短距离无线通信技术章节程章节义十章节.ppt
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1、短距离无线通信技术,主讲教师:夏玮玮 邮箱:手机:13851584809,结束放映,开始放映,目 录,短距离无线通信技术的基本理论 短距离无线通信技术的研究方向 短距离无线通信技术的典型应用 蓝牙(Bluetooth)蓝牙基本原理与蓝牙相关的九个实验:数字基带仿真、服务发现、语音传输、数据传输、电话网接入、局域网接入、通信传输的有效性和可靠性分析、数字图像的采集传输和处理、无线多点组网 无线传感器网络(WSN)无线传感器网络基本原理无线传感器网络实验GSM/GPRS GSM/GPRS接入基本原理GSM/GPRS接入实验CDMACDMA接入基本原理CDMA接入实验,开始放映,结束放映,GSM/G
2、PRS接入实验,实验简介,GSM系统是目前世界上应用最广泛的移动通信系统。GPRS覆盖在GSM的物理层和网络实体之上,增强了GSM数据传输能力。而WAP协议可以实现人们使用手机上网,实现无线互联的梦想。本实验为学生提供了GSM/GPRS模块和相应软件,可以使学生从中了解GSM/GPRS接入过程和话音、短消息、WAP等各类网络服务的实现。,基本原理,(1)GSM系统(2)GPRS技术(3)基于GPRS的WAP应用(4)GSM AT命令集(5)Cellular/WLAN融合技术,基本原理-1 GSM系统,全球数字移动电话系统(Global System for Mobile Communicati
3、on)是欧洲电信标准协会(ETSI)为第二代移动通信制定的可国际漫游的泛欧数字蜂窝系统标准。1991年GSM系统正式在欧洲问世,网络开通运行。GSM系列主要有GSM900、DCS1800和PCS1900三种,三者之间的主要区别是工作频段的差异。,回原理目录,下一页,基本原理-1 GSM系统,GSM体系结构 从结构上来看主要包含3个主体:移动台(MS)、基站子系统(BSS)、网络和交换子系统(NSS),上一页 下一页回原理目录,基本原理-1 GSM系统,移动台(MS)MS包括两部分,一部分为移动设备(ME)。ME属于硬件部分,硬件部分包括处理人机接口和与BSS空中接口的部件,主要有扬声器、麦克风
4、、键盘和无线调制解调器。MS的另一部分为用户识别模块(SIM)。SIM为智能卡,用户在申请服务时获得,能唯一识别用户,包括用户地址和用户申请的服务类型。GSM的呼叫是与SIM相关联的,与终端并非有直接的联系。由于SIM卡携带了用户的私有信息,在GSM中采用了安全机制,用户使用卡时,需输入4位PIN码。,上一页 下一页回原理目录,基本原理-1 GSM系统,基站子系统(BSS)BSS通过无线空中接口与用户进行通信,借助于有线协议和有线基础结构进行通信。即:BSS通过空中接口和固定的有线基础结构及协议来传输信息。BSS可分为两部分:通过无线接口与移动台相连的基站收发信台(BTS)和另一侧与交换机相连
5、的基站控制器(BSC)。基站收发信台(BTS)受控于基站控制器,是服务于某个小区的无线收发信设备,完成BSC与无线信道之间的转换,实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。BSC是基站子系统(BSS)的控制和管理部分,负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理,控制移动台与BTS无线连接的建立、接续和拆除等管理,控制完成移动台的定位、切换及寻呼。,上一页 下一页回原理目录,基本原理-1 GSM系统,网络和交换子系统(NSS)网络子系统(NSS)主要包含GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需要的数据库功能,它对GSM移动用户之间的通信和GSM
6、移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。网络子系统分为五个功能单元:(1)移动业务交换中心(MSC)移动交换中心(MSC)是网络的核心,它提供交换功能,完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能,并提供面向系统其它功能实体和面向固定网(PSTN、ISDN等)的接口功能。(2)归属位置寄存器(HLR)HLR是GSM系统的中央数据库,存贮着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。,(3)拜访位置寄存器(VLR)VLR(Visitor Location Register)存储进入其覆盖区的移动用户的全部有关信息,这使得MSC能够建立呼入/呼出呼叫。移动用户一
7、旦离开该VLR的控制区域,进入另一个VLR控制区域,移动用户则重新在新的VLR上登记,原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。(4)鉴权中心(AUC)鉴权中心属于HLR的一个功能单元部分,是为了防止非法用户接入GSM系统而设置的安全措施。(5)移动设备识别寄存器(EIR)EIR(Equipment Identity Register)为存储移动台设备识别码的数据库,功能是拒绝非法的移动台入网。,基本原理-1 GSM系统,基本原理-1 GSM系统,GSM协议结构,MS和BTS通信的空中接口Um,是指与无线相关的接口 BTS和BSC间的接口为A-bis BSC和MSC间的接口为A,基本原理-1 G
