（通信与信息系统专业论文）高速无线局域网hiperlan2数据链路协议的原理及其实现.pdf

摘要 近年来，无线通信在多个领域都取得了飞速的发展，向用户提供的业务也从简单的语音、 低速数据逐步向宽带多媒体业务方向发展。在众多的宽带无线通信技术中，宽带无线局域网 技术正成为蜂窝移动通信以外的又一个大众关注的热点。在目前几种宽带无线局域网提案 中，h i p e r l a n 2 是性能最优的个， 核心网络以及可提供宽带多媒体业务 支持q o s 以及可以接入到多个现有 介绍当前无线通信的发展概况，然后 讨论了无线网络中占有重要地位的数据链路协议的原理，重点研究了h i p e r l a n 2 数据链路 协议的原理。无线常常意味着移动，可移动的通信终端必由嵌入式系统来实现。因此，在本 文的最后，研究了h i p e r l a n 2 数据链路协议在嵌入式系统中的实现。 第一章首先介绍了各种宽带无线接入技术，并简单讨论了无线通信发展中的几种关键 技术，最后指出了本文的主要工作。 第二章首先介绍了通信协议模型的概念，然后分别详细地介绍了无线链路协议层的各 种重要技术，包括无线媒体访问控制、无线差错控制和移动性管理。 第三章首先概述了h i p e r l a n 2 标准的技术背景、系统体系结构以及协议栈模型；接着 详细地探讨了h i p e r l a n 2 数据链路层的功能：媒体访问控制功能、无线链路控制功能以及 差错控制功能。 第四章首先讨论了基于实时操作系统v x w o r k s 的嵌入式系统的开发原理，并在此基础 上研究了h i p e r l h n 2 的d l c 协议层实现。 关键词：无线通信j 无线局域网j 媒体访问控制f 嵌入式系统j a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h es e v e r a l k e yt e c h n o l o g i e s - c o m p u t e r s c i e n c e ，v l s i a n d e l e c t r o n i c s ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nh a sb e e nd e v e l o p i n gf a s t i nr e c e n t y e a r s t h e s e r v i c e si t p r o v i d e dc h a n g ef r o ms i m p l ev o i c ec o m m u n i c a t i o n ，s l o wd a t ar a t ed a t ac o m m u n i c a t i o n t oh i g h s p e e dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n d u r i n gs e v e r a l w i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yo nt h ep r e s e n t ， w i r e l e s sl a nh a sb e e nah o tt o p i cd u et oi t s g o o dp e r f o r m a n c et op r o v i d eh i g hs p e e dd a t a c o m m u n i c a t i o n a m o n g t h eh i g h - s p e e dw l a n t e c h n o l o g i e s ，h i p e r l a n 2i st h eo n ew i t ht h eb e s tp e r f o r m a c e i t s u p p o n sq o s a n d u p t o 5 4 m b p s d a t a r a t e ，w h i c h a r et w of o u n d a t i o n so fm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n a tf i r s t ，t h i st h e s i sg i v e sa nd i s s c u s s i o no ft h ep r e s e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s i t t h e ni n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f g e n e r a lw i r e l e s sd a t al i n kp r o t o c o la n d t h a to fh i p e r l a n 2d a t a l i n kc o n t r o l p r o t o c 0 1 a tl a s t ，i t d o e sar e s e a r c ho nh o wt oi m p l e m e n tt h eh i p e r l a n 2d l c p r o t o c o li na ne m b e d d e ds y s t