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移动数据通信概论

发布时间: 2006-6-29  来源:
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移动数据通信概述

    90年代,便携式、膝上型、掌上型计算机的大量使用,使计算机的应用从单纯运算扩展到各行业、各部门的业务管理、决策、规划、设计以及制造等多方面、多领域,从而导致需要交换和处理的信息量也大幅度增加。据估计,近10年来世界范围内信息量以30%的年增长率递增,信息处理和通信方式也从选前的集中方式(局限于数据处理中心和电信局间)向分散式发展,大量的数据处理工作和通信控制操作分散到桌上的和便携式的个人计算机和智能终端设备上。

  信息量的增长还对计算机的处理能力和通信网的传输能力提出了更高的要求。由于具有增强型处理能力、大存储量、易于使用的便携式轻型计算机已经普及,以及可靠、高速有效的无线信道数据传输的发展都为移动数据通信的实现提供了条件。移动数据终端和移动电话终端一样,已逐渐成为受人们欢迎的便携通信工具。因为通信发展的目标就是使通信摆脱通信网设备固定性的限制,以适应于作为通信主体的人的随时移动性。

移动数据通信的概念

  数据通信是计算机与通信线路互联的一种通信方式。移动数据通信是在数据通信基础上发展起来的。以往的数据通信依赖于有线传输,因此只适合于固定终端或计算机之间的通信。而移动数据通信是通过无线电波来传送数据的,因而有可能实现移动状态下的数据通信。狭义地说,移动数据通信就是计算机间或计算机与人之间的无线通信。它通过与有线数据网互连,把有线数据网路的应用扩展到移动和便携用户。



图1.移动数据系统的构成

  移动数据通信系统的构成与移动电话通信系统相似,一般也是蜂窝状网。图2.1所示为典型的移动数据通信系统,其基础设施包括移动数据基站、移动交换和控制中心、网络管理中心等。用户终端一般是调制解调器(MODEM)配合笔记本式电脑。MODEM或集成进电脑,或外部连接到电脑。市场上常见的MODEM是国际统一接吕标准的PCMCIA卡。一般的便携式电脑都有PCMCIA插口,将PCMCIA卡插入就可进行无线数据通信。



图2.移动数据通信网功能层

  移动数据通信网通常有三个功能层,即无线层、互连层和管理监控层,见图2.2。无线层在移动用户和基础设施间传送数据,它负责终端管理、登记程序和自动用户定位。互连层为来自无线层的数据在移动终端之间或移动终端和固定终端之间选路,通过各种有线传输媒介(包括公用数据网)完成与固定终端的连接。管理监控层则处理网络运转和维护以及用户管理。

  移动数据业务的覆盖范围与标准陆地移动无线电业务相似,不同之处是移动数据业务必须渗透到建筑物内。因为移动无线电用户一般在户外移动中使用,而移动数据用户一般在静止状态下使用便携式终端(如在建筑物内)。

 

提供的业务

  移动数据业务范围基本数据业务和专用业务。基本数据业务有电子信箱、传真、信息广播(电子新闻)、局域网(LAN)接入等。专用业务有移动个人通信(通过无线个人数字助手PDA)、计算机辅助调度、舰队管理、自动车辆定位、远程数据为接入等。

  这些业务的应用可归为三类:事务处理应用、交互式应用和广播应用。

  事务处理应用通常由两个消息组成,一个是请求操作,另一个是表明该操作是否成功。两个消息完成一次信息交换。有些事务可能包手多次信息交换,如信用卡认证、出租车调度、车辆丢失报告、寻呼、话音信箱通知、电子邮件通知和电子邮件投递。

  交互式应用需要在移动工作站和提供业务的计算机之间进行多次消息交换,这些应用包括终端接入主机、数据库接入以及远程局域网接入。

  广播应用包括一般的消息服务、天气预报、交通报告及广告。在广播应用中,消息只有传送到限定的地理区域,不必确认。消息可以在一段时间后重发几次以增加接收的可靠性。



用户类型

  移动数据在许多工业领域都有应用,图3显示了移动数据用户的基本类型。移动数据用户主要有四大类型,即调度、数据库接入、遥测和遥控。



图3.移动数据用户的基本类型


  调度是指卡车运输公司、快递公司、出租车公司、公共交通公司通过移动数据通信系统在调度员和移动车辆之间建立通信,从而实现实时调度和实时管理。例如,一个卡车运输队的调度员通过一个电子地图,随时观察和判断卡车的位置和运行的路线。当路线或计划有所改变时,计算并显示出最经济的解决方案,并发送给司机。实时调度除了能安排高效运行路线外,还可优化搭载分配、降低空载率和提高服务质量。

