经典著作无线通信与网络技术(第2版).doc

9第1章 引言第1章 引 言本书介绍了有关无线通信和网络技术方面的内容，包括加剧的竞争和数字技术的引进在内的诸多因素给无线应用市场带来了空前发展。本章，我们将讨论驱动这一新兴的电信革命的几个关键性因素。本书连同本书的Web站点，为读者提供了诸多的材料。按照讨论惯例，这一章仅对全书做一个概述。1.1 无线通信时代的到来古列尔默马可尼在1896年发明了无线电报1 实际发明无线通信的应该归功于尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)，他在1893年曾做过一个公开的演示。1943年马可尼的专利被取消，从而认同了特斯拉的发明。他在1901年把长波无线电信号从康沃尔(Cornwall，位于英国的西南部)跨过大西洋传送到3200公里之外的圣约翰(St. John，位于加拿大)的纽芬兰岛(Newfoundland)。他的发明使双方可以通过彼此发送用模拟信号编码的字母数字符号来进行通信。一个世纪以来，无线技术的发展为人类带来了无线电、电视、移动电话和通信卫星。现在，几乎所有类型的信息都可以发送到世界的各个角落。近年来，更为引人关注的是卫星通信、无线网络和蜂窝技术。通信卫星是在20世纪60年代首次发射的，那时它们仅能处理240路语音话路。今天的通信卫星承载了大约所有语音流量的1/3，以及国家之间的所有电视信号EVAN98。现代通信卫星对所处理的信号一般都会有1/4s的传播延迟。新型的卫星是运行在低地球轨道上的，因而其固有的信号延迟会较小，这类卫星已经发射用于提供诸如Internet接入这样的数据服务。无线网络技术使商业企业能够发展广域网(WAN)、城域网(MAN)和局域网(LAN)而无需电缆设备。IEEE开发了作为无线局域网标准的802.11，蓝牙(Bluetooth)工业联盟也在致力于能提供一个无缝的无线网络技术。蜂窝或移动电话是马可尼无线电报的现代对等技术，它提供了双方的、双向的通信。第一代无线电话使用的是模拟技术，这种设备笨重且覆盖范围是不规则的，然而它们成功地向人们展示了移动通信的固有便捷性。现在的无线设备已经采用了数字技术。与模拟网络相比，数字网络可以承载更高的信息量并提供更好的接收和安全性。此外，数字技术带来可能的附加值的服务，诸如呼叫者标识。更新的无线设备使用能支持更高信息速率的频率范围连接到Internet上。无线通信为人类社会带来了深刻的影响，而且这种影响还会继续。没有几个发明能够用这样的方式使整个世界“变小”。定义无线通信设备如何相互作用的标准很快就会有一致的结果，人们不久就可以构建全球无线网络，并使之提供广泛的多种服务。图1.1标示了无线通信技术发展中的一些重要事件11 y轴使用了对数标度。有关对数标度的内容请参见计算机科学学生资源站点http:/WilliamStallings. com/StudentSupport. html中的数学复习材料。无线技术逐渐地移向采用更高的通信频率，如在后面章节中可以看到，较高的频率能够支持更高的数据传输速率和吞吐量。图1.1 无线通信中的一些重要事件1.2 蜂窝革命蜂窝革命直观地表现在移动电话市场罕见的增长上。在1990年，移动用户数大约是1100万ECON99。今天，这个数字是几十亿。根据国际电信联盟(International Telecommunications Union，ITU)22 ITU及其他制定标准化的组织的介绍，请参见本书Web站点中的相关文档。的统计，全世界范围的移动用户数在2002年首次超过固定电话的用户数。更新一代的设备，添加了具有可接入Internet和内置数码照相机这样的强大功能。出现移动电话显著增长的原因有很多：首先是移动电话的便捷性，它们可以随使用者移动；此外，其特性决定了它们是位置感知的；再有，移动电话是与处于固定位置的地区基站进行通信的。技术的创新造就了移动电话的成功。手机变得越来越小、越来越轻便，电池的寿命也延长了，数字技术改进了接收的效果并使有限的频谱得到更好的利用。随着越来越多的数字设备的出现，与移动电话相关的成本也在下降。在一些竞争激烈的地区，价格自1996年以来有了明显的下降。在很多地理环境特殊的地区，移动电话仅仅是为居民提供电话服务的惟一经济的方法。运营商可以很快并且花费很少地建立起基站，这与在不规则地形上挖沟并铺设通信线路相比要更便利、更经济。移动电话仅是这场蜂窝革命中较为明显的一个方面。随着新型无线设备的引进，这些新型设备可以接入到Internet上。它们除具有可对个人信息进行组织管理以及电话功能外，现在又有了Web接入、即时消息、E-mail和其他在Internet上可获得的服务。