e m i nt h ef i r s t c h a p t e r , w ed i s c u s s a n di n t r o d u c es e v e r a l i m p o r t a n tw i d e b a n d w i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e sa n dt h e nt h es e v e r a lk e yt e c h n o g i e si nt h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， w h i c hi n c l u d em u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，a d a p t i v et e c h n o l o g y s ，m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ，d i v e r s i t y , s e c u r i t ya n dm e d i aa c c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y a tt h el a s to f t h i sc h a p t e r w ep o i n to u tt h em a j o r d i s t r i b u t i o no f t h i st h e s i s i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ep r i n c i p l eo fg e n e m lw i r e l e s sd a t al i n kc o n t r o lp r o t o c o li sd i s c u s s e d i t i n c l u d e st h ed i s c u s s i o no fw i r e l e s sm e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ，w i r e l e s se r r o rc o n t r o lp r o t o c o l a n dm o b i l i t ym a n a g e m e n t i nt h et h i r dc h a p t e r , w ed i s s c u s st h ed a t al i n kc o n t r o lp r o t o c o lo fh i p e r l a n 2 ，w h i c hi n c l u d e s m a c p r o t o c o l ，r l cp r o t o c o la n de cp r o t o c 0 1 i nt h ef o u r t hc h a p t er ，w ef i r s td i s s c u s sp r o c e s sa n dm e t h o do f t h ed e v e l o p m e n to f v x w o r k sb a s e d e m b e d d e ds y s t e m s t h e nw ei m p l e m e n t e dt h eh i p e r l a n 2d l c p r o t o c o li ne m b e d d e ds y s t e m s k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s sl a n ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，e m b e d d e d s y s t e m s 2 第一章绪论 本章首先介绍了无线通信的发展概况，并考察了目前存在的各种无线接入技术。然后 讨论了无线通信发展的关键技术，最后指出了本文的主要工作。 1 1 无线通信的发展 自1 8 9 7 年马可尼第一次展示了无线电使在英格兰海峡中行驶的船只保持连续不断的通 信能力以来，移动中的通信能力已经得到举世瞩目的发展。自那以后，全世界的人们都在热 切地盼望使用新的无线通信方法和途径。但是直到六、七十年代贝尔实验室提出蜂窝的概念， 才具有向所有人提供无线通信的能力。七十年代高度可靠的晶体管射频电路的发展，真正的 无线通信时代才到来。在过去的十年，数字和超大规模集成电路技术的进步大大促进了无线 通信的发展。数字交换技术的进步又进一步推动了无线移动通信网络的大规模发展。 随着社会的发展，人们对无线通信技术提出了越来越高的要求。用户不光需要话音服务、 低速数据通信服务，还需要高速的能同时进行语音、数据和图形图像通信以及支持q o s 的 多媒体服务。这些用户需求构成了无线通信发展的强大动力，促使无线通信朝着数字化、宽 带化、集成化、智能化和多媒体化的方向发展，最终实现个人通信。 所谓个人通信，它是移动通信的进步发展，是面向个人的通信，国际电联称之为通用 个人通信( u p t ) ，在北美则称为个人通信业务( p c s ) 。