《现代网络技术》课件第11章

第11章无线网络技术11.1蜂窝无线通信11.2码分多址11.3卫星通信11.4蓝牙技术11.5无线应用协议(WAP)习题11.1蜂窝无线通信11.1.1寻呼系统最早的寻呼系统是利用一个嗓门大的人，或广播，发出公告：“李四先生，请回电话1234567”。无线寻呼系统是利用与PSTN相连的无线寻呼控制台代替PSTN用户寻找和呼叫不在电话机旁的移动用户(BP机)。移动用户收到无线呼叫后，根据呼叫者提供的电话号码到附近电话站通过PSTN回答呼叫。当前的大多数寻呼系统的共同特点是，它们是单向系统，只能由寻呼机发送信息给BP机。寻呼发送台与所有BP机均采用同一频率，由于只有一个发送者，所以发送信息时不会出现冲突，因此这种系统显得相对简单，并且运营的成本较低。寻呼的信息量极小，每条信息仅需要30字节的突发传输，所以寻呼系统只需要极小的带宽。较早期的寻呼系统工作在150～174 MHz频带的各个频率上，现代的大多数寻呼系统则工作在930～932 MHz频带。图11-1(a)说明了寻呼系统的单向特性，所有的寻呼信息都在同一频率上发出。而移动电话是双向的，每个通话使用两个频率，不同的频率对应于不同的通话，如图11-1(b)所示。图11-1寻呼系统与移动电话系统比较(a)单向寻呼系统；(b)双向移动电话系统11.1.2无绳电话无绳电话是指用无线信道代替普通电话线，在限定的业务区内给无线用户提供步行速度的移动或固定PSTN业务的电话系统。无绳电话通信系统分为20世纪70年代出现的模拟无绳电话通信系统和现代无绳电话通信系统。系统的终端是有线或无线终端，如电话、个人计算机和传真机等，有线终端可经无线收发信机接续。第一代模拟无绳电话系统(CT1)由一个或若干个基站和多部手机组成，允许手机在一组信道内任选一个空闲信道进行通信。一个基站形成一个微蜂窝，包含一组信道，服务半径约为50 m。多个微蜂窝构成一个业务区，区内手机都可通过基站得到服务。模拟无绳电话技术简单、安装方便、成本低，受到人们的普遍欢迎，发展迅速。但模拟无绳电话存在着一些固有缺陷，如频谱利用率低、容量小、服务范围不大、相互干扰严重、音质差、难于保密以及不易进行数据通信等。

1989年欧洲推出了第一个数字无绳电话标准，紧接着北美、日本都有了各自的数字无绳电话标准，以数字技术为基础的第二代无绳电话系统(CT2)首先在英国投入商用。CT2不仅适用于家庭、办公室等室内场合，还可用于公共场合，它采用了语音编码和时分双工(TDD)等数字技术，同时利用多信道共用和信道动态分配技术，提高了系统频谱的利用率，加强了抗干扰能力，提高了话音质量，还可提供加密业务。但CT2用户只能主叫，不能作被叫，而且系统无越区切换和漫游功能。因此，CT2在全球的发展并不尽如人意。

1992年，欧洲电信标准协会(ETSI)又推出了新的数字无绳电话系统标准——欧洲数字无绳电话系统(DECT，DigitalEuropeanCordlessTelephone)。1994年9月，美国联邦通信委员会(FCC)的联合技术委员会(JTC)通过个人接入通信系统(PACS，PersonalAccessCommunicationSystem)，日本也推出了个人便携电话系统(PHS，PersonalHandyphoneSystem，在中国称为小灵通)。这些数字无绳电话系统具有容量大、覆盖面宽、能完成双向呼叫、微蜂窝越区切换和漫游以及应用灵活等优点，并成为今后无绳电话发展的趋势。11.1.3模拟蜂窝电话移动无线电话在20世纪早期偶尔被海军和海洋部门用于通信。1946年圣·路易斯设立了第一个用于汽车电话的系统——按钮启动通话系统(Push-to-Talk-System)，它是一个单工系统。20世纪60年代，发展了改进型移动电话系统(IMTS，ImprovedMobileTelephoneSystem)，它能进行双工通信，然而它的信道数量少，用户必须等待很久才能听到拨号音。同时，由于它的发射装置功率太大，邻近的系统必须相距100 km以外才能避免串扰。这些缺陷导致该系统不能投入实际应用。

20世纪80年代，蜂窝式移动电话系统迅速发展并得到广泛应用。到目前为止，国际上已运行了多种制式，其中有代表性的是美国的先进移动电话系统(AMPS，AdvancedMobilePhoneSystem)，它在英国被称做TACS，在日本被称做MCS-L1。1979年世界无线电行政大会指定蜂窝式移动电话系统宜采用频段为890～915 MHz(上行频段)与935～960 MHz，频道间隔为25 kHz，但现实的各系统与此有少许出入。在AMPS中，地理上的区域被划分成一个个小的单元(Cell)，其范围一般为10～20 km，每个单元使用一套频率。由于基站发射机的功率较小，一定距离之外的单元受到的干扰足够小，则这两个单元互相在对方的同频率干扰范围之外，所以这两个单元可以使用同一套频率，提高了频率利用率。这样，我们利用相对较小的单元就可使AMPS容量增大，这是它的关键思想，它的代价是更多的系统结构开销。IMTS系统在100 km范围内每个频率上可以有一个通话，而AMPS系统在相同的范围内可以有100个10 km大小的单元，因而每个频率上可以有5个到10个通话。而且，小的单元意味着需要的功率小，这样设备也变小了并且成本也降低了。频率重用的思想如图11-2所示。单元一般都近似于圆形，但由于一些原因，我们都采用六边形表示。图中，单元的大小都一样，它们被分成7个组，其上的字母代表一组频率。应注意对于每组频率都有一个大约2单元宽的缓冲，缓冲区处于同频率干扰范围之内，在这里频率不被重用，以获得较好的分隔效果和较小的串扰。图11-2蜂窝结构示意图在每个单元的中央是一个基站，该单元里的所有电话都向其发送信息。基站由计算机和发射与接收装置构成，后者连到天线上。在小系统中，所有的基站都连接到一个称做移动电话交换站(MTSO，MobileTelephoneSwitchingOffice)或移动交换中心(MSC，MobileSwitchingCenter)的设备上。在较大的系统中可能需要几个MSC，它们都连接到一个二级MSC上，依此类推。MSC和电话系统中的端局相似，并且实际上至少连接到一个电话端局。其具体的网络结构与GSM网络结构类似，可参见图11-3。图11-3GSM网络结构示意图不管在什么位置，每部移动电话逻辑上都处在一个特定的单元里，并且在该单元的基站控制之下。当某移动电话离开一个单元时，它的基站注意到移动电话传送过来的信号逐渐减弱，就会询问所有邻近的基站收到该电话信号的强弱。该基站随后将控制权转交给获得最强信号的单元，即该电话当前所处的单元。该电话随即被告之有新的管理者，并且如果正在进行通话，将会被要求切换到新信道(因为它原来使用的信道在新的单元里不能被使用)。此过程被称做越区切换(Handoff)，大约需时300 ms。信道分配由MSC完成，它是系统的中枢，基站实际上仅做电波的中转。在某些单元里，用户数量已经超过了系统的负载能力，于是可以将该单元的发射装置功率降低，并且将该单元分成更小的单元以便于更多的频率重用。在单元细分的情况下，每一个小单元又可以容纳很多的用户，但单元细分并不是越小越好。首先，基站的发射功率不能无限小；其次，单元越小，用户的越区切换越频繁，通话中断的可能性越大，系统管理开销也越大。加之还有其他一些原因，所以单元到底该多大是一个复杂的问题，要综合考虑。

