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1、无线网络,课件制作人：范昭赋,1. 简介,1.1 无线网络的历史 1895年，Marconi在怀特岛与相距18英里的一艘拖船间实现了世界上第一次无线电传输，无线电通信由此诞生。 1915年，无线电与电话结合，第一次建立了纽约与旧金山之间的无线音频传输。 1946年，公用移动电话服务在横跨美国的25个城市率先使用。 60年代，蜂窝系统设计完成，并在80年代初期推广。 1971年，夏威夷大学建成了第一个分组无线网：Alohanet。 1985年，联邦通信委员会(FCC)规定了用于工业、科学和医药等公共用途的无线局域网络产品的频段(ISM)，促进了无线局域网在商业上的发展。 80年代中期，分组无线网
2、络通过DARPA的促进达到巅峰。并于90年代初，服务商利用分组无线网提供广域范围内的无线数据服务。,1. 简介,1.2 无线通信的前景 无线通信给世界上任何地方的移动设备之间提供高速、高质量的信息交换，这是21世纪的前景。 无线通信可根据应用、系统、覆盖范围等进行分类 应用包括语音、Internet连接、网页浏览、寻呼、短消息、用户信息交换、文件传输和视频远程会议等。不同的应用有不同的需求（比如数据传输速率和差错率等方面）。 系统包括蜂窝电话系统、无线局域网、广域无线数据系统和卫星系统。 覆盖范围包括建筑物内、校园内、城市内、地区直至全球。,1.简介,1.3 技术难点 移动终端的信号处理和通信
3、硬件的耗电量必须相当小。 处理功率不能太高。 无线频谱受管制，代价昂贵。 无线信道由于信号反射角的改变及衰减会产生随即抖动，可靠性保证困难。 网络资源有限。 无线和有线网络之间的差异很大，给它们的接口协议带来很多问题。 最明显的技术难题是设计过程本身的检查。无线网络需要一个集成的、灵活的协议栈贯穿从链路层到应用层的各层。,电磁频谱,无线传输,(a) 在 VLF, LF, 和 MF 频段, 无线电波沿地面传播 (b) 在HF 频段, 它们通过电离层反射.,美国的ISM频段,ISM频段的使用不需要经过FCC授权。 不同的国家ISM频段的位置也有所不同。 FCC强制所有在ISM频段上工作的设备都必须
4、使用扩频技术。,2. 无线信道,2.1 通路损失 通路损失是指在一条给定的传播路径上，接收到的功率与发送的功率之比。在理想空间模型中： PR (GRT)/(f2da) 其中，PR是接收功率，PT是发送功率，f是载波频率，d是传播距离，G是发送和接收天线的功率扩展，a=2，在实际传播环境中a的范围在2和4之间。 对任何通路损失模型，接收信噪比SNR=PR/N，N是噪声功率。无线信道的BER(二进制误码率)是其信噪比的一个函数。由于通路损失降低了SNR，限制了给定通信系统的数据速率和信号范围。,2. 无线信道,2.2 屏蔽衰减 发送器和接收器之间的传输路径被山丘、建筑物、家具、墙壁等障碍物阻碍而产
5、生的随即的信号变化称为屏蔽衰减(shadow fading)。受屏蔽衰减的接收信号的功率(单位为分贝)服从高斯分布。 2.3 多路平直衰减和符号间干涉 平直衰减是指接收信号功率在短时间内或距离上急剧波动的现象。这种衰减的引起是因为不同的多路信号成分在不同的时间到达接收器而产生的相长和相消的干涉。 当一个信道接收信号功率低于满足链路性能规范的要求时，我们称之为深度衰减。 在无线链路设计中，平直衰减牵涉两个问题：BER增长（增加功率，但很浪费）和错误突发（编码和交错）。 当不同的多路成分中被称为多路延迟扩展的路径延迟之间的最大差异超过一个比特时间时，叫做符号间干涉(ISI)。符号间干涉是一种自干涉
