无线mesh网络3教材

第3章无线局域网关键技术无线局域网物理层的关键技术无线局域网数据链路层的关键技术§3.1无线局域网物理层的关键技术无线局域网传输技术红外线传输技术微波传输技术编码技术复用技术调制技术DSSSFHSSBakerCCKPBCCOFDMGFSKBPSKQAMQPSK2GFSK4GFSKDBPSK16QAM64QAMDQPSK1、数字微波通信的系统模型信源信源编码信道编码载波调制信宿信源解码信道解码载波解调微波信道噪声源发端基带信号频带传输信号收端基带信号（1）微波：指频率在300~300000MHz或波长为1mm~1m范围内的电磁波。（2）信源：提供原始信号的装置，其输出可以是模拟信号也可以是数字信号。（3）信源编码：把模拟信号变成数字信号，完成模/数变换的任务。目的是为了去掉信息的冗余度，压缩信号的数码率，从而提高信道的传输效率。（4）信道编码：为了提高数字信号传输的可靠性，在输入的数字序列中按照一定的规律加入一些附加的码元，并形成新的数字序列，附加的码元成为监督码。（5）调制：为使经信道编码后的符号能在适当的频道传输，比如微波频段、短波频段等，而把数字信号调制到频率较高的“载波”上去，以便适合无线信道传输。2、数字通信的整个过程：（1）用适当的传感器（如话筒、摄像机等）把原始的声音、图像等信息变成电信号送入信源编码器。（2）信源编码器对输入信号进行模/数变换，压缩编码后形成数据信号。（3）再送入信道编码器，此时可对数字信号进行适当的编码（如补码键控、卷积编码等），增加信号的冗余度，使其具有检错和纠错能力。信道编码后的信号成为符号。（4）调制部分是根据信道的特点和要求把信道编码后的符号以适当的方式（相移键控、频移键控等）调制在一定的频率上。（5）接收方对信号进行相反的处理，先解调，再信道译码，信源译码，最后恢复信息如声音、图像等。3、扩频通信信源信源编码信道编码载波调制信宿信源解码信道解码载波解调微波信道噪声源发端基带信号频带传输信号收端基带信号扩频解扩扩频传输技术：通过注入一个更高的频率信号，将基带信号扩展到一个更宽的频带内的射频通信技术，即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内。4、扩频通信理论基础香农定理：C=W*Log2(1+S/N)其中：C——信道容量（bps）N——噪声功率W——带宽（Hz）S——信号功率当S/N很小（<0.1）时，得到：W=(C/1.44)*(N/S)可以看出，当无差错传输的信息容量C不变时，如果N/S很大，则必须使用足够大的带宽来传输信号。5、跳频扩频技术（FHSS）跳频：是使原始信号随机的用不同的载波传输发送。在跳频码的控制下按照某种跳频图案跳变，在接收端通过相应解跳，恢复发送信号。采用跳频扩频传输技术的无线局域网支持1M和2M，在1M时采用的调制方式是二相高斯频移键控（2GFSK），2M采用四相。6、直接序列扩频技术（DSSS）（1）直接序列扩频：是指使用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码（PN）与信号相乘来达到扩展信号的带宽。调制方式多为二相相移键控和四相相移键控。（2）直接序列扩频系统工作模型调制器伪随机数源载波振荡器直扩扩展器发射端扩展频谱信号调制器伪随机数源载波振荡器直扩扩展器接收端扩展频谱信号数据数据（3）采用直接序列扩频传输技术的无线局域网中使用的扩展码的编码类型主要有3种：巴克码（bakercode）序列：用11001000110表示1，用00110111001表示0。这样做使信源速率提高了11倍，同时也使处理增益达到10db以上，从而有效地提高整机的信噪比。补码键控（CCK）：一种软扩频的调制方式，实际是采用编码的方法完成频率的扩展。对比真扩频每一位信息码都与多个整数数位的伪随机码模2相加，软扩频是一种（N,K）编码，即用N位长的伪随机序列来表示K位信息码，这样用几位信息元对应一条伪随机码，频率扩展的倍数不大，而且不一定是整数。分组二进制卷积码（packetbinaryconvolutioncoding，PBCC）：使用一个64位的二进制卷积码（BCC）和一个掩码序列来进行二进制卷积编码，使用更复杂的信号星座图，采用8PSK调制，速率可以为11Mbps、22Mbps和33Mbps。7、载波调制技术调制：把输入信号变换为适合通过信道传输的波形。或者说把数字信号映射到模拟信号的过程，以便使该信息能够在信道中传输。调制实现信源的频谱与信道的频带匹配。用高频周期性的脉冲表示原始信号传输，称为载波。调制类型一般分为模拟调制和数字调制。（1）模拟调制：幅度调制（AM，简称调幅）：使载波的幅度随原始模拟信号数据的幅度变化而变化。频率调制（FM，简称调频）：用来使高频载波的频率随原始模拟信号的幅度变化而变化。（2）数字调制：移动键控技术，幅移键控、频移键控和相移键控。幅移键控（ASK）：载波信号的两个不同幅值代表两个二进制数值。0110010数字信号模拟信号频移键控（FSK）：用两个不同的频率代表二进制的两个数值。相移键控（PSK）：用不同的相位代表二进制的两个数值。0110010数字信号频移模拟信号相移模拟信号（3）四相调制技术（QPSK）：采用4种相位，每种相位分别代表00、01、10、11组合，以达到更高的比特率。0110001数字信号4相模拟信号000110111（4）正交幅度调制（QAM）：采用ASK和PSK组合技术产生的调制技术。8、正交频分复用技术主要思想：将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，OFDM单个用户的信息流被串/并变换为多个低速码流（100Hz~50kHz），每个码流用一条载波发送。