1、第2章 无线传输技术基础,内蒙古商贸职业学院计算机系 2010-2011第二学期 09网络一班、二班,内容提要,20 无线网络基础知识（相关概念与协议） 21 无线传输媒体 22 天线 23 传播方式 24 直线传输系统中的损伤 25 移动环境中的衰退 26 多普勒效应 27 信号编码技术 28 扩频技术 29 差错控制技术,无线局域网WLAN,无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频(RF)技术，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，也能够随需移动或变化。使得无线局域网络能利用简单的存取构架让用户透过它
2、，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。 无线局域网和有线网络的区别主要在于物理层和数据链路层。,2.0无线局域网相关概念,ISM频段 扩频技术 直序扩频DSSS 跳频扩频FHSS 正交频分复用技术OFDM 多入多出技术MIMO Wi-Fi WiMAX,WiMAX,WiMAX，又称IEEE802.16标准，或广带无线接入(Broadband Wireless Access，BWA)标准。它是一项无线城域网(WMAN)技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用于将802.11a无线接入热点连接到互联网，也可连结公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和DSL的无线扩展技
3、术，从而实现无线宽带接入。 WiMax的无线信号传输距离最远可达50公里，其网络覆盖面积是3G基站的10倍。,ISM频段,无线网络的工作频段，ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此频段( 2.42.4835GHz)主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会(FCC)所定义出来，属于Free License，并没有所谓使用授权的限制。,扩频技术,大多数的WLAN产品都使用了扩频技术。扩频技术原先是军事通讯领域中使用的宽带无线通信技术。使用扩频技术，能够使数据在无线传输中完整可靠。并且确保同时在不同频段传输的数据不会互
4、相干扰。 展频技术主要又分为跳频技术及直接序列两种方式。,直序扩频DSSS,所谓直接序列扩频，就是使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。,跳频扩频FHSS,跳频技术与直序扩频技术完全不同。跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率按随机规律不断改变频率。接收端的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致。 跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高，抗干扰的性能越好。移动通信GSM系统也是跳频系统。出于成本考虑，商用跳频系统跳速都较慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统实现简单，低速
5、WLAN常常采用此技术。,正交频分复用技术OFDM,OFDM（正交频分复用）是通过无线电波进行大量数字数据传输的 FDM 调节技术。OFDM 把无线信号分为多种小型的子信号，然后在接收器的不同频率中进行同步传输。802.11（WLAN）和802.16（WiMAX）技术便使用 OFDM 作为物理层的通讯标准。,多入多出技术MIMO,多入多出（MIMO）指的是在 WiFi 装置中使用多天线来改善性能和流通量。此技术利用了多路径的特征，当 A 点开始向外无线传输，然后通过多路径对表面或物体进行折射到达 B 点。MIMO 技术通过这些路径和使用多天线来收集和组织信号的接收。,Wi-Fi认证,由于无线技
6、术的多样性，各种无线设备互不兼容，为了解决该问题，厂商自发组成了非盈利组织Wi-Fi联盟。凡是通过其兼容性的测试产品，都被准予打上“Wi-Fi CERTIFIED”标记。我们在选购无线产品时，最好选购有Wi-Fi标记的产品，以保证产品之间的兼容性。,无线局域网的三大标准,美国IEEE（国际电气和电子工程师联合会） 802.11家族 欧洲ETSI(欧洲通信标准学会)高性能局域网HIPERLAN系列 日本ARIB(日本电波产业会)移动多媒体接入通信MMAC,IEEE 802.11系列,1990年，IEEE802标准化委员会成立，IEEE 802.11无线局域网（WLAN）标准工作组。 IEEE 8
