无线网络.ppt

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。,2 无线信道,无线信道是一种较弱的媒体，易受噪声、干涉、屏蔽、多路等的影响，而且这些信道的障碍会因为用户的移动而随时间改变。无线系统使用大气层作为它们的传输媒体。无线信号通过尺度与信号波长大致相同的天线产生一系列足够的振幅来穿过传输媒体。我们主要考虑UHF和SHF两个频段，分别为0.33GHz和330GHZ范围。大多数陆地移动系统使用UHF频段，卫星系统主要使用SHF频段。传送信号在传送器和接收器之间有一个被削弱或阻塞的直路成分。传输信号的其它成分称为多路成分，它们被周围的物体反射、散射、衍射，到达接收器时，相对于直路信号，振幅、相位和时间都会发生变化。,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，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（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，通过正交或半正交扩展编码进行调制。,4.信道访问,4.1 多路访问通过正交编码的CDMA，接收器将所需的信号从其他的CDMA用户中分离出来，用户间没有干涉。而半正交扩展编码，用户间还存在残余干涉。直接序列扩频经常被用来生成半正交CDMA信号。FDMA是几种多路访问技术中最简单的。TDMA稍微复杂一点，它需要所有的用户间的时序保持同步。另外，TDMA中用户间的正交性会受到符号间干涉的影响。半正交CDMA是多路访问方法中最复杂的一种。,CDMA-码分多路访问,(a)4个移动站的二进制时间片序列(b)时间片序列的双极表示(c)个传输实例(d)站C的信号恢复过程,4.信道访问,4.2 随机访问在大多数无线数据网络中，只有一部分很少的、不可预知的以及时常变动的用户群会随时有数据发送。如果给每个用户分配专用信道会很低效，而随机分配信道对，则对信道的访问没有保证，因此需要一个随机访问协议。随机访问协议主要有两类：ALOHA技术和预留或按需分配协议。纯ALOHA在纯ALOHA中，无论何时有数据，发送器都马上往信道发送数据分组。这导致在接收端大量的数据发生冲突。发生冲突的分组必须在下一个时间内重发。ALOHA信道最大吞吐量（正确接收分组的速率）是数据速率的18%。,4.信道访问,4.2 随机访问时隙ALOHA如果将时间分成独立的时隙而且分组传输限制在这些预先决定好的时隙中，冲突发生会很少，因为这时没有分组重叠。这种对纯ALOHA的改进称为时隙ALOHA。时隙ALOHA的吞吐量是纯ALOHA的2倍。带载波监听的ALOHA(CSMA/CD)带载波监听的ALOHA一般使用于有线网络（如以太网），用来避免分组冲突。载波监听和冲突检测一般结合使用，但在无线信道中不是很有效率，原因是有通路损失。假定两个发送用户分别在一个接收器的两侧，虽然接收器也能正确的对两个用户发来的分组进行解码，但用户之间不能检测到对方发送的分组，因为两者距离太远了。隐藏站问题和暴露站问题检测不到冲突 检测到伪冲突,纯ALOHA,在纯 ALOHA中,帧的传输可以在任意时间进行。,纯ALOHA,阴影帧的冲突危险周期,纯ALOHA,ALOHA系统中吞吐率与帧流量之间的关系,隐藏站和暴露站问题,一个无线LAN(a)A 发送的情形，A是C的隐藏站，当C要向B发送数据时.(b)B发送的情形，B是C 的暴露站，当C要向D发送数据时.,4.信道访问,4.2 随机访问冲突避免（MACA）当前在无线局域网中使用的是冲突避免。在冲突避免中，当接收器接收一个分组时，广播一个“忙信号”通知所有邻近的发送器。需要发送分组的发送器在忙信号结束后等待一段随机的时间，然后发送分组。冲突避免显著增长了ALOHA的吞吐量。