AMPS系统使用832个全双工信道，每个信道由一对单工信道组成。从824～849MHz有832个单工发送信道，从869～894MHz有832个单工接收信道，每个信道宽为30 kHz，即AMPS利用FDM来分隔信道。

832个信道被分成4类：●控制(基站到移动电话)，用于管理系统。●呼叫(基站到移动电话)，用于提示用户有人呼叫。●接入(双向)，用于通话建立和信道分配。●数据(双向)，用于语音、传真或数据。有21个信道留做控制，它们被固化到电话的PROM中。由于相同的频率不能在相邻的单元中使用，所以每个单元实际上可用的语音信道比832少得多，一般大约为45个。由于任何有全波段无线电接收机的人都可以收听到一个单元里的所有通话，所以模拟蜂窝电话不安全。数字蜂窝电话则可以在一定程度上解决这个问题。11.1.4数字蜂窝电话数字蜂窝电话目前主要有以下几种典型的系统。

1．GSM

1)系统简介移动通信全球系统(GSM，GlobalSystemforMobileCommunication)，简称全球通，最初由欧洲生产和使用，现已在世界各国广泛使用。目前，世界上已有100多个国家的200多家运营公司选择了GSM，我国的华为、大唐等厂家也进行了GSM系统设备研制。

GSM的网络结构如图11-3所示。由图可知，GSM系统主要由移动交换中心(MSC)、基站(BS)和移动台(MS)三部分组成。

GSM网络由MSC通过中继栈与PSTN的本地交换机相连。MSC是该系统的中枢系统，主要负责呼叫的建立和计费，它利用HLR存放全部归属用户的信息，利用VLR存放漫游到该VLR管辖地区中的移动用户的数据。

MSC网络用于控制基站向移动台发送信息以及接收移动台发送过来的信息。每一个MSC可控制几个基站。移动台是GSM与用户交互的界面，包括手持机、车载移动台等。

GSM采用FDMA/TDMA混合技术，还加上跳频技术。GSM最初被设计使用波段，后来又确定使用1800 MHz，后者被称为SCD1800，但它实质上仍然是GSM。

GSM系统中每个蜂窝最多可拥有200多个全双工信道，下行频率(从基站到移动台)为935～960 MHz，上行频率(从移动台到基站)为890～915 MHz，与原有的模拟通信系统TACS相同，但它们不兼容。每个频道宽200 kHz，其频道配置如图11-4所示。由图可知，理论上每个蜂窝可支持992个信道，但为了避免与相邻蜂窝的频率冲突，其中许多都不能使用。图11-4GSM频道配置

2)系统工作过程当移动台开机后，其根据预先存储的程序对控制信道进行扫描搜索，并锁定在信号最强的信道。通常这表明和最近的基站建立了联系。然后，移动台继续监测所选择的控制信道，等候被呼或发起主呼。由于移动台不断移动，所以每隔一定时间或收到的信号变弱到某个预定值时，移动台就要重复上述过程，使得移动台不断跟踪信号最强的基站。下面讲解移动台几个主要的工作过程：

(1)移动台被呼过程：可分为寻呼、选择基站、应答、分配话音信道、振铃和通话等。寻呼：PSTN传来的寻呼信号首先送到MSC，由于MSC管理几个基站的移动台，它并不清楚要寻呼的移动台具体在哪个基站管辖范围内，所以它通过自身管理的几个基站在控制信道上均广播寻呼信息给所管辖的移动台。选择基站：若被呼移动台已开机，则能发现自己被呼，选择信号最强的基站，准备应答。应答：移动台通过控制信道向基站发送身份识别标志码，表明已收到寻呼，然后基站向MSC报告。分配话音信道：MSC给移动台分配一个无线信道，通过基站告诉移动台，然后移动台将频率置在该话音信道的频率上。振铃：MSC控制基站在刚才分配的话音信道上给移动台发送振铃信号，移动台振铃同时在话音信道上向基站发送一个信令音ST，MSC停发回铃音，接通话音线路，即可通话。

(2)移动台主呼过程：可分为呼前拨号、选择基站、申请话音信道、分配话音信道、向市话拨号、振铃和通话等。呼前拨号：用户预先输入呼叫号码，存放在移动台的内存中，可减少占用无线信道的时间。选择基站：移动台摘机后，选择信号最强的基站。申请话音信道：移动台将预先输入的电话号码和身份识别码一起通过控制信道发送给基站，基站通过有线线路报告MSC，表明等待分配话音信道。分配话音信道：和被呼过程相同，由MSC分配一个无线信道，移动台同时置为该频率。向市话拨号：MSC向市话局发送被叫用户号码。振铃和通话：市话网向被叫用户振铃，摘机即可通话。上面是呼叫建立过程，通话完需拆线，这决定于是移动用户先挂机还是市话用户先挂机，与移动用户是主呼还是被呼无关。

(3)移动台先挂机时的拆线过程。释放：移动台挂机，在话音信道上发ST信令，并关掉发射机。基站收到ST信令后，就发挂机信号给MSC。空闲：MSC向市话网发出拆线信号。基站关闭发射机：MSC命令基站关闭发射机。

(4)市话用户先挂机时的拆线过程。示闲：MSC收到从有线网发送来的拆线信号，就将所有与该呼叫有关的单元置为空闲。信道释放：MSC通过基站向移动台发送信道释放命令，移动台收到命令后即关掉发射机，然后基站向MSC发送一个挂机信号。基站发射机关闭：MSC收到挂机信号，即命令基站关闭发射机。

(5)越区切换过程：移动台在通信过程中，为它服务的基站发现信号弱于某一值时，立即向MSC报告。MSC当即命令邻近基站监测该移动台，并比较所得结果，决定是否需要越区切换。越区切换过程如下。新信道准备：MSC通过有线线路通知新的基站开通发射机。通知移动台切换频道：MSC通过原服务的基站通知移动台使用新的频道号码。信道、线路重新组合：移动台调到新的频道上，并发确认信号，MSC把市话线路改接到新的基站。由以上工作过程可明显看出MSC的中枢控制作用。

2．GPRS——GSM上叠加的无线分组服务通用无线分组业务(GPRS，GeneralPacketRadioService)是GSM网络为提供真正的无线分组接入而设计的一项新业务，它是第二阶段GSM。不过，GPRS不仅仅只能叠加于GSM上，IS-136TDMA也同样支持GPRS。GPRS主要的优点是可以提高无线信道的有效利用率。GSM网络对于无线信道的利用是电路交换式，这对于突发型的数据通信，信道利用率不高，并且对用户是按连接时间计费，所以用户的通信费用也较高。而GPRS是采用分组交换，这意味着用户只有在发送或接收数据时才真正使用GPRS资源，所以资源可以被多用户共享，并且对用户是按传送的字节流量计费，费用较低。图11-5所示的是GSM/GPRS网络结构示意图，由图可知，在GSM上叠加GPRS服务，只需在原有的网络基础设施上增加少量的基础设施节点，并且对软件升级即可。这里主要引入了两类新节点：GPRS服务支持节点(SGSN，ServingGPRSSupportNode)相当于GSM中的MSC，主要负责用户的移动管理和无线资源管理；GPRS网关支持节点(GGSN，GatewayGPRSSupportNode)，主要负责与其他面向分组的网络的连接以及存储用户的位置信息。

GPRS主要用来和TCP/IP、X.25等标准数据网络连接。面向分组的GPRS是建立在GSM基础上，其网络结构具有一些新的功能元素，其移动管理概念有很大改变。图11-5GSM/GPRS网络结构示意图

