（生物医学工程专业论文）无线局域网中正交频分复用技术研究.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e nt h eh i g hs p e e dd a t aa r et r a n s m i t t e di nw i r e l e ssc h a n n e l t h ei n te rs y m b o li n t e r r u p t i o n ( i s i ) a n di n t e rc h a n n e li n t e r r u p t i n g ( i c i ) w i l lh a p p e nb e t w e e nt h e c h a n n e lsb e c a u s eo ft h ee f f e c to f m u l t i - p a t h t r a n s m is s i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v is i o n m u l ti p l e x i n g ( o f d m ) i sav e r ys t r o n gm e t h o dt 0o v e r c o m et h ei n t e r s y m b 0 1i n t e r r u p t i o na n dt h ei n t e rc h a n n e li n t e r r u p t i o n a tp r e s e n t i th a sb e e nre s e a r c h e de x t e n s i v e l ya n da d o p t e db ys e v e r a lw i r e l e s s s t a n d a r d s ，i e e e 8 0 2 1 1 s t a n d a r do r g a n iz a t i o nh a ss e l e c t e do f d ma s t h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) s t a n d a r do f 5 g h zp h y s ic a l l a y e r t h ea i mo ft h isp a p e ris t 0d os o m er es e a r c ho ns o m ep r o b l e m s h a p p e n i n gi nt h ea p p l i c a t i o no fo f d m b a s e dw l a nw h e no f d m isu s e d a sam o d u l a t i o nte c h n 0 1 0 9 y ，c o m b i n i n g w i t hs o m ea l g o r i t h m sa n d s c h e m e sw h ic hp r o d u c e db yt h ep a p e rd o m e s t i ea n do v e r s e a ，t a k i n g t h em e a s u r eo fs i m u l a t i o n ，t h ep r o b l e m s s u c ha sp e a kt 0a v e r a g e p o w e rr a te ( p a p r ) a n ds y n c h r o n i z a t i o nw h ic hh a v i n gb e e np a l dm u c h m o r ea t t e n t i o ni no f d ms y s t e m a r ed is c u s s e d a t p r e s e n tt h ep r i m a r yp r o b l e m sw h i c h1 i m i tt h ea p p l ic a t i o n o fo f i ma r ep a p ra n ds y n c h r o n i z a t i o n o nt h eb a s i so ft h es c h e m e s p r o d u c e db yt h ef o r m e rs c h o l a r s ，t h i sp a p e rh a sg a v ea n o t h e rn e w p e p rd e c r e a s es c h e m es ，w h i c h i m p r o v e d t h eo r i g i n a lp e r f o r m a n c e 珏 a b s t r a c t a tt h es a m e t i m e ，a c c o r d i n g t 0t h en e w s y n e h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mp u tf o r w a r db ys o m e1 i t e r a t u r e s t h isp a p e rh a sd is c u s s e d t h eb i te r r o rr a tei 1 1t h e0 f d ms y s t e