无线网络技术第1章-无线网络概述.ppt

无线网络技术概述 Copyright 2010NeusoftCorporation 计算机科学与技术主讲教师 梅轲联系电话箱 MeiKe QQ 331708108资料 无线网络的发展简史无线电的频率管理及频谱划分无线传输方式无线网络的分类网络的协议层次模型无线网络的相关设备无线天线的相关技术 无线网络 所谓无线网络 既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络 也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术 与有线网络的用途十分类似 最大的不同在于传输媒介的不同 利用无线电技术取代网线 可以和有线网络互为备份 无线网络的发展史 无线网络的初步应用 可以追朔到五十年前的第二次世界大战期间 当时美国陆军采用无线电信号做资料的传输 他们研发出了一套无线电传输科技 并且采用相当高强度的加密技术 得到美军和盟军的广泛使用 他们也许没有想到 这项技术会在五十年后的今天改变我们的生活 许多学者从中得到灵感 在1971年时 夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络 这被称作ALOHNET的网络 可以算是相当早期的无线局域网络 WLAN 它包括了7台计算机 它们采用双向星型拓扑横跨四座夏威夷的岛屿 中心计算机放置在瓦胡岛上 从这时开始 无线网络可说是正式诞生了 无线网络的发展史 1990年 IEEE正式启用了802 11项目 无线网络技术逐渐走向成熟 IEEE802 11 WIFI 标准诞生以来 先后有802 11a和802 11b 802 11g 802 11e 802 11f 802 11h 802 11i 802 11j等标准制定或者酝酿 现在 为实现高宽度 高质量的WLAN服务 802 11n也即将横空出世 2003年以来 无线网络市场热度迅速飙升 已经成为IT市场中新的增长亮点 由于人们对网络速度及方便使用性的期望越来越大 于是与电脑以及移动设备结合紧密的WiFi CDMA GPRS 蓝牙等技术越来越受到人们的吹捧 于此同时 在相应配套产品大量面世之后 构建无线网络所需要的成本下降了 一时间 无线网络已经成为我们生活的主流 速度进化论 说起无线网络的速度 我们都经历过11M 54M 108的时候 每一次速度的提升 我们都认为是无线网络一个新的开始 现在 802 11n带领我们进入到300M的速率 无线网络带给我们的 已经是飞一般的速度 不用再说无线网的发展有多快 不用再说300M的势头多强劲 也不用再说11N在我们生活中的位置有多重要 我们已经深刻体会到 不知不觉中 802 11n的时代已经到来 速度进化论 为了实现高带宽 高质量的WLAN服务 使无线局域网达到以太网的性能水平 802 11n应运而生 其好处不言而喻 虽然正式标准没有出台 但是众多802 11n的产品已经开始大幅度占领了无线网络设备市场 大家如此看好802 11n 是因为它得天独厚的优势 在传输速率方面 802 11n可以将WLAN的传输速率由目前802 11a及802 11g提供的54Mbps 108Mbps 提供到300Mbps甚至高达600Mbps 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MIMOOFDM技术 提高了无线传输质量 也使传输速率得到极大提升 移动通信发展历程 第一代蜂窝系统 AMPS 美国 TACS 英国 NMT 北欧 第二代蜂窝系统 GSM DCS1800 欧洲 IS 95CDMA 美国 第三代蜂窝系统 WCDMAcdma2000TD SCDMA 模拟系统 数字系统 数字系统 模拟向数字的发展 语音业务向多媒体业务的发展 移动通信发展历程 移动通信发展历程 以音频为主的单媒体 以流业务为主的多媒体 微波 光纤 光纤 微波 有线 无线 无线 有线 PDH SDH SDH PDH STM IPv4 ATM IPv6 20世纪 21世纪 21世纪通信的重大变革 无线宽带多媒体通信系统无线IP和无线ATM无线通信和互联网 多媒体通信相结合 移动通信的主要技术 信源编码 信道编码 调制 信道 干扰 信源译码 信道译码 解调 多址接入技术 基本类型 FDMA FrequencyDivisionMultipleAccess TDMA TimeDivisionMultipleAccess CDMA CodeDivisionMultipleAccess SDMA SpaceDivisionMultipleAccess 概念在一个通信网内各个移动台 站共用指定的射频频道 进行相互间的多边通信 主要是用于网络侧区别不同的上行用户 双工技术 频分双工 FDD 是移动终端至基站的无线双工联系的传统方式 即上下行链路使用各自的频段 时分双工 TDD 是指上行和下行使用同一频段 但需要根据时间进行传输方向的转换 无线网络的发展简史无线电的频率管理及频谱划分无线传输方式无线网络的分类网络的协议层次模型无线网络的相关设备无线天线的相关技术 15 无线通信频谱及电波传播 什么是无线电通信 频率与波长的关系 频率 光速 波长电波在传播过程中 由于反射 