物联网通信技术第4章 中远距离无线通信技术课件.ppt

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1、第4章 中远距离无线通信技术,无线局域网无线信道特性无线局域网的调制理论无线局域网的扩频传输技术无线城域网,4.1无线局域网,4.1.1概述无线局域网是利用射频(Ratlio Frequency，RF)无线信道或红外信道取代有线传输介质所构成的局域网络。WLAN的数据传输速率现在已经能够达到11Mbit/s(IEEE 802.11b)，最高速率可达54Mbit/s(IEEE 802.11a)，视不同情况传输距离可从10m10km，既可满足各类便携机的入网要求，也可作为传统有线LAN的补充手段。无线局域网多用于以下场合：(1) 无线接入网络信息系统，收发电子邮件、文件传输等。(2) 难于布线的环

2、境，如大楼内部布线以及楼宇之间的通信。(3) 频繁变化的环境，如医院、餐饮店、零售店等。 (4) 专门工程或高峰时间所需临时局域网，如会议中心、展览馆、休闲娱乐中心等。(5) 流动工作者需随时获得信息的区域。,4.1无线局域网,4.1.1概述与有线LAN相比，无线LAN具有以下主要优点：(1)由于无线LAN不需要布线，因此可以自由地放置终端，有效合理地利用办公室的空间。(2)无线LAN可作为有线LAN的无线延伸，也可用于有线LAN的无线互连。(3)便于笔记本式计算机的接入。人们可以用携带方便的笔记本式计算机自由访问无线LAN，传送有关数据。(4)不受场地限制，能迅速建立局域网。例如，大型展示会

3、、灾后网络恢复等需要短时间内建立一些临时局域网。(5)通过支持移动IP，实现移动计算机网络。,4.1无线局域网,4.1.2无线局域网的技术要点无线局域网主要有以下5个技术要点：(1)可靠性：有线局域网的误码率达10-9。无线信道特性差，应保证无线局域网的误码率尽可能低，否则大量检错重发的分组会使网络的实际吞吐量大大下降。实验数据表明，如系统分组丢失率10-5，或误码率10-8，可以保证较满意的网络性能。(2)兼容性：室内应用的局域网，应尽可能与现有的有线局域网兼容，现有的网络操作系统和网络软件应能在无线局域网上不加修改地正常运行。(3)数据传输速率：为了满足局域网的业务环境，无线局域网至少应具

4、备l Mbit/s的数据传输速率。,4.1无线局域网,4.1.2无线局域网的技术要点无线局域网主要有以下5个技术要点：(4)通信安全：无线局域网可在不同层次采取措施来保证通信的安全性。具体为：扩频、跳频无线传输技术本身使盗听者难以捕捉到有用的数据；为防止不同局域网间干扰与数据泄露，需采取网络隔离或设置网络认证措施；设置严密的用户口令及认证措施，防止非法用户入侵；设置用户可选的数据加密方案，数据包中的数据在发送到局域网之前要用软件或硬件的方法进行加密，只有拥有正确密钥的站点才可以读取这些数据，而即使信号被盗，盗窃者也难以理解其中的内容。(5)移动性：无线局域网中的网站分为全移动站与半移动站。全移

5、动站指在网络覆盖范围内该站可在移动状态下保持与网络的通信，例如，蜂窝电话网的移动站(手机)就是种全移动站。半移动站指在网络覆盖范围内网中的站可自由移动，但仅在静止状态下才能与网络通信。,4.1无线局域网,4.1.3无线局域网的组成无线局域网的基本构件有无线网卡和桥接器。 (1)无线网卡。无线网卡的作用类似于以太网卡，作为无线网络的接口，实现计算机与无线网络的连接。根据接口类型的不同，无线网卡分为3种类型：即PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡和USB无线网卡。PCMCIA无线网卡仅适用于笔记本式计算机，支持热插拔，可以非常方便地实现移动式无线接入。PCI无线网卡适用于普通的台式计算机。USB无

6、线网卡适用于笔记本式计算机和台式机，支持热插拔。,4.1无线局域网,4.1.3无线局域网的组成 (2)无线网桥。无线网桥也称无线网关、无线接入点或无线AP(Access Point)，可以起到以太网中的集线器的作用。无线AP有一个以太网接口，用于实现无线与有线的连接。任何一个装有无线网卡的计算机均可通过AP访问有线局域网络甚至广域网络资源。AP还具有网管功能，可对接有无线网卡的计算机进行控制。IEEE 802.11标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集(Basic Service Set，BSS)，一个BSS包括一个AP和若干个移动站。一个AP能够在几十至上百米的范围内连接多个无线用户，AP