ma n dg o tt h em u c h1 i k er e s u l t a st h et h e o r yb ys i m u l a t i o n o f d misc a l l e dt h ef o r t hg e n e r a t i o nc o m m u n ic a t i o ns t a n d a r d i tw i l lb ece r t a i n l yp a i dm o r ea t t e n t i o ni n t h ef u t u r ea n db r i n g g r e a t e f f e c to np e o p le li v e s k e y w o r d s ：o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k i n te r s y m b o li n t e r r u p t i o n p e a kt 0a v e r a g ep o w e rr a t e i l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名摩霉 日期：加。争年f 月勺日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密吼 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：奄 导师签名： 日期：z 。中年6 月f w f 日期：弘p p 年衫月1 7 日 第一章绪论 当高速宽带数据在无线信道上传输时，由于多径传播的影响，信道 会产生符号间干扰( i s i ) ，正交频分复用( o f d m ) 技术的思想就是把一 个高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流以并行方式在多个子 信道上传输，这样在每个子信道上，符号持续时间比信道的最大延迟小， 从而可以消除i s i 。目前它已经广泛被研究而且被几个无线标准所采纳。 o f d m 是一种多载波调制技术，其应用可以追溯到2 0 世纪6 0 年代 主要用于军事高频通信系统，但结构非常复杂而限制了其进一步推广， 直到7 0 年代，人们提出另外采用离散傅立叶变换实现多个载波的调制， 简化了系统结构，才使得o f d m 更趋于实用化。1 0 0 5 年欧洲电信标准委员 会( e t s i ) 将o f d m 作为传输数字音频广播( d a b ) 的调制方式，1 9 9 9 年 i e e e 将o f d m 作为其无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l a 的物理层调制标准。 o f d m 技术虽然具有很多优点，被认同为是第四代移动通信的核心技 术，但也存在一些固有的缺点，其主要有o f d m 信号的包络变化剧烈，一 般采用峰值功率与平均功率的比值( p a p r ) 来衡量信号的包络性，因为 o f d m 是一种多载波技术，由很多j 下交的子载波叠加而成，输出信号的包 络起伏很大，当载波数目比较大时，o f d m 信号具有类似高斯噪声的特性 有很高的p a p r 。如果对o f d m 信号进行非线性放大，又会使o f d m 信号产 生比较大的失真，引起比较大的功率谱带外分量，并且接收端误码率上 升，另外o f d m 对同步误差十分敏感，o f d m 信号的调解是通过f f t 变换实 现的，要求各个载波之间保持正交，才能解调得到每一路的数据，当存 在同步误差时，各子载波之间的正交性将受到破坏，引起严重的载波间 竺壹堡兰叁兰三堂堡主兰垡笙苎 干扰( i c i ) ，每一个子载波上的数据都将受到其余多个子载波上数据的干 扰，解调性能迅速恶化。与单载波系统相比，o f d m 对同步误差敏感得多， 接收端需要与发送端保持精确的同步。所以，降低o f d m 的p a p r 和同步 技术成为o f d m 的两大关键技术，这两大技术解决了，o f d m 所具有的优点 就会得到充分体现。 目前对p a p r 问题的研究大致有以下几种解决方法： 1 信号失真技术，通过在o f d m 信号的峰值附近进行非线性失真，以 达到减小峰值幅度的目的。如削减、峰值开窗等。 2 编码技术，通过设计特殊的前向纠错码组，使得产生的o f d m 符号 的p a p r 比较小，目前受关注的是一种叫补充序列前向纠错编码技术。 3 顶部压缩技术，通过压缩p a p r 的同时减少频谱损失来降低p a p r 。 4 编码、限幅方案，其p a p r 压缩性能依赖于限制的程度。 在文献 3 中，w i l k i n s o n 和j o n e s 提出了一种只采用最低p a p r 帧的 方案，例如，在4 - b p s k o f d m 中，一个o f d m 帧由4 个b p s k 符号组成， 这样一共有1 6 个( 2 的四次方) 不同的符号帧，四个帧的p a p r 为6 o d b ， 四个帧的p a p r 为3 7 d b 以及其他8 个帧的p a p r 为2 5 d b ，这种方案仅采 用p a p r 为2 5 d b 的8 个帧来避免高p a p r 。文献 4 中提出了一种先进的 块状编码技术，但是这种技术在调制时有一定的编码增益，在p a p r 压缩 时，如果载波数量很大，会导致编码率降低。