无线调制解调器技术与应用.doc

无线调制解调器技术与应用吴迪徐功信( 东华大学信息科学与技术学院 ,上海 ,200051)摘要 介绍了应用于多种无线通信系统中的无线调制解调器技术 、标准以及设计中需要注意的问题 。并就一个应用于蜂窝数字式分组数据 (CDPD) 系统的无线调制解调器方案进行了具体分析 。 关键词 : 无线通信 , 调制解调器 , 蜂窝数字式分组数据中图法分类号 : TN 915105调制解调器 (MODEM) 作为一个术语 ,是英文调制(MOdulation) / 解 调 ( DEModulation) 的 首 字 母 缩 写 词 。 调制解调器将来自数字设备的数字信号转换成适合信道传输的模拟信号 , 然后通过传输介质发送出去 。 在接收端模拟信号被解调 转换成相应的数字信 号 。按照使用的传输介质划分 ,我们可以将调制解调 器分成有线和无线两大类 。与传统的调制解调器 、数 字用户线 (DSL) 、线缆调制解调器 ( Cable Modem) 不同 ,无线调制解调器利用无线电波 、微波或者红外线等介 质传输数据 。无线调制解调器是大部分无线通信系统中必不 可少的组成部分 。随着无线通信技术的发展 ,各种无 线调制解调器应运而生 , 且越来越受到人们的关注 。这里讨论了近代各种无线调制解调器技术及其应用 领域 ,并在网络的层面上分析一个具体无线调制解调 器解决方案 。接收来自接收模块的对应的频率信号 ,解调相应的波形成为数字信号 。具体地说典型的无线调制解调器 完成了 OSI7 层模型中的物理层和数据链路层的功能 。图 1 无线调制解调器基本框图无线调制解调器的应用与技术2下面 ,我们介绍几种主要的无线调制解调器的应用环境 , 以及针对不同应用的无线调制解调器技术 。 这些对无线调制解调器设计人员来说是非常重要的 。211蜂窝电话先进移动电话系统 (AMPS) 是一个模拟移动通信 系统 。它是当今发展迅速的数字个人通信系统 ( PCS) 技术的基础 。其控制信道的无线调制解调器采用调制指数 h = 018 的移频键控 ( FSK) 调制技术 ,利用一个 宽带数字信道来建立蜂窝模拟话音连接 。该数字信基本工作原理1图 1 是一个典型无线调制解调器的框图 :无线调制解调器包括的数字基带调制解调部分 、 射频收发模块两个部分 。当发送数据时 ,来自用户的基带信号 ,经过编码 、由调制器转化为模拟信号 ,然后该模拟信号再被调制到相应的频段 ,交由发射装置以 无线电波的形式发送 。在接收端 ,基带信号的解调器140东华大学学报( 自然科学版)第 27 卷道用来传输话音连接所必需的信息 ( 例如 , 电子设备识别号 、电话号码 、漫游功能等) 。在接收端 , 利用调 频话音接收器中的鉴频器对 FSK 信号进行解调 。为 保证 数 据 的 正 确 安 全 传 输 , 运 用 简 单 的 分 组 编 码(Block Coding) 以及数据重传协议 。20 世纪 90 年代初 ,由于 AMPS 市场的迅速发展 ,使得大量的资金投向无线调制解调器的研究和开发 。 其目标是利用数字通信技术替代频谱效率低下的模 拟通信技术 ,从而达到对宝贵的频率资源更合理的利 用 。如今 ,数字蜂窝电话技术中广泛采用了数字调制 技术 。在美国主要是两种电信工业协会 ( TIA) 的暂行标准 IS 54/ IS 136 和 IS 95 标准的竞争 。前者使用1990 年 ,美国的蜂窝运营商协会提出了蜂窝数字式分组数据 ( CDPD) 方案 。该系统是叠加在现存的模 拟蜂窝电话系统上的无线分组数据网 ,由多个移动用 户共享一对信道 : 采用争用方式的前向信道和采用广 播方式的反向信道 。这使得蜂窝电话运营商能够利 用这些空闲信道进行数据业务从而获得更多的利润 。CDPD 工作在 1912 kbp s 的无线链路上 ,其用户最大的 数据吞吐量大于 916 kbp s 。1997 年底邮电部 ( 现信息产业部) 主管数据通信 的数据局决定投资 1 亿元人民币建设中国公用无线数 据通信网 ,全网采用朗讯公司的 CDPD 系统 。经过一年的施工建设 ,该网目前已经覆盖全国 6 个大型城市 , 它们是北京 、上海 、广州 、长沙 、厦门 、深圳 。该网今后 的发展目标将是覆盖整个中国2 。213 无线本地环路( WLL) 和个人接入系统( PACS)广域数字网络还有一个新的应用 。