7、通过标准接口，经由集线器(hub)、路由器(router)与因特网(Intemet)相连，如图5-1所示。,4.1无线局域网,4.1.3无线局域网的组成WLAN的基本服务集,4.1无线局域网,4.1.3无线局域网的组成当网络中增加一个无线AP之后，即可成倍地扩展网络覆盖半径。另外，也可使网络中容纳更多的网络设备。通常情况下，一个AP最多可以支持多达80台计算机的接入，推荐的数量为30台。一个扩展服务集(Extension Service Set，ESS)包括两个或更多的基本服务集，而这些基本服务集通过分配系统连接在一起。扩展服务集是一个在LLC子层上的逻辑局域网，如图5-2所示。IEEE 80

8、2.11标准还定义了3种类型的站。一种是仅在一个BSS内移动，另一种是在不同的BSS之间移动但仍在一个ESS之内移动，还有一种是在不同的ESS之间移动。,4.1无线局域网,4.1.3无线局域网的组成IEEE 802.11的扩展服务集,4.1无线局域网,4.1.4无线局域网的拓扑结构1) 无中心拓扑(对等式拓扑)无中心拓扑要求网中任意两点均可直接通信(见图5-3)，只要给每台计算机安装一块无线网卡，即可相互通信。无中心拓扑最多可连接256台计算机。采用这种结构的网络使用公用广播信道。而信道接入控制(MAC)协议多采用CSMA类型的多址接入协议。无中心拓扑无须中心站转接。这种方式的区域较小，但结构

9、简单，使用方便。无中心拓扑是一种点对点方案，网络中的计算机只能一对一互相传递信息，而不能同时进行多点访问。要实现与有线局域网的互连，必须借助接入点(AP)。,4.1无线局域网,4.1.4无线局域网的拓扑结构2) 单接入点方式AP相当于有线网络中的集线器。无线接入点可以连接周边的无线网络终端，形成星形网络结构。接入点负责频段管理及漫游等工作，同时AP通过以太网接口可以与有线网络相连，使整个无线网的终端能访问有线网络的资源，并可通过路由器访问Intemet。3) 多接入点方式多接入点方式又称为基本服务区(BSA)。当网络规模较大，超过了单个接入点的覆盖半径时，可以采用多个接入点分别与有线网络相连，

10、形成以有线网络为主干的多接入点的无线网络，所有无线终端可以通过就近的接入点接入网络，访问整个网络的资源，从而突破无线网覆盖半径的限制。,4.1无线局域网,4.1.4无线局域网的拓扑结构4) 多蜂窝漫游工作方式在较大范围部署无线网络时，可以配置多个接入点，组成微蜂窝系统。微蜂窝系统允许一个用户在不同的接入点覆盖区域内任意漫游。随着位置的变换，信号会由一个接入点自动切换到另外一个接入点。整个漫游过程对用户是透明的，虽然提供连接服务的接入点发生了切换，但用户的服务却不会被中断。一般来说，IEEE 802. 11b允许无线局域网使用任何现有有线网络上运行的应用程序或网络服务。,4.1无线局域网,4.1

11、.5无线LAN体系结构4.1.5.1 IEEE 802.11无线LAN标准1990年11月成立的IEEE 802.11委员会负责制定WLAN标准，1997年6月制定出全球第一个WLAN标准IEEE 802.11。IEEE 802.11规范了OSI的物理层和介质访问控制(MAC)层。物理层确定了数据传输的信号特征和调制方法，定义了3种不同的传输方式：红外线、直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)。MAC层利用CSMACA的方式共享无线介质。1999年8月，IEEE 802.11标准得到了进一步的完善和修订。还增加了两项高速的标准版本：IEEE 802.11b和IEEE 802.11a，它