文献 5 提到另外一种算法， 这种算法是在o f d m 符号中产生低的p a p r ，一个o f d m 帧a ( n ) ( 其中n = l ， 2 ，d ) 被分成几个块，同时在每个块中符号的相在i d f t 变换得到最 低p a p r 之前被旋转，每个块中最初几个符号不是数据符号而是用来调制 的块的旋转相，这种最优化算法是通过找到旋转相的最佳值来减少p a p r ， 2 绪论 可以应用到任何数量的子载波。文献 6 提出了选择映射方法( s l m ) ，其 基本思想是用d 个独立统计的向量s ，s ：，s 3 ，去代表相同的信息，然后再 让这d 个向量同时进行i f f t ，得到o f d m 符号的离散向量x ，x ：，x ，x 。， 然后再计算这d 个向量的p a p r ，从这些序列中选出具有最小p a p r 的序列 传送，这种方法可以降低大的峰值出现的概率。文献 7 提出了一种部分 传输序列( p t s ) ，它是在s l m 的基础上发展起来的，比s l m 方法有更大 的计算复杂度，但压缩p a p r 量也大，这种方法的关键是如何确定旋转相 位使经过i f f t 后o f d m 信号的p a p r 最小。文献 8 提出了一种模拟削减 和滤波的方法来压缩p a p r ，o f d m 信号以8 的倍数大量采样成近似模拟信 号，采样的幅值在一定程度下进行削减，但滤波器会造成额外的p a p r 。 文献 9 介绍了一种顶部加窗方法来替代削减方法，其思想是时采用余弦 或者海明窗在有峰值信号的地方移走部分模拟o f d m 信号，但这种方法需 要比原来两倍的带宽来抗信道间干扰。 简而言之，编码方案压缩p a p r 程度很高，但也增加了频谱损失，不 适用于数量比较大子载波情况，相旋转方法频谱损失比较小，但压缩p a p r 程度一般，模拟削减方法压缩p a p r 程度高但频谱损失特别大，限幅方法 压缩离散p a p r 有效，但对连续p a p r 效果不明显 1 0 一1 2 。本文结合文 献给出的数据和公式以及块状编码方案，利用软件m a t l a b 在计算机上画 出a g w n 信道中信嗓比和误码率之间的关系，如图卜l 。 华南理工大学工学硕士学位论文 l o o 1 0 i 1 1 0 2 b e r l 0 1 1 0 。4 1 0 5 o2 46 81 01 2 s n r d ：d b ) 图卜1 块状编码方案仿真结果 目前同步问题解决方案一般分为两步：粗同步( 又称捕获同步) 和 细同步( 又称跟踪同步) 。按照有无辅助数据可以分为两种估计方法： 是基于辅助数据的估计方法，二是不采用辅助数据的方法，即盲估计法。 基于辅助数据的方法一般具有估计精度高、计算简单，捕获范围大等优 点，但这类方法降低了系统的频谱效率，特别是在系统稳定工作的跟踪 阶段，尤其希望能采用不降低频谱效率的方法，于是盲目估计方法成为 近几年研究的热点。 本文主要研究内容和章节安排 本论文主要研究了基于无线局域网的正交频分复用技术在应用中遇 到的峰值功率比和恩步问题，结合国内外一些有关文献提出的问题和解 4 决方案，在计算机上做了仿真，达到了比较满意的结果，同时对正交频 分复用技术将来的应用前景做了展望。 全文共六章，第一章首先介绍了正交频分复用技术发展的历史以及 在应用中遇到的主要关键问题，接着叙述了国外一些文献提出的解决关 键问题的方法，然后对各种方法进行了比较，同时根据文献提出的数据 做了简单仿真，最后简单叙述了目前对同步问题的几种解决方案。 第二章主要对无线局域网中若干问题进行了叙述，重点讨论了用户 和运营商最关心的无线局域网的安全问题以及防护措施。阐明了无线局 域网的传输速率、稳定性以及安全和抗干扰性能将是今后无线网路研究 的重点。 本文第三章介绍了无线通信中应用比较广泛的扩频通信技术，它也 是o f d m 系统应用的基础，接着讨论了无线传输信道中若干问题。 本文第四章介绍了o f d m 系统模型和一种快速傅立叶变换算法以及 o f d m 技术主要优点。 目前有很多技术可以降低o f d m 的p a p r ，本文第五章利用一种新的降 低p a p r 的方法对p a p r 进行了重点研究。接着研究了o f d m 系统中信号发 送和接收同步问题。因为在数字通信系统中，以及在某些采用同步解调 的模拟通信系统中，同步是一个非常重要的问题，无线通信系统能否有 效可靠地工作，很大程度上依赖于同步技术的优劣。也就是说，同步技 术的好坏将直接影响通信质量的好坏，它是通信系统中的一项关键技术。 本文最后一章对自己所做的工作进行了总结以及对未来无线局域网 应用情况和正交频分复用技术在将来会遇到的问题作了初步预计。 5 华南理工人学工学硕士学位论文 第二章无线局域网中若干问题讨论 2 1 无线局域网概况和发展趋势 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) ，顾名思义，就是采 用无线通信技术代替传统电缆，提供传统有线局域网功能的网络。它是 9 0 年代计算机网络技术与无线通信技术相结合的产物，w l a n 利用电磁波 在空气中发送和接收数据，而无需线缆介质。