1.1.5 无线数据通信系统与网络

无线数据通信系统是指依据数据通信协议，利用数据传输技术，通过无线电数据链路将分布在远端的数据终端设备连接起来，实现数据信号无线传输、交换、存储和处理的系统。

无线数据通信中数据信号的传输、 处理、 调制解调电路等， 与无线数字通信中数字信号传输、处理、调制解调电路等基本一样，无线数据通信并具有一切无线数字通信的一切优点，这并不能说无线数据通信等同于无线数字通信，因为数据通信要涉及更多的数据协议、规约等内容。

1. 无线数据通信系统基本组成

无线数据信号通信系统的具体组成可以各异， 但其基本功能组成可以概括如图 1-2 所示，其各部分功能与作用如下。

1）数据终端设备（ Data Terminal Equipment， DTE）

DTE 一般由数据输入设备（产生数据的数据源）、数据输出设备（接收数据的数据宿）和控制器（传输控制和通信线路控制）组成。

DTE 是一个总称，它主要包括计算机、打印机、电传机、智能仪表、传真机、数字电话机等，根据实际需要采用不同的设备。例如，在发送数据中， DTE 可以是键盘、鼠标和扫描仪等输入器；在接收数据中，它可以是显示器、打印机和传真机等。

DTE 的种类很多，按照使用场合可以分为通用数据终端和专用终端；按照性能可以分为简单终端和智能终端（如计算机等）。

DTE 在数据通信中的作用有点类似于电话与电报通信中的电话机和电传机，它把数据消息变成数据信号，并把这些数据信号输送到远端的数据终端（例计算机系统），同时，可以接收远端计算机系统的处理结果——数据，并将它变为人们能理解的数据消息。所以， DTE 相当于人和机器（计算机）之间的接口。

（ 1）传输控制器。传输控制器按照约定的数据通信控制规程，控制数据的传输过程。例如，收发之间的同步、传输差错的检测与纠正以及数据流串/并转换、数据缓冲、速度匹配等，以达到收发之间的协调、可靠地工作。

（ 2）通信线路控制器。通信线路控制器又称为前置处理机，控制与远端数据终端设备连接的全部通信信道（所有通信线路），接收远端 DTE 发来的数据信号，并向远端 DTE 发送数据信号。

通信控制器的主要功能，对远端 DTE 一侧来说，是差错控制、终端的接续控制、确认控制、传输顺序控制和切断等控制；对近端 DTE 一侧来说，其功能是将线路上传来的串行信号变成并行信号，或将计算机输出的并行信号变成串行信号。

2）数据电路终端设备（ Data Circuit Terminal Equipment， DCE）

DCE 是 DTE 与传输信道的接口设备。

发方的 DCE 有两项功能：一是将终端送来原始数据信号变成更适合实际信道传输的信号形式，例如完成数据信号的变换、调制和纠错编码等；二是建立、保持和释放线路连接等功能。

收方的 DCE 则实现与发方相反的功能。

常用的电话线路调制解调器（ Modem）就是一种数据电路终接设备，它是调制器和解调器的结合。发送时，调制器把数据信号转换成适合于电话线路上传输的模拟信号；接收时，模拟信号由解调器将它还原成数据信号，并送到 DTE。当数据信号在数字线路上传输时， DCE 的位置上不再需要 Modem，而改为数据服务单元（ Data Service Unit， DSU）。 DSU的主要功能是信号码型与电平的转换、信道特性的均衡、收发时钟的形成与供给，以及线路接续控制等。

3）无线信道（ Radio Channel）

无线信道是指传送信号的无线媒介或通路，可以是无线模拟信号通路，也可以是无线数字信号通路；可以是直达无线线路，也可以是无线中继、或通过交换设备沟通的无线通路。

4）数据电路（ Data Circuit） /数据链路（ Data Link）

数据电路由传输信道及其两端的数据电路终端设备（ DCE）组成，不管是无线信道或有线信道，含有数据电路终端设备的广义信道，可以认为是数据信号直接传输的物理通路，简称数据电路，可实现两个数据终端设备之间直接通信。这里数据电路仅指无线信道及其两端的数据电路终端设备组成的电路系统。

