無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)概論

概論1.1

無線數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1.2無線數(shù)據(jù)通信的工作方式、

信號(hào)傳輸方式與業(yè)務(wù)類型1.3

無無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.4

無線數(shù)據(jù)通信研究的主要內(nèi)容與發(fā)展目標(biāo)本章小結(jié)習(xí)題與思考題

第1章概論

教學(xué)目標(biāo)

?了解無線數(shù)據(jù)通信的發(fā)展。

?掌握無線數(shù)據(jù)通信中信號(hào)的分類。

?掌握無線數(shù)據(jù)通信的工作方式。

?掌握無線數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)類型。

?熟悉無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。

?了解無線數(shù)據(jù)通信研究的主要內(nèi)容與發(fā)展目標(biāo)。

重點(diǎn)、難點(diǎn)

?模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)。

?無線通信系統(tǒng)的基本組成。

?無線信道帶寬

1.1無線數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)無線通信(WirelessCommunication)是一種利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的通信方式。近些年無線通信技術(shù)在信息通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣。無線通信如果在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)就稱為無線移動(dòng)通信。無線通信由最初的電報(bào)開始,經(jīng)過150多年的發(fā)展,通過來自各界的成千上萬名工程師、研究人員和科學(xué)家的辛勤勞動(dòng),終于取得了今天的成果。

1.1.1無線數(shù)據(jù)通信的發(fā)展

無線數(shù)據(jù)通信是在有線數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)

通信是計(jì)算機(jī)與通信相結(jié)合而產(chǎn)生的一種通信方式,主要用來實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。原來的數(shù)據(jù)通信是固定式計(jì)算機(jī)通過電信傳輸線路實(shí)現(xiàn)的。近年來,隨著移動(dòng)電話通信的迅速發(fā)展,個(gè)人計(jì)算機(jī)的迅速普及,多種便攜式計(jì)算機(jī)例如膝上型計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、手持式計(jì)算機(jī)等迅速增多,固定計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信已不能滿足需。人們希望能隨時(shí)隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳送和交換,于是數(shù)據(jù)通信傳輸媒體開始從有線擴(kuò)展到無線,出現(xiàn)了無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信。

1.1.2信息與信息量

在日常生活中,人們通過對話、書信、表演等多種形式進(jìn)行思想的交流和現(xiàn)象的描述,這些過程都可以稱為消息(message)的傳遞。消息中所包含的對接收者有意義的內(nèi)容稱為信息(infor-mation),消息是信息的載體。信息的多少用信息量表示。信號(hào)(signal)是信息的表現(xiàn)形式,它可以是聲音、圖像、電壓、電流或光等。

在各種形式的信號(hào)中,電信號(hào)由于具有傳遞速度快(接近于光速)、傳輸距離遠(yuǎn)、能承載的信息量大并且處理方便等優(yōu)點(diǎn),成為通信信號(hào)的主要形式。近年來,隨著光纖的大量應(yīng)用,光信號(hào)也越來越多地用于通信中。本書主要討論的是電信號(hào),或者是由其他形式轉(zhuǎn)換以后的電信號(hào),如話音信號(hào)和圖像信號(hào)。

1.1.3模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

電信號(hào)按其波形特征可分為兩大類:一類是模擬信號(hào),另一類是數(shù)字信號(hào)。

1.模擬信號(hào)

自然界存在的信號(hào)大多是模擬信號(hào),其主要的特征有兩個(gè),即時(shí)間上的連續(xù)與狀態(tài)上的連續(xù)。所謂時(shí)間上連續(xù),指的是在任何時(shí)刻信號(hào)的電量(電壓或電流)對信號(hào)都是有意義的,而狀態(tài)上連續(xù)則說明信號(hào)的電量可能是某一個(gè)有限范圍內(nèi)的任意值,具體反映在模擬信號(hào)經(jīng)過傳輸后如果與傳輸前的信號(hào)不一致,信號(hào)所攜帶的信息就會(huì)部分丟失。

圖11(a)是一個(gè)模擬的話音信號(hào)的波形。如果該波形在t

1時(shí)刻受到干擾,如圖11(b)所示,則喇叭上會(huì)發(fā)出異常的“咔嚓”聲。常見的模擬信號(hào)有話音信號(hào)、電視圖像信號(hào)以及來自于各種傳感器的檢測信號(hào)等。

圖1－1話音信號(hào)的波形

2.數(shù)字信號(hào)

