1、1,第11章 無線系統(tǒng)和無線區(qū)域迴路,2,無線系統(tǒng)之運作環(huán)境,住宅： 在住宅內(nèi)使用一臺基地臺能夠提供語 音和資料應(yīng)用。 辦公室： 在小的辦公室內(nèi)使用一臺基地臺能夠服務(wù)多個電話手機和資料設(shè)備。 在大的辦公室，使用類似蜂巢式架構(gòu)的多個基地臺，每個基地臺都連接到PBX (private branch exchange)交換機，所以在這種配置下能夠服務(wù)上百個甚至於上千個使用者。 電傳點：在公用地點提供基地臺，例如在購 物商場或者是機場內(nèi)。,3,無線標(biāo)準(zhǔn)之設(shè)計考量,手機和基地臺的使用距離是最重要的，因此採用低功率設(shè)計。 手機和基地臺的價格不能太貴，這使得需要使用較簡單的技術(shù) 因為使用者同時擁有移動設(shè)備和

2、基地臺並用於不同的環(huán)境中，其使用頻率的彈性會受到限制，因此無論系統(tǒng)用於何處，一定要能夠具有找到最低干擾頻道的能力。,4,分時雙工(TDD),分時雙工，這種方式就是眾所皆知的時間壓縮多工(time-compression multiplexing, TCM)技術(shù)。 在TDD的技術(shù)中，資料在同一時間內(nèi)只能單向傳輸，採用交替方式可達(dá)到雙方向傳輸之目的。其可分由兩部分來討論 : 簡單的 TDD TDMA TDD,5,簡單的TDD,為了在使用TDD技術(shù)以達(dá)到想要的用戶資料速率，所傳送的資料流被切割成相等的資料段，在時間上壓縮以達(dá)到更高的傳輸速率，並且以叢集的方式傳送，在接收機端則是將接收的壓縮資料展開還

3、原成原始的速率。 每秒有效之傳送的位元數(shù)為,R : 有效資料傳輸率B :以位元表示之區(qū)塊大小 Tp : 傳遞延遲Tb :叢集傳輸時間 Tg :保護(hù)時間,6,分時雙工的傳輸時序示意圖,7,簡單的TDD (續(xù)),在傳輸媒體上真正的資料速率A為 A = B /Tb 將兩個式子結(jié)合，我們得到 因此，在鏈結(jié)上需要的真正資料速率比在兩邊所看到的有效資料速率的兩倍還要多。,8,TDMA TDD,一般而言，無線TDD與所謂的TDMA技術(shù)一起使用，所有的使用者依次地接收前向頻道的信號(從基地臺到手機)，並且依次地在相反方向頻道傳送信號(手機到基地臺)，全部使用相同的頻率。 TDD使用TDMA系統(tǒng)且在傳送與接收的

4、載波各使用不同頻率，可以得到兩個重要優(yōu)點: 可增進(jìn)對付快速衰退(fast fading)的能力。 可增加容量配置。,9,DECT框架格式,前置符號(16位元)：使用在通知接收機並且允許接 收機暖機。 同步位元(16位元)：使用在使接收機能夠和時槽的 開頭同步。 A欄位(64位元)：作為網(wǎng)路控制用。 B欄位(320位元)：內(nèi)容為使用者資料。 X欄位(4位元)：包含4個同位元檢查，使得終端機 和基地臺能夠監(jiān)控信號傳輸?shù)钠?質(zhì)。 保護(hù)帶(60位元)：為52-s的保護(hù)時間，對應(yīng)於圖 11.1的Tg。,10,DECT框架格式圖,11,A欄位之邏輯控制頻道,Q頻道廣播一般的系統(tǒng)訊息給所有的終端 機。 P頻

5、道提供從基地臺到終端機的傳呼。 M頻道終端使用者使用雙向的M頻道作為 與基地臺交換媒體存取控制訊息。 N頻道提供交握協(xié)定。 C頻道提供已經(jīng)建立連線的通話管理。,12,B欄位,B欄位傳送資料的模式有兩種: 一種是用在傳送數(shù)位化語音資料的無保護(hù)模式(unprotected mode) 。 另外一種是用來傳送非語音資料的保護(hù)模式(protected mode) 。,13,DECT運作的協(xié)定架構(gòu),14,DECT運作的協(xié)定架構(gòu),在實體層中，資料是以TDMA-TDD框架(圖11.2)的形式並以10個射頻載波之一來調(diào)變及傳輸 媒體存取控制層(MAC)選擇實體頻道並控制與所選擇的頻道之連線建立與離線。MAC層

