《无线网络》PPT课件.ppt
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1、计算机网络(第3版),第8章 无线网络,本章导读,无线通信技术产生于计算机发明之前。1897年赫兹最早通过实验证明了电磁波的存在,证实了光从其本质上说也是一种电磁波的问题。无线通信技术改变了人类的通信方式也改变了人们的生活。其实早期的计算机网络就是首先建立在无线通信技术基础之上的。在20世纪60年代未,夏威夷大学研制的ALOHA就是一个通过无线通信建立的计算机网络。,主要内容,8-1 无线网络8-2 无线通信介质8-3 移动通信技术的发展8-4 无线通信的主要技术8-5 无线通信协议8-6 无线网络的连接8-7 无线网络应用,8-1 无线网络,8-1-1 无线网络的概念指采用无线传输介质,例如
2、微波、红外线等的计算机网络。不受地区限制,可以连接有线介质无法连接或者连接困难的场合,特别适合港口、码头、古建筑群、市中心两幢高楼之间等地方的连接。无线网不受障碍物限制,速率较高,架设也很方便,组网迅速,并且可传输几十公里,将局域网扩大到整个城市。,8-1 无线网络8-1-2 无线网络分类可以分为多种类型:无线局域网、无线广域网、无线城域网、无线个人网等。1.无线局域网WLAN将无线局域网的应用划分为室内和室外两种类型。可被用于禁止铺设大量电缆线的临时办公地点或其他场合,也被作为有线网络的补充,以方便那些在不同时间要在同一建筑中不同地点办公的用户。2.无线广域网WWAN 可使用户通过远程公共网
3、络或专用网络建立无线网络连接。,8-1 无线网络8-1-2 无线网络分类3.无线城域网WMAN 使用户可以在一个大城市的不同地点建立无线联系,如在不同的办公楼间或不同的校园间进行无线联系,而不必花费高昂的费用铺设光缆、电缆和租赁线路。既可以使用无线电波也可以使用激光等来传送数据。,8-1 无线网络8-1-2 无线网络分类4.无线个人网WPAN主要服务于个人工作、娱乐或家庭内对无线网络连接的需要。以无线的形式连接诸如个人数字助理PDA、蜂窝电话或笔记本电脑等各种个人应用装置。在WPAN内,所有支持无线通信协议的设备可以在一瞬间组成1个局域网,共享资源。,8-2 无线通信介质,无线通信是通过电磁波
4、在移动载体,如汽车、飞机中或使用移动设备(如手机等)使用的通信方式。8-2-1 移动通信介质用于无线通信的介质为电磁波,其传播的速度等于光速。电磁波可以按照频率或波长来分类和命名并具有不同的传输特性。1.电磁波频谱按照波长的不同形成了无线通信的多种类型。电磁波的频率越高,波长越短,反之亦然。,电磁波频谱及在通信中的应用,8-2 无线通信介质8-2-1 移动通信介质2.无线电波的传播特性通过多种传输方式从发射天线传播到接收天线。主要有表面波、天波、自由空间波、散射波和外层空间波等5种传播方式。(1)表面波电磁波沿着地球表面到达接收点的传播方式。当波长与障碍物高度相当时,产生绕射。(2)空间波发射
5、以及接收天线架设得较高的时候,在视线范围内,电磁波从发射天线直接传播到接收天线,这样传播方式的波叫直接波。,8-2 无线通信介质8-2-1 移动通信介质2.无线电波的传播特性(3)天波也称电离层波,就是自发射天线发出的电磁波,在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。(4)散射波天线辐射出去的电磁波,投射到这些不均匀体的时候,电磁波发生散射或反射,只有一部分能量传播到接收点,这种传播称为散射传播。,8-2 无线通信介质8-2-1 移动通信介质2.无线电波的传播特性(5)外层空间波外层空间波也称为自由空间波,是电磁波在对流层和电离层以外的外层空间中的传播方式。,8-2 无线通信介质8-2-2
6、微波1.微波传输特点使用波长为1mm至0.1mm的电磁波进行通信。在空间沿直线传播是微波通信的重要特点,通过天线,微波中继实现“接力通信”是微波通信组网的主要方式。2.微波应用两点间直线距离内无障碍时可使用微波传送。3.ISM波段ISM波段为2.4002.484GHz,在各个国际无线管理机构中都是非注册使用频段。,8-2 无线通信介质8-2-3 卫星接入卫星是微波传输的一种,其一个站点是围绕地球轨道运行的卫星,是利用卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式。1.同步卫星卫星在地球同步轨道上运行,高度为35786km,在地球上任何一点看到的通信卫星都是相对静止的。一般都“定点”在赤道上空