GPRS在目前得到强劲发展，其优势在于：●更快的速度：理论上峰值速率可达到171.2 kb/s，如果再利用EDGE，传输速率可达到384 kb/s。●永远在线的移动性：由于GPRS不需要实际连接，按传送字节流量计费，所以可以永远在线。一旦需要发送数据，可立即发送。这对于如远程信用卡验证等应用具有重要意义，因为让顾客多等30秒钟也是不能接受的。●更新更好的应用：GSM网络由于速度限制(9.6 kb/s)，应用范围较窄。GPRS可用于许多应用系统，如遥测、火车控制系统、交互式数据访问、公路收费系统、WWW、FTP和多媒体服务等。●为第三代移动网络应用业务开发提供宝贵的经验。

3．CDPD移动网

20世纪90年代初蜂窝数字分组数据(CDPD，CellularDigitalPacket)叠加在蜂窝移动电话网AMPS基础上，实现了数字分组移动通信，改变了数据通信的不可移动性，使计算机的功用进一步拓展，也为社会网络化提供了一种崭新的手段。

CDPD作为一种寄生网络而存在，具有以下技术特点：●64 kb/s的有线线路和固定网连接，19.2 kb/s(由于包含一些附加位，所以纯数据传输速率接近9.6 kb/s)的空中信道用以连接移动台，全双工实时无线数据通信。●高质量、无差错的无线数据传送，采用可避免碰撞的CSMA/CD无线信道多址接入技术。●采用先进的动态密钥管理，正反信道密钥不同，以每呼叫为基础进行动态密钥更换，保护用户数据不被窃听。●无连接方式的分组通信，以TCP/IP为基础。由于协议的开放性，任何以TCP/IP为基础的软件产品，都可用于CDPD，使CDPD有很好的应用基础。●适用于信息较小但实时性要求较高的数据传输。网络中的移动终端可一直处于在线模式，随时随地发送数据、图像和文字等数据信息。

CDPD网络的逻辑组成如图11-6所示，它主要由以下三部分组成。●MDBS：移动数据基站系统，主要负责无线资源的管理，作用类似于GSM的MSC，当发生越区切换时，由MDBS来完成信道切换，并把频率改变的消息告诉移动台。●MD-IS：移动数据中间系统，负责验证移动台的身份，管理移动台的移动性。●M-ES：移动终端系统，一般是手持式计算机或笔记本电脑，配有CDPD调制解调器。M-ES可以支持不同类型的业务，例如有些M-ES仅支持数据业务，而有些M-ES可在数据和语音双模式下工作。图11-6CDPD网络的逻辑组成要注意的是，工作在双模式下时，CDPD是在声音系统已经运行的情况下加上的，它的设计受到了不能改变现有声音系统的限制。当声音通话要选择信道时，其算法不能知道CDPD的存在，所以数据信道有可能被突然抢占。但是，设计中没有丝毫妨碍拥有专用CDPD信道的地方。随着CDPD的日趋流行，提供者可能会给出专用的CDPD信道。

4．第三代数字蜂窝系统所谓第三代移动通信系统，是指能支持语音数据综合和移动多媒体的宽带数字移动网络。它主要由接入部分、宽带通信网和智能化网络管理组成。接入部分包括无线和有线接入。无线接入有卫星移动通信系统，用于覆盖边远地区、空中和海上通信；有蜂窝移动通信系统，以微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝等方式分别覆盖市区高密度区和郊区等。接入的用户终端可以是普通电话机、小巧轻便的手持机、车载台和多媒体终端等。宽带通信网提供对各种业务的传输与交换功能，这个网络的基础应该是宽带综合业务数字网(B-ISDN)。由于第三代通信网的用户数量非常大，而且要支持多媒体业务，因此只有采用宽带ISDN网才可能具备这个能力。智能化网络管理和数据库是第三代通信网的核心，它担负着数据库管理、用户移动性管理和网络安全管理等功能。网管中心与宽带通信网共同完成用户注册和认证、用户号码管理、计费管理、用户位置登记、用户呼叫处理、用户漫游管理和越区切换等，要具备动态跟踪移动用户的位置信息的能力，并能迅速选择出通信链路的最佳路由。用户的移动性可以通过用户持有的身份识别卡来管理。当用户在办公室时，只需要将自己的身份识别卡在办公桌上的电话机插一下，用户身份信息传到网管中心，对其合法性进行认证，并修改数据库的记录，更新用户的位置信息，以后再有找他的电话，这个电话机就会振铃，并将通话费自动记录到用户账下。当用户在下班回家的路上，将身份识别卡往汽车内的移动电话上插一下，就可以在汽车内接听电话了。同样可以将便携机、多媒体终端、飞机上的移动电话等通信设备变成个人通信终端。基于身份识别卡的技术已经在数字蜂窝移动电话(GSM)中使用，只要用户将自己的卡插在任何一部手机中，这部手机就成为这个用户的终端了。很多机构和组织都在研究第三代移动系统，并提出了不同的系统。●国际电信联盟(ITU)早在1985年就提出了未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)，在1994年更名为IMT-2000(2000年国际移动通信)。它采用1.8～2.2 GHz频带，使用智能网技术进行移动性管理和业务控制，能集成蜂窝系统、无绳系统、卫星系统等多种无线网络环境，提供广泛的电信业务。●欧洲电信标准化机构(ETSI)提出了未来欧洲第三代移动系统的网络架构——通用移动电信系统(UMTS)。UMTS使用2 GHz频率，与IMT-2000的频率相同。它将提供144 kb/s～2 Mb/s的速率，支持宽带多媒体业务。●美国提出了个人通信业务(PCS)，它能利用现有的、互不兼容的无线基础设施提供话音通信并与现有的数据业务交互工作，具有终端移动性、个人移动性、用户移动性和业务移动性及分布管理相结合的综合能力。11.2.1多址通信技术简介多址问题可认为是一个滤波问题。许多用户可以同时使用同一频谱，然后采用不同的滤波器和处理技术，使不同用户信号互不干扰地被分别接收和解调。现在主要有五种多址方式：频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)，码分多址(CDMA)，空分多址(SDMA)和波分多址(WDMA)。11.2码分多址

1．频分多址(FDMA)

FDMA是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道(或称信道)，分配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息，而在相邻频道之间无明显串扰。发送端将发送的信息调制到某个频道上，接收端通过频率选择(滤波)，从混合信号中选出相应的信号。模拟的蜂窝系统都采用FDMA，如AMPS和TACS，我国这两种制式都有，但TACS占绝大多数。AMPS将分配的频谱分成带宽为30 kHz的频道，并使用窄带FM调制，调制效率为每30 kHz一条话路。

2．时分多址(TDMA)

TDMA是把时间分割成周期性帧，第一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定的时隙向基站发送信号，基站可以分别在各时隙中接收到移动台的信号而不受干扰。同时基站发向多个移动台的信号，都按规定在预定的时隙中发射，各移动台在指定的时隙中接收(时间选择)，从合路的信号中提取发给它的信号。当前应用这种多址方式的蜂窝系统主要有北美的DAMPS和欧洲的GSM，这两种制式我国也都有，GSM占绝大多数。现在使用的TDMA蜂窝系统实际上都是FDMA和TDMA的组合，如DAMPS蜂窝系统就是先使用了30 kHz的频分信道，再把它分成6个时隙进行TDMA传输。

3．码分多址(CDMA)每个用户(收发信机)具有特定的地址码，用于发射信号的扩展频谱调制，从而实现在公共信道上传输信息，这种通信技术称为CDMA。CDMA的特征是代表各信息的发射信号在结构上各不相同，并且其地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。

4．空分多址(SDMA)