折射 散射及绕射 其传播方向经历各种变化 且由于扩散和媒介质的吸收 其场强不断减弱 必须掌握电波传播的途径 特点和规律 才能达到良好的通信效果 16 无线电频谱及波段划分 无线网络的发展简史无线电的频率管理及频谱划分无线传输方式无线网络的分类网络的协议层次模型无线网络的相关设备无线天线的相关技术 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2GHz 40GHz 频率越高 可能的带宽就越宽 因此可能的数据传输速率也就越高 地面微波 无线电微波通信在数据通信中占重要地位 在100MHz以上的频段内 无线电波几乎按直线进行传播 而且这样的电磁波可以被汇集成一束窄窄的波束 因此它可以通过抛物线形状的天线接收 而微波的频率范围为300MHz 300GHz 在这个范围内 它在空中主要沿直线传播 可经电离反射到很远的地方 同时 由于微波在空中是直线传播 而地球表面是个曲面 因此传输距离受到限制 由于微波是按照近似直线的方式进行传播的 所以 如果两个站点间相距太远 那么地球本身就会阻碍电磁的传输 因此在中间每隔一段距离就需要安装一个中继器来使电磁波传输得更远 中继器间的距离大约与站高的平方根成正比 如果站高为100m 则中继器之间的距离可以约为80km 距离一般在50 100km之间 这种微波接力通信可传输电话 电报 图像 数据等信息 地面微波 地面微波接力通信的主要优点如下 容量大由于微波波段频率很高 其频段范围也很宽 因此其通信信道的容量很大 质量高因为工业干扰和电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多 对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多 因而微波传输质量较高 投资小与相同容量和长度的电缆载波通信比较 微波接力通信建设投资少 见效快 微波接力通信的缺点如下 容易失真与代频的无线电传输不同的是 微波并不能很好地穿透建筑物 而且微波即使在发射器处已经会聚 但在空气中仍然会有一些散发 所以在微波通信中 相邻站之间必须直视 不能有障碍物 有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线 称为 多径衰减 因而造成失真 易受环境因素影响微波的传播性能有时也会受到恶劣气候的影响 如雨水天气 因为微波只有几厘米的波长 因而容易被水吸收 安全性差与电缆通信系统比较 微波通信的隐蔽性和保密性较差 维护难度大对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力 典型的数字微波性能 地面微波 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 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 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 卫星传输的最佳频率范围为1GHz 10GHz 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 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3KHz 300GHz 非正式术语广播无线电波 broadcastradio 包括VHF频段和部分的UHF频段 30MHz 1GHz 广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰 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 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 29 30 无线电波传播特性研究 无线电波传播特性直接关系到通信设备的能力 天线高度的确定 通信距离的计算 以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题 对于移动通信系统的无线信道环境而言 还必须根据移动通信的特点按照不同的传播环境和地理特征进行分析和仿真 在确定无线通信系统实际通信距离 覆盖范围和干扰影响范围时 无线电波传播损耗是一个关键参数 在研究电波传播特性时 通常以数学表达式来描述这些传播损耗特性 即所谓的数学模型 无线网络的发展简史无线电的频率管理及频谱划分无线传输方式无线网络的分类网络的协议层次模型无线网络的相关设备无线天线的相关技术 32 从无线网络覆盖范围分类 系统内部互连 无线个域网无线局域网无线城域网 广域网 33 无线局域网 无线局域网络 WirelessLocalAreaNetworks WLAN 是相当便利的数据传输系统 它利用射频 RadioFrequency RF 的技术 取代旧式碍手碍脚的双绞铜线 Coaxial 所构成的局域网络 使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它 达到 信息随身化 便利走天下 的理想境界 34 无线局域网的优点 