无线宽带接入技术探析

1、 *学 院毕业设计论文 题 目：无线宽带接入技术探析 系 部： 专 业： 姓 名： 指导教师： 年 月无线宽带接入技术探析内容摘要: 无线宽带接入可以很好的解决有线网络的种种弊端。无线宽带接入是网络融合的桥梁和纽带，无线宽带接入技术多样化的趋势将越来越明显,无线宽带接入网作为承载业务,直接面向用户的网络,是表达运营商的用户覆盖率和企业竞争力主要指标的关键之一,与核心网趋于融合的趋势不同,接入网层面将有众多技术百花齐放。本文要介绍几种无线宽带接入技术，Wi-Fi(Wireless Fidelity)，WiMAX全称是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for

2、Microwave Access)，还有无线mesh网络是新近出现的一种无线多跳网状拓扑网络,是一种很有开展前途的无线接入网络技术。这里简要介绍它们的网络结构、特点、应用,并分析影响无线其网性能的主要技术因素。 关键词:Wi-Fi，WiMAX，无线mesh网,宽带无线接入,无线多跳网 目 录1.Wi-Fi(Wireless Fidelity)技术4技术53.无线Mesh网络技术64.无线Mesh网的网络架构65.无线Mesh网络的特点76.无线Mesh网的应用97.无线Mesh网络的关键技术因素9结束语11参考文献11 1.Wi-Fi(Wireless Fidelity)技术 Wi-Fi(Wi

3、reless Fidelity)是属于无线局域网(WLAN)的一种,通常是指802.11b产品,它的主要特点是传输速率高,可靠性高,建网速度快简便、可移动性好、网络结构弹性化、组网灵活、组网本钱较低等,具有良好的开展前景。Wi-Fi工作在2.4GHz频段。最高速度达11mb/s,传输距离可达100公尺,在全封闭区域可达300公尺,是目前的主流WLAN技术。近年来Wi-Fi在市场上欣起一股热潮,据预测,到2007年美国将安装53万个点,欧洲安装70万个点,亚洲也将安装100多万个点,Wi-Fi有着“无线版本以太网的美称, 由于目前的以太网标准(IEEE802.3标准)几乎已经成为局域网的代名词,

4、世界上至少有80%以上的局域网采用以太网技术。而WLAN同样为IEEE制定的标准,所以其几乎可以视为以太网标准在无线领域的延伸,这使WLAN在应用上具备无痕过渡和顺利安装的特点。 Wi-Fi的安装和设置相当简单,在某个区域要建立网络接入连接时,只需要在一定的范围内设立相应的接入点就可以了。规划、布线、测试等传统工序可以被忽略,如在家里引入Wi-Fi整个接入工序不到10分钟。同时Wi-Fi的综合本钱非常低(预计为有线以太网的50%左右)。Wi-Fi拥有许多优点,但是不可无视的是它存在的平安隐患这个致命的缺点。Wi-Fi采用的是RF(射频)技术,通过空气发送和接收数据,所以非常容易受到来自外界的攻

5、击,甚至进入未受保护的公司内部局域网.Wi-Fi用户已达数亿，Wi-Fi商业性热点已经在全球广泛部署。自从英特尔2003年推出集成Wi-Fi模块的移动迅驰笔记本之后，Wi-Fi笔记本用户群日益扩大，目前市场上超过60%的笔记本都具有Wi-Fi通信功能。根据Wi-Fi联盟的统计，2006年Wi-Fi行业售出了2亿多个芯片集，手持设备和消费类电子产品成为增长的新动力。根据咨询机构Infonetics的研究报告，预计2007年用户对WiFi 的需求将继续提升，预计从2007年至2021年，Wi-Fi 的出货量将增长13倍。根据著名市场调研公司ABI Research 2006年底的预测，由于对宽带无

6、线互联网需求的浪涌式增长，2006年商业性Wi-Fi热点数量超过十四万个。同时该报告研究说明，越来越多的用户都较长时间地使用Wi-Fi热点。Wi-Fi MESH市场需求空间很大。传统基于IEEE/b/g的Wi-Fi典型覆盖范围为室外300米、室内30米。受到覆盖范围的限制，传统Wi-Fi很难在城市范围内满足笔记本和PDA用户随时随地宽带上网的需求。如果将Wi-Fi热点“编织起来，结成互相连接的网状网络MESH，那么就可以利用Wi-Fi MESH覆盖校园、街区甚至整个城市。截至目前，包括Motorola和Nortel在内的众多厂商已经开发出各种Wi-Fi MESH产品并获得大规模应用，非标准化的