7、,并有一系列的标准参数。,地球同步卫星,8-2 无线通信介质8-2-3 卫星接入2.低轨道卫星一般距离地面1000km,空间传输损耗较少。卫星形成的覆盖小区在地球表面快速移动,绕地球一周约需两小时。若干数量的卫星组成空间移动通信网,在任一时间和地球上的任一地点,都有至少1颗卫星可以覆盖。卫星之间实行空间交换,以保证陆地、海洋乃至空中的移动通信不间断地进行。,8-2 无线通信介质8-2-4 红外线红外线的波长比红光的波长还长,约为750nm10m,人的眼睛无法看到。温度高于绝对零度的物体都会辐射出红外线。传输有3种模式:直接红外线连接、反射式红外线连接和全向型红外线连接。1.直接红外线连接将两个
8、要建立连接的红外线通信接口面对面(左右偏移一般不超过15)近距离放置,中间不能有障碍物。,8-2 无线通信介质8-2-4 红外线2.反射式红外线连接不需要面对面放置,只要是在同一个封闭的空间内,依靠光线的反射彼此就能建立连接。3.全向型红外线连接利用一个反射的红外线基站为中继站,将各个设备的红外线通信接口指向基站,这些设备间便能通过基站建立连接。红外线连接的传输距离比较短,一般不超过1.5m,且易受到障碍物的阻隔,没有穿透能力,因此在组网时受到很大局限。,全向性红外线连接,8-2 无线通信介质8-2-5 激光原子在外加光的诱发和刺激下可以使其能级迅速跃迁,并放出光子。这种过程是被“激”出来的,
9、故称受激辐射。有很强的方向性沿直线传播,够产生非常纯净的窄光束,同时具有更高的能量输出,在射向目标中途不会产生反射现象,只能是直接连接。用于长途通信中需要高数据速率的场合或需要安全连接的环境中。适合在不能挖掘路面、埋设管线,或两栋建筑被海所隔,铺设管线成本很高时,并且是在空旷或拥有制高点的地方用来建立两个局域网之间连接的信道。,8-3 移动通信技术的发展,无线通信技术的发展促进了移动通信的实现。移动通信技术是建立在无线通信技术基础上的网络通信技术。8-3-1 第1代移动通信技术以提供语音通信服务的模拟系统为主,其代表是由美国著名的 AT&T贝尔实验室于1976年开发并于1983年首次在美国投入
10、商业运营的移动电话系统的“高级移动电话服务”,俗称蜂窝电话。1个蜂窝的通信范围在1020km之间。各个蜂窝都有1个低功率的无线电基站。,基站以有线的方式连到移动电话交换中心,该移动电话交换中心再与本地的公共中心网络或是另一个移动电话交换中心连接,以完成1条通话链路。当移动用户打电话时,先向基站要求频道,基站有闲置的频道时,就分配给该用户使用,用户才能打电话。,8-3 移动通信技术的发展8-3-2 第2代移动通信技术为数字式移动电话系统,是目前全球移动通信的主流技术。其代表是全球数字式移动电话系统GSM和码分多路访问CDMA系统。GSM系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统。GS
11、M的致命缺陷是数据传输速率只有9.6kbit/s。1998年出现了通用分组无线业务GPRS技术。GPRS采用了报文分组交换技术,其数据最大传输速率可达172.2kbit/s。,8-3 移动通信技术的发展8-3-3 第3代移动通信技术1996年,ITU将第3代移动通信系统名称变更为“国际移动通信-2000”(IMT-2000),并赋予了其3大涵义:工作在2000MHz、最高传输速率为2000kbit/s、在2000年进入商业应用。1.3G的功能能支持话音数据综合和移动多媒体服务的宽带数字移动网络。由4个功能子系统构成:核心网(CN)、无线接入网(RAN)、移动台(MT)和用户识别模块(UIM)。
12、,8-3 移动通信技术的发展8-3-3 第3代移动通信技术2.3G的主要特点特点是:综合了蜂窝、无绳、寻呼、集群、无线扩频、无线接入、移动数据、移动卫星、个人通信等各类移动通信功能,提供了与固定电信网络兼容的高质量业务,支持低速率话音和数据业务,以及不对称数据传输。可以实现移动性、交互性和分布式3大业务。是一个通过微微小区,到微小区,到宏小区,直到“随时随地”连接的全球性卫星网络。,8-3 移动通信技术的发展8-3-3 第3代移动通信技术3.3G的主要标准(1)IMT-2000 CDMA-DS(直接扩频CDMA技术),即WCDMA,这一技术由欧洲的几家技术领先公司与日本联合提交。(2)IMT-