  数据库接入是另一大类应用。比如提供技术支持和修理的现场工程师要了解设备的历史情况及其他公共安全人员常需要随时随地接入数据库,查询犯罪记录、进行指纹识别和认证等。无线数据和无线话音一样对他们都很重要。

  通过移动数据系统随时收集气象、水文等数据信息以达支对自然现象的遥测,这种应用也很多。移动数据系统的遥控应用主要是在交通控制方面。瑞典斯特哥尔摩市就成功地采用了无线数据交通控制系统。当隧道出现问题时,管理中心
主机接收到数据信息后,自动关闭隧道,并通知机支服务车前往处理。

应用场合

  从数据终端的类型来看,移动数据通信可分为固定式应用、移动式应用和个人应用。

 固定式应用

  固定式应用是指通过无线接入公用数据网的固定式应用系统及网络轺边远地区的计算机入网、金融上的信用卡认证系统和自动取款机系统、公共服务机构的交通监测与控制、收费停车场、加油站以及灾害的遥测和告警系统等。美国最大的信用卡公司之一-----MASTES就正在建立无线信用卡认证系统。这种系统安装迅速,使用方便,特别是在各种大型体育比赛、商品交易会上,现场使用信用卡给顾客带来方便,也给商家带来更多利润。

  移动数据通信在商业销售点服务的应用是比较成功且具有发展潜力的一种,下面以此为例简单说明其通信过程。

  图4为应用在商业销售点的移动数据通信简图。顾客要用信用卡在经销商处买东西,经销商首先要与信用卡公司联系,看信用卡是否有效;若信用卡有效,还要与顾客账户所在银行联系,看顾客存款是否足够以防透支过多,待一切都没问题,才可以进行交易.此外,经销商还要与供应商互通信息,了解库存情况以保证供货。整个通信过程是,经销商的无线数据终端把信息发送到基站,再由移动数据通信系统转接到公用数据网,由此根据信息去向的不同,连接到信用卡公司、银行或供应商的网络中。



图4.移动数据在商业销售上的应用

 移动式应用

  野外勘探、施工、设计部门及交通运输部门(卡车、民航和快递公司)为发布指示或记录实时事件,通过无线数据网络实现业务调度、远程数据库访问、报告输入、通知联络、数据收集等均需采用移动式数据终端。移动据终端在公共安全部门的使用也很普遍。

 个人应用

  专业和管理人员如医生、律师、房地产代理、银行经理、行政官员等有20%以上的时间在外办事;业务人员如批发商、推销商、金融和保险人员、救护和公安从员等有80%以上在外办公或要本无办公室,无线数据设备和无线电话一样已成为他们日常工作的必备工具,以进行远程打印、传真、访问主机、信息数据库查询。股票交易商通过无线数据终端可随时随地跟踪查询股票信息,即使度假也可从远程参加股票交易。此外,电子信信息社会箱是国外应用很广的数据业务。无线接入Internet,随时随地收发电子邮件也有相当市场,参见图5。




图5. E-mail无线接入Internet网

电路交换蜂窝数据技术
  尽管蜂窝移动电话网最初的设计是会对话音通信的,但由于对数据业务的需求越来越大,最保守的估计,在近几年内将有几百万便携式计算机和传真终端投入使用,把数据综合进为话音设计的网络已成为一种趋势。模拟蜂窝系统的解决办法是在为话音通信建立的信道内传输数据,数字蜂窝系统则计划建成综合网,在网络开始设计时就
给数据以足够的考虑。

  模拟蜂窝数据

  模拟蜂窝信道为话音提供的带宽为300-3000Hz,比有线窄,再加上射频衰落环境和切换干扰,使通过模拟蜂窝的数据通信当冒险。有过对于300bit/s和200bit/s的调制解调器,除了由于入道消失(切换或其他RF损害)而丢失数据外,尚能较好工作。

  通过模拟蜂窝提供数据业务一般有3种解决方案:一是对用在有线的调制解调器不做任何改变直接连在蜂窝基础设施上,这样的连接不可靠,只有在好的无线环境下使用;二是使用那些采用了适合蜂窝信道的纠错技术的调制解调器,具体技术方案因业务的不同而不同;三是采用最完全的调整制解调器,因其采用比特交织、前向纠错FEC技术来克服信道衰落,用自动重发请求ARQ来弥补切换期间或移动终端被屏蔽时的信号损失。