移动性好布线容易组网灵活成本优势 35 无线局域网的发展历程与标准化活动 无线局域网的发展经历了四代 1 第一代无线局域网 1985年 FCC颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路 2 第二代无线局域网 基于IEEE802 11标准的无线局域网 3 第三 四代无线局域网 符合IEEE802 11b标准的产品已经较为普及 归为第三代无线局域网产品 而将符合IEEE802 11a HiperLAN2和IEEE802 11g标准的产品称为第四代无线局域网产品 36 无线介质 传输媒体主要有 无线电波和红外线 现在通常有四种商业无线局域网方案供人们选择 802 11WLAN 被设计成大概在300英尺的范围内提供无线连接服务 HomeRF 主要针对家庭无线局域网 支持语音和数据 蓝牙技术 一种短距离无线通讯技术 以低成本的短距离无线连接为基础 HiperLAN 为集团消费者 公共和家庭环境提供无线接入到因特网和实时视频服务 37 无线个域网 无线个人区域网 WirelessPersonalAreaNetwork WPAN 简称无线个域网 技术就是一种满足上述应用需求的小范围无线连接 微小网自主组网的通信技术 38 无线个域网技术 蓝牙 BlueTooth IrDA InfraredDataAssociation 红外数据组织HomeRF 在家庭范围内 使计算机与其他电子设备之间实现无线通信UWB UltraWideband 是一种无载波通信技术 利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据 Zigbee 一种便宜的 低功耗的近距离无线组网通讯技术 WiMAX WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess 是一种可用于城域网的宽带无线接入技术 并且是针对微波和毫米波段提出的和中新的空中接口标准 它的主要作用是提供无线 最后一公里 接入 可提供面向互联网的高速连接 覆盖范围达50km 最大数据速率达75Mbit s 可看作为NGN的延伸 802 16为其代表 无线城域网 40 无线广域网 无线广域网 WWAN 是指覆盖全国或全球范围内的无线网络 提供更大范围内的无线接入 与无线个域网 无线局域网和无线城域网相比 它更加强调的是快速移动性 典型的无线广域网的例子就是GSM移动通信系统和卫星通信系统 目前全球的无线广域网主要采用两大技术 分别是GSM及CDMA技术 预计将来这两套技术仍将以平行的步调发展 逐步向3G 超3G技术过渡 可以达到384k 2Mbps 41 蜂窝技术的速率都不高 无法提供类似于无线个域网 无线局域网和无线城域网的宽带接入技术 无线满足多媒体等应用的需求 更多是适用于手机 PDA这样的处理能力较低的弱终端 对于具有高强处理能力的笔记本电脑是不太适宜的 专门从事无线广域网移动宽带无线接入技术标准制定的工作组是802 20 无线广域网 42 从无线网络的应用角度分类 Wi Fi3G蓝牙HomeRF 无线网络的发展简史无线电的频率管理及频谱划分无线传输方式无线网络的分类网络的协议层次模型无线网络的相关设备无线天线的相关技术 OSI参考模型 概述 OSI参考模型 分层 TCP IP模型层次结构 TCP IP参考模型与OSI参考模型的对应层次 无线网络的发展简史无线电的频率管理及频谱划分无线传输方式无线网络的分类网络的协议层次模型无线网络的相关设备无线天线的相关技术 无线网卡 无线网卡标准上区分无线网卡按无线标准可定为IEEE802 11b IEEE802 11a IEEE802 11g 无线网卡接口上区分无线网卡按照接口的不同可以分为多种 一种是台式机专用的PCI接口无线网卡 一种是笔记本电脑专用的PCMICA接口网卡 一种是USB无线网卡 红外适配器 红外适配器是指利用红外线技术实现各种电子设备之间进行数据交换和传输的设备 一般情况下多指外置型的产品 目前市场上许多手机 掌上电脑等产品都有和电脑进行数据交换的功能 除了使用常规的有线连接之外 比较常用的是红外线连接技术 如果设备上原本就有红外线连接装置的话 那么只要经过简单的设置便可以使用了 无线路由器 不带交换模块的普通双口无线路由器一个RJ45口为WAN口 也就是UPLink到外部网络的接口 另一个RJ45口为LAN口 用来连接普通局域网 带有2 4个LAN口交换模块的无线路由器基本结构和上面的相同 但是在内部多一个网络交换机芯片 也就多了几个LAN的网络接口 LAN接口之间工作在交换模式下 因为私有的地址是不能够和互联网上的其它计算机进行通信的 所有无线路由器把LAN口接受到的数据包中的私有地址转到WAN口上的可以和互联网通信的网络地址 这个过程就是NAT地址转换通常无线路由的WAN口和LAN之间的路由工作模式一般都采用NAT NetwordAddressTransfer 方式 无线网桥 无线网桥是为使用无线 微波 进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计 它是一种在链路层实现lan互联的存储转发设备 可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离 