其实质有多种说法，美国专家认为， 它是对任何地方( a n y w h e r e ) 、任何时候( a n y t i m e ) 、通过任何媒介( a n y m e d i u m ) 都能提供 各种通信服务的通信：欧洲专家认为，它是对每个地方( e v e r y w h e r e ) 和每个人( e v e r y b o d y ) 都能提供各种通信服务( e v e r y s e r v i c e ) 的通信：日本专家认为，它是能同时利用移动通信 ( m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 、公共通信( p u b l i cc o m m u n i c a t i o n ) 、智能通信( i n t e l l i n g c o m m u n i c a t i o n ) 方式来提供各种通信服务的通信；我国专家认为，它是指无论在任何地方 ( w h e r e ) ，无论在任何时候( w h e n ) ，都能向任何人( w h o ) 提供各种通信服务的通信。 1 2 各种宽带无线接入技术 目前，程控交换、光缆、卫旱、数字微波、s d h 、a t m 大最新技术的采用，已使电信网 产生了质的变化。但是，从程控交换机交换节点到片 户电话机之问的双绞线( 称为片 户本地 环路) 则成为电信发展的“瓶颈”。从现代技术角度，这一部分义称为接入网。也就是说， 接入网已成为电信网中的重要一环，它已直接影响着电信的发展。 近儿年米，各种接入网新技术开发和应用十分活跃。随着接入网在电信网中所i 投资比 重的不断加人，世界各国的电信公司普遍将发展接入网作为主要的经营策略之一，倾注了很 大的力量，开发了各种各样的接入网产品。无线接入网由于具有廊用灵活、安装快捷以及某 些应用方面的价格优势，目前已成为接入技术中最热门的话题，受到各国尤其烂电话业务亟 需酱及的发展中国家的熏视。 无线接入指从公用电信网的交换节点到用户终端全部或部分采用无线手段的接入技术， h f jj i j 无线传输代替接入嘲的全部或部分，向用户终端提供电话和数据胀貉。 与有线接入比较，无线接入有以f 特点： 尤线接入刚的成本与传输距离无关，列川户密度等冈桑不敏感，特别适丁距离稍k 、 j _ j 广密度不高的地区。 远营成本低取消r 铜线分配嘲和铜线分接线，无需人员修复设备线路，减少这部 分费h j 。 扩容方便，采取逐步增加投资的方式可以更准确地跟踪用户需求的增长，扩容方便 mh 资金川收快。 组叫灵活、安装迅速、建设周期短。 安全性好、抗灾能力强。对地碰、水灾等无线系统比有线系统的抗灾能力强，同 时灾毁后易丁修复。 无线通信的特点决定了无线接入在以f 几个方面有特别的应片j ： 人口稀疏的农村和边远地区：有线接入投资大、效黼低，采用无线接入是比较好的办 法。 受地理环境或气候条件的限制的地区：如山区、海岛、水网地区、沙漠地区等，埋设 电缆凼难和架设明线不易，无线接入是唯一选择。 城市新兴商业区和居民区：电话需求最大，新建市话网投资大、时间长。采用无线接 入则可在短时间内满足要求。 临时急需电话的地区：如在大型建筑下地、大型体育赛事、抢险救火、公安、铁路、 1 r 常时期、应急揉作等急需接入的场合，采并j 无线接入是最好的解决方法。 无线接入技术可分为固定无线接入和移动无线接入两大类。固定无线接入是从交换节点 到固定用户终端采用无线接入，它实际上是p s t n i s d n 网的无线延伸。主要的固定无线接入 有两类，即多路多点分配业务( 姗d s ) 和本地多点分配业务( l 如s ) 。移动无线接入包括基 j ：蜂窝通信的无线接入，基于无线局域网和家庭网络的无线接入和基于卫星通信的无线接入 三种。下面分别介绍各种无线接入技术。 1 2 1 宽带固定无线接入技术 1 、本地多点分配业务( l n i d s ) l m d s 工作在毫米波波段，大致在2 8 g h z 附近。由于这一频段的技术实现难度很大， 闯而过去很少应用，频谱较为宽松，可用频带至少1 g h z ，若采用6 4 q a m 调制，则意味着 4 g b p s 的速率，十分可观。 典型的l m d s 由类似蜂窝配置的多个枢纽发送机组成，每个发送机经点到多点无线链路 与服务区的固定用户通信。单个蜂窝的覆盖区为2 - 5 公里。覆盏区相互重迭，每一蜂窝的覆 盖区又可以划分为多个扇区，可根据用户需要在该扇区提供特定业务。这种模块式结构使网 络扩容很灵活方便。l m d s 速率可达1 5 5 m b p s ，理论上可以提供从电视分配业务和电话到 全交换式宽带多媒体业务在内的所有业务，但最有利的机会还是提供高速数据接入和交互式 电视。l m d s 不仅可以提供高速i n t e r n e t 接入，而且还可以用来进行局域网互联p 。 l m d s 提供多点传输技术，新增用户时无须增加基站射频设备，便于快速扩展用户，适 用于用户密集地区。但目前设备价格还比较贵，尚处于现场试验和小规模商用阶段，能否大 规模发展在很大程度上取决于能否开发出低成本的2 8 g h z 收发机来。另外，必须能妥善解 决雨雪影响、视距传输和抑制信号干扰等问题。 2 、多路多点分配业务( m m d s ) i v i m d s 是一种点对多点分布、提供宽带业务的无线技术。它适用于中小企业用户和集团用 4 f ，。