第5章 无线通信网
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理论上的分组交换速度大
约是 170kbps, 而实际速度只有 30~70kbps 。
对 GPRS 的射频部分进行改进的技术方案称为增强数据速率的 GSM 演进 C Enhanced Data
rates for GSM Evolution, EDGE) 。 EDGE 又称为增强型 GPRS CEGPRS), 可以工作在已经部署
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网络工程师教程（第 5 版）
3. 第二代移动通信升级版 2.5G
2.5G 是比 2G 速度快、但又慢千 3G 的通信技术规范。 2.5G 系统能够提供 3G 系统中才有
的 一 些功能，例如分组交换业务，也能共享 2G 时代开发出来的 TOMA 或 CDMA 网络。常见的 2.5G 系统是通用分组无线业务 GPRS
系统中使用。
IMT-MC (Multi-Carrier): 即 CDMA-2000, 属千频分双工模式，是第二代 CDMA系统
的继承者 。
IMT-TC CTime-Code): 这一标准是中国提出的 TD-SCOMA, 属千时分双工模式。 IMT-SC CSingle Carrier): 也称为 EDGE, 是一种 2.75G技术。 IMT-FT (Frequency Time): 也称为 DECT 。 OFDMA
GPRS 的网络上，只需要对手机和基站设备做一些简单的升级即可。 EDGE被认为是 2 . 75G 技术，
采用 8PSK 的调制方式代替了 GSM 使用的高斯最小移位键控 CGMSK) 调制方式，使得一个码
元可以表示 3 位信息 。 从理论上说， EDGE 提供的数据速率是 GSM 系统的 3 倍。 2003 年， EDGE
在码分多址通信系统中，不同用户传输的信号不是用频率或时隙来区分，而是使用不同的 码片序列来区分 。 如果从频域或时域来观察，多个 CDMA 信号是互相 重叠 的。接收机用 相 关 器可以在多个 CDMA 信号中选出预定的码型信号，其他不同码型的信号因为和接收机产 生 的
码型不同而不能被解调，它们的存在类似千信道中存在的噪声和干扰信号，通常称之为多址 干扰。
独特的代码序列建立信道。在 CDMA 系统中，对不同的用户分配了不同的码片序列，使得彼此
不会造成干扰。用户得到的码片序列由 +l 和-1 组成，每个序列与本身进行点积得到+1, 与补 码进行点积得到-1, 一 个码片序列与不同的码片序列进行点积将得到 0 (正交性） 。 例如，对用
户 A 分配的码片系列为 CA! (表示 "1 ")'其补码为 CAO (表示 "O") :
蜂窝通信系统的频率复用
5.1.2
第 二代移动通信系统
的数字调制方式 。 我国 最 初采用欧洲电信的 GSM (Global System for Mobile) 系统和美 国高通公司的码分多址
(CDMA) 系统 。
第 二 代移动通信系统是数字蜂窝电话，在世界不同的地方采用了不同
l. 全球移动通信系统 GSM
网的体系结构和实用技术，最后展望了新一代移动通信网的发展方向 。
5.1
移动通信
移动电话是最方便的个人通信工具。从第一代 (lG) 到第三代 (3G) 移动通信系统都是
针对话音通信设计的，只有未来的 4G 才可能与 Internet 无缝地集成。但是在 2G 和 3G 时代，
由于笔记本电脑的迅速普及，通过移动电话网访问 Internet 已经成为许多用户的选择。
前市场上的大部分产品都是根据这个标准开发的；与之对抗的 HIPERLAN-2 标准则 是基 千连接
的无线局域网，致力千面向语音的蜂窝电话 。
在不同小区之间就可以实现频率复用 。 在图 5-1 中，一个基站覆盖的小区用 一 个字母来代表， 在一个小区内可以用一组频率提供一组用户进行通话。相邻小区不能使用相同的通信频率，同
一字母（例如 A) 代表的小区可以使用同样的通信频率，使用同样频率的小区之间有两个频率
不同的小区作为分隔 。 如果要增加通信频率的复用程度，可以把小区划分得更小 。
第 5 章
无线通信网
无线通信网包括面向语音通信的移动电话系统以及面向数据传输的无线局域网和无线广
域网。随着无线通信技术的发展，计算机网络正在由固定通信系统向移动通信系统发展，传统
的移动电话网也向语音和数据综合传输的移动通信网转变，二者的融合使得 Internet 变得无所
不在，并且更加便捷和实用 。 本章概述移动电话网的发展历程，并详述无线局域网和无线城域
5.1 .1
蜂窝 通信 系统
Mobile Phone System,
1978 年，美国贝尔实验室开发了高级移动电话系统 (Advanced
AMPS), 这是第一个具有随时随地通信能力的大容 量 移动通信系统。 AMPS 采用模拟制式的频
分双工 (Frequency
Division Duplex, FDD) 技术，用一对频率分别提供上行和下行信道。 AMPS