它采用i e e e 8 2 i l 各种标 准，工作在i s m 无须注册频段，最大工作速率可以达到5 4 m b i t s ，其目 前发射信号接受范围可达到3 0 - 3 0 0 米，在i s o o s i 中主要涉及的是物理 层和数据链路层的媒体接入控制层，它提供了使用无线多址信道的一种 有效方法来支持计算机之间通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体 应用提供了潜在的手段。它是对有线连网方式的一种补充和扩展，使网 上的计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的 网络连通问题，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户通过它 达到信息随身化、便乖j 走天下j 的理想境界。 2 2 无线局域网优点 1 ) 安装便捷 一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是 网络布线施工工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而 w l a n 最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一 个或多个接入点( a c c e s sp o i n t ) 设备，就可建立覆盖整个建筑或地区 的局域网络。 6 第二章无线局域网中若干问题讨论 2 ) 使用灵活 在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制，而一 旦w l a n 建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网 络。 3 ) 经济节约 由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发 展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点，丙一旦网络的发 展超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造，而w l a n 可以避免 或减少以上情况的发生。 4 ) 易于扩展 w l a n 有多种配置方式，能够根据需要灵活选择，这样，w l a n 就能胜 任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够提供 像漫游( r o a m i n g ) 等有线网络无法提供的特性。 由于w l a n 具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，w l a n 已经在政府、军队、油田、酒店、医院、商场、工厂和学校等不适合网 络布线的场合得到了广泛的应用。 2 3 无线局域网的分类以及典型解决方案 无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心对等式( p e e rt op e e r ) 拓扑和有中一i i , ( h u b b a s e d ) 拓扑。 2 3 1 无中心拓扑 无中心拓扑网络要求网中任意两个站点均可直接通信。采用这种拓 扑结构的网络般是用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信 道接入控制( m a c ) 协议大多采用c s b l a ( 载波监测多址接入) 类型的多址接 7 一一一一 兰重墨三_ 大兰三兰堡主兰垡笙兰 入协议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、且费用较低。但 当网中用户数过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害，并且为了满足 任意两个站点可直接通信，网络中站点布局受环境限制较大，因此这种拓 扑结构适用于用户相对少的工作群网络规模。 对等解决方案 图2 1无中心拓扑网络方案示意图 2 3 2 有中心拓扑 在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对 网络的访问均由其控制。这样，当网络业务量增大时，网络吞吐性能及 网络时延性能的恶化并不剧烈。由于每个站点只需在中心站覆盖范围之 内就可与其它站点通信，故网络中心站布局受环境限制亦小。此外，中 心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。有中心网络拓扑结构的 弱点是抗毁性差，中心点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点 的引入增加了网络成本。 在实际应用中，无线网经常与有线主干网络结合起来使用，这时， 中心站点充当无线网与有线主干网的转接器。 s 兰三兰垂垡旦苎堕! 董王囹墨堕丝 图2 2 有中心拓扑结构解决方案示意图 2 3 3典型解决方案 8 0 2 1 lb 无线局域网由于其便利性和可伸缩性，特别适用于小型办公 环境和家庭网络，是目前应用得最广泛的方案。在室内环境中，针对不 同的实际情况主要的典型解决方案有。 1 ) 对等解决方案 对等解决方案是一种最简单的应用方案，只要给每台电脑安装一无线 嘲卡，即可相互访问。