无线网络概念全面接触(二)

 无线网络概念全面接触(二)

草木瓜   转贴整理于维基百科

20081030

3G概念：

 3G（3rd-generation，3G），第三代移动通信技术，是指以CDMA2000为代表的，支持高速
 数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音（通话）及数据信息（电子邮件、
 即时通信等）。3G的代表特征是提供高速数据业务，速率一般在几百kbps以上。
 
 3G规范是由国际电信联盟（ITU）所制定的IMT-2000规范的最终发展结果。原先制定的3G远
 景，是能够以此规范达到全球通信系统的标准化。但目前3G存在三种标准：CDMA2000，
 WCDMA，TD-SCDMA。
 
 第一代手机是指模拟手机；第二代手机是指数字手机，如我们常见的GSM和cdmaOne，提供
 低速率数据业务；2.5G是指在第二代手机上提供中等速率的数据服务，传输率一般在几十至一
 百多kbps。

蜂窝移动通讯技术：

 为了能容纳大量用户，我们可以把地理区域划分成若干个小区域。在每一个区域由一个小功率
 的基站(base station)来提供通信服务，而并不是单个大功率发射器。由于这些小功率基站影响
 的范围比较有限，因此同一频率可在一定距离远的另一个区域再次使用。频率重用以及越区切
 换(handoff)的方式结合在一起就构成了区域(蜂窝)概念的主体。
 
 建筑学上，蜂巢是经济高效的结构方式，移动网络采取同样的方式，在相邻的区域使用不同的
 频率，在相距较远的区域采用相同的频率。这样既有效地避免了频率冲突，又可让同一频率多
 次复用，节省了频率资源。这一技术理论巧妙地解决了有限高频频率与众多高密度用户需求量
 的矛盾，也解决了跨越服务覆盖区信道自动转换的问题。

蜂窝移动通信系统：

 常见的蜂窝移动通信系统可以分为如下几类：宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝以及智能蜂窝。

 在无线蜂窝移动通信系统中，每一蜂窝均分配了相应数量的信道。随着蜂窝半径的减小，整个系
 统的容量会逐步提高，这是因为在给定区域内的频率复用方式会更加有效。但半径的减小也使得
 移动终端更加频繁地穿越蜂窝边界，从而带来了更多的信道切换(handoff)。在移动蜂窝系统中，
 当处于通信状态下的移动终端从其所在蜂窝向相邻蜂窝移动时，为了保证它能始终获得足够的通
 信质量并维持通话，就需要进行信道切换。一般而言，当移动终端接收到的信号强度(RSS)低于
 某一门限，或相邻基站能提供更高的RSS时，切换被触发。切换是蜂窝系统中保证移动用户进行
 连续通信的必要手段，但过多的切换会给系统带来较重的信令负载(signaling traffic )和运转开销
 (operation overhead)，也会带来更大的呼叫失败概率。不同层次的蜂窝为不同类型的移动用户
 提供服务，这样既控制了信令负载，又保留了小蜂窝带来的频率复用更有效的优点。通常，系统
 首先将移动终端的速度与事先确定的速度门限(velocity threshold)进行比较。如果移动终端速度
 高于此门限，则为高速用户，否则为低速用户。然后由微蜂窝为低速用户提供服务，宏蜂窝为高
 速用户提供服务，这样在一定程度上就能减少切换次数，降低系统的运营成本。

 宏蜂窝,传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区（macrocell）构成，每小区的覆盖半径大多为1km～25km，
 基站天线尽可能做得很高。在实际的macrocell内，通常存在着两种特殊的微小区域。一是“盲点”，
 由于电波在传播过程中遇到障碍物而造成的阴影区域，该区域通信质量严重低劣；二是“热点”，由
 于空间业务负荷的不均匀分布而形成的业务繁忙区域，它支持macrocell中的大部分业务。以上两
 “点”问题的解决，往往依靠设置直放站、分裂小区等办法。除了经济方面的原因外，从原理上讲，
 这两种方法也不能无限制地使用，因为扩大了系统覆盖，通信质量要下降；提高了通信质量，往
 往又要牺牲容量。

 微蜂窝,是在宏蜂窝的基础上发展起来的一门技术。与宏蜂窝相比，它的发射功率较小，一般在
 2W 左右；覆盖半径大约为 100m ～ 1km ；基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地
 面 5m ～ 10m ，无线波束折射、反射、散射于建筑物间或建筑物内，限制在街道内部。微蜂窝
 最初被用来加大无线覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。同时由于低发射功率的微蜂窝基站允许较小
 的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多，因此业务密度得到了巨大的增长，将它安置在
 宏蜂窝的“热点”上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。

 微微蜂窝, 微微蜂窝是指地理上的一个区域被分割成称为“微微蜂窝”的小区域。其覆盖半径通常为
 百米数量级以下，天线高度低于屋顶，其基站发射功率小。微微蜂窝模型有以下特点:

 1.吞吐量大，每个蜂窝用户相对较少;
 2.频率再用率高。相邻蜂窝使用不同的频率，不相邻的蜂窝可以采用相同频率。
 3.发射功率低。
 4.移动宿主的移动会导致更快的路由、跟踪和越区切换等问