數(shù)字信號(hào)是用特定時(shí)刻的有限狀態(tài)來表示信息的。圖1－2(a)是一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)的波形,它的狀態(tài)只有兩個(gè),分別用“1”和“0”表示,如果傳輸過程中信號(hào)的電平發(fā)生了變化,接收端可能通過比較判斷將所有電平歸為兩個(gè)狀態(tài)(將所有大于0V的電平判別為高電平,將所有小于0V的電平判別為低電平),因此,數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中如果電平發(fā)生了變化,只要變化量不是足夠大,不影響接收端的正確判斷,信息就不會(huì)丟失。例如,當(dāng)接收端收到圖12(b)所示的波形時(shí),可以恢復(fù)成與發(fā)端一樣的矩形波;如果接收端只在t1,t2,…,tn時(shí)刻(即“特定時(shí)刻”)進(jìn)行判別,則在其他時(shí)刻信號(hào)發(fā)生變化,如變成圖12(c)所示的波形時(shí),仍然可以恢復(fù)成與發(fā)端一樣的波形。圖1－2二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)

數(shù)字信號(hào)處理相對于模擬信號(hào)處理具有電路體積小、功能強(qiáng)等許多模擬處理所不能比擬的優(yōu)點(diǎn),因此隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號(hào)越來越多地被用于通信中。

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)是可以相互轉(zhuǎn)換的。模擬信號(hào)可以通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào),而數(shù)字信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換又可以變?yōu)槟M信號(hào)。在通信中常見的A/D轉(zhuǎn)換方式有脈沖編碼調(diào)制、增量調(diào)制以及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的各種方式。

1.1.4無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)

通信是將信號(hào)從一個(gè)地方向另一個(gè)地方傳輸?shù)倪^程。用于完成信號(hào)的傳遞與處理的系統(tǒng)稱為通信系統(tǒng)(CommunicationSystem)?，F(xiàn)代通信要實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶之間的相互連接,這種由多用戶通信系統(tǒng)互連的通信體系稱為通信網(wǎng)絡(luò)(CommunicationNetwork)。通信網(wǎng)絡(luò)以轉(zhuǎn)接交換設(shè)備為核心,由通信鏈路將多個(gè)用戶終端連接起來,在管理機(jī)構(gòu)(包含各種通信與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)的控制下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上各個(gè)用戶之間的相互通信。1.通信系統(tǒng)的基本組成

圖1－3是一個(gè)通信系統(tǒng)的基本組成框圖。從總體上看,通信系統(tǒng)包括五個(gè)組成部分:信源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備和信宿。其中,信源與信宿統(tǒng)稱為終端設(shè)備(TerminalEquipments),發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備統(tǒng)稱為通信設(shè)備(CommunicationEquipments)。信源將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),即基帶信號(hào),常見的信源有話筒、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)等。發(fā)送設(shè)備將該信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?如進(jìn)行放大、調(diào)制等,使其適合于在信道中傳輸。信道是信號(hào)傳遞的通道,在這個(gè)通道中信號(hào)以電流、電磁波或光波的形式傳播到接收端。接收設(shè)備的作用是將收到的高頻信號(hào)(或光信號(hào))經(jīng)過放大、濾波選擇和解調(diào)后恢復(fù)為原來的基帶信號(hào)。信宿將來自于接收設(shè)備的基帶信號(hào)恢復(fù)成原始信號(hào)。如果信源是話筒,要傳輸?shù)男盘?hào)是話音信號(hào),則信宿就應(yīng)是揚(yáng)聲器(或耳機(jī)),它將話音電信

號(hào)轉(zhuǎn)換成能為人耳所感覺的聲音。圖1－3通信系統(tǒng)的基本組成

目前廣泛使用的信道主要有雙絞線(電話線)、同軸電纜、光導(dǎo)纖維和無線信道。這些信道有各自的傳輸特性,因此發(fā)送設(shè)備必須對來自信源的基帶信號(hào)進(jìn)行處理,使之適合在信道中傳輸。例如,話音信號(hào)在本地電話網(wǎng)的雙絞線中傳輸時(shí),可以不經(jīng)過調(diào)制,因?yàn)楸镜仉娫捑W(wǎng)的雙絞線的傳輸頻率范圍為300~3400Hz,電話信號(hào)可以直接通過,但在傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí),則需要對計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,使已調(diào)信號(hào)的頻率限制在300~3400Hz范圍內(nèi);在進(jìn)行無線電通信時(shí),話音信號(hào)難以直接變成電磁波向空間輻射,因此發(fā)送設(shè)備要將話音信號(hào)進(jìn)行高頻載波調(diào)制,其輸出端接高頻天線,它能將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波而有效地向空間輻射。如果傳輸信道是光導(dǎo)纖維,則發(fā)送設(shè)備就必須將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。

一般來說,信源的輸出與信宿的輸入是相同的,兩個(gè)終端的設(shè)備也是對應(yīng)的。例如,發(fā)端如果是話筒,則接收端就是喇叭或耳機(jī);發(fā)端是攝像機(jī),則接收端是顯示器;發(fā)端是計(jì)算機(jī),則接收端也是計(jì)算機(jī)。

