物联网通信原理第4章 中远距离无线通信技术

目录

4.1 无线局域网（WLAN, Wireless LAN）

4.1.7 IEEE 802.11标准中的MAC子层（掌握）

1. IEEE 802.11 MAC帧格式

 2. MAC层工作原理（本章重点）

4.4 无线局域网的扩频传输技术

4.4.1 直接序列扩频（DSSS）（理解）

1. 直接扩频的基本原理

2. 扩频系统的伪随机码

3. 直扩系统的同步

4.4.2跳频扩频(FHSS)（理解）

1. 基本原理

2. 跳频系统的同步

4.4.3直接序列扩频和跳频技术性能比较（理解）

4.5 无线城域网WMAN

4.5.3 基于IEEE802. 16系列标准的WMAN技术WiMax

2. 基于IEEE802. 16系列标准的WMAN技术WiMax

3. WiMAX工作原理

4.5.4 WiMAX与WiFi的区别（了解）

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4.1 无线局域网（WLAN, Wireless LAN）

4.1.1概述

4.1.2无线局域网的技术要点

4.1.3无线局域网的组成

4.1.4无线局域网的拓扑结构

4.1.5无线LAN体系结构

4.1.6 IEEE 802.11标准中的物理层

4.1.7 IEEE 802.11标准中的MAC子层（掌握）

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的帧格式如图所示。

 无线局域网IEEE 802.11详细的数据链路层、物理层分层如图所示。

 2. MAC层工作原理（本章重点）

    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4-8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。

 图4-8 (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4-8 (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)。

无线信道由于传输条件特殊，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CSMA／CD技术，而只能使用CSMA。         

为了提高CSMA的效率，IEEE 802.11协议使用CSMA／CA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4-9来说明。图4-9 (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帧后就可发送其数据帧了。

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的信号)。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.

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20B和14B。而数据帧则长可达2346B，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。

 

虽然经过了精心设计，但冲突仍然会发生。如B和C同时向A发送RTS帧，两个RTS帧冲突后，A收不到正确的RTS帧，A不会发送后续的CTS帧。这时，B和C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4-10)。它又包括两个子层，下面的称为分布协调功能(Distributed Coordination 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；另一个称为点协调功能(Point 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。

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。为说明IFS的工作原理，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,看信道是否仍为空闲。如是,则立即发送数据。信道已经空闲了还要再等待一段时间的原因是3种不同数值的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IFS。若信道在时间IFS内仍为空闲，则按二进制指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。

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。

 

 从图4-11(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。    

图4-11(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。假定经过了一段时间信道就被占用。

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。

 

4.4 无线局域网的扩频传输技术

4.4.1 直接序列扩频（DSSS）（理解）

1. 直接扩频的基本原理

2. 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”数目基本相等，准确说“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(n级线性移位寄存器)的周期为N=2^n-1。

3. 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)（理解）

1. 基本原理

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

2. 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、 匹配滤波器法

 

4.4.3直接序列扩频和跳频技术性能比较（理解）

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。

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

4.5 无线城域网WMAN

4.5.3 基于IEEE802. 16系列标准的WMAN技术WiMax

802.16无线城域网服务范围示意图

1. IEEE 802. 16 系列标准

IEEE 802. 16 标准的研发初衷是在MAN 领域提供高性能的、工作于10～66GHz 频段的最后一公里宽带无线接入技术，正式名称是“固定宽带无线接入系统空中接口(Air Interface for Fixed BroadbandWireless Access Systems)”, 又称为IEEE WirelessMAN 空中接口。

主要包括空中接口标准：802. 16-2001(即通常所说的802.16 标准) 、802.16a 、802.16c、802.16d 与802.16e；共存问题标准：802.16.2-2001 、802.16.2a ；一致性标准：1802.16.1 、1802.16.2 。

起基础性作用的是空中接口IEEE802. 16 与802. 16a；

802. 16主要用于大业务量的业务接入，但由于设备成本高,其市场推广工作较迟缓。为了在业已广泛使用的11GHz 以下频带开发市场，而且由于这一频段范围的非视距特性较理想，树木与建筑物等对信号传输的影响较小，基站可直接安装于建筑物顶部而不需要架设高大的信号传输塔，且工作于2GHz 至11GHz 的系统基本上可以满足大多数宽带无线接入需求，因而更适于最后一公里接入领域。

IEEE于2003 年1 月29 日推出了运行于2～11GHz 的扩展版本标准—IEEE 802. 16a ，新标准可适用于特许频段和2. 4GHz、5. 8GHz 等无须许可的频段。

2. 基于IEEE802. 16系列标准的WMAN技术WiMax

WiMax 全称为World Interoperability for MicrowaveAccess，即全球微波接入互操作系统，其技术标准为IEEE 802. 16 系列。

WiMax采用IEEE 802. 16系列标准尤其是802. 16a，作为物理层及MAC 层技术，除最高可达百兆的速率外，WiMax 技术还可具备在2～66GHz频带范围内可利用所有需要或不需要许可的频带，以及确保服务质量(QoS) 等功能。

WiMax 设备通常由安装在建筑物上的基站或塔式基站和家庭或办公场所内的用户接入终端组成，用户在局域网内部可使用任意局域网技术传送语音、数据和多媒体信号,对外连接则通过定向天线向服务提供商的蜂窝塔发送信号在蜂窝塔接收基站接收到多个用户发来的信号后，进行处理(补偿信号失真和衰落等) 后，通过无线或有线信道将信号传送到满足802. 16 协议的交换中心,然后交换中心将数字信号流接入互联网或电话网进行传输。

3. WiMAX工作原理

非视线无线上网型服务

视线型服务

4.5.4 WiMAX与WiFi的区别（了解）

（1）传输范围分析

WiMAX的设计可以在需要执照的无线频段，或是公用的无线频段进行网络运作；WiFi的设计则只在公用频段中的2.4 GHz到5 GHZ之间工作

一般的WiMAX的传输功率大约100千瓦，所以WiFi的功率大约是WiMAX的一百万分之一

使用WiFi基地台一百万倍传输功率的WiMAX基地台，会有比WiFi终端更大的传输距离

（2）传输速度分析

虽然WiMAX声称最高速度每秒324Mbyte，然而最新的WiFi MIMO理论上也只有每秒108Mbyte的最高速度

（3）安全性分析

WiMAX使用的是与WiFi的WPA2标准相似的认证与加密方法。

其中的微小区别在于WiMAX的安全机制使用3DES或AES加密，然后再加上EAP，而WiFi的WPA2则是用典型的PEAP认证与AES加密。

（4）移动性分析

WiMAX标准之一802．16 e提供的主要是具有一定移动特性的宽带数据业务，面向的用户主要是笔记本终端和802．16 e终端持有者。

802．16 e为了获得较高的数据接入带宽(30 Mbit/s)，必然要牺牲覆盖和移动性，因此802．16 e在相当长的时间内将主要解决热点覆盖，网络可以提供部分的移动性。

在移动性方面WiFi技术也是支持的，但是不支持两个WiFi基地台之间的终端的切换。