SDMA利用定向天线使无线束覆盖到不同区域。各种蜂窝系统都使用了SDMA，以在不同单元间实现频率复用，卫星通信中也可使用SDMA。SDMA对天线要求较高，增加了设备的数量和切换的次数，加重了交换机的负担。在自适应天线阵列智能单元中，利用阵列天线自适应地形成跟踪移动台的波束，每个用户对应一个波束，各用户的波束之间没有干扰。如果相同的频率在单元中复用N次，则系统容量将提高N倍。

5．波分多址(WDMA)波分多址实际上也是频分多址，只是该技术采用了波长分割各信道。与FDMA不同的是，WDMA是在光学系统中利用衍射光栅来实现不同频率光波信号的合成和分解。光纤技术就是应用了波分多址技术。11.2.2码分多址原理每个站点被指定一个惟一的m位代码或称码片序列(ChipSequence)，比如码片序列长为8位(这只是为了简化起见，通常情况下，码片序列长得多，比如为64或128位)。当发送比特1时，站点就发送其码片序列；发送比特0时，站点就发送其码片序列的反码。比如站点A的码片序列被指定为00011011，发送00011011就表示发送比特1，发送11100100就表示发送比特0。为了便于理解，这里采用双极型的形式，二进制0用“－1”代替，二进制1用“＋1”代替。书写时，将码片序列用括号括起来，比如站点A的码片序列为(－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1)。图11-7(a)所示为4个站点的二进制码片序列，而图11-7(b)给出了它们相应的双极型形式。图11-7码分多址原理图(a) 4个站点的二进制芯片序列；(b)双极型芯片序列；(c)发送的6个例子；(d)站点C的信号复原图11-7(c)中，给出了站点同时发送的6个例子。第1个例子中，只有C发送了“1”，所以得到的结果就是C的码片序列。第2个例子中，B和C均发送“1”，因此结果为它们序列之和，即将两个矢量进行相加：(－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1)＋(－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1)＝(－2000＋2＋20－2)第3个例子中，站点A发送“1”，站点B发送“0”，其余保持沉默。第4个例子中，站点A、C发送“1”，站点B发送“0”。第5个例子中，4个站点均发送“1”。最后一个例子中，站点A、B、D发送“1”，站点C发送“0”。这些例子中站点各自独立地发送信息到信道上，它们合成得到的信息就是序列S1～S6。11.2.3扩展频谱通信在以前的窄带通信中，人们通常尽量使一个信道占用的带宽减少，以此提高系统的容量，但显然信道的带宽不能无限减少。而11.2.2节中介绍的CDMA，却使信道占用的带宽大大增加了，这是否会降低系统的容量呢？由上一小节(11.2.2)可看出，无噪声的CDMA系统的容量是任意大的，所以答案是否定的，原因是每个地址码之间的正交性。那么，这种方法除了能增加系统容量外，还能否带来其他的优越性呢？下面介绍前两种扩频方式。

1．直接序列扩频图11-8给出了直接序列扩频系统的原理框图。窄带的基带信息码是要传输的信息，它通过与速率很高的编码序列(通常用伪随机序列)进行调制将其频谱展宽，这个过程为扩频过程。频谱展宽后的序列被进行射频调制，其输出则是扩展频谱的射频信号，经天线辐射出去。图11-8直接扩频系统原理在接收端，射频信号经混频后变为中频信号，对它用与发送端相同的编码序列进行反扩展，将宽带信号恢复成窄带信号，这个过程称为解扩。解扩后的中频窄带信号经普通信息解调器进行解调，恢复成原始的信息码。从图11-8中我们可以看出，如果去掉扩频和解扩这两个过程，该系统就变成了普通的数字调制系统。因此，扩频和解扩是扩展频谱的关键过程。扩展频谱的特性取决于所采用的编码序列的码型和速率。为了获得近似噪声的频谱，均采用伪噪声序列作为扩频系统的编码序列，如m序列、Gold序列等。扩频信号在传输过程中受到窄带干扰，则在接收端处理的既有有用信号的扩展频谱，也有干扰信号窄带谱。扩频解调器利用本地地址码进行解扩处理，有用信号被恢复成窄带信号，而干扰信号反而被扩展成宽带谱。在经过解调、滤波后，干扰信号落在有效频带内的信号功率大大降低，带内的信噪比就可以大大提高，起到了抑制干扰和无用信号的作用。

2．跳频扩频简单地说，跳频就是电台的频率按照一定的规律进行变化的多种频率频移键控。简单的频移键控(FSK)只有两个频率，分别代表传信息和不传信息。我们所讲的跳频系统是利用伪随机码来选择频率，一般有几十个甚至上千个频率。早期的短波无线电报员经常用改变频率的办法来躲避干扰和防止被敌人窃取电报信息。跳频就是这个概念的发展，它不是用人工来定时改变电台的工作频率，而是按照一种码序列随机地自动地改变电台的工作频率，其码速率通常较低。图11-9给出了跳频系统的原理图。如果图中的频率合成器被设定在某一固定频率，这就是普通的数字调制系统。当利用伪随机码来控制频率的变化，发射机的频率将在一个很宽的范围内不断改变，从而射频载波的频率也在很宽的范围内变化，由此形成了一个宽带离散频谱。接收端必须用相同的伪码置定本地频率合成器，使其与发送端的频率做相同的改变，经与接收到的信号混频，得到一个中频信号，再经过带通滤波，得到一个窄带信号，即我们需要的信号。而干扰信号在混频时不再是稳定的中频信号，经过带通滤波，留在有效频带内的干扰信号功率大大降低，带内的信噪比就可以大大提高，起到了抑制干扰和无用信号的作用。图11-9跳频系统原理跳频系统的处理增益与直接扩频系统相同，如果跳频系统有1000个可供跳变的频率，则其处理增益为30 dB。跳频系统的频率跳变，受到伪随机码的控制，时间不同，伪随机码的机位不同，对应的频率合成器产生的频率也不同，我们把跳频系统的频率跳变规律称为跳频图案，跳频图案是时间和频率的函数，故又称为时间-频率矩阵，简称时-频矩阵。如图11-10所示，可直观地描述频率跳变规律。图11-10时间-频率矩阵11.2.4CDMA的特点

1．具有很强的抗干扰能力由于CDMA采用了频谱扩展的原理，从而大大提高了通信抗干扰的能力。它可以在接收到的信号比干扰信号(各种噪声、人为干扰以及其他站的信号总和)的强度小得多的情况下，仍进行可靠的通信。

2．用户可随机接入系统进行多址通信

CDMA用户用不同的下次编码区分地址，多个电台共同使用一个频带，网内不需严格同步(只需在收发端同步)，所以可随机接入通信网进行通信，还可以用软件随机改变地址号码，这比频分和时分多址通信要灵活得多。单纯地从窄带信息被扩展为宽带信号的角度看，CDMA的频带利用率似乎降低了，但实际上由于采用码分多址，地址数相当大。

3．安全通信由于扩频后信号功率密度很低，近似于白噪声性能，且信噪比可低到－20 dB～－30 dB，这样采用一般方法难于检测，所以信息传输具有隐蔽性。即使被检测到，由于它具有很强的抗干忧性，尤其对人为的瞄准干扰抵抗能力更强，所以它具有很高的通信可靠性。

4．过境软切换由于无线单元采用同一无线信道，仅有的差别是伪码序列。因此移动台从一个单元进入另一个单元时不需要从一个频率切换到另一个频率，只需更改伪码，这被称为过境软切换。