但其效率会受到忙信号的通路损失、屏蔽和多路衰减的影响。预留协议预留协议通过一个专用预留信道按需给用户分配信道。信道分配通过中央基站或通过运行于每个终端的公共算法。基于命令的分配对随机访问来说是一种非常有效的方法。但也会有一些问题，信道预留请求和分配过程中的一大堆的短消息初始化会加大网络开销。对于高负载系统的预留信道可能因为预留请求而拥塞。,MACA协议,(a)A 发送一个 RTS 给 B.(b)B 响应一个 CTS 给 A.,无冲突的协议（预留协议）,基本的位图协议,无冲突的协议（预留协议）,二进制倒计数协议,4.信道访问,4.2 随机访问分组预留多路访问(PRMA)分组预留多路访问是相对较新的随机访问技术，它结合了预留协议和ALOHA的优点。在PRMA中，时隙是分片的，每N个时隙组成一个帧，要发送分组的终端在每一帧中竞争空闲的时隙。一旦一个分组在一个时隙中被成功发送，在后继的帧中，只要这个用户有分组发送，这个时隙就预留给该用户。PRMA需要很少的中央控制，没有预留开销。,4.信道访问,4.3 频谱规则为保证共享访问信道的和谐，需要一定的频谱规则。WINForum协会定义了一系列使用2GHzPCS带宽的规则，已被FCC接受。60Hz频谱的分配也在考虑同样的规则。这些规则最关键的特点传输前监听以保证发送者是该频段的唯一用户，降低与其他用户发生干涉的可能性。限制传输时间使得其他用户能公平的使用这个频谱。限制发送器功率，避免与邻近频谱或远处复用该频谱的用户发生干涉。,5.网络设计,5.1 体系结构三种典型的网络体系结构：星型（中央Hub结构），自组织或对等结构以及层次或树形结构。层次结构通常只用于无线网络所跨越的有效覆盖范围之内。由于覆盖范围定义了整个网络的一个自然层次，因此层次式的网络结构以及相应的路由、用户定位协议适合于这种类型的系统。在对等体系结构中，节点利用分布式控制自配置成综合的网络，网络上任何两点之间的连接都是由一条或者多条对等通信链路构成。对等结构不需要现存的基础设施，易于重新配置，不存在单个节点的失败。,5.网络设计,5.1 体系结构由于星型结构从网络节点到中心Hub只有一条链路，因此它们易于预测，更加可靠。它的最大优势在于它对信道的估计、访问、路由以及资源分配的集中控制功能。采用对等结构的无线系统的例子包括分组无线网络和某些无线LAN。而星型结构则在蜂窝和寻呼系统中采用。,5.网络设计,5.2 移动管理移动管理包括两个相关功能：定位管理和呼叫路由。定位管理就是确定用户的物理位置，使得对该用户的呼叫能够路由到该位置。路由包括建立一条穿过网络的通路，在上面传送用户数据，并且随着用户位置的变化动态的重新配置该路径。蜂窝系统中，定位管理和路由通过基站或者中央移动电话交换局(MTSO)进行协调；而在Internet上，这些功能通过移动互联路由协议(移动IP)来处理。在蜂窝系统中，每个MTSO都维护两个数据库，一个是本地定位数据库，一个是访问者定位数据库。,5.网络设计,5.2 移动管理当在本地城市的移动单位打开手机时，该信号通过本地基站传给MTSO，MTSO先对移动用户的标识符进行认证，然后将其注册到本地定位数据库中。注册以后，任何给该用户的呼叫都有MTSO经过某一基站发送给他。当移动用户漫游到另一个城市时，打开手机将在访问城市的MTSO中进行注册。访问城市的MTSO接着向该用户的本地城市的MTSO发送一条消息，请求对该用户进行身份认证以及呼叫转移。进行认证后在用户的本地城市的MTSO中本地定位数据库中该用户的条目下加入访问城市的MTSO，然后发一确认消息给访问城市MTSO，这样该用户就注册到访问城市MTSO的访问定位数据库中了。MTSO也负责协调基站之间的转接，详细讨论见6.1。,5.网络设计,5.2 移动管理Internet上的定位管理和路由由移动IP协议处理。