7、02.11系列在MAC(媒体接入控制)层采用的是CSMA/CA(CA：Collision Avoidance，冲突避免)，这有别于传统以太网上的CSMA/CD(CD:Collision Detection，冲突检测)，,HiperLAN1/HiperLAN2标准,HiperLAN1发布于1996年，工作于5GHz频带，提供的数据速率最高可达25Mbps。整体上HiperLAN1与802.11b相当。 HiperLAN2发布于2000年，是HiperLAN1的第2代版本，对应于IEEE的802.11a，工作在5GHz频带，采用OFDM技术，支持最高数据速率为54Mbps。,MMAC标准,MMAC
8、多媒体无线接入系统目标是通过便携式可视电话和因特网获得信息。目前主要提供两类高速无线接入。第一类用于室内外宽带移动通信系统，用3-60GHz频段传输30Mbps的数据；第二类提供超高速WLAN室内接入，传输速率达到600Mbps，采用60GHz频率，即毫米波。但是这些系统不能提供大范围覆盖，也不能用于车辆业务环境，只能用于“热点地区”。研制出的毫米波样机可以演示60GHz的WLAN与ATM或100BASE以太网接口，其数据速率可以达到155Mbps。,802.11系列标准,802.11 802.11b 802.11a 802.11g 802.11e 802.11h 802.11i 802.11
9、n,802.11标准,802.11标准是IEEE于1997年推出的，它工作于2.4GHz频段，物理层采用红外、DSSS(直接序列扩频)或FSSS(跳频扩频)技术，共享数据速率最高可达2Mbps。它主要用于解决办公室局域网和校园网中用户终端的无线接入问题。 802.11的数据速率不能满足日益发展的业务需要，所以802.11标准很快被802.11b所取代。,802.11b标准,1999年9月，802.11b被正式批准。该标准规定WLAN工作频段为2.4GHz，数据传输速率达到11Mbit/s，传输距离控制在50150英尺。该标准是对802.11的一个补充，采用补偿编码键控调制方式，采用点对点模式和
10、基本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s的不同速率间自动切换，它改变了WLAN的设计状况，扩大了WLAN的应用领域。,802.11b已成为当前主流的WLAN标准，被多数厂商所采用，所推出的产品广泛应用于办公室、家庭、宾馆、车站、机场等众多场合。然而随着网络应用中视频、语音等关键数据传输需求越来越多，速率问题将会成为802.11b进一步发展的主要障碍。 802.11b使用的是ISM2.4GHz波段，而家用微波炉、蓝牙芯片和无绳电话（在北美）也都使用这个波段，所以相对802.11a而言，802.11b还面临着更多
11、的干扰源。 802.11b存在的安全问题也不容忽视，目前主要通过WEP加密协议来弥补这一缺陷，IEEE也正在开发另外一个标准802.11i来专门解决WLAN中的安全问题。,802.11a标准,802.11a工作于5GHz频带，它采用OFDM(正交频分复用)技术。802.11a支持的数据速率最高可达54Mbps或72Mbit/s，传输距离控制在10100m，支持多种业务如话音、数据和图像等，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 802.11a速率虽高，但和802.11b不兼容，并且5GHz并非免费频段，技术成本也比较高。,802.11g标准,802.11g是对802.11b的一种
12、高速物理层扩展，同802.11b一样，802.11g工作于2.4GHz ISM频带，但采用了OFDM技术，可以实现最高54Mbps的数据速率，与802.11a相当；并且较好地解决了WLAN与蓝牙的干扰问题。 802.11g可以和802.11b兼容。,IEEE 802.11a/b/g比较,IEEE 802.11a ：使用5GHz频段，传输速度54Mbps，与802.11b不兼容 IEEE 802.11b ：使用2.4GHz频段，传输速度11Mbps IEEE 802.11g ：使用2.4GHz频段，传输速度54Mbps，可向下兼容802.11b,802.11e标准,802.11e增强了802.1
13、1 MAC层，为WLAN应用提供了QoS支持能力。802.11e对MAC层的增强与802.11a、802.11b中对物理层的改进结合起来，就增强了整个系统的性能，扩大了802.11系统的应用范围，使得WLAN也能够传送语音、视频等应用。,802.11h标准,为了促进802.11a在欧洲的推广发展，与ETSI的HiperLAN/2竞争，IEEE又提出了802.11h标准，在802.11a基础上增加自动频率选择(DFS)和发送功率控制(TPC)功能，以适应802.11a在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。,802.11i标准,802.11i标准，就不能不提到802.1X标准。802.