 微微蜂窝在初期一般是零散地分步在热点地区，话务量比较集中，覆盖面积较小，对容量的提高
 有限，随着用户的发展，热点地区己由点逐渐连接成片时，微微蜂窝就形成了一个独立的层，各
 个微微蜂窝相连，在一定范围内连续覆盖，在这时，可以使网络容量有很大的提高，一般对于半
 径在1km左右的小区，若在每个扇区的热点地区采用6-8个半径在0.1km左右的微微蜂窝组成微微
 蜂窝层，可以使网络容量提高3-4倍。

 智能蜂窝,是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统，智能地监测移动台所
 处的位置，并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。对于上行链路而言，
 采用自适应天线阵接收技术，可以极大地降低多址干扰，增加系统容量；对于下行链路而言，
 则可以将信号的有效区域控制在移动台附近半径为100～200 波长的范围内，使同道干扰大小为
 减小。智能蜂窝小区既可以是macrocell，也可以是 microcell。利用智能蜂窝小区的概念进行组
 网设计，能够显著地提高系统容量，改善系统性能。
  
GSM 全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications）：

 1980年代初期，通信标准存在大量无法兼容的标准，仅在欧洲，就有北欧的NMT，英国的TACS，
 西德等国使用的C-450, 法国的Radiocom 2000和意大利RTMI等。为了便于使用与推广，各国
 考虑制定一个统一的移动标准，即GSM。起初是移动专家组(法语：Groupe Spécial Mobile)的
 缩写，后含义被改为全球移动通讯系统。在发展和推广的过程中，GSM系统的功能不断得到丰
 富，从而能够提供更多样的服务。由GSM系统首先引入的短信息服务（SMS）提供了一种新颖、
 便捷、廉价的通讯方式。1994年，GSM实现了基于电路交换的数据业务和传真服务。1999年，
 WAP协议使得用户可以通过手机访问互联网。2000年后开始商用的通用分组无线服务（GPRS）
 使得GSM系统能够以效率更高的分组方式提供数据通讯。2003年, EDGE技术开始商用，提供
 了接近3G的数据通讯能力。

 GSM系统在无线接口上采用时分复用技术（TDMA），语音或数据信号采用高斯最小频移键控
 （GMSK）方式进行调制。信道编码主要采用卷积码。每个GSM载频的带宽为200KHz，在时间
 上以4.615ms(更准确的说是60/13ms）为一帧，每一帧又顺序划分为8个时隙。时隙是GSM无线
 接口上资源的最小单位。作为GSM系统数据传输性能提升的EDGE系统， 调制方式采用了效率
 更高的8进制相移键控（8PSK）。开发中的EDGE演进技术则将采用32 或16进制正交幅度调制
 （32或16QAM），每载频的数据传输能力可接近1Mbps。为适应各国无线电频率分配的不同情
 况，GSM系统可以在多个不同的频段工作。 最初的GSM标准定义了900MHz，1800MHz，和
 1900MHz频段。此后又补充了850MHz和450MHz，以适合部分地区的需求。世界大部分地区采
 用900M和1800M频段。
 
 GSM网络一共有四种不同的蜂窝单元尺寸：宏蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝和伞蜂窝。覆盖面积因不
 同的环境而不同。宏蜂窝可以被看作那种基站天线安装在天线杆或者建筑物顶上那种。微蜂窝则
 是那些天线高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市区内。微微蜂窝则是那种很小的蜂窝只覆
 盖几十米的范围，主要用于室内。伞蜂窝则是用于覆盖更小的蜂窝网的盲区，填补蜂窝之间的信
 号空白区域。

CDMA:

 Code Division Multiple Access  分码多重存取，是一种多路复用的无线通信技术。最初用于美国
 军方。在CDMA移动通信中，将话音信号转换为数字信号，给每组数据话音分组增加一个地址，
 进行扰码处理，并且将它发射到空中。CDMA最大的优点就是相同的带宽下可以容纳更多的呼叫，
 而且它还可以随话音传送数据信息。Qualcomm（高通）公司解决了CDMA中至关重要的功率控
 制问题，并取得相关的专利。CDMA制式中，区分各个通道主要不再依靠频率和时隙等方法，因
 此同一地区不同用户同时使用相同的频率是正常的。除此之外被广泛使用的多路访问技术还有时
 多分址（TDMA）和频分多址（FDMA）。在这三种方案中，接收方从各种信号中分别通过不同
 的码字，时隙和频率通道分离出有用信息。
 
 在所有的CDMA体制中，接收者都可以使用扩频处理增益来部分衰减非期望的信号。具有期望的
 扩频码的信号能被接受，如果信号对应不同的扩频码（或者相同扩频码但是不同的时间偏移）将
 在解扩频过程中被当作随机噪声而衰减掉。 
 
 这项操作的方法是给每一个站点分配一个扩频码或者码片序列。这些码片序列被表示成由＋1和
 －1组成的序列。每个码片序列和本身点积得到＋1,(和补码点积得到－1),一个码片序列和其他的
 码片序列点积将得到0。
 