6、提供三種服務(wù)： 廣播：在A欄位中送出廣播訊息 連結(jié)導(dǎo)向的服務(wù)：在B欄位中轉(zhuǎn)移使用者資料 非預(yù)接式服務(wù)：在A欄位中提供個別DECT訊息的傳送 資料鏈結(jié)控制層使用傳統(tǒng)的資料鏈結(jié)控制程序來提供可靠的訊息傳輸，其鏈結(jié)控制程序包含錯誤偵測和自動重傳要求,15,差動量化(Differential Quantization),基於兩個取樣後的語音信號間的變化量不大。所以，一般PCM技術(shù)傳送會包含許多冗餘的資訊。 因此，只傳送相鄰的取樣信號的差值而不傳送實際的取樣值，使得每個取樣可使用較少位元。 如果兩個取樣信號間的差值超過所要傳送位元可以表示的最大值時，則接收端重建輸入信號時會產(chǎn)生無法修正的錯誤。此時，編碼

7、器不能只傳送差值，它也必須能夠得知所傳送的信號在接收端的輸出情形 。,16,差動PCM (DPCM),基於對語音信號改變相對緩慢的的認(rèn)知，我們能夠從前面的一些取樣值估算第k個取樣信號。 DPCM的主要概念為: 根據(jù)第k個取樣信號的預(yù)測值 ，可傳送其差值信號 ，如果使用精確的估算器，此一差值會比兩個相鄰信號的差值小。 在接收端使用相同的估算器，將輸入的差值加上當(dāng)時預(yù)測的取樣信號則可以得到原來的取樣信號。,17,適應(yīng)性差動PCM(ADPCM),DPCM可以經(jīng)由使用適應(yīng)性預(yù)測器和量化器來增加其效能 預(yù)測器和差動量化器在編碼時可以依照語音信號的特性的改變而調(diào)整 ADPCM發(fā)射/接收機中主要功能組成方塊

8、 適應(yīng)性量化器(adaptive quantizer) 反適應(yīng)性量化器(inverse adaptive quantizer) 適應(yīng)性預(yù)測器(adaptive predictor),18,ADPCM編碼器與解碼器,19,編碼器效能的主觀量測,品質(zhì)的主觀量測比SNR或均方差(mean square error)等的客觀量測要有意義得多，但是一般而言要得到主觀量測的可靠值比較困難。 最廣泛用來決定服務(wù)品質(zhì)的主觀量測的標(biāo)準(zhǔn)是平均評價分?jǐn)?shù)(mean opinion score, MOS)，這是經(jīng)由正式的主觀測試所得到的物理量 。 在MOS量測中，一群實驗者傾聽測試的編碼語音樣本，並且給予每個樣本15點

9、的評分，為了加強測試的可靠度，以不同的語音樣本重複測試於不同的實驗群，這些MOS等級用在許多的標(biāo)準(zhǔn)中作為品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn),20,平均選擇分?jǐn)?shù)值(MOS),21,無線區(qū)域迴路,有線技術(shù)的發(fā)展是反映住宅用戶、商業(yè)及政府用戶對可靠、高速存取的需求。 包括整合服務(wù)數(shù)位網(wǎng)路(ISDN),數(shù)位用戶迴路技術(shù) ( xDSL),纜線數(shù)據(jù)技術(shù) (cable modems)等。 用戶挑戰(zhàn)使用無線技術(shù)存取資訊的興趣逐漸增加 。 無線區(qū)域迴路(wireless local loop, WLL) 窄頻服務(wù) 替代現(xiàn)有的電話服務(wù)。 寬頻服務(wù) 高速雙向語音和數(shù)據(jù)傳輸。,22,WLL架構(gòu),23,WLL相較於有線的用戶迴路的優(yōu)勢,成本

10、無線系統(tǒng)比有線系統(tǒng)便宜，使用WLL可避 免架設(shè)數(shù)公里的纜線和需要對架在地面或是電線桿上的有線系統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)的維護(hù)成本。 架設(shè)時間 WLL系統(tǒng)可以在比有線系統(tǒng)更短的時間內(nèi)架設(shè)完成。 選擇性架設(shè) 無線電單元可只在用戶需要時架設(shè)即可。使用有線系統(tǒng)，電纜線必須預(yù)先架設(shè)在每個有可能需要服務(wù)的地區(qū)內(nèi)。,24,WLL的傳播考量,對於多數(shù)的高速WLL架構(gòu)而言，所使用的頻率大約是在所謂的厘米波(millimeter wave)的範(fàn)圍，亦即頻率大於10 GHz到大約300 GHz之間的頻帶被視為厘米波的區(qū)域，使用此一範(fàn)圍的頻率一些原因如下： 在25 GHz以上有許多沒有被使用的頻帶。 在這些高頻帶中，可用頻道頻寬