14、1X标准完成于2001年，它是所有IEEE 802系列LAN(包括无线LAN)的整体安全体系架构，包括认证(EAP和Radius)和密钥管理功能。802.11i是对802.11 MAC层在安全性方面的增强，它与802.1X一起，为WLAN提供认证和安全机制。,802.11n标准,802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps提高到108Mbps，甚至高达500Mbps。这得益于将MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的MIMO OFDM技术，这个技术不但提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。,802.11f标准,80
15、2.11f标准定义了一套称之为IAPP(Inter-Access Point Protocol)的协议，以实现不同供应商的接入点AP间的互操作性。,802.11d标准,802.11d标准定义了一些物理层方面的要求(诸如信道化、跳频模式等)以适应802.11设备在一些国家应用时这些国家无线电管制上的特殊要求。,21 无线传输媒体,传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。 传输媒体可分为导向的(guided)和非导向的(unguided)两类。 对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。 非导向媒体的例子是大气和外层空间，它们提供了传输电磁波信号的手
16、段，但不引导它们的传播方向，这种传输形式通常称为无线传播(wireless transmission),电信用的电磁波频谱,感兴趣的3个频段,微波：1GHz100GHz，可实现高方向性的波束，而且非常适用于点对点的传输，也可用于卫星通信。 无线电广播频段：30MHz1GHz，适用于全向应用。 红外线频谱段：31011Hz21014Hz，适于本地应用，在有限的区域(如一个房间)内对于局部的点对点及多点应用非常有用。,211 地面微波,地面微波系统主要用于长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤，通过地面接力站中继。 用于建筑物之间的点对点线路。 常见的用于传输的频率范围为2GHz40GHz。频率越高，
17、可能的带宽就越宽，因此可能的数据传输速率也就越高。,典型的数字微波性能,地面微波（续1）,微波传输的主要损耗来源于衰减。 微波(以及无线电广播频段)的损耗公式微波的损耗随距离的平方而变化 损伤的另一个原因是干扰，随着微波应用的不断增多，传输区域重叠，干扰始终是一个威胁。因此，频带的分配需要严格控制。,地面微波（续2）,频率越高衰减越大，较高的微波频率对长途传输没有什么用处，但却非常适用于近距离传输。 频率越高，使用的天线就越小、越便宜。,212 卫星微波,通信卫星实际上一个微波接力站，用于将两个或多个称为地球站或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来。 卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上
18、行)上的传输信号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行)上将其发送出去。 卫星主要应用：电视广播、长途电话传输和个人用商业网络,卫星微波（续）,卫星传输的最佳频率范围为1GHz10GHz。 特点 卫星通信距离远，一个地面站发送到另一个地面站接收，约有1/4s传播延迟。在差控和流控方面，也带来一系列问题。 卫星微波是广播设施，许多站点可以向卫星发送信息，同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。,213 广播无线电波,广播无线电波是全向性的，不要求使用碟形天线，天线也无须严格地安装到一个精确地校准位置上。 无线电波(Radio) 是笼统术语，频率范围为3KHz300GHz。 非正式术语广播
19、无线电波(broadcast radio) 包括VHF频段和部分的UHF频段：30MHz1GHz。 广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。,214 红外线,红外线传输不能超过视线范围，距离短 红外线传输无法穿透墙体。微波系统中遇到的安全性和干扰问题在红外线传输中都不存在。 红外线不需要频率分配许可。,215 光波,频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导向光波。 提供非常高的带宽，成本也很低，相对容易安装，而且与微波不同，不要求FCC许可。 激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。 激光束不能穿透雨或者浓雾，白天太阳的热量是气流上升也会激光束产生偏差。,22 天线,天