m m d s 可透明传输业务，在基站端与网络的接口为t l e 1 、1 0 0 b a s e - - t 利0 c - - 3 等，在 川户端的接1 2 1 为e l 和1 0 b a s e - - t 等，可以为用户提供i n t e r n e t 的接入、本地用户的数据交 换、话音业务和v o d 视频点播业务。 删d s 最初用于传输单向电视和网络广橘，1 9 7 0 年f c c 在2 5 6 1 t z 上划分了2 0 0 l f i h z 给无 线电信运营商，其中共有3 1 个信道，每信道带宽6 m i t z 。虽然胁d s 的技术不断改革，但是 当时的市场情况并不成功，也没有受到足够的重视。近来，1 k m 高速数据接入的发展促进了 k i d s 的发展，1 9 9 8 年9 月，f c c 批准运营商可以采用双向的数据业务传输，允许更加灵活 地使用m m d s 频谱。同时l n l d s 的数字化发展也使得它更具竞争力。 m m d s 适用于用户分布很分散的情况可分布在4 0 k m 范围，但是，由于信道数量的限 制，对运营商而言，用开发更高调制技术的方式来提高应用频谱是一个冒险，这是限制m m d s 庄大型商业区应用的最重要的一点，而且大的覆盖范围也容易引起e d d s 小区之间的干扰。 与点对多点的d s 相比，岫s 适于用户相对分散、容量较小的地区，从成本上来讲， m m s 低于l m d s 。 1 2 2 宽带移动无线接入技术 1 、基于蜂窝通信的无线接入 就目前而育，蜂窝移动通信技术是发展速度最快、技术更新最快、市场容嚣最大的产业。 在过去1 0 年中，移动电话的增长幅度往往超过预测值。在2 0 _ | 纪9 0 年代初期，全球的移 动通信用户仅仅只有1 0 0 0 多户，而如今已经达到近5 亿，据预测，到2 0 0 5 年，移动电话用 广数量将超过固定电话用户数堂，成为通信的主流。移动通信系统的发展已经历了两代，第 一代( 1 g ) 移动通信技术是采用模拟技术的语音移动通信，第二代( 2 g ) 移动通信技术是 采用数字技术的语音移动通信。 在蜂窝接入i n t e r n e t 方面，和第一代、第二代话音通信相应地有两种技术。一是基丁第 一代模拟蜂窝a m p s 系统的c d p d 技术，二是基于第二代数字蜂窝系统g s m 和i s 1 3 6 的 g p r s 以及在此基础上的e d g e 技术。 c d p d 技术是在a m p s 系统上开发出米的，完全使用a m p s 原有的频谱和设施，既可 以采用专用频率方式，在规定的信道传送数据，也可以采_ i j j 跳频方式，利用移动电话通话中 的闲置信道传送数据。在现有的模拟蜂窝电话网上通过增加移动数据基站( m d b s ) 、移动 数据中介系统( m d i s ) 和移动数据终端( m e s ) ，进行无线分组数据通信，适用于数据量 小、实时要求不高的场合。它使用的是分组交换技术而非电路交换技术。在通常的移动电话 系统中，移动电话始终不断发送音频信号：而分组交换的移动电话则向基站发送单个的数据 分组，然后断开连接。这大大减少了空闲时间。 使用c d p d 时，用户移动数据终端发出的数据经调制后，首先通过无线电波传送到移 动数据基站，由移动数据基站完成对无线信道的管理、无线信号的接收与解调，然后搏将解 调后得到的数据传送到移动数据中介系统，由该数据中介系统完成c d p d 网内数据包的交 换、路由以及对用户移动位置的跟踪、漫游，发往c d p d 网外的数据将通过路由器完成与 其他如d d n 、p s t n 、c h i n a n e t 、c h i n a p a c 等公网的连接。同时，为了确保数据的正 确传送，c d p d 使用了i p 高层网间协议，采用高可靠性的前向纠错技术来提高传输速率， 使得速率最高可达1 9 2 k b i t s ，同时系统对t c p i p 报头进行压缩，对数据进行v 4 2 b i s 压缩， 提商了信道的利用率。 c d p d 采刚公共随机接入，数据以分组的形式在无线信道上传送，传送过程中信道并不 5 j t 全定分配给一个j i j 户，冈此多个j 户的数据可以分享一个信道，信道利川率高。但山丁 数据以分组的形式传送故传输时延较人。c d p d 采片jt c p 1 p 协议网际地址编号方式，州 户l u 全国统一规划地址，每个用户的l p 地址同定，所以呼叫建立的时间搬短。鉴丁以上特 点c d p d 对丁点多、面广、信息短、鹫人而频次较密的突发性业务具有优势，训崩于金融、 址券、交通钮能调度、远程监控、信息卉询等领域，冈而适合丁- i n t e r a c t 接入。 g p r s 是按g s m 标准定义的封包交换协议，它在移动终端和网络之间实现了永远在线 的连接网络容量只有在实际进行传输时才被占用。它足一种基于分组交换传输数据高效率 的方式，是在g s m 网络中增加分组交换功能，在g s m 平台上在丁 x 2 5 和t c p i p 协议的 分组交换数据通信。它町以提供高达1 1 5 k b i v s 的空中接口传输速率。g p r s 使若干移动用户 能够同时共享一个无线信道，一个移动月j 户也可以使用多个无线信道。实际不发送或接收数 据包的井j 户仅占很小一部分网络资源。其数据率是现有g s m 的1 0 倍以上，巨人的吞吐鼙 改变了单一面向文本的无线应用，使得包括图片、话音和视频的多媒体业务得以实现。 