5．系统性能的自适应性每一个电台都将不需接收的信号看成干扰信号(包括其他电台发射的信号)，而CDMA具有很强的抗干扰能力，所以在系统用户负荷满载时，即达到设计时额定用户量时，再增加用户只会引起话音质量轻微降低，而不会形成阻塞现象。据统计表明，人类对话激活期只占35%左右，其余时间用于收听、停顿。这样，一个用户处于非激活期时，其他所有用户都会因为背景干扰减少而受益。从另一个方面来说，话音停顿使背景干扰减少了65%，从而系统容量提高了两倍。

6．抗衰落能力强扩频信号频谱所占据的频带很宽，当由于某种原因引起衰落时，只会使小部分的频谱衰落受影响，而不会使整个信号产生严重畸变，因为它在任意窄的频率范围内所发送的功率都很小，所以扩频信号的功率谱密度远比普通调频信号功率谱密度小得多，因此具有强的抗频谱衰落的能力。11.3卫星通信11.3.1卫星通信系统的组成卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设备，主要由跟踪遥测指令分系统、监控管理分系统、空间分系统及通信地球站四大部分组成，如图11-11所示。图11-11卫星通信系统的基本组成11.3.2地球同步卫星在地球赤道上方大约36 000 km的地方，卫星绕地球自转的周期为24小时(严格来说，是一个恒星日：23小时59分4.09秒)，因此它和地球的自转速度相同。人们观察这样的一颗卫星，就可以看到它悬挂在天空一动不动，这样的卫星称为地球同步卫星。同步卫星的好处是人们可以让地球站上的天线对准卫星，以后不需调整角度，这样可以降低天线成本。否则，需要一个自动装置来自动跟踪卫星的运动而调整天线的仰角，此设备比较昂贵。卫星之间的距离如果相隔太近，会由于相互之间的串扰影响通信质量。在同步轨道上，卫星的距离最好不要小于2°。如果间隔2°，则最多只能有360/2＝180颗地球同步通信卫星。而某些轨道位置保留给了某些特定用户，如电视广播、政府和军事部门等。不过，如果使用不同波段，卫星之间就不会发生竞争，因此180颗卫星中的每一颗都可以同时有几个上行或下行数据流。另外，如果使用不同的频率，多颗卫星可占用同一轨道。为了避免混乱，国际上已就谁能使用哪些轨道和频段达成了协议。主要的商用卫星波段如表11-1所示。C波段最早就用于商用通信，所以已经很拥挤了。其中有两个频段，频率较低的一个用于下行(卫星到地面站)，高的用于上行(地面站到卫星)。对于一个全双工连接，每一个方向都需要一个信道。商用电信公司可用的次高波段是Ku波段。此波段目前还不拥挤，在这些频率上卫星的间隔可以近到1°。但是，由于这些微波的波长和雨水的直径可比拟，所以雨水是它们的良好吸收者。幸运的是，大暴雨通常是局部的，所以可以通过地面上多个相距较远的地面站之间的相互联系来得到补偿，其代价是额外的天线、电缆以及用于地面站之间快速自动切换的电路设备。Ka波段也有一部分可用于商用通信，但是使用这些频率的设备都比较昂贵。人类发射的第一颗卫星仅有一个波束，根据几何学原理，可知它覆盖了地球上超过1/3的面积，所以要实现国际上的通信，只需三颗同步卫星即可将整个地球覆盖。当然，地球的两极是同步卫星的盲区(也叫静区)，因此在这里不可能(一般来说，也没有必要)建立同步卫星地面站。随着微电子设备价格、体积和能量需求的大幅度下降，每个卫星上可装多个天线和多个收发机。每一个下行波束集中在一个小的地理范围内，因此能同时有多个上行、下行传输，这样就能提高卫星的通信容量。这些小波束称为点波束，通常是椭圆形的，可以小到直径仅为几百公里。通信卫星新的发展是低成本的微型站的出现，有时被称为甚小孔径终端(VSAT，VerySmallApertureTerminal)。这些小终端有1 m长的天线，输出功率为1 W，上行链路可达到19.2 kb/s，而下行链路可达到512 kb/s。在许多VSAT系统中，微型站的功率不足以通过卫星相互直接通信，所以需要使用一个特殊的地面站——中心站(Hub)，它有一个较大的高增益天线用于中继通信，如图11-13所示。当然，这肯定增加了传输延迟。图11-13使用中心站的VSAT11.3.3低轨道卫星通信系统地球同步卫星有着许多严重的缺陷，不仅发射重量大、成本高，而且由于轨道位置高，延时大(260 ms)，要求卫星和地面设备的功率大，这就几乎排除了采用便携式移动台或手持机的可能性。因此，可考虑低轨道卫星，但低轨道卫星进出视野的时间太短，以前一直不为人们所用。但我们可考虑，当一颗卫星飞出视野时，由另一颗已经飞进视野的卫星来接替它向地面提供通信服务，通过这样的接力，地面就可得到持续不断的服务了。