一个移动节点对应一个固定IP地址，当移动节点移动到另外一个网络上，即外部网络时，在本地网络上的路由器负责将IP数据报传递给这个移动节点，这个路由器叫做本地代理。有两种方式可以实现将数据报传送到在一个外部网络上的节点。第一种方式，移动节点按某种分配机制从这个外部网络上得到一个临时的转交地址，在本地代理上登记这个地址。当本地代理收到一个发往移动节点的IP数据报时，将转交地址作为目的地址来封装IP数据报进行转发。,5.网络设计,5.2 移动管理第二种方式是使用一个外部代理。外部代理是外部网络中移动节点可以访问的路由器，当移动节点移到这个外部网络时，在外部代理上登记并得到一个转交地址。外部代理将自己的地址发送给移动节点的本地代理，本地代理在收到发至移动节点的IP数据报时，先转发给外部代理，再由外部代理递交给移动节点。第一种方式不需要多个代理，但不是自动进行。,5.网络设计,5.3 网络可靠性无线网络中端到端的连接中至少经过一条无线链路。不同的链路差别很大。像TCP之类专为有线网络设计的协议在无线网络中工作得并不好。这是因为这些协议假定分组的丢失是由于拥塞引起，对策是降低发送速率。而在无线网络中，分组的丢失源于低的链路质量和间歇式的连接。无线信道具有低数据率、高BER，而且信道的随机特征很难保证和预测端到端的数据速率、延迟统计和分组丢失概率。由于无线信道的固有缺陷和随机变化，因此在无线网络中难以提供除尽力而为以外的其他业务。,5.网络设计,5.4 网际互联 为了将无线和有线网络进行网际互联，它们必须公用一通用的网络协议。我们知道，TCP在无线链路上操作有问题，主要是因为它采用拥塞控制响应分组延迟。然而，无线链路可能遭受到大的可变的延迟、偶尔出现的突发错误和由转接造成的间歇连接。这些问题TCP都难以解决。ATM虽然提供了某些应用所需的Qos保证，但是目前还不清楚在无线网络中能否达到和ATM中一样的Qos保证。,5.网络设计,5.5 安全与有线通信系统相比，无线通信系统具有更低的保密性，因为不需要任何物理分接就可以窃听无线链路，而且这种窃听不能被发射器或接收器检测到。安全问题可以划分为三个类别：网络安全、无线链路安全和硬件安全。网络安全包括欺诈访问的对抗措施和网络活动的监控以及端到端加密。无线链路安全主要防止无线信号窃听，确保用户位置信息的保密性；对军事应用则要抗干扰，提供概率低窃听和检测能力。硬件安全主要阻止移动终端在丢失或被盗窃后的欺诈性使用，同时用户数据库也应该防止未经授权的访问。,5.网络设计,5.6 无线网络设计的新模式由于无线链路的性能特征不仅差，还随着时间、网络拓扑和通信量发生变化，因此，要想实现一个好的端到端的无线网络性能，如果没有真正的优化、综合和自适应的网络设计是不可能的。为了优化网络性能，协议栈的每一层都必须以一种合适的方式适应无线链路的变化，同时考虑到其他层次的适应策略。因此，穿越协议栈所有层次的综合的自适应的设计是必需的。,5.网络设计,5.6 无线网络设计的新模式综合的自适应协议设计的两个问题：协议栈中每层采用什么性能度量单位，每层采用什么样的自适应策略才能更好地响应变化。最好的网络在整体设计时，需要在每层上同时考虑这两个问题。综合自适应协议设计同样需要基于层次的方法，因为网络变化发生在不同的时刻，一种协议能够适应整个网络变化在很大程度上是由它在协议栈中的位置决定的。每个协议层都要能适应本地下一层次的变化。这种综合的自适应网络设计方法应该作为网络设计的新模式。,6.今天的无线网络,6.1 蜂窝电话系统蜂窝系统的基本特征是频率复用，就是利用通路损失，在分离的区域内复用相同的频谱。蜂窝系统将覆盖区域划分为不重叠的单元，每个单元分配一个信道组。同一信道组也在一定距离之外的另一单元中使用。一个单元中的操作由一个中央基站控制，在不同的单元中的用户使用同一信道组引起的干涉成为单元间干涉(intercell interference)。为了控制单元间干涉，复用距离不能小于一个最小值。