發(fā)送設(shè)備與信源、接收設(shè)備與信宿往往是合二為一的。在雙向通信時(shí),終端設(shè)備中既有信源又有信宿,如計(jì)算機(jī)既可以產(chǎn)生信號(hào),又可以接收信號(hào)。通信設(shè)備中既有發(fā)送設(shè)備又有接收設(shè)備,無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)如調(diào)制解調(diào)器,它對要發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,又對接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。圖1－4是一個(gè)雙向通信系統(tǒng)的組成框圖。圖1－4雙向通信系統(tǒng)組成從通信網(wǎng)絡(luò)的角度看,通信設(shè)備A、信道和通信設(shè)備B構(gòu)成了連接終端設(shè)備A與終端設(shè)備B的通道,這條通道也被稱為鏈路(Link)。2.無線通信系統(tǒng)的組成及分類

無線通信系統(tǒng)同樣由五個(gè)部分組成:信號(hào)源、發(fā)射設(shè)備、傳輸媒質(zhì)、接收設(shè)備、受信人,如圖1－5所示。圖1－5無線通信系統(tǒng)組成

信號(hào)源提供需要傳送的信息;發(fā)射設(shè)備由變換器和發(fā)射機(jī)組成,變換器完成待發(fā)送的信號(hào)(圖像、聲音等)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換,發(fā)射機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻振蕩信號(hào)并由天線發(fā)射出去;傳輸媒質(zhì)指信息的傳輸通道,對于無線通信系統(tǒng)來說,傳輸媒質(zhì)指自由空間;接收設(shè)備由接收機(jī)和變換器組成,接收機(jī)將接收到的高頻振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)以方便受信人接收;受信人指信息的最終接收者。

按照關(guān)鍵部分的不同特性,無線通信系統(tǒng)可分為以下類型:

(1)按照工作頻段或傳輸手段分類,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。所謂工作頻率,主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻率。射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語,它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。無線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。

(2)按照通信方式分類,有(全)雙工、半雙工和單工方式。

(3)按照調(diào)制方式分類,有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。

(4)按照傳送的消息的類型分類,有模擬通信和數(shù)字通信,也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。

各種不同類型的通信系統(tǒng)其組成和設(shè)備的復(fù)雜程度都有很大不同,但是組成設(shè)備的基本電路及其原理都是相同的,遵從同樣的規(guī)律。

各種不同類型的通信系統(tǒng)其組成和設(shè)備的復(fù)雜程度都有很大不同,但是組成設(shè)備的基本電路及其原理都是相同的,遵從同樣的規(guī)律。

1)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信是在計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)終端之間進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、傳輸和交換數(shù)字化編碼信息的通信技術(shù)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有兩種類型;一種是模擬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),另一種是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)。“數(shù)據(jù)”一詞表明信息的類型,“數(shù)字”一詞表明信息傳遞與處理的方式。數(shù)據(jù)信號(hào)可以以模擬的方式進(jìn)行通信,也可以以數(shù)字的方式進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)用一個(gè)調(diào)制解調(diào)器在電話網(wǎng)中傳輸是數(shù)據(jù)信號(hào)的模擬傳輸,而在校園網(wǎng)中,計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)都是以數(shù)字方式傳輸?shù)?相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

一個(gè)簡單的從A點(diǎn)到B點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1－6所示。從A點(diǎn)到B點(diǎn)的通信系統(tǒng)可以分為以下七個(gè)部分:

(1)A點(diǎn)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE);

(2)A點(diǎn)的DTE與數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口;

(3)A點(diǎn)的DCE;

(4)A點(diǎn)與B點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸信道;

(5)B點(diǎn)的DCE;

(6)B點(diǎn)的DCE與DTE之間的接口;

(7)B點(diǎn)的DTE。圖1－6數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成

DTE是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的終端設(shè)備或終端系統(tǒng)，是一個(gè)數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)宿，或兩者兼而有之，常見的有微型計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)等。DTE通常只能進(jìn)行短距離的通信，通信能力很有限，但它有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)功能，包括與DCE的連接以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收和發(fā)、串行與并行的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)線路的控制、與新連接的數(shù)據(jù)網(wǎng)相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能以及為在兩端的DTE之間進(jìn)行數(shù)據(jù)連接所必需的其他各功能。DTE可以是一臺(tái)單獨(dú)的設(shè)備，也可以由兩臺(tái)以上的設(shè)備組成。

DCE具有將數(shù)據(jù)以模擬或數(shù)字方式在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)墓δ?。在發(fā)送端,DCE接收來自于DTE的串行或并行數(shù)據(jù),并將它轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸特性的信號(hào)送入信道;在接收端,DCE接收來自信道的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成串行或并行的數(shù)據(jù)流送給DTE。DCE的主要作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換與編解碼。它將來自DTE的信號(hào)進(jìn)行變換使之變成適合信道傳輸?shù)木€路碼,并通過編碼使之具有抗干擾能力,在有些系統(tǒng)中DCE還要對信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,使信號(hào)能在具有帶通特性的信道中傳輸;信號(hào)到達(dá)接收端后,接收端的DCE要對收到的信號(hào)進(jìn)行相反的變換與解碼。DCE還有向DTE傳送時(shí)鐘信號(hào)的功能及其他功能。Modem是一種DCE,常用的調(diào)制方式是FSK、PSK或QAM。