12、们的主要差别在于MAC子层和物理层。,4.1无线局域网,4.1.5无线LAN体系结构4.1.5.1 IEEE 802.11无线LAN标准1IEEE 802.11b物理层采用DSSS和补偿编码键控(CCK)调制方式，工作在2.42.4835 GHz频段，每5 MHz一个载频，共14个频点，由于信道带宽是22 MHz，故实际同时使用的频点只有3个。速率最高可达11Mbits，根据实际情况可选用5.5 Mbits、2 Mbits和l Mbits，实际的工作速率在5 Mbits左右。IEEE 802.11b使用的是开放的2.4GHz频段，不需要申请就可使用。引进了冲突避免技术，从而避免了网络冲突的发生

13、，可以大幅度提高网络效率。CSMACA采用了MAC层确认机制，对帧丢失予以检测并重新发送。此外，为了进一步减少碰撞，收发结点在数据传输前可交换简短的控制帧，以完成信道占用时间确定等功能。,4.1无线局域网,4.1.5无线LAN体系结构4.1.5.1 IEEE 802.11无线LAN标准1IEEE 802.11bIEEE 802.11b的优点：(1) 速度：最高数据传输速率为11 Mbits，且不要求直线视距传播。(2) 动态速率转换：当信道特性变差时，可降低数据传输速率为5.5 Mbits、2 Mbits和1 Mbits。(3) 覆盖范围大：室外覆盖范同为300 m，室内最大为100 m。(4

14、) 可靠性：与以太网类似的连接协议和数据包确认提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。(5) 电源管理：网卡可转到休眠模式，AP将信息缓存，延长了笔记本电脑电池寿命。,4.1无线局域网,4.1.5无线LAN体系结构4.1.5.1 IEEE 802.11无线LAN标准1IEEE 802.11bIEEE 802.11b的优点：(6) 支持漫游：当用户在覆盖区移动时，在AP之间可实现无缝连接。(7) 加载平衡：当AP流量较拥挤，或信号质量降低时，可更改连接的AP，提高性能。(8) 可伸缩性：在有效使用范围中，最多可同时设置3个AP，支持上百个用户。(9) 同时支持语音和数据业务。(10) 安全性：采

15、用前面所讲安全措施，可以保障信息安全。,4.1无线局域网,4.1.5无线LAN体系结构4.1.5.1 IEEE 802.11无线LAN标准2IEEE 802.11aIEEE 802 .11a扩充了标准的物理层，工作在5 .155.25 GHz、5.255.35 GHz和5.7285.825 GHz等3个可选频段，采用QFSK调制方式，物理层可传送从654 Mbit/s的速率。IEEE 802.11a采用正交频分复用(OFDM)扩频技术，可提供25Mbit/s的无线ATM接口和10Mbit/s的以太网无线帧结构接口，支持语音、数据、图像业务。IEEE 802.11a满足室内、室外的各种应用。,4

16、.1无线局域网,4.1.5无线LAN体系结构4.1.5.1 IEEE 802.11无线LAN标准3IEEE 802 11g2001年，IEEE 802.11委员会又推出了候选标准IEEE 802.11g，它采用OFDM技术。IEEE 802.11g既能适应IEEE 802.11b标准，在2.4GHz提供11Mbit/s的数据传输速率，又同IEEE 802.11b兼容，也符合IEEE 802.11a标准在5GHz支持54Mbit/s的传输速率。IEEE 802.11g的优势在于既可以保护IEEE 802 .11b的投资，又能提供更高的速率。,4.1无线局域网,4.1.5无线LAN体系结构4.1.

17、5.1 IEEE 802.11无线LAN标准4酝酿中的IEEE 802.11新标准(1) IEEE 802.11d。它是IEEE 802.11b使用其他频率的版本。(2) IEEE 802.11e。增加了QoS(服务质量)能力。它采用TDMA方式取代类似Ethernet的MAC层，为重要的数据增加额外的纠错功能。(3) IEEE 802.11f。它的目的是改善IEEE 802.1l协议的切换机制，使用户能够在不同的无线信道或者在接入设备间漫游。(4) IEEE 802.11h。它能比IEEE 802.11a更好地控制发送功率和选择无线信道，与IEEE 802.11e一起可以适应欧洲更严格的标准