为了实现g p r s 需要在现有的g s m 网络中引入3 种新的逻辑网络实体；服务g p r s 支持。i ，点、网荚g p r s 支持：竹点和分组控制单元( p c u ) 。 s g s n 是g p r s 骨干网与无线接入网之间的接口，提供g p r s 网络与外部分组数据网络 之间的交互操作。它将分组交换到正确的在站予系统( b s s ) 。其任务包括提供对移动台的 加密! 认证、会话管理、移动性管理和逻辑链路管理。它也提供到h l r 等数据库的连接。 g g s n 是外部分组数据网( 1 p ) 或分组交换数据网( x 2 5 x 7 5 ) 与g p r s 核心嗣之间的网 关节点。如果外部网络是一个i p 网，g g s n 可以看成一个普通的i p 路由器，它服务移动台 的所有i p 地址。廿点可以包括防火墒和分组过滤机制。另外，g g s n 根据移动台的位置， 为其指定一个s g s n 。在b s s 的b s c 中，包括一个分组控制单元( p c u ) ，它支持所有g p r s 空中接口的通信协议。p c u 负责管理分组分段和规划、无线信道、传输成熟检测和自动重 发、信道编码方案。质麓控制、功率控制等，并支持越区切换、无线电资源配置和信道指配 等功能。m s c l r 、h l r 和s m s ( 短消息服务) 中心是普通电话交换g s m 系统中的功能 实体。这些节点通过增加附加的接口实现与g p r s 的互通。 g p r s 的特点包括：充分利用频谱资源、传输带宽宽、适用丁突发性业务。 g p r s 技术呼叫建立时问短、支持点到点、点刘多点、上f 行链路1 f 对称传送。从有效 地利用嘲络资源和降低用户费用方面考虑，g p r s 非常适合丁例如互联网业务等突发性、面 州人众的业务。 e d g e 的思想是尽可能利用现有的g s m 数据业务类型，且要提高其数据通信速率。 e d g e 无线链路的比特率和质量控制建立在三个基本原理上：多时隙连接、链路自适应和逐 步增加冗余。e d g e 通过多时隙操作可实现更高的比特速率。e d g e 主要影响网络的无线接 入部分但它对基丁电路交换和分组交换的应用并不影响，通过移动交换中心( m s c ) 和 服务g p r s 支持节点( s g s n ) ，e d g e 可保留使用现有的网络接口；实际上，e d g e 是g s m 的进化版，允许最高的3 8 k 的传输速度。与g p r s 不同，e d g e 需要不同于目前g s m 的调 制技术，投入较人。一些营运商视e d g e 为g p r s 发展到3 g i j m t s 的过渡技术。它是否会 被“泛采用取决丁设备、终端和相关应用在时间上配合。由丁g s m 和t d m a 13 6 系统的用 ，1 数极人，在现有系统中引入e d g e 的市场潜力很人 口前，世界上的移动通信技术处丁第二代，并e 在进行系统的改进，改进后的系统称为 25 代( 2 5 g ) ，并将继续甥着第= 代和第四代的方向发展。我们在期待第三代移动通信系统 带来优质服务的同刚，第四代移动通信技术的研究、开发也已在实验室悄然进行。 4 g 通信技术无论在通信范围、通信质量以及其他任何方面都应该比3 g 有一个质的提 6 ，衙。它应该有如f 特点： ( 1 ) 高速率。4 g 移动通信技术的信息传输速率要比3 g 高一个等级，要超过u m t s ， 即从2 m b i d s 提高剑1 0 m b i t s ，其最大的传输速度将是口前“i m o d e ”服务的1 0 0 0 0 倍。 r2 ) 技术发展以数字宽带技术为1 i 。仵蜂窝通信中信号以毫米波为：l i 要传输波段， 蜂窝小隧也会相应小很多，这会大大提高用户容量但同时引起一系列技术上的难题。 ( 3 ) 灵活性较强。虽然3 g 的速率已有很人的提高，但仍不能很好动态地分配资源，人 流每时系统利用率低。而4 g 系统拟采用智能技术使其能自适戍地进行资源分配，能够调整 系统对通信过程中变化的业务流人小进行相应处理而满足通信要求，采用智能信号处理技术 对信道条件刁i 同的各种复杂环境都能进行信号的正常发送与接收，有很强的智能性、适廊性 和灵活性。 ( 4 ) 兼容性好。3 g 的初衷是希望统一全球纷杂的移动通信技术，但是，冈为各个商家 的利益得不到很好的协调而分化成如今二人阵营。目前i t u 承认的、在全球已有相当规模 的移动通信标准共有g s m 、c d m a 和t d m a 三大分支，每个分支都在抢i 竹h 场。这3 大分 支取消哪个也不可能，看来只有通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。 ( 5 ) 用户共存性。4 g 中的移动通信技术能根据网络的状况和变化的信道条件进行自适 应处理，使低速与高速的用户和各种各样的用户设备能够并存与互通从而满足系统多类型用 户的需求。 ( 6 ) 业务的多样性。在未来的全球通信中，人们所需的是多媒体通信。个人通信、信 息系统、r 播和娱乐等箨行业将会结合成一个整体，提供给用户比以往更广泛的服务与应用： 系统的使用会更加的安全、方便与更加照顾用户的个性。4 g 技术能提供各种标准的通信业 务，从而满足宽带和综合多种业务需求。 ( 7 ) 较好的技术基础。