11、很大，因此可提供很高的資料速率。 所使用的收發(fā)機和適應(yīng)性陣列天線的體積可以很小。,25,WLL的傳播考量(續(xù)),厘米波系統(tǒng)亦存在有一些我們不想要的傳輸特性： 信號在空間損耗以頻率的平方之比例地增加;因此在此一區(qū)域的損耗比傳統(tǒng)使用在微波系統(tǒng)的損耗還要高。 在10 GHz之下的頻率一般我們可忽略下雨與大氣或氣體的吸收效應(yīng)所導(dǎo)致的信號衰減。但在10 GHz以上的頻率，這類的衰減的影響非常地大。 多重路徑損耗非常地高,26,Fresnel 區(qū),對於厘米波的有效通訊系統(tǒng)，發(fā)射機與接收機的視線之間必須沒有障礙物存在，於是發(fā)發(fā)射機與接收機的視線之間的直線上必須要有多少的空間是無障礙的問題應(yīng)運而生! 位在兩個

12、收發(fā)器間的視線上之一序列的同心環(huán)內(nèi)物之體對通訊有建設(shè)性或是破壞性的影響，那些位於第一個環(huán)內(nèi)(第一Fresnel區(qū))的物體有最嚴(yán)重的負(fù)面影響。 假設(shè)在發(fā)射機和接收機之間的直線路徑上有一點，則在此點上之第一個Fresnel區(qū)的半徑R是: S =這一點距離發(fā)射機的距離 D =距離接收機 =在此路徑上信號的波長,27,第一個Fresnel區(qū),圖 11.10 第一個Fresnel區(qū),28,大氣吸收,頻率超過10GHz的無線電波在大氣傳播時很容易受到分子的吸收 電波頻率大約在22 GHz時水蒸氣吸收最嚴(yán)重 頻率靠近60 GHz時氧氣的吸收最大 適合的通訊頻率範(fàn)圍: (參考圖11.11) 大約從28 GHz

13、到42 GHz之間，其衰減大約在0.13 dB/km 從75 GHz到95 GHz之間，其衰減大約是0.4 dB/km。,29,圖 11.11 大氣的吸收效應(yīng)(大氣壓力：1013 mb；溫度：15C；水蒸氣：7.5 g/m3),30,下雨的影響,在厘米波的傳輸中最嚴(yán)肅的一個考慮點是由於下雨所產(chǎn)生的信號衰減 雨滴的出現(xiàn)會嚴(yán)重地降低通訊鏈結(jié)的可靠度和效能，同時在下大雨的期間這種影響可能比其他的因素更重要。 下雨對厘米波傳輸?shù)挠绊懯欠浅５匮}雜，受到影響與雨滴的形狀、大小、速率以及信號的頻率等有關(guān) 一個廣泛用來估測下雨所產(chǎn)生的衰減公式是: A =衰減;單位是dB/km R =下雨速率;單位是mm/hr

14、 參數(shù)a和b與雨滴的大小和產(chǎn)生的頻率有關(guān),31,植物的影響,在用戶附近的樹木會導(dǎo)致多重路徑衰退。 從樹葉產(chǎn)生的主要多重路徑影響是繞射和散射。 從規(guī)則種植的果園間量測到每棵落葉性樹木造成的衰減是在12到20 dB之間，而每1到3棵針葉樹木造成的衰減可達(dá)到40 dB以上，這是假設(shè)樹木位於第一個Fresnel區(qū)的60 %之內(nèi)的情況下量測的結(jié)果。 多重路徑效應(yīng)會因為風(fēng)吹動樹葉而產(chǎn)生高度的變化。,32,正交分頻多工(OFDM),也稱為多載波調(diào)變，其中使用多個不同頻率的載波信號，並在每一個頻道上傳送一些位元。但是與FDM不同的是 OFDM系統(tǒng)是單一個資料源使用所有的子頻道。 OFDM擁有許多的優(yōu)點: 頻率