13、2000 CDMA-MC(IMT-2000多载波CDMA技术),即CDMA2000,这一标准由以美国高通公司为代表的美国技术企业提交。(3)IMT-2000 CDMA-TDD(IMT-2000时分双工CDMA技术),即TD-SCDMA,这一技术标准建议由中国大唐电信公司提出。,8-3 移动通信技术的发展8-3-3 第3代移动通信技术4.TD-SCDMA是我国首次向国际电联提出的第3代无线通信协议标准,是一种基于CDMA,结合智能天线、软件无线电(Software Radio)、高质量语音压缩编码等先进技术的优秀方案。技术的一大特点就是引入了SMAP同步接入信令,在运用CDMA技术后可减少许多干
14、扰,并使用了智能天线技术。另一大特点就是在蜂窝系统应用时的越区切换采用了指定切换的方法。TD-SCDMA技术的提出,对于中国能够在第3代移动通信标准制定方面占有一席之地起到了关键作用。,8-4 无线通信的主要技术,移动通信的特点要求采用多址技术,多址技术实际上就是指基站周围的移动台以何种方式抢占信道进入基站和从基站接收信号的技术。移动台只有占领了某一信道,才有可能完成移动通信。一个基站需要同时和多个用户进行通信,因而必须对不同的用户和基站发出的信号加以区别,即信号在参数上有所不同。这样基站才能从众多用户中区分出各用户的信号,而各用户又能从基站发出的众多信号中识别出哪个信号是发给自己的。,8-4
15、 无线通信的主要技术8-4-1 多址技术种类多址技术就是实现在射频信道上多个用户能相互通信的技术。现在常用的多址方式有4种:频分多址 FDMA,时分多址 TDMA,窄带码分多址 CDMA和空分多址 SDMA。1.频分多址 FDMA基于频分多路复用技术的多址技术。2.时分多址TDMA基于时分多路复用技术的多址技术。,8-4 无线通信的主要技术8-4-1 多址技术种类3.码分多址CDMA有两种常用的方式:直接序列(DS)扩频和跳频(FH)扩频。4.空分多址SDMA通过分割空间信道分离同一时隙和同一频道上的多个用户信号。通常与前3种多址方式结合运用。,8-4 无线通信的主要技术8-4-2 码分多路访
16、问CDMA1.CDMA移动通信网的关键技术包括功率控制、PN码技术、RAKE接收技术、软切换技术和话音编码技术等多项内容。(1)功率控制技术 是CDMA系统的核心技术,功率控制的目的是克服“远近效用”,使系统既能维护高质量通信,又不对其他用户产生干扰。(2)PN码技术PN码是将发送端的基带数字信号经扩频编码发生器产生的一种序列码。利用PN码去调制数字信号形成扩频信号。,8-4 无线通信的主要技术8-4-2 码分多路访问CDMA1.CDMA移动通信网的关键技术(3)RAKE接收技术利用移动通信的多径信道的多路信号,分别接收每一路的信号进行解调,然后叠加输出达到增强接收效果的目的。(4)软切换技术
17、先连接,再断开称之为软切换。(5)话音编码技术,8-4 无线通信的主要技术8-4-2 码分多路访问CDMA2.CDMA的优点(1)系统容量的配置灵活。(2)话音质量很高。(3)发射功率非常小,最大只有200毫瓦。(4)采用编码技术,编码有4.4 亿种数字排列。(5)采用软切换技术,不易掉电。(6)频率规划简单,用户按不同的序列码区分,网络规划灵活,扩展简单,因此CDMA建网成本较低。,8-4 无线通信的主要技术8-4-3 数字调制传输基带信号包含多种频率成分,某频谱范围很宽,不适于直接在限定的频段上传输,需要采用数字调制技术,把数字基带信号的频谱搬移到相应的载频上。1.窄带数字调制移动系统的频
18、带是受限制的,为了在有限的带宽中尽量传送更多的码元,又不产生过多的带外功率干扰相邻信道,需要使用窄带数字调制技术。,8-4 无线通信的主要技术8-4-3 数字调制传输2.扩展频谱调制扩展带宽可以在低信噪比条件下保证系统的传输质量,这就是扩展频谱技术,也称为扩频技术。根据伪随机码插入通信信道的不同位置,有3种扩频技术:(1)直接序列扩频DSSS。在数据上直接加入伪随机序列码,产生完全被“打乱”了的数据。(2)跳频扩频FHSS。伪随机码作用在载波频率上,迫使载波按照伪随机序列改变或跳变。(3)跳时TH。使发射信号在时间轴上跳变。用伪随机序列控制发射信号的开或关,很少采用。,跳频扩频系统与工作原理,
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