为了计算最佳复用距离和基站位置，需要知道单元内信号传播的准确特征，这些特征可以通过使用详细的分析模型、高级的计算机辅助模型和实验方法获得。,6.今天的无线网络,6.1 蜂窝电话系统基站一般建在高层建筑或山顶上，覆盖区域达数平方公里的大单元称为宏单元，宏单元中的基站需要很高的发射功率。蜂窝系统现在已发展到更小的单元，根据大小叫微单元或皮单元，基站接近到一个街道或一幢建筑物内，可以使用更小的发送功率。具有许多微单元的系统比只有一个宏单元的系统支持更多的用户。小单元也拥有较好的传播条件，因为低功率基站减轻了屏蔽和多路。一个城市中的所有基站通过一条高速链路与一个移动电话交换局(MTSO)相连。MTSO作为这个网络的一个中央控制器，为每个单元分配信道，并在移动用户经过单元边界时协调单元间的信号传递，路由移动用户与公用交换电话网(PTSN)之间的呼叫。,6.今天的无线网络,6.1 蜂窝电话系统当给定单元中的基站或移动终端检测到呼叫的接收信号功率接近最小阈值时，便会发起一个呼叫传递。蜂窝电话系统已经从模拟技术发展到数字技术。数字技术拥有许多优势，其组成部件相对更便宜、快速、小巧，而且功耗小。通过差错校验机制，使语音质量更好。同时，数字系统比模拟系统有更好的容量。有效的蜂窝设计都会受到干涉的限制，也就是说干涉支配着噪声最低值，否则会有更多的用户加入到系统中。任何试图减少蜂窝系统间干涉的技术都会直接导致容量和性能的提高。,蜂窝系统,(a)在相邻的单元，频率不会被重用(b)为了增加更多的用户，可以使用更小的单元.,6.今天的无线网络,6.2 无绳电话今天美国的数字无绳电话系统包括一个连接到基座的无线电话子机，基座连接到电话网络。这些无绳电话不会给网络带来复杂性。无线子机的移动需要严格的限制：它必须保持在基座的一定距离范围内。在欧洲和远东，第二代数字无绳电话(CT-2)已超过单一的居室和办公室的使用范围。注册到某一电话提供商的无绳电话可以随时发出呼叫，只要它在电话点的一定范围内。因为网络对移动用户没有路由支持，不能接受来自电话点的呼叫。,6.今天的无线网络,6.2 无绳电话主要为办公大楼设计的无绳电话的凌夷个发展是欧洲的DECT系统。DECT为在一个楼内的专用分组交换机(PBX)上的用户提供本地的移动支持。DECT的基单元分布于整个楼内，每个基站通过一个控制器与楼内的PBX相连。子机与楼内最近的基站通信，当用户在基站间移动时，呼叫被传递。最近的无绳电话系统设计中的发展是日本的个人手提电话系统(PHS)。PHS系统与蜂窝系统非常相似，基站的广泛分布支持基站间的传递和呼叫路由。PHS没有CT-2系统相同的限制。,6.今天的无线网络,6.3 无线局域网在美国，所有的无线局域网都使用一个ISM频带。这些频带位于900MHz、2.4GHz和5.8GHz，因为许多系统都使用这些频带，使得有大量的系统间干涉。FCC通过在ISM频带系统的每一个单元带宽上加上严格的功率限制，以减少干涉问题。最初的无线网是基于专有的和互不兼容的协议，大多数在900MHz的ISM频带上使用直接序列扩频，数据速率约12Mbps。星型结构和对等结构都被使用。第一代无线局域网只有Motorola的Altair是在900MHz的频带外工作。这个系统在有许可的18GHz频带工作，数据速率约6Mbps。但由于高成本和通路损失该系统已终止。,6.今天的无线网络,6.3 无线局域网因为世界上的大部分地方900MHz的ISM频带并不可用，所以新一代无线局域网在世界范围可在2.4GHz的ISM频带工作。这一频带上的无线局域网标准802.11标准已完成，避免了专有的第一代系统的一些问题，标准指定跳频扩频的数据速率为1.6Mbps，范围约为50英尺。网络结构可以为星型和对等结构。,802.11,协议栈的部分视图,802.11,(a)隐藏站问题.