无线本地环 路 (WLL) 或称固定蜂窝服务 。通过对蜂窝网络的改造用来在有线基础网络实施困难的地方提供固定的电话连接 。该技术使得一个城镇能够提供虚拟的固定 电话的功能 。WLL 也广泛地采用数字调制方案来满 足较大的通信容量的需求 。因为便于实施 ,而且初期投资相对低廉 ,WLL 得到了发展中国家的广泛关注 。 个人接入系统 ( PACS) 是一个第三代个人通信系统 。其主要目标是将各种形式的 WLL 系统综合成一 个具有完全电话性能的系统 ,以便向本地交换运营商(L EC) 提供无线接入 。用于其固定用户单元 ( SU) 的无 线调制解调器使用/ 4 DQPSK 调制技术 。空中接口 的比特速率为 384 kbp s3 。214 卫星通信专用卫星通信网络的研究至今已有 20 年的历史 。 但是 ,无论是专用还是商用的卫星通信网面临的不仅仅是价格的问题 。在许多场合下 ,还面临着对天线尺 寸的限 制 的 问 题 。许 多 地 方 对 天 线 的 直 径 限 制 在112 m以下 。可是 ,小尺寸的天线的增益 、有效全向发射功率 ( EIR P) 、以及接收端的增益温度比 ( G/ T) 的性 能指标都较低 。为了满足必需的卫星链路开销 ,一个简单的方案是采用大口径的地面中心天线来为多个 小的地球站服务 。如今低成本的超大规模集成电路 (VLSI) 的广泛使用 ,使得调制解调器中的高速前向纠 错 ( FEC) 编码/ 解码器易于实现 ,这也使得卫星地面站 的天线尺寸变得更小 。数字调制解调器设计技术早在 20 世纪 80 年代已经应用于卫星通信系统中 。在加 性高斯白噪声 (AGWN) 的环境下 ,这种低价格的调制/ 4 QPSK 调制 ,其通信容量大约是普通 AMPS 的 6 倍 。IS 136 用户终端和 IS 54 不兼容 ,因为 IS 136 对全部的控 制 信 道 采 用 4816 kbp s 速 率 ( 不 支 持 10 kbp sFSK) 。这使得 IS136 调制解调器的成本较低 ,因为每个移动单元只需使用 4816 kbp s 的调制解调器 。IS95 使用 OQPSK 调制方式 。前向链路的 I 、Q 信道使用带宽为 1125 MHz BPSK 扩频调制方式 。基于这种标准 的无线调制解调器利用一个 64 3 64 正交 Hadamard 编 码空间 。IS 95 的信道容量大约是 AMPS 系统的 810 倍1 。在欧洲和亚洲 GSM 系统占据了主导地位 。它采用的是 B T = 013 最小高斯移频键控 ( GMSK) 的恒 包络调制方式 。电信服务的下一轮的竞争的焦点将集中在各种 形式的个人通信网络 ( PCN) 和 PCS 上 。同样地 ,针对不同的蜂窝标准无线调制解调器技术之间的竞争也 将是激烈的 。212广域无线数字服务过去的十年 ,广域无线数字服务得到了迅速的发 展 。可是 ,广域网需要大量的初期基础设施的投入来提供很大覆盖范围 ,这也制约了该技术的推广 。巨大 的初期 投 资 导 致 单 位 数 据 包 的 开 销 相 对 来 说 较 大 。 而且无线调制解调器的价格也偏高 。这也使得消费 者宁愿忍受有线调制解调器使用上的不便 ,而不愿接 受高昂价格的无线服务 。现有解决这种冲突的有效方案是利用现有的蜂窝基础网络来提供数据服务的 覆盖 。常规的蜂窝电话网络也可以进行提供数据业务 。 比如 ,AMPS 可以通过连接一个低速率的调制解调器来实现数字通信 , 但是效率很低 。尽 管 , IS54/ IS136 在传输数据业务的时候更高效 ,可是 ,其数据业务占用了话音业务的频带 。 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 期吴 迪等 : 无线调制解调器技术与应用141解调器的误比特率 ( B ER) 的性能指标已达到接近理论值的水平 。在给定的信噪比 ( Eb/ N 0 ) 条件下 , 采用高 效的 FEC 编码系统可以提供大约 6 dB 的增益 。直到近十年以来 ,面向普通消费者的商用地面站 技术才真正得以完善 。1995 年直接广播式卫星系统(DBS) 正式投入运营 。应用于该系统地球站的无线调 制解调器利用 QPSK 调制方式 ,可以接收 40 Mbp s 的下 行链路 。其解码器的损耗小于 011 dB 。