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无线网络技术资料汇总

ByRobertZhangyu小潜伏鹰

fromCPLA

1Adhoc

1.1概念和特点

无线自组织网络Adhoc是一种没有预定的基础设施支撑的自组织可重构的多跳无线网络，可以作为蜂窝移动网络的有效加强。

在AdHoc网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。

但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机的转发才能实现。

因此在AdHoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。

在AdHoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。

故AdHoc网络也被称为多跳无线网络。

1.1.2特点

网络的独立性

AdHoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。

它的建立不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性。

动态变化的网络拓扑结构

在AdHoc网络中，移动主机可以在网中随意移动。

主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。

在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。

有限的无线通信带宽

在AdHoc网络中没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成。

由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。

除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。

有限的主机能源

在AdHoc网络中，主机均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑。

由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此AdHoc网络有能源有限的特点。

网络的分布式特性

在AdHoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。

一旦网络的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作。

生存周期短

AdHoc网络主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，它的生存时间一般比较短。

有限的物理安全

移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击，易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。

现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击。

不过AdHoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。

1.2与其他无线网络技术的区别

1.2.1蜂窝移动通信网络和传统无线局域网

移动无线通信网络通常以蜂窝移动通信网络或传统无线局域网的形式出现，这两种网络具有一个共同点，即移动终端的接入均需通过基站等转接设备来完成。

蜂窝移动通信网络中的移动终端不具备路由功能，它是由移动交换机负责路由和交换，并同时充当网关，通过有线方式接人固定网。

在传统无线局域网中，配备无线局域网网卡的移动节点，通过无线接入访问点，连接到固定网络，两个距离较远且布线不便的局域网通过无线网桥进行连接，局域网中主机的移动性是通过移动IP协议实现的。

AdHoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。

在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在AdHoc网络中只存在无线链路一种连接方式。

在移动IP网络中，移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信，在基站和基站（代理和代理）之间均为有线网络，仍然使用因特网的传统路由协议。

而AdHoc网络没有这些设施的支持。

此外，在移动IP网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。

当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构，而AdHoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。

与移动无线通信网络相比，自组网定义了一种全新的思想。

在自组网的局域环境中，每个用户终端不光有简单的主机功能，而且兼有路由器功能，两个无法直接通信的用户终端可以借助其它终端的分组转发进行数据通信。

自组网是一种无中心的分布式结构，所以最大的特点是可以无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策。

1.2.2

参照OSI七层模型和TCP／IP的体系结构，将AdHoc网络的协议栈划分为5层．物理层完或无线信号编码译码、发送和接收频率的选择等工作。

到目前为止．AdHoc物理层可以选择和参考的标准主要包括IEEE802．11系列、蓝牙（Bluetooth）等。

AdHoc物理层所采用的传输技术基本上有三种：

正交频分复用技术（OFDM）、红外线辐射传输技术、宽带扩展频谱技术。

数据链路层控制对共享无线信道的访问以及对逻辑链路的控制。

分为MAC媒质接人控制层和LLC逻辑链路控制层．数据链路层的主要问题包括媒体接入控制以及数据的传送、同步、纠错和流量控制等。

网络层使用IPv4协议IPv6协议或其他网络层协议提供网络层数据服务，完成邻居发现分组路由，拥塞控制和网络互连等。

网络层的单目标路由协议维护路由表，多目标路由协议提供群组通信的底层支持．网际互联支持AdHoc网络中与其他现有网络互联，QoS支持提供可保证的QoS服务．路由安全提供对路由协议的安全保障。