如果需要与有线网络连接，可以为其中一台电脑 再安装一片有线网卡，无线网中其余电脑即利用这台电脑作为网关，访 问有线网络或共享打印机等设备。 2 ) 单接入点解决方案 接入点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，同时通过1 0 b a s e t 端口与有线网络相 连，使整个无线网的终端都能访问有线网络的资源，并可通过路由器访 9 华南理工大学工学硕士学位论文 3 ) 多接入点解决方案 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，从而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。这种模式下，多个接入点 可以构建自己的独立域，也可以组建为一个大的统一域，让基站在域内 无缝漫游。 4 ) 无线中继解决方案 无线接入器还有另外一种用途，即充当有线网络的延伸。比如在工 厂车间中，车间具有一个网络接口连接有线网，而车问中许多信息点由 于距离很远使得网络布线成本很高，还有一些信息点由于周边环境比较 恶劣，无法进行布线。由于这些信息点的分布范围超出了单个接入点的 覆盖半径，我们可以采用两个按入点实现无线中继，以扩大无线网络的 覆盖范围。 5 ) 无线冗余解决方案 对于网络可靠性要求较高的应用环境，比如金融、证券等，接入点 旦失效。整个无线网络会瘫痪，将带来很大损失。因此，可以将两个 接入点放置在同一位置，从而实现无线冗余备份的方案。 7 ) 室外点对点组网 如图所示，a 网与b 网分别为两个有线局域网。现通过两台无线网桥 将两个有线网连在一起，可通过网桥上的r j 4 5 口或b n c 细缆接口与有线 网相接。每台网桥上插有一块无线网卡，通过无线网卡来完成无线链路 第二章无线局域网中若干问题讨论 的联通。无线网卡的射频输出端口，通过馈线接到天线，无线网桥连接 完成后的效果类似和h u b 级连。 图2 3 室外点对多点示意图 图2 4 为一点对多点且有路由功能的无线连接方案。c 有线网为中 b 点，a 、b 分别为外围的两个有线网，在此案例中，几个有线网可以为 不同网段。在无线设备上的选用有所不同，在中心点需要采用全向天线 并且需要有专用的路由软件的支持，才能实现路由功能。 图2 4 一点对多点示意图 华南理工大学工学硕士学位论文 2 4 无线局域网的应用环境 无线局域网的应用范围非常广泛，如果将其应用划分为室内和室外 的话，室内应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议 室、证券市场；室外应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿 企业厂区、自动化控制与管理网络、银行金融证券城区网、矿山、水利、 油田、港口、码头、江河湖坝区、野外勘测实验、军事流动网、公安流 动网等。具体应用体现在以下几个方面： 1 ) 医护管理 现在很多医院都有大量的计算机病人j l 矗护设备、计算机控制的医疗 装置和药品等库存计算机管理系统。利用w l a n ，医生和护士在设置计 算机专线的病房、诊室或急救中进行会诊、查房、手术时可以不必携带 沉重的病历，而可使用笔记本电脑、p d a 等实时记录医嘱，并传递处理 意见，查询病人病历和检索药品。 2 ) 工厂车间 工厂往往不能敷设连到计算机的电缆，在加固混凝土的地板下面也 无法敷设电缆，空中起重机使人很难在空中布线，零备件及货运通道也 不便在地面布线。在这种情况下，应用w l a n ，技术人员在进行检修、更 改产品设计、讨论工程方案，并可在任何地方查阅技术档案，发出技术 指令、请求技术支援，甚至和厂外专家讨论问题。 3 ) 库存控制 仓库零备件和货物的发送和贮存注册可以使用无线链路直接将条形 码阅览器、笔记本计算机和中央处理计算机连接，进行清查货物、更新 1 2 第二章无线局域网中若干阿题讨论 存储记录和出具清单。 4 ) 会议和展览 在大型会议和展览等临时场合，w l a n 可使工作人员在极短的时间 内，方便地得到计算机网络的服务，和i n t e r n e t 连接并获得所需要的资 料，也可以使用移动计算机互通信息、传递稿件和制作报告。 5 ) 金融服务 银行和证券、期货交易业务可以通过无线网络的支持将各机构相连。 为了避免由于有线线路等出现故障，仍需要使用无线计算机网做备份。 在证券和期货交易业务中的价格以及“买”和“卖”的信息变化极为迅 速频繁，利用手持通信设备输入信息，通过计算机无线网络迅速传递到 计算机、报价服务系统和交易大厅的显示板，管理员、经纪人和交易者 可以迅速利用信息进行管理或利用手持通信设备直接进行交易。避免了 由于手势、送话器、人工录入等方式而产生的不准确信息和时间延误所 造成的损失。 6 ) 旅游服务 旅馆采用w l a n ，可以做到随时随地为顾客进行及时周到的服务。 登记和记账系统一旦建立，顾客在区域范围内的任何地点都可以进行任 何活动，比如在酒吧、健身房、娱乐厅或餐厅等，都可以通过服务员的 手持通讯终端来更新记账系统，而不必等待复杂核算系统的结果。 7 ) 移动办公系统 在办公环境中使用w l a n ，可以使办公用计算机具有移动能力，在网 络范围内可实现计算机漫游。各种业务人员、部门负责人和工程技术专 家，只要有移动终端或笔记本电脑，无论是在办公室、资料室、洽谈室， 华南理上大学工学硕士学位论文 甚至在宿舍都可通过w l a n 随时查阅资料、获取信息。