天线直径约为0175 m 。系统的误比特率 ( B ER ) 性能能够达到 10 - 10 。 如今 ,很 大 一 部 分 通 信 业 务 是 通 过 卫 星 通 信 来 实 现 的 。除了那些数量众多的商用同步地球卫星之外 ,还有许多没有公布的军用或是其他用途的卫星 。作为 卫星无线调制解调器的设计人员在理想的调制解调 器链路测试时 ,需要考虑这些已知的和未知的卫星对 测试产生的干扰 。今天 ,对于卫星无线调制解调器设计人员来说 ,新的挑战来自“B IG L EO”网络中的手持卫星地面站 。 这里的 L EO 指的是低轨道同步地球卫星 。最初体现B IG L EO 概念的系统是如今证明并不 成 功 的 铱 星 系 统 。也许 ,昂贵的通信费用和手持设备是铱星系统失 败的最主要的原因 。因此 ,从无线调制解调器设计人员的角度来看 ,这些 L EO 网络要得以成功必须在卫星 地面站的设计方面有所创新 。215 固定数字微波链路模拟微波链路仍然被用于作为许多国家的电信 基础网络的骨干网 。例如 ,日本一半的长途电话线路和几乎所有的电视广播线路仍然依靠微波链路 。美 国和亚洲的情况与之类似 。20 世纪 70 年代末 、80 年 代初 ,固定数字微波链路开始从模拟调制 ( 主要是 FM 和 SSB) 过渡到数字调制技术 。与此同时 ,设计人员开 始关注数字调制解调器的设计 。数字微波通信中占主导地位的调制技术是 QAM 。因此 ,这个领域中最为 成熟的是无线多电平 QAM 调制解调器技术 。数字微 波链路调制解调器设计用来满足现有模拟干线的无 线波段兼容性问题 。其中几个突出的问题是 ,如何解 决随着越来越多的射频应用的使用 、不断增加的电磁干扰使得工作环境越来越恶化的问题 。还有 ,多径衰 落和多径码间干扰的影响同样也是数字微波无线调 制解调器设计人员面临的挑战 。早期的 16 QAM 和 64 QAM 数字微波无线调制通过计算我们知道 , 为了达到 10 bp s/ Hz 的频谱利用率 ,SNR 必需等于或者大于 30 dB 。虽然 ,在频率复用 中使用 极 化 天 线 也 可 以 一 定 程 度 上 提 高 频 谱 效 率 。 然而 ,对于工作频段大约 10 GHz 的大多数数字微波链 路无线 调 制 解 调 器 来 说 , 如 果 天 线 的 极 化 隔 离 大 约30 dB ,SNR 等于或者大于 30 dB ,要满足频谱效率达到10 bp s/ Hz ,1024 QAM 调制方式几乎是必然的选择 。216无线局域网有线局域网 , 特别是 IEEE 80213 以太网的成功 , 使人们对无线局域网的未来充满信心 。无线局域网 技术能够获得成功的关键是对频率管制的放宽 。全球范 围 内 划 分 了 3 个 工 业 、科 学 、医 疗 ( ISM) 频 段 ,902928 MHz 、21421483 5 MHz 、5 GHz 。其中 ,5 GHz的频 段 尚 处 于 立 法 阶 段 , 我 国 开 放 的 频 段 是 214 21483 5 MHz 。无线 局 域 网 技 术 主 要 是 两 种 扩 频 技 术 的 竞 争 直 接 序 列 扩 频 技 术 ( DSSS) 和 跳 频 扩 频 技 术( FHSS) 。对 于 基 于 DSSS 技 术 的 无 线 调 制 解 调 器 来说 ,主要的调制方式是差分正交相移键 控 ( DQPSK) 。 而基于 FHSS 技术的无线调制解调器则通常采用 GM2SK 调制方式 。而且 ,一般规定 ISM 频段内的 EIRP 应该小于 6 dBW 。IEEE 802111 委员会定义的工作在 214GHz 频段的 DSSS 系统的比特速率为 11 Mbp s , FHSS 系 统为 315 Mbp s 。在欧洲 ,有着另一个标准 , HIPERLAN 。 它定义 ,工作在 51155130 GHz 和17111712 GHz 频 段 ,传输速率为 231529 Mbp s 。除 了 利 用 ISM 频 段 之外 ,无线局域网系统还使用红外线 、激光和微波频段 。1992 年 AT&T 和 NCR 公司与 Motorola 公司最先推 出了各 自 基 于 微 波 扩 频 技 术 的 无 线 网 络 产 品 ; 继 而 Proxim , Telexystem ( 现 在 的 Arionet ) , Solectek 公 司 等 也 在 1993 年前后推出了自己的产品 。