7、产品已经成为现实。为了解决各厂商Wi-Fi MESH产品之间的互操作性，IEEE启动了MESH标准化工作802.11s，预期2021年内可以发布标准。可以看出，Wi-Fi MESH是在强烈的市场需求驱动下出现的，其开展过程与3G、WiMAX恰恰相反，是先有产品，后进行标准化。Wi-Fi 的应用 无线局域网的架设无线网络是透过电脑互相连接所组成的，如果这些相连的电脑分布在相隔不远的位置如一幢大厦、校园或工厂等，该网络就称为“局域网LAN。由铜缆或光纤等电缆所连成的网络，称为“有线局域网。和有线局域网相反，无线局域网利用了无线电频率Radio Frequency, RF的技术，令电脑用户可以无线的

8、方式，透过电磁波于空气中传输资料，除了为用户带来更多的方便外，也免去了不少电缆布局以及因电缆损坏而使网络中断的烦脑。根据用户对象，无线局域网有以下两类:一 供个人及公司内部人员使用的私人无线局域网凭藉Wi-Fi技术，用户再也不需先在家中或公司的墙壁上钻孔，才能把缆线接入各个房间。相反，用户只要安装一个无线接入点Wireless Access Point，并在每台手提电脑上插入无线网络卡或使用内建无线模组的手提电脑，就可以在家中或办公室内轻轻松松的使用无线上网，有些企业也会藉著架设无线局域网以减低运作本钱和增加生产力。二 供群众使用的公用无线局域网站点热点Hotspot一些公共地方如机场、大型购

9、物商场、休闲咖啡店等，为了方便用户以自?的手提电脑或个人数码助理进行无线上网，也架设了与互联网相连的无线局域网以供客户使用。由于无线网络是利用电波作传送媒介，资料封包被截取的可能性相对地提高。而且，企业内部的资讯传输，往往会涉及一些客户及公司的机密资料。所以，就采用无线区域网而言，最令企业用户担忧的并不是效能或本钱的问题，而是在网络保安方面的考量。现时的Wi-Fi 产品主要利用WEP Wired Equivalent Privacy技术作资料加密之用，然而，其保安的效能却一直备受质疑。另一方面，支援新一代 WPA Wi-Fi Protected Access加密方式的Wi-Fi 产品亦相继出现

10、，虽然提供了较WEP好的保安性，但业界普遍相信，于短期内，无线保安仍然会是一个相当棘手的问题。2.WiMAX技术 WiMAX全称是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access),是一种类似于Wi-Fi的新型无线网络技术,它具有覆盖范围更广、传输速率和可靠性(平安性)更高等优点。它所采用的IEEE 802.16标准是一种基于微波和毫米波频段(2GHz11GHz)的新的空中接口标准的技术,可以替代现有的有线和DSL连接方式,来提供最后一公里的无线宽带接入。WiMAX将提供固定、移动、便携式的无线宽带连接,现在WiMAX已经从本质上

11、改变了最初的应用方向。增加了移动通信方面的效劳。通过参加移动特性,一方面WiMAX可以像原来设想一样,作为效劳和提高电信运营商最后一公里接入的技术手段。同时还可以成为FMC(固定和移动网络融合)的主流接入技术。 WiMAX具有以下优点: 一是WiMAX执行IEEE标准,较长的传输距离(50公里)和较大的无线覆盖范围(6-10公里),传输速率最快75Mbps。 二是具有理想的非视距传输特性,因此能够在不同的环境下获得最正确的传输性能。 三是集中了有线/无线接入的优点,并结合了Wi-Fi无线接入技术的移动性与灵活性。 四是WiMAX还能够通过将无线接入系统上升到无线接入网络,多中心站之间通过负荷分

12、担的方式大大增加了网络容量。 五是基站建设方面,WiMAX不同于过去所采用的无线技术,需建高高的基站。从而可大大降低运营商的本钱。六是目前正在制定中的IEEE 802.16e,面向移动终端,最大传输距离为3千米5千米。当前,人们特别关注的是标准已确定的802.16-2004,它主要用于连接互联网效劳的接入线路,也就是替代使用 线的ADSL等,将通信运营商与用户连接起来。 接照WiMAX的商用方案,预计到2021年802.16功能的笔记本电脑,就可以不间断地享用高于3G十倍的速率而构成的宽带精彩内容效劳。而且WiMAX还能作为Wi-Fi的备份,使用户可快速,方便地在Wi-Fi和WiMAX间自由切

13、换和访问互联网。 3.无线Mesh网络技术 在宽带无线接入领域,各种无线通信技术蓬勃开展的同时,一种新的无线网络技术3G移动通信等技术相结合,组成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。这种无线网状网,可以大大增加无线系统的覆盖范围,同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性,是一种非常有开展前途的宽带无线接入技术。 4.无线Mesh网的网络架构 传统的无线接入技术中,主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点,例如移动通信系统中的基站、802.11WLAN中的AP等等。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连,控制各无线终端对无线网络的访问就;另一方面,

