第4讲++无线网络物理层技术1

1、第2章 无线网络逻辑结构 2.1 无线网络的MAC层帧结构 2.2 无线网络的MAC层协议 2.3无线网络的物理层协议无线网络的物理层协议 2.4.3 无线网络的物理层技术 从蓝牙到ZigBee，每种无线物理层技术都可以通过一 些主要的技术要点进行描述，如表2.8所示。 表2.8 物理层的无线技术概况 无线网络的频谱p45 波长波长 振幅振幅 传播方向传播方向 极化方向极化方向 每一个无线电信号都有一个波长和频率每一个无线电信号都有一个波长和频率 电磁辐射的波长和频率是通过光速联系在一起的，波长电磁辐射的波长和频率是通过光速联系在一起的，波长 ()= 光速光速(c)/频率频率(f )，或者波长

2、，或者波长(m)= 300/频率频率(MHz)。 AMAM广播广播 FMFM广播广播 900MHz900MHz频段频段 2.4GHz2.4GHz频段频段 5GHz5GHz频段频段 红外线红外线X X光光 可见光可见光 无线电频谱无线电频谱 电磁波辐射的全部范围称为频谱电磁波辐射的全部范围称为频谱 波段波段 无线电波段无线电波段 微波微波 微波波段微波波段 频谱管理 在使用无线电频率的时候应遵守国际、国内和地区的 频谱管理规定。大多数频谱分配工作由国家的调节机 构，如美国的FCC（美国联邦通信委员会）处理，但 发展趋势是国际合作。 负责管理无线电频谱的国际组织是ITU （Internationa

3、l Telecommunications Union），国 际电信联盟）。每两年或三年，ITU就召开一次WRC （World Radiocommunication Conference，世界无 线通信大会），讨论如何分配频谱。 频谱管理 世界范围内使用了四种许可证的管理方法：投 标、抽签、拍卖、自由竞争。 频谱许可证的使用一般在一个有限的时间内， 通常为二十年。 在无线电频谱的使用中，频段分配给不同 的授权和非授权业务，不同信号格式所允许使 用的传输功率大小由不同国家和地区的管理机 构控制。 无线电频谱管理机构 无线网络使用的无线电频段 ISM频段 Extremely Low Very Low

4、 Low MediumHigh Very High Ultra High Super High InfraredVisible Light Ultra- violet X-Rays Audio AM广播广播 短波广播短波广播 FM 广播广播 电视电视 红外无线局域网红外无线局域网 902 - 928 MHz 26 MHz 蜂窝电话蜂窝电话 (840MHz) NPCS (1.9GHz) 2.4 - 2.4835 GHz 83.5 MHz (IEEE 802.11) 5 GHz（ 5.725G 5.850G） (IEEE 802.11) HyperLAN 工业、科研、医学工业、科研、医学 (ISM

5、) (ISM) 频段频段 2.2 2.3 2.4 2.5 2.7 2.9GHz FCC在2.4GHz的ISM波段上的频谱分配 与传统有线传输相比，无线传输面临安全性和信号传播问题 等挑战 无线射频网络的挑战 站点A站点B站点C 站点C发射机 的覆盖范围 隐藏站点：隐藏站点：C C是是A A的隐藏站点的隐藏站点 A感知不到C的传输，由于C的干扰 存在A到B的传输失败 暴露站点：暴露站点：B B是是C C的暴露站点的暴露站点 当站点C发送时，站点B被阻止不能 向站点C发送数据，尽管此时A是能 够成功接收的 隐藏站点和暴露站点给无线媒体接入控制带来的挑战 调制技术 由于信道，即传输媒质，具有一定的频

6、率特性， 并不是原始信号中所有的频率成分都能通过信道 进行传输，因此由信源产生的原始信号一般不能 直接在大多数信道内传输，在传输前要对信号进 行某种处理。 这种把输入信号变换为适于通过信道传输的波形 的变换过程称为调制。调制实现了信源的频谱与 信道的频带匹配。 数字调制技术的指标： 频谱效率：在可用的带宽内达到要求的数据速率，如 表4.9所示。 误比特率(Bit Error Rate, BER)性能：在具体应用中， 在考虑了诸多可能的影响因素（如干扰、多径衰落等） 情况下，系统要达到的误比特率。 功率效率：这在移动应用中尤其重要，电池寿命是用 户非常看中的因素。 频谱效率（表示为每赫兹带宽的数