8、SM系统,GSM协议结构,协议栈分为三层:物理层、数据链路层(DLL)、网络或消息层 1.物理层 GSM标准所定义的新的物理层为Um空中接口,该层指定不同的语音和数据业务消息如何格式成分组并如何通过无线信道进行传输。该层定义了建立和维护信道所需的调制方法和编码技术、功率控制方法和时间同步方法。2.数据链路层(DLL)DLL总的功能包括校验网络层的分组流,并提供在同一物理层上的多个服务接入点(SAP)。信令过程、机制或协议由系统硬件部分之间一系列的通信事件或消息构成,这些事件或消息在逻辑信道中采用DLL帧封装。,基本原理-1 GSM系统,GSM协议结构,逻辑信道 终端与基站间通信的信息包括业务信
9、息、信令信息和控制信息。逻辑信道分为基本的两类:业务信道(TCH)和控制信道(CCH)。业务信道分为两类:全速率业务信道(TCH/F)以及半速率业务信道(TCH/H)。控制信道分为三类:广播信道(BCH)、公共控制信道(CCCH)和专用控制信道(DCCH)。3.网络层 GSM协议定义了一些机制来建立、维持和终止移动通信会话,在网络层或消息层中使用协议和消息来支持这些机制。GSM标准将消息分为三个子类或三个子层:无线资源管理(RRM)消息、移动管理(MM)和连接管理(CM)消息。,基本原理-1 GSM系统,GSM接续流程 移动台初始化 移动台主呼 移动台被呼 呼叫清除,上一页 下一页回原理目录,
10、上一页 下一页回原理目录,基本原理-1 GSM系统,移动台初始化入网接续流程及逻辑信道:,基本原理-1 GSM系统,移动台在RACH(随机接入信道)上发送一条“信道请求”消息,BTS收到此消息后通知BSC,并附上BTS对该移动台到BTS传输时延的估算及本次接入原因。BSC在AGCH(允许接入)上发送“立即分配”消息或称为初始化分配消息,其中包含BSC分配给MS的SDCCH信道描述,初始化时间提前量、初始化最大传输功率以及有关参考值。当MS正确地收到自己的初始分配后,发送第一个专用信道上的初始消息SABM,其中含有客户的识别码(来自SIM卡上的信息)、本次接入的原因、登记和鉴权等内容。随后移动台
11、要求接入网络,向MSC发送“位置更新请求”消息,通知GSM系统这是一个此位置区内的新客户,MSC向该客户的归属位置寄存器(HLR)发送“位置更新请求”,在拜访位置寄存器(VLR)中对该客户对应的IMSI上作“附着”标记,再向移动台发送“位置更新证实”消息,移动台的SIM卡记录此位置区识别码。此时移动台入网成功,返回“更新确认”的消息,BSC接收后,向移动台发送“识别请求”消息,要求获取移动台的IMEI,移动台接收后向BSC发送本地的IMEI码。BSC发送“信道释放”消息,移动台对此做出响应,并回送消息“断链”,BSC收到后,发送确认信令,释放SCCCH信道。,上一页 下一页回原理目录,基本原理
12、-1 GSM系统,移动台主呼接续流程及逻辑信道,上一页 下一页回原理目录,基本原理-1 GSM系统,移动台被呼接续流程及逻辑信道,上一页 下一页回原理目录,基本原理-1 GSM系统,呼叫清除接续流程及使用的逻辑信道,基本原理-2 GPRS技术,GPRS覆盖在GSM的物理层和网络实体之上,增强了GSM数据传输能力,对独立短分组(5001000 byte)借助GSM的基础结构提供快速接入网络从而与外部的分组数据网络建立连接。GPRS使用的物理无线信道与GSM完全相同,只是定义了新的逻辑GPRS无线信道。,上一页 下一页回原理目录,基本原理-2 GPRS技术,GPRS网络体系结构 GPRS网络是在现
13、有GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现的,使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。GPRS蜂窝电话与GSM基站通信,但与电路交换式数据呼叫不同,GPRS分组是从基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN),而不是通过移动交换中心(MSC)连接到语音网络上。SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信;GGSN对分组数据进行相应的处理,再发送到目的网络。来自因特网标识有移动台地址的IP包,由GGSN接收,再转发到SGSN,继而传送到移动台上。,基本原理-2 GPRS技术,GPRS逻辑体系结构 从逻辑上来说,GPRS通过在GSM网络结构中增添SGSN和GGSN两个新的网络节点来实现。
14、由于增加了这两个网络节点,从而命名了新的接口。,基本原理-2 GPRS技术,GPRS网络主要实体 GPRS网络主要实体包括GPRS支持节点、GPRS骨干网、本地位置寄存器HLR、短消息业务网关移动交换中心(SMS-GMSC)和短消息业务互通移动交换中心(SMS-IWMSC)、移动台、移动交换中心(MSC)/拜访位置寄存器(VLR)、分组数据网络(PDN)等。GPRS协议结构 GPRS协议栈定义的是传输平面(用户数据通过GPRS/GSM网络的传输平面传输)。传输平台由一个分层协议结构组成,在不同的部件上有不同的分层,用于用户信息传输以及与此相关的信息传输中的过程控制。,GPRS信令流程 GPRS