6、，也被称为频率选择衰减(frequency-selective fading)。如果一个信道的相干带宽(定义为多路延迟扩展的倒数)小于传输信号的带宽，这个信道就会出现频率选择衰减。,2. 无线信道,2.4 多普勒频移 发送器和接收器之间的相对运动引起的传送信号频率的一个偏移，称为多普勒频移(Doppler shift)。多普勒频移fD=v/l，v是发送器和接收器之间的相对速度，l是发送信号的波长。 2.5 干涉 无线信道中产生干涉的原因很多。在蜂窝系统中干涉的最主要因素是频率复用，这种干涉可以通过用户检测、定向天线、动态信道分配等方法解决。 产生干涉的其他因素包括邻近信道干涉、窄带干涉，前者是
7、因为邻近信道的信号成分超出了其分配的频率范围，后者产生的原因是由于其他系统中的用户使用同一频带。邻近信道干涉可通过在信道间加入保护频带解决，但会造成带宽浪费。窄带干涉可通过陷波滤波器或扩频技术（一般不用）。扩频允许多个用户共享同一带宽，可用于多路访问。,2. 无线信道,2.6 红外和无线电比较 红外的频率要远远高于无线电的频率，约为100GHz。长距离的红外传输需要很大的发射功率或很高的定向天线。有两种红外传输方式：定向和非定向。定向传输比非定向传输有更高的数据速率。 红外的频谱是不受管制的。红外系统不受无线电的影响。但红外不能穿透墙壁和其他不透明物体，因此只局限于其信号源所在的房间内。符号间
8、干涉是高速红外系统的主要问题，一般采用均衡法来消减符号间干涉。红外系统还会受到周围相近频率光线的影响。不适用于室外系统。 无线电仍占统治地位，无论是室内还是室外。,2. 无线信道,2.7 无线信道的容量 香农定理：在有高斯白噪声的通信信道中，给定带宽B的信道的最大可能数据传输速率为： R=Blog2(1+SNR)bps这里，SNR是接收信号的信噪比。香农容量是一个理论极限，在实际中不可能达到。 大多数的无线信道的香农容量是不可知的，它不仅依赖于信道本身，还取决于发送器或接收器能否跟踪信道的变化。 上面的香容容量简单公式适用于高斯白噪声的静态信道。对于无白噪声和具有符号间干涉的静态信道椰油其香农
9、容量。对于考虑屏蔽、信道速率改变、多路衰减和符号间干涉等的时变无线信道的容量计算相当困难。,3. 链路层设计,链路层设计的目标是在使用最小带宽和发送功率时提供低延迟、低比特错误率和高速数据传输速度。链路层设计必须具有衰减、屏蔽、多路和干涉的无线环境下获得良好性能。 3.1 调制技术 数字调制是把数字化信息的信号编码成发送信号的振幅、相位、频率的过程。通常，一种调制技术将一些比特编码成一个符号，符号的传输速度决定了发送信号的带宽。每个符号所带的比特越多，所需的SNR也越高。 数字调制分为线性调制和非线性调制。线性调制包括各种形式的正交调幅(QAM)和相移键控(PSK)，它比非线性调制使用更少的带
10、宽。非线性调制包括不同形式的频移键控(FSK)和最小相移键控(MSK)。 线性调制易受因多路平直衰减引起的振幅和相位起伏的影响，线性调制所使用的放大器也必须是线性的，线性放大器比非线性放大器要贵，而且低效。因此，线性调制的带宽效率是以昂贵的硬件花费、功率和衰减中高BER为代价的。 线性调制用于大多数的无线局域网产品中，非线性调制用语大多数的蜂窝系统和广域无线数据系统。,3. 链路层设计,3.2 信道编码和链路层重传 信道编码在传输比特流中加入附加比特，接收器用它来校正信道引起的错误。传统的前向纠错(FEC)编码是使用块或卷积码方法来产生冗余位。这些编码方案的纠错能力是以增加信号带宽或低数据速率
11、为代价的。 1993年发明的Turbo编码是一种复杂的编码方案，它结合一种编码的源比特流形式和一种或多种编码的源比特流的置换形式。但这种编码非常复杂且有大的延迟，对许多无线应用不太适合。 一种流行的无线系统中补偿信道错误的方法是实现链路层重传，使用自动重复请求(ARQ)协议。链路层重传是很浪费的，需要额外的功率和带宽，而且会与其他用户产生干涉，引起接收器的数据无序和重复确认，以及传输层端到端的重传，加重网络负担。虽然ARQ具有缺点，在应用中需要链路层的无差错分组传送，FEC是不够的，ARQ是唯一的选择。,3. 链路层设计,3.3 平直衰减的解决措施 由于多路平直衰减而引起的接收信号功率的随机变
