无线网络知识要点

第一章

无线通信（或无线电通信）是指利用无线电波传播信息的通信式。

无线电波是指在自由空间传播的电磁波。

与有线通信相比，无线通信不需要架设传输线路，不受通信距离限制，机动性能好，建立迅速。

1837年美国人莫尔斯(Morse)发明了有线电报

1876年美国人贝尔(Bell)发明了有线

1865年英国人麦克斯维尔(Maxwell)预测了电磁波的存在

1886至1888年德国人赫兹(Hertz)验证了电磁波的存在

1899和1901年英国人马可尼(Marconi)实现了无线通信

1946年美国电报公司(AT&T)建设了移动服务系统。

1962年出现了寻呼机

1979年在日本出现了蜂窝无线服务系统

1982年提出并成立了GSM

1988年美国高通公司提出CDMA

无线电波以“横向电磁波”的形式在空间中传播。传播速度为3 * 108m/s。

自由空间是不存在能量损耗的空间。

无线电波在自由空间传播时不存在能量损耗，但是会因为波的扩展而产生衰减。

衰减与发射天线增益、接收天线增益、发射机与接收机之间的距离有关。

卫星作为中继器的无线通信。

地球静止卫星：距离地球表面高度为35784Km的卫星的轨道期等于地球自转一所需的时间，如果卫星运动的向与地球自转的向一致，则卫星就会保持在地球表面上空的某一点几乎静止不变。

低轨道卫星：轨道高度在1500Km以下

中轨道卫星：轨道高度在10000-15000Km

高轨道卫星：轨道高度在20000Km以上

网络分类：

1. 按网络的地理位置分类

1）局域网：简称LAN 2）城域网：简称MAN 3）广域网：简称WAN

2. 按网络的拓扑结构分类

1）星型网络2）环形网络3）总线型网络（树型）

3. 按传输介质（基础设施）分类

1）有线网2）光纤网3）无线网

4. 按通信式分类

1）点对点传输网络2）广播式传输网络

5. 按网络使用的目的分类

1）共享资源网2）数据处理网3）数据传输网：用来收集、交换、传输数据的网络，如情报检索网络

6.按服务式分类

1）客户机/服务器网络2）对等网

第二章

从信源得到的电信号频率很低，称为基带信号。基带信号的最高频率和最低频率之比远大于1。基带信号需要经过调制才能在无线信道上传输。

调制是指将基带信号转换为适合于在信道中传输的信号。其实质是频谱搬移。

已调波的基本特征：

（1）仍然携带信息

（2）适合于信道传输

实现频谱搬移的法是用基带信号去控制正弦波的某个参量。

基带信号分为：数字基带信号、模拟基带信号

调制分为：数字调制（振幅、频率、相位）、模拟调制（振幅、频率、相位）

调制的作用：

1）为了有效辐射：可减小天线尺寸

2）实现信道复用：在同一信道中同时传输多路信号

3）提高系统的抗干扰能力：带宽越大抗干扰能力越大

4）克服设备的限制：将信号调制到设备的中心频率和制造带宽上，便于设备制造

多址技术是充分利用信道传输更多的信息的技术。多址技术需要对信号进行分割。

常用的多址技术有频分多址、时分多址、码分多址和空分多址。

频分多址式

利用频带区分用户，即将传输频带划分为若干个较窄且互补重叠的子频带，并给每个用户分配一个固定的子频带。

通常各个频带之间需要留有一定的保护间隔以减少各个频带之间的串扰。

时分多址式

按时隙区分用户的多址式。

时隙是把时间划分的独立的时间片。

TDMA式主要的问题是整个系统要有精确的同步，要由基准站同一系统各站的时钟，才能保证各站准确按时隙提取本站需要的信号。

码分多址式

按地址码区分用户的多址式。

对用户进行编码，接收机虽然能够收到各种编码，但是不能正确进行解析。

需要选择相互正交（即互不干扰，干扰为零）的码序列。

在CDMA系统中，带宽被展宽了。

空分多址式

利用不同的用户空间区分用户。

目前，主要是指利用用户的位置来区分用户。

另外，还有利用智能天线来区分不同的用户，即新一代空分多址式。

扩展频谱技术是一种信号带宽远大于传送信息带宽的传输法。简称扩频技术。

香农公式：C = B log2(1+S/N)

