第4讲++无线网络物理层技术1

1、第2章 无线网络逻辑结构2.1 无线网络的MAC层帧结构2.2 无线网络的MAC层协议2.3无线网络的物理层协议无线网络的物理层协议2.4.3 无线网络的物理层技术从蓝牙到ZigBee，每种无线物理层技术都可以通过一些主要的技术要点进行描述，如表2.8所示。技术要点问题和注意事项频谱使用电磁波频谱的哪一部分？可用带宽是多大？信道如何分段？用什么样的机制来控制使用的带宽以确保与同一频段的其他用户共存？传播管理机构允许在频段中使用的功率等级是多少？采用什么机制来控制发送功率和传播方式使其对共存信道中其他用户的干扰最小、有效范围最大或者利用空间分集来增加吞吐量？调制怎样把编码后的数据承载到物理媒体上

2、？比如是采用单载波或多载波相位调制还是幅度调制？是采用脉冲幅度调制还是脉冲位置调制？数据编码怎样把数据帧的原始比特编码为符号进行传输？这些编码机制有什么功能？比如是可以提高抗噪声性能还是可以提高可用带宽的有效利用率？表2.8 物理层的无线技术概况无线网络的频谱p45波长波长振幅振幅传播方向传播方向极化方向极化方向每一个无线电信号都有一个波长和频率每一个无线电信号都有一个波长和频率电磁辐射的波长和频率是通过光速联系在一起的，波长电磁辐射的波长和频率是通过光速联系在一起的，波长()= 光速光速(c)/频率频率(f )，或者波长，或者波长(m)= 300/频率频率(MHz)。 AMAM广播广播FMF

3、M广播广播900MHz900MHz频段频段2.4GHz2.4GHz频段频段5GHz5GHz频段频段红外线红外线X X光光可见光可见光无线电频谱无线电频谱 电磁波辐射的全部范围称为频谱电磁波辐射的全部范围称为频谱 波段波段波长波长频率频率通用名通用名主要应用主要应用100 km 100 km 以上以上3kHz3kHz极低频极低频 （ELFELF）水下通信水下通信10km-100km10km-100km3kHz-30kHz3kHz-30kHz甚低频甚低频 （VLFVLF）海上通信海上通信1km-10km1km-10km30kHz-300kHz30kHz-300kHz低频低频 （LFLF）或长）或长

4、波波 （LWLW）调幅广播调幅广播100m-1000m100m-1000m300kHz-3MHz300kHz-3MHz中频中频 （MFMF）或中）或中波波 （MWMW）调幅广播调幅广播10m-100m10m-100m3MHz-30MHz3MHz-30MHz高频高频 （HFHF）或短）或短波波 （SWSW）调幅广播、业余无线电调幅广播、业余无线电1m-10m1m-10m30MHz-300MHz30MHz-300MHz甚高频甚高频 （VHFVHF）调频广播、电视调频广播、电视0.1m-1m0.1m-1m300MHz-3GHz300MHz-3GHz特高频特高频 （UHFUHF）电视、蜂窝电话电视、蜂

5、窝电话10mm-100mm10mm-100mm3GHz-30GHz3GHz-30GHz超高频超高频 （SHFSHF）固定无线、卫星通信固定无线、卫星通信1mm-10mm1mm-10mm30GHz-300GHz30GHz-300GHz极高频极高频 （EHFEHF）卫星通信、雷达卫星通信、雷达无线电波段无线电波段 微波微波波长波长 （mmmm） 频率频率 （GHzGHz）波段波段主要通信用途主要通信用途1931937697690.40.41.51.5L L广播和广播和1G1G蜂窝通信蜂窝通信57.757.71931931.51.55.25.2S S2G2G和和3G3G蜂窝通信、局域网蜂窝通信、局域