传输层主要完成端到端通信的建立，向应用层提供可靠的端到端服务。

对TCP/UDP进行改进使之适应无线环境。

应用层协议用于提供面向用户的各种类型的应用服务．包括具有严格时延和丢失率限制的实时业务自适应应用数据报业务。

在实际实施的时候，可以采用各种各样的应用层协议和标准。

1.3物理层技术

信道划分机制包括频分、时分、码分、空分以及以上方法的组合。

时分将时间划分为时隙，具有较好灵活性，可以方便将多个时隙分配给单个用户，节点可在不发送数据时转入休眠来减少能耗。

但是时分需要预留保护时间间隔来维护时隙同步。

频分将系统带宽划分为不交叠的信道，实现简单，但不够灵活。

相比于TDMA，FDMA减少了时间保护和同步所需的开销，但也需要保护频带以防止干扰，并且节点始终处于工作状态，增加了能耗。

CDMA不仅有较强的抗干扰性和适应性，而且有灵活的信道接人能力。

只要不同节点采用不同的伪码序列，就容许多个节点同时占用公共信道。

但是，码分对接收器的要求较高，实现较复杂。

SDMA通过使用定向波束天线或智能天线技术来增加系统容量。

理想隋况下可以使所有用户在同一信道同时通信，缺点是高复杂性和高成本。

1.3.1OFDM

OFDM技术是一种无线环境下的高速传输技术，实际上是MCM（Multi—CarrierModulation，多载波调制）的一种。

它的主要思想是：

将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流．调制在每个子信道上并行传输。

正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。

而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一部分．信道均衡变得相对容易。

OFDM很好的满足了未来无线多媒体业务数据传输速率高．又要传输质量高的要求。

（1）OFDM技术的工作原理：

输入数据信元的速率为R，经过串并转换后，分成M个并行的子数据流．每个子数据流的速率为R／M。

在每个子数据流中的若干个比特分成～组．每组的数目取决于对应子载波上的调制方式如PSK、QAM等。

M个并行的子数据信元编码交织后进行IF丌变换，将频域信号转换到时域，IFF-r块的输出是N个时域的样点，再将长为LD的CP（循环前缀）加到N个样点前，形成循环扩展的OFDM信元．因此。

实际发送的OFDM信元的长度为Lp+N，经过并／串转换后发射。

接收端接收到的信号是时域信号。

此信号经过串并转换后移去CP，如果CP长度大于信道的记忆长度时。

ISI仅仅影响CP。

而不影响有用数据，去掉CP也就去掉了ISI的影响。

（2）OFDM基带信号处理建模

当调制信号通过无线信道到达接收端时。

由于信道多径效应带来的码间串扰的作用．子载波之间不再保持良好的正交状态．因而发送前需要在码元间插入保护间隔。

在发射端．首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换．再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称”循环前缀”），形成OFDM码元。

在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列．以便接收端进行突发检测、同步和信道估计。

最后输出正交的基带信号。

当接收机检测到信号到达时．首先进行同步和信道估计。

当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FI变换，进行整数倍频偏估计和纠正．此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据对该数据进行相应的解调．就可得到比特流。

（3）OFDM技术的优势：

OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。

在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的．这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率并且由于OFDM技术能够克服DS—CDMA在支持高速率数据传输时符号间干扰增大的问题，并且有频谱效率高，硬件实施简单等优点。

在无线通信中，对于10GHz频段以下的通信系统必须考虑多径衰落，利用OFDM（正交频分复用）调制技术将可用带宽划分成若干个子载波，这样每个子载波的带宽较窄，每个OFDM符号的持续时间就比较长，由多径时延扩展带来的影响将减小，可以有效地提高系统的抗多径干扰能力，扩大设备的适用范围。

OFDM调制方式具有较高的频谱利用率，在抵抗多径衰落、抵抗窄带干扰上具有明显的优势，可以提高系统的非视距传播能力。

在现有3.5GHz和5.8GHz无线接入产品中，已经有很多厂商推出了基于OFDM的系统，并且在商用网络中获得了一定程度的应用。

对于WLAN接入，两种主流的物理层IEEE802.11a和IEEE802.11g标准都采用了OFDM调制方式。

优点

–实现简单

•FFT实现：

调制解调都由（I）DFT实现（FFT是DFT的快速算法）

–有成熟的自适应技术

–易与其他技术结合

•MIMO+OFDM

•MC-CDMA

–多径环境中均衡容易实现

•ZF均衡、MMSE均衡

•均衡比较简单，单抽头的均衡器

MIMO+OFDM

目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术．还有一种是利用OFDM。

4G需要极高频谱利用率的技术。

而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的。

在OFDM的基础上合理开发空间资源．也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。

另外ODFM由于码率低和加人了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。

由于多径时延小于保护问隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统．依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。