14、中心节点又通过有线链路与有线骨干网相连,提供到骨干网的连接。而在无线mesh网络中,采用网状mesh拓扑结构,也可以说是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种mesh网络结构中,各网络节点通过相临其他网络节点,以无线多跳方式相连。 无线mesh网主要由两种网络节点组成: mesh路由器和mesh终端。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关/中继功能外,还具有支持mesh网络互连的路由功能。Mesh路由器通常具有多个无线接口,这些无线接口可以是基于相同的无线接入技术构建,也可以是基于不同的无线接入技术。与传统的无线路由器相比,无线mesh路由器可以通过无线多跳通信,以低得多的发射功率获得同样的

15、无线覆盖范围。在无线mesh网络中,由mesh路由器互连构成无线骨干网,这个无线骨干网再通过其中的网关mesh路由器与外部网络如Internet相连。 Mesh终端也具有一定的mesh网络互连和分组转发功能,但是一般不具有网关桥接功能。通常,mesh终端通常只具有一个无线接口,实现复杂度远小于mesh路由器。Mesh终端可以是笔记本电脑、掌上电脑、PDA以及 等终端设备。Mesh终端之间互连可以构成一个小型对等通信网络。mesh路由器和mesh终端之间混合组网 无线mesh网与同样采用多跳网状拓扑的Adhoc网相比,也有所不同。Adhoc网络是由移动终端设备组成的无线分布式多跳网络,其中一般不

16、包含静止的节点设备;而无线mesh网中的无线路由器大多是静止的设备,而用户终端也可以是静止或移动的无线接入终端。此外,adhoc网的设计目的是为了实现用户移动终端设备之间的对等网络通信,而无线mesh网络着重的是给终端用户提供无线接入功能。 5.无线Mesh网络的特点 与传统的无线接入技术相比,无线mesh网具有一些新的特点: 1.无线多跳网络 无线mesh网技术开发的目标是在不牺牲信道容量的情况下,扩展现有无线网络的覆盖范围。另一个目标是在不具有直接视距无线链路的用户之间,提供非视距连接。为了实现这些目标,不可防止的要采用多跳mesh网络。多跳mesh网络架构中,无线链路间更短、发射功率更小

17、、节点间干扰更少和频率重用效率更高,这样可以在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量。 2.支持adhoc方式网络互连,具有自组织、自管理、自愈能力 无线mesh网具有网络结构灵活、易于部署和配置、容错以及网状连接多点到多点通信等特点,使得无线mesh网的初始部署本钱相当低,并且可以根据需要逐步扩容。自组织自愈能力使得无线meh网不需要网络管理员来手工配置网络,而可以自动发现新节点,自动完成配置过程,自动维护网络正常运行,在出现节点/链路故障时也可自动调整完成网络自愈。 3.多种类型的网络接入 在无线mesh网中,既支持无线终端接入骨干网,又支持无线终端之间的对等网络通信。此外,把无线mes

18、h网技术与其他无线网络相结合,可以通过无线mesh网给这些无线网络的终端用户提供无线接入业务。 4.移动性以及能耗限制与节点类型相关 无线mesh网中,mesh路由器一般为静止不动的设备,而mesh终端可以是移动或固定设备。同时,mesh路由器一般没有能耗的限制,而mesh终端那么需要采用能耗较小的网络通信协议。这样,MAC以及路由协议需要针对mesh路由器和mesh终端设备分别设计和优化。 与同样具有自组织、自管理以及多跳无线adhoc拓扑的adhoc网络相比,无线mesh网也有自己与adhoc网络不同的特点: 5.具有无线根底设施骨干网 无线mesh网内,由mesh路由器组成一个无线骨干网

19、,专门用于给终端客户提供可靠网络连接。这个无线骨干网在无线域内提供了大覆盖范围、连通性以及健壮性。反观Adhoc网络那么是基于各个不可靠的终端用户来进行通信,不存在专门提供网络连接效劳的根底骨干网,这给adhoc的应用带来了很大的限制 ，无线mesh网可以通过mesh路由器的网关/桥接功能,整合现有多种无线网络技术,如802.11、802.16、3G移动通信等。这样,通过mesh路由器组成的无线骨干网,可以把多种不同无线网络连接到一起,形成一个“无线互联网。而adhoc网络由于是用户终端自组网,而用户终端一6.集成性 无线mesh网可以通过mesh路由器的网关/桥接功能,整合现有多种无线网络技