  目前,模拟蜂窝移动网(包括NMT450、NMT900、TACS、AMPS)提供的数据业务一般为三类传真以及由计算机调制解调器接入的数据。图6示出了模拟移动数据连接中所需要的用户设备和网络组成。移动用户设备通常由带有通信软件的计算机、调制解调器(通常为标准低速调制解调器)和带有移动无线收发设备的移动站组成。若要传送传真,则将三类传真机与移动站连接起来。三类传真机可以是任何种类,但移动数据用户常用有传真能力的PC机。移动数据通信网络通常包括一般的无线基站BS和移动交换中心MSC,系统不能区分是数据呼叫还是话音呼叫,MSC通过公用电话交换网将移动用户与固定用户连接起来。



图6 模拟移动网的数据业务

  技术的进步会提高模拟蜂窝移动通信系统传输数据的能力,考虑到模拟系统广阔的地里覆盖性,通过这些系统提供数据将有相当的市场。

  数字蜂窝数据

  美国标准的数字蜂窝数据业务

  为满足美国和加拿大地区对蜂窝电话业务迅速增长的需求,蜂窝通信工业协会(CTIA)和通信工业协会(TIA)制定发新的数字蜂窝系统标准来替代现有的AMPS,这两种空中接口标准分别是IS-54TDMA系统和IS-95CDMA扩频系统。两种系统均计划提供一系列数据业务:短消息传输、非同步数据和三类传真(G3)和分组数据等。其中,非同步数据和三类传真两种业务的标准化工作比其他的都快。对用户来说,TDMA和CDMA系统的空中接口是相同的,业务也基本相同。

  图7示了非同步串行端口连接到通过话音的移动终端(MT),或者装有蜂窝RF调制解调器的PC机作为数据用户终端。在基础设施内有三个主要功能块,BS(基站)、IWF(互通功能)和MSC用于提供数据业务(美国标准没有定义接口和结构)。IWF完成速率适配、纠错、话音频段调制解调器功能。数据从用户数字化传送到IWF,然后传换成话音频段模拟信号或PCM信号。



图7 DAMPS系统的非同步数据业务

  非同步数据业务可通过EIA/TIA232-E接口支持,只要电气规范和EIA/TIA相容就行。这要求MT能以高达38.4kb/s的速率接收来处用户终端的数据,但RF信道的流量不能达到这一速率。解决的办法是TDMA给用户分配多个时隙或采用数据压缩。



图4 所示为传真数据业务。

GSM数据业务

  GSM是全数字的且使用了ISDN一般原理,它本身具有传输数据的能力。从数据网络的观点来看,GSM一般不被视为专用数据通信网,而是接入网,即设想经过GSM的数据是接入到其他数据网络的。GSM可以支持当今电信部门所提供的大部分低速数据业务,由于受到无线接口能力的限制,故数据速率须低于9.6kb/s。

  根据ETSI制定的规范,GSM数据业务分为这样几种:调制解调器数据业务、非限制性数字数据业务、专用分组数据装配拆卸(PAD)业务、分组数据业务、三类传真业务、短消息业务(SMS)等。

  调制解调器数据业务。在GSM移动站和通过PSTN或ISDN接入的固定网数据用户之间,提供同步和异步数据传输。该业务一般用于PC机到主机的连接,也可用于两个移动丫之间的移动--移动连接。基于专用无线信道接入方式,最适于文件传递和其他数据集型的应用,只要数据呼叫持续时间很短,同样适用于电子信箱、局域网接续和终端主机接续。

  图8示出终端到主机调制解调器数据业务的常规置,分为移动站、GSM网络和固定网络。固定网可以是PSTN或ISDN,但不能进入分组换数据(PSTN)。不过调制解调器业务能通过基本PAD业务接通分组交换数据网中的用户,在这种情况下,PAD经由PSTN或ISDN来寻址。



图8 GSM系统的调制解调器数据业务网

  移动站是GSM用户设备,有三各不同类型。第一种MT0为独立设备(如带有移动无线电装置的个人计算机);第二用由两个独立的部分组成,数据终端和移动无线电设备(MT1),数据终端可以是个人计算机,移动无线电设备可以是带有数据终端的移动电话,这两部分通过ISDN2B+D接口互连;第三种也是由数据终端和移动无线电设备组成(MT2),终端和MT2用R接口互连,R接口属非ISDN接口,是EIA/TIA-232或I-TU-TV或X系列接口,工作于同步或异步模式。