(General Packet Radio Service) 。 GPRS 分组网络重叠在
GSM 网络之上，利用 GSM 网络中未使用的 TOMA信道为用户提供中等速度的移动数据业务。 GPRS 是基千分组交换的技术，也就是说多个用户可以共享带宽，适合千像Web 浏览、 E-mail
收发和即时消息那样的共享带宽的间歇性数据传输业务。通常， GPRS 系统是按交换的字节数
的载波上数据速率可达 10~15Mbps, 如采用 MIMO 技术，还可以达到 28Mbps 。
4G 的传输速率应该达到 lOOMbps, 可以把蓝牙个域网、无线局域网 (Wi-Fi ) 和 3G 技术
等 结合在一起，组成无缝的通信解决方案。不同的无线通信系统对数据传输速度和移动性的支
待各不相同，如图 5 -3 所示。
CA!= (- 1,- 1,-1,- 1) CAo = (+l, +l,+1, + l)
对用户 B 分配的码片序列为 Cs1 C 表示 "1 ")'其补码为 Cso C 表示 "O") :
Cs1 = (+1,- 1,+l,- 1) Cso = (- 1,+1,-1,+1)
则计算点积如下：
CA1•CA1 = (-1 ,- 1,- l,- 1). (- 1,- 1,- 1,- 1) /4= +1 CA1•CA0 = (一 1, — 1,- 1,-1). (+1,+l,+ l,+l) /4=-1 CA1.Cs1 = (- 1,- 1,- 1,- 1). (+1,- 1,+1,- l) /4=0 CA1-Cso = (一 1,- 1,-1,-1) . (- l,+1,- 1,+1) /4=0
• •
o
使用的频段在 2000M应附近 。
通信速率大约为 2000kbps C 即 2Mbps) 。
预期在 2000 年推广商用。
1999 年 ITU 批准了 5 个 IMT-2000 的无线电接口，这 5 个标准如下。
• • • • •
IMT-DS (Direct Spread): 即 W-CDMA, 属千频分双工模式，在日本和欧洲制定的 UMTS
即无线城域网技术。
2007 年 10 月 19 日， ITU 会议批准移动 WiMAX作为第 6 个 3G 标准，称为 IMT-2000
TDDWMAN,
第 5 章
无线通 信网
I 143
第 三代数字蜂窝通信系统提供第二代蜂窝通信系统提供的所有业务类型，并支持移动多媒
体业务。在高速车辆行驶时支待 144kbps 的数据速率，在步行和慢速移动环境下支待 384kbps
的数据速率，在室内静止环境下支待 2Mbps 的高速数据传输，并保证可靠的服务质 量。 在 3G 网络广泛部署的同时，第四代 (4G) 移动通信系统也在加紧研发。 高速分组接入 (High
Speed Packet Access, HSPA) 是W-CDMA第一个向 4G 进化的技术，继 HSPA 之后的 高速上行 分组接入 (High Speed Uplink Packet Access, HSUPA) 是 一种被称为 3.75G 的技术，在 5MHz
臣
通 信T
\ Wi-Fi
WiM赵 II
(4 G )
图 5-3
通信速率 和移动性
5.2
5.2.1
无线局域网
WLAN 的基本概念
无线局域网 (Wireless Local Area Networks, WLAN) 技术分为两大阵 营 ： IEEE 802.11 标 准体系和欧洲邮电委员会 (CEPT) 制定的 HIPERLAN (High Performance Radio LAN ) 标准体 系 。 IEEE 802.11 标准是由面向数据通信的计 算机局域网发展而来，采用无连接的网络协 议 ， 目
被引入北美的 GSM 网络，支待 20~200kbps 的高速数据传输。
5.1.3
绾三代移动通信系统
1985 年， ITU 提出了对第三代移动通信标准的需求， 1996 年正式命名为 IMT-2000 (Intema-
tional Mobile Telecommunications-2000), 其中的 2000 有 3 层含义：
在 CDMA 蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行控制和转发的。为了实现双
工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即所谓的频分双工 (FDD) 技术 。 无论正向传 输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传输相应的控制信息 。 为了传送不同的信息， 需 要设置不同的信道。但是， CDMA 通信系统既不分频道又不分时隙，无论传输何种信息的 信 道 都采用不同的码型来区分 。
当用户移动到一个小区的边沿时，电话信号的衰减程度提醒相邻的基站进行切换 (handoff) 操作，正在通话的用户就自动切换到另一个小区的频段继续通话。切换过程是通过移动电话交
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网络 工 程师教程 （ 第 5 版）
