蜂窝网络技术和应用

蜂窝网络技术和应用内容摘要：

低空中总的干扰电平，二是节约发射机的功率。 DTX 模式与普通模式是可选的，因为 DTX 模式会使传输质量稍有下降。 4 GMSK 调制 GMSK 是一种特殊的数字 FM 调制方式。 调制速率为 千波特。 比特率正好是频率偏移 4 倍的 FSK 调制称作 MSK（最小频移键控）。 在 GSM 中，使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱。 它可以降低频率转换速度。 5 信道编码与交织 信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰对信号产生不良影响。 信道编码采用专门的冗余技术，在发送端按一定的规律插入冗余位进行编码，接收端的解码过程利用这些冗余位检测误码并尽可能地纠正错误，恢复出原始的发送信息。 GSM 中使用的编码方式有卷积码和分组码，在实际应用中是把这两种方式组合在一起使用。 交织实际上是把一个消息块原来连续的比特按一定规则分开发送传输，即在传送过程中原来的连续块变成不连续，然后形成一组交织后的发送消息块，在接收端对这种交织信息块复原（解交织）成原来的信息块。 采用 交织技术后，如果传送过程中某块消息丢失，在恢复后实际上只丢失每个信息块的一部分，而不至于全部丢失，采用编码技术后就很容易恢复那些被丢失的消息。 6 加密与解密 GSM 系统可以提供加密措施。 这种加密可以用于语音、数据和信令，与数据类型无关，只限于用在常规突发脉冲上。 加密通过一个加密序列（由加密密钥Kc、帧号通过 A5 加密算法产生）和常规突发脉冲之中的 114 个信息比特进行异或操作得到。 在接收端采用相同的序列，与加密序列进行异或操作便可得到原始发送数据。 7 跳频 跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种序列进行跳 变。 控制和信息数据经过调制后成为基带信号，送入载波调制，然后载波频率在伪随机码的控制下改变频率，这种伪随机码序列即为跳频序列。 最后再经过射频滤波器送至天线发射出去。 接收机根据跳频同步信号和跳频序列确定接收频率，把相应的跳频后信号接收下来，进行解调。 跳频技术实际是避开外部干扰，使之跟不上频率的改变从而避免或明显降低同频道干扰和频率选择性衰落。 而增加跳频数是因为跳频系统的增益等于跳频系统的频带宽度与 N 个最小跳频间隔的比值，所以增加跳频可使跳频增益提高。 通8 常的跳频数应大于 3。 如果跳频系统再加上频率的分集，若干组 跳变频率同时传送一个信息然后用大数判定定律更有效地判决信息，则可使更多用户同时工作而相互干扰最小。 8 功率控制 在无线传播上对手机或基站的实际发射功率进行控制，以尽可能降低基站或手机的发射功率，这样就能达到降低手机和基站的功耗以及降低整个 GSM 网络干扰这两个目的。 IS95系统 1992 年 3 月， TIA 委派 TR45 小组制定了一个扩频数字蜂窝系统标准。 1993年 7 月， TIA 批准了 CDMA IS95 标准。 IS95 主要是一个无线接口标准，基于IS95 无线接口标准的蜂窝网络可以使用像 DAMPS 之 类的网络标准，这在 IS95网络中是很普通的，需要强调的是 IS95 可以同样用于像 GSM 一样的网络，所不同的仅仅是无线接口不一样。 GPRS—— 全球移动通讯系统 GPRS(General Packet Radio Service)—— 通用分组无线业务。 GPRS 是在GSM Phase2+阶段引入的分组型数据业务，为用户提供端到端的基于分组交换和传输技术的移动数据业务。 可有效地利用无线资源和网络地面资源，特别适合于长时间、小流量的突发数据业务。 GPRS 的主要特点有： （ 1）与 IP 无缝连接 GPRS 的 核心网络层采用 IP 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的 IP 网无缝连接。 （ 2）高速率 借助于多时隙绑定和高速编码方案， GPRS 第一阶段采用 CS1 和 CS2 编码方案，可提供高达 115 kbps 的接入速率，在 GPRS 第二阶段采用 CS3 和 CS4 编码方案，速率可提至 171 kbps。 （ 3）技术成熟 GPRS 传输协议平台划分为多个层次，便于不同层次的管理和维护，就想因特网中的传输平台分层一样。 如图 42 所示。 GPRS 隧道协议（ GTP） GPRS 骨干网中 GSN 间的用户数据和信令 利用 GTP 进行隧道传输。 所有的点对点 PDP 协议数据元（ PDU）将由 GTP 协议进行封装。 GTP 是 GPRS 骨干网中 GSN 节点之间的互联协议，它是为 Gn 接口定义的协议。 在 中对 GTP 作了规范。 TCP 在 GPRS 骨干网中需要一个可靠的数据链路（如 ）进行 GTP PDU 的传输时，所用的传输协议是 TCP 协议。 如果不要求一个可靠的数据链路（如 IP），就使用 UDP 协议来承载 GTP PDU。 TCP 提供流量控制功能和防止 GTP PDU 丢失或破坏的功能。 UDP 提供防护 GTP PDU 受到破坏的 功能。 9 图 42 GPRS 传输协议平台 IP 这是 GPRS 骨干网络协议，用以用户数据和控制信令的选路。 GPRS 骨干网最初是建立在 IPv4 协议基础上的，随着 IPv6 的广泛使用， GPRS 会最终采用 IPv6协议。 子网相关融合协议（ SNDCP） 这个传输功能将网络级特性映射到底层网络特性中去。 它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定 TCP/IP 地址和加密方式。 在 SNDC 层，移动台和SGSN 之间传送的数据被分割为一个或多个 SNDC 数据包单元。 SNDC 数据包单元生成后被放置到 LLC 帧内。 SNDCP 在 中有说明。 逻辑链路控制（ LLC） LLC 是一种基于高速数据链路规程 HDLC 的无线链路协议，能够提供高可靠的加密逻辑链路。 LLC 层负责从高层 SNDC 层的 SNDC 数据单元上形成 LLC 地址、帧字段，从而生成完整的 LLC 帧。 另外， LLC 可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。 LLC 独立于底层无线接口协议，这是为了在引入其他可选择的 GPRS无线解决方案时，对网络子系统 NSS 的改动程度最小。 对 LLC 进行了规范。 中继转发（ Relay） 在 BSS 中，这项功能中继转发 Um 和 Gb 接口间的 LLC PDU，在 SGSNN 中，这项功能是转发 Gb 和 Gn 接口间的 PDP PDU。 GPRS 基站系统协议（ BSSGP） 这个层用来传输在 BSS 和 SGSN 之间与选路服务质量有关的信息。 BSSGP 没有纠错功能。 对 BSSGP 进行了规范。 10 网络服务（ NS） 这个层传输 BSSGP PDU。 NS 以 BSS 和 SGSN 之间的帧中继连接为基础，而且有多跳功能，并能横贯有帧中继交换节点的网络。 对 NS 进行了规范。 无线链路控制（ RLC） /媒体访问控制（ MAC） 这个层具备两个功能：一是无线链路控制功能，它能提供一条独立于无线解决方案的可靠链路。 二是媒体访问控制功能，它的主要作用是定义和分配空中接口的 GPRS 逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。 MAC 除了控制着信令传输所用无线信道外，还将 LLC 帧映射到 GSM 物理信道中去。 对RLC/MAC 进行了规范。 GSM RF Um 接口的物理层为射频接口部分，而逻辑链路层则负责提供空中接口的各种逻 辑信道。 GSM 空中接口的载频带宽为 200 kHz，一个载频分为 8 个物理信道。 如果 8 个物理信道都分配为传送 GPRS 数据，则原始数据速率可达 200 kbps。 考虑前向纠错码的开销，最终的数据速率可达 164 kbps 左右。 GPRS 应用 GSM 应用 1 GPRS 在远程数据采集中的应用 下图以单个数据采集模块为例，描述了数据经数据采集模块采集后，通过GPRS 无线网络和 Inter 进行传输，最终到达数据采集服务器的通讯过程。 