6、网48.448.476.976.93.93.96.26.2C C卫星通信、局域网卫星通信、局域网27.527.557.757.75.25.210.910.9X X固定无线通信、卫星通信固定无线通信、卫星通信17.117.127.527.510.910.917.517.5KuKu固定无线通信、较早的卫星通信固定无线通信、较早的卫星通信8.348.3417.117.117.517.53131KaKa固定无线通信、较新的卫星通信固定无线通信、较新的卫星通信6.526.528.348.3436364646Q Q固定无线通信固定无线通信5.365.366.526.5246465656V V未来卫星通信、

7、固定无线通信未来卫星通信、固定无线通信3.003.005.365.365656100100W W固定无线通信、局域网、固定无线通信、局域网、 4G4G蜂窝蜂窝通信通信微波波段微波波段 频谱管理在使用无线电频率的时候应遵守国际、国内和地区的频谱管理规定。大多数频谱分配工作由国家的调节机构，如美国的FCC（美国联邦通信委员会）处理，但发展趋势是国际合作。 负责管理无线电频谱的国际组织是ITU（International Telecommunications Union），国际电信联盟）。每两年或三年，ITU就召开一次WRC（World Radiocommunication Conference，世

8、界无线通信大会），讨论如何分配频谱。频谱管理 世界范围内使用了四种许可证的管理方法：投标、抽签、拍卖、自由竞争。 频谱许可证的使用一般在一个有限的时间内，通常为二十年。 在无线电频谱的使用中，频段分配给不同的授权和非授权业务，不同信号格式所允许使用的传输功率大小由不同国家和地区的管理机构控制。国家/地区管理机构美国FCC美国联邦通信委员会加拿大IC加拿大工业部欧洲ETSI欧洲电信标准协会日本ARIB日本无线工业及商贸联合会无线电频谱管理机构RF频段无线网络规范915/868MHz ISMZigbee2.4GHz ISMIEEE802.11b/g,蓝牙ZigBee5.8GHzIEEE802.11

9、a无线网络使用的无线电频段ISM频段ExtremelyLowVeryLowLow MediumHigh VeryHighUltraHighSuperHighInfraredVisibleLightUltra-violetX-RaysAudioAM广播广播短波广播短波广播FM 广播广播电视电视红外无线局域网红外无线局域网902 - 928 MHz26 MHz蜂窝电话蜂窝电话 (840MHz)NPCS (1.9GHz)2.4 - 2.4835 GHz83.5 MHz(IEEE 802.11)5 GHz（ 5.725G5.850G）(IEEE 802.11)HyperLAN工业、科研、医学工业、科研

10、、医学 (ISM) (ISM) 频段频段固定通信固定通信移动通信移动通信空间研究空间研究空间运行空间运行地球勘察地球勘察空间研究空间研究固定通信固定通信移动通信移动通信无线电爱好者无线电爱好者广播卫星广播卫星移动通信移动通信无线电定位无线电定位无线电爱好者无线电爱好者固定通信固定通信移动通信移动通信无线电测定卫星无线电测定卫星移动卫星移动卫星广播卫星广播卫星固定通信固定通信无线电天文观察无线电天文观察空间研究空间研究地球勘探卫星地球勘探卫星航空无线电导航航空无线电导航气象服务气象服务无线电定位无线电定位2.22.32.42.52.72.9GHzFCC在2.4GHz的ISM波段上的频谱分配 与传

11、统有线传输相比，无线传输面临安全性和信号传播问题等挑战挑战考虑因素和解决方案链路可靠性信号传播、干扰、设备选址、链路预算媒体接入感知其他用户（隐藏站点和暴露站点问题）、服务质量要求安全性WEP、WPA、EEE802.11i、定向天线无线射频网络的挑战站点A站点B站点C站点C发射机的覆盖范围隐藏站点：隐藏站点：C C是是A A的隐藏站点的隐藏站点A感知不到C的传输，由于C的干扰存在A到B的传输失败暴露站点：暴露站点：B B是是C C的暴露站点的暴露站点当站点C发送时，站点B被阻止不能向站点C发送数据，尽管此时A是能够成功接收的隐藏站点和暴露站点给无线媒体接入控制带来的挑战调制技术由于信道，即传输