换 局 (MTSO) 在相邻的两个基站之间进行的，不需要电话用户的干预 。
图 5-l
第 5 章
无线通信网
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可支待 8 个用户会话，在一个蜂窝小区中同时通话的用户数为 124X8=992 。 为同 一 用户指定的
（ 上行链路与下行链路之间相差 3 个时槽，如图中的阴影部分所示，这是因为终端设备不能同时 发送和接收，需要留出一定时间在上下行信道之间进行切换。
2. 码分多址技术
美国高通公司 (Qualcomm) 的第二代数字蜂窝移动通信系统工作在 800MHz !);]l1 f&, 采用码 分多址 (CDMA) 技术提供话音和数据业务，因其频率利用率高，所以同样的频率可 以 提供更 多 的话音信道，而且通话质 量和保密性也较好 。 码分多址 (Code Division Multiple Access , CDMA) 是一种扩频多址数字通信技术，通过
II
I~ —~—
I 111111~道~1124
基站到
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时间
•
图 5-2 GSM 的 TDMA 系统
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图 5-2 中的每 一 行表示 一个带宽为 200kHz 单工信道， GSM 系统有 124 对这样的单工信道 （ 上行链路 890~915M印，下行链路 935~960MHz), 每 一个信道采用时分 多路 (TOMA) 方式
采用蜂窝技术解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。到了 1980
年中期，欧洲和日本都建立了第一代蜂窝移动电话系统。 蜂窝网络把一个地理区域划分成若干个称为蜂窝的小区 (Cell) 。 在模拟移动电话系统中，
一个话音连接要占用一个单独的频率。如果把通信网络疫盖的地区划分成一个一个的小区，则
GSM 系统工作在 900~ 1800MHz 频段，无线接口采用 TDMA 技术，提供话音和 数据业务 。 图 5-2 所示为工作在 900M应频段的 GSM 系统的频带利用情况 。
TOM 帧
二 I ::-: ::::I::-: ::::1·: :-: ::::I::- : ::::I: }终端
959.SMHz I I I I I I 111111 1 9i4.SMHz
约是 170kbps, 而实际速度只有 30~70kbps 。
对 GPRS 的射频部分进行改进的技术方案称为增强数据速率的 GSM 演进 C Enhanced Data
rates for GSM Evolution, EDGE) 。 EDGE 又称为增强型 GPRS CEGPRS), 可以工作在已经部署
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网络工程师教程（第 5 版）
3. 第二代移动通信升级版 2.5G
2.5G 是比 2G 速度快、但又慢千 3G 的通信技术规范。 2.5G 系统能够提供 3G 系统中才有
的 一 些功能，例如分组交换业务，也能共享 2G 时代开发出来的 TOMA 或 CDMA 网络。常见的 2.5G 系统是通用分组无线业务 GPRS
系统中使用。
IMT-MC (Multi-Carrier): 即 CDMA-2000, 属千频分双工模式，是第二代 CDMA系统
的继承者 。
IMT-TC CTime-Code): 这一标准是中国提出的 TD-SCOMA, 属千时分双工模式。 IMT-SC CSingle Carrier): 也称为 EDGE, 是一种 2.75G技术。 IMT-FT (Frequency Time): 也称为 DECT 。 OFDMA
GPRS 的网络上，只需要对手机和基站设备做一些简单的升级即可。 EDGE被认为是 2 . 75G 技术，
采用 8PSK 的调制方式代替了 GSM 使用的高斯最小移位键控 CGMSK) 调制方式，使得一个码
元可以表示 3 位信息 。 从理论上说， EDGE 提供的数据速率是 GSM 系统的 3 倍。 2003 年， EDGE
在码分多址通信系统中，不同用户传输的信号不是用频率或时隙来区分，而是使用不同的 码片序列来区分 。 如果从频域或时域来观察，多个 CDMA 信号是互相 重叠 的。接收机用 相 关 器可以在多个 CDMA 信号中选出预定的码型信号，其他不同码型的信号因为和接收机产 生 的
码型不同而不能被解调，它们的存在类似千信道中存在的噪声和干扰信号，通常称之为多址 干扰。
独特的代码序列建立信道。在 CDMA 系统中，对不同的用户分配了不同的码片序列，使得彼此
不会造成干扰。用户得到的码片序列由 +l 和-1 组成，每个序列与本身进行点积得到+1, 与补 码进行点积得到-1, 一 个码片序列与不同的码片序列进行点积将得到 0 (正交性） 。 例如，对用