汽车中的无线设备可以根据需要为用户下载地图和导向。不久的将来，无线设备能够在发生事故时呼唤帮助，可以提醒司机相邻地区哪里的油价最低。其他的便利不久也可获得，例如，电冰箱也许将来某一天可以在Internet上订购食品以补充用完的物品。无线技术带来的第一个高潮是话音方面，现在，人们的注意力在数据上。这一市场比较大的一块是“无线”Internet。无线用户使用Internet不同于固定用户，与典型的固定设备(诸如PC机)相比，无线设备受显示和输入能力方面的限制，采用事务处理和消息会话，而不是冗长的浏览会话。无线设备由于具有位置感知能力，因而可以根据用户的地理位置对信息做适当的剪裁。信息有能力找到用户，而不需用户去搜索信息。1.3 全球蜂窝网络今天的蜂窝网不再是单一的。然而，设备仅能支持众多技术中的一两种，且通常只能在某一个运营商的网络范围内运行。要改变这种局面，在定义和实施标准方面需要做更多的工作。国际电信联盟正在开发下一代无线设备的标准。新的标准会使用更高的频率以增加其容量，新的标准也致力于消除在过去10年中人们在开发和使用不同的第一代、第二代网络时产生的不兼容性。在北美，使用较广泛的第一代数字无线网络是先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone System，AMPS)。该网络使用蜂窝数字分组数据(Cellular Digital Packet Data, CDPD)覆盖网络提供数据服务，它提供19.2kb/s的数据速率。CDPD在规则的话音通道上使用空闲期提供数据服务。主要的第二代无线系统有：全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM)、个人通信服务(Personal Communication Service，PCS)IS-136和PCS IS-95。PCS标准IS-136使用时分多点接入(Time Division Multiple Access，TDMA)，IS-95使用码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)。GSM和PCS IS-136使用专用信道以9.6kb/s的速率交付数据服务。ITU正在开发新的标准(International Mobile Telecommunication-2000，IMT-2000)。该系列标准致力于提供无缝的全球网，标准是围绕着2GHz频带开发的。新的标准和频带提供的数据速率可达到2Mb/s。除定义频率使用、编码技术和传输以外，标准还需要定义移动设备如何与Internet交互。有几个标准工作组和工业联盟正在致力于实现这样的目标。无线应用协议(Wireless Application Protocol，WAP)论坛正在开发一个通用协议，该协议准许具有有限显示和输入能力的设备存取Internet。因特网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)正开发一个移动IP标准，该标准可以使无处不在的IP协议在一个移动环境下工作。1.4 宽带Internet上有越来越多的多媒体应用。在万维网(World Wide Web，WWW)的网页上有大量的图片、视频和音频信息，商业通信也呈现同样的趋势。例如，E-mail常常包含了大量的多媒体附件。为了能够完全参与到通信中，要求无线网络具有与其进行通信的固定设备同样高的数据速率。通过宽带无线技术可以得到更高的数据速率。宽带无线服务具有所有无线服务同样的优点：便利和廉价。运营商的服务可以比固定服务更快地交付，且没有铺设线路设备的成本。这样的服务也是移动的，几乎能够在任一地方交付。围绕着很多不同的应用，有许多开发宽带无线标准的尝试。这些标准几乎覆盖了从无线局域网到小型无线家庭网络的所有方面。数据传输率范围也由2Mb/s到100Mb/s以上。这其中的很多技术现在就可获得，更多的技术在未来几年内也可获得。无线局域网(WLAN)在架设固定网络很困难或太昂贵的地方提供网络服务。主要的WLAN标准是IEEE的802.11，它提供高达54Mb/s的数据速率。802.11的一个潜在问题是与蓝牙技术的兼容性。蓝牙是一个无线网络的规范，它定义了诸如膝上型计算机(laptop)、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)和移动电话设备之间的无线通信。蓝牙和802.11的某些版本使用相同的频带。如果在同一个设备上配置，这两种技术很可能会相互干扰。1.5 未来趋势在新的无线网络技术上所做的很多开发努力使用了在许多国家并不需要许可授权的这部分频谱。