20、线是实现无线传输最基本的设备。天线可看作一条电子导线或导线系统，该导线系统或用于将电磁能辐射到太空或用于将太空中的电磁能收集起来。,221 辐射模式,一个天线辐射出去的功率是全方位的，然而并非在所有方向上辐射出的功率都是相等的。描述天线性能特性的常用方法是辐射模式，它是作为空间协同函数的天线的辐射属性的图形化表示。,理想的辐射模式,222 天线类型,偶级天线 抛物反射天线,简单（偶级）天线,偶级天线散射模式,抛物线反射天线,223 天线增益,天线增益(antenna gain)是天线定向性的度量。与由理论的全向天线(各向同性天线)在各个方向所产生的输出相比，天线增益定义为在一特定方向上的功率输
21、出。天线增益与有效面积的关系：,23 传播方式,由天线辐射出去的信号以三种方式传播： 地波(ground wave)：地波传播或多或少要沿着地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视 的地平线 天波(sky wave)：天波信号可以通过多个跳跃，在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行 直线LOS(line of sight) ：当要传播的信号频率在30MHz以上时，天波与地波的传播方式均无法工作，通信必须用直线方式。,无线传播类型,24 直线传输系统中的损伤,衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion) 自由空间损耗(free spac
22、e loss) 噪声(noise) 大气吸收(atmospheric absorption) 多径(multi path) 折射(refraction),25 移动环境中的衰退,通信系统所面临的最具挑战性的技术问题是移动环境中的衰退现象。在移动环境中，两个天线中的一个相对于另一个在移动，各种障碍物的相对位置会随时间而改变，由此会产生比较复杂的传输结果。,反射(R)、散射(S)和衍射(D),存在随时间变化的多径脉冲中的两个脉冲,衰退类型,移动环境中的衰退效果可以分为快速或慢速 衰退效果也可以分为平面的或选择性的。 平面衰退(flat fading)或称非选择性的衰退，接收到的信号的所有频率成分同
23、时按相同的比例波动。 选择性衰退(selective fading)无线电信号的不同光谱成分的影响是不相等的。,差错补偿机制,1前向纠错 2自适应均衡 3分集技术,26 多普勒效应,多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的。 多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。假设原有波源的波长为，波速为c，观察者移动速度为v，当观察者走近波源时观察到的波源频率为(v+c)/，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为(v-c)/。,多普勒效应（续）,多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波
24、。 在无线移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以在移动通信中要充分考虑多普勒效应。 尤其是高速移动宽带接入网络(如IEEE802.20)必须考虑多普勒效应。,27 信号编码技术,2.7.1 数据、信号和传输的模拟与数字之分模拟(analog)和数字(digital)大致分别与连续(continuous)和离散(discrete)相对应 。数据、信号和传输经常使用这两个术语。 数据(data)定义为传达某种意义或信息的实体 信号(signal)是数据的电气或电磁表示 传输(transmission)是通过信号的传播和处理进行数据通信的过程,模拟数据和数字数据,模拟数
25、据在一段时间内具有连续的值，例如，声音和视频是连续变化的强度样本。 数字数据的值是离散的，例如文本和整数。,话音和音乐的声音频谱,模拟信号和数字信号,数据以电磁信号的方式从一点传播至另一点 模拟信号(analog signal)就是一个连续变化的电磁波，根据它的频率可以在多种类型的媒体上传播。如铜线媒体、光纤、无线空间 数字信号(digital signal)是一个电压脉冲序列，这些电压脉冲可以在铜线媒体上传输，不适宜直接在无线媒介中传播。,数字信号的优缺点,优点：通常比使用模拟信号便宜，且较少受噪声的干扰。 缺点：比模拟信号的衰减要严重,模拟数据和数字数据的模拟信号和数字信号,数据的信号表示