最近 , Solectek 公司已经推出了基于 IEEE802111 协议的快速无线网桥 , 其速率达到 10 Mbp s ,并通过了美国 UL 测试 。45 Mbp s 的无线网桥的研发工作预计明年能够完成 。日本 ,欧 洲的几家公司也分别推出了基于 2145 GHz 微波扩频 技术的 无 线 产 品 。我 国 这 方 面 的 研 究 工 作 也 在 进行中 。217本地多点发布系统本地多点发布系统 (LMDS) 作为无线数字通信领 域中的一个全新的分支 ,正受到越来越多的关注 。该 技术 最 初 提 出 用 来 在 2715 28135 GHz 和 2911 29125 GHz的频带内提供无线 CABL E TV 的发布4 。它 能够以很低的价格向家庭用户提供高速率的数字宽解调器系统占用了宝贵的窄带射频资源 。之后采用256 QAM 和 1024 QAM 调制方式的系统较好地解决了这个问题 。并且使得通信速率得到了很大的提高 。 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 142东华大学学报( 自然科学版)第 27 卷带服务 。这使得它非常适 合 提 供 高 速 Internet 接 入 。在美国 ,LMDS 工作频段已经升至 31 3113 GHz 。在 欧洲 ,诸如多点视频发布系统 (MVDS) 等类似的服务 , 工作在 40 GHz 频段 。许多地方 , 为了满足高速无线 Internet 接入的需要 ,利用现有 DBS 系统组成 LMDS 网 络 。在正向链路 ,作为 DBS 转发器的无线调制解调器 提供大约 40 Mbp s 的传输能力 。而利用低速的有线调 制解调器来提供自用户的反向链路 。CDPD 调制解调器包含的通信协议有 4 层 , 自下而上依次为物理层 、媒体接入控制 (MAC) 层 、逻辑链路 控制 (LLC) 层 。子网相关会聚协议 ( SNDCP) 层 。来自 用户终端网络层的 TCP/ IP 协议数据单元 ( PDUs) 需通 过 SNDCP 、LLC 和 MAC 层 ,变换成 GMSK 基带信号 ,然 后经 FM 调制 、频谱搬移和功放 ,通过无线链路发送到 对等实体 。311 子网相关会聚层SNDCP 是网络层的下半层 ,它的主要工作是 : 对 IP/ CLNP 包进行压缩 、分割压缩后的 IP/ CLNP 包 、及其 地址和加密方式并且提供 SNDCP 顶层多个网络层实体的复 接 。在 该 层 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 。NPDU 数据包单元 生成 后 被 放 置 到 LLC 帧 内 。同 样 的 SNDCP 也 能 从 LLC 层发来的分段序列中解析出 TCP/ IP 的 PDUs , 送 给上层处理 。SNDCP 层的引入是对网络层加强 ,使得数据包在 空 中 传 输 时 显 得 更 加 有 效 和 安 全 。SNDCP 层存在于 MES 和 MDIS 之间 ,当 SNDCP 在基站和 MDIS 间传输时 , 其低层使用的却是内部帧中继协议 , 通信 速率为 64 kbp s 。312 逻辑链路控制层LLC 层采用 ITU - T 建议 Q1920 和 Q1921 的无线应 用 实 例3下面我们分析一个具体的用于 CDPD 系统的无线调制解调器解决方案 。CDPD 系 统 主 要 包 括 4 部 分 : 移 动 终 端 系 统(MES) 、移 动 数 据 基 站 ( MDBS) 、移 动 数 据 中 介 系 统(MDIS) 和网络管理系统 (NMS) 5 。移动终端系统 (MES) : 它由移动终端和 CDPD 无 线调制解调器组成 。CDPD 无线调制解调器负责管理 无线链路和协议 。用户终端与无线调制解调器之间以异步方式通信采用标准的串口协议 ,如 : 串行网际 协议 ( SL IP ) 或 点 对 点 协 议 ( PPP) 。其 接 口 规 范 有 RS - 232 ,PCMCIA 和内置 PCI 插槽型 。用户终端实现 应用层 、传输层和网络层 (提供传输控制协议/ 网际协 议 ( TCP/ IP) 和无线连接网络服务 ( CLNS) ) 的功能 。