7、据速率）高的调制 模式要求高的信号强度来实现无差错检测。 实现的复杂度：实现某个特定技术与硬件成本直接相 关。可以在某些方面用软件来实现调制的复杂性，减 少对终端用户成本的影响。 表4.9 几种典型调制技术的频谱效率 调制调制分类：分类： ASKASK调幅调幅 FSKFSK调频调频 PSKPSK调相调相 A ASKSK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0(0v)0(0v)和和1(+5v)1(+5v) FSKFSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)1(2.4KHz) PSKPSK（BPSKBPSK）：用

8、载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0 (0 (同相同相) )和和1(1(反相反相) ) 四进制相移键控 与BPSK使用两种相位状态不同，QPSK使用四种不同 的载波相位，每种相位用来编码由两个比特或码片组 成的一个符号。 图4.24说明了这四种载波相位，用IQ平面表示了载波 信号的相位，其中I代表同向，Q代表正交或者90相 位。在IQ平面上点与I轴的角度表示相角，到原点的距 离表示信号的幅度。表4.11中表示了00, 01, 11和10这四 个点，即调制星座，它表示了单位幅度的四个载波相 位。 表4.11 正交相移键控 四进制相移键控 与BPSK使用两种相位状态不同，QPSK

9、使用四种不同 的载波相位，每种相位用来编码由两个比特或码片组 成的一个符号。 图4.24说明了这四种载波相位，用IQ平面表示了载波 信号的相位，其中I代表同向，Q代表正交或者90相 位。在IQ平面上点与I轴的角度表示相角，到原点的距 离表示信号的幅度。表4.11中表示了00, 01, 11和10这四 个点，即调制星座，它表示了单位幅度的四个载波相 位。 单位 幅度圆 QPSK星座图 /4QPSK星座图 图4.24 QPSK相位星座 差分相移键控 差分相移键控(Differential Phase Shift Keying, DPSK) 是BPSK和QPSK的变换形式，输入符号用来控制相位 的差

10、分变化，而不是用来定义载波的绝对相位。在 BPSK中，0对应零相位载波周期，而在DBPSK中，0符 号表示载波相位相对于前一个比特周期没有变化。 类似地，在DQPSK中，每个符号被表示为相位的变化 而不是载波的绝对相位，如表4.12所示。 表4.12 差分正交相移键控 正交幅度调制 正交幅度调制(QAM)是将相位调制和幅度调制相 结合的合成调制技术。 在BPSK或QPSK中，用恒定的载波幅度和2或4个 不同的相位来表示输入数据符号。QAM定义了16, 64或更多点的星座而不是2点或4点，每一个点都 有特定的相位和幅度代表4或6比特（或码片）的 数据符号。 16-QAM和64-QAM调制技术应用

11、在IEEE 802.11a和 IEEE 802.11g规范中，与OFDM相结合，可以达到 2454 Mbps的数据率。图4.25所示的16-QAM星 座（即IQ平面上有16个点）可用来实现24 Mbps和 36 Mbps数据速率。 图4.25 16QAM星座图 双载波调制 双载波调制是用在多载波系统中的技术，如 OFDM，可以对抗多径环境中对单载波信号的破 坏性干扰或衰落带来的数据损耗（参见4.5.4.3节）。 将数据调制到两个载波而不是一个载波上，尽管 增加了带宽，但传输的鲁棒性更高。 在多带OFDM(Multi-band OFDM)（参见4.6.4节） 中，4比特符号被映射到两个不同的16

12、-QAM星座 图上，符号在相隔至少200 MHz的两个OFDM载 波中传输。如果其中一个载波的接收受到衰落的 影响，数据可以从另一个载波中恢复出来，由于 两个载波间隔很大，所以两个载波同时受到影响 的概率很小。 无线网络传输方式 无线电方式 扩展频谱方式 窄带调制方式 红外线方式 扩展频谱技术 扩频通信是一种信息传输方式，其信号所占有的 频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带 的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所 传信息数据无关。 扩频技术主要包括： 直接序列扩频 DSSS 跳频扩频 FHSS 正交频分复用 OFDM 扩展频谱技术 数据 信息 带宽为B1 的基带数 字信号 数据调制