其中，C是信道的理想容量，B是带宽，S/N是信道的信号噪声功率比。

扩频技术的优点：

扩展频谱技术主要有以下两种：

直接序列（DS）扩频：直接用伪随机序列，对已调制或未调制信息的载频进行调制，从而达到扩展信号频谱的目的。

跳频（FH）：采用伪随机序列控制系统发射的载波频率，使其按照一定的规律在给定的频段期地跳变。

（1）低截获概率：侦察接收机难以对扩频信号进行监视、截获。

（2）抗干扰能力强：

（3）较高的时间分辨率：

（4）较高的信息保密性：敌难以识别扩频信号的有关参数。

（5）具有码分多址能力：伪随机码使得系统可以在同一时刻、同一地域工作在同一频段，而相互造成的影响较小。

编码技术是指将原始信号经过数学转换后编成一系列码字的技术。

编码技术分为两类：信源编码、信道编码

信源编码是为了提高数字信号有效性而采取的一种编码技术，其宗旨是尽可能压缩冗余度。

信道编码是通过增加码字，利用冗余度来提高干扰能力。

信源编码

信源编码主要体现在从模拟信号取样得到数字信号的过程。信源编码（例如语音）主要有波形编码和参量编码两种。

参量编码是利用信号处理技术提取语音信号的特征参量，将他们变换为数字代码。在接收端的恢复信号质量不够好。

波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列。在接收端的恢复信号质量好。

信道编码

（1）奇偶监督码（奇偶校验码）

把信息码元先分组，然后在每组的最后加1位监督码元，使该码字中“1”的数目为奇数或偶数，奇数时称为奇监督码，偶数时称为偶监督码。

（2）行列奇偶监督码

又称二维奇偶监督码或矩阵码。将信息排成一个矩阵，然后对每一行、每一列分别进行奇或偶监督编码。编码完成后可以逐行传输，也可以逐列传输。译码时分别检查各行、各列的奇偶监督关系，判断是否有错。

（3）恒比码

又称等重码或等比码。使码中“1”和“0”的位数（个数）保持恒定的比例。常见的有五位的3:2数字保护码、七位的3：4数字保护码。

（4）差错控制式

对差错进行控制。常用的差错控制式有：前向纠错（FEC）、检错重发（ARQ）和混合纠错（HEC）

前向纠错（FEC），又称自动纠错，发端发送纠错码，收端译码器自动发现并纠正错误。不需要反向信道，实时性好；但编码译码电路较复杂。在单工信道中采用它。

检错重发（ARQ），又称自动请求重发。发端发送检错码，收端译码器检测判决收

到的码字中有无错误，再把判决结果通过反馈信道送回发端，发端根据判决信号将收端认为有错的信息重发，直到正确接收为止。需要反向信道，编、译码设备简单。误码率低但不实时。

混合纠错（HEC），是FEC和ARQ的混合。发端发送纠、检错码，收端对错误能纠正就纠正，纠正不了时就等待发送端重发。他同时具有FEC的高传输效率和ARQ的低误码率和编译码设备简单的优点，但是需要反向信道，实时性较差。

第三章

无线通信系统是指利用电磁波在空间传播完成信息传输的系统。最基本的无线通信系统由发射器、接收器和无线信道组成。标准的无线通信系统由信源、发送设备、信道、接收设备、信宿组成。