1990年，摩托罗拉公司向FCC提出申请，要求许可发射77颗低轨道卫星用于“铱计划”(IridiumProject，77号元素是铱)。该计划最后仅使用了66颗卫星，轨道平面为6个极地轨道。极地轨道指按地球经线，即北极→南极→北极的方向运行的轨道。每条极地轨道上的卫星数为11颗，轨道高度为765 km，卫星直径为1.2 m，高度为2.3 m，重量为320 kg，寿命约5年(最长8年)。卫星按椭圆轨道运行，系统连接的最小仰角为8.2°，每个用户对每颗卫星的最大可视时间为9分钟。铱系统主要由下述部分组成：卫星星座及地面控制设施，关口站(卫星与公用电话网PSTN的接口)以及移动终端。每颗卫星可提供48个点波束，每个波束平均包含80个信道，每颗卫星可提供3840个全双工电路信道。星际链路使用的Ka频段的频率为22.55～23.55 GHz,下行频率(卫星到地球站)为18.8～20.2 GHz；卫星与移动终端的链路采用L频段，频率为1610～1626.5 MHz，发射和接收以TDMA方式分别在单元之间进行。系统采用蜂窝无线电的思想，但采用“倒置”的蜂窝结构，每颗星投射的多波束在地球表面上形成48个蜂窝区，每个蜂窝区的直径约为667 km，它们相互结合，总覆盖直径约4000 km，全球共有2150个蜂窝。该系统采用七单元频率再用方式(即位置上相邻的七个单元所使用的频率互不相同)，任意两个使用相同频率的单元之间由两个缓冲单元分隔开，这样可进一步提高频谱利用率，使每个信道可在全球范围内再用200次。铱系统的网络特点为：●除了TDMA空中接口的格式和速率以及语音编码技术不同外，还应用已经商用化了的GSM系统的通信标准。它的移动交换中心(MSC)系统、移动性管理、归属位置登记器(HLR)和访问位置登记器(VLR)都与地面GSM蜂窝通信系统一样，有着相同的网路智能功能。●应用卫星上交换和在卫星转发器之间采用星间链路技术，解决低轨道卫星快速移动的互连问题。但是，这样在进入PSTN时就有了许多节点。铱系统用ATM分组交换技术和设计最佳路由选择的方法来解决选择最佳路由的接入点(确定最佳的卫星接入节点)或确定呼叫最佳路由的问题。星际链路的应用使铱系统可以不通过地面网络进行全球个人移动通信，成为真正的全球卫星移动个人通信系统。铱系统的优势是明显的：它覆盖的区域更广阔，不像有的系统对海洋、高山以及极地等地区无能为力；它具备强大的漫游功能，不仅可以提供卫星和蜂窝网络之间的漫游，还可以进行跨协议漫游。铱系统用户能在手机上装备不同制式的蜂窝模块，从而实现世界各地不同通信标准间的漫游。无论在哪里，用户只需要一个号码，只收到一个账单，不像其他卫星通信系统，用户在美洲到欧洲旅行时，必须购买适用当地制式的手机。但是，铱系统最后失败了。它的星际链路技术思想虽然先进，但相对于目前卫星通信现状超前，它还使用了过时的空中接口技术。种种原因，使得它的设备相对昂贵，维护费用高，通话质量较差，从而用户数量少，最后导致了它的入不敷出。另一种低轨道卫星系统——全球星(GlobalStar)系统与铱系统不同，它的网络拓扑结构简单，卫星系统只是简单的中继器而已，不单独组网，而是与地面网联合组网，因而没有复杂的星上处理能力，也无需星间交叉链路。所有呼叫建立、处理和选路，均由地面有线或无线网完成，可以充分利用地面公用电话网的基础设施做传输和交换，因而整个系统的成本很低，其使用费用远比铱系统低。全球星系统采用先进的CDMA接入技术，因而具有一系列CDMA技术所带来的好处，诸如容量大，抗衰落，抗干扰，频谱利用率高，软切换能力等。它与地面CDMA蜂窝移动通信系统的不同点在于使用频带不同，卫星通信系统有多普勒效应和时间跟踪要求；相同点在于语音编码方法和速率，卫星的引导、同步、寻呼和业务信道的编码，卫星信道带宽，呼叫建立过程，切换方法等。由此使得地面蜂窝移动通信系统与卫星通信系统这两者除射频部分外有着良好的兼容性，这样星地两系统兼容工作的手持机的体积较小。全球星系统采用48颗低轨道卫星，8个轨道平面，每个轨道平面6颗卫星，其中一颗做备用。轨道高度1400 km，每一覆盖区有3～4颗卫星覆盖，每个用户对每颗卫星的最大可视时间为10～12分钟，然后通过软切换转到另一颗卫星。与铱系统相比，全球星系统采用非极地轨道方式，即倾斜轨道方式，所用卫星比铱系统少18颗。由于卫星倾角使得其在北纬50°和南纬50°之间具有较好的覆盖能力，而这一覆盖区包括了世界98%的人口。全球星卫星与手机通过L波段(1.6 GHz上行)和S波段(2.5 GHz下行)通信，而卫星与地面网关通过C波段(7.0 GHz下行，5.2 GHz上行)通信。每一方向各16.5 MHz，进一步划分为13个1.25 MHz的子带，各子带采用CDMA技术。每颗卫星有6个点波束形成地面覆盖区，连接移动用户和卫星，容量大约为2800条电路，48颗卫星理论上通信总容量可达134 400条电路。考虑各种实际约束条件，可用容量大约为65 000条电路，卫星系统通过大约125个地面站与PSTN相连，因而可以提供比普通地面蜂窝系统更大的通信覆盖范围。由于全球星的轨道高度较高，波束覆盖范围较大，再加上采用CDMA技术后使得其可以支持的业务量密度较高，所以其可以为全世界各地的用户提供语音、数据、传真和定位业务。11.3.4卫星通信网的优缺点卫星通信和其他通信方式相比较，有如下优点：●传播距离远，覆盖面积大。卫星通信天生是广播系统，给多个地球站发送信息并不比给一个站发送信息困难。●通信容量大。卫星通信由于它使用的频段频率高，采用频率复用和点波束等技术，所以通信容量大。●通信质量高，稳定可靠。地面微波中继通信，由于电波在大气层内层空间传播，受到大气折射、地面发射等影响，而卫星通信微波直接穿越大气层，通信质量高。另外，地面微波通信容易遭到破坏(如地震、战争等)，而卫星通信比较灵活可靠，不易受破坏。卫星通信也有它固有的缺陷，如：●要有高可靠、长寿命的通信卫星。卫星在发射过程中以及在轨道上所处的环境非常恶劣，有一些因素无法预料，而卫星一旦发射上天，要维修和替换并非易事。所以，人们在制造和装配的时候，不得不做大量的寿命和可靠性方面的试验。尽管如此，通信卫星的寿命由于受到元器件寿命等的限制，一般为5～10年。●具有较大的信号延迟。卫星由于离地面较远，信号来回时间较长，超过0.5秒。为了降低延迟，需要低轨道卫星。但卫星离地面太近时，由于受到地面高山和海洋等地貌的影响，其位置容易发生扰动，而导致通信质量变差。11.4蓝牙技术11.4.1概述近年来，无线通信已经成为研究的活跃领域，现在我们拥有多种多样的无线接入技术，包括从卫星网络到广阔的蜂窝网系统，从无线本地环保和个人通信系统到无线LAN。然而，这些解决方案大多数是针对很窄范围的特定的应用，尽管我们已经费了很大力气，但仍然缺少一种通用的框架，该框架需提供对各种设备(包括PDA、移动PC、电话和传呼机等)上的信息进行无缝、方便、高效的访问机制。