数据电路加上数据传输控制器的功能后就构成了数据链路，并将无线信道加上数据传输控制器的功能称为无线数据链路。对于数据终端设备来说，数据链路是数据终端的一个广义信道。

5）接口（ Interface）

接口是相关区域、实体、物质或阶段之间所形成共同界限的面。数据终端设备与数据电路终接设备存在接口，控制器与计算机之间也存在接口。

为了保证相同设备接口的一致性，接口标准规定了机械特性、电气特性、功能特性和规程特性等技术条件。

6）协议组（族）

协议是用来管理和控制数据通信的一组（族）规则。它代表了通信设备之间的约定，如果没有协议，即使两个设备相连，也不能交流信息。

2. 无线数据通信网络的拓扑结构

系统与网络的差异，主要体现在观察事物的着眼点或处理问题的角度方面。系统问题侧重全局，而网络问题则侧重局部。例如，仅由电阻和电容组成的简单电路，在网络分析中，注意研究其各支路、回路的电压或电流；而从系统的观点来看，可以研究它如何构成具有微分或积分功能的运算器。

由于通信技术的发展，通信网络已形成了一个覆盖整个地球、具有各类网络和系统的非常复杂的体系。不同国家、不同地区、不同时期建立的各种网络汇聚在一起，人们尽最大的努力使这些网络融为一体，相互连通。例如，由分布在各地的许多模拟电话机、数字电话机（手机）、模拟信号通路、数字信号通路、市内数字交换设备、移动交换设备、多路复用设备、卫星通信信道、微波通信信道、光缆信道等所构成的网络，完成多点对点多的通信。

本书重点讨论无线数据通信网络，其拓扑结构主要有以下几种形式。

1）直接连接

无线数据终端直接连接结构如图 1-3 所示，可取代有线连接，实现点对点通信，例如：红外线 IrDA。

2）星状网络

无线数据终端星状网络连接结构如图 1-4 所示，它拥有一个中心路由和控制点，所有数据都经过中心控制点，支持点对点、点对多点通信，如 WiFi、 GSM、 Bluetooth 等。

图 1-4 无线数据终端星状网络连接结构示意图

3）树状网络

无线数据终端树状网络连接结构如图 1-5 所示，其特性和星状网络类似。

4）网状网络

无线数据终端网状网络连接结构如图 1-6 所示，可实现多路径数据传输，自行配置和修复，如 ZigBee。

5）蜂窝状网络

在蜂窝移动通信网中，为便于网络组织，将一个移动通信网分为若干个服务区，每个服务区又分为若干个移动交换中心区，每个移动交换中心区又分为若干个位置区，每个位置区由若干个基站小区组成。一个移动通信网由多少个服务区或多少个移动交换中心区组成，取决于移动通信网所覆盖地域的用户密度和地形地貌等。多个服务区的移动数据终端蜂窝状网络结构示意如图 1-7 所示。

现在随着计算机和通信技术的不断发展，模拟通信网已经萎缩，数字通信网停滞不前，数据通信网络不断壮大，如短消息消息业务、无线 Internet 业务、移动定位业务、移动电子商务、移动多媒体业务等。

1.2 无线数据通信方式与类型

1.2.1 无线数据通信与计算机通信、数字通信

数据通信是指两个数据终端（ DTE） 之间的通信。 无线数据通信是指两个数据终端（ DTE）之间的无线通信。计算机属于智能化程度较高的数据终端，因此计算机通信应归入数据通信的范畴。