18、。(5) IEEE 802.11i。它的目的是提高lEEE 802.11的安全性。(6) IEEE 802.11j。它的作用是使IEEE 802.11a和HiperLAN 2网络能够互连。,4.1无线局域网,4.1.5无线LAN体系结构4.1.5.2 分层IEEE 802标准遵循ISOOSI参考模型的原则，确定最低两层物理层和数据链路层的功能，以及与网络层的接口服务、网络互连有关的高层功能。要注意的是，按OSI的观点，有关传输介质的规格和网络拓扑结构的说明应比物理层还低，但对局域网来说这两者至关重要，因而IEEE 802模型中包含了对两者详细的规定。无线局域网数据链路层分为两个子层，即介质访问

19、控制(MAC)和逻辑链路控制(LLC)。物理介质、介质访问控制方法等对网络层的影响在MAC子层已完全隐蔽起来了。数据链路层与介质访问无关的部分都集中在LLC子层。,4.1无线局域网,4.1.5无线LAN体系结构IEEE 802参考模型与OSl模型的比较,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层无线LAN的物理层又分为PLCP(Physical Layer Convergence Procedure，物理层会聚子层)与PMD(Physical Medium Dependent，物理介质依存)两个子层。PLCP子层将来自MAC子层的数据作为PLCP的业务数据单元(PSDU

20、)，加上PLCP的前导码(同步信号或帧起始信号)和PLCP帧头组成PLCP的协议数据单元(PPDU)，传送给PMD子层。PLCP的帧数据单元与PMD子层采用的媒体(无线电波或红外线)和传送方式(DSSS或FHSS)有关。PMD子层将PLCP的数据调制到2.4GHz频段的无线电波或850 nm的红外线，经天线发射出去。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层IEEE 802.11标准规定了物理层的3种实现方法。(1)跳频扩频 (Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS) 。使用2.4GHz的ISM频段(即2.42.4835GHz)，

21、共有79个信道可供跳频使用。第一个频道的中心频率为2.402 GHz以后每隔1 MHz一个信道。因此每个信道可使用的带宽为1 MHz。当使用二元高斯移频键控(GFSK)时，基本接入速率为1 Mbit/s；当使用四元GFSK时，接入速率为2 Mbit/s。(2) 直接序列扩频 (Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)。也使用2.4 GHz的ISM频段。当使用二元相对移相键控时，基本接入速率为1 Mbits：当使用四元相对移相键控时，接入速率为2 Mbits。(3) 红外技术 (Infrared，IR)。使用波长为850950nm的红外线在室内传送数据。其接入速

22、率为l2 Mbits。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层3种传输介质物理层规范如表5-1、表5-2所示。,4.1无线局域网,4.1.7 IEEE 802.11标准中的MAC子层4.1.7.1 IEEE 802.11 MAC帧格式,(1) 帧控制FC (Frame Control)：描述协议版本、帧类型 (如控制帧、数据帧或管理帧)。(2) 传送持续时间Dur(Duration)：在数据通道中预约的连续传输数据的时间。(3) 地址AD14：分别是BSSID(基本业务群识别符)、DA(目的地址)、SA(源地址)、TA (Transmitter Address，转发

23、地址)。(4) 顺序控制Seq (Sequence Control)：数据单元的序列号。(5) 帧校验序列FCS (Frame Check Sequence)：32bit CRC校验。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.1 IEEE 802.11 MAC帧格式在无线LAN中，为了进一步减小在各种环境下的数据碰撞概率，源端与目的端在传送数据之前要交换简短的控制帧，它们是发送请求RTS (Request To Send)和发送响应CTS (Clear To send)，RTS和CTS的帧格式如图5-6所示。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802

24、.11标准中的物理层4.1.7.1 IEEE 802.11 MAC帧格式无线局域网IEEE 802.11详细的数据链路层、物理层分层如图5-7所示。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理由于无线局域网具有其自身的特点，因此不能简单地使用有线局域网的协议。观察图5-8所示的无线局域网中的问题，图中有4个无线工作站，并假定无线电信号传播的范围只能达到相邻的站。,5.1无线局域网,5.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层5.1.7.2 MAC层工作原理图5-8 (a)表示站A向B发送数据。由于站C收不到A发送的信号，就错误地以为网

25、络上没有人发送数据，因而向B发送数据，结果B同时收到A和C发来的数据，发生了冲突。可见在无线局域网中，在发送数据前未检测到媒体上有其他信号还不能保证发送成功。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐藏站点问题(hidden station problem)。图5-8 (b)则是另一种情况。站B向A发送数据，而C又想和D通信。但C检测到媒体上有信号，于是就不向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据。这就是暴露站点问题(exposed station problem)。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理无线信道由于

