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

第2章無線網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)2.1無線網(wǎng)絡(luò)的MAC層幀結(jié)構(gòu)2.2無線網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議2.3無線網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議無線復(fù)用和多址訪問技術(shù)復(fù)用技術(shù)的目的是在單一媒體上傳輸多路信號或多路數(shù)據(jù)流來提高傳輸效率。這樣增加的容量可以為一個用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以使多個用戶能夠同時無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。它將成為未來移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。正交頻分復(fù)用是在多個頻率之間分割一個用戶的信號，通過將一個高速率的數(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擴(kuò)展成一個寬帶信號

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)信息分開為幾個交替的、并行的BIT流，分別調(diào)制到多個分離的子載頻上，從而使信道頻譜被分到幾個獨立的、非選擇的頻率子信道上，在AP與無線網(wǎng)卡之間進(jìn)行傳送，實現(xiàn)高頻譜利用率。

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

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

式中：Ts表示符號傳輸周期，vi表示第i個子載波的頻率。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)每個用戶的帶寬要求為其分配單個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，每一路用一個單獨的子載波編碼。一個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，每個碼片可以通過單獨的子載波并行傳輸。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的一個顯著優(yōu)點是，用多載波方式傳輸?shù)姆査俾时葐屋d波傳輸?shù)姆査俾实秃芏?，這樣無線鏈路就不容易受到符號間干擾(Inter-SymbolInterference,ISI)的影響。ISI是由多徑傳播造成的，兩個不同時間發(fā)射的符號經(jīng)過不同的傳播路徑后同時到達(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)還是在符號間引入了保護(hù)間隔來進(jìn)一步減小ISI。延遲的信號直接信號符號ｎ符號ｎ符號ｎ＋２符號ｎ＋１符號ｎ＋１符號ｎ＋２符號間干擾時間圖4.18符號間干擾(ISI)串行比特／符號流串行比特／符號流串并轉(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)，控制用戶對傳輸媒體的接入，從而提高無線網(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)字信號處理能力與天線陣列相結(jié)合，以達(dá)到對信號傳輸和接收的空間控制。智能天線系統(tǒng)可以根據(jù)信號環(huán)境和系統(tǒng)要求來調(diào)整方向性的特征參數(shù)，為SDMA提供了基礎(chǔ)。無線網(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，作為無線局域網(wǎng)的一種無線傳媒，它不受無線電波干擾，不受無線電管理部門限制，無需申請波段。但紅外線方式具有一定方向性，對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)天線被振蕩電信號激勵時，會產(chǎn)生射頻輻射，而紅外輻射的產(chǎn)生是由于分子的轉(zhuǎn)動和振動產(chǎn)生的振蕩。紅外光譜通常分為三個區(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)。無線鏈路預(yù)算接收機(jī)靈敏度：指無外界噪聲和干擾，在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，接收機(jī)解調(diào)輸出達(dá)到規(guī)定的話音質(zhì)量時，接收機(jī)天線輸入端所需的最小信號電壓或最小信號功率。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)送和檢測數(shù)據(jù)信號所需要的鏈路預(yù)算：表4.19鏈路預(yù)算的平衡因素功率級（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章無線網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.1無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)P24無線局域網(wǎng)拓?fù)錈o中心拓?fù)錈o中心拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)：要求網(wǎng)中任意兩個站點均可直接通信，適用于用戶相對少的工作群網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。無中心拓?fù)湟卜Q為沒有基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)。有中心拓?fù)湓谟兄行耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中，要求一個無線站點充當(dāng)中心站，所有站點對網(wǎng)絡(luò)的訪問均由其控制。有中心拓?fù)湟卜Q為有基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)。無中心拓?fù)涞牡湫徒M網(wǎng)模式：