15、選擇性衰退只會影響到某些子頻道而不會影響所有的信號，如果資料流由直接錯誤更正碼保護(hù)的話，這類的衰退可以很容易地處理。 OFDM可以克服在多重路徑環(huán)境中的符際干擾(ISI) 使用OFDM技術(shù)，資料速率以N的倍數(shù)降低，相對地符號時間也以N的倍數(shù)增加。 OFDM系統(tǒng)中可能不需要使用等化器,33,正交分頻多工(OFDM) (續(xù)),34,正交分頻多工(OFDM) (續(xù)),使用OFDM技術(shù)，資料速率以N的倍數(shù)降低，相對地符號時間也以N的倍數(shù)增加。因此某一資料流的符號週期為Ts，OFDM信號的週期則為NTs，如此可顯著地降低ISI的影響。依照設(shè)計的準(zhǔn)則，可選擇N值使得NTs明顯的大於頻道延遲展延(delay

16、 spread)的均方根(root-mean-square)。 一般OFDM系統(tǒng)使用正交相移鍵控(QPSK)調(diào)變技術(shù)，此情況下，每個傳輸?shù)姆柎韮蓚€位元。,35,多點分散式服務(wù)(MDS),多頻道多點分散式服務(wù)(MMDS) MMDS用來與有線電視供應(yīng)者競爭，在廣播或有線電視無法到達(dá)的農(nóng)業(yè)地區(qū)提供服務(wù)，基於此，MMDS也可以被視為一種無線纜線(wireless cable)。 在FCC限定傳輸功率的情況下， MMDS基地臺可以服務(wù)之範(fàn)圍的半徑在50公里以內(nèi)，但其用戶的天線必須位在視線上。MMDS可以提供雙向服務(wù)，在其他國家也可以使用MMDS作為雙向存取之用，所以MMDS可以提供寬頻資料服務(wù)的另一

17、種選擇。 因為頻寬較小，在任何情況下MMDS主要使用在住宅用戶和小型商業(yè)用途上,36,多點分散式服務(wù)(MDS) (續(xù)),區(qū)域多點分散式服務(wù) (LMDS) LMDS是一個相對上較新的WLL服務(wù)， LMDS用於需要較大頻寬的大公司中。 在美國，LMDS使用的頻率接近30 GHz；在歐洲和有些地區(qū)，使用的頻率接近40 GHz。,37,MMDS與 LMDS優(yōu)缺點比較,MMDS之優(yōu)點 MMDS信號擁有較大的波長(超過10公分)，以及可以在沒有明顯損失功率的情況下傳送得比較遠(yuǎn)，如此MMDS可以運作在大的細(xì)胞中，因此可降低的基地臺設(shè)備的成本。 使用在低頻的設(shè)備較便宜，因此用戶或基地臺的成本較省。 MMDS信

18、號較不會被物體所阻擋，且較不受下雨吸收的影響。 相較於LMDS，MMDS的主要缺點是使用的頻率較低所以只能提供較LMDS小的頻寬。,38,MMDS與 LMDS優(yōu)缺點比較(續(xù)),LMDS有下列優(yōu)點 資料速率相對的較高，速率大多在Mbps的範(fàn)圍。 可提供影像、電話、和資料服務(wù)。 相對成本比電纜低。 LMDS主要的缺點是基地臺服務(wù)的範(fàn)圍較小，在相同大小的地區(qū)中需要相對較多的基地臺以提供服務(wù)。 在LMDS系統(tǒng)中重要的考慮點是LMDS的短波長信號不能越過或穿透如建築物、牆、或是茂密樹葉等等的實體。,39,IEEE 802.16固接寬頻無線存取標(biāo)準(zhǔn),使用微波或是厘米波的無線電進(jìn)行無線鏈結(jié) 使用許可頻帶(一

19、般而言) 範(fàn)圍以都市規(guī)模來考量 提供公用網(wǎng)路服務(wù)給付費使用者(典型的) 使用固定式屋頂或高塔天線的點對多點架構(gòu),40,IEEE 802.16固接寬頻無線存取標(biāo)準(zhǔn),提供多樣性通道之有效率傳輸以支援高的服務(wù)品質(zhì)(quality of service, QoS) 利用微波或厘米波作無線連結(jié) 寬頻傳輸?shù)哪芰?2 Mbps),41,IEEE 802.16架構(gòu),系統(tǒng)參考架構(gòu) 如圖11.14所示的抽象參考模式設(shè)計，802.16無線服務(wù)可提供用戶端之間的通訊路徑，以及一個核心網(wǎng)路(可提供進(jìn)入802.16的網(wǎng)路)。此模式定義有三種介面。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)涉及到用戶的收發(fā)機和基地臺的收發(fā)機之間的空中介面。

