第5講+無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層技術(shù)2+無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)

第2章無(wú)線網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)2.1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的MAC層幀結(jié)構(gòu)2.2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議2.3無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議無(wú)線復(fù)用和多址訪問(wèn)技術(shù)復(fù)用技術(shù)的目的是在單一媒體上傳輸多路信號(hào)或多路數(shù)據(jù)流來(lái)提高傳輸效率。這樣增加的容量可以為一個(gè)用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以使多個(gè)用戶能夠同時(shí)無(wú)干擾地接入傳輸媒體。用戶接入媒體可以有這樣幾種方法：時(shí)分多址(TimeDivisionMultipleAccess,TMDA)頻分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)或正交頻分復(fù)用(OFDM)空分多址(SpaceDivisionMultipleAccess,SDMA)碼分多址(CDMA)正交頻分復(fù)用OFDMOFDM在頻域把信道分成許多正交子信道，各子信道的載波間保持正交，頻譜相互重疊，這樣減小了子信道間干擾，提高了頻譜利用率。它將成為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。正交頻分復(fù)用是在多個(gè)頻率之間分割一個(gè)用戶的信號(hào)，通過(guò)將一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流分割成許多低速率的數(shù)據(jù)流，并分別發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)流。正交頻分復(fù)用適用于多徑干擾環(huán)境中的高速數(shù)據(jù)傳輸。正交頻分復(fù)用OFDM數(shù)據(jù)網(wǎng)寬帶寬帶窄帶窄帶窄帶

OFDM將不同路徑的窄帶信號(hào)擴(kuò)展成一個(gè)寬帶信號(hào)

OFDM（正交頻分復(fù)用）

正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM是一種多載波發(fā)射技術(shù)，它將可用頻譜劃分為許多載波，每一個(gè)載波都用低速率數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制。它獲取高數(shù)據(jù)傳輸率的訣竅就是，把高速數(shù)據(jù)信息分開為幾個(gè)交替的、并行的BIT流，分別調(diào)制到多個(gè)分離的子載頻上，從而使信道頻譜被分到幾個(gè)獨(dú)立的、非選擇的頻率子信道上，在AP與無(wú)線網(wǎng)卡之間進(jìn)行傳送，實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率。

52副載波(用于數(shù)據(jù):48個(gè),用于導(dǎo)頻信號(hào):4個(gè))

多種傳送速度:6,9,12,24,36,48,54Mbps導(dǎo)頻的作用：導(dǎo)頻信號(hào)的定義：導(dǎo)頻信號(hào)是基站或AP連續(xù)發(fā)射未經(jīng)調(diào)制的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)。導(dǎo)頻信號(hào)的作用：它使得手機(jī)或無(wú)線站點(diǎn)能夠獲得前向碼分多址信道的時(shí)間，提供相關(guān)解調(diào)相位參考為各基站或無(wú)線站點(diǎn)提供信號(hào)強(qiáng)度比較，用以確定何時(shí)進(jìn)行切換。在時(shí)域中，OFDM載波之間的正交性意味著在符號(hào)傳輸周期內(nèi)子載波的周期數(shù)是整數(shù)。可以表示為