无线用户之间的直接通信称为点对点通信；多个无线用户之间通过中继式进行通信称为无线网络通信。

单工与双工通信

单工通信：消息只能单向传输

双工通信：通信双可以同时发送和接收数据

半双工通信：消息可以在两个向上传输，但同一时刻只允一个向上的信息传输。

无线网络

多个无线用户之间通过中继式进行的通信。

无线网路种类：

（1）基于网络基础设设的网络，如星状网络

（2）无网络基础设施的网络，即自组织网（Ad hoc）

Ad hoc网络没有固定的路由器，网络中的节点可随意移动以任意式相互通信，每个节点都能实现路由器的功能而在网络中搜寻。

第四章

移动通信指通信的一或双在移动中进行信息传输和交换的通信式。移动通信包括移动用户和移动用户之间的通信、移动用户和固定用户之间的通信。移动通信产业是最具活力、发展最为迅速的领域，是全球经济的重要增长点之一。

移动通信的特点

（1）电波传播环境复杂、传播条件恶劣

山区、海洋、城市部等传播。受地形、地物遮挡。

移动环境下无线电波受地形、地物的影响，产生散射、发射和多径传播，形成了瑞利衰落，其衰落深度可达30dB

（2）干扰问题比较重：天电干扰、工业噪声

（3）频谱资源有限、业务量大

（4）交换控制、网络管理复杂

（5）移动通信设备的可靠性和工作条件高：手机小型、轻便、低耗、价廉、操作、维修便

移动通信的发展

（1）移动通信发展简史

1895年意大利人G.马可尼和俄国人A.C.波波夫分别成功地进行了无线通信实验。这是移动通信发展的起源。具体分为以下六个阶段。

1）第一阶段：萌芽阶段。20世纪20年代至40年代。特点是进行传播特性实验。

2）第二阶段：初期发展阶段。20世纪40年代中期至60年代初期。特点是专用移动通信系统向通用移动通信系统过渡。

3）第三阶段：改进和完善阶段。20世纪60年代中期到70年代中期。特点是中等容量、

大区制组网。

4）第四阶段：蜂窝移动通信诞生。20世纪70年代中期至80年代中期。特点是模拟蜂窝系统诞生。

5）第五阶段：数字蜂窝系统诞生。20世纪80年代中期至90年代中期。特点是GSM 数字蜂窝移动通信系统称为世界上拥有移动用户最大的移动通信系统。

6）第六阶段：第三代移动通信系统诞生。21世纪初。特点是支持高速多媒体业务、全球围的移动终端无缝漫游。

欧洲提出的CDMA、美国提出的cdma2000、中国提出的TD-SCDMA被ITU正式确定为第三代移动通信标准。

（2）移动通信发展趋势

1）小型化：体积要小

2）宽带化：移动宽带化、宽带移动化

3）网络融合化、泛在化和业务综合化：广播电视网、IP网、网、移动通信网融合；任时间、任地点、任人、任物都能顺畅通信（泛在化）；业务综合不仅仅是语音通信4）智能化和软件化：人工智能；多功能