  网络交换中心控制所有的GSM呼叫,并在固定网各互通功能单元(IWF)之间为调制解调器数据呼叫选择路由。IWF是调制解调器数据呼叫的关口,它有一调制解调器群(如V.21、V.22bis、V.23、V.26ter、V.32),提供GSM与模拟PSTN和ISDN之间的互通连接。

  非限制数字数据业务。为GSM用户和ISDN网之间提供全数字化连接,通过数字数据业务的移动站设备与调制解调器数据用户的设备基本相同。ISDN B信道传输同步或异步数据,这类业务不使用模拟调制器。用于非限制

  专用PAD业务。为带有异步终端设备的GSM用户提供GSM作分组交换数据网之间的互通功能,专用PAD可以直接与GSM网相连,或通过转接网(如PSTN)相连。以移动用户作为被叫的专用PAD呼叫不允许。用户设备、无线电信道的使用、比特率和纠错方式都和调制解调器数据业务所规定的相同,只有在需要异步数据业务时才有所不同。

  分组数据业务。为GSM用户提供GSM和分组交换数据网之间的互通,这些用户具备支持ITU-X.25协议的终端设备,访该业务在GSM用户和数据用户之间传送分组交换数据,而无需使用PAD。尽管使用了分组协议,每个分组数据呼叫还是占用一个单独的GSM无线业务信道,GSM不支持许多用户比特率为2.4、4.8、9.6kb/s。

  三类传真业务。它提供移动中的传真发送和接收。传真可在移动站和PSTN或ISDN网中的普通三类传真机之间,也可在两个移动站之间交换。GSM传真方案以通常的ITU-T.30为基础。

   短消息业务。这是在移动站发出和终止的短消息传递业务,短消息是一种自由格式的字母字符串,它有两种类型,即小区广播式和点对点式。广播式用于将同一消息同时发送给诸多用户,而点对点式消息用于两用户间的数据传送。短消息通过数字控制信道传递。数字控制信道去除了数字业务信道分配相关的附加信息,只传送短消息。许多移动站共有数字控制信道,为了避免接入信道的延迟过长和负荷过重,短消息的长度在点对点通信方式中限于140个字符,在广播通信中限于83个字符。

蜂窝数字分组数据系统(CDPD)
  为了充分利用现有模拟蜂窝电话网,并克服其传输数据的缺点,IBM和9个蜂窝运营公司(McCaw,GTE,Contel Cellular, Ameritech, Bell Atlantic, NYNEX, Pacific Telesis, Southwestern Bell,和US West)联合开发了蜂窝数字分组数据系统(CDPD),1993年6月规范正式颁布。基本设计思路是利用现有的模拟蜂窝电话网AMPS,在不干涉电话业务的基础上,利用同一信道提供分组数据业务。CDPD被设计成利用话音分配给话音后即转移到另一空闲信道以传送数据。为简单起见,某些运营者在每小区指定某个信道给CDPD业务。

  CDPD系统采用与AMPS相同的30kHz信道,每个30kHz的CDPD信道支持19.2kb/s的信首传输速率(不过降质的无线信道环境会降低速率从而限制实际的信息载荷,并由于纠错和重新发射协议而引入附加时延),数据分组长度378bit。

  19.2kb/s的信道速率产生的平均功率频谱,既符合模拟蜂窝系统的发射要求,也符合双模数字蜂窝系统的要求。应当注意的是,CDPD能与IS-54TDMA系统共存,而不能与IS-95CDMA系统共存。

  虽然CDPD不能增加小区内使用的信道数量,但当数据用户使用CDPD而不是话音信道时可增加用户量。这是由非连续的分组数据业务比起连续业务来固有的高效率所决定的,因为分组数据业务不需要建立话音信道所必需的报头。

  CDPD无线链路物理层在前向链路(基站到移动台)和反向链路(移动台到基站)中均采用GMSK调制。因为几个MES共享同一信道,反向信道的接入就比较复杂,为此CDPD采用了数据敏感多址(DSMA)技术。