13、扩频调制 PN码 带宽为B2 （B2B1）的 扩频信号 射频调制 射频 信号 扩频通信系统中都要进行三次调制和相应的解调： 扩频通信的理论基础 仙农（Shannon）定理： C =W log2 (1+ S N ) C = 信道容量，用传输速 率度量 ，单位 b/s W = 信号频带宽度，单 位 Hz S = 信号功率 N = 噪声功率 仙农定理说明，在给定的传输速率 C 不变的条件下， 频带宽度 W 和信噪比 SN 是可以互换的。即可以通 过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比的情况下， 传输信息。 扩展频谱方式 基带信号射频调制发射扩展频谱 扩展频谱方式也是利用无线电波作为传输 媒体的一种传输

14、信号方式。它是在将基带数字 序列信号进行射频调制之前，先进行频谱的扩 展。 扩展频谱过程一般将原基带数 字序列信号的频谱扩展几倍到 几十倍，经过射频调制后的发 射信号的频带宽度也比窄带调 制要宽得多。 扩展频谱方式可以用比窄 带调制方式低得多的信号 功率来发送，可在比信号 还要强的噪声环境下保证 信息的正确接收。 扩展频谱方式不怕同频干扰， 因此可以在同一频段上靠选择 不同的扩频伪随机码来进行多 路复用，这种多路复用称作码 分多址（CDMA）。 直接序列扩频 DSSS 直接序列扩频是直接利用具有高码率的扩频码序 列采用各种调制方式在发端扩展信号的频谱，而 在收端，用相同的扩频码序列去进行解码，

15、把扩 展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数 字调制方法。 f 发端 f 扩频为 f解扩为f 收端 码片、扩频及相关 直接序列扩频中使用的扩频函数是一个数字码， 也称为码片或伪随机(Pseudo-noise, PN)码，它们 经过挑选并具有特殊的数学性质。 其中一个性质，就是信号对广播频段的偶然接收 者表现出随机噪声的特点，也由此得名“伪随机”。 在IEEE 802.11b标准中，数据速率为1 Mbps和2 Mbps的伪随机码是11比特的巴克码。 巴克码是二进制序列，具有低自相关性，即该序 列与自身时移后的序列不具有相关性。表4.7介绍 了长度为213的巴克码。 表表4.7 4.7 长度为

16、长度为2 21313的巴克码的巴克码 比特流 码片 码片流 数据 11位巴克序列 编码后的数据 图4.8 DSSS伪随机码 直接序列扩频直接序列扩频 DSSSDSSS 每个数据位变成了一组码片在扩展的频率上传递每个数据位变成了一组码片在扩展的频率上传递 规定最小扩展比：每数据位对应规定最小扩展比：每数据位对应1010位码片；在位码片；在DSSS DSSS 1Mbps 1Mbps 和和 2Mbps2Mbps速率时采用速率时采用1111位码片位码片 例如数据是例如数据是: 1001 码片是码片是 : 1= 00110011011 0=11001100100 传输的数据将是传输的数据将是: 0011

17、0011011 11001100100 11001100100 00110011011 1 0 0 1 片码 伪随机码的一个突出的数字特性是，它可以使接收 机的随机码产生器非常迅速地与接收信号的伪随机 码同步。 同步是解扩过程的第一步。快速同步要求在接收信号中 码字的位置能够被迅速识别，这一点借助与巴克码的抵 自相关性实现。 抵自相关性另一好处是接收机可以拒收时延超过一个码 片周期的信号。 片码的另一个重要性质是低互相关性，这在移动电 话等必须避免多发射机间干扰的应用中非常重要。 低互相关性减少了相关器被不同伪随机码编码的信号干 扰的机会（如相关性会错误地解码采用不同片码的干扰 信号）。 DS