12、媒质，具有一定的频率特性，并不是原始信号中所有的频率成分都能通过信道进行传输，因此由信源产生的原始信号一般不能直接在大多数信道内传输，在传输前要对信号进行某种处理。这种把输入信号变换为适于通过信道传输的波形的变换过程称为调制。调制实现了信源的频谱与信道的频带匹配。 数字调制技术的指标：频谱效率：在可用的带宽内达到要求的数据速率，如表4.9所示。误比特率(Bit Error Rate, BER)性能：在具体应用中，在考虑了诸多可能的影响因素（如干扰、多径衰落等）情况下，系统要达到的误比特率。功率效率：这在移动应用中尤其重要，电池寿命是用户非常看中的因素。频谱效率（表示为每赫兹带宽的数据速率）高的

13、调制模式要求高的信号强度来实现无差错检测。实现的复杂度：实现某个特定技术与硬件成本直接相关。可以在某些方面用软件来实现调制的复杂性，减少对终端用户成本的影响。调制技术频谱效率(b/Hz)BPSK0.5QPSK1.016-QAM2.0128-QAM3.5256-QAM4.0表4.9 几种典型调制技术的频谱效率调制分类：调制分类：ASKASK调幅调幅FSKFSK调频调频PSKPSK调相调相ASKASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0(0v)0(0v)和和1(+5v)1(+5v)FSKFSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)0(1.2KHz)

14、和和1(2.4KHz)1(2.4KHz)PSKPSK（BPSKBPSK）：用载波的起始相位的变化表示）：用载波的起始相位的变化表示0 (0 (同相同相) )和和1(1(反相反相) )四进制相移键控与BPSK使用两种相位状态不同，QPSK使用四种不同的载波相位，每种相位用来编码由两个比特或码片组成的一个符号。图4.24说明了这四种载波相位，用IQ平面表示了载波信号的相位，其中I代表同向，Q代表正交或者90相位。在IQ平面上点与I轴的角度表示相角，到原点的距离表示信号的幅度。表4.11中表示了00, 01, 11和10这四个点，即调制星座，它表示了单位幅度的四个载波相位。符号载波相位0000190

15、1118010270表4.11 正交相移键控四进制相移键控与BPSK使用两种相位状态不同，QPSK使用四种不同的载波相位，每种相位用来编码由两个比特或码片组成的一个符号。图4.24说明了这四种载波相位，用IQ平面表示了载波信号的相位，其中I代表同向，Q代表正交或者90相位。在IQ平面上点与I轴的角度表示相角，到原点的距离表示信号的幅度。表4.11中表示了00, 01, 11和10这四个点，即调制星座，它表示了单位幅度的四个载波相位。单位幅度圆QPSK星座图/4QPSK星座图图4.24 QPSK相位星座差分相移键控差分相移键控(Differential Phase Shift Keying, D

16、PSK)是BPSK和QPSK的变换形式，输入符号用来控制相位的差分变化，而不是用来定义载波的绝对相位。在BPSK中，0对应零相位载波周期，而在DBPSK中，0符号表示载波相位相对于前一个比特周期没有变化。类似地，在DQPSK中，每个符号被表示为相位的变化而不是载波的绝对相位，如表4.12所示。符号相位变化00001901118010270表4.12 差分正交相移键控 正交幅度调制正交幅度调制(QAM)是将相位调制和幅度调制相结合的合成调制技术。在BPSK或QPSK中，用恒定的载波幅度和2或4个不同的相位来表示输入数据符号。QAM定义了16, 64或更多点的星座而不是2点或4点，每一个点都有特定

17、的相位和幅度代表4或6比特（或码片）的数据符号。16-QAM和64-QAM调制技术应用在IEEE 802.11a和IEEE 802.11g规范中，与OFDM相结合，可以达到2454 Mbps的数据率。图4.25所示的16-QAM星座（即IQ平面上有16个点）可用来实现24 Mbps和36 Mbps数据速率。图4.25 16QAM星座图 双载波调制双载波调制是用在多载波系统中的技术，如OFDM，可以对抗多径环境中对单载波信号的破坏性干扰或衰落带来的数据损耗（参见4.5.4.3节）。将数据调制到两个载波而不是一个载波上，尽管增加了带宽，但传输的鲁棒性更高。在多带OFDM(Multi-band OF

