无线网络 课件.docx
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无线网络课件
12.1.1起源和主要特征
•2001年,最初的IEEE802.16标准获得批准,并于2002年3月公布。
•随后,工作组将注意力转移到2~11GHz频段,在该段频率范围内,实现的低成本和非视距传输的优势超过了由于射频拥挤带来的潜在困难。
这样做的结果是IEEE802.16a标准的诞生,并于2002年获得批准,2002年3月公布。
•IEEE802.16的设计目标是在物理层提供相当大的灵活性,从而在不同的规则下能适应不断变化的需求(比如信道带宽)。
12.1.2IEEE802.16物理层
12.1.2.110~66GHz频谱的物理层
•在这个非常高的频率范围内,对于所有的实际应用,射频传播要求在发射机和接收机之间存在视距传播。
在这样的限制条件下,没有必要考虑使用复杂技术(如OFDM技术)来克服发生在没有视距环境下的多径影响,因此,工作组为这些接口选用了简单的单载波调制(SingleCarrier,SC)技术(参见表12.2)。
•在下行传输时[从基站(BaseStation,BS)到用户站(SubscriberStation,SS)]采用时分复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM),每个时隙被分配给单独的用户,这样可为延迟敏感的服务保证带宽。
在上行链路方向(从SS到BS)采用时分多址接入(TDMA)。
•有一系列的调制和编码方案可供选用(包括QPSK、16-QAM和64-QAM)。
并且用户站和基站可以根据特殊的效率需求(取决于数据速率)和鲁棒性需求(取决于信号传播环境/信号强度)来协商选择一个方案。
这样产生的结果是由基站发送的一个下行帧中(参见图12.1),发往不同用户站的不同的数据突发将使用不同的编码和调制方式——一种自适应的突发配置。
不同的调制方式可达到的数据速率如表12.3所示。
12.1.2.22~11GHz频谱的物理层
•与高达66GHz的极高频(EHF)范围相比,在2~11GHz范围内,不同的传播特性要求空中接口非视距环境下能够适应大量的多径传播的影响。
在802.16a标准中定义了三种可选的物理层规范,此标准涵盖了授权和未授权的频谱,如表12.4所示。
12.1.2.3MAC层
•为了满足城域网的需要,802.16aMAC层必须能够为不同的服务类型提供灵活高效的接入。
12.1.2.4面向连接与非连接
802.16MAC层有效性的关键之一在于它是面向连接的。
每一个服务映射到一个连接上,并使用16比特的连接标识(ConnectionID,CID)。
这包括了无连接的服务如用户数据报协议(UserDatagramProtocol,UDP)(比如RIP,SNMP或DHCP消息)。
每一个连接都与具体的参数相联系,比如:
•带宽授权机制(连续的或按需的)
•相关的QoS参数
•路由和传输数据。
•当一个新的用户站(SS)加入802.16网络时,最初打开三条连接以承载管理层面的消息,如表所示。
12.1.2.5无线链路控制
•射频链路控制(RLC)是IEEE802.16MAC层的另一个关键要素,能够提供自适应的突发控制和传统的功率调节功能(TPC)。
•当用户加入网络时,SS和BS通过基本的管理连接交换信息以建立发送功率和时钟的初始设置。
SS也需要具体的初始突发协议来定义基于设备能力和下行链路信号质量的信号调制参数。
初始化建立后,RLC将继续监视信号质量。
如果环境条件恶化,SS或BS可能会要求更加鲁棒性的突发应用协议(例如,暂时从64-QAM转换到16-QAM),或者如果条件改善了,较低的鲁棒性可以容忍时,也可采用一种更有效的协议。
•上行链路的突发协议受BS的直接控制,这种控制在每次BS分配带宽给SS时实现的,与此同时,也指定了SS所使用的突发协议。
虽然下行链路的协议根据SS的要求而改变,每个SS能够单独监视接收信号的强度,但它也受BS的控制。
12.1.2.6带宽分配
•当连接建立后,不同用户的带宽需求就确定了。
标准中的许多消息选项使得SS可以申请额外的上行链路带宽,并通知BS总共的带宽要求,允许BS轮询不同的SS,或通过组播来确定这些要求。
这些机制保证了可用带宽的有效利用以及灵活地适应多种服务或应对不同服务变化的需求。
•MAC层定义了SS的两个分类(表12.7):
每连接授予(GPC)和每用户站授予(GPSS),其区别在于SS使用分配带宽的灵活性。
12.1.3移动WiMAX
12.1.3移动WiMAX
•12.1.3.1可扩展的OFDMA