點對點模式無中心拓?fù)浠蛘邿o基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)的典型組網(wǎng)方式為：點對點模式Ad-hoc，也叫做對等結(jié)構(gòu)模式或者稱為自組織網(wǎng)絡(luò)/移動自組網(wǎng)。這種拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)無法接入到有線網(wǎng)絡(luò)中，只能獨立使用，無需AP，安全等功能由各個客戶端自行維護(hù)。移動自組網(wǎng)采用非集中式的MAC協(xié)議。無中心拓?fù)銲nternet打印機(jī)無線工作站ProxyServer移動自組網(wǎng)的優(yōu)勢在于：組網(wǎng)靈活、快捷，可以廣泛運用于臨時通信的環(huán)境。其缺陷也很明顯：1、當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)量過多時，信道競爭會嚴(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)重時嚴(yán)重阻礙數(shù)據(jù)通信的進(jìn)行；3、一個節(jié)點必須能同時“看”到網(wǎng)絡(luò)中任意的其他節(jié)點，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方式：主要用于室內(nèi)環(huán)境無線分布系統(tǒng)：主要用于室外環(huán)境－點對點型－點對多點型－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）。無線工作站與AP關(guān)聯(lián)采用AP的基本服務(wù)區(qū)標(biāo)識符BSSID（basicservicesetidentifier）。在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。接入點方式Internet無線工作站AP路由器從應(yīng)用角度出發(fā)，絕大多數(shù)無線局域網(wǎng)都屬于有中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；A(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?，AP的故障容易導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。多AP模式多AP模式指由多個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AP是一個獨立的BSS，多個BSS組成一個擴(kuò)展服務(wù)集ESS（extendedserviceset）。ESS內(nèi)所有AP共享同一個擴(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)”。各個蜂窩之間建議由15%的重疊范圍，便于無線工作站的漫游。漫游時必須進(jìn)行不同AP接入點之間的切換。切換可以通過交換機(jī)以集中的方式控制，也可以通過移動節(jié)點、監(jiān)測節(jié)點的信號強(qiáng)度來控制（非集中控制方式）。點對點型：

無線局域網(wǎng)APAP有線局域網(wǎng)定向天線定向天線無線網(wǎng)橋模式：利用一對無線網(wǎng)橋連接兩個有線或者無線局域網(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。點對多點型全向天線無線局域網(wǎng)AP定向天線無線局域網(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%的信號重疊。同時客戶端的使用效率會下降50%。無線局域網(wǎng)AP定向天線無線局域網(wǎng)AP定向天線APAP定向天線未來無線局域網(wǎng)Point-to-Point高容量的點對多點的連接5.8GHz公共區(qū)域網(wǎng)PWLAN

11Mbps企業(yè)、小區(qū)遠(yuǎn)程無線連接

2.4GHz無線網(wǎng)橋企業(yè)無線局域網(wǎng)移動辦公SOHO、家庭應(yīng)用無線城域網(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是點到多點（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)也叫無線網(wǎng)狀網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳（Multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)。由一組呈網(wǎng)狀分布的無線AP構(gòu)成，AP之間均采用點對點方式通過無線中繼鏈路互聯(lián)，將傳統(tǒng)的無線“熱點”擴(kuò)展為真正大面積覆蓋的無線“熱區(qū)”。Mesh網(wǎng)絡(luò)中的AP之間通過無線方式“直達(dá)”，無需有線中轉(zhuǎn)。且具有寬帶無線匯聚連接功能，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（1）快速部署和易于安裝。因為不需要進(jìn)行布線，所以設(shè)備安裝非常快速簡單。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）和安裝時間。（2）非視距傳輸（NLOS）。AP之間的無線互聯(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際上為沒有直接視距的鄰近用戶提供了無線寬帶訪問能力。（3）健壯性。Mesh結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，由于每個站點都有一條或者幾條傳輸數(shù)據(jù)的路徑，某個節(jié)點出現(xiàn)故障或者被干擾，數(shù)據(jù)將自動路由到備用鏈路。Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢（4）結(jié)構(gòu)靈活。多跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備可以通過不同的節(jié)點同時連接到網(wǎng)絡(luò)，因此不會降低系統(tǒng)性能。（5）更大的冗余機(jī)制和通信負(fù)載平衡功能。每個設(shè)備都有多個傳輸路徑可用，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每