26、传输条件特殊，造成信号强度的动态范围非常大。这就使发送站无法使用冲突检测的方法来确定是否发生了冲突。因此。无线局域网不能使用了CSMACD技术，而只能使用CSMA。为了提高CSMA的效率，IEEE 802.11协议使用CSMACA技术。这里CA表示冲突避免。这种协议实际上就是在发送数据帧之前先对信道进行预约，其原理可用图5-9来说明。图5-9 (a)表示站A在向B发送数据帧之前，先向B发送一个请求发送帧RTS在RTS帧中说明将要发送的数据帧的长度。B收到RTS帧后就向A响应一个允许发送帧CTS，在CTS帧中也附上A欲发送的数据帧的长度(从RTS帧中将此数据复制到CTS帧中)。A收到CTS帧后就

27、可发送其数据帧了。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理站C处于A的传输范围内，但不在B的传输范同内。因此C能够收到A发送的RTS帧，但经过一小段时间后，C不会收到B发送的CTS帧。这样，在A向B发送数据时，C也可以投送自己的数据而不会干扰B(C收不到B的信号表明B也收不到C的情号)。再观察站D，D收不到A发送的RTS帧，但能收到B发送的CTS帧。因此，D在B接收数据帧的时间内不发送数据，因而不会干扰B接收A发来的数据。至于站E，它能收到RTS和CTS帧，因此E在A发送数据帧的整个过程中不能发送数据。,4.1无线局域网,4.1.6

28、IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理使用RTS和CTS帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短，它们的长度分别为20 B和14 B。而数据帧则长可达2 346 B，相比之下的开销并不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多。虽然如此，协议还是设有3种情况供用户选择：一种是使用RTS和CTS帧；另一种是只有当数据帧的长度超过某一数值时，才使用RTS和CTS帧；还有一种是不使用RTS和CTS帧。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理虽然协议经过了精心设计

29、，但冲突仍然会发生。例如，B和C同时向A发送RTS帧。这两个RTS帧发生冲突后，使得A收不到正确的RTS帧。因而A就不会发送后续的CTS帧。这时，B和C像以太网发生冲突那样，算法也是使用二进制指数退避。各自随机地推迟一段时间后重新发送其RTS帧。为了尽量减少冲突，IEEE 802.11标准设计了独特MAC子层(见图5-10)。它又包括两个子层，下面的一个叫做分布协调功能(Distributed Coardination Function，DCF)。DCF在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供争用服务；另一个叫做点协调功能(Point

30、Coordination Function，PCF)。PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入点实现集中控制)，用类似于轮询方法将发送数据权轮流交给各个站，从而避免冲突的产生。对于时间敏感的业务，如话音，就应当使用点协调功能争用服务。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理为了尽量避免冲突，IEEE 802.11标准给出了3种不同的帧间间隔 (Interframe Space，IFS)，它们的长短各不相同。下面先给出只使用一种IFS时的CSMA介入算法。(1) 欲发送帧的站先监听信道。若发现信道空闲，则继续监听一段时间IFS,看信道是

31、否仍为空闲。如是,则立即发送数据。为什么信道已经空闲了还要再等待一段时间呢？这是因为3种不问数值的IFS可将不同类型的数据划分为不同的优先级，IFS值小的优先级高。这样做能够减小冲突的几率。(2) 若发现信道忙(无论是一开始就发现到，还是在后来的IFS时间内)，则继续监听信道，直到信道变为空闲。(3)一旦信道变为空闲，此站延迟另一个时间lFS。若信道在时间IFS内仍为空闲，则按数退避算法延迟段时间。只有当信道一直保持空闲时，该站才能发送数据。这样做可使在网络负荷很重的情况下，发生冲突的几率大为减小。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作

32、原理IEEE 802.11定义了以下3种不同的帧间间隔IFS：(1) SIFS，即短(Short)IFS，典型的数值只有10 us。(2) PIFS，即点协调功能IFS，比SIFS长，在PCF方式中轮询时使用。(3) DIFS，即分布协调功能IFS，是最长的IFS，典型数值为50us，在DCF方式中使用。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理从图5-11(a)可看出，当很多站都在监听信道时，使用SIFS可具有最高的优先级，因为它的时间间隔最短。SIFS用在以下场台：(1) 发送“确认帧ACK”。只要收到的不是多播帧或广播帧。就要向发

