第5讲+无线网络的物理层技术2+无线网络物理结构

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复用和多址访问技术复用技术的目的是在单一媒体上传输多路信号或多路数据流来提高传输效率。这样增加的容量可以为一个用户提供更高的数据传输速率，也可以使多个用户能够同时无干扰地接入传输媒体。用户接入媒体可以有这样几种方法：时分多址(TimeDivisionMultipleAccess,TMDA)频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)或正交频分复用(OFDM)空分多址(SpaceDivisionMultipleAccess,SDMA)码分多址(CDMA)正交频分复用OFDMOFDM在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道间干扰，提高了频谱利用率。它将成为未来移动通信系统的关键技术。正交频分复用是在多个频率之间分割一个用户的信号，通过将一个高速率的数据流分割成许多低速率的数据流，并分别发送每个数据流。正交频分复用适用于多径干扰环境中的高速数据传输。正交频分复用OFDM数据网宽带宽带窄带窄带窄带

OFDM将不同路径的窄带信号扩展成一个宽带信号

OFDM（正交频分复用）

正交频分复用技术OFDM是一种多载波发射技术，它将可用频谱划分为许多载波，每一个载波都用低速率数据流进行调制。它获取高数据传输率的诀窍就是，把高速数据信息分开为几个交替的、并行的BIT流，分别调制到多个分离的子载频上，从而使信道频谱被分到几个独立的、非选择的频率子信道上，在AP与无线网卡之间进行传送，实现高频谱利用率。

52副载波(用于数据:48个,用于导频信号:4个)

多种传送速度:6,9,12,24,36,48,54Mbps导频的作用：导频信号的定义：导频信号是基站或AP连续发射未经调制的直接序列扩频信号。导频信号的作用：它使得手机或无线站点能够获得前向码分多址信道的时间，提供相关解调相位参考为各基站或无线站点提供信号强度比较，用以确定何时进行切换。在时域中，OFDM载波之间的正交性意味着在符号传输周期内子载波的周期数是整数。可以表示为

式中：Ts表示符号传输周期，vi表示第i个子载波的频率。因此这些子载波在频率上存在着间隔，频率间隔是符号周期的倒数。正交频分复用正交频分复用(OFDM)的关键：选择合适的子载波频率，可使相邻子载波之间的干扰降至最小。控制每个子载波（也称单音）的带宽，达到降低干扰的作用，采用的方法是：使子载波的频率正好是其相邻子载波的频谱最小处，如图4.16所示。频率图4.16OFDM子载波的频域正交性OFDM的多载波可以应用在很多方面：OFDM可以作为多址接入技术(OFDMAccess,OFDMA)，根据每个用户的带宽要求为其分配单个子载波或一组子载波。将一路串行比特流可以分成多路并行比特流，每一路用一个单独的子载波编码。一个用户使用多路子载波可以获得高的数据吞吐量。比特流可以采用码片扩展，每个码片可以通过单独的子载波并行传输。由于允许多用户接入，因此这样的系统被称为多载波CDMA(Multi-Carrier,MC-CDMA)。OFDM的一个显著优点是，用多载波方式传输的符号速率比单载波传输的符号速率低很多，这样无线链路就不容易受到符号间干扰(Inter-SymbolInterference,ISI)的影响。ISI是由多径传播造成的，两个不同时间发射的符号经过不同的传播路径后同时到达接收天线，如图4.18所示。尽管OFDM本身不容易被ISI影响，但绝大部分OFDM系统还是在符号间引入了保护间隔来进一步减小ISI。延迟的信号直接信号符号ｎ符号ｎ符号ｎ＋２符号ｎ＋１符号ｎ＋１符号ｎ＋２符号间干扰时间图4.18符号间干扰(ISI)串行比特／符号流串行比特／符号流串并转换串并转换数据编码（ＱＡＭ）OFDM调制快速傅里叶逆变换（ＩＦＦＴ）插入保护间隔数模转换和滤波射频上变频传输信道噪声、多径和其他干扰子载波的相位和幅度信道均衡和数据解码快速傅里叶变换（ＦＦＴ）去除保护间隔模数转换和滤波射频下变频OFDM解调图4.19OFDM发射机和接收机的示意框图空分多址空分多址(SDMA)将空间位置作为参数，控制用户对传输媒体的接入，从而提高无线网络数据吞吐量。例：如果基站配备成具有30°水平波束宽度的扇形天线，它可以根据用户围绕基站的位置划分12个空间区域或信道。采用这种配置，网络的数据容量与使用全向天线基站的容量相比，可以提高12倍。和简单扇形天线一样，正在发展中的智能天线技术将数字信号处理能力与天线阵列相结合，以达到对信号传输和接收的空间控制。智能天线系统可以根据信号环境和系统要求来调整方向性的特征参数，为SDMA提供了基础。无线网络传输方式●