式中：Ts表示符號(hào)傳輸周期，vi表示第i個(gè)子載波的頻率。因此這些子載波在頻率上存在著間隔，頻率間隔是符號(hào)周期的倒數(shù)。正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用(OFDM)的關(guān)鍵：選擇合適的子載波頻率，可使相鄰子載波之間的干擾降至最小。控制每個(gè)子載波（也稱單音）的帶寬，達(dá)到降低干擾的作用，采用的方法是：使子載波的頻率正好是其相鄰子載波的頻譜最小處，如圖4.16所示。頻率圖4.16OFDM子載波的頻域正交性O(shè)FDM的多載波可以應(yīng)用在很多方面：OFDM可以作為多址接入技術(shù)(OFDMAccess,OFDMA)，根據(jù)每個(gè)用戶的帶寬要求為其分配單個(gè)子載波或一組子載波。將一路串行比特流可以分成多路并行比特流，每一路用一個(gè)單獨(dú)的子載波編碼。一個(gè)用戶使用多路子載波可以獲得高的數(shù)據(jù)吞吐量。比特流可以采用碼片擴(kuò)展，每個(gè)碼片可以通過(guò)單獨(dú)的子載波并行傳輸。由于允許多用戶接入，因此這樣的系統(tǒng)被稱為多載波CDMA(Multi-Carrier,MC-CDMA)。OFDM的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，用多載波方式傳輸?shù)姆?hào)速率比單載波傳輸?shù)姆?hào)速率低很多，這樣無(wú)線鏈路就不容易受到符號(hào)間干擾(Inter-SymbolInterference,ISI)的影響。ISI是由多徑傳播造成的，兩個(gè)不同時(shí)間發(fā)射的符號(hào)經(jīng)過(guò)不同的傳播路徑后同時(shí)到達(dá)接收天線，如圖4.18所示。盡管OFDM本身不容易被ISI影響，但絕大部分OFDM系統(tǒng)還是在符號(hào)間引入了保護(hù)間隔來(lái)進(jìn)一步減小ISI。延遲的信號(hào)直接信號(hào)符號(hào)ｎ符號(hào)ｎ符號(hào)ｎ＋２符號(hào)ｎ＋１符號(hào)ｎ＋１符號(hào)ｎ＋２符號(hào)間干擾時(shí)間圖4.18符號(hào)間干擾(ISI)串行比特／符號(hào)流串行比特／符號(hào)流串并轉(zhuǎn)換串并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)編碼（ＱＡＭ）OFDM調(diào)制快速傅里葉逆變換（ＩＦＦＴ）插入保護(hù)間隔數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波射頻上變頻傳輸信道噪聲、多徑和其他干擾子載波的相位和幅度信道均衡和數(shù)據(jù)解碼快速傅里葉變換（ＦＦＴ）去除保護(hù)間隔模數(shù)轉(zhuǎn)換和濾波射頻下變頻OFDM解調(diào)圖4.19OFDM發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的示意框圖空分多址空分多址(SDMA)將空間位置作為參數(shù)，控制用戶對(duì)傳輸媒體的接入，從而提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量。例：如果基站配備成具有30°水平波束寬度的扇形天線，它可以根據(jù)用戶圍繞基站的位置劃分12個(gè)空間區(qū)域或信道。采用這種配置，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)容量與使用全向天線基站的容量相比，可以提高12倍。和簡(jiǎn)單扇形天線一樣，正在發(fā)展中的智能天線技術(shù)將數(shù)字信號(hào)處理能力與天線陣列相結(jié)合，以達(dá)到對(duì)信號(hào)傳輸和接收的空間控制。智能天線系統(tǒng)可以根據(jù)信號(hào)環(huán)境和系統(tǒng)要求來(lái)調(diào)整方向性的特征參數(shù)，為SDMA提供了基礎(chǔ)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式●