从概念上讲，数据通信应包含计算机通信。由于计算机是目前应用最普遍的数据终端，有许多人又将数据通信与计算机通信等同起来，因此，在许多地方数据通信与计算机通信几乎成了同义语。狭义地讲，数据通信仅指计算机通信中的通信子网的具体实现，它完成通信协议中的下三层功能，主要解决两个数据终端之间的通信传输问题，而计算机通信着重于数据信息的交互，即更侧重于计算机内部进程之间的通信。

从电信的角度来讲，数据通信是一种新的业务。数据通信完全不同于现在的电话通信，它具有许多新的概念和思想，是一种新的通信技术。简单地说，数据通信是计算机应用开发的产物。由于计算机的大量存在，而单个计算机在使用中不能充分地发挥其潜力。人们自然地想到用通信线路把计算机连接起来进行远程通信，实现资源共享，于是出现了数据通信。从这个角度讲，由于计算机的普遍使用，许多信息以数据形式存在，如何传递数据信息也就是数据通信需要考虑的内容。

数字通信是电信号的一种传输方式，传输出“0”和“1”组成的数字码流，这些码流既可以表示成数据信息，也可以代表语音和图像信息等，它与模拟通信相对应，主要解决模拟信号的数字化传输问题。一般来说，数字通信并不针对某种用户业务，因而不涉及用户终端。但数据通信却是要针对数据业务的。数据既可以通过调制技术在模拟通信系统上传输，也可以在数字通信系统上传输。也就是说，无线数据通信所使用的信道既可以是模拟信道，也可以是数字信道。

1.2.2 无线数据通信的工作方式

无线数据通信的工作方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。1．单工通信工作方式所谓单工通信，是指数据消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，如图 1-8（ a）所示，发送端只管发送，接收端只管接收。

2．半双工通信工作方式

所谓半双工通信方式， 是通信双方使用同一个信道或同一根传输线， 既作输入又作输出，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据的形式，如图 1-8（ b）所示。

采用半双工时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收/发开关接到通信线上，由软件控制的电子开关进行方向的切换，因此会产生时间延迟。

目前，大多数终端和串行接口都为半双工模式提供了换向功能，也为全双工模式提供了两条独立的引脚。在实际使用时，一般并不需要通信双方同时既发送又接收，像打印机这类的单向专送设备，半双工就能胜任，也无须双向。

3．全双工通信工作方式

所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式，如图 1-8（c）所示。

当数据的发送和接收分流，分别用不同的信道或两根不同的传输线传输时，例如采用频分复用或时分复用技术，通信双方都能同时进行发送和接收操作，此传送方式就是全双工模式。

在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送，即向对方发送数据的同时，也可以接收对方送来的数据。全双工方式无须进行方向的切换，因此这种传送方式对那些不能有时间延迟的交互式应用（如远程监测和控制系统）十分有利。

1.2.3 无线数据通信的信号传输方式

无线数据通信的信号传输方式，是指数据信号在信道上的传输时所采取的方式。根据一次传输数据的多少可将数据传输方式分为并行传输和串行传输，按照收发两端信号同步状态分为同步传输与异步传输。

1．数据信号并行传输方式

采用并行传输时，多个数据位同时在通信设备间的多条通道（信道）上传送，并且每个数据位都有自己专用的传输通道。

图 1-9 描述了通信设备之间具有多条传输通道时的并行传输情况。例如，采用 7 单位代码字符时，可以用 8 条信道并行传输，另加 1 条“选通”线用来通知接收器，以指示各条信道上已出现某一字符的数据信息。

图 1-9 数据信号并行传输方式

这种传输方式的特点是数据传输速率相对较快，不需要额外措施就实现了收发双方的字符同步。其缺点是需要传输线路（信道）多，设备复杂、成本高，故无线数据通信较少采用，一般适用于计算机内部和其他高速数据的近距离传输。在计算机中， CPU 和 RAM 之间、计算机和打印机之间都是并行传输的应用。