20、 系統(tǒng)參考模式也包括中繼站的選用，空中介面規(guī)格允許使用中繼站或反射器以越過障礙物並增加細(xì)胞的涵蓋範(fàn)圍。,42,圖 11.14 IEEE 802.16系統(tǒng)參考點,43,IEEE 802.16架構(gòu) (續(xù)),協(xié)定架構(gòu) 協(xié)定具體地定義在網(wǎng)路上傳輸資料區(qū)塊相關(guān)之無線傳輸定址議題。在OSI的術(shù)語中，高層協(xié)定(在第三和第四層以上)與網(wǎng)路架構(gòu)無關(guān)，並且適用於各種的網(wǎng)路和通訊介面，因此，802.16協(xié)定只討論涉及到OSI模式的最低兩層。,44,IEEE 802.16協(xié)定架構(gòu),圖 11.15,45,IEEE 802.16協(xié)定架構(gòu)(續(xù)),802.16協(xié)定模式的最低兩層相當(dāng)於OSI模式的實體層，功能包括 信號的編碼/

21、解碼 前置符號的產(chǎn)生/移除(同步用) 位元傳送/接收 802模式的實體層包括對於傳輸媒介和頻帶的規(guī)定。傳輸媒介和頻帶的選擇在無線鏈結(jié)的設(shè)計非常關(guān)鍵，所以此協(xié)定會包括媒體規(guī)格。,46,IEEE 802.16協(xié)定架構(gòu)(續(xù)),在實體層和傳輸層之上敘述提供用戶服務(wù)有關(guān)的功能，這些包括 傳輸時將資料組合成一個帶有位址和錯誤偵測欄位的框架 接收時分解框架，同時進(jìn)行位址辨認(rèn)和錯誤偵測 管理無線傳輸媒介的存取 上述這些功能被整合成媒體存取控制(medium access control, MAC)層。在這層的協(xié)定的責(zé)任是分配基地臺和用戶臺間對無線電頻道的使用，MAC協(xié)定定義基地臺或用戶臺如何和何時可以開始在頻

22、道上傳輸。MAC層協(xié)定必須能夠分配無線電頻道容量以滿足服品質(zhì)的要求。,47,IEEE 802.16協(xié)定架構(gòu)(續(xù)),在MAC層之上是一個聚合層，聚合層提供功能給特定的服務(wù)。聚合層協(xié)定執(zhí)行下面的功能： 包裝上一協(xié)定層的PDU(protocol data unit)框架成為本身的802.16 MAC/PHY框架 映射上一協(xié)定層的位址至802.16位址 轉(zhuǎn)譯上一協(xié)定層的QoS參數(shù)至802.16 MAC框架 調(diào)整上一協(xié)定層運輸?shù)南嚓P(guān)時間成為對等的MAC服務(wù),48,IEEE 802.16.1 服務(wù),IEEE 802.16.1被設(shè)計用來支援下列的持有人服務(wù)(bearer service)： 數(shù)位語音/影像多

23、重播送 數(shù)位電話 ATM 網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定 橋接區(qū)域網(wǎng)路(Bridged LAN) 後送(back-haul) 框架交換(frame relay),49,IEEE 802.16.3服務(wù),IEEE 802.16.3被設(shè)計用來提供下列的持有人服務(wù)： 語音傳輸 資料傳輸 橋接區(qū)域網(wǎng)路,50,IEEE 802.16.1 MAC層,連結(jié)和服務(wù)流程 802.16 MAC協(xié)定是連結(jié)為導(dǎo)向的服務(wù) 在連結(jié)識別和服務(wù)流(service flow)之間存在有一對一的對應(yīng)關(guān)係，服務(wù)流定義在連結(jié)上交換的PDU之QoS參數(shù) 在連結(jié)上的服務(wù)流觀念是MAC協(xié)定運作的中心,51,IEEE 802.16.1 MAC層 （續(xù)）,框架格式由三個部分所組成： 標(biāo)頭：包含MAC協(xié)定的功能所需的協(xié)定控制訊息。 承載：承載有可能是高層的資料(例如ATM細(xì)胞、IP封包、數(shù)位語音區(qū)塊)或是MAC控制訊息。 循環(huán)冗碼(CRC)：循環(huán)冗碼檢查欄包含錯誤偵測碼。,52,IEEE 802.16.1框架格式,53,MAC管理訊息,上鏈與下鏈頻道描述符號 上鏈與下鏈存取定義 請求與回應(yīng) 註冊請求、回應(yīng)、和確認(rèn) 私有密碼鑰匙管理請求與回應(yīng) 額外動態(tài)服務(wù)