•基本思想

–利用OFDM将宽带信道转化成若干个平坦的窄带子信道

–利用MIMO多天线技术在每一个窄带平坦子信道上获得巨大信道容量

•关键技术

–信道估计

•要估计的信道参数太多，一般要用发训练帧的方式

估计信道，而且各天线一般不能同时发训练帧

–检测顺序的确定

•其实普通MIMO中就有这个问题，这里更加复杂

主要优点

–频谱效率高

•可以轻易达到10bps/Hz以上

–极高速无线传输

•可以支持高达1Gbps的传输速率

•主要缺点

–对环境要求太高

•要求丰富多径，而且比较怕直射路径能量明显大的情况，基本只有室内才能满足

–技术太复杂

•信道估计和检测算法的计算量都特别大

–支持移动十分有限

•移动起来信道估计压力太大，往往信道估计过程还没有完成，信道就已经变化了，而且移动过程中难以保持丰富多径的要求

室内环境条件下MIMO+OFDM将是4G的支撑技术

–高达1Gbps的传输速率；

–频谱效率可以到几十bps/Hz；

–室内环境中SA技术复杂性高，优势不明显；

–这种框架难以支持宽带移动通信。

–适合室内高速（100Mbps以上）

1.3.2认知无线电

频谱资源十分有限，一些非授权频段占用拥挤，而那些授权频段却经常空闲，因此，可以考虑在授权用户不用自己的频率资源时，让一些非授权用户去暂时性地有效利用该空闲频谱，认知无线电就是基于这种想法提出来的一种更智能的频谱共享技术，它可以感知无线通

信环境，依据一定的学习和决策算法，动态地检测和有效地利用空闲频谱，大大降低了频谱和带宽对无线技术发展的束缚。

它要求非授权用户和授权用户在对频谱资源利用时达到一个平衡，使得非授权用户能在不影响授权用户的前提下进行一些自己的通信。

1.3.3协同通信

协同通信利用节点间的相互协作进行数据通信。

它充分利用了无线电波的全向传播特性，使无线网络中的节点相互协作形成了虚拟的天线阵列来获得传统多输入多输出天线技术的空间分集增益，当前协同通信的主要方式有：

编码协同，放大中继，解码中继等方式。

相对于其他协同方式，编码协同方式将协同通信技术和信道编码技术相结合，在不消耗更多系统资源（带宽等）的前提下获得完全的分集增益。

1.3.4智能天线

智能天线形成波束能在空间域内抑制交互干扰．增强特殊范围内想要的信号．这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量．其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射。

同时通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。

目前智能天线的工作方式主要有两种：

全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。

（1）自适应天线阵

自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统．它用反馈控制方法自动调准天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消．主要用于数字通信系统。

（2）波束转换天线

波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束．主要用于模拟通信系统。

（3）智能天线算法

智能天线系统的核心是智能的算法，智能的算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度．因此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制通过算法自动调整加权值得到所需空问和频率滤波器的作用。

目前已提出很多著名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。

（4）智能天线的优点

智能天线通过各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，具有测向和调零功能。

它也可以为每个用户提供一个很窄的定向波束．充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。

智能天线引入了第四维多址方式：

空分多址：

（SDMA）方式，并且能自适应调节天线增益，从而较好地解决远近效应问题。

1.3.5MIMO

MIMO系统利用空分复用和分集，在不增加额外功率和带宽的前提下提供高的频谱利用率，作为智能天线技术中一个最复杂的技术，MIMO的多信道可以成倍提高无线信道的容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，大幅提高频谱利用率；同时，MIMO信道提供的空间分集增益可以降低误码率。

