无线网络技术的发展现状与关键技术课件讲解学习

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1、2020/7/6,1,无线网络技术发展现状与关键技术,毛玉明，教授，博导,2020/7/6,2,个人简介,毛玉明（1956-）电子科技大学，教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴专家。 申请3 项国家发明专利、发表的高质量技术论文超过50 篇。 科研经历 863重点项目“无线移动自组织互连网技术及实验系统研制”，(2001AA12303) 863滚动项目“基于超短波信道的自组网关键技术研究” （2005AA123820） 863重大项目子课题“ 信息传输分系统研制”（2005AA121122） 863重大专项“动态频谱资源共享宽带无线通信系统验证网络开发”子课题 国家重大专项：“全IP宽带移

2、动网络架构及关键技术研究” 子课题 国家重大专项：“传感器网络总体研究及仿真平台”子课题 十五电子预研项目： “无线路由XX” 九五电子预研项目：“ 高速分组无线XX 系统” 八五电子预研项目：“XX 分组无线网” 获奖 国家科技进步二等奖 获信息产业部科技进步一、二、三等奖多次 中国高校科学技术一等奖 国防科学技术三等奖,2020/7/6,3,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,下一代WLAN,动态频谱共享网络,无线传感器技术,2020/7/6,4,WLAN定义：Wireless LAN，即无线局域网,WLAN技术概述,2020/7/6,6,WLAN频段,WLAN技术概述,20

3、20/7/6,7,IEEE802.11标准列表,WLAN技术概述,802.11n - 新一代高速率(600Mbps) WLAN,2020/7/6,8,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,无线宽带网络,下一代WLAN,无线传感器技术,2020/7/6,9,AP接入(基础模式）,WLAN组网技术,AP1,AP2,AP3,用户的无线接入 用户通过AP接入到网络 多个AP间的切换、漫游,组网技术特性 AP间的信道配置 用户的快速切换 用户安全认证,AP地址,源地址,目的地址,数据,三地址帧结构 (指定接入AP),关键技术,2020/7/6,10,AP网桥(桥接模式),WLAN组网技术,关

4、键技术,发送AP,源地址,目的地址,数据,接收AP,四地址帧结构 (标明AP网桥身份),AP实现LAN间的无线桥接,WLAN bridge,2020/7/6,11,WLAN组网技术,IP Gateway（路由模式）,关键技术,扩展WLAN组网功能IP Access DHCP： 内网地址分配 NAT： 出网地址转换 IP Route：网际访问路由 IP Auth： IP身份认证,WLAN Router,WLAN+IP access,2020/7/6,12,WLAN组网技术,Ad Hoc 网络(对等模式),关键技术,源地址,目的地址,数据,IEEE802.11仅定义了用户间经无线信道直接通信,Ad

5、 Hoc的主要难题： 需经中继转接才能实现的通信 用户终端间的自主协同、路由(自组织组网) 超出802.11 标准范围,两地址帧结构,2020/7/6,13,WLAN组网技术,基本组网方式与蜂窝网的差异,关键技术,信道,t,多站点竞争使用信道 信道利用率高 通信性能较差,业务信道,t,基站为用户分配使用信道 信道利用率不高 通信性能好,控制信道,不同通信体制,CSMA,FDMA(GSM) CDMA TD-SCDMA,CSMA,2020/7/6,14,WLAN信道访问技术,DCFCSMA/CA RTS/CTS: 消除“隐藏终端”潜在的竞争冲突 经典的冲突避免算法，具有不可撼动的地位 针对RTS/

6、CTS，国际上进行了大量研究 服务质量(QoS)问题：QoS保证能力过弱 公平性问题：存在不公平站点问题,关键技术,RTS,CTS,Data,ACK,发送方,接收方,NAV(RTS),NAV(CTS),其它站点,SIFS,推迟发送,竞争窗口,DIFS,SIFS: 短帧间间隔 DIFS：DCF帧间间隔 SIFS DIFS,2020/7/6,15,WLAN信道访问技术,针对RTS/CTS机制的研究(IEEE802.11e) EDCA技术：区分用户优先级，保障高优先用户QoS 高优先用户使用较短仲裁帧间间隔(AIFS)，可有效提升高优先级用户的性能 TXOP技术：在一次竞争后传输多个帧，可有效提高信

7、道吞吐率 IEEE802.11公平性问题 研究发现，TCP在WLAN上存在不公平性(或不稳定性) 有大量的论文讨论和试图解决这一问题,关键技术,优先级 AIFS 1 AIFS1 2 AIFS2 k AIFSk,2020/7/6,16,我们的研究,自适应p-坚持 CSMA算法(QDA-MAC) 改变估计各类业务数量的做法，采用直接估计信道负载情况，取得各类业务的发送概率，实现系统的整体优化。 提供业务区分服务，性能上和延时特性上都明显优于802.11e的EDCA CCSC：自适应信道拥塞感知控制算法 避免用户数量信息的计算难题，利用信道冲突程度信息实现参数优化，取得了与用户数量变化无关的、接近理

8、论最优的吞吐量性能。,QDA-MAC,CCSC,关键技术,2020/7/6,17,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,下一代WLAN,动态频谱共享网络,无线传感器技术,2020/7/6,18,WLAN的演进路线,标准IEEE 802.11n(2009) 最大信道速率600Mbps 我国新一代WLAN重大专项 信道速率超1Gbps的WLAN,应用前景 高速WLAN、宽带无线接入 无线Internet、无线视 3G/4G业务融合 ,2020/7/6,19,新一代WLAN新技术,OFDM 多正交子载波调制技术 高效频谱利用率 1016bits/Hz MIMO 多天线发送、单/多天线接收