物理結(jié)構(gòu)上,DCE可以是一臺(tái)單獨(dú)的設(shè)備,也可以與DTE合二為一,如傳真機(jī)等。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,計(jì)算機(jī)就是一種DTE,而DCE則可能是以網(wǎng)卡的形式安裝在計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽中。現(xiàn)有的DTE/DCE接口標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè),雖然它們的方案有所不同,但每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都提供了連接的機(jī)械、電氣及功能參數(shù)。EIA的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是EIA－232、EIA－442和EIA－449,ITUT的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有V系列和X系列。

2)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是地面有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的延伸和補(bǔ)充。系統(tǒng)以蜂窩小區(qū)組網(wǎng)方式為主,由基站和無線終端組成,無線終端可以是便攜電腦或是專為移動(dòng)性操作設(shè)計(jì)的設(shè)備。無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)通過與有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的互連,使數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展到無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信。

無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有如下幾種形式:直接連接、星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)。

(1)無線數(shù)據(jù)通信的方式。現(xiàn)在,無線移動(dòng)數(shù)據(jù)的通信方式迅速增多,已經(jīng)有電路交換蜂窩移動(dòng)通信、蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)通信、微蜂窩擴(kuò)頻通信、專用分組無線通信、雙向衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信等多種方式的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信開通使用。最為常用的有:

①電路交換蜂窩移動(dòng)通信。這是利用蜂窩移動(dòng)電話電路提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的一種方式。

②蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)通信。這種方式是把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息按分組方式在蜂窩網(wǎng)的空閑話音信道上發(fā)送,簡稱CDPD方式。

③專用分組無線數(shù)據(jù)通信。該方式與CDPD方式相似,但是通過專用網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)分組,用戶可通過膝上型電腦經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器接入網(wǎng)絡(luò)。

(2)無線數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)。無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信與有線數(shù)據(jù)通信相比,有如下獨(dú)特之處。

①可以隨時(shí)隨地進(jìn)行通信,快速方便。例如,新聞?dòng)浾邤y帶一臺(tái)便攜式電腦,即可在現(xiàn)場通過移動(dòng)電話機(jī)將新聞稿件及時(shí)發(fā)出。

②可以追蹤移動(dòng)資源。例如汽車公司可以隨時(shí)掌握車輛情況,進(jìn)行調(diào)度,提高運(yùn)營效率。

③在移動(dòng)數(shù)據(jù)終端內(nèi)均可存儲(chǔ)信息。例如,當(dāng)接收數(shù)據(jù)的人暫時(shí)離開或不便當(dāng)時(shí)接收時(shí),可將信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)終端,待人回來后或方便時(shí)隨時(shí)提取、不會(huì)丟失。此外,隨時(shí)可訪問中心數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng),商業(yè)人員可在現(xiàn)場接訂單、開發(fā)票、當(dāng)場結(jié)算用戶信用卡等,都是無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信所具有的獨(dú)特功能。

1.2無線數(shù)據(jù)通信的工作方式、信號(hào)傳輸方式與業(yè)務(wù)類型

1.2.1無線數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)通信、數(shù)字通信

在兩個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間進(jìn)行的通信稱為數(shù)據(jù)通信。在兩個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間進(jìn)行的無線通信稱為無線數(shù)據(jù)通信。因?yàn)橛?jì)算機(jī)屬于智能化程度較高的數(shù)據(jù)終端,故計(jì)算機(jī)通信屬于數(shù)據(jù)通信的范疇。數(shù)據(jù)通信具有許多新的思想和概念,是一種新的通信技術(shù),完全不同于電話通信。數(shù)據(jù)通信簡單地說是計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)得到普遍使用后,由于單個(gè)計(jì)算機(jī)在應(yīng)用方面不能充分地發(fā)揮其潛力,因此人們自然地想到把計(jì)算機(jī)用通信線路連接起來進(jìn)行遠(yuǎn)程通信,實(shí)現(xiàn)資源共享,這樣數(shù)據(jù)通信就出現(xiàn)了。

數(shù)字通信一般而言并不針對某種用戶業(yè)務(wù),故不會(huì)涉及用戶終端。但數(shù)據(jù)通信卻是針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的,它既可以在模擬通信系統(tǒng)上通過調(diào)制技術(shù)傳輸數(shù)據(jù),也可以在數(shù)字通信系統(tǒng)上傳輸數(shù)據(jù)。簡言之,無線數(shù)據(jù)通信既可以使用模擬信道,也可以使用數(shù)字信道。由“