4 g 技术将以几项突破性技术为基础，例如o f d m 技术、无线 接入技术、光纤通信技术、软件无线电技术等能大幅提高无线频率的使用效率和系统可实现 性。 ( 8 ) 随时随地的移动接入。在4 g 系统中利用先进的无线接入技术，提供话音、高速 信息业务、广播以及娱乐等多媒体业务接入方式，让用户可在任何时间、任何地点接入到系 统中。 ( 9 ) 自治的网络结构。4 g 系统的网络将是一个完全自治、白适应的网络，它可以自动 管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。 2 、基于无线局域网和家庭网络的无线接入技术 l e e e8 0 2 1 1 i e e e8 0 2 1 l 是i e e e8 0 2 局域网家族中的无线标准。最初提出来的标准支持2 m b 的数 据速率。1 9 9 9 年，提出了i e e e 9 0 2 1 l a 和i e e e s 0 2 1 1 b 两种增强版本。i e e e s 0 2 1 l b 工作在 2 4 0 的i s m 频段，物理层支持f h s s ，直接扩频序列和红外线传输等三种方案，它可以向 用户提供高达1 1 m b s 的数据速率。i e e e8 0 2 1 l a 工作在5 g i s m 频段，物理层基于o f d m 技术，为支持链路自适应能力，实现了多种可选的调制编码方式。i e e e s 0 2 1 l a 支持的数据 速率是高可达5 4 m b s 。 i e e e s 0 2 】l a 和i e e e8 0 2 1 1 b 两者采取相同的基于载波监听冲突避免( c s m a c a ) 的 媒体访问控制协议。 b l u e t o o t h 蓝爿：技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接 为基础为崩定与移动设备通信环境建立一个特别连接。蓝牙- l 作在全球通用的2 4 g h z 7 t s m ( 即f 业、科学、医学) 频段。监d ：的数据速率为1 m b i t s 叫分烈j ：传输方案被删= ) | 实 脱全双j 一传输。与其它上作枉相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙 比其它系统更稳定。前向纠错( f e c ) 的使用抑制，长距离链路的随机噪音。麻川了二进制 凋频( f m ) 技术的跳频收发器被片j 来抑制_ 扰和防，i r 衰落。 监对：基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据 乜，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占片j 一个时隙，但实际上可以被扩展 刊。川 5 个时隙。监二j ：可以支持异步数据信道、多达3 个的同时进行的同步话音信道，还可 以州个信道同时传送异步数据和弼步话音。每个话音信遒支持6 4 k b i l s 同步话音链路。异 步信道可以支持一端最大速率为7 2 1 k b w s ，而另一端速率为5 7 6 k b i t s 的研；对称连接，也可 以支持4 2 k b i t s 的对称连接。 一h i p e r l a n 2 h i p e r l a n 2 是欧洲e t s i 提出的种高性能无线局域网标准。它的物理层和1 e e e 8 0 2 1 1 a 一样采取一种可变数据速率的基于o f d m 的调制编码方案。m a c 层是基于中心控 制的动态t d m a t d d 方案。更详细的情况请参考后面的章节。 一h o m e r f 家庭射频( h o m e r f ) 技术是无绳电话技术( 数字式增强型无绳电话或者简称为d e c t 和 无线局域网( w l a n ) 技术相互融合发展的产物。无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 采用c s m c a ( 载 波监听多点接入冲突避免) 方式，特别适合于数据业务；而d e c t 使用t d m a ( 时分多路复 用) 方式，特别适合于话音通信，将二者进行融合构成家庭射频使用的共享无线应用协议 ( s w a p ) 。s w a p 使用t d m a + c s i a c a 方式，适合话音和数据业务，并且特地为家庭小型网 络进行了优化。家庭射频系统的设计目的就是为了在家用电器设备之间传送话音和数据，并 且能够与公众交换电话网( p s t n ) 和互联网进行交互式操作。它工作于2 4 g h zi s m 频段， 采用数字跳频扩频技术。支持t d m a 业务和c s m a c a 业务，t d m a 用于传送交互式话音和其它 时间敏感性业务，而c s i a c a 用于传送高速分组数据。 h o m e r f 技术有个很大的问题，就是它和8 0 2 1 1 b 如果在一起使用无线传输将会互相干 扰、互相阻塞。h o m e r f 更侧重于家用，如无绳电话等，8 0 2 1 1 b 则是把l a n 衍生到无线空间。 3 、基于卫星通信的无线接入技术 无线移动通信除了火部分依靠城市蜂窝网、如上述外，还有下星通信也非常重要。 同步卫星对同定通信和广播已经多年实践证明极为可靠，还可有利地提供远程移动通信、低 轨道、中轨道卫星通信。 