15、终端连接到网络需要两个阶段:连接到GPRS网络(GPRS附着):GPRS终端上电后,向网络发送附着消息。SGSN从HLR手机用户数据,对用户进行鉴权,然后与终端附着。连接到IP网络(PDP场景激活):GPRS终端附着后,向网络请求IP地址。IP地址用来向终端路由数据。,基本原理-2 GPRS技术,GPRS“附着”过程,上一页 下一页 回原理目录,基本原理-2 GPRS技术,PDP上下文激活 PDP上下文有两种状态ACTIVE和INACTIVE,之间的相互关系如图所示。PDP上下文激活流程可分为四步。,上一页 下一页 回原理目录,上、下行链路数据传输,基本原理-3 基于GPRS的WAP应用,WA
16、P是Wireless Application Protocol(无线应用协议)的简称,它是开发移动网络上类似互联网应用的一系列规范的组合。通过WAP,用户可以通过移动电话、寻呼机、PDA或其他无线设备实现对相关Internet信息的访问。,上一页 下一页 回原理目录,WAP应用模型 内容服务器就是我们目前常用的Web服务器。WAP网关是WAP应用实现的核心,起着协议的“翻译”和传输内容编解码的作用。,基本原理-4 GSM AT命令集,GSM模块与计算机之间的通信协议是一些AT指令集(详见GSM07.07)。每个指令以AT+开头,以回车结尾。每个命令执行成功与否都有相应的返回。其他一些非预期的信
17、息(如有人拨号进来、线路无信号等),模块将有对应的一些信息提示,接收端可做相应的处理。控制符结束符()十六进制的0 x0D发送符()十六进制的0 x1A,上一页 下一页 回原理目录,基本原理-4 GSM AT命令集,一般常用AT命令,上一页 下一页 回原理目录,基本原理-5 Cellular/WLAN融合技术,蜂窝网络覆盖范围广,可以保证移动用户与网络之间的不间断连接,且在高速移动的情况下,也能保证稳定的QoS。但是,数据传输速率相对比较低,在某些服务量比较大的热点区域(Hot Spot),可能由于蜂窝网络容量有限,无法为移动用户提供较好的QoS。WLAN覆盖范围小,但是数据传输速率高,可以实
18、现宽带上网。同时,WLAN还具有组网方式灵活、使用开放频段以及网络设备价格低廉等优点,WLAN网络的服务费用相对蜂窝网络来说比较便宜。将Cellular和WLAN两个网络融合,可以实现两个网络的优势互补。根据网络互相依赖的程度,融合可分紧耦合(Tightly Coupling)和松耦合(Loosely Coupling)两种方式。,以UMTS/WLAN融合为例:在紧耦合体系中,WLAN网络以类似于UMTS的RAN的方式接入到UMTS核心网中,其中WLAN网关实现了所有UMTS无线接入网的协议,如认证、移动性管理、计费等。其优点是UMTS核心网中的移动性管理、服务质量QoS、安全性的机制可以直接
19、被WLAN利用。缺点是要扩展WLAN协议,此外,必须修改UMTS核心网中SGSN节点的配置来支持WLAN的高传输带宽。,基本原理-5 Cellular/WLAN融合技术,松耦合是指WLAN网络独立于UMTS网络,直接连接到因特网中。在这种方式中,UMTS网络与WLAN网络采用不同的机制和协议来处理认证、移动性管理及计费等。因为WLAN网关是直接连接到因特网中的,所以无需修改任何协议,可以独立地部署两种网络。但是此方案的不足在于:它是基于移动IP,需要进行代理发现、位置登记等过程,切换时延大,丢包率高,不利于实时业务的切换等。,Cellular/WLAN融合网络的无线资源管理 传统无线资源管理(
20、RRM,Radio Resource Management)的目标是在有限带宽的条件下,为网络内无线用户终端提供高质量业务保障,它包括接入控制、切换控制、负载均衡、分组调度、功率控制、拥塞控制等。异构网络的资源管理需要综合考虑不同的接入网络、终端、服务以及用户等信息,进行集中控制和统一管理,从而实现多系统联合无线资源管理。,基本原理-5 Cellular/WLAN融合技术,UMTS/WLAN切换场景,实验环境,上一页 下一页 回内容目录,实验内容,硬件连接 配置无线模块配置主机 网络服务 AT命令 GSM/GPRS信令仿真,上一页 下一页 回内容目录,上一页 下一页 回内容目录,上一页 下一页
21、 回内容目录,上一页 下一页 回内容目录,上一页 下一页 回内容目录,思考题,回目录,(1)GSM作为第二代移动通信系统具有哪些优点?(2)GPRS有哪些局限性?(3)WAP中的WDP协议与UDP协议相比有哪些不同?,目 录,短距离无线通信技术的基本理论 短距离无线通信技术的研究方向 短距离无线通信技术的典型应用 蓝牙(Bluetooth)蓝牙基本原理与蓝牙相关的九个实验:数字基带仿真、服务发现、语音传输、数据传输、电话网接入、局域网接入、通信传输的有效性和可靠性分析、数字图像的采集传输和处理、无线多点组网 无线传感器网络(WSN)无线传感器网络基本原理无线传感器网络实验GSM/GPRS GS
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