户 A 分配的码片系列为 CA! (表示 "1 ")'其补码为 CAO (表示 "O") :
蜂窝通信系统的频率复用
5.1.2
第 二代移动通信系统
的数字调制方式 。 我国 最 初采用欧洲电信的 GSM (Global System for Mobile) 系统和美 国高通公司的码分多址
(CDMA) 系统 。
第 二 代移动通信系统是数字蜂窝电话，在世界不同的地方采用了不同
l. 全球移动通信系统 GSM
网的体系结构和实用技术，最后展望了新一代移动通信网的发展方向 。
5.1
移动通信
移动电话是最方便的个人通信工具。从第一代 (lG) 到第三代 (3G) 移动通信系统都是
针对话音通信设计的，只有未来的 4G 才可能与 Internet 无缝地集成。但是在 2G 和 3G 时代，
由于笔记本电脑的迅速普及，通过移动电话网访问 Internet 已经成为许多用户的选择。
前市场上的大部分产品都是根据这个标准开发的；与之对抗的 HIPERLAN-2 标准则 是基 千连接
的无线局域网，致力千面向语音的蜂窝电话 。
在不同小区之间就可以实现频率复用 。 在图 5-1 中，一个基站覆盖的小区用 一 个字母来代表， 在一个小区内可以用一组频率提供一组用户进行通话。相邻小区不能使用相同的通信频率，同
一字母（例如 A) 代表的小区可以使用同样的通信频率，使用同样频率的小区之间有两个频率
不同的小区作为分隔 。 如果要增加通信频率的复用程度，可以把小区划分得更小 。
第 5 章
无线通信网
无线通信网包括面向语音通信的移动电话系统以及面向数据传输的无线局域网和无线广
域网。随着无线通信技术的发展，计算机网络正在由固定通信系统向移动通信系统发展，传统
的移动电话网也向语音和数据综合传输的移动通信网转变，二者的融合使得 Internet 变得无所
不在，并且更加便捷和实用 。 本章概述移动电话网的发展历程，并详述无线局域网和无线城域
5.1 .1
蜂窝 通信 系统
Mobile Phone System,
1978 年，美国贝尔实验室开发了高级移动电话系统 (Advanced
AMPS), 这是第一个具有随时随地通信能力的大容 量 移动通信系统。 AMPS 采用模拟制式的频
分双工 (Frequency
Division Duplex, FDD) 技术，用一对频率分别提供上行和下行信道。 AMPS
(General Packet Radio Service) 。 GPRS 分组网络重叠在
GSM 网络之上，利用 GSM 网络中未使用的 TOMA信道为用户提供中等速度的移动数据业务。 GPRS 是基千分组交换的技术，也就是说多个用户可以共享带宽，适合千像Web 浏览、 E-mail
收发和即时消息那样的共享带宽的间歇性数据传输业务。通常， GPRS 系统是按交换的字节数
的载波上数据速率可达 10~15Mbps, 如采用 MIMO 技术，还可以达到 28Mbps 。
4G 的传输速率应该达到 lOOMbps, 可以把蓝牙个域网、无线局域网 (Wi-Fi ) 和 3G 技术
等 结合在一起，组成无缝的通信解决方案。不同的无线通信系统对数据传输速度和移动性的支
待各不相同，如图 5 -3 所示。
CA!= (- 1,- 1,-1,- 1) CAo = (+l, +l,+1, + l)
对用户 B 分配的码片序列为 Cs1 C 表示 "1 ")'其补码为 Cso C 表示 "O") :
Cs1 = (+1,- 1,+l,- 1) Cso = (- 1,+1,-1,+1)
则计算点积如下：
CA1•CA1 = (-1 ,- 1,- l,- 1). (- 1,- 1,- 1,- 1) /4= +1 CA1•CA0 = (一 1, — 1,- 1,-1). (+1,+l,+ l,+l) /4=-1 CA1.Cs1 = (- 1,- 1,- 1,- 1). (+1,- 1,+1,- l) /4=0 CA1-Cso = (一 1,- 1,-1,-1) . (- l,+1,- 1,+1) /4=0
• •
o
使用的频段在 2000M应附近 。
通信速率大约为 2000kbps C 即 2Mbps) 。
预期在 2000 年推广商用。
1999 年 ITU 批准了 5 个 IMT-2000 的无线电接口，这 5 个标准如下。
• • • • •
IMT-DS (Direct Spread): 即 W-CDMA, 属千频分双工模式，在日本和欧洲制定的 UMTS
即无线城域网技术。
2007 年 10 月 19 日， ITU 会议批准移动 WiMAX作为第 6 个 3G 标准，称为 IMT-2000
TDDWMAN,
第 5 章
无线通 信网
I 143
第 三代数字蜂窝通信系统提供第二代蜂窝通信系统提供的所有业务类型，并支持移动多媒
体业务。在高速车辆行驶时支待 144kbps 的数据速率，在步行和慢速移动环境下支待 384kbps
的数据速率，在室内静止环境下支待 2Mbps 的高速数据传输，并保证可靠的服务质 量。 在 3G 网络广泛部署的同时，第四代 (4G) 移动通信系统也在加紧研发。 高速分组接入 (High