0”和“1”組成的數(shù)字碼流是數(shù)字通信中的電信號(hào),既可以表示成數(shù)據(jù)信息,也可以代表語音和圖像信息等,這些碼流對應(yīng)于模擬通信中模擬信號(hào)數(shù)字化后的信號(hào)。

1.2.2無線數(shù)據(jù)通信的工作方式

與有線數(shù)據(jù)通信一樣,無線數(shù)據(jù)通信的工作方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信。

1.單工通信方式

單工通信是指數(shù)據(jù)消息只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信工作方式,如圖1－7(a)所示,發(fā)送端只管發(fā)送,接收端只管接收。圖1－7無線數(shù)據(jù)通信的工作方式示意圖

2.半雙工通信方式

半雙工通信是指通信雙方使用同一個(gè)信道進(jìn)行通信的工作方式。通信雙方既作為輸入端又作為輸出端,雖然可以在兩個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù),但通信雙方不能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù),如圖1－7(b)所示。采用這種工作方式,通信系統(tǒng)中每一端的發(fā)送器和接收器通過收/發(fā)開關(guān)接到通信線路上,因電子開關(guān)的切換由軟件控制,所以會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲。

由于大多數(shù)串行接口和終端都為半雙工工作方式提供了換向功能,也為全雙工模式提供了兩條獨(dú)立的引腳,所以在實(shí)際使用時(shí),一般并不需要通信雙方同時(shí)既發(fā)送又接收,像打印機(jī)這類的單向傳送設(shè)備,半雙工就能勝任,無須采用全雙工方式。

3.全雙工通信方式

全雙工通信是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?如圖1－7(c)所示。

數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分流,分別用不同的信道傳輸,例如采用頻分復(fù)用或時(shí)分復(fù)用技術(shù),通信雙方都能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收操作,此傳送方式就是全雙工方式。

在全雙工方式下,通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器,因此,能控制數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送,即向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí),也可以接收對方送來的數(shù)據(jù)。全雙工方式無須進(jìn)行方向的切換,因此這種傳送方式對那些不能有時(shí)間延遲的交互式應(yīng)用(如遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng))十分有利。

1.2.3無線數(shù)據(jù)通信的信號(hào)傳輸方式

數(shù)據(jù)信號(hào)在信道上傳輸時(shí)所采取的方式稱為無線數(shù)據(jù)通信的信號(hào)傳輸方式。信號(hào)傳輸方式根據(jù)一次傳輸數(shù)據(jù)的多少分為并行傳輸和串行傳輸,根據(jù)收發(fā)兩端信號(hào)的同步狀態(tài)分為同步傳輸與異步傳輸。

1.數(shù)據(jù)信號(hào)并行傳輸方式

并行傳輸方式中多個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在通信設(shè)備間的多條通道(信道)上傳送,并且每個(gè)數(shù)據(jù)位都擁有自己專用的傳輸通道。圖1－8描述了通信設(shè)備之間具有多條傳輸通道時(shí)的并行傳輸情況。例如,在用8條信道并行傳輸7單位代碼字符時(shí),可以另加1條“選通”線,用以通知接收器各條信道上已出現(xiàn)某一字符的數(shù)據(jù)信息。圖1－

8數(shù)據(jù)信號(hào)并行傳輸方式

并行傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率相對較高,不需要額外措施就實(shí)現(xiàn)了收發(fā)雙方的字符同步;其缺點(diǎn)是需要的傳輸線路(信道)多,設(shè)備復(fù)雜,成本高,故無線數(shù)據(jù)通信較少采用此方式,一般適用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部和其他高速數(shù)據(jù)的近距離傳輸。在計(jì)算機(jī)中,CPU和RAM之間、計(jì)算機(jī)和無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)打印機(jī)之間都是并行傳輸?shù)膽?yīng)用。

2.數(shù)據(jù)信號(hào)串行傳輸方式

串行傳輸是數(shù)據(jù)碼流在一條信道上以串行方式傳送,在通信設(shè)備之間按照順序一位一位地傳輸,如圖19所示。圖1－9數(shù)據(jù)信號(hào)串行傳輸方式

3.數(shù)據(jù)信號(hào)同步傳輸與異步傳輸

由以上分析可知,數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)耐絾栴}較為簡單,通過在收、發(fā)兩端之間多加一根控制線就可完成數(shù)據(jù)的同步(步調(diào)一致)。

在串行傳輸時(shí),收發(fā)兩端只有一條線路(信道),在此信道上完成一位一位的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)耐瑫r(shí),還要確定數(shù)據(jù)字符的步調(diào)問題,所以為了準(zhǔn)確地傳送信息,還需采取特殊措施。

數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)串行傳輸實(shí)現(xiàn)字符同步方式的不同,分為異步傳輸和同步傳輸兩種方式。