图 43 GPRS 远程数据采集结构图 具体通讯步骤如下：①数据采集模块 采集所需的数据，传送到 GPRS 模块； GPRS 模块负责对数据进行 TCP／ IP 协议转换，再以 GPRS 数据包的形式发送至GPRS 无线基站；③数据由 GPRS 无线基站发送到 GPRS 服务支持节点 (SGSN)；(至 )SGSN 与 GPRS 网关支持节点 (GGSN)进行通信， GGSN 将数据进行相应处理后发送到 Inter⑤采用防火墙在 Inter 和数据采集服务器之间进行隔离，保证数据的安全性。 ⑥数据采集服务器接入 Inter，接收传回的数据。 11 GPRS 模块和数据采集服务器必须至少有一方能够事先确定另一方的 P 地址。 在实际应用中，可以使用公网静态 m、动态域名解析、 SMS 通讯、 APN 专线接入等组网方案。 根据用户需求和应用环境的不同，可以选择合适的方案进行组网和规划。 在实际应用中，需要采用心跳、掉线参照等机制来解决可能造成传输失败的种种问题，确保网络传输的可靠性。 心跳机制是测试服务器和 GPRS 模块之间通路的一种手段。 启用心跳设置，模块上线后，在运行期间按照一定的时间间隔定时发送数据包，任何一方接收到对方的心跳后，都原样返回。 这样可以使模块自身的优先级不被降低，保持长时间在线。 如果超过时间没有收到心跳，则重新启动模块， 接入 GPRS 网络。 掉线参照是给终端提供测试是否发生无线掉线的手段。 采用掉线参照机制，可以选择 GPRS 网络内部的网关或路由器作为无线参照点，测试时使用 ICMP 协议中的 PING 操作。 启用掉线参照设置，模块上线后，会自行依照设定的周期 PING参照点，并通过测试结果确定是否进行掉线复位处理。 2 防盗追踪系统 防盗追踪系统作为一套完整的基站设备防盗解决方案，其主要功能有远程防盗监控及报警，被盗设备的追踪定位，定时采集和上报设备数据信息，系统软件的远程升级与维护等几项功能。 整个系统分为 server 和 client 两部分， client 端即为本课题要设计的防盗追踪系统，通常被安装在各个基站的设备上，实现对设备的防盗追踪功能。 Server 端即为用户的集中管理端，所有的 client 都上报信息到此 server，用户通过此 server 能统一管理各个基站的 client。 每个具有 GPRS 功能的 client 通过无线接入 GPRS 网络，并有自己的唯一的 ID 号， GPRS 网络与 Inter 相连，从而处于 Inter 上的 server 能够集中管理这些 client。 防盗追踪系统具有 防盗监控以及定位追踪两项功能。 作为一个能独立工作的嵌入式系统，防盗追踪系统采用独立的电池供电，并且采用电池计量芯片测量系统的剩余电量，并向用户报告耗电情况，提醒用户及时更换电池。 在防盗监控方面，系统主要是通过本身集成的重力加速度传感器来获取设备受到加速度的变化，并通过一系列的算法，来判断设备是否被盗，一旦检测到目标有被移动的行为，立即向用户通过 GPRS 发送被盗警报，提醒用户作出下一步行动。 追踪定位功能则是指用户在得知设备被盗后，通常来不及做出及时的制止，在设备被挪动到另外一个地方的时候，启动系统所具有的 GPS 功能，对被盗的设备进行追踪定位，以便于用户找回被盗设备。 防盗追踪系统的硬件结构框图如图所示。 图 44 系统硬件结构框图 系统的数据流如下图所示，传感器实时侦测设备的动作，一旦设备发生位置移动，立即产生一个中断信息给处理器，处理器接收到信息后，再启动 GPRS 模块，把被盗警报往上发给上位机，通知用户设备发生被盗。 用户在接收到此报警12 信息后，再通过上位机向信息来源端发送控制指令，决定是否启动 GPS 的追踪定位功能。 处理器接收到指令后，启动 GPS 模块，并接收 GPS 传过来的位置信息，处理器 接收并处理这些信息，并通过 GPRS 模块发送至 Inter 上，位于Inter 上的上位机能够获取上传的位置信息，从而实现追踪定位的功能。 图 45 系统总体结构框图 五 第三代蜂窝网络 第二代蜂窝网络目前虽然可以满为人们通信，接入因特网等需求，但是由于其带宽以及速度的限制，满足不了越来越多的需求，于是第三代蜂窝网络应运而生。 第三代蜂窝网络特点 了满足当今对于第三代通讯网络系统全球化、综合化和个人化等需求，与第二代相比第三代蜂窝网络系统主要具有以下特点： 1. 支持移动多媒体业务。 2. 高频谱效率。 3. 高保密性、低成本、低功耗。