在美国，有两个这样的频带：位于2.4GHz附近的工业、科学与医学(Industrial, Scientific, and Medical, ISM)频带，以及新近分配的不需要许可的无线电频带不需要许可的国家信息基础设施(Unlicensed National Information Infrastructure，UNII)频带。由(美国)联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)分配的UNII准许一些生产厂商开发高速无线网。为了找到能满足需求的足够的带宽，UNII的频带位于5GHz，这使得它与2.4GHz的设备是不相容的。使用免费的无需许可的无线电频谱可以使生产厂商避免几十亿美元的许可证费用。多年来，这些无线电频率被人们忽视，仅仅是在无绳电话和微波炉中应用。然而，近年来在消费者需求和活跃的标准化组织的激励下，相当多的研究和开发工作在进行中。这些工作的第一个显著成果是Wi-Fi(Wireless Fidelity，无线保真)，这是基于IEEE 802.11标准的非常流行的无线局域网技术。实质上，Wi-Fi是指经认证的可与Wi-Fi联盟(的产品)互操作的802.11兼容产品，Wi-Fi联盟是建立这种认证的一个专门组织。Wi-Fi不仅覆盖了基于办公室的局域网，也包括基于家庭的局域网和公开可获得的热点(hot spots)。热点是指中心天线周围的一些区域，人们使用经适当配备的笔记本电脑可以无线地共享信息或连接到Internet上。Wi-Fi技术将在第14章详细讨论。Wi-Fi只是利用这些频带的第一个主要工作，还有4个其他的创新技术通过研究、开发和标准化的努力正进行着这方面的工作，它们是WiMAX、Mobile-Fi、ZigBee和Ultrawideband。以下我们简要概述这些技术。WiMAX类似于Wi-Fi。二者均可建立热点，Wi-Fi覆盖的范围是几百米，WiMAX可以有4050000米的覆盖范围。因而，WiMAX可以为用于最后一英里宽带接入的有线、DSL和T1/E1方案提供一种无线的技术选择。它也作为附赠技术可用于连接802.11热点和Internet。WiMAX最初部署在固定位置上，但其移动版本在开发中。WiMAX是基于IEEE 802.16的一个互操作能力规范，它的详尽讨论见第11章。Mobile-Fi在技术方面类似于WiMAX的移动版本。Mobile-Fi的目标是以比今天家庭宽带链路可获得的更高的数据速率为移动用户提供Internet接入。在这里的上下文中，移动确实意味着移动(mobile)，不只是可活动的(movable)。这样，在一个移动的汽车或火车中旅行的Mobile-Fi用户就可以享受到宽带的Internet接入。Mobile-Fi是基于IEEE 802.20规范的。与Wi-Fi相比，ZigBee是在一个相对短的距离上提供一个相对低的数据速率。其目标是开发非常低成本的产品，具有非常低的功率消耗和低的数据速率。ZigBee技术使得在数千个微型传感器之间的通信能够协调进行，这些传感器可以散布在遍及办公室、农场或工厂地区，用于收集有关温度、化学、水或运动方面的细微信息。它们被设计使用非常少的电能，因为会放置在那里5或10年，而且还要持续供电。ZigBee设备的通信效率非常高，它们通过无线电波传送数据的方式就像人们在救火现场排成长龙依次传递水桶那样。在这条长龙的末端，数据可以传递给计算机用于分析，或通过另一种像Wi-Fi或WiMAX的无线技术将数据接收。Ultrawideband与在这一节所提到的其他技术相比则很不同。Ultrawideband可以使人们在短距离内以高的数据速率移动大量文件。例如，在家庭中，Ultrawideband可使用户不需要任何凌乱的线缆就可将几小时的视频从一台PC机传送到TV上。在行车途中，乘客可以将笔记本电脑放在行李箱内，通过Mobile-Fi接收数据，然后再利用Ultrawideband将这些数据拖到放在前座位的一台手持式计算机(Handheld Computer，也称掌上电脑)上。1.6 无线技术中的问题无线技术比固定服务更加便利且通常成本更低，但无线技术并不完美。在无线技术中还存在着局限性，存在着政治的和技术的困难，这些因素最终会导致无线技术不能充分发挥它的全部潜能。它存在着两个主要问题：不兼容的标准和设备的局限性。前面已提到，在北美有两个数字蜂窝服务的标准。国际上也有不止一个的标准，采用PCS IS-136标准的设备无法在采用PCS IS-95标准的地区使用。刚才还提到了，在同一个设备上无法既使用蓝牙也使用802.11。这只不过是由于缺乏行业范围内的标准而导致的问题中的两个例子。