1998年2月，由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚、东芝等移动电话和计算机界的领头羊组成了非赢利性组织——蓝牙特别兴趣组(SIG，SpecialInterestGroup)，目前已有数千家公司加入。该组织致力于建立一种短距离的无线数据与语音通信的开放性全球规范，该规范即为“蓝牙”。我们相信，蓝牙技术能为个人和商业移动设备的无线连接带来一次革命，它不需要电缆，能通过短距离的无线链路使得用户将多种设备方便快速地连接起来进行无缝的语音和数据通信。不管在室内还是室外，它能扩展便携电脑、移动电话以及其他移动设备的通信能力。该技术连接的对象还将扩大到电视、空调、洗衣机等家电产品，届时个人的生活方式也将因此发生极大的改变。蓝牙芯片因为要植入其他设备中，所以要求它体积小。另外，因为它一般使用电池，所以能耗要低。即使它是无线连接，也需提供和有线连接相媲美的安全性能。蓝牙技术区别于其他无线技术的一个典型特征是它能基于各设备各自的功能提供“联合使用模型”。下面考虑一种“联合使用模型”——蜂窝电话作为PDA的Modem，使PDA接入Internet。在该模型中，PDA(计算设备)和蜂窝电话(通信设备)之间通过蓝牙连接起来，而蜂窝电话和基站之间用另一种连接来提供数据和语音通信。在此，PDA保留了它作为计算设备的功能，电话也保留了它作为通信设备的功能，它们分别有效地提供各自特定的功能。除了提供如上所说的连接个人网络系统的各种资源，蓝牙技术还可将个人网络连接到有线的基础设施上。分布于办公室、会议室、机场等地方的数据访问点(DataAccessPoint)能作为笔记本电脑或手持机等的信息网关。这样，我们就能得到“三合一”电话(Three-in-Phone)：在办公室里，手机作为不计话费的内部电话；在家里就是一部只计固定电话费的无绳电话；出门在外才是真正的按移动电话计费的手机。蓝牙使用国际上无需授权的2.4 GHz的ISM(工业、科学、医学)频段，在欧美等大多数国家它的频率范围为2400～2483.5 MHz。除去两边的隔离频带，它真正使用的频率范围为2402～2480 MHz，分成79个无线信道，每一个信道占1 MHz，总速率可达到1 Mb/s。通信距离一般为10 m，如果附加外部功率放大器，通信距离可达到100 m。蓝牙设备之间可互相探查进行连接形成自组网(adhoc)，而不需人为设置。在蓝牙网络里，每个设备都是对等的，具有相同的硬件和软件配置，它们以48位的设备地址BD_ADDR(BluetoothDeviceAddress)来区别。发起连接的那个设备叫主单元，其余被连接的为从单元。这种主从关系只在本次连接有效，并且在本次连接中也可更换其主从地位。主单元发起并控制连接，从单元被暂时分配一个3位的活跃成员地址AM_ADDR(ActiveMemberAddress)以减少通信过程中的信息流量。由一个主单元和一个或多个从单元组成的自组网称为微微网(Piconet)，一个微微网最多只可以有7个从单元。由多个这种微微网结合形成了散射网(Scatternet)，如图11-14所示。其中有一个从单元同时属于两个微微网，它可起一个网桥的作用，将两个微微网连起来，从而可将多于8个的设备连接起来形成一个大网，同时也延长了通信的距离。通信时，单个单元的峰值传输速率可达到721 kb/s或最多3个语音信道(每个信道传输速率为64 kb/s)，也能同时传输声音和数据。而在充分扩大的散射网里，总的吞吐率可超过10 Mb/s或20个语音信道。上面所讲的速率都是在理想的情况下，而ISM频带是对所有无线电系统都开放的，比如微波炉也使用这一频带，所以在使用中将受到不可预料的干扰。为了克服这些困难，蓝牙采用了“自动重传应答”(ARQ)、“循环冗余校验”(CRC)和“前向纠错”(FEC)等技术。并且它还采用了时分双工和分组交换技术。每一个时隙为625 ms，一个数据包通常占用1个时隙，也可占用3个或5个时隙。它采用跳频技术，每发送完一个数据包就换一个频率，通常为1600跳/秒(跳频图案及相位根据主单元的设备地址和时针来决定)。这样，它具有跳频技术的一系列优点，可有效避免干扰。11.4.2协议栈体系结构图11-15所示是蓝牙协议栈体系结构的示意图。图11-15蓝牙协议栈示意图由图可看出，蓝牙无线(BluetoothRadio)层是最底层，它定义了工作在2.4 GHz频段的蓝牙收发设备的一些要求及特征，管理收发比特流的过程。第二层是基带(Baseband)层，它是蓝牙的物理层，实现链路的控制，与链路管理器一道实现链路级管理(如链路连接和功率控制)，还负责分时、分组、成桢、纠错以及流控制。蓝牙有两种类型的链路：点对点(一个主单元和一个从单元)的同步面向连接(SCD，SynchronousConnection-Oriented)链路和点对多点(一个主单元和多个从单元)的异步无连接(ACL，AsynchronousConnection-Less)链路。在两设备连接前，主单元可能不知道从单元的地址，此时需使用基带层功能进行查询和寻呼，以得到从单元的地址和时钟。链路管理协议(LMP，LinkManagerProtocol)负责链路的建立与配置、管理链路的状态，维持各从单元之间的公平性、鉴权以及其他的一些管理功能。逻辑链路控制和适配协议(L2CAP，LogicalLinkControlandAdaptationProtocol)位于数据链路层，居基带层之上。它向上层提供面向各连接和无连接的数据服务，包括多路复用、数据分段和重组以及组抽象等功能，使得上层的协议和应用程序能传输和接收达64 KB长的数据包。音频数据直接映射到了基带层，然而音频控制却位于逻辑链路控制层之上。

RFCOMM和其他的网络层协议提供通信服务的抽象功能。RFCOMM基于ETSIGSM07.10标准的子集，提供串行端口的模拟。服务发现协议(SDP，ServiceDiscoveryProtocol)用来查询其他设备所能提供的服务。由于蓝牙技术所连接的是不同种类的设备，所以需要此协议来支持设备之间的通信。它采用请求/应答模型，每一次处理过程都包含一个请求协议数据单元和一个应答协议数据单元。其他部分定义了与其他网络协议的互操作性，比如和红外数据IrDA以及WAP的互操作问题。11.4.3蓝牙网络通信过程在蓝牙设备没有建立连接的时候，它处于一种睡眠状态，即待机模式(Standby)，此时该设备中只有原子钟在运行。当然，这样可以节省电池。这种模式下，它将每1.28 s或2.56 s醒过来一次，选择一个信道侦听发送给它的信息。建立连接时，由一个设备发起连接，这个设备以后就成为微微网的主单元。发起连接时，主单元可能并不知道其余设备的存在以及它们的地址。在这种情况下，主单元需要先执行查询(Inquiry)操作，如图11-16所示。举一个例子来看看查询的过程。图11-16连接状态转移图假设在连接范围内共有四个设备A，B，C和D。A发起连接，发出查询信息，请求别的设备的设备地址及其时钟，首先C回复A一个FHS包(包括C的设备地址和时钟)，A然后将自己的设备地址及时钟回复给C；A再次发出查询信息，假设B和D同时回复，则发生冲突，所以A将不回复；冲突使得B和D得不到回复消息，它们将各自等待一段随机长度的时隙后再侦听信道，A再发查询信息，B重复C的过程；A再发查询信息，D又重复C的过程。经过查询过程后，A有了B，C和D的设备地址及时钟，同时B，C和D也都有了A的设备地址及时钟。