1)異步傳輸

異步傳輸方式是指收、發(fā)兩端各自有相互獨(dú)立的位(碼元)定時(shí)時(shí)鐘,數(shù)據(jù)率由收發(fā)雙方約定,接收端利用數(shù)據(jù)本身來進(jìn)行同步的傳輸方式。

異步傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單,不需要收、發(fā)兩端之間的同步專線,即收發(fā)雙方的時(shí)鐘信號(hào)不需要精確同步。缺點(diǎn)是每個(gè)數(shù)據(jù)信息字符都增加了起始、停止的比特位,降低了傳輸效率,所以異步方式常用于低速率數(shù)據(jù)傳輸。圖1－10表示了異步傳輸?shù)那樾巍D1－10數(shù)據(jù)信號(hào)異步傳輸方式示意圖

2)同步傳輸

同步傳輸是指收發(fā)雙方采用統(tǒng)一的時(shí)鐘節(jié)拍來完成碼元同步,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息字符傳送的傳輸方式,是相對于異步傳輸而言的。在數(shù)據(jù)傳輸中,同步傳輸必須建立位定時(shí)同步和幀同步。

位定時(shí)同步又稱比特(bit)同步,其作用是將數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備接收端的位定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)與DCE收到的輸入信號(hào)兩者之間同步,使DCE從接收的信息流中正確識(shí)別一個(gè)個(gè)信號(hào)碼元,從而產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)序列。

幀同步又稱群同步,一群或一串?dāng)?shù)據(jù)信息為一幀,其中每幀的開頭和結(jié)束加上預(yù)先規(guī)定的起始序列和終止序列(序列的形式?jīng)Q定于所采用的傳輸控制規(guī)程)作為標(biāo)志。

在ASCII代碼中,用SYN(碼型為“0010110”)作為“同步(Synchronize)字符”,通知接收設(shè)備一幀的開始,用EOT(碼型為“0000100”)作為“傳輸結(jié)束(EndofTransmission)”字符,以表示一幀的結(jié)束。同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如圖1－11所示。圖1－11數(shù)據(jù)信號(hào)同步傳輸格式示意圖同步傳輸在技術(shù)上比異步傳輸要復(fù)雜一些,但它不需要單獨(dú)地對每個(gè)數(shù)據(jù)字符加起始碼和終止碼,只需將標(biāo)志序列加在一群數(shù)據(jù)信息字符的前后,這樣提高了傳輸效率。同步傳輸常用于高速率數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.4無線數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)類型

無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展與它所支持和提供的業(yè)務(wù)是分不開的。從信息載體的角度來說,無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以有許多種分類,參見表1－1。

1.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要指公共數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)和移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

公共數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)是利用電路交換、分組交換或租用電路組成的固定公共數(shù)據(jù)通信網(wǎng)開發(fā)的以傳送數(shù)據(jù)為目的的業(yè)務(wù)。

按照所用技術(shù)的不同,公共數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)包括分組交換、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)(DDN)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)、幀中繼、異步傳送方式(ATM)和IP業(yè)務(wù)等,其中分組交換、幀中繼和ATM業(yè)務(wù)都采用面向連接的分組交換技術(shù),具有統(tǒng)計(jì)復(fù)用、用戶共享網(wǎng)絡(luò)帶寬等功能,它們的通信協(xié)議、能提供的接入速率、控制能力和綜合能力有所不同。公共數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)包括基本業(yè)務(wù)和用戶選用的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)。

基本業(yè)務(wù)是指向所有網(wǎng)上的用戶提供的基本服務(wù)功能,包括永久虛電路(PVC)和交換虛電路(SVC)業(yè)務(wù)。用戶選用業(yè)務(wù)是為了滿足用戶特殊要求而向用戶提供的特殊業(yè)務(wù)功能。

移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是指利用公用陸地移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)作為承載網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),具體可以包括短消息業(yè)務(wù)、速率可達(dá)64kb/s的中速移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、速率在128kb/s以上的移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)。移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也可以采用電路交換和分組交換方式來實(shí)現(xiàn)。

2.增值數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

增值數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是指在原基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的基礎(chǔ)上增加必要的設(shè)備構(gòu)成增值網(wǎng)后,向用戶提供的新業(yè)務(wù),這些新業(yè)務(wù)大大提高了原基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的使用價(jià)值。在公共數(shù)據(jù)網(wǎng)(不包括互聯(lián)網(wǎng))上開發(fā)的增值業(yè)務(wù)很多,主要有電子郵件(E-mail)、可視圖文(VideoText)、電子數(shù)據(jù)交換(EDI)、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)(S/FFax)、在線信息庫存儲(chǔ)和檢索以及在線數(shù)據(jù)處理和交易處理等。隨著Internet的迅速發(fā)展,Internet逐漸地取代了上面提到的電子郵件、可視圖文和電子數(shù)據(jù)交換這些增值業(yè)務(wù)。