领导和管理人员可 以在网络范围的任何地点发布指示，通知事项，联系业务。也就是说可 以随时随地进行移动办公。 可以预见，随着开放办公的流行和手持设备的普及，人们对移动性访 问和存储信息的需求愈来愈多，因而w l a n 将会在办公、生产和家庭等领 域不断获得更广泛应用。 2 5 无线局域网传输方式 2 5 1 扩展频谱方式 在扩展频谱方式中，数据基带信号的频谱被扩展至几倍、几十倍后 再被搬移至射频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，却提高了通 信系统的抗干扰能力和安全性。由于单位频带内的功率降低，对其它电 子设备的干扰也会减小。 采用扩展频谱方式的无线局域网一般选择i s m 频段，许多工业、科 研和医疗设备辐射的能量集中于该频段，无须注册，例如美园i s m 频段 由9 0 2 m h z 一9 2 8 m h z 、2 4 g h z 一2 4 8 g h z 、5 7 2 5 g h z 一5 8 5 0 g h z 三个频段组 成。如果发射功率及带宽辐射满足美国联邦通信委员会( f c c ) 的要求， 则无须向f c c 提出专门的申请即可使用i s m 频段。 2 5 2 窄带调制方式 在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移 到射频发射出去。 与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。 采用窄带调制方式的无线局域网一般选用专用频段，需要经过国家无线 1 4 笫二章无线局域网中若干问题讨论 电管理部门的许可方可使用。当然，也可选用i s m 频段，这样可免去向 无线电管理委员会申请。但带来的问题是，当临近的仪器设备或通信设 备也在使用这一频段时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到 保障。 2 5 3 红外线方式 基于红外线的传输技术最近几年有了很大发展，目前广泛使用的家 电遥控器几乎都是采用红外线传输技术。作为无线局域网的传输方式， 红外线的最大优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不 受国家无线电管理委员会的限制。然而，红外线对非透明物体的透过性 极差，这导致传输距离受限。 2 6 有关无线局域网网络标准 表2 1i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 标准 如上表所示，有一序列的i e e e 8 0 2 1 1 标准，最主要的问题是频谱的 利用率，对8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 以及即将出现的8 0 2 1 1g 标准来说，i s m 一 值是首选，因为所有标准都共享2 4 g h z 发射波段，i s m 频率的设计是未 1 5 华南理工大学t 学硕十学位论文 经当局许可来作为商业用途的，所以工作在i s m 波段的不同办公设备之 间会受到很大的干扰。频谱的选择同样会影响功率的需求和范围，例如， 8 0 2 1 1 a 需要比2 4 g h z 的w l a n 大很多的能量去覆盖同一热点，另外还有 其他的_ 9 l a n 标准如欧洲的h i p e r l a n 2 ，虽然工作在相似的环境，但这些 标准在频率、速率、功率需求和覆盖范围上不同，目前8 0 2 家族中应 用最广泛的是8 0 2 1 l b ，其采用d s s s 技术工作在2 4 g h z 的i s m 频段，与 8 0 2 1 1 完全不同的是，8 0 2 1 1 a 是用正交频分复用技术工作在5 g h z ，i e e e 选择o f d m 而不是d s s s 作为调制方案主要是因为o f i ) m 能够更有效地利用 频谱。 2 7 其他w l a n 标准 2 7 1ie e e 8 0 2 11x 在当前w l 。a n 标准中，有1 一些是关于修正和实施能提供基于端口网络 接入控制的8 0 2 1 1 x 嘲络安全的标准，虽然i e e e 设计8 0 2 1 l x 的主要日 的是应用在有线通信巾，但这标准也被应用到无线通信中帮助提供一些 不可缺少的安全，对w l a n ，8 0 2 1 x 的主要好处是在网络和用户间提供相 互的搽权。 2 7 2ie e e 8 0 2 11 i 8 0 2 1 1 i 有望在2 0 0 3 年末期或者2 0 0 4 年初期完成，它对将来所有的 w l a n 标准将是划时代的一步，它将对无线网络的m a c 和物理层提供更多 的安全服务，从长远来说，8 0 2 1 1 i 可以用高级编码标准为其编码服务提 供一个框架。 2 7 3hip e r l a n 2 标准 ， h i p e r l h n 2 是一种欧洲b r a n 发布的w l a n 标准，工作在未经许可的 1 6 第二章无线局域网中若干问题讨论 5 g h z 频段，它支持便携式设备和不同核心网络之间多媒体通信，在物理 层提供5 4 m b p s 速率，通过固定的a p 在一定范围提供服务，h i p e r l a n 2 标准的中心模式控制不同移动终端。 