对于通信的两端来说 , TCP/ IP 屏蔽了底层 , 向上提供了 符合公共标准的用户编程界面 ,使用户感觉不到也不 必关心底层协议 。CDPD 调制解调器则包括子网相关 会聚协议 ( SNDCP) 、移动数据链路协议 (MDLP) 、媒质 接入控制 (MAC) 协议和物理层 ( Physical ) 协议 。其网络分层结构如图 2 。6链路协议 移动数据链路协议 (MDLP) 。MES 与MDBS 之间以 MDLP 进行通信 。MDLP 主要完成链路 连接 、TEI (临时设备标识符) 值分配 、信息传送 、差错控 制及 流 量 控 制 等 功 能 。LLC 层 负 责 在 SNDCP 层 的SNDC 数 据 单 元 上 形 成 LLC 地 址 、帧 字 段 , 从 而 完 成 LLC 帧的封装 。完整的 LLC 帧包括 : 信息帧 、监督帧 和无编号帧等多种帧结构 , 每种帧由地址字段 、控制 字段和信息字段组成 。另外 LLC 可以实现一点对多 点的寻址和数据的重发控制 。313 媒体接入控制层MAC 层包括数据封装 、媒质接入控制 、信道流同 步和信道编码等模块 。MAC 层同时也用来定义和分 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 的逻辑信道分广播信道和点对点业务信道 , 广播信道又分为控制和管理两种 , 控 制信道用于广播控制信息 ,管理信道用于广播无线资 源管理信息 。点对点业务信道用于单个 MES 与其服 务 MDIS 间的信息传输 。MAC 层把来自 MDLP 层数据 帧连接在一起 , 然后对比特流分组 , 并以数据块为单位把比特流送到物理层 。每个数据块又由 7 个被 FEC效验分隔的小帧组成 。同时 ,MAC 层也能通过数据块图 2 CDPD 网络分层模型 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 期吴 迪等 : 无线调制解调器技术与应用143中的 FEC 部分捎带的“状态 、同步”等控制标志来解决用户发射信道的控制 。314 物理层物理层采用 GMSK 调制方式把比特流调制到射频 频率上 。物理层包括射频接口部分 ,而物理链路则负 责提供空中接口的射频信道 。MES 与 MDBS 间靠一对频率范围为 824825 MHz ,频率间隔 30 kHz 的 RF 信 道进行通信 ,正 、反向两个信道形成了一条 CDPD 信道 流 。空中信道速率 1912 kbp s ,由于采用公共信道的方 式 ,用户在空中也采用数字监测多址接入/ 冲突检测(DSMA/ CD) 的争用形式 。考虑到编码效率 、信道效率 以及信道争用的冲突 ,由于 MDLP 的上层 SNDCP 可以 提供数据压 缩 功 能 , 因 此 其 有 用 带 宽 ( IP 网 络 层 ) 为10 kbp s左右 ( 理论值 : 前向信道 1211 kbp s , 反向信道1312 kbp s) 。物理层还与无线资源管理实体 ( RRME) 相 接口 ,通过这个接口 ,RRME 对 RF 信道对 、传输功率电平和物理链路的通断进行控制 ,并检测 RF 信道信号 电平和估算它的通信能力 。竞争的格局很难改变 。而且无线网络的安全性及互操作性方面的许多不足 ,使得无线调制解调器技术还 面临着许多挑战 。今天 ,世界各国政府颁发 LMDS 的 经营许可权 , 为宽带网络市场带来新的活力 , 其意义 可谓深远 。随着市场对宽带通信的需求的增加 ,应用 于 LMDS、本地多点通信系统 (LMCS) 、多点视频配送系 统 (MVDS) 及微波多点配送业务 (MMDS) 等宽带无线 通信技术中的无线调制解调器受到越来越多的关注 。 由于 ,宽带无线技术还处于定向应用阶段 。因此 , 作 为具体应用的无线调制解调器技术的成功和完善还 有很多的工作要做 。我们相信 , 除价格因素之外 , 无 线调制解调器发展的关键要素最终可以归结为速度 、 标准和应用 。参考文献Li Wentao1 A DSP Based/ 4 DQPSK Modem : Master s thesis 1 Saska21toon : University of Saskatchewan , 1999倪振东 1 CDPD 无线数据通信技术在商业领域应用实例 EB/ OL 1中国 CDPD 论坛