第5章紅外通信利用紅外線作為傳輸媒體在家用電器遙控中很常見，作為無(wú)線局域網(wǎng)的一種無(wú)線傳媒，它不受無(wú)線電波干擾，不受無(wú)線電管理部門限制，無(wú)需申請(qǐng)波段。但紅外線方式具有一定方向性，對(duì)非透明物體的穿透能力差，傳輸距離不能太遠(yuǎn)，一般在幾米到幾十米。5.1紅外光譜電磁頻譜中，紅外(Ir)部分的波長(zhǎng)介于0.78μm與1000μm之間。紅外輻射的范圍從300GHz極高頻(EHF)至低于可見光紅光頻譜（波長(zhǎng)約為0.76μm）。紅外輻射的產(chǎn)生與射頻輻射不同，當(dāng)天線被振蕩電信號(hào)激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生射頻輻射，而紅外輻射的產(chǎn)生是由于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)產(chǎn)生的振蕩。紅外光譜通常分為三個(gè)區(qū)域：近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外表5.1紅外光譜的劃分5.2紅外傳播與接收紅外通信鏈路也許是“最透明的”，在用戶配置方面要求很低，從某種程度上看，這意味著用戶不必關(guān)心底層技術(shù)。無(wú)線鏈路預(yù)算接收機(jī)靈敏度：指無(wú)外界噪聲和干擾，在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，接收機(jī)解調(diào)輸出達(dá)到規(guī)定的話音質(zhì)量時(shí)，接收機(jī)天線輸入端所需的最小信號(hào)電壓或最小信號(hào)功率。包括發(fā)射功率(PTX)、發(fā)射機(jī)的天線增益(GTX)和接收機(jī)的天線增益(GRX)、接收機(jī)靈敏度(PRX)、自由空間損耗(LFS)及其他損耗組合成的衰落余量(LFM)，共同定義了能夠成功發(fā)送和檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)所需要的鏈路預(yù)算：表4.19鏈路預(yù)算的平衡因素功率級(jí)（dBm）自由空間損耗所需PTX衰落容差天線增益Rx天線增益Tx接收機(jī)靈敏度圖4.33用所需發(fā)射功率表示的鏈路預(yù)算第3章無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)P24無(wú)線局域網(wǎng)拓?fù)錈o(wú)中心拓?fù)錈o(wú)中心拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)：要求網(wǎng)中任意兩個(gè)站點(diǎn)均可直接通信，適用于用戶相對(duì)少的工作群網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。無(wú)中心拓?fù)湟卜Q為沒有基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線局域網(wǎng)。有中心拓?fù)湓谟兄行耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中，要求一個(gè)無(wú)線站點(diǎn)充當(dāng)中心站，所有站點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)均由其控制。有中心拓?fù)湟卜Q為有基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線局域網(wǎng)。無(wú)中心拓?fù)涞牡湫徒M網(wǎng)模式：

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式無(wú)中心拓?fù)浠蛘邿o(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線局域網(wǎng)的典型組網(wǎng)方式為：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式Ad-hoc，也叫做對(duì)等結(jié)構(gòu)模式或者稱為自組織網(wǎng)絡(luò)/移動(dòng)自組網(wǎng)。這種拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)無(wú)法接入到有線網(wǎng)絡(luò)中，只能獨(dú)立使用，無(wú)需AP，安全等功能由各個(gè)客戶端自行維護(hù)。移動(dòng)自組網(wǎng)采用非集中式的MAC協(xié)議。無(wú)中心拓?fù)銲nternet打印機(jī)無(wú)線工作站ProxyServer移動(dòng)自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于：組網(wǎng)靈活、快捷，可以廣泛運(yùn)用于臨時(shí)通信的環(huán)境。其缺陷也很明顯：1、當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)量過(guò)多時(shí)，信道競(jìng)爭(zhēng)會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能；2、路由信息隨著用戶數(shù)量的增加快速上升，嚴(yán)重時(shí)嚴(yán)重阻礙數(shù)據(jù)通信的進(jìn)行；3、一個(gè)節(jié)點(diǎn)必須能同時(shí)“看”到網(wǎng)絡(luò)中任意的其他節(jié)點(diǎn)，否則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中斷。4、只能適用于少數(shù)用戶的組網(wǎng)。有中心拓?fù)浣尤朦c(diǎn)方式：主要用于室內(nèi)環(huán)境無(wú)線分布系統(tǒng)：主要用于室外環(huán)境－點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型－點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)型－混合型有中心拓?fù)涞牡湫徒M網(wǎng)模式：

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式（Infrastructure）由AP、無(wú)線工作站以及分布式系統(tǒng)DSS（distributionsystemservices）構(gòu)成，覆蓋的區(qū)域成為基本服務(wù)集BSS（basicserviceset）。無(wú)線工作站與AP關(guān)聯(lián)采用AP的基本服務(wù)區(qū)標(biāo)識(shí)符BSSID（basicservicesetidentifier）。在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。接入點(diǎn)方式Internet無(wú)線工作站AP路由器從應(yīng)用角度出發(fā)，絕大多數(shù)無(wú)線局域網(wǎng)都屬于有中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也使用非集中式MAC協(xié)議。但有中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目勾輾圆睿珹P的故障容易導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。多AP模式多AP模式指由多個(gè)AP以及連接它們的分布式系統(tǒng)DSS組成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式。每個(gè)AP是一個(gè)獨(dú)立的BSS，多個(gè)BSS組成一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集ESS（extendedserviceset）。ESS內(nèi)所有AP共享同一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)器標(biāo)示符ESSID（extendedservicesetidentifier）。DSS在802.11中并沒有定義，目前多指以太網(wǎng)。相同ESSID之間可以漫游，不同ESSID的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形成不同的邏輯子網(wǎng)。多AP模式也稱為“多蜂窩結(jié)構(gòu)”。各個(gè)蜂窩之間建議由15%的重疊范圍，便于無(wú)線工作站的漫游。漫游時(shí)必須進(jìn)行不同AP接入點(diǎn)之間的切換。切換可以通過(guò)交換機(jī)以集中的方式控制，也可以通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)控制（非集中控制方式）。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型：