(b)暴露站问题.,802.11CSMA/CA(避免冲突的CSMA)协议,CSMA/CA中使用虚拟信道监听方法,802.11用分片解决噪声信道问题,一个分片串,802.11的帧间间隔,802.11帧结构,802.11 数据帧,6.今天的无线网络,6.4 广域无线数据服务广域无线数据服务为高移动性的用户在一个很大的区域内提供低速的无线数据传输。ARDIS和随机存储移动数据为美国的大多数城市提供无线数据服务。基站服务区域大，安装于高塔或山上，以很高的功率发送。使用ALOHA协议，通过载波侦听来减少随机访问冲突。数据速率达到19.2Kbps。另一个提供商是Metricom，结构与微单元系统相似。微单元增加的效率产生76Kbps的高数据速率。Metricom在900MHz的ISM频带使用跳频扩频，通过功率控制使干涉降至最小。蜂窝数字分组数据系统(CDPD)是一个覆盖模拟蜂窝电话网络的广域无线数据服务。CDPD共享了模拟系统中的FDMA语音信道。提供19.2Kbps的数据服务。,6.今天的无线网络,6.5 寻呼系统寻呼系统为广阔范围内的高移动性的用户提供低速率的单路数据服务。随着蜂窝系统的降价和普及，寻呼系统慢慢走入低谷。寻呼系统从许多高的基站或卫星上同时用很大的功率（几百瓦到几千瓦）广播一个简短的寻呼信息。在两种类型的系统中都不需要定位管理和路由功能，因为寻呼信息在整个范围内广播。寻呼发送器的高复杂性和高功率使得功耗小的袖珍寻呼接收机的电池能使用较长时间。,6.今天的无线网络,6.6 卫星网络卫星系统提供广泛的语音、数据、广播服务（通常是全球范围），与固定节点一样覆盖高移动性的用户。它们与蜂窝系统有同样的基本结构，不同的是基站是饶地球轨道运行的卫星。卫星按其轨道与地球的距离氛围：近地轨道(LEO)，中高轨道(MEO)和同步轨道(GEO)。地球同步卫星具有很大的覆盖区域，不随时间的变化而变化。轨道低的卫星其覆盖范围小，且随着时间变化而变化。当前卫星系统的趋势是使用较低的LEO轨道，这样轻巧的手提设备可以与卫星进行通信。现在较有名的新型LEO系统有Globalstar、Iridium和Teledesic。,通信卫星,基本的卫星频段,使用中心站(Hub)的VSAT,低轨道卫星Iridium,(a)Iridium 的卫星构成了条项链，覆盖了整个地球.(b)1628 个移动的蜂窝覆盖了地球.,Globalstar,(a)在太空中转发信号(b)在地面转发信号,6.今天的无线网络,6.7 其他无线系统和应用还有其他的许多商业系统使用无线技术。如，远程传感器网络，用于室内（设备检测、气候控制）或室外（地震监测、远程数据收集）应用中。在供车辆追踪与调度的卫星(OMNITRAC)中已获得了商业上的成功。卫星导航系统（全球定位系统，即GPS）也已广泛的使用。一种新的数字音频广播(DAB)的无线系统已被欧洲引进。,7.新的系统和标准,7.1 无线局域网未来的无线局域网主要有两个方向：HIPERLAN类型1和无线ATM。HIPERLAN(高性能无线局域网)已在欧洲发展起来，是一个适合各类用户的无线局域网标准系列。HIPERLAN系列的4个成员依次是类型1到4。HIPERLAN类型1与支持IEEE 802.11无线局域网标准的协议相似，HIPERLAN 类型2和类型3支持无线ATM。HIPERLAN 1在5GHz频段工作，在150英尺的范围内数据速率约为23Mbps，采用对等的网络结构，信道访问机制是ALOHA的一个变种。,7.新的系统和标准,7.1 无线局域网无线ATM是一个扩展标准，把ATM的能力扩展到无线本地访问和无线宽带服务，一个明显的难点是在无线介质上支持ATM的Qos保证。无线ATM标准有两个组成：无线访问技术和增强现有ATM协议支持移动终端。FCC最近将5GHz周围300MHz尚未分配的频谱分离出来，成为国家信息基础设施频带(NII)。这个分配为达到几十兆速率的无线局域网应用开放了一个很大的频谱范围。