秒 数据误码率：接收机灵敏度为1 0 3 6 d b m 时，数据误码率不高于1 矿( 纠 误后) 。 工作环境：室外：1 0 5 0 ，室内：5 4 0 ，湿度：9 5 。 供电方式：交流一2 2 0 v ( 市电) 或直流_ 2 4 v 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 故障检测及诊断：故障自动检测及诊断，并显示故障号。 可靠性：基站子系统可靠性达到9 9 5 ，无线终端可靠性达到9 9 。 ( 二) 基站性能指标 该系统基站的结构图如图2 - 1 所示。其主要性能指标如下： 图2 - 1 基站子系统结构示意图 覆盖半径：1 3 公里 扇区个数：3 容量：每个基站最大可容纳4 5 0 个无线终端 数据传输速率：无线终端与基站之间数据发送及接收速率为1 0 2 4 k b p s 多址接入方式：t d c d m a 双工方式：t d d 工作方式：突发或连续工作方式 设备接口：以太网或者e 1 链路 接口协议：基站与操作维护中心之间接口采用t c p 仰协议 扩频增益：6 4 调制解调方式：q p s k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 频率范围：3 3 6 3 4 4 m h z 发射功率：5 0 m w - 1 w 频率稳定度：l p p m 接收灵敏度： 1 0 3 6 d b m 杂散射频分量： 3 0 d b m 天线极化方式：垂直极化 天线驻波比( v s w r ) ：= 1 5 天线增益g ：- - 1 2 d b 天线水平面半功率波瓣宽度：1 2 0 0 天线功率容量： 2 w 天线抗风能力：1 0 级风能正常工作，1 2 级风不产生破坏 特性阻抗：5 0 欧姆 天线接口形式：n 型 备份方式：射频单元1 + 1 热备份；信道单元8 ：1 热备份 监控方式：操作维护中心远程监控；本地提供维护管理接口。 ( 三) 无线终端性能指标 该系统基站的结构图如图2 2 所示。其主要性能指标如下： 数据传输速率：无线终端与基站之间数据发送及接收速率为1 0 2 4 k b p s 容量：每个无线终端连接的p o s 机数目一般不超过1 5 个，在实际应用 过程中可以根据业务模式的特性以统计复用的方式增加或者减少所连接的 p o s 机数目。 多址接入方式：t d c d m a ，时分和码分结合，同步( 或准同步) 工作 方式。 接口：以太网和r s 2 3 2 接口 扩频增益：6 4 调制解调方式：q p s k 频率范围：3 3 6 3 4 4 m h z 发射功率：2 0 5 0 0 | l n w 接收灵敏度：- - 1 0 3 。6 d b m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 天线极化方式：垂直极化 图2 - 2 无线终端结构示意图 天线驻波比( v s w r ) ：= 1 5 天线增益g - - 8 d b l d b ( 八木天线鞭状天线) 天线水平面半功率波瓣宽度：6 0 0 天线功率容量： l w 特性阻抗：5 0 欧姆 天线接口形式：b n c 型 监控方式：操作维护中心远程监控；本地提供维护管理接口。 2 3 技术体制的确定 在无线通信系统中，不同的多址方式、不同的通信协议对系统的性能影 响都很大。特别针对某些特殊应用场合的通信系统更是如此。 该系统主要用于传送实时性要求高的p o s 机数据而且金网系统对服务 时间有严格要求( 不超过6 秒) ，同时多个p o s 机通过组网或者集线的方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 接入无线终端也增加了终端在工作高峰期的负荷( 1 0 2 4 k b p s ) 。这样的系统 业务特性和数据流量要求无线系统必须具备高的传输效率和可靠性；同时， 有限的射频带宽和严格的带外泄露要求也增加了系统设计的难度与复杂性。 因此选取何种的通信体制和通信协议是必须考虑的首要问题。 2 3 1 多址方式的确定 c d m a 、t d m a 和f d m a 是目前通信系统采用的主要的多址方式。前 文已经论述了c d m a 是最佳的多址方案。另外，东泰金网的业务具有以下特 性：p o s 机数目多且具有非移动性，数据包长度基本固定，高峰期数据流量 大且工作高峰期相对集中。而t d m a 体制在高业务量、高密度用户分布等方 面具有优势。所以，我们决定采用时分和码分多址体制结合的方式 ( t d c d m a ) 来实现无线系统的空中接口。 2 3 2 双工方式的选择 在t d d 和f d d 中，f d d 适用于大区制的网络规划和对称的上下行业务， 在为用户提供高移动性条件下的数据和语音通信方面较t d d 更有优势；而 t d d 在高密度用户分布和突发数据通信方面较f d d 更有优势。f d d 需要成 对的频段进行上下行数据传输，目前无线电委员会只划分了3 3 6 3 4 4 m h z 频 段供本系统使用，所以本无线接入系统使用t d d 方式更为合理。 2 3 3 信道分配方式的选择 本系统在业务高峰期具有数据流量大、并发用户多等特点，为保证高峰 期系统工作的可靠性和稳定性，提高频谱利用率，我们选择信道预分配方式， 即确定无线终端的接入时隙和接入码道，使其有数据发送时，始终利用此信 道进行工作。预分配方式简化了无线终端的接入过程，在业务高峰期可以避 免过多的接入造成系统容量的损失。考虑到系统的灵活性和后向兼容性，允 许通过空中接口或者无线终端的监控接口对其接入时隙和码道进行更改。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 3 4 地址码的选择 在该系统中采用的扩频序列为w a l s h p n 复合序列，其产生方式为：用 “阶的w a l s h 序列与1 5 级p n 短码异或，得到扩频码长为6 4 的复合序列。 其中1 5 级p n 短码的不同相位作为识别不同基站内扇区的标识。在同一扇区 内，不同用户在同一时刻使用的p n 短码是一样的，因此要减少一个基站内 的系统多址干扰，只需从6 4 个w a l s h 序列中优选出1 2 个序列即可。 优选：由于w a l s h 序列为平衡序列，因此首先根据自相关的最大旁瓣， 排除自相关差的序列，最后计算余下序列的互相关值，根据互相关的最大幅 度值，排除互相关性强的序列，从而得到优选的w a l s h 序列。 2 4 无线p o s 系统框图 整个系统所采用的无线网络结构如图2 3 所示，系统主要由四个部分构 成：p o s 机、无线终端、基站和操作服务中心。其中基站的数目可根据覆盖 区域的大小以及p o s 机的分布密度进行调整。每个基站与其周围的无线终端 以及与无线终端相连的多个p o s 机一起构成一个蜂窝小区，整个成都市可以 用多个覆盖范围不同的蜂窝小区进行。无线终端通过有线与商场内的p o s 机 相连，其通信方式可采用r s 2 3 2 ( 内置或外置m o d e