18、DM)（参见4.6.4节）中，4比特符号被映射到两个不同的16-QAM星座图上，符号在相隔至少200 MHz的两个OFDM载波中传输。如果其中一个载波的接收受到衰落的影响，数据可以从另一个载波中恢复出来，由于两个载波间隔很大，所以两个载波同时受到影响的概率很小。无线网络传输方式无线电方式 扩展频谱方式 窄带调制方式 红外线方式 扩展频谱技术扩频通信是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关。 扩频技术主要包括：直接序列扩频 DSSS 跳频扩频 FHSS正交频分复用 OFDM扩展频谱技术数据信息带宽为B1的

19、基带数字信号数据调制扩频调制PN码带宽为B2（B2B1）的扩频信号射频调制射频信号扩频通信系统中都要进行三次调制和相应的解调：扩频通信的理论基础仙农（Shannon）定理：C =W log2 (1+SN)C = 信道容量，用传输速 率度量 ，单位 b/sW = 信号频带宽度，单 位 HzS = 信号功率 N = 噪声功率 仙农定理说明，在给定的传输速率 C 不变的条件下，频带宽度 W 和信噪比 SN 是可以互换的。即可以通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比的情况下，传输信息。 扩展频谱方式基带信号射频调制发射扩展频谱 扩展频谱方式也是利用无线电波作为传输媒体的一种传输信号方式。它是在将基带数

20、字序列信号进行射频调制之前，先进行频谱的扩展。 扩展频谱过程一般将原基带数字序列信号的频谱扩展几倍到几十倍，经过射频调制后的发射信号的频带宽度也比窄带调制要宽得多。 扩展频谱方式可以用比窄带调制方式低得多的信号功率来发送，可在比信号还要强的噪声环境下保证信息的正确接收。扩展频谱方式不怕同频干扰，因此可以在同一频段上靠选择不同的扩频伪随机码来进行多路复用，这种多路复用称作码分多址（CDMA）。直接序列扩频 DSSS直接序列扩频是直接利用具有高码率的扩频码序列采用各种调制方式在发端扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序列去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法。 f

21、发端f扩频为f解扩为f收端 码片、扩频及相关直接序列扩频中使用的扩频函数是一个数字码，也称为码片或伪随机(Pseudo-noise, PN)码，它们经过挑选并具有特殊的数学性质。其中一个性质，就是信号对广播频段的偶然接收者表现出随机噪声的特点，也由此得名“伪随机”。在IEEE 802.11b标准中，数据速率为1 Mbps和2 Mbps的伪随机码是11比特的巴克码。巴克码是二进制序列，具有低自相关性，即该序列与自身时移后的序列不具有相关性。表4.7介绍了长度为213的巴克码。长度长度编码编码210和和11311041011和和10005111017111001011111000100101311

22、1100111001表表4.7 4.7 长度为长度为2 21313的巴克码的巴克码比特流码片码片流数据11位巴克序列编码后的数据图4.8 DSSS伪随机码直接序列扩频直接序列扩频 DSSSDSSS每个数据位变成了一组码片在扩展的频率上传递每个数据位变成了一组码片在扩展的频率上传递规定最小扩展比：每数据位对应规定最小扩展比：每数据位对应1010位码片；在位码片；在DSSS DSSS 1Mbps 1Mbps 和和 2Mbps2Mbps速率时采用速率时采用1111位码片位码片例如数据是例如数据是: 1001码片是码片是 : 1= 00110011011 0=11001100100传输的数据将是传输的