,7.新的系统和标准,7.2 无线自组网无线自组网(Ad hoc网)是由一组无线移动主机组成，是一个没有任何确定的基础设施或集中控制支持的临时网络。无线自组网最初起源于军方。无线自组网现在又正成为一个令人兴奋的热点，是因为新的应用和改进的技术。它们正被考虑应用到商业中。IEEE 802.11和HIPERLAN 1无线网络标准都在一个小区域内支持无线自组网，较大范围的网络正在开发中。自组网需要对等的结构，网络的拓扑结构依赖于不同用户的位置，且随时间而变化。任意两个移动主机间的端到端连接中可能包括多跳。在无先自组网中提供可靠高速的端到端通信是一个主要的技术难点。当前的研究集中于分布式路由。,7.新的系统和标准,7.3 IMT-2000国际移动电信2000(IMT-2000)是由ITU发起的世界范围的标准。IMT-2000是设计用来支持大范围的室内外服务，包括语音、高速和可变速率数据以及多媒体。现已有一个适合的一系列环境和应用的无线协议族来支持这些需求。这个协议族的目标是最大限度的大众化，同时维持适应不同环境和应用的灵活性。IMT-2000标准指定了本地的2Mbps的数据速率以及大范围内的384Kbps的速率。而且它们也支持持续流和分组数据。对分组数据支持是IMT-2000和数字蜂窝系统的最大区别。,7.新的系统和标准,7.4 高速数字蜂窝所有的数字蜂窝标准都在经历支持高速分组数据传输的努力。其目标是支持IMT-2000定义的广域范围内384Kbps的数据速率。GSM系统通过将所有的时隙集中提供给单一用户使数据速率高至100Kbps。支持384Kbps的努力，被称为GSM的增强数据服务(EDGE)，通过使用高水平调制和FEC编码来增加数据速率。IS-54和IS-136系统现在通过聚合时隙和高效调制技术提供4060Kbps的数据速率。这些TDMA标准通过集成到GSM EDGE标准中能提供384Kbps的速率。这个新的TDMA标准被称为IS-136HS(高速)。IS-95系统通过发展到IMT-2000中的宽带CDMA标准来支持更高的数据速率。,7.新的系统和标准,7.5 固定无线访问(宽带无线网络)固定无线访问在固定访问点和多种终端之间提供无线通信。这些系统最初是想支持家庭交互式视频的服务，但现在应用重点已转移到提供家庭和商业高速数据访问上（几十Mbps）。在美国，已分出两个频带用于这些系统：28GHz频谱的一部分分配给本地分布式系统（本地多点分布系统，即LMDS），在2GHz上的频谱分配给城域分布式系统（多信道多点分布服务，即MMDS）。,LDMS系统的结构,7.新的系统和标准,7.5 固定无线访问(宽带无线网络)802.16“固定宽带无线访问系统的空中接口”无线MAN或无线本地回路针对固定的建筑物提供服务，不处理移动问题运行在1066GHz的频带上(毫米波)定向波束，不存在多径传播问题,802.16 协议栈,802.16传输环境,802.16带宽分配方案,FDD：频分双工制TDD：时分双工制,时分双工制中的帧与时槽,802.16帧结构,一个通用的帧结构(b)一个带宽请求帧,7.新的系统和标准,7.6 HomeRF和蓝牙HomeRF是一个2GHz频带的家庭无线网络的RF标准。这个标准由Intel、HP、Microsoft、Compaq和IBM发起的，通过家中或附近不同的电子设备进行通信和Internet连接。HomeRF的数据速率规定为2Mbps，同时支持语音和数据，距离范围50m。蓝牙是短距离连接(小于10m)时无线设备间替代电缆的RF技术。其主要的应用是连接数字蜂窝电话、膝上型电脑、掌上电脑、便携式打印机和投影机、网络接入点和其他便携设备。蓝牙标准是由Ericsson、IBM、Nokia和Toshiba发起的。,蓝牙结构,两个微微网连接起来构成一个分散网,蓝牙协议栈,802.15版本的蓝牙协议结构,蓝牙帧结构,一个典型的数据帧,