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1、,第三章 无线网络工作原理,3.1 无线网络拓扑 一 、无线网络拓扑: 无线网络基本拓扑结构有两种 基础结构集中式（中心辐射式）网络拓扑； ad hoc分布式拓扑。,1、基础结构网络拓扑： 1）基础结构网络结构：,2)特点： (1)所有设备间的通信都要通过接入点来实现。 (2)无线设备相互之间或与有线网络都可以通信。 (3)用于大的覆盖范围。 所有标准蜂窝移动电话和无线数据系统都支持基础结构网络拓扑）,2、 ad hoc网络拓扑 1) ad hoc网络结构：,ad hoc可用于重组网，无需设置基站设备。 网络内的任何两个终端不需要经过授权与认证就可以互相通信。 它不可以接入有线网络。 适用于在
2、移动或固定情况下快速部署无线网络。 ad hoc有两种结构形式 单跳对等网络：每一用户终端都具有直接与其他任何 一个用户终端通信的功能。 多跳ad hoc：受发射功率的限制网络内的用户只能和一部分终端通信，对于远距离的终端间的通信需要经过转接。即多跳的概念。（为此，要求无线节点除了具有通信能力之外还具有报文转发能力）,2)、特点： 地位等同：网络中所有节点的地位平等。组成的是对等式网络。 动态结构：网络没有固定的结构。 灵活性好：网络中的终端可以随时的加入和离开。 多跳路由：当节点与覆盖范围之外的工作节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发。 高可靠性。 自组织。,3、ad hoc网络拓扑与基础
3、网络拓扑的比较 可伸缩性： 在对等的单跳网络中，无线发送器和接收器的覆盖范围通常限制了网络的扩展，而且没有简单的方法可以用来扩展网络所能支持的覆盖范围或容量。 在多跳网络中，随着终端数量的增加，网络的潜在覆盖范围也相应增加，但是网络的流量处理能力仍保持不变。 无线基础结构网络本来就具有可伸缩能力。扩展无线基础结构网络的方法增加大量的BS或AP而且使用相同的频率。,灵活性 基础结构网络需要部署网络基础设施，十分的费时而且昂贵。 ad hoc网络最大的优势就是灵活性，可快速组网。 可控性 为了协调无线网络的正常工作，需要集中控制它的某些特性，如：时间同步、在确定区域工作的移动台发射功率等。 在基础
4、结构网络中，所有对这些特性的控制是在BS或AP实现。 ad hoc网络中，实现对这些特性的控制则需要更复杂的结构，要求改变所有的终端。,路由的复杂性 多跳网络中每个终端都可以发送信息给其他的终端。要具备这种能力需要每个终端都监视相邻的其他终端的存在，并且能够和他们连接。要做到这一点，就需要有一种路由算法可以发送信息给下一个合适的终端这些特性的实现增加了终端和网络工作的复杂性。 基础结构网络中和单跳对等网络中就不存在这个问题。,覆盖范围 在单跳对等网络中，两个终端的最大距离就是终端无线接口的覆盖范围。 在基础结构网络中，两个无线终端之间的通信是依靠一个AP或BS ，这两个终端的最大距离是单个无线
5、调制解调器范围的的2倍。因为他们可以位于BS或AP覆盖范围的边缘。 即基础结构网络两终端的最大距离是ad hoc网络中使用相同调制解调器的覆盖范围的2倍。,可靠性 固定结构网络是“单点破坏”网络。如果AP或BS失效，整个通信网络都会瘫痪。 ad hoc网络不存在这个问题 存储转发延时和介质使用效率 在单跳网络中，信息只传输一次，不存在存储转发过程 在基础结构中，数据传输两次，一次从信息源到BS/AP，另一次从BS/AP到目标。BS/AP会存储转发，增加了数据分组的延迟。 多跳ad hoc网络可能会有几次传输和几次存储转发延迟，这与当时拓扑和数据从源端到宿端所需要的跳数有关。,二、蜂窝拓扑结构
6、蜂窝拓扑结构是一种特殊的多基站网络基础结构，使用了频率复用概念，是大规模陆地无线网络和卫星无线网络中使用的主要拓扑形式。 蜂窝无线通信在传输中使用大量低功率的基站，每个基站只覆盖有限的区域，这样同样的频谱在指定的区域内就可以被复用。为此，增加基站就可以增加容量。,1、蜂窝概念 （1）蜂窝的基本原理： 是把覆盖区域分为大量相连的小区域，每个小区域有独立的无线基站。并以智能的方式进行信道分配。其中的小区域称为小区（cell）。一组小区组成区群。,小区：把整个服务区域划分为若干个无线小区（cell)，每个小区分别设置一个基站。 （半径2至20km，小的1至3km、500m。功率：5至20W） 区群