1.3無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

與模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)一樣,無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)也具有一些技術(shù)性能指標(biāo),其中的有些概念與前兩種通信系統(tǒng)非常類似。為了完整、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)這些知識(shí),以下對無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行具體介紹。

1.無線信道帶寬

信道帶寬是指一個(gè)信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍,主要由信道的特性決定。注意:帶寬有信道帶寬和信號(hào)帶寬之分,而信號(hào)帶寬是指信號(hào)所占據(jù)的頻率范圍。

2.信號(hào)傳播速度

信號(hào)傳播速度是指信號(hào)在信道上每秒鐘傳送的距離,單位是m/s。具體地,通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)都是以電磁波的形式出現(xiàn)的,信號(hào)傳播速度略低于光在真空中的速度,通常認(rèn)為是3×108m/s。

信號(hào)傳播速度v與信號(hào)波長λ和頻率f的關(guān)系是:v=λf。隨著傳輸介質(zhì)的不同,可能會(huì)有少許變化。實(shí)際上,信號(hào)傳播速度一般是常量,介紹它的目的主要是和“數(shù)據(jù)傳輸速率”的概念加以對比。

3.數(shù)據(jù)傳輸速率

1)數(shù)據(jù)碼元傳輸速率(波特率)

數(shù)據(jù)碼元傳輸速率簡稱傳碼率,用來表示單位時(shí)間(每秒)內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼元(符號(hào))個(gè)數(shù),其單位為波特(Baud,簡寫為B),也稱波特率。

例如周期為T0

的四電平脈沖數(shù)據(jù)信號(hào)(如圖1－12所示),碼元出現(xiàn)的頻率f0=fb=1/T0,

則傳碼率為RB=fb=1/T0

(1－1)

RB只與碼元寬度有關(guān),與進(jìn)位制無關(guān)。圖1－12四電平脈沖數(shù)據(jù)信號(hào)波形示意圖

2)數(shù)據(jù)信息傳輸速率(比特率)

數(shù)據(jù)信息傳輸速率簡稱傳信率,也稱比特傳輸速率,表示單位時(shí)間(每秒)內(nèi)傳送數(shù)據(jù)信息的比特?cái)?shù),單位為b/s。

傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí),碼元傳輸速率和信息傳輸速率一致。

傳輸N進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí),其傳碼率RB

和傳信率Rb

可以通過式(1－2)來換算:

Rb=RBlbN

(1－2)

在描述數(shù)據(jù)傳輸能力時(shí),通常使用傳信率這一指標(biāo)。

5.數(shù)據(jù)延遲

數(shù)據(jù)延遲是指從發(fā)送者發(fā)送第一位數(shù)據(jù)開始,到接收者成功地收到最后一位數(shù)據(jù)為止所經(jīng)歷的時(shí)間,其主要分為傳輸延遲和傳播延遲兩種。傳輸延遲與數(shù)據(jù)傳輸速率和發(fā)送機(jī)/接收機(jī)以及中繼和交換設(shè)備的處理速度有關(guān);傳播延遲與傳播距離有關(guān)。

6.頻帶利用率

數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸需要一定的頻帶。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)占用的頻帶越寬,傳輸數(shù)據(jù)信息的能力越強(qiáng)。因此,在比較不同數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的效率時(shí),只考慮它們的數(shù)據(jù)傳信率是不充分的。因?yàn)?即使兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳信率相同,它們的通信效率也可能不同,這還要看傳輸相同信息所占的頻帶寬度。故真正衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有效性的指標(biāo)是單位頻帶內(nèi)的傳輸速率,即頻帶利用率。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)頻帶利用率η有兩種表示方法:一是在傳碼率意義下的頻帶利用率,如式(1－4),一是在傳信率意義下的頻帶利用率,如式(1－5),常用的是傳碼率意義下的頻帶利用率,其單位為bit/s/Hz(或?yàn)锽aud/Hz)。

（1-4）

（1-5）

7.差錯(cuò)率

差錯(cuò)率包括比特差錯(cuò)率、碼元差錯(cuò)率與分組差錯(cuò)率。差錯(cuò)率是衡量通信信道可靠性的重要指標(biāo),在數(shù)據(jù)通信中最常用的是比特差錯(cuò)率和分組差錯(cuò)率。1)比特差錯(cuò)率(誤信率)

在傳輸過程中發(fā)生的錯(cuò)誤信息比特?cái)?shù)與傳輸?shù)目傂畔⒈忍財(cái)?shù)之比叫比特差錯(cuò)率,或稱誤信率,即(1－6)

2)碼元差錯(cuò)率(誤碼率)

在傳輸過程中發(fā)生誤碼的碼元個(gè)數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比叫碼元差錯(cuò)率,或稱誤碼率,即(1－7)