信道容量利用

–空时码（Space-TimeCoding）：

提高功率效率

–发射机发射的符号在空间（天线）和时间（帧）上都不是

独立的，即有相互约束。

这种约束是通过编码引入的。

MIMO对工作环境的要求特别高

–丰富多径假设不成立的情况

•信道有相关性：

信道容量减小

–有直射路径的情况

•信道降秩：

信道容量锐减

（1）MIMO技术工作原理

MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道．传输信息流经过空时编码形成N个信息子流，这N个子流由N个天线发射出去．经空间信道后由M个接收天线接收。

多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

（2）MIMO技术的算法

利用MIMO技术可以提高信道的容量．同时也可以提高信道的可靠性．降低误码率。

前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益．后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。

实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。

目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。

常见的空时码有空时块码、空时格码。

空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

1.4Mac层技术

准入控制主要分为集中式准入控制和分布式准入控制两大类。

集中式准入控制方式是由中心节点对全网资源分配和调度进行统一的配置和管理，主要应用于蜂窝网和有中心的无线网络中；分布式准入控制方式一般通过多机协同工作，完成网络内部资源的协调和优化分配，其优点是比较灵活。

对于无中心节点的Adhoc网络来说，一般采用分布式准入控制方式。

其主要策略有基于全网吞吐量的最大化吞吐量策略、固定预留带宽策略及基于单个用户链路的不同QoS值f阈值、干扰电平、接收信噪比或网络负荷）的准入控制策略等。

根据AdHoc网络信道协议使用的信道数目，可划分为：

（1）基于单信道的信道接入协议基于单信道的AdHoc网络信道接入协议用于只有一个共享信道的AdHoc网络，这种信道接入协议的主要目标之一就是通过使用控制报文尽量减少甚至消除数据报文的冲突，即设计合适的冲突避免策略。

典型的基于单信道的信道接入协议包括MACA。

MACAW，IEEE802．11DCF和FAMA系列等。

（2）基于双信道的信道接入协议它用于有两个共享信道的AdHoc网络，分别为控制信道和数据信道。

双信道接入协议在解决隐藏终端和暴露终端问题上有明显的优势，它可以通过适当的机制，完全消除隐终端和暴露终端的影响，避免数据报文的冲突。

典型的双信道接入协议有BAPU，DBT—MA等。

（3）基于多信道的信道接入协议它用于多个信道的AdHoc网络。

这种信道接入协议主要关注两个问题：

信道分配和接入控制。

信道分配负责为不同的结点分配相应的信道，消除数据报文的冲突，使尽量多的结点可以同时进行通信。

接入控制负责确定结点接入信道的时机，冲突的避免和解决等问题。

典型的协议有HPMA，多信道CSMA，DCA，MMAC等。

其中影响比较大的有MACA协议，它是第一个使用RTS-CTS控制报文握手来解决AdHoc网络中隐藏终端和暴露终端问题的信道接入协议，即采用RTS／CTS／ACK信道握手机制。