2．数据信号串行传输方式

串行传输是数据码流以串行方式在一条信道上，按照顺序一位一位地在通信设备之间的上传输，如图 1-10 所示。

因为，在数据终端内部各个部件之间，一般以并行方式传输数据，所以数据传至传输线路之前，需要先被送入发送端的并/串变换器中，通过变换器，数据逐位传至线路上到达接收端时，数据先进入接收端的串/并变换器中，使数据传输从串行传输变成并行传输。

该方法优点是需要传输线路（信道）少，易于实现，缺点是为解决收、发端双方码组或字符同步， 需外加同步措施。 通常， 无线数据通信和远距离有线数据传输时采用较多。 例如 GPRS、计算机 RS-232 串行接口输入输出、 USB 通用串行总线输入/输出等，均采用串行传输方式。

3．数据信号同步传输与异步传输

通过上面讨论可以看出，并行数据传输的同步问题比较简单，通过在收、发两端之间多加一根控制线就可完成数据的同步（步调一致）。

在串行传输时，收发两端只有一条线路（信道），在此信道上既要完成一位一位的数据流传输，同时，还要确定数据字符步调问题，所以要采取特殊措施，才能准确地传送信息。

根据串行传输实现字符同步方式的不同，数据传输分为异步传输和同步传输两种方式。

1）异步传输

异步传输方式是指收、发两端各自有相互独立的位（码元）定时时钟，数据率是收发双方约定的，收端利用数据本身来进行同步的传输方式。

异步传输中，每次传送一个数据信息字符代码，即在发送的每一个字符代码的前面均加上 1 个“起”信号，其长度规定为 1 个码元，极性为“ 0”，后面均加 1 个“止”信号。对于国际电报 2 号码， “止”信号长度为 1.5 个码元，对于国际 5 号码或其他代码， “止”信号长度为 1 个或 2 个码元，极性为“ 1”。数据信息字符可以连续发送，也可以单独发送；不发送信息字符时，连续发送“止”信号。

因此，每一数据信息字符的发送的起始时刻可以是任意的（这正是称为异步传输的含义）， 但在同一个字符内各码元长度相等。 这样， 接收端可根据字符之间的从“止” 信号到“起”信号的跳变（“ 1”—“ 0”）来检测识别一个新数据信息字符的“起”信号，从而正确地区分一个个数据信息字符。因此，这样的数据信息字符同步方法又称为起止式同步。

异步传输的优点是实现简单，不需要收、发两端之间的同步专线，即收发双方的时钟信号不用要精确同步。缺点是每个数据信息字符增加了起、止的比特位，降低了传输效率，所以常用于 1 200 b/s 及其以下的低速数据传输。图 1-11 表示了异步传输的情形。

2）同步传输

同步传输是相对于异步传输而言的，指收发双方采用统一的时钟节拍来完成码元同步的基础之上实现数据信息字符的传送。即在数据传输中，必须建立位定时同步和帧同步。

位定时同步又称比特同步，其作用是使数据电路终端设备接收端的位定时时钟信号和DCE 收到的输入信号同步，以便 DCE 从接收的信息流中正确识别一个个信号码元，产生接收数据序列。

帧同步又称群同步，一群或一串数据信息为一帧，其中每帧的开头和结束加上预先规定的起始序列和终止序列作为标志，这些特殊序列的形式决定于所采用的传输控制规程。

在 ASCII 代码中，用 SYN（码型为“0010110”）作为“同步字符”，通知接收设备表示一帧的开始；用 EOT（码型为“0000100”）作为“传输结束”字符，以表示一帧的结束。同步传输的数据格式如图 1-12 所示。

与异步传输相比， 同步传输在技术上要复杂一些， 但它不需要对每个数据字符单独加起、止码，只是在一群数据信息字符的前后加上标志序列，因此传输效率较高。

同步传输通常用于速率为 2 400 b/s 及其以上的数据传输。