 如：有以下序列 C1 ( -1, -1, -1, -1, -1, -1 )  C2 ( -1, +1, -1, +1, -1, +1 )
 
 C1 .  C1 = (-1,-1,-1,-1,-1,-1) . (-1,-1,-1,-1,-1,-1) /6= +1
 C1 . -C1 = (-1,-1,-1,-1,-1,-1) . (+1,+1,+1,+1,+1,+1) /6= -1
 C1 .  C2 = (-1,-1,-1,-1,-1,-1) . (-1,+1,-1,+1,-1,+1) /6=  0
 C1 . -C2 = (-1,-1,-1,-1,-1,-1) . (+1,-1,+1,-1,+1,-1) /6=  0
 
 在数学中，数量积（也称为标量积、点积、点乘或内积）是接受在实数 R 上的两个向量并返回
 一个实数值标量的二元运算。它是欧几里德空间的标准内积。

 C1, C2 这种特性叫做正交性。这些序列叫做 Walsh码，可以从一个二进制 Walsh矩阵导出。

 一个站点要发送数字1时就发送其码片序列本身，要发送数字0时就发送其码片序列的反码。 (或
 者是 +1 和 -1; 0时不发送)。当多个终端发送多个信号时，信号就会在空中叠加。例如码片序列
 是(-1,-1,-1,-1,-1,-1)和(+1,-1,+1,-1,+1,-1)，叠加后变成(0,-2,0,-2,0,-2)。接收方如果希望接收某
 个站点的信息，则只需要计算该站点对应的码片序列和空中信号的点积。例如(-1,-1,-1,-1,-1,-1)
  . (0,-2,0,-2,0,-2) = +1。如果发送的数字是-1，则空中的信号将是 (+2,0,+2,0,+2,0)，而点积将
  是 (-1,-1,-1,-1,-1,-1) . (+2,0,+2,0,+2,0) = -1.

 TDMA和FDMA终端理论上可以过滤其他时隙或者频率通道的任意强信号。这在CDMA无法实现，
 它只能部分过滤干扰信号。如果任一或者全部噪声信号强于有用信号，则有用信号将被淹没。
 这样在CDMA系统中就要求每个终端有一个近似合适的信号功率。在CDMA蜂窝网络中，基站
 使用一个快速闭环功率控制方案来紧密控制每一个移动终端的发送功率。功率控制需求能够巧
 妙的根据上面的计算推断出来。

 向前纠错(FEC)编码在任何一种CDMA方案中都是必须的，它用于减小信噪比的需求，从而使得
 信道最大限度的可靠。与TDMA和FDMA相比较，CDMA的另外一个优势是能够简单的利用话音
 激活特性。在每一个随机的通话中，用户讲话的时间往往不足整个通话时间的一半，CDMA技术
 可以简单在用户讲话时发送信号，不讲话时保持静默，于是当同时通话的用户较多时，总体上可
 以体现出统计特性，最终能将用户间干扰减少大约一半，从而提高容量。在CDMA技术中，这种
 话音激活特性的利用是相对简单的，如果希望在TDMA或者FDMA体制中利用话音激活特性，就
 需要频繁的建立和拆除有限的时隙或者频率通道。

 CDMA经常被广泛和不严格地用来称呼使用CDMA技术实现的无线网络及其制式，比较常见的是
 由Qualcomm主要支持和最先投入商用的的数字蜂窝电话制式，包括IS-95（CDG为其申请注册商
 标为CDMA One）和它的演进版本IS-2000（CDMA2000），其他很少这样使用。由于WCDMA和
 TD-SCDMA也使用了CDMA技术，这样的称呼可能会造出一些混乱。

 这里需要注意：

 CDMA（复用技术）理论被应用于WCDMA无线接口。
 WCDMA无线接口被应用于国际3G标准UMTS和日本3G标准——FOMA（由日本电信和沃达丰共
 同开发）。
 CDG、TIA和3GPP2等制订的俗称为CDMA的系列标准族（包括CDMA One和CDMA2000）和
 3GPP的WCDMA标准族无论无线信号和核心网都不兼容。

CdmaOne：

 cdmaOne是一个2G移动通信标准，根本的信令标准是IS-95，是Qualcomm(高通)与TIA
 (Totally Integrated Automation 完全集成自动化 ，TIA 是高度自动化的工业系统产品简称) 基于
 CDMA技术发展出来的2G移动通信标准。 CDG为该技术申请了cdmaOne的商标，cdmaOne
 及其相关标准是最早商用的基于CDMA技术的移动通信标准。由2G cdmaOne标准延伸的3G标
 准为CDMA2000（IS-2000）。IS-95是TIA为最主要的基于CDMA技术的2G移动通信的空中接口
 标准分配的编号，即Interim Standard（暂时标准）95，它也经常做为整个系列的名称使用。
 CDG为该技术申请了cdmaOne的商标。IS-95及其相关标准是最早商用的基于CDMA技术的移动
 通信标准，它或者它的后继CDMA2000也经常被简称为CDMA。