33、送方响应一个确认帧ACK。确认帧应当具有更高的优先级。当一个较长的ILC帧需要划分为多个MAC帧来发送时，发送方只要收到一个ACK就接着发送下一帧。确认帧使用SI帧可使发送方能够继续控制信道，直到整个ILC帧发送完毕。(2) 发送“允许发送帧CTS”。这样可保证原来发送“请求发送帧RTS”的站能够优先发送数据帧。所有收到CTS帧的站都要推迟发送自己的数据。(3) 发送轮询的应答帧。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理图5-11(b)表示PCF超帧(superframe)的结构。每一个超帧有一个固定的标称长度。一个超帧由一个无争用阶

34、段和一个争用阶段组成。假定时间敏感的业务首先占用了信道。轮询由点协调程序(point coordinator)进行集中控制，被轮询的站在应答时可使用SIFS。点协调程序收到应答后，继续使用PIFS询问下一个站，这样就可以一直占用信道。为了防止无限制地进行轮询，无争用阶段的长度必须是受限的，以便留一段时间给后面的争用阶段。我们假定经过了一段时间信道就被占用。,4.1无线局域网,4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层4.1.7.2 MAC层工作原理到了下一个超帧的开始，点协调程序就在物理媒介(PM)上争用信道。若信道空闲，则点协调程序立即接入信道。但信道也可能像图中那样处于忙状态。这时点

35、协调程序就等待，直到信道空闲时才能接入信道。在这种情况下，超帧的实际长度就缩短了。,4.2 无线信道特性,4.2.1 无线信道传播特性 在分析通信系统的性能时，通常以理想的加性高斯白噪声（AWGN）信道作为分析的基础。 在理想化（RF能量不被物体吸收或反射、大气层理想均匀且无吸收等）的自由空间中，RF能量的衰减和收、发端距离的平方倒数成正比，接收功率相比发射功率有一个衰减因子Lp(d)，称为路径损耗或自由空间损耗，表示为：,1、衰落信道分类,大尺度衰落表示由于在大范围内移动而引起的平均信号能量的减少或路径损耗，产生原因是收、发端之间地表轮廓（如高山、森林、建筑等）的影响，通常称接收机被这些突出

36、物“遮挡”了 小尺度衰落是指信号的幅值、相位的动态变化，这种变化是由于收、发端之间空间位置处理的微小变化引起的。,大尺度衰落,Okumura较早给出了无线移动应用中一些综合（包括天线高度、覆盖面积等） 的路径损耗数据的测量， Hata 根据Okumura的结果归纳出参数方程。一般来说，无论室内或室外无线信道的传输模型都表明：平均路径损耗是收发端距离d的函数，它与d、参考距离d0 关系为：,大尺度衰落,光滑平面上的电波传播如图4-13所示，接收信号功率为路径损耗,小尺度衰落,假设大尺度衰落m(t)的影响是个常数，多条散射路径中，每条对应一个时变传播时延和一个时变乘性因子。忽略噪声影响，接收到的带

37、通信号可表示为：从上式可得到接收信号的等效基带信号,4.2.2 无线局域网的信道,无线局域网将2.42.4835GHz频段划分为11或13个信道。当在无线AP无线信号覆盖范围内有两个以上的AP时，需要为每个AP设定不同的频段，以免共用信道发生冲突。而很多用户使用的无线设备的默认设置都是Channel为1，当两个以上的这样的无线AP设备相“遇”时冲突就在所难免。,4.2.2 无线局域网的信道,IEEE802.11b：采用2.4GHz频带，调制方法采用补偿码键控（CCK），共有“3”个不重叠的传输信道。传输速率能够从11Mbps自动降到5.5Mbps，或者根据直接序列扩频技术调整到2Mbps和1M

38、bpsIEEE802.11a：扩充了标准的物理层，规定该层使用5GHz的频带。该标准采用OFDM调制技术，共有“12”个非重叠的传输信道，传输速率范围为6Mbps-54Mbps。 IEEE802.11g：该标准共有“3”个不重叠的传输信道。虽然同样运行于2.4GHz，但向下兼容IEEE802.11b，而由于使用了与IEEE802.11a标准相同的调制方式OFDM（正交频分），因而能使无线局域网达到54Mbps的数据传输率。,4.2.2 无线局域网的信道,无论是IEEE802.11b还是IEEE802.11g标准其都只支持3个不重叠的传输信道信道，只有信道1、6、11或13是不冲突的，但使用信道