9、 获取更高无线传输效益 信道聚合 多个信道合并使用 聚合多个频带传输资源 链路自适应编码 根据链路质量自适应选择信道调制与编码方式,MIMO框图,信道聚合,下一代WLAN,传输,调制,解调,无线信道,数据,数据,基站系统,OFDM框图,频带1,频带2,发送,接收,基站系统,600M,200M,链路自适应编码,2020/7/6,20,新一代WLAN面临的挑战,链路效率问题 理论分析证明，直接采用802.11链路技术，信道速率提升，链路速率高只能到达400Mbps左右 AP组网问题 AP合理竞争 3G/4G融合 严格的QoS保证,链路效率,2020/7/6,21,新一代WLAN面临的挑战,链路效率

10、问题 技术途径(802.11n) 帧聚合技术，提高有效传输时间比例 其它技术途径 握手与帧同传技术(专用握手子载波信道) 二维(时间、子载波)竞争技术,CTS,Frame,RTS,ACK,sifs,sifs,sifs,高速率使有效传输时间的比例严重降低,CTS,Frames,RTS,ACK,sifs,sifs,sifs,高速率下的802.11,帧聚合,RTS,Frame1,CTS,Frame3,RTS,CTS,Frame5,子载波,握手与帧同传技术,Frame1,Frame2,Frame3,Frame4,Frame5,Frame6,Frame7,冲突,冲突,二维竞争技术,2020/7/6,22

11、,新一代WLAN面临的挑战,AP组网问题 AP的竞争不合理性 AP采用与用户站点相同的竞争算法 承担更重的通信负担 技术途径 下一代WLAN中需解决的基本问题 目标：增大AP的竞争能力 算法：AP的特殊调度算法、信道优先控制权算法 正在探讨中，还未取得实质性进展,AP的通信量为R0 各用户的通信量ri,AP,R0 = ri,2020/7/6,23,与3G融合问题,市场层面需要解决的问题 移动数据业务与话音业务的差异性 数据传输能力与服务内容 技术层面需要解决的问题 计费问题 接入控制和认证及安全问题 从WLAN到基于分组交换网络的接入服务 网络间会话的联系性 从WLAN到基于电路交换网络的接入

12、服务,下一代WLAN,2020/7/6,24,新一代WLAN面临的挑战,与3G/4G融合问题 话音业务、电视业务等的QoS保障 实时性、时延抖动、吞吐量保障 数据业务(Internet 访问) 吞吐量尽力保障(BE, Best Effort) 技术途径 时间分配技术 子载波分配技术 混合分配技术,QoS 分配期,BE期,QoS 分配期,BE期,周期1,周期2,动态调整,QoS业务,BE业务,动态调整,QoS业务,BE业务,动态调整,QoS 分配期,BE期,QoS业务,QoS分配，保障3G/4G的实时业务服务质量 动态调整：自适应用户群的通信需求,竞争信道流量不稳定性,话音的稳定流量需求,时间分

13、配,子载波分配,混合分配,2020/7/6,25,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,下一代WLAN,动态频谱共享网络,无线传感器技术,2020/7/6,26,产生的背景,频谱资源相对匮乏与绝对浪费,A. Ghasemi, and E. S. Sousa, “Spectrum sensing in Cognitive Radio networks: requirements, challenges and design trade-offfs”, IEEE Communications Magazine, pp. 32-39, April 2008.,动态频谱共享网络,2020/

14、7/6,27,产生的背景,频谱利用的频率不均匀性,频谱利用的时间不均匀性,2020/7/6,28,基本原理,28,动态频谱共享网络,频谱,时间,具有自主环境自适应能力的智能无线通信系统。,利用授权用户空闲时的频谱资源，提高频谱资源利用率,非授权用户不拥有授权频谱资源,具有感知获取所处环境(频谱、用户)的能力 认知无线电,具有动态重组网络架构，适应所处环境的能力 软件无线电,不干扰授权用户对频谱的使用，与授权用户、其它频谱共享系统和平共处 频谱共享系统,2020/7/6,29,应用模式,模式1：优化接入 DyS2网络在进行决策时，将基于对非授权频段和授权频段的业务量评估，结合网络业务QoS需求，

15、动态选择接入的频段和接入的方式，实现性能的优化。 如果接入非授权频段，则对应于非中断的频谱资源共享；接入授权频段，则对应于可中断的频谱资源共享。,DyS2网络不拥有授权频谱资源。,29,动态频谱共享网络,2020/7/6,30,应用模式,模式2：频谱拓展 当由于业务量的增加，导致所拥有的频谱资源不足以满足业务需求时，DyS2通信网络通过感知、决策，通过择机的方式利用其它授权频段，或利用共享竞争的方式利用非授权频段，拓展频谱资源，以满足业务需求。 DyS2网络可以通过动态共享其它频段的频谱资源，在一段时间内提高网络的容量。,DyS2网络拥有授权频谱资源。,30,动态频谱共享网络,2020/7/6,31,应用模式,应用发展趋势,单频段接入 （TV频段）,多频段 接入,第一阶段,第二阶段,第三阶段,频谱共享程度,31,频谱二级市 场（租赁、拍 卖）,动态频谱共享网络,2020/7/6,32,发展趋势,32,动态频谱共享网络,2020/7/6,33,研究方向,33,动态频谱共享网络,2020/7/6,34,关键技术,频谱感知 频谱共享的应用基础 目标：较小的虚警概率，较短的检测时间、较高的检测概率。 感知技术 单节点感知、多节点协同感知、系统感知架构 单结点感知算法(针对目标频段) 快速粗检测：能量检测、特征值检测、