7、：由采用不同信道的若干小区组成的覆盖区域。 （由于干扰的存在，相邻的小区不能使用相同的频率，为此，把整个频带分成频率组，分配给区群中的小区使用 。位于同一个区群中的小区使用的频率是唯一的。） 频率复用：将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用。 要求：使用相同频率的小区（同频小区）之间干扰足够小，只有不同区群中的小区才能进行频率复用（或信道再用）。 区群大小或频率复用因子：区群中小区的数量,（2）蜂窝网形状 小区形状 正多边形无空隙、无重叠小区覆盖的三种形状。,在服务区域一定的情况下，用正六边形小区所需的基站最少 六边形最接近于全向的基站天线和自由空间的全向辐射模式,移动通信系统中广泛使用正
8、六边形来研究系统覆盖和业务需求,区群组成,S=K*N；S为信道总数，N为小区数。 组成：由采用不同信道组的若干小区组成。区群附近的若干小区不能用相同的信道。 应满足的两个条件： 区群之间可以相邻，且无空隙、无重叠覆盖； 保证各相邻的同频小区之间的距离相等。,区群内的小区数应满足条件：,为找到某一特定小区的相邻同频小区，按步骤： 1.沿着任何一条六边形的边移动i个小区； 2.逆时针旋转60度再移动j个小区。,i, j：非零正整数,典型的区群结构,相邻同频小区的位置,N=7,i=2，j=1,同频小区中心之间的距离,r：小区辐射半径；N： 小区数。 区群内小区数N越大，D越大，抗干扰强,但频率复用率
9、越低。,(3) 蜂窝结构中的两种重要的干扰 同频道干扰 不同区群的小区中使用相同频率产生的干扰。（使用相同频率组或信道组的小区称为同频道小区） 邻道干扰 在一个区群中的不同频率信道中由于旁瓣重叠而产生的干扰。,2、蜂窝的容量 在确定蜂窝容量之前，先看一个例子： （1）蜂窝拓扑的重要性 设：无线业务的可使用带宽为：25MHZ 语音通信每个用户需要的带宽为：30kHZ 使用单个天线覆盖整个城市，同时支持的用户数是： 25MHZ/30kHZ=833户。 采用蜂窝技术，设置20个低功率天线，分为5个区群， 每个区群4个小区。,具体的频率划分方式为： 可用频带分成4部分，每个小区分配一部分， 则每个小区
10、分配到的频谱为：25/4=6.25MHZ 每个小区支持的用户数为：6.25MHZ/30kHZ=208户 每个区群的用户数为：208*4=832户 5个区群的用户数为：832*5=4160户 采用蜂窝技术使得系统容量是单个天线的5倍。,（2）蜂窝容量的计算公式：,其中： n：蜂窝的容量（网络支持的用户数） m：覆盖区域的小区数目。 W：可用的总频谱 B：每个用户需要的带宽 N：频率复用因子（每个区群含有的小区数量） 增加容量的方法：增加小区的数量 ，减小频率复用因子。,优点 小区数量越多，容量就越大，手持终端的尺寸就越小。 缺点 用于互联小区的网络基础结构的部署成本和时间就会增加，并且随着小区尺
11、寸的减小，越区切换的次数也会增加。 为此，设计一个蜂窝拓扑需要权衡所有因素的利弊，下面给出在蜂窝网络建设中需要解决的问题：,（3）蜂窝网络需要解决的技术问题： （作为自学内容，要求给出其中一种的解决方案） 针对不同的无线传播技术选择一种频率复用因子 b) 物理部署和无线覆盖模型 c) 解决网络增长的计划 d) 分析容量、小区尺寸和基础结构成本间的关系,3、蜂窝层次结构 在现代蜂窝网络部署中，一系列不同大小的小区被 用来提供全面的覆盖以支持不同地区的流量波动，并支 持各种不同的应用。小区进行分级的一种方法是定义如 下小区尺寸： （1）毫微微小区：这是蜂窝分级中最小的单元，覆盖范 围几米，用于连接个人设备。 （2）微微小区：支持本地室内网络（WLAN），覆盖范 围在几十米。 （3）微小区：用于城市地区支持PCS ，覆盖范围几百 米，天线高度低于沿街两岸的建筑物。 （4）宏小区：用于覆盖大城市区域，覆盖范围几公里。 （5）大小区：用于覆盖全国性的区域，覆盖范围几百公 里，主要用在卫星通信方面。,无线网络的新技术及发展方向的探讨 WLAN的相关技术分析及应用 无线Mesh网络技术研究 TD-LTE技术分析及研究 Wi-Fi无线互联网及物联网应用技术 Zigbee 技术研究,无线网络讨论专题,