缺少一个全行业标准会阻止无线技术提供其真正理想之一：无所不在的数据存取。设备的局限性也限制数据的自由滚动。移动电话上小的LCD(液晶显示屏)不足以显示更多的文本行。此外，大多移动无线设备无法存取Internet上的绝大多数WWW站点，无线设备上的浏览器需要使用一种特定的语言无线置标语言(Wireless Markup Language，WML)来代替实际上的标准超文本置标语言HTML。最可能的是，几乎没有一种无线设备能满足各种需求。无线服务的潜能可以满足，但并非是单一产品所能够提供的。由于无线技术可以集成到能够满足各种需求的多种设备中，故无线技术会取得成功。1.7 本书概要本书的目标是全面介绍有关无线通信的基础、无线网络和无线应用的内容。全书按四部分(见图1.2)组织：已经熟悉数据通信和网络技术的读者可以放心地跳过或只需浏览一下图1.2 无线论题第一篇的内容；第二篇讨论了覆盖本书后面和下面应阅读的内容所涉及的基本原理；第三、四篇内容是相互独立的，阅读顺序随意。第三篇的各章几乎都是独立的，阅读的顺序可按个人的兴趣选择。同样，第四篇中的第14和第15章也是独立的，阅读的顺序随意。第一篇：技术背景本篇是全书的预览，在此说明了书中其余篇章的前后关联，内容覆盖了数据通信以及TCP/IP的基本论题。本篇连同书末的附录一起使本书的内容尽可能是自足的。第2章：传输基础 本章介绍有关传输的基本内容。首先介绍有关数据通信的基本概念，包括信号技术、模拟数据和数字数据传输，而后介绍信道容量、传输媒体和多路复用技术的概念。第3章：通信网络 这一章对基本通信网络技术做一概述和比较，包括电路交换、分组交换和ATM。第4章：协议和TCP/IP协议簇 数据网络通信和分布式应用依赖于基本的通信软件，这种软件与应用无关并且使应用免于承受因可靠地交换数据而带来的很多负担。这种通信软件按照一种协议结构组织，这种协议结构的最重要的体现是TCP/IP协议簇。第4章介绍了协议结构的概念，并概述了TCP/IP。另一种体系结构，开放系统互联(Open Systems Interconnection，OSI)参考模型也在此做了简要的描述。最后，讨论了互联网的概念以及如何使用TCP/IP实现互联网。第二篇：无线通信技术本篇讨论了有关无线传输的基本技术以及无线传输中模拟数据和数字数据的编码技术。第5章：天线和传播 本章考察了无线电和微波的基本原理，讨论了天线性能的有关方面，然后考察了无线传输模型，最后探讨了信号衰退的关键问题。第6章：信号编码技术 数据可以是模拟(连续的)或数字(离散的)形式的。为进行传输，输入数据必须被编码成一种与传输媒体的特性相适应的电子信号。模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或者数字信号来表示，本章讨论了无线传输中的一些相关事例。第7章：扩频 人们所熟知的在无线通信中日益流行的一种形式是扩频(spread spectrum)。有两种常用的方法：跳频和直接顺序扩频。本章概述了这两种技术。本章还探讨了有关码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)的概念，这是一种用来提供多点接入的扩频的应用。第8章：编码和差错控制 无线通信系统很容易出错，事实上，所有的无线传输系统都采用了在传输的数据中添加冗余位的前向纠错(FEC)技术，使得位差错可以在接收端被校正。本章详细地探讨了FEC。此外，本章还讨论了在许多无线系统中采用的通过冗余进行差错检测的技术。差错检测常常和自动请求重发(ARQ)技术结合在一起，在接收器检测到数据块中的一个差错后，该技术使发送器能够重发数据块。第三篇：无线网络本篇探讨了一些主要的无线网络类型，内容包括：基于卫星的网络、蜂窝网络、无绳系统、固定无线接入系统以及提供Internet及Web接入的移动IP和无线应用协议(WAP)的使用。第9章：卫星通信 本章介绍了卫星通信的基本原理，考察了同步卫星(GEOS)、低地球轨道卫星(LEOS)和中地球轨道卫星(MEOS)，详细探讨了容量分配中的关键设计问题。第10章：蜂窝式无线网络 本章首先讨论蜂窝式无线网络设计中的重要问题；而后介绍传统的移动电话服务，即第一代模拟系统；接下来讨论了第二代数字蜂窝网络，探讨了两种主要的方法：时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)；最后，介绍了第三代无线网络系统。第11章：无绳系统和无线本地环 本章讨论了使无线接入住宅或办公室中的两种技术：无绳系统和无线本地环(WLL)。无绳系统是从用于家庭的简单的单用户无绳电话发展为可适用于覆盖更大区域的多用户的系统，有时称为环中的无