20、术,如802.11、802.16、3G移动通信等。这样,通过mesh路由器组成的无线骨干网,可以把多种不同无线网络连接到一起,形成一个“无线互联网。而adhoc网络由于是用户终端自组网,而用户终端一般不具备这种网关/桥接的功能。 7.路由和配置功能的专门化 在adhoc网络中,每个终端用户设备都要为所有其他节点执行路由和配置功能。而在无线mesh网中,虽然mesh终端也有路由转发功能,但是主要还是由mesh路由器来执行路由和配置功能,大大减轻了普通mesh终端的负载。 8.拓扑结构的相对稳定 adhoc网络中,由于终端用户的移动性和不可靠性,网络拓扑和连接的变化较大,使得路由协议和网络配置和部

21、署带来了很大的挑战。无线mesh网中,mesh路由器一般是静止不动设备且较用户终端可靠的多。 9.功耗限制减少 无线mesh网络中,mesh路由器一般为静止不动的设备,与adhoc网中的移动终端相比,根本没有功耗限制。这样,在设计mesh路由器的物理层、MAC层以及网络层路由协议时,根本可以不考虑功耗限制,这大大简化了协议设计,同时还可以采用性能较高的设计方案。 6.无线Mesh网的应用 3G等各种无线接入技术相结合,实现家庭网络、社区网络、企业网络以及城域网络内的多层次多范围的无线应用。 1.宽带家庭网络互连 现在,宽带家庭网络互连大多采用802.11WLAN来实现,在WLAN中AP的放置需

22、要现场勘察,但仍不免产生覆盖不到的盲区。为了消除盲区,可在家庭互连网络中采用无线mesh网技术,放置多个小型mesh路由器,以多跳mesh网络互连家庭内部数字设备可以有效的消除盲区,同时还可以大大提高网络容错性,且可减少由于迂回访问产生造成的网络拥塞。 2.社区网络互连 采用无线mesh网技术,通过在社区内放置多个mesh路由器可以将社区内各用户家庭网络互连,形成一个社区无线多跳网络。有了这个社区无线互连网络,就可以在社区内用户家庭之间共享假设干个Internet接入设备,而不必在每个用户家庭安装Internet接入设备。而且,社区无线mesh网还可以容许社区用户家庭无需通过远端效劳提供商网络

23、,就可以在社区本地相互访问,共享社区内网络资源。此外,社区无线mesh网的网状拓扑结构,也给社区用户提供了更加可靠的网络连接,增强了网络容错性和健壮性。 3.企业网络互连 目前,802.11WLAN已经在企业办公室写字楼中得到了广泛的应用,但这些WLAN或者相互没有连接,或者采用不太经济的有线以太网方式相连。而采用无线mesh网技术,通过mesh路由器将这些WLAN互连,一方面可以解决WLAN网络之间连通性问题,另一方面相对采用有线互连方式还可以节约本钱,灵活部署,同时提高了网络的容错性和健壮性。 4.城域网络互连 3G等其他无线接入技术可以形成一个城域大范围、多层次、多样化接入方式的无线接入

24、网络,使得城域无线接入网络的覆盖广度深度都大大增加。 7.无线Mesh网络的关键技术因素 无线mesh网作为一种新的无线接入网络技术,需要考察影响其性能的关键技术因素。这些技术因素如下: 1.物理层无线电技术 新兴的物理层无线电技术如定向智能天线、自适应调制编码、MIMO技术以及多无线电/多信道系统已经成为下一代无线接入系统的不可或缺的关键技术。此外,为了进一步改善无线射频性能以及高层协议的控制,更先进的可重配置无线电、感知无线电、甚至软件无线电技术都已开始在无线系统中有所运用。这些高级物理层无线电技术的开发设计不仅对物理层性能起着决定性作用,而且要求进行整合物理层、MAC层和网络层进行整体设

25、计,以便最大限度的提高整个网络性能。 2.MAC层多址访问机制 无线mesh网是分布式无线多跳网状网。现有的无线网络MAC机制大多都是针对单跳无线网络设计的,这种面向单跳无线网络设计的MAC机制并不适于分布式无线多跳网状网络,如802.11WLAN的MAC机制在无线链路跳数到达四跳时,性能下降非常大。同时,在无线mesh网这种分布式无线多跳网状网中,由于实现时间同步和码管理困难,采用TDMA和CDMA多址接入也比拟复杂。此外,在无线mesh网络中,还要求能够有效的进行空间频率重用,以提高网络容量。这样, MAC层机制设计将成为影响无线mesh网性能和成功与否的关键技术因素之一。 3.Mesh拓扑连接的维持 无线mesh网的很多技术特点和优势来自于其mesh网状连接,mesh连接的维护也就成为无线mesh网的MAC和路由协议设计中的一个关键。一般来说,需要在无线mesh网中实现网络自组织和拓扑控制算法,设计具有拓扑感知能力的MAC和路由协议。 4.Mesh路由协议 无线mesh网络中,mesh路由协议的设计是