移动通信新技术

（1）正交频分复用技术（OFDM）

正交频分复用技术是多载波调制的一种，始于20世纪60年代的军事通信。OFDM频谱和原理如图：

OFDM的优点如下：

1）频谱利用率高：相邻子载波重叠

2）抗衰落能力强：

3）适合高速数据传输：基于信道情况的自适应调制

4）抗码间串扰能力强：频带有限就会产生码间串扰

OFDM缺点：

对频偏饿相位噪声敏感、射频放大器的功率利用率低、系统复杂。

OFDM是未来移动通信系统的核心。

（2）无线链路增强技术

1）分集技术：如空间分集、时间分集、频率分集、极化分集

2）多天线技术/MIMO技术：MIMO是一种能够有效提高衰落信道容量的新技术。（3）链路自适应技术

无线信道具有时变性和衰落性，因此无线信道也是一个时变的随机变量。

由此，采用链路自适应技术。

（4）智能天线与空分多址技术

1）智能天线：是一个由多组独立天线组成的天线阵列、自适应信号处理器构成的天线系统。天线系统能够加权输出，根据需要动态地调整波束向，以使每个用户都获得最大主瓣。

2）空分多址（SDMA）：通过空间来区分不同的用户的技术。自适应SDMA是指天线阵元可以由基站用自适应的法加以控制，使得波束始终指向移动台，以跟踪它的运动。

*：智能天线技术是我国提出（用于TD-SCDMA）。

（5）软件无线电技术

软件无线电的基本思路是研制出一种基本的可编程硬件平台，只要在这个硬件平台上改变相应软件即可形成不同标准的通信设施，如不同技术标准的基站和终端等。

换言之，不同系统标准的基站和移动终端都可以有建立在相同硬件基础上的不同软件来实现。

（6）多用户检测

多用户检测用来消除多址干扰和符号间干扰，又称为联合检测技术。

多址干扰是指由于不同用户共享同一频段的带宽（各个用户之间由于其对应的地址码之间存在相关性）而产生的干扰。

符号间干扰是指由于信道特性不理想而产生的信号之间的相互影响。

无线空中接口

（1）GSM系统无线传输特性

1）工作频段：包括900MHz和1800MHz两个频段。900MHz由中国移动使用；1800MHz 频段由中国联通使用。

2）多址式：时分多址/频分多址、频分双工。频道间隔200KHz，每个频道采用时分多址接入式，共分为8个时隙，时隙宽为0.577ms，8个时隙构成一个TDMA帧3）频率配置：4小区3扇区（4*3）；当采用跳频技术时，采用3*3频率复用式。4*3

如图

无线空中接口工作频段为800MHz

频率围为：

825 – 835MHz（上行：移动台发，基站收）

870 – 880MHz（下行：移动台收，基站发）

第五章

微波是指频率围为300MHz~300GHz的电磁波，由于微波具有与光波相似的传播特性，通常被用作视距通信的手段。

采用多个微波接力站作为中继的通信称为微波中继通信。

采用卫星作为中继站的通信称为卫星(中继)通信。

卫星通信系统的组成

一个卫星通信系统由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统4部分组成。

跟踪遥测及指令分系统：跟踪测量卫星、轨道修正、位置保持

监控管理分系统：通信性能检测和控制

空间分系统：包括通信装置、遥测指令装置、控制装置、能源装置

地球站：微波无线电收发信台。

卫星通信系统如图

第六章

无线局域网（WLAN）是使用无线信道作为传输媒介的计算机局域网。无线局域网使用无线电波作为数据传送的媒介，传送距离一般为几十米，用于需要移动数据处理或无法进行物理传输介质布线的领域。IEEE 802.11是无线局域网标准。产品包括无线接入点（AP）、无线网卡、无线路由器、无线网关等。