A有了其它各设备的地址，就可进行寻呼(Page)，真正建立连接。以A和C的连接为例：A用C的地址寻呼C，C也用自己的地址回复A，然后A将自己的设备地址和时钟发送给C，A与C再进行连接。连接后，A就成为了该微微网的主单元。同样，A也能与B和D进行连接。全部连接完成后，就可通信进行数据传输了。通信时，主单元和从单元交替进行数据的收和发。主单元根据从单元的数据流量来决定从单元何时收发。如果从单元暂时不需收发数据，它就切换进入保持模式(Hold)直到主单元下次发信息给它。在这期间主单元定期给它发送信息以使得从单元对跳频信道同步，其余时间它不需要侦听信道。数据传输完成后，可使用断连(Detach)命令来结束连接，这样单元又回到待机模式。从图11-16中我们还可看到，蓝牙设备在连接状态有三种低能耗模式。●嗅探(Sniff)模式：该模式下从单元收发信息的周期变长，主单元只在指定的时隙才能向该从单元发送信息。●保持(Hold)模式：该模式下从单元只有内部时钟在运行，一旦切换出该模式，从单元能立即开始收发信息。处于该模式时，从单元可以参加别的微微网，所以可用来连接几个微微网。●停靠(Park)模式：当从单元不参与通信，但仍想保持和跳频信道的同步时，就进入该模式。以上两种模式中从单元还保留了它的活跃成员地址AM_ADDR，但停靠模式下从单元不再拥有活跃成员地址，所以它只能接收主单元发出的广播信息，一个微微网中最多只能有7个活跃的从单元，但是如果某一个从单元由活跃状态转换为停靠模式，则微微网中可再接纳另外的活跃从单元。而微微网中能置于停靠模式的从单元的数目是不限的，所以通过切换从单元的活跃状态和停靠状态，客观上可增加一个微微网的从单元数目。从上述可知，这三种模式中，停靠模式能耗最低，保持模式次之，而嗅探模式的活跃程度最高，所以其能耗也最高。11.4.4蓝牙技术的优缺点及展望蓝牙技术是一项全球性的开发标准。作为低成本和短距离无线连接的解决方案，蓝牙技术的优越性之一是可以消除不同数字装置之间的界限。当两个装有蓝牙芯片的数字设备相互距离在10 m之内并满足一定要求时，它们就能快速建立可靠的无线联系。蓝牙的主要好处是消除千头万绪的电缆线。这项技术一旦推向市场，诸如移动电话、计算机和个人数字助理(PDA)等各种数字设备将可以随心所欲地无线连通。业内人士说：“这是互联网的又一次革命”。它孕育着颇为神奇的前景：对手机而言，与耳机之间不再需要连线；在更大范围内，电冰箱、微波炉和其他家用电器可以与计算机网络连接，实现智能化操作。蓝牙使用的是国际上无需授权的ISM频段，所以可以在全世界范围内建立一个统一的标准，使得蓝牙设备在全世界通用。这消除了“国界”的障碍，而在蜂窝式移动电话领域，这个障碍已经困扰用户多年。蓝牙的特点之一是“自组网”，有点类似“即插即用”概念。任意蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，而无须用户进行任何设置，可以解释成“即连即用”。蓝牙采用了跳频技术，具有扩频通信的优点，尤其显著的是它的抗干扰能力。然而，蓝牙技术在推广过程中还是遇到了一定阻力，目前存在的问题主要有以下几方面。首先是成本问题，要使蓝牙技术得到广泛应用，该技术的成本必须降到5美元以下。而蓝牙芯片目前总造价达到约15至20美元。对一部内含价值约50美元半导体配件的移动电话来说，额外增加15到20美元是一个非常大的增幅。其次，尽管蓝牙技术是一种可以随身携带的无线通信连接技术，但是它不支持漫游功能。它可以在微微网或散射网之间切换，但是每次切换都必须断开与当前网络的连接，还要向新连接的网络提出页面调度的要求，这对于某些事务是可行的，然而，手提通话、数据同步传输和信息提取要求至始终稳定的数据连接，这样的切换将使传输中断。另外，ISM频段也给它带来一定麻烦。蓝牙设备所使用的2.4 GHz无线电频率目前同时被家庭车库遥控卷帘门、无绳电话、微波炉以及英特尔公司等厂商已在美国出售的家用无线上网系统等产品所占用。这些设备之间的干扰和冲突将延缓，甚至截停数据传输。因此，蓝牙的传输速率实际要远远低于它能达到的最高速率。然而，尽管它存在一些不足，但其应用前景是非常诱人的。有了蓝牙，人们就能将身边不同的器件用无线连接起来，形成“个人网络”。有了市场，就有了发展的动力。相信随着研究的深入，上述所有困难都将得到解决。目前推进短距离无线数据通信技术标准化的IEEE802.15委员会已采纳了几个旨在减少无线LAN等与蓝牙相互干扰的技术提案，相关标准将很快出台，而蓝牙技术的成本相信在不久的将来也不再是问题了。11.5无线应用协议(WAP)11.5.1概述无线应用协议(WAP，WirelessApplicationProtocol)是数字移动电话、个人数字助理(PDA)、便携计算机等与因特网进行通信的开放性全球标准。这一标准的诞生是WAP论坛成员努力的结果。在1997年6月，WAP由Ericsson、Motorola、Nokia和UnwiredPlanet四家公司发起，现在其会员已包括像Alcatel、AT&T、西门子、英国电信、法国电信、贝尔大西洋和贝尔南方等公司。应该说WAP已是事实上的标准。WAP的目标就是通过这种技术将Internet的大量信息及各种各样的业务引入到移动电话、PALM等无线终端之中。无论你在何地、何时只要你需要信息，就可以打开你的WAP手机，享受无穷无尽的网上信息或者网上资源。例如，收发电子邮件以及访问WAP网站上的页面获得综合新闻、天气预报、股市动态、商业报道、当前汇率、商业信息等等。电子商务、网上银行也将逐一实现。你还可以随时随地获得体育比赛结果、娱乐趣闻以及幽默故事，为生活增添情趣，也可以利用网上预定功能，把生活安排的有条不紊。从此可看出，WAP也是用来访问因特网的，那么它和WWW有什么不同呢？下面我们把WAP结构和WWW结构作一下比较。

(1) WWW体系机构提供了一个灵活现成而强有力的设计模式(如图11-17所示)，即应用软件采用标准数据格式显示，并能通过网络浏览器进行浏览。图11-17WWW设计模型网络浏览器是一个网络应用软件，它能向统一命名的数据服务对象的网络服务程序发送请求，而网络服务程序采用标准格式编码的响应来回复请求。WWW标准详细说明了建立一个通用的应用环境所必需的配置，其中包括：●标准命名模型——WWW上所有的服务器及其内容都是通过互联网上标准的通用资源定位符(URL)来命名的。●内容分类——WWW上所有内容都有特写的类型，因此允许网络浏览器基于它的类型进行正确的处理。●标准内容格式——所有的网络浏览器都支持一个标准内容格式集。包括超文本标记语言(HTML)、JAVA脚本语言以及其他的形式。●标准协议——标准网络协议允许任何网络浏览器连接到任何网络服务器。WWW上最常用的协议是超文本传输协议(HTTP)。这种基础结构使得用户能很容易到达第三方应用软件和内容方面的服务，同时也使得开发人员能很轻松地为广大客户创建应用软件和内容服务。

WWW协议定义了三类服务器：●源数据服务器——用户访问的资源(或将要创建的资源)所在的服务器。●代理服务器——这是一种中间程序，它既是服务器又是客户机，它代表其他客户向源数据服务提出请求。在客户和服务器不能直接通信时需要代理服务器，比如使用防火墙时。收到的请求或者由它本身处理，或者经过合适的转换再向前转发。●网关——为其他服务器担当媒介的中间服务器。与代理服务器不同的是，在接受请求时网关就相当于被请求资源的数据服务器，而客户可能意识不到是在和网关进行通信。

(2) WAP设计模型(如图11-18所示)有点类似WWW的设计模型，这给应用程序开发人员提供了很多方便，其中包括一个熟悉的设计模型、一个已被证明的体系机构以及使用已有工具(如网络服务器、XML工具等)的能力。为了适应无线环境，这里已经进行了优化和扩充。但只要有可能，现有的标准都将被采纳，或在此基础上进行修改。图11-18WAP设计模型

WAP的内容和应用程序使用了我们所熟悉的WWW的内容格式，内容通过一组基于WWW通信协议的标准通信协议来传送。无线终端的微浏览器也类似于标准的网络浏览器。

WAP定义了一组标准组件，以使移动终端和网络服务器之间能进行通信。其中包括：●标准命名模型——利用标准的WWW上的统一资源定位符(URL)来识别源数据服务器上的内容；利用统一资源识别符(URI)来识别设备上的本地资源，如呼叫控制功能等。●内容分类——WAP内容的分类与WWW一样，这允许WAP用户代理(UserAgent)在此基础上进行正确处理。用户代理指所有解释WML、WMLScrip、WTAI或其他资源的软件或设备，比如文本浏览器、语音浏览器和搜索引擎等。●标准内容格式——WAP的内容格式基于WWW技术之上，包括标记语言、图像和脚本语言等。●标准通信协议——WAP通信协议使得移动终端能和网络服务器进行通信。

WAP利用代理技术连接WWW和无线区域，WAP代理一般包含以下功能：●协议网关——将来自WAP协议栈(WSP，WTP，WTLS和WDP)的请求转换为WWW协议栈(HTTP和TCP/IP)的请求。­●内容编、解码器——内容编码器将WAP内容压缩编码，以减少它在无线网络上的数据流量。●用户代理能力管理——用户代理能力描述了客户端的能力及个人偏好。●高速缓存代理——缓存一些频繁访问的资源，加快无线网络端的访问速度。这种基础结构使得移动终端用户能浏览广泛的WAP的内容，同时也使得开发人员能很容易开发基于各种移动终端的应用软件和内容服务。WAP代理使得WAP内容和应用程序能驻留在WWW服务器上，并能使用已经被证明的诸如CGI等的WWW开发技术。一般情况下，WAP包括源数据服务器、WAP代理服务器和WAP客户端，但WAP结构也能支持另外的一些配置。我们也能在源数据服务器上包含WAP代理服务的功能，这种做法可被用来提供端到端的安全访问方面的解决方案，或者一些需要更好的访问控制的应用程序等。

WAP典型的组网模型如图11-