3)分組差錯(cuò)率在傳輸過程中發(fā)生誤碼的分組個(gè)數(shù)與傳輸?shù)目偡纸M數(shù)之比稱為分組差錯(cuò)率。

1.4無線數(shù)據(jù)通信研究的主要內(nèi)容與發(fā)展目標(biāo)

1.無線數(shù)據(jù)通信研究的主要內(nèi)容

無線數(shù)據(jù)通信研究的主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)在無線信道上的傳輸、數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理、數(shù)據(jù)集中、數(shù)據(jù)交換、差錯(cuò)控制和傳輸規(guī)程等,其目的在于更有效、更可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

無線數(shù)據(jù)通信與其他通信方式所包含的基本內(nèi)容有很大的區(qū)別,特別是它所具有的信道特點(diǎn)、不同的信息載體和復(fù)雜的協(xié)議,使我們研究無線數(shù)據(jù)通信的內(nèi)容也大不相同。同時(shí)還會(huì)有一些全新的概念出現(xiàn),對此在學(xué)習(xí)中要足夠重視。

1)無線數(shù)據(jù)傳輸

無線數(shù)據(jù)傳輸主要承擔(dān)為數(shù)據(jù)提供一個(gè)可靠而有效的無線傳輸通路的任務(wù),包括數(shù)據(jù)壓縮編碼與譯碼、加密與解密、調(diào)制與解調(diào)、干擾與抗干擾、多路復(fù)用等技術(shù)。另外,構(gòu)成傳輸媒體和用來控制電信號(hào)的各種傳輸設(shè)備也是無線數(shù)據(jù)傳輸要涉及的。

2)通信接口

通信接口把發(fā)送端產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào),同時(shí)把傳送到接收端的信號(hào)變換為終端可接收的形式。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用要求,規(guī)定了不同類型的接口標(biāo)準(zhǔn),有國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn),也有公司自己制定的標(biāo)準(zhǔn)。開放性的用戶接口通常采用國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn),以利于互聯(lián)互通。

3)數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換是指信息在網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間的交互方式,用于解決傳輸?shù)馁Y源共享問題。

數(shù)據(jù)交換的主要方式有電路交換、報(bào)文交換、分組交換、幀中繼、ATM等,其中分組交換在實(shí)際的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中較多采用。

在分組交換的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中,需要完成以下兩個(gè)方面的功能:

(1)在相鄰交換節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程所要求的各項(xiàng)功能;

(2)在每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)上完成分組的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)、路由選擇、流量控制、擁塞控制、用戶入網(wǎng)連接以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、管理等多方面的工作。

4)通信處理

通信處理涉及數(shù)據(jù)的差錯(cuò)控制、格式化處理、速度轉(zhuǎn)換、碼型轉(zhuǎn)換、流量控制、尋址、路由選擇等內(nèi)容,是數(shù)據(jù)通信中最復(fù)雜的部分。

5)通信協(xié)議

通信協(xié)議是數(shù)據(jù)通信規(guī)則的集合,數(shù)據(jù)通信協(xié)議即傳輸控制規(guī)程,是雙方為準(zhǔn)備有效地進(jìn)行通信所必須遵循的規(guī)程和約定,它與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件共同控制和管理著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

數(shù)據(jù)通信協(xié)議可以分為兩類:一類是與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)有關(guān)的協(xié)議,包括網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間以及網(wǎng)絡(luò)與端系統(tǒng)間的協(xié)議;另一類是端系統(tǒng)與端系統(tǒng)之間的協(xié)議,它們是在前一類協(xié)議所實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,為了實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)間的互通與達(dá)到一定的應(yīng)用目的所必需的協(xié)議。

6)多路復(fù)用

多路復(fù)用是把多路信號(hào)組合起來在一條物理信道上同時(shí)傳輸,以提高通信效率的技術(shù)。常見的復(fù)用方式有頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、碼分復(fù)用等。

7)同步

同步是數(shù)字化信息正確傳輸?shù)那疤?可分為載波同步、位同步、群同步、網(wǎng)同步等。

2.無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)

任何人(Whoever)在任何時(shí)間(Whenever)和任何地點(diǎn)(Wherever)都可以和世界上的任何人(Whomever)進(jìn)行任何方式(Whatever)的通信的理想境界是無線數(shù)據(jù)通信追求的目標(biāo),即“5W”。

無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)主要有以下幾個(gè)方面:

(1)現(xiàn)代無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)應(yīng)能為用戶提供更大的吞吐量、更高的傳輸速率、更低的延遲,以實(shí)現(xiàn)更快的通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

(2)現(xiàn)代無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)要能夠提供網(wǎng)絡(luò)硬件與軟件之間的“無縫”連接,以及網(wǎng)絡(luò)之間的“無縫”連接。這樣,通信的最終用戶將意識(shí)不到用戶業(yè)務(wù)是通過不同網(wǎng)絡(luò)上的不同供應(yīng)商提供的設(shè)備傳送的。