  CDPD协议以标准ISO和网间协议为基础。

  CDPD系统基本结构与蜂窝网相似,如图,它主要由移动数据基站(MDBS)、移动数据中介系统(MDIS)和移动终端系统(MES)三大部分组成。



图.CDPD系统基本结构

  MDBS是为MES提供无线接续和无线接口的设备,转发来去MDIS的数据分组,它位于蜂窝网的基站中以便于信道共享操作。基站最基本的配置为收发信机、计算机控制模块、调制解调器和电源。每个调制解调器和收发信机模块支持一个CDPD信道,调制解调器负责CDPD数字信号处理,无线收发信机产生可用信道所需的频率。这个模块内还包括无线频率检测器,检测正在通话的信道上的射频信号强度,寻找可开放的信道。控制计算机模块负责MDBS内控制信号必数据信号的路由选择,并通过专用DSO接口连接到CDPD网管系统,对MDBS进行控制和监视。

  为CDPD业务选择信道的任务由MDBS的无线资源管理部分完成。MIDS提供类似于蜂窝电话系统中MSC的功能,根据网络结构,可放在BSC基站控制器或MSC中。MIDS还提供到网络管理系统的连接,支持网络管理到MDBS和MES的协议。MDIS一般有两个功能部分--分组服务器(也称路由器)和管理服务器。分组服务器负责分组数据的路由选择,完成主叫移动终端到被叫终端之间的连接,同时收集有关话务、网路利用率等统计数据。管理服务器支持分组服务器,提供鉴别、查询、登记和计费等功能。

  MDIS通过中介系统(IS)连接到公用分组数据网或用户的专用分组网。业务端点可以是MD-IS当地的,也可以是通过外部网连接的远程端。MD-IS能被连接到任何一个支持标准路由选择和数据交换的外部网。MD-IS也可通过合适的MODEM互通功能提供到PSTN标准MODEM的连接。MD-IS之间的连接允许数据选择来去漫游MES的路由,并允许MD-IS之间交换移动终端认证、业务授权和计费等需要的信息。

扩频微蜂窝数据通信系统(MCDN)
  扩频微蜂窝数据系统如图所示。它完全是网状结构,无需租用地面网。


图. 扩频微蜂窝数据通信系统

  各基站均智能化,无需中央控制器。基站体积小,一般安装在杆顶或建筑物顶,以低强度信号发射文件,覆盖范围小(半径一般在2-10KM,也可限制在1-1.5KM,以提高频率利用效率)。MCDN网采用扩谱跳频技术,传输速率高(10-45kb/s),使用的频率为分配给扩频技术的ISM频段(902-928MHz和2400-2438MHz)。

  MCDN网突出优点是系统容量大,基站、用户终端价格便宜,通信费用也低,适合于500bit以内的双向文件传输。在美国已有22个城市建网,主要用在校园和市区。

TETRA标准
  TETRA(Trans-European Trunked Radio)是由欧洲电信标准委员会(ETSI)制定的欧洲集群无线电和移动数据系统的公开标准。TETRA是一个标准系列,一个分支是集群话音(数据)业务的无线和网路接口标准,另一分支是服务于固定和移动用户的宽域分组数据业务的空中接口标准,它支持标准网路接入协议,该标准的两个分支使用共同的物理层(即同一个无线接收机服务于两种业务,即集群无线电和移动数据),以PI/4-DQPSK调制为基础,每信道25KHz宽,信道速率36kb/s。
  图4.10是TETRA网的简化结构,它标出了将定义的业务的三个接口。Um接口是基站(BS)和移动台(MS)之间的无线链路。网路的另一边是固定网路接入点FNAP,移动用户通过FNAP接入固定用户。固定主机和固定数据网一般使用标准接吕和协议,TETRA网的移动部分打算采用同样的标准。移动数据用户接口即移动网路接入点(MNAP)在图中作为移动终端单元MTU与数据终端的物理接口。如果MS是一个没有外部数据端口的集成装置,MNAP则仅仅是一个逻辑接口而有是物理接口。根据设想,这三个接口FNAP,MNAP和空中接口Um都将支持分组模式的数据业务。



图. TETRA网络接口

  TETRA计划提供连接和非连接数据业务。有关TETRA网路模型的三个接口的协议定义工作正在进行,大的原则已确定,移动台物理数据端口采用真正X.25接口,这意味着任何与之相连的数据终端都必须采用X.25协议,可真正实现呼叫连接的移动和固定端口之间的对等通信。关于非连接数据业务,协议以非连接模式网路业务的ISO标准为基础,目前还没有完成。

  无线链路协议也没有确定,不过肯定要把前向纠错编码FEC、循环冗余码较检纠错码CRC和ARQ方案组合起来使用。据报道,TETRA标准将包容两种最普遍的多用户接入方式S-ALOHA(有分组预约或没有)和数据敏感多址接入(DSMA)方式。


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