第5章红外通信利用红外线作为传输媒体在家用电器遥控中很常见，作为无线局域网的一种无线传媒，它不受无线电波干扰，不受无线电管理部门限制，无需申请波段。但红外线方式具有一定方向性，对非透明物体的穿透能力差，传输距离不能太远，一般在几米到几十米。5.1红外光谱电磁频谱中，红外(Ir)部分的波长介于0.78μm与1000μm之间。红外辐射的范围从300GHz极高频(EHF)至低于可见光红光频谱（波长约为0.76μm）。红外辐射的产生与射频辐射不同，当天线被振荡电信号激励时，会产生射频辐射，而红外辐射的产生是由于分子的转动和振动产生的振荡。红外光谱通常分为三个区域：近红外中红外远红外表5.1红外光谱的划分5.2红外传播与接收红外通信链路也许是“最透明的”，在用户配置方面要求很低，从某种程度上看，这意味着用户不必关心底层技术。无线链路预算接收机灵敏度：指无外界噪声和干扰，在规定的标准测试条件下，接收机解调输出达到规定的话音质量时，接收机天线输入端所需的最小信号电压或最小信号功率。包括发射功率(PTX)、发射机的天线增益(GTX)和接收机的天线增益(GRX)、接收机灵敏度(PRX)、自由空间损耗(LFS)及其他损耗组合成的衰落余量(LFM)，共同定义了能够成功发送和检测数据信号所需要的链路预算：表4.19链路预算的平衡因素功率级（dBm）自由空间损耗所需PTX衰落容差天线增益Rx天线增益Tx接收机灵敏度图4.33用所需发射功率表示的链路预算第3章无线网络物理结构3.1无线网络拓扑结构P24无线局域网拓扑无中心拓扑无中心拓扑的网络：要求网中任意两个站点均可直接通信，适用于用户相对少的工作群网络规模。无中心拓扑也称为没有基础设施的无线局域网。有中心拓扑在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。有中心拓扑也称为有基础设施的无线局域网。无中心拓扑的典型组网模式：

点对点模式无中心拓扑或者无基础设施的无线局域网的典型组网方式为：点对点模式Ad-hoc，也叫做对等结构模式或者称为自组织网络/移动自组网。这种拓扑的网络无法接入到有线网络中，只能独立使用，无需AP，安全等功能由各个客户端自行维护。移动自组网采用非集中式的MAC协议。无中心拓扑Internet打印机无线工作站ProxyServer移动自组网的优势在于：组网灵活、快捷，可以广泛运用于临时通信的环境。其缺陷也很明显：1、当网络中用户数量过多时，信道竞争会严重影响网络性能；2、路由信息随着用户数量的增加快速上升，严重时严重阻碍数据通信的进行；3、一个节点必须能同时“看”到网络中任意的其他节点，否则认为网络中断。4、只能适用于少数用户的组网。有中心拓扑接入点方式：主要用于室内环境无线分布系统：主要用于室外环境－点对点型－点对多点型－混合型有中心拓扑的典型组网模式：

基础结构模式基础结构模式（Infrastructure）由AP、无线工作站以及分布式系统DSS（distributionsystemservices）构成，覆盖的区域成为基本服务集BSS（basicserviceset）。无线工作站与AP关联采用AP的基本服务区标识符BSSID（basicservicesetidentifier）。在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。接入点方式Internet无线工作站AP路由器从应用角度出发，绝大多数无线局域网都属于有中心网络拓扑结构。基础结构网络也使用非集中式MAC协议。但有中心网络拓扑的抗摧毁性差，AP的故障容易导致整个网络瘫痪。多AP模式多AP模式指由多个AP以及连接它们的分布式系统DSS组成的基础结构模式。每个AP是一个独立的BSS，多个BSS组成一个扩展服务集ESS（extendedserviceset）。ESS内所有AP共享同一个扩展服务器标示符ESSID（extendedservicesetidentifier）。DSS在802.11中并没有定义，目前多指以太网。相同ESSID之间可以漫游，不同ESSID的无线网络形成不同的逻辑子网。多AP模式也称为“多蜂窝结构”。各个蜂窝之间建议由15%的重叠范围，便于无线工作站的漫游。漫游时必须进行不同AP接入点之间的切换。切换可以通过交换机以集中的方式控制，也可以通过移动节点、监测节点的信号强度来控制（非集中控制方式）。点对点型：

无线局域网APAP有线局域网定向天线定向天线无线网桥模式：利用一对无线网桥连接两个有线或者无线局域网网段。使用放大器和定向天线可以使覆盖距离增大到50Km。点对多点型全向天线无线局域网AP定向天线无线局域网AP定向天线AP有线局域网混合型中继方式：在有线不能到达的环境，可以采用多蜂窝无线中继结构。但这种结构中要求蜂窝之间要有50%的信号重叠。同时客户端的使用效率会下降50%。无线局域网AP定向天线无线局域网AP定向天线APAP定向天线未来无线局域网Point-to-Point高容量的点对多点的连接5.8GHz公共区域网PWLAN

11Mbps企业、小区远程无线连接

2.4GHz无线网桥企业无线局域网移动办公SOHO、家庭应用无线城域网的Mesh结构IEEE802.16—2004标准定义了两种网络拓扑：一种是点到多点（pointtoMulti-Point,PMP）的蜂窝网结构；另一种是Mesh结构。Mesh结构也叫无线网状网。网络中的每个节点都可以发送和接收信号。无线Mesh网络也称为“多跳（Multi-hop）”网络。由一组呈网状分布的无线AP构成，AP之间均采用点对点方式通过无线中继链路互联，将传统的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。Mesh网络中的AP之间通过无线方式“直达”，无需有线中转。且具有宽带无线汇聚连接功能，有效的路由和故障发现特性。因此更适合于大规模的无线网络配置。与传统的交换式网络相比，Mesh网络没有布线的需求，但仍具备分布式网络提供的冗余机制和重新路由能力。Mesh网络的优势（1）快速部署和易于安装。因为不需要进行布线，所以设备安装非常快速简单。而设备的配置和其他网络管理功能与传统WLAN相同。因此可以大大降低总拥有成本（TCO）和安装时间。（2）非视距传输（NLOS）。AP之间的无线互联，有效的路由发现特性和“多跳”网络的本质使具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问能力。（3）健壮性。Mesh结构网络中，由于每个站点都有一条或者几条传输数据的路径，某个节点出现故障或者被干扰，数据将自动路由到备用链路。Mesh网络的优势（4）结构灵活。多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会降低系统性能。（5）更大的冗余机制和通信负载平衡功能。每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每