关键技术：（1）时域和频域同步（2）信道估计（3）信道编码和交织（4）降低峰均功率比（5）均衡OFDM技术有非常广阔的发展前景，已成为第4代移动通信的核心技术。目前，OFDM结合时空编码、分集、干扰（包括符号间干扰ISI和邻道干扰ICI）抑制以及智能天线技术，最大限度地提高物理层的可靠性。再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。OFDM技术优点（1）抗频率选择性衰落或窄带干扰；（２）抗信号波形间的干扰，使用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输；（3）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力；（4）可以选用基于IFFT/FTT的OFDM实现方法；（5）信道利用率高，当子载波数量很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。9、多进多出（MIMO）技术（1）单进单出（SISO）：使用一部发射信号的天线和一部接收信号的天线。发射机接收机反射物（2）单进多出（SIMO）：（3）多进单出（MISO）：（4）多进多出发射机接收机反射物发射机接收机反射物发射机接收机反射物10、MIMO+OFDM技术关键设计：（1）发送分集（2）空间复用（3）接收分集和干扰消除（4）软译码（5）信道估计（6）同步（7）自适应调制和编码§3.2无线局域网数据链路层的关键技术MAC协议无线媒体访问控制技术组帧技术加入网络连接技术提供数据验证和保密技术1、以太网中的CSMA/CD原理设备发送数据设备监听网络检测活动检测活动等待继续监听发送停止发送等待随机时间等待继续监听没有没有有有一、媒体访问控制技术2、无线信道中的媒体访问控制技术（1）分布式协调功能（DCF）即CSMA/CA（2）点协调功能（PCF）物理层分布式协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)无竞争竞争MAC层3、分布式协调功能（DCF）（1）CSMA/CA原理图：时间时间时间源目的其他媒体空闲有帧要发SIFSPIFSDIFS发送第1帧SIFSACKSIFSPIFSDIFSNAV（媒体忙）争用窗口有帧要发推迟发送等待重试时间发送下一帧SIFS：ShortInter-FrameSpace，短帧间间隔，长度为28µs。用来分开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间从发送方式切换到接收方式。使用SIFS的帧类型有ACK帧、CTS帧、由过长的MAC帧分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧和在PCF中接入点AP发送的任何帧。PIFS：PointInter-FrameSpace，点协调功能帧间间隔，是为了开始使用PCF方式是优先获得发送权接入到媒体中。长度是SIFS加上一个时隙长度（50µs），即78µs。时隙长度：在一个基本服务集BSS内，当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测到信道已转变为忙态。类似于以太网中的51.2µs。DIFS：DistributeInter-FrameSpace，分布式协调功能帧间间隔，长度为PIFS再加一个时隙，为128µs。（2）原理解释：CS：载波监听，包含两个方面，物理层载波监听和MAC层虚拟载波监听。物理层监听：通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判断是否有其他的移动站在信道上发送数据。虚拟载波监听：让源站把它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他站在这一段时间都停止发送数据，这样大大减少了碰撞的机会。CA：冲突避免，当信道从忙态转为空闲，任何一个站要发送数据帧时，不仅必须等待一个DIFS的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。EIFS：SIFS+ACK时间。（3）流程图客户端希望发送数据网络分配矢量是否为0检测介质（信道评估）信道是否空闲数据帧开始发送是否发生冲突随机退避时间没有冲突发生正常传输数据是否是否是否（4）随机退避时间：退避窗口：0~22+i-1个时隙。Tbackoff=Random(0,CW)*aslottime当退避计时器的时间减少到0且信道空闲，就开始发送数据。也可能当退避计时器的时间还未减少到0，信道又转为忙，这时冻结退避计时器的数值，重新等待信道空闲，在经过DIFS后，继续启动退避计时器，这有利于继续启动退避计时器的站更早地接入到信道中。4、信道预约式CSMA/CARTS/CTS机制原理图时间时间时间源目的其他媒体空闲有帧要发SIFSPIFSDIFSRTSSIFSACKSIFSPIFSDIFSNAV（RTS)争用窗口等待重试时间发送下一帧CTSSIFS数据SIFS推迟发送NAV（CTS)NAV（DATA)CDBAE(1)A欲与B通信，发送一个RTS，包含这次通信的源地址、目的地址和这次通信持续的时间。RTSRTSRTSCDBAECTSCTSCTS(2)B若空闲，发送一个相应控制帧CTS，也包括这次通信所需的持续时间，从RTS中复制。(3)C处于