可达20km 高速 可达11mbps 无线组网 无线网桥有三种工作方式 点对点 点对多点 中继连接 特别适用于城市中的远距离高以及是否加用双向放大器 从作用上来理解无线网桥 它可以用于连接两个或多个独立的网络段 这些独立的网络段通常位于不同的建筑内 相距几百米到几十公里 所以说它可以广泛应用在不同建筑物间的互联 同时 根据协议不同 无线网桥又可以分为2 4GHz频段的802 11b或802 11以及采用5 8GHz频段的802 11a无线网桥 无线AP 无线AP跟无线路由器类似 按照协议标准本身来说IEEE802 11b和IEEE802 11g的覆盖范围是室内100米 室外300米 这个数值仅是理论值 在实际应用中 会碰到各种障碍物 其中以玻璃 木板 石膏墙对无线信号的影响最小 而混凝土墙壁和铁对无线信号的屏蔽最大 所以通常实际使用范围是 室内30米 室外100米 没有障碍物 无线天线 频率范围它是指天线工作的频段 这个参数决定了它适用于哪个无线标准的无线设备 比如802 11a标准的无线设备就需要频率范围在5GHz的天线来匹配 所以在购买天线时一定要认准这个参数对应相应的产品 增益值此参数表示天线功率放大倍数 数值越大表示信号的放大倍数就越大 也就是说当增益数值越大 信号越强 传输质量就越好 无线天线有多种类型 不过常见的有两种 一种是室内天线 优点是方便灵活 缺点是增益小 传输距离短 一种是室外天线 室外天线的类型比较多 一种是锅状的定向天线 一种是棒状的全向天线 室外天线的优点是传输距离远 比较适合远距离传输 室内无线天线 1 全向天线 2 定向天线室外无线天线 1 全向天线 2 定向天线 3 扇面天线 4 组合天线 无线网络的发展简史无线电的频率管理及频谱划分无线传输方式无线网络的分类网络的协议层次模型无线网络的相关设备无线天线的相关技术 天线 天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 天线的辐射模式 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 天线的理想辐射模式 天线增益 天线增益 antennagain 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出 在一给定方向上增加辐射功率是以降低其它方向功率为代价的 天线增益主要是为了定向性天线增益与有效面积的关系 G antennagain 增益Ae effectivearea 有效面积f carrierfrequency 载波频率c speedoflight 3 108m s 光束 carrierwavelength 载波波长 举例 一个直径为2M的抛物线反射天线 工作频率是12GHZ 有效面积和天线增益是多少 根据公式 A r2Ae 0 56A波长 C F 0 025m G 7A 2 35186将G取对数再乘10之后得到Gdb 45 46db 移动通信常用的基站天线 直放站天线与室内天线板状天线 无论是GSM还是CDMA 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线 这种天线的优点是 增益高 扇形区方向图好 后瓣小 垂直面方向图俯角控制方便 密封性能可靠以及使用寿命长 板状天线也常常被用作为直放站的用户天线 根据作用扇形区的范围大小 应选择相应的天线型号 基站板状天线基本技术指标示例 天线的基本知识 频率范围 频带宽度 增益 极化 标称阻抗 电压驻波比 半功率波束宽度 前后比 下倾角 可调 垂直面上旁瓣抑制 824 960MHz 70MHz 14 17dBi 垂直 50Ohm 1 4 25dB 3 8 水平面60 120 垂直面16 8 12dB 互调 110dBm 天线的基本知识 常规板状天线 其增益约为14 17dB 一侧加有一个反射板的八元式直线阵 即加长型板状天线 其增益约为16 19dB 不言而喻 加长型板状天线的长度 为常规板状天线的一倍 达2 4m左右 天线的基本知识 高增益栅状抛物面天线 从性能价格比出发 人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线 由于抛物面具有良好的聚焦作用 所以抛物面天线集射能力强 直径为1 5m的栅状抛物面天线 在900兆频段 其增益即可达G 20dB 它特别适用于点对点的通信 例如它常常被选用为直放站的施主天线 抛物面采用栅状结构 一是为了减轻天线的重量 二是为了减少风的阻力 抛物面天线一般都能给出不低于30dB的前后比 这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标 天线的基本知识 八木定向天线 八木定向天线 具有增益较高 结构轻巧 架设方便 价格便宜等优点 因此 它特别适用于点对点的通信 例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型 八木定向天线的单元数越多 其增益越高 通常采用6 12单元的八木定向天线 其增益可达10 15dB 天线的基本知识 室内吸顶天线 室内吸顶天线必须具有结构轻巧 外型美观