f 交频分复用技术由于其优良性能被选择作为h i p e r l a n 2 的调制方 案，h i p e r l a n 2 是目前最为完善的w l a n 协议，其特点是：高速传输、面 向连接、安全保密、网络与应用无关，支持o o s 、自动频率配置。h i p e r l a n 2 标准定义了许多支持无线网络功能的信令和测量方法，包括动态频率选 择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等。h i p e r l a n 2 标准是对目前无线接入系统的补充，与其它蜂窝系统相比较，它的户外 移动性虽然受到限制，但适用面广，可以在典型的应用环境如办公室、 家庭展览厅、机场、火车站等热点地区向终端提供高速数据率和高性能。 2 7 4ie e e 8 0 2 11e 2 0 0 4 年5 月7 日消息，w i f i 联盟( w f a ) 制定出新的w l a n 规范 8 0 2 1 1e ，并将其命名为无线媒体扩展( w m e ) 。该组织对i e e e 最终许可 这一标准充满信心。w i f i 联盟将从今年9 月开始向兼容8 0 2 1 1e 标准的 w l a n 产品提供认证。 1 j r m e 标准增加了对w i f i 服务质量的规定，数据传输的优先权由数据 类型决定。视频数据包将优先于网页和电子邮件数据传输，这样就能保 证那些对时间敏感的信息数据获得足够带宽，这样的结果是视频质量较 高。另外，i p 电话也有可能因为这一标准而得到普遍应用。 w f a 还为8 0 2 1 1 i 标准制定了新的安全规范，并将在今年晚些时候获 得i e e e 认可。这种技术应该是高级加密标准( a e s ) 。去年，w f a 发布 w i f i 保护性接入( w p a ) 技术，本质上就是8 0 2 1 1 i 标准去掉需要硬件 1 7 华南理工大学工学硕士学位论文 加速的部分。 w f a 也将从今年9 月份开始为8 0 2 1 1 i 的w l a n 工具提供认证，这一 认证可能被称为w p a 2 。新规范可能需要新硬件支持，这要看w l a n 设备制 造商是否预见到这一规范并事先内置了目前尚未采用的硬件加速。w m e 和 w s g 升级则仅需要更新一个防火墙。预计i e e e 将在今年夏天宣布8 0 2 1 l e 和8 0 2 1 1 i 成为正式标准。 2 8 w l a n 的安全以及防护措施 1 ) 安全问题 无线局域网是通过电磁波在空气中接收和发送信号，其数据容易被 截获和破译，黑客甚至可以进入网络内部修改数据，因此网络安全问题 是各生产厂商和用户最关心的问题。跟有线网络一样，w l a n 也符合现有 的网络协议，网络系统的安全涉及到整个o s i 的7 层模型。i e e e 下属的 一个工作组专门研究如何在无线领域达到有线网络的安全水平，制定了 有线同等保密协议( w e p ，w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) ，目前w e p 是所 有8 0 2 1 1 标准的安全标准，其主要目的是为w l a n 提供与有线网络同样 的安全水平，它基于r c 4 对称算法，管理者在a p 和用这种算法来加密过 的数据以及检查数据完整性设备间配置密钥。 即使无线局域网络的系统管理者使用了内置的安全通信协议w e p ， 无线局域网的安全防护仍然不够。在伦敦一项长达7 个月的调查显示， 9 4 的无线局域网都没有正确设定，无法遏止黑客的入侵。隶属于国际商 会的网络犯罪部门发现，即使无线网络很安全，也会因为种种原因而大 打折扣。现在非常盛行f 路过式的入侵j ，黑客开车进入商业办公区，在 信号所及的地方，直接在车里渗透企业的无线局域网。 第二章无线局域网中若干问题讨论 美国加州柏克莱大学的三名研究人员发现w e p 编码的重大漏洞，除 此之外，在2 0 0 1 年8 月，密码学家曾在一篇论文中指出r c 4 编码的缺点， 而r c 4 正是w e p 的基础。2 0 0 1 年8 月底，美国莱斯大学的学生与两名a t & t ( 美国电报电话公司) 实验室的员工将这篇论文的内容化为实际的程序 代码。令人惊讶的是，其中完全没有牵扯到任何特殊装置，你只要有一 台可以连上无线网络的个人计算机，从网络上下载更新过的驱动程序， 接下来就可以开始记录网络上来往的所有封包，再加以译码即可。四名 来自法国国家科学研究中心的科学家发现无线局域网技术中有一个大漏 洞，该漏洞会使某一个慢速接入网内的用户拖垮同一个热点内全部用户 的网络性能。问题的根本源于c s m a c a ( 载波监听多点接入冲突避免) 协 议，它的作用是保证热点中的所有用户能平等地使用网络带宽。 这个漏洞对那些仅使用无线网络进行一些相对低负荷的数据传输活 动，如浏览网页的用户而言还不会造成很大得影响。但是如果哪位慢速 度的用户要下载文件，浏览音频或者视频信息时，就会严重干扰其他人。 2 ) 防护措施 到目前为止，w l a n 已经被广泛应用，而且发展也越来越快，随之产 生的安全问题也越来越明显，保证无线局域网的基本安全一般有以下三 种：( 1 ) 在信息源和目的站点，可以用w e p 产生共享密钥对数据帧加密 来防止信息泄漏或被窃听；( 2 ) 用服务器标识( s s i d ) 连接一个或多个 a p ，实现网络访问控制。s s i d 相当于访问网络的简单密码，只能提供最 低级别的安全保证，无线用户可以共享；( 3 ) 用访问控制列表( a c l ) 实 现对用户的控制。