同步轨道运行的卫星过去提供可靠的国际通信和电视传播，享有盛誉。近年加强开发， 尤其对卫星内部的转发器( t r a n s p o n d e r ) ，放宽传输频带、加人发射功率、改进大线效率， 共至加装a t m 设备，扩大业务功能，以致地面应用越来越增多。一种应用是在地上安装“甚 小孔径大线”的星站称为v s a t ，为人企业的广域专片i 通信提供方便。同步卫星也可能 对地面提供远距移动通信，但地面移动终端需装较大的对星天线，而且在高楼林立的城市中 心电波传捅有嘲难。 为此，克服上述不足，提供对地面的全球移动通信。人们又研制了低轨道( 离地面几百 至一千公里的几十颗移动卫星族) 卫星，称为l e o 和中轨道( 离地约一万公里的十颗移动 - 1 j 星族) 卫星，称为m e 0 。相应地，原来离地面3 6 ，0 0 0 k m 、与地球同步运行的三颗卫星族， 称为g e 0 。 8 铱卫星系统( i r i d i u m ) 和全球星系统( g l o b a l s t a r ) 是l e o 系统发展最快的范例：奥迪 赛系统( o d y s s e v ) 、i n m a r s a tp - 2 1 是m e o 系统的范例：l n m a r s a t 系统、亚洲卫星移动通信 系统( a s m t s ) 是g e o 系统的范例这三种系统都要用手持机进行个人通信，它们除了具 仃话音通信功能外，还应具有传送数据、传真、寻呼、静态图像和定位等功能。下面简单介 绍l e o 卫星移动通信系统。 利用l e o 卫星实现手持个人通信的优点在于：一方面卫星的轨道高度低，使得传输延 时短、路径损耗小，多个卫星组成的星座可实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方 面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展也为低轨道卫星移动通信提供了技术保 障。因此，l e o 系统被认为是最新最有前途的卫星移动通信系统。 低轨道卫星移动通信系统由卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用 户单元等组成。在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个平面上的卫星联结起 来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内 用户至少被一颗卫星覆盖，用户可随时接入系统。 1 3 宽带无线通信发展的关键技术 无线通信利用无线电波传播来传输信息。为了实现可靠的宽带无线通信，必须采取一些 特殊的技术。这些关键的技术分别是多载波调制技术、自适应技术、多用户检测技术、分集 技术、媒体访问控制技术以及安全技术。 】3 1 多载波调制技术 多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 的原理是将所要传输的数据流分解成若干 个比特流，每个子数据流具有低得多的传输比特速率，并且用这些数据流去并行调制若干个 载波。 多载波调制的主要优点是具有抗信道时间弥散的特性。例如在无线倍道( 特别是陆地移 动信道) 中存在着多径效应，因而对传输的数字信号产生时延扩展，造成接收信号中前后码 元交叠，产生所谓码间串扰( t s l ) ，造成判决错误，严重影响传输质量特别是在码元速率 较高的情况下，更是如此。这是由于在码元周期很短的情况下。时延扩展将跨越更多的码元， 造成严重码间干扰。从另一个角度来看，码元速率较高时信号带宽较宽，当信号带宽接近和 超过信道相干带宽时，信道对时间弥散将对接收信号造成频率选择性衰落。所以时间弥散是 使无线信道传输速率受限的主要原因之一。在多载波调制的子信道中，数据传输速率低，码 元周期长，只要时延扩展与码元周期之比小于一定的值，就不会造成码问串扰。因而，从本 质上说，m c m 对信道的时延弥散不敏感，或者说具有抗时延弥散的特性。使用单载波调制 进行高速率传输时必须加均衡器，而用多载波调制不加均衡器也能获得较好的性能。这点 从另一个角度解释就是m c m 具有分集的功能。当然，分集的增益必须经过适当的处理才能 获得。 当信道随时间快速变化时，会引起频率弥散，造成接收信号的频率偏移和相位跳变。研 究表明，某些类型的m c m 可用于快速时变信道即频率弥散信道中，并获得好处。这是由于 码元周期相对较长，以至在一次信号衰落期间内码元能量不大可能完全消失。然而，在另 一些对子信道载波相互间关系有严格要求的m c m 中，频率弥散会造成信道间干扰。对频率 偏移的敏感性常常被认为是m c m 的主要缺点之一。 多载波调制( m c m ) 可通过多音实现、d m t ( 离散多音频调制) 、m c - c d m a 、编码 9 m c m ( c o d e dm c m ) 和正交频分复用( o f d m ) 技术实现。 其中，o f d m 调制使用相互正交的一组子载波构成子信道来传输各个子数据流，子信 j 苴的频谱是可以相互交叠的，这样就提高了频谱效率。另外，采用时间受限的脉冲来进一步 降低对时延扩展的敏感性。而且只要子载波满足特定的正交约束条件，在接收端只需采用简 单的混频和积分就能够有效地分离各个子信道。