12、化引起了链路上平均比特错误率的巨大增加。消除平直衰减可以明显降低达到目标BER的发送功率。 最常见的平直衰减消除方法有分集法、编码和交错以及自适应调制。 在分集法中，一些分离的、独立的衰减信号路径在发送器和接收器之间建立，从每条路径上接收到的信号被组合起来。因为独立的衰减路径遇到深度平直衰减的可能性很小。独立衰减路径可通过按时间、频率、空间和偏振对信号进行分离。空间分集是最有效的分集技术。 另外一种消除平直衰减的技术是编码和交错。一般来说，当信道处于深度平直衰减时，会引起突发比特错误。编码与交错的基本思想是将突发错误分散到多个码字中。如果相对于数据速率的衰减速度很慢的话，编码和交错的开销会很大
13、（增加延迟和复杂性）。 如果信道能被估算，且能把这个估算值发送回发送器，这样发送方案就能充分的适应信道条件。在自适应技术中，数据速率、功率和编码方案能适应信道衰减以使平均速率最大或使平均发送功率和比特错误率最小。如果信道变化太快，自适应技术的表现会很差。自适应技术也会同时增加发送器和接收器计算信道估计值和自适应传输的复杂性。,3. 链路层设计,3.4 符号间干涉的消除方法 消除符号间干涉的技术有两个：信号处理和天线解决。信号处理技术包括平衡、多路载波调制和扩频，它们可以在接收器端补偿符号间干涉，或降低符号间干涉对发送信号的影响。天线处理，包括定向电子束和智能天线，改变传播环境使得多路成分间的延
14、迟和由这些延迟产生的响应的符号间干涉降低。 零强制(zero forcing)方法是一种平衡技术，通过给接收信号增加一个有频率响应的线性平衡滤波器来逆转信道的影响。在线性零强制平衡中，噪声也同时通过逆转信道滤波器，在有低增益的信道频率处放大，从而会降低接收信噪比。 一个较好的线性平衡技术是使用最小化发送比特流与平衡器输出之间的均方差的平衡滤波器。这种线性平衡器叫做最小化均方差平衡器。 线性平衡器在信道频率响应中有高延迟或变动大的信道中性能很差。在这些信道中，非线性判定反馈平衡器(DFE)要比线性技术有效。DFE是从检测到的符号中确定符号间干涉(ISI)，并将其从引入的符号中减去。DFE不会受噪
15、声增强的影响，因为它是对信道进行估算，而不是使之逆转。其他形式的平衡方法有最大似然序列估计和Turbo平衡，两者的性能都要比DFE好，但都很复杂。,3. 链路层设计,3.4 符号间干涉的消除方法 多载波调制是另外一种减轻符号干涉的技术。它将传送带宽分为多个窄的子信道。因为子信道的带宽要比连续信道的带宽小，所以每个子信道的衰减都是平直的，无选频的，也消除了符号间干涉。实现多载波的最简单方法是正交子信道，称为正交频分多路复用(OFDM)。 扩频是将发送信号扩展到宽信号带宽上以减少平直衰减、符号干涉和窄带干涉的影响。扩频中，信息信号被一个宽带伪噪声(PN)信号所调制，结果发送信号的带宽要比原始信号大
16、的多。 现在有两种扩频方式：直接序列，其中的数据序列被PN序列所增加；跳频，在其中窄带信号“跳过”了基于PN序列的不同的载波频率。 减少符号间干涉还可以通过增加数据速率来实现。定向天线可以增加数据速率，还能大大减少蜂窝系统中天线范围外的用户干涉。可是，定向天线必须小心对准目标用户，而且方向随用户的移动而改变，这是发展可控天线的主要目标，这种天线成为智能或自适应天线(adaptive antenna)。,4. 信道访问,由于无线频谱的不足，在不同的应用中共享带宽的有效技术显的很必要。对于持续的传输（如视频和语音），一般分配专用信道，在专用信道中，共享带宽称为多路访问。对于突发性的数据传输，使用随机信道分配，使用随机信道分配来共享带宽，称为随机访问。 4.1 多路访问 多路访问技术通过带宽分割将专用信道划分给多个用户。划分频谱的方法包括频分(FDMA)、时分(TDMA)、码分(CDMA)以及这些方法的结合。在FDMA中，系统总带宽被划分为频率不重叠的正交信道，并将其分配给不同的用户。TDMA将时间划分为不重叠的时隙，并将其分配给不同的用户。在CDMA中时间和带宽同时被不同的用户使用，通过正