18、SS（直接序列扩频）（直接序列扩频） 直接序列扩频技术将直接序列扩频技术将2.4Ghz的频宽划分成的频宽划分成14个个22MHz的通道的通道 (Channel)，临近的通道互相重叠，在，临近的通道互相重叠，在14个频段内，只有个频段内，只有3个频个频 段是互相不覆盖的，数据就是从这段是互相不覆盖的，数据就是从这14个频段中的一个进行传送个频段中的一个进行传送 而不需要进行频道之间的跳跃。而不需要进行频道之间的跳跃。 为了弥补特定频段中的噪音开销，一项称为为了弥补特定频段中的噪音开销，一项称为“chipping”的技的技 术被用来解决这个问题。在每个术被用来解决这个问题。在每个22MHz通道中传

19、输的数据中的通道中传输的数据中的 数据都被转化成一个带冗余校验的数据都被转化成一个带冗余校验的Chips数据，它和真实数据数据，它和真实数据 一起进行传输用来提供错误校验和纠错。由于使用了这项技术，一起进行传输用来提供错误校验和纠错。由于使用了这项技术， 大部分传送错误的数据也可以进行纠错而不需要重传，这就增大部分传送错误的数据也可以进行纠错而不需要重传，这就增 加了网络的吞吐量。加了网络的吞吐量。 片码 伪随机码的一个突出的数字特性是，它可以使接收 机的随机码产生器非常迅速地与接收信号的伪随机 码同步。 同步是解扩过程的第一步。快速同步要求在接收信号中 码字的位置能够被迅速识别，这一点借助与

20、巴克码的抵 自相关性实现。 抵自相关性另一好处是接收机可以拒收时延超过一个码 片周期的信号。 片码的另一个重要性质是低互相关性，这在移动电 话等必须避免多发射机间干扰的应用中非常重要。 低互相关性减少了相关器被不同伪随机码编码的信号干 扰的机会（如相关性会错误地解码采用不同片码的干扰 信号）。 补码键控 除了使用单个片码对输入数据流的每个比特进行扩展外，还可以使用 一组扩码，并依据输入的数据比特组的数值对从这组扩码中选择一个 码。这种机制称为补码键控（Complementary Code Keying， CCK）。 80211b使用CSMA/CA作为路径共享协议，物理层调制方式为CCK （补码

21、键控）的DSSS。 在无线局域网通信中, 它支持两种速率5.5Mb/ s和11Mb/ s。5.5M速 率使用CCk串携带4位数字信息，11M速率使用CCK串携带8位数字信 息。两个速率的传输都采用了QPSK调制。 CCK的码字有很强的位置对称性和良好的自相关特性， 特殊的数学特 性使得他们能够在经过干扰或者由于反射造成的多方接收问题后，还 能够被正确地互相区分，可以很好地克服多径干扰，所以在雷达和通 信中都得到了很好的应用。 22MHz信道带宽 25MHz信道带宽 图4.9 IEEE 802.11 DSSS信道 信道信道1 信道信道2 信道信道3 信道信道4 信道信道5 信道信道6 信道信道7

22、 信道信道8 信道信道9 信道信道10 信道信道11 图4.10 2.4 GHz ISM波段DSSS信道 扩展频谱技术特点 很强的抗干扰能力 可进行多址通信 安全保密 抗多径干扰 跳频扩频 FHSS： 跳频扩频（跳频扩频（Frequency Hopping Spread Sprectrum, 简简 称称FHSS）：）：是在同步、且同时的情况下，收发两端以特是在同步、且同时的情况下，收发两端以特 定定形形式的窄频载波来传送信号，使用一个只有发送方和接式的窄频载波来传送信号，使用一个只有发送方和接 收方才知道的看似随机的模式（收方才知道的看似随机的模式（按照伪随机码的定义按照伪随机码的定义）在）在 各个频率之间快速切换各个频率之间快速切换(即：即：载波可以在一个很宽的频带上载波可以在一个很宽的频带上 从一个频率跳变到另一个频率。从一个频率跳变到另一个频率。)。 频 率 2.400 GHz2.483 GHz 时 间 1 2 3 4 5 6 7 8 9 FSSS （跳频扩频）（跳频扩频） l 使用FHSS技术，2.4G频道被划分成75个1MHz的子频道，接 受方和发送方协商一个调频的模式，数据则按照这