無(wú)線局域網(wǎng)APAP有線局域網(wǎng)定向天線定向天線無(wú)線網(wǎng)橋模式：利用一對(duì)無(wú)線網(wǎng)橋連接兩個(gè)有線或者無(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)段。使用放大器和定向天線可以使覆蓋距離增大到50Km。點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)型全向天線無(wú)線局域網(wǎng)AP定向天線無(wú)線局域網(wǎng)AP定向天線AP有線局域網(wǎng)混合型中繼方式：在有線不能到達(dá)的環(huán)境，可以采用多蜂窩無(wú)線中繼結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)中要求蜂窩之間要有50%的信號(hào)重疊。同時(shí)客戶端的使用效率會(huì)下降50%。無(wú)線局域網(wǎng)AP定向天線無(wú)線局域網(wǎng)AP定向天線APAP定向天線未來(lái)無(wú)線局域網(wǎng)Point-to-Point高容量的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接5.8GHz公共區(qū)域網(wǎng)PWLAN

11Mbps企業(yè)、小區(qū)遠(yuǎn)程無(wú)線連接

2.4GHz無(wú)線網(wǎng)橋企業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)移動(dòng)辦公SOHO、家庭應(yīng)用無(wú)線城域網(wǎng)的Mesh結(jié)構(gòu)IEEE802.16—2004標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌阂环N是點(diǎn)到多點(diǎn)（pointtoMulti-Point,PMP）的蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)；另一種是Mesh結(jié)構(gòu)。Mesh結(jié)構(gòu)也叫無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳（Multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)。由一組呈網(wǎng)狀分布的無(wú)線AP構(gòu)成，AP之間均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式通過(guò)無(wú)線中繼鏈路互聯(lián)，將傳統(tǒng)的無(wú)線“熱點(diǎn)”擴(kuò)展為真正大面積覆蓋的無(wú)線“熱區(qū)”。Mesh網(wǎng)絡(luò)中的AP之間通過(guò)無(wú)線方式“直達(dá)”，無(wú)需有線中轉(zhuǎn)。且具有寬帶無(wú)線匯聚連接功能，有效的路由和故障發(fā)現(xiàn)特性。因此更適合于大規(guī)模的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置。與傳統(tǒng)的交換式網(wǎng)絡(luò)相比，Mesh網(wǎng)絡(luò)沒有布線的需求，但仍具備分布式網(wǎng)絡(luò)提供的冗余機(jī)制和重新路由能力。Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)（1）快速部署和易于安裝。因?yàn)椴恍枰M(jìn)行布線，所以設(shè)備安裝非常快速簡(jiǎn)單。而設(shè)備的配置和其他網(wǎng)絡(luò)管理功能與傳統(tǒng)WLAN相同。因此可以大大降低總擁有成本（TCO）和安裝時(shí)間。（2）非視距傳輸（NLOS）。AP之間的無(wú)線互聯(lián)，有效的路由發(fā)現(xiàn)特性和“多跳”網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)使具有直接視距的用戶實(shí)際上為沒有直接視距的鄰近用戶提供了無(wú)線寬帶訪問(wèn)能力。（3）健壯性。Mesh結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，由于每個(gè)站點(diǎn)都有一條或者幾條傳輸數(shù)據(jù)的路徑，某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者被干擾，數(shù)據(jù)將自動(dòng)路由到備用鏈路。Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)（4）結(jié)構(gòu)靈活。多跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備可以通過(guò)不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)，因此不會(huì)降低系統(tǒng)性能。（5）更大的冗余機(jī)制和通信負(fù)載平衡功能。每個(gè)設(shè)備都有多個(gè)傳輸路徑可用，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每