每个无线设备都有唯一标识一m a c 地址，网络中所有的 m a c 地址形成一个列表，一般放在接入点或服务器。只有m a c 地址在表内 1 9 华南理工大学工学硕士学位论文 可能会被偷或复制，所以m a c 地址列表不能作为主要的安全手段。 任何网络的安全性都是相对而言的，我们相信，随着w l a n 标准和密 码学的不断发展，w l a n 的安全性也将进一步提高。 在w l a n 环境配置a p 时，管理者必须正确进行设置，几乎所有生产 商都没有保证w e p 真正发挥作用，但正确的配置后，虽然不能确保十分 安全，w e p 确实可以提高w l a n 的安全性，a p 的默认值必须改掉，最关 键的是a p 的密码、简单网络管理协议( s n m p ) 参数、信道的选择，动态 主机配置协议( d h c p ) 配置以及完整的防火墙配置，否则攻击者很容易 进入w l a n ，用那些默认值破坏系统，因为供应商的大部分产品都用默认 的服务标识( s s i d ) ，为了保证w l a n 的安全，s s i d 默认值应该及时改掉， 知道供应商s s i d 的攻击者能够很容易进入网络。同时关掉s s i d 的广播模 式也是很关键的一步，当广播模式功能启动时，任何有无线网卡的人可以 从a p 本身得到s s i d 。虽然网络管理者通常忽略，但变换a p 的厂商默认值 是一个简单而有效的保证w l a n 安全的措施。为了保证a p 的安全，管理 者应该把a p 尽量放在其他人不容易得到的地方。 2 9 本章小结 本章首先介绍了无线局域网优越性以及无线局域网的分类，接着说 明了使用无线局域网的意义，然后介绍了无线局域网的应用环境、传输 方式，重点讨论了无线局域网安全和防护问题，也就是各大运营商和用 户最关心的问题。 第三章 无线传输信道若干问题 第三章无线传输信遘若干问题 在实际无线通信中，信号的发送和接收过程中通常会遇到各种建筑 物、树木、植被以及起伏地形的干扰，会引起能量的吸收和穿透以及电 波的反射、散射和衍射。这样，到达接收端的信号不是从单一路径到达 的而是从多条路径来的众多反射波的合成，因此产生一系列由于无线 传播产生的问题以及相应的对策。 3 1 扩频通信原理 扩频通信是无线传输中，特别是第三代移动通信技术中的关键技术， 它利用伪随机码把基带信号的频谱进行扩展，形成相当宽带的低功率普 密度信号发射。使用不同的伪随机编码，不同通信用户可在同一频段、 同一时间互不影响或影响极小地工作。常规通信是在频段上细分( 频分) 或者时间上细分( 时分) 给通信用户，彼此互不干扰地分别使用。无论 在调制解调还是从利用电磁波来看，扩频通信是与一般现有的常规通信 方式完全不同的。 3 1 扩频通信基本原理图 2 1 华南理工大学工学硕士学位论文 扩频通信地基本原理如图3 1 所示。信息数据d 经通常的数据调制 后变成带宽为置信号( e 为基带信号带宽) ，用扩频序列发生器产生的伪 随机编码( p n ) 去对基带信号作扩频调制，形成带宽为马( 芝 b ) 、功 率普密度极低的扩频信号再发射。在接收端，首先使用与扩频信号发送 者相同的伪随机编码作扩频解调处理，把宽带信号恢复成通常的基带信 号，再使用通常的通信手段解调出发送过来的数据d 。显然，接收端不知 道发送的扩频信号所使用的伪随机编码时，要进行扩频解调是非常困难 的，这就实现了信息数据的保密通信。 如果接收端用某一位随机编码在接收某一发送来的信号时，通信信 道中的另外一些伪随机编码调制的扩频信号不能在该接收端的扩频解调 处理器中形成明显的信号输出，即不会对接收端的扩频解调处理形成干 扰。这样，接收端使用不同扩频信号发送者所用的不同伪随机编码作扩 频解调，就可得到不同发送者发送来的信息数据，实现多用户通信。 扩频通信的主要特点是使用比发送的信息数据速率高得多的伪随机 编码，扩展作为基带信号的信息数据频谱，成为极低功率普密度的带宽 信号。接收端使用相关处理方法，把要接收的宽带扩频信号恢复成基带 信号。这些特征使扩频信号不易受干扰，也不容易干扰他人，信号隐蔽， 有保密性：多重扩频信号能共用同一频带，可采用随机多址通信方式， 通信寻址简单方便，有较好的过负荷能力，能和其他的通信方式混合使 用；有高精度的测距、定位能力。 3 2 无线移动信道传播特性 无线信号是以电磁波的形式，在特定的频率范围内发射和接受经过 长距离传输的信号。这使无线信号能区别于频率曲谱上的其他电磁波( 如 第三章 无线传输信道若干问题 红外线和x 射线) ，无线信号在无线信道上传播，无线信道是一种较弱的 媒体，易受到噪声、干涉屏蔽、多路的影响。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， 无线信号在传输过程中被周围的物体反射、散射和衍射，到达接收器时， 相对于直路信号振幅、相位和时间都发生了改变。另外，接收到的信号 可能也经历了与其他相同频段用户信号的干涉。 反射( r e f l e c t i o i l )当电磁波在传输时遇到尺寸远大于射频信号波 长九旧光泔农时现的现象。 衍射 ( d i f f r a c t i o n )当收、发之间的路径存在密度较大的物体， 其尺寸比 大，就会在阻碍物的后面产生次级波。衍射出现的原因是收、 发之间没有视行路径，r f 信号的能量不能直接到达接收端，它常称为阴