23、数据将是:00110011011 11001100100 11001100100 00110011011 1 0 0 1 片码伪随机码的一个突出的数字特性是，它可以使接收机的随机码产生器非常迅速地与接收信号的伪随机码同步。同步是解扩过程的第一步。快速同步要求在接收信号中码字的位置能够被迅速识别，这一点借助与巴克码的抵自相关性实现。抵自相关性另一好处是接收机可以拒收时延超过一个码片周期的信号。片码的另一个重要性质是低互相关性，这在移动电话等必须避免多发射机间干扰的应用中非常重要。低互相关性减少了相关器被不同伪随机码编码的信号干扰的机会（如相关性会错误地解码采用不同片码的干扰信号）。DSSS（直接

24、序列扩频）（直接序列扩频）直接序列扩频技术将直接序列扩频技术将2.4Ghz的频宽划分成的频宽划分成14个个22MHz的通道的通道(Channel)，临近的通道互相重叠，在，临近的通道互相重叠，在14个频段内，只有个频段内，只有3个频个频段是互相不覆盖的，数据就是从这段是互相不覆盖的，数据就是从这14个频段中的一个进行传送个频段中的一个进行传送而不需要进行频道之间的跳跃。而不需要进行频道之间的跳跃。 为了弥补特定频段中的噪音开销，一项称为为了弥补特定频段中的噪音开销，一项称为“chipping”的技的技术被用来解决这个问题。在每个术被用来解决这个问题。在每个22MHz通道中传输的数据中的通道中传

25、输的数据中的数据都被转化成一个带冗余校验的数据都被转化成一个带冗余校验的Chips数据，它和真实数据数据，它和真实数据一起进行传输用来提供错误校验和纠错。由于使用了这项技术，一起进行传输用来提供错误校验和纠错。由于使用了这项技术，大部分传送错误的数据也可以进行纠错而不需要重传，这就增大部分传送错误的数据也可以进行纠错而不需要重传，这就增加了网络的吞吐量。加了网络的吞吐量。 片码伪随机码的一个突出的数字特性是，它可以使接收机的随机码产生器非常迅速地与接收信号的伪随机码同步。同步是解扩过程的第一步。快速同步要求在接收信号中码字的位置能够被迅速识别，这一点借助与巴克码的抵自相关性实现。抵自相关性另一

26、好处是接收机可以拒收时延超过一个码片周期的信号。片码的另一个重要性质是低互相关性，这在移动电话等必须避免多发射机间干扰的应用中非常重要。低互相关性减少了相关器被不同伪随机码编码的信号干扰的机会（如相关性会错误地解码采用不同片码的干扰信号）。 补码键控除了使用单个片码对输入数据流的每个比特进行扩展外，还可以使用一组扩码，并依据输入的数据比特组的数值对从这组扩码中选择一个码。这种机制称为补码键控（Complementary Code Keying，CCK）。80211b使用CSMA/CA作为路径共享协议，物理层调制方式为CCK（补码键控）的DSSS。 在无线局域网通信中, 它支持两种速率5.5Mb

27、/ s和11Mb/ s。5.5M速率使用CCk串携带4位数字信息，11M速率使用CCK串携带8位数字信息。两个速率的传输都采用了QPSK调制。 CCK的码字有很强的位置对称性和良好的自相关特性， 特殊的数学特性使得他们能够在经过干扰或者由于反射造成的多方接收问题后，还能够被正确地互相区分，可以很好地克服多径干扰，所以在雷达和通信中都得到了很好的应用。22MHz信道带宽25MHz信道带宽图4.9 IEEE 802.11 DSSS信道信道信道1信道信道2信道信道3信道信道4信道信道5信道信道6信道信道7信道信道8信道信道9信道信道10信道信道11图4.10 2.4 GHz ISM波段DSSS信道扩展频谱技术特点很强的抗干扰能力 可进行多址通信 安全保密 抗多径干扰 跳频扩频 FHSS：跳频扩频（跳频扩频（Frequency Hopping Spread Sprectrum, 简简称称FHSS）：）：是在同步、且同时的情况下，收发两端以特是在同步、且同时的情况下，收发两端以特定形式的窄频载波来传送信号，使用一个只有发送方和接定形式的窄频载波来传送信号，使用一个只有发送方和接收方才知道的看似随机的模式（收方才知道的看似随机的模式（