无线局域网与有线局域网有很大的区别：

（1）无线传输要求分配频段、并有带宽和功率限制；

（2）无线信号传输环境比较恶劣；

（3）需要支持终端的移动性、支持连接检查管理、可靠性管理、功率管理等。

IEEE 802.11是最早的无线局域网标准，其数据速率为1M或2Mbps，频段2.4G，扩频模式有跳频和直接序列扩频。

IEEE 802.11a采用正交频分复用，54Mbps，5GHz频段

IEEE 802.11b采用直接序列扩频，11Mbps，2.4GHz频段，被无线高保真（WiFi）工业组采用，称为WiFi。

无线局域网的主要应用场合：

1）办公楼和家庭住宅的无线接入点：可以接入Internet

2）“热点”服务：允公众接入Internet的无线接入点。例如麦当劳、肯德基、星星级宾馆、学校、机场、社区等。

无线局域网的网络拓补结构：

1）基于基础设施的结构：通过接入点AP接入小区，AP在连接至有线网络

2）基于对等式的Ad hoc网络结构：无需AP直接通信

带有AP的无线局域网的组成：

1）无线局域网由无线网卡、无线接入点（AP）、计算机和有关设备组成

2）无线局域网采用单元结构，将整个系统分成多单元，每个单元称为一个基本服务组（BSS）

基本服务组BSS有以下三种式：

A. 集中控制式: 每个单元由一个中心站控制，网中的终端在该中心站的控制下与其他终端通信。

B. 分布对等式: BSS中任意两个终端可直接通信，无需中心站转接。

C. 集中控制式与分布对等式相结合: 一个无线局域网可由一个基本服务区（BSA）组成，一个BSA通常包含若干个单元，这些单元通过AP与某骨干网相连。骨干网可以是有线网，也可以是无线网。

802.11（wifi）的信道接入式

wi-fi的信道接入模式包括两种：CSMA/CA、节点协调模式(PCF)。

CSMA/CA就是传说中的载波监听冲突检测，最基本的无线接入式。

节点协调模式(PCF)：无线路由器安排特定的节点在特定的时间通信，从而造成无阻塞的信道。

802.11无线局域网协议的帧间间隔

SIFS（短帧间隔）、DIFS（分布式帧间间隔）、PIFS（点协调帧间间隔）、EIFS（扩展帧间间隔），前三种基本

自从1997年制定IEEE802.11标准以来，WLAN技术得到极大地发展。

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，提出IEEE802.11n标准

IEEE802.11n采用了MIMO和OFDM技术使得其传输速率为200Mbps甚至500Mbps

IEEE802.11n采用智能天线技术使得信号更稳定、干扰更小、覆盖面更大

IEEE802.11n采用软件无线电技术，兼容性好

目前无线局域网的两个典型标准是IEEE 802.11 系列标准和HiperLAN 系列。

IEEE802.11p主要用于车上用户与路边目标之间以及汽车之间的通信。

IEEE802.11p支持身份认证将使其能够取代射频识别技术（RFID）。

第七章

WiMAX(全球互联微波接入)，是一项新兴的宽带无线接入技术，对应于IEEE 802.16系列标准，主要用在MAN（城域网）中，由WiMAX论坛提出并于2001年6月成形。

WiMAX和移动通信逐渐融合，即WiMAX逐步实现宽带业务移动化，而第三代移动通信系统则实现移动业务宽带化。

第十章

蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线数据和语音传输的全球性开放技术规，工作在2.4G ISM 频段。蓝牙设计的初衷是将智能移动与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线式连接起来，进而形成一种个人网络，使得在其可达的围之各种信息化的移动便携设备都能无缝地共享资源。