Speed Packet Access, HSPA) 是W-CDMA第一个向 4G 进化的技术，继 HSPA 之后的 高速上行 分组接入 (High Speed Uplink Packet Access, HSUPA) 是 一种被称为 3.75G 的技术，在 5MHz
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(4 G )
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通信速率 和移动性
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5.2.1
无线局域网
WLAN 的基本概念
无线局域网 (Wireless Local Area Networks, WLAN) 技术分为两大阵 营 ： IEEE 802.11 标 准体系和欧洲邮电委员会 (CEPT) 制定的 HIPERLAN (High Performance Radio LAN ) 标准体 系 。 IEEE 802.11 标准是由面向数据通信的计 算机局域网发展而来，采用无连接的网络协 议 ， 目
被引入北美的 GSM 网络，支待 20~200kbps 的高速数据传输。
5.1.3
绾三代移动通信系统
1985 年， ITU 提出了对第三代移动通信标准的需求， 1996 年正式命名为 IMT-2000 (Intema-
tional Mobile Telecommunications-2000), 其中的 2000 有 3 层含义：
在 CDMA 蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行控制和转发的。为了实现双
工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即所谓的频分双工 (FDD) 技术 。 无论正向传 输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传输相应的控制信息 。 为了传送不同的信息， 需 要设置不同的信道。但是， CDMA 通信系统既不分频道又不分时隙，无论传输何种信息的 信 道 都采用不同的码型来区分 。
当用户移动到一个小区的边沿时，电话信号的衰减程度提醒相邻的基站进行切换 (handoff) 操作，正在通话的用户就自动切换到另一个小区的频段继续通话。切换过程是通过移动电话交
140
网络 工 程师教程 （ 第 5 版）
换 局 (MTSO) 在相邻的两个基站之间进行的，不需要电话用户的干预 。
图 5-l
第 5 章
无线通信网
141
可支待 8 个用户会话，在一个蜂窝小区中同时通话的用户数为 124X8=992 。 为同 一 用户指定的
（ 上行链路与下行链路之间相差 3 个时槽，如图中的阴影部分所示，这是因为终端设备不能同时 发送和接收，需要留出一定时间在上下行信道之间进行切换。
2. 码分多址技术
美国高通公司 (Qualcomm) 的第二代数字蜂窝移动通信系统工作在 800MHz !);]l1 f&, 采用码 分多址 (CDMA) 技术提供话音和数据业务，因其频率利用率高，所以同样的频率可 以 提供更 多 的话音信道，而且通话质 量和保密性也较好 。 码分多址 (Code Division Multiple Access , CDMA) 是一种扩频多址数字通信技术，通过
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时间
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图 5-2 GSM 的 TDMA 系统
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图 5-2 中的每 一 行表示 一个带宽为 200kHz 单工信道， GSM 系统有 124 对这样的单工信道 （ 上行链路 890~915M印，下行链路 935~960MHz), 每 一个信道采用时分 多路 (TOMA) 方式
采用蜂窝技术解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。到了 1980
年中期，欧洲和日本都建立了第一代蜂窝移动电话系统。 蜂窝网络把一个地理区域划分成若干个称为蜂窝的小区 (Cell) 。 在模拟移动电话系统中，
一个话音连接要占用一个单独的频率。如果把通信网络疫盖的地区划分成一个一个的小区，则
GSM 系统工作在 900~ 1800MHz 频段，无线接口采用 TDMA 技术，提供话音和 数据业务 。 图 5-2 所示为工作在 900M应频段的 GSM 系统的频带利用情况 。
TOM 帧
二 I ::-: ::::I::-: ::::1·: :-: ::::I::- : ::::I: }终端
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