1.4.1随机接入机制

随机接入协议中，用户通过竞争方式共享信道资源。

CSMA在单跳环境下可以很好工作，但是多跳共享的无线信道造成的隐终端使其不能有效地检测和避免冲突，此外暴露终端会降低信道利用率。

很多MAC协议，如MACAW和IEEE802．11，采用握手机制来解决隐终端和暴露终端，增加了系统开销和能量耗费。

因为节点需要检测是否收CTS消息，并且如果节点长时间无法获得信道，会使缓存溢出而丢失分组。

随机接入协议实现简单，不需要了解网络拓扑和实施全局控制。

但是传输冲突较多，难以提供QoS保障，并且没有过多考虑能量使用效率问题。

1.4.2调度机制

当用户具有较连续的业务流量时，随机接入协议性能较差。

调度机制能够更有效地为用户分配信道，并能保证每个节点发送／接收分组而不与邻居节点发生冲突。

信道接入协议处于协议栈的最底层，是报文在无线信道上发送和接收的直接控制者，用来管理和协调用户竞争，共享信道资源。

MAC协议的设计和复杂性受网络体系结构、通信模型和硬件配置的影响。

MAC协议的目标通常是低时延、低能量损耗、高信道利用率、较好公平性并支持实时业务。

调度程序必须考虑空间和频率分集。

因为设计这样多跳、多信道和多目标的网络系统调度策略非常具有挑战性。

这种调度不是基于单个路由器的调度，而应是基于所有形成无线骨干网路由器的调度。

因此网络中调度应是分布式的，各路由器之间需要交换信道条件和业务需求信息。

同样。

MAC和物理层在无线网络优化和可扩展方面也起到关键作用。

充分挖掘、优化选择和天线技术能带来信道容量的提升。

路由协议必须在考虑当前网络条件的前提下来发现高质量的传输路径。

蜂窝网络中可以采用简单的集中式调度机制，而AdHoc网络中的分布式调度通常是NP完全问题，并且问题的复杂性随系统规模的增加而迅速增加。

即使采用调度机制，在网络的初始化阶段也需要某种随机接入协议的支持，用于提供初始化交互和为后续的数据传输建立合适的调度表。

例如，分组预约多址接入协议（PRMA），结合了预约ALOHA和TDMA方法，可以同时支持数据和话音用户。

1.4.3混合式MAC协议

混合协议结合了随机接入协议和调度协议，基本思想是为节点固定分配一个TDMA传输调度，同时允许节点通过随机竞争来回收／重用空闲的时隙。

协议在TDMA调度协议中集成了基于握手机制的竞争协议来解决隐终端问题。

每个时隙被划分为3个阶段，在第一个阶段，节点通过与目的节点进行握手来声明它要使用的时隙；在第二个阶段（竞争阶段）节点可以竞争未分配的时隙；第三个阶段用来传送分组。

ADAPT可以提高信道利用率，但是不支持多播。

ABROAD协议同对ADAPT进行改动以满足多播要求，并采用一种负反馈响应机制来减少竞争阶段控制分组的冲突。

1.4.4QoSMAC协议

现有的MAC协议较好解决了信道争用、隐终端、暴露终端和入侵终端等问题，但是大都不能为实时业务提供QoS保障。

为此需要设计QoSMAC协议来高效地调度分组和使用带宽，并对拓扑变化及时做出响应。

迄今，已提出了许多用于在AdHoc网络中支持QoS的信道接人机制：

（1）改进IEEE802．11协议来支持实时业务和服务区分。

如修改协议的退避机制，并采用基于优先级的调度为不同的应用提供不同的QoS支持。

（2）采用基于令牌环的受控接人技术来支持实时业务，如wrRP（WirelessTokenRingProtoco1）令牌环技术在AdHoc网络中的应用。

（3）基于预约的信道接人机制。

多址接人冲突避免／捎带预约（MACA／PR）协议就是一种通过分组捎带预约机制来为实时业务提供带宽保证的MAC协议。

（4）基于分簇结构的信道接人机制。

在分簇结构中，簇头可以轮询成员节点并为它们分配无线信道。

（5）双信道／多信道MAC协议。

通过独立的控制信道，邻居节点可以使用控制信道及时交互各自的信道预留信息，并根据报文紧急程度确定接入次序。

1.4.5跨层设计技术

跨层设计联合考虑物理层和网络层功能。

尽管在无线路由器上采用多天线技术。

先进编码和信号处理技术能提供高容量、高性能的无线骨干网，但是它们并不能保证形成可扩展的网络。

随着新的用户加入，随机MAC层协议遭遇来自下层用户网络日益增加地对无线资源竞争。

因此必须设计新的分布和可扩展调度算法、MAC层和路由协议有效管理这些数据业务。

同时这些算法必须考虑到无线物理信道的特点，这就要采用跨层设计技术。

1.5网络体系结构

AdHoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统。

按照拓扑结构组织方式，AdHoc路由协议可分为平面式（Flat）路由协议和分级式（Hierarchica1）路由协议。

在平面结构中，所有节点地位平等，通信流量平均分散在网络中，路由协议的鲁棒性好。

但当网络规模很大时，每个节点维护的路由信息量很大，路由消息可能会充斥整个网络，且消息的传递也将花费很长时间，网络的