蓝牙版本

问：蓝牙3.0，能兼容我2.1或2.0的蓝牙吗？

答：蓝牙技术向下兼容蓝牙v1.2/2.0/2.1。

问：蓝牙3.0速度是2.0的8倍，为什么的数据传输还是这么慢。

答：蓝牙设备，需双为蓝牙3.0时才能达到蓝牙3.0的理想速度，向下兼容运行时，低版本蓝牙决定速度。

问：蓝牙3.0适配器能有些什么应用

答：组建蓝牙无线局域网，与手机数据传输，连接蓝牙耳机，电脑无线聊天，蓝牙音频，蓝牙传真及打印。

问：我的电脑可以用蓝牙3.0适配器吗

答：没有配置要求，只要你电脑有USB接口就可以用，WINDOWS任系统下均可。

蓝牙技术的特点

（1）蓝牙技术的开放性：与生俱来

（2）蓝牙技术的通用性：2.4GHz的ISM频段

（3）短距离：10-100m

（4）无线“即连即用”：省去连线的烦恼

（5）抗干扰能力强：采用跳频式扩展频谱

（6）支持语音和数据通信：

（7）组网灵活：所有设备平等、遵循相同的工作式

（8）蓝牙模块体积很小、便于集成

（9）低功耗：发射功率小、消耗功率极低

（10）低成本：各个供应商均可推出自己的蓝颜芯片和模块

蓝牙设备的组成

蓝牙设备由蓝牙模块和蓝牙主机组成。

蓝牙模块由天线、无线射频单元、基带和链路控制单元和主机控制接口组成；蓝牙主机实现蓝牙高层协议和应用。

（1）无线射频单元：是一个无线收发器

（2）基带和链路控制器：完成蓝牙协议栈中的蓝牙基带层协议，主要功能包括：1）建立物理连接

2）数据分组打包/解包

3）提供2种不同的物理链路类型、5种逻辑链路和多种分组类型

4）差错控制

5）鉴权和加密

（3）蓝牙链路管理（LM）：负责蓝牙协议栈中的链路管理协议（LMP），主要功能如下：1）设备号请求

2）链路地址查询

3）链路模式协商和建立

4）链路连接建立和关闭

5）鉴权

6）决定帧的类型

7）设备功耗模式设置（监听模式、保持模式或者休眠模式）

（4）主机控制接口单元（Host Controller Interface）：提供了主机访问基带控制器、链路管理以及硬件状态和控制寄存器的命令格式，可以实现主机设备与蓝牙模块之间的互操作性。（5）蓝牙主机：实现蓝牙高层协议和应用。蓝牙高层协议栈通常设计成一个软件部分，运行在主机设备上，称为主机栈。

蓝牙网络结构

蓝牙既可以“点到点”连接也可以“点到多点”连接，因此蓝牙网络的拓扑结构有2种：微微网（Piconet）和散射网（Scatternet）。

蓝牙在物理层采用调频技术，这要求蓝牙设备必须首先通过彼此的调频模式，发现彼此的存在才能相互通信。

（1）蓝牙微微网

蓝牙网络结构

蓝牙中的基本联网单元是微微网，它由一台主设备和1-7台活跃的从设备组成，首先发起呼叫的蓝牙设备叫做主设备，其余的叫做从设备。

从设备之间不能直接通信，所有用户均用同一调频序列同步。

（2）蓝牙散射网

多个微微网互联组成的网络称为分散网。

散射网是由多个独立的非同步的微微网组成的，以特定的式连接在一起，每个微微网有一个不同的主节点，独立地进行跳变。

对于无线通信系统而言，射频部分就是通信系统的空中接口，不同厂商的设备要实现兼容或者互操作的基本要求就是射频规统一

蓝牙利用ISM频段中的2.4GHz。大多数使用79个频道，载频为2402+kMHz （k=0,1，…，78），频道间隔1MHz。

蓝牙设备的最大发射功率分为以下三个等级：

1）1类：最大输出100mW（+20dBm）、最小输出1mW（0dBm）；最大传输距离100m 2）2类：最大输出24mW（+4dBm），最小输出0.25mW（-6bBm），最最大传输距离10m

3）3类：名义输出1mW，传输距离10cm

ZigBee建立在802.15.4标准之上。

IEEE 802.15.4是为满足低功耗、低成本的无线传感器网络要求而专门开发的低速率WPAN标准。IEEE 802.15.4工作在ISM频段，它定义了2.45GHz频段和868/915 MHz频段两个物理层，这两个物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术。在2.45GHz频段有16个速率为250kbps的信道，在868 MHz频段有1个20kbps的信道，在915MHz频段有l0个40kbps 的信道。

支持三种网络拓扑结构

星型、树型和网状，其中星型是基本的

全功能设备(FFD)、精简功能设备(RFD)

FFD 设备可提供全部的IEEE 802.15.4 MAC 服务，可充当任ZigBee 设备，因此FFD 设备不仅可以发送和接收数据，还具备路由功能；而RFD设备只提供部分的IEEE 802.15.4 MAC 服务，只能充当终端节点，不能充当协调点和路由节点。

无线传感器网络的事实上的标准是ZigBee

ZigBee共定义了27个物理信道

其中，868MHz频段定义了一个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；

2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。

ZigBee 有两种类型的地址：64 位IEEE 地址、16 位的网络地址。

64 位的IEEE地址，即MAC地址，是一个全球唯一的地址，一经分配就将跟随设备一生。它通常由制造商或者被安装时设置。

ZigBee技术：ZigBee技术特点

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术

(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低。

(2) 成本低：

(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短

(4) 网络容量大：一个星型结构Zigbee网络最多可容纳254

个从设备和一个主设备，一个区域可以同时存在最多100个ZigBee网络

(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略

(6) 安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法