26、,数字数据，数字信号：比起将数字数据编码为模拟信号的设备来，将数字数据编码为数字信号的设备不那么复杂且不昂贵。 模拟数据，数字信号：将模拟数据转换为数字形式允许对模拟数据使用现代数字传输和交换设备。 数字数据，模拟信号：有些传输媒体，例如光纤和卫星只传输模拟信号。 模拟数据，模拟信号：模拟数据很容易被转换为模拟信号。,数据和信号,模拟传输和数字传输,模拟信号和数字信号都可以在适宜的传输媒体上传输，处理这些信号的方法是传输系统的功能 模拟传输(analog transmission)是传输模拟信号的方法，它不考虑信号的内容。 数字传输(digital transmission)与信号的内容有关,
27、信号的处理,272 信号编码准则,对任一给定的通信任务来说，选择一种特定的组合的理由是不同的，而后3种技术与无线通信密切相关，因为无线传输系统主要是采用模拟载波信号进行传输。 数字到模拟：数字数据和数字信号必须转换成模拟信号进行无线传输。 模拟到模拟：基带模拟信号，诸如话音或视频，通常都必须调制到高频的载波上进行传输。 模拟到数字：先于传输之前，通常将话音数字化后再在导向的或非导向的媒体上传输，这样可以改进传输质量并可利用TDM方式。对于无线传输来说，结果得到的数字信号必须调制到一个模拟载波上。,数据传输术语,信号编码准则（续）,决定接收器能够成功解释所收到信号的因素主要有：信噪比、数据率和带
28、宽。 编码机制也可以用来改进传输性能 编码机制是一种简单的从数据位到信号元素的映射关系。,2.7.3 数字数据与模拟信号,最常用的应用是通过公用电话网传输数字数据。 电话网并不适用于处理来自用户端的数字信号。 数字设备通过调制解调器与网络相连，调制解调器将数字数据转换成模拟信号，或将模拟信号转换成数字数据。 调制技术涉及对载波信号的3个特性(振幅、频率和相位)中的一个或多个特性的操作:幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK),数字数据调制为模拟信号,2.7.4 模拟数据与模拟信号,当数据已经是模拟形式时，调制的主要原因有两个： (1)为了实现有效的传输，可能需要较高的频率。对
29、于无导向传输，实际上是不可能直接传输基带信号的,需要使用的天线直径为几千米。 (2)调制允许使用频分复用技术，可以提高信道的利用率。 模拟数据的调制技术：调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。,2.7.5 模拟数据与数字信号,准确的说法是把模拟数据转变为数字数据的过程，称之为数字化(digitalization)。 一旦模拟数据转变成数字数据后，就可以进行很多的工作: (1)数字数据可以使用NRZ-L(不归零电平)。 (2)可以通过NRZ-L以外的其他编码技术将数字数据变成数字信号。 (3)通过调制技术，数字数据也可以转换成模拟信号。,模拟数据数字化,2.8 扩频技术,扩频技术最初是针对军
30、事和情报部门的需求而开发的。基本思想是将携带信息的信号扩展到较宽的带宽中，以加大干扰和窃听的难度。第一种扩频技术称为跳频(frequency hopping)，更新的一种技术是直接序列(direct sequence)。,扩频数字通信系统的一般模型,跳频扩频,在跳频扩频(frequency hopping spread spectrum，FHSS)中，信号用看似随机的无线电频率序列进行广播，并在固定间隔里从一个频率跳到另一个频率。而接收器在接收消息时，也和发送器同步地从一个频率跳到另一个频率。这样一来，原本打算窃听的人听到的只是无法识别的哗哗声，即使试图在某一频率上干扰，也只能抹去信号中很少的
31、几个位。,直接序列扩频,直接序列扩频(direct sequence spread spectrum，DSSS)，原始信号中的每一个位在传输信号中以多个位表示，此技术使用了扩展编码(spreading code)。这种扩展编码将信号扩展到更宽的频带范围上，而这个频带范围与使用的位数成正比。因此，一个10位的扩展编码能够在一个频带上将信号扩展至比1位扩展编码大10倍的带宽。码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)是一种基于DSSS的具有扩频功能的多路技术。,2.9 差错控制技术,无论传输系统如何设计，差错总会存在，它可能会导致传输的帧中有一个或多个位被改变，对于无线传输系统更是如此，为了保障可靠的数据传输，必须进行差错控制。,三种差错控制技术,差错检测码(error detection code) 差错纠错码(error correction code)，也称为前向纠错FEC(forward error correction)码 自动重发请求ARQ(automatic repeat request)协议。,