此外，o f d m 技术还有一个重要的优点t 就是o f d m 能够用f f t 算法实现，并可以采用非常有效的数字信号处理器( d s p ) 技术。 正是由于其具有多种优点，o f d m 已经作为工业标准被广泛应用于高速无线局域网、数字 音频广播( d a b ) 系统以及数字视频广播( d v b ) 系统中，并被推荐作为下一代蜂窝移动 通信系统的主要调制方式。 1 3 2 自适应技术 自适应技术有自适应调制、自适应编码、自适应均衡以及自适应天线等几种。下面分别 进行介绍。 陆地无线通信中信号受到多径效应的作用会产生严重的幅度衰落和时延扩展，造成误比 特率性能恶化。克服幅度衰落的种措施是增加发射功率，加大幅度余量。但无线系统的发 射功率是严格受限的，否则会增大同道干扰，降低系统容量。另一种方法是降低无线信道中 的比特传输速率，使得在判决电路中增加观察时间，提高判决准确程度。从另一个角度看， 为克服时延扩展造成的码间串扰，降低传输速率也会带来好处。但是，降低了传输速率也就 降低了频谱利用率，这在频率资源日益紧张的移动通信中是不能接受的。一种较理想的方法 是根据移动信道随机变化的情况自适应地改变无线传输速率：信道条件好时，用较高速率： 信道条件差时，降低传输速率。这就是所谓可变速率调制。这种调制方法可以在频谱效率和 系统误码性能两方面都达到令人满意的程度。 实际上，可变速率调制是一种和基本调制方式相结合的传输控制方法。这里有两个关键 的问题要解决：一是如何判断信道条件的好坏；二是如何改变比特传输速率。可以采用不同 的判断准则和不同的改变速率的方案，发展成各种可变速率的调制方法。通常，自适应调制 技术和自适应编码技术结合在一起使用，构成具有链路自适应能力的物理调制编码技术。这 种方法在高速无线通信中得到广泛的应用。 自适应编码技术是通过实时监测无线环境的变化，灵活切换到合适的编码方式，以实现 误码率和数据速率的最佳搭配的一种编码技术。自适应编码通常有自适应卷积编码和自适应 t u r b o 编码等几种。它通常和自适应调制技术结合起来使用。 自适应均衡技术是实时进行信道特性估计，并自动调整均衡器内部参数，跟踪信道特性， 从而获得最小的i s i 。 除了上述的基带自适应技术外，射频上还有一种十分重要的自适应技术，即自适应天线 技术，也称为智能天线。 智能天线原名白适应天线阵列( a a a ，a d a p t i v ea n t e n n aa r r a y ) ，最初应用于雷达、声 纳等军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的白 适应天线阵。移动通信研究者给应用于移动通信的白适应天线阵起了一个较吸引人的名 字一一智能天线。 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波嫩调节等智能功能，被认为烛未来移 动通信的关键技术。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范闱内想要的 信号，这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量，其基本原理是在无线基站端使用大线 阵和相干无线收发信机米实现射频信号的接收和发射，同刚，通过基带数字信号处理器，对 器个犬线链路上接收到的信号按一定算法进行合并实现上行波束赋形。 _ 1 前，智能天线的j ：作方式士受有两种：全自适府方式和基丁顶多波束的波束切换方式。 仓臼适应智能天线虽然从理论上讲以达到撮优，但相对而言各种算法均存在所需数据蚺、 “算蟮人，信逆模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实 翰：信道条什p 当1 扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一划户进行实时跟 踪。：是在这一背最下，基丁预多波束的切换波束丁作方式被提出。此刚全空域( 各种可能 的入刺角) 被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相 郫波束的主瓣间通常会有一些重稳，接收时的主要任务是挑选一个( 也有可能是儿个，但需 合弗后再输出) 作为上作模式，与臼适应方式相比它显然更容易实现，实际上我们可将其看 作是介丁扇形天线与全自适麻天线问的种技术，也是末来智能天线技术发展的方向。 1 3 3 多用户检测 多用户检测也称联合检测，是一种多用户的干扰抑制技术，是一种消除和减轻多用户干 扰的主要技术。多用户检测技术对于基于c d m a 的干扰受限无线系统性能改善具有十分重 大的意义。在传统的c d m a 系统中，各个用户的接收是独立的。在多径衰落的环境中，备 用户的扩频码难以保持正交因而造成多个用户间的相互干扰，这限制了系统容量的提高。 多用户检测的基本思想是把所有用户的信号都看作有用信号，而不是当作干扰信号来处理， 这样可以充分利用每个用户信号中的有效信息，从而大幅度降低多径多址干扰。 1 3 4 分集 分集是一种有效克服多径衰落的技术。在不增加发射机功率或信道带宽的情况下，分集 技术有效地提高了系统的可靠性。分集接收的基本思想是：选择一个信号的两个或多个独立 的采样，这些采样是不相关的，这意味着这些采样同时低于某个给点电平的概率比任何单 一采样低于该值的概率低得多：因此，由不同样本适当合并而成得信号比任何个单一样本 的衰落现