39、3的设备会干扰1和6，使用信道9的设备会干扰6和13。,4.3 WLAN调制理论,4.3.1调制方式的选择 在无线通信中基带调制是指采仅仅对基带信号的波形进行变换使它能够与信道特性相适应，在无线通信中基带调制通常采用脉冲进行调制 频带调制是指为了保证通信效果，克服远距离信号传输中的问题，将要发送的信号加载到高频信号的过程。数字信号三种最基本的调制方法是调幅、调频和调相，其他各种调制方法都是以上方法的改进或组合 正交频分复用调制（简称为OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 采用正交频分复用技术，是多载波调制的一种,4.3.2 WLAN中

40、的调制解调方式,1、补码键控（CCK）调制 CCK 调制方式是无线局域网802. 11b 和802. 11g 标准中的一个关键技术, 它是作为802. 11 标准中1 Mbps 和2Mbps 速率的高速扩展方式出现的。1998 年7月, 802. 11b 工作组首次采用了由Inter sil 公司和Lucent 公司建议的补码键控CCK 调制方案, 使得传输速率可以达到5.5 Mbps 和11 Mbps。,互补码,二进制互补码：一对长度相同的序列，在给定时间间隔内，一序列中相同元素对的数目与另一序列中不相同元素对的数目相同。 例如：码长n=8时，互补码序列为序列a：-1，-1，-1，1，1，1

41、，-1，1序列b：-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1,互补码,互补码序列的自相关序列用下式计算性质 802.11b中，利用互补码良好的自相关特性扩展信号的带宽可以获得扩频处理增益。扩展码字长度为8，码片速率Rc=11Mc/s，由8个CCK复码片组成一个符号，则符号速率为Rs=11/8=1.375Ms/s。码片速率和系统带宽与原始标准1Mb/s、2Mb/s一致，但数据速率提高到11Mb/s。,5.5Mb/s模式的CCK调制,输入分成4bit组d0，d1，d2，d3，按照下面的编码表生成1，2，3，4,5.5Mb/s模式的CCK调制,对于后面的数据双比特d2，d3, CCK按照下表对基本符

42、号进行编,5.5Mb/s模式的CCK调制,11Mb/s模式的CCK调制,输入分成8bit组d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7，按照表4-5和编码表4-6生成1，2，3，4 表4-5 输入数据与相位对应关系,11Mb/s模式的CCK调制,表4-6 DQPSK调制的相位取值,CCK的解调方案,2、分组二进制卷积编码（PBCC）调制,IEEE802.11g在2.4GHz频段上进行更高速率扩展。有两种可选模式：（1）CCK-OFDM（2）PBCC-22。后一种技术能够在2.4GHz频段提供22Mb/s的数据传输速率,3、OFDM调制,OFDM(Orthogonal Frequency Di

43、vision Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)多载波调制的一种将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。,4.脉冲位置调制,脉冲位置调制(Pulse Position Modulation, 简

44、称PPM)，是一种脉冲位置根据被调信号的变化而变化的调制方法，简称脉位调制 PPM的编解码方式一般是使用积分电路来实现的,4.脉冲位置调制,编码电路中模/数转换部分将电位器产生的模拟信息转换成一组数字脉冲信号。由于每个通道都由8个脉冲组成，再加上同步脉冲和校核脉冲，因此每个同通道包含了数十个脉冲信号。每一个通道都是由8个信号脉冲组成，其脉冲个数永远不变，只是脉冲的宽度不同。宽脉冲代表“1”，窄脉冲代表“0”。这样每个通道的脉冲就可用8位二进制数据来表示，共有256种变化。接收机经过数/模转换，将数字信号还原成模拟信号。由于在空中传播的是数字信号，其中包含的信号只代表两种宽度。这样，如果在此种编

45、码脉冲传送过程中产生了干扰脉冲，解码电路中的单片机就会自动将与“0”或“1”脉冲宽度不相同的干扰脉冲自动清除。如果干扰脉冲与“0”或“1”脉冲的宽度相似或干脆将“0”脉冲干扰加宽成“1”脉冲，解码电路的单片机也可以通过计数功能或检验校核码的方式，将其滤除或不予输出。,4.4 WLAN的扩频传输技术,扩展频谱技术：是指发送的信息被展宽到一个比信息带宽宽得多的频带上去，接收端通过相关接收，将其恢复到信息带宽的一种技术，这样的系统称之为扩展频谱系统或扩频系统。扩展频谱技术包括以下几种方式： 直接序列扩展频谱，简称直扩，记为DS （Direct Sequence）；跳频，记为FH（Frequency

46、Hopping） 跳时，记为TH（Time Hopping）,4.4.1直接序列扩频(DSSS),直接序列扩频(DSSS)是将要发送的信息用伪随机码(PN码)扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。 DSSS采用固定载波频率,直接扩频的基本原理,处理增益与干扰容限,在扩频系统中，传输信号在扩频和解扩的处理过程中，扩频系统的抗干扰性能得到提高，这种扩频处理得到的好处就称之为扩频系统的处理增益，用Gp表示，定义为接收机相关处理器输出信噪比与输入信噪比的比值 干扰容限：指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰功率比

47、信号功率高出的倍数,扩频系统的伪随机码,m序列是最长的线性移位寄存器序列 均衡性。在m序列的一个周期内，“1”和“0”的数目基本相等。准确的说，“1”的个数比“0”的个数多一个。 游程分布。一般来说，在m序列中，长度为1的游程占游程总数的1/2，长度为k的游程占游程总数的1/2k，在长度为k的游程中，连“1”和连“0”的游程各占一半。 移位相加性。m序列与其位移序列之和仍然是该m序列的另外一位移序列。 周期性。m序列的周期为N=2-1。,直扩系统的同步,直扩系统只有在完成伪随机码的同步后，才可能用同步的伪随机码对接收的扩频信号进行相关解扩，把扩频的宽带信号恢复成非扩频的窄带信号，以便从中将传送

48、的信息解调出来。 直扩系统的同步包括：伪随机码同步。只有完成伪随机码的同步后，才可能使相关解扩后的有用信号落入中频相关滤波器的通频带内。位同步。包括伪随机码的切普同步和传输信息的码元定时同步。帧同步。提取帧同步后，就可提取帧同步后面的信息。载波同步。直扩系统多采用相干检测，载波同步后，可为解调器提供同步载波，另一方面保证解扩后的信号落入信号中频频带内。,4.4.2跳频扩频(FHSS),FHSS是一种载频不断随机改变的扩频技术。载频的变化规律受一串伪随机码的控制,跳频系统的同步,跳频系统的同步:一般包括跳频图案的同步、帧同步、信息码元同步等 跳频同步主要有以下几种方法 精确时钟定时法 同步字头法

49、 匹配滤波器法,4.4.3直接序列扩频和跳频技术性能比较,1.抗强的定频干扰抗强的定频干扰，跳频系统比直扩系统优越。2.抗衰落抗频率选择性衰落，直扩系统优于跳频系统。3.抗多径干扰抗多径干扰，直扩系统优于跳频系统。4.“远-近”效应 “远-近”效应对直扩系统影响很大，对跳频系统的影响小得多。 5.同步两系统的同步实质是伪随机码的同步，直扩系统要求伪随机码同步的精度高，同步时间较长。跳频系统的伪随机码的速率较低，对同步的要求相对低，同步时间较短，入网也就快。,4.4.3直接序列扩频和跳频技术性能比较,6.通信安全保密性直扩系统和跳频系统都具有较强的保密功能。直扩系统的保密功能更强，同时由于信号的

50、谱密度很低，对其它系统的影响就很小。7.组网能力 直扩系统和跳频系统都具有很强的组网能力。 直扩系统和跳频系统的频谱利用率比单频单信道系统还要高。跳频系统的组网能力和频谱利用率略高于直扩系统。8.信号处理直扩系统一般采用相干解扩解调，其调制方式多采用PSK、DPSK、QPSK、MSK等调制方式；跳频系统多采用非相干解调，采用的调制方式多为FSK或ASK。从性能上看，直扩系统利用了频率和相位信息，性能优于跳频。从实现的角度看，由于相干检测需要载波恢复电路，在一些对设备要求严格的场合，比如移动通信，高的复杂性就难以满足系统的要求。,4.4.4混合扩频系统,FH/DS混合扩频系统原理框图,4.5 无