•12.1.3.2子信道化
12.1.3.1可扩展的OFDMA
•IEEE802.16a指明了OFDM接口具有从1.75MHz到20MHz灵活的信道带宽。
每个信道被分成256个子载波(OFDMA256),因此,子载波间隔取决于信道带宽,在6.8kHz到78.1kHz之间变化。
•在移动应用中,根据SNR和BER,变化的多普勒频移和多径产生的时延将导致性能的下降,尤其是子载波间隔很小时。
相反,在信道带宽较宽时,使用更多的子载波可以提高信道容量。
•通过使用11.2kHz的固定子载波间隔和根据信道带宽改变子载波数目,从1.25kHz的128个到20MHz的2048个,可扩展的OFDMA(ScalableOFDMA,S-OFDMA)解决了上述问题。
这样使带宽较宽的信道达到最大的信道容量,并且保证了所有的信道带宽都能同等地容忍移动站产生的延时扩展。
12.1.3.2子信道化
•子信道化是指使用OFDM可用子载波的一个子集,将可用的发射功率集中到较少的子载波上,从而使每个子载波可以以较高的发射功率发射出去。
这个额外的链路余量要么用来扩展链路的范围,允许室内移动设备克服传输损耗,要么用来降低发射设备的消耗功率。
•这些好处是以降低链路容量为代价的,因为只有子载波的一个子集用来携带数据,允许在吞吐量和移动性之间折中。
12.1.4应用中的IEEE802.16
•贸易组织采用某个IEEE标准后,推广其产品以及开发其市场的这个熟悉模式对于802.16也同样适用。
WiMAX论坛的目的是起到与Wi-Fi联盟在802.11标准组中的类似作用,即一致性和互操作的测试和认证。
•WiMAX论坛在WiMAX商标下经营802.16d网络,提供固定的、便携的以及没有要求与基站有视距离传播的移动宽带无线接入。
•WiMAX论坛成员起初的认证工作重点在于工作在3.5GHz频带上具有3.5MHz的信道带宽,并且基于TDD和FDD的设备。
12.1.5未来发展
•目前,TGf和TGg任务组正在开发802.16标准系列的新内容。
802.16f的目标是当SSs在固定无线网络的BSs间移动时提高多跳的能力,而802.16g将更快更有效地转发并提高移动连接的QoS。
12.2其他WMAN标准
•12.2.1ETSIHYPERMAN
•12.2.2TTAWiBro
•12.2.3城域网状网络
12.2.1ETSIHYPERMAN
•欧洲电信标准机构(ETSI)提出了一种高性能的无线MAN(HighPerformanceRadioMetropolitanAreaNetworks,HYPERMAN)旨在提供中小型企业和住宅市场的“最后一英里”固定无线接入,其主要目的是加快欧洲宽带因特网接入的更新。
该标准是在与IEEE802.16工作组密切合作的基础上提出的,目的与802.16a标准的子集实现互操作——即在12.1.2节介绍的OFDM空中接口。
表12.9列出了HYPERMAN标准中的关键参数。
•ETSI的目的是开发一套使用未授权频谱的标准,但该标准能支持基于点对多点(Point-to-multipoint,PMP)或网状网络结构的固定无线接入的商业提供方式。
•HYPERMAN只定义了物理层和链路控制层,正如802.16d和WiMAX论坛指出的,网络层和更高层规范期望由其他组织开发。
12.2.2TTAWiBro
•WiBro是无线宽带的简称,它是由韩国电信技术协会(TelecommunicationTechnologyAssociation,TTA)提出的无线MAN标准,其中草案1已于2004年11月获得批准。
•该标准使用从2.30GHz到2.40GHz带宽为100MHz的授权频带,该频段由韩国信息通信部分配以供移动无线Internet使用,并与国际上未授权的2.4GHzISM频段相邻。
•WiBro的MAC层支持三种服务等级,包括对时延敏感应用的有保证的QoS,基于SS要求的实时轮询,和对时延不敏感但要求保证最小数据速率应用的中间QoS等级。
12.2.3城域网状网络
•上面介绍的无线MAN标准利用在专门基站提供中心控制,能够解决MAN中的点对点或点对多点的问题。
虽然目前没有开发出城域网状网络标准,但是802.11任务组TGs在6.4.5节中描述的工作模糊了LAN和MAN的界限,使得基于IEEE802.11的网状网络在城市区域内能够高效地运行。
•与传统MAN拓扑结构相比,基于网状的方法有许多优点,例如,可以通过网状选择一条最优路径以最大化网络吞吐量,以及能够自动利用在网状区域内任何新的变为活跃状态的回程链路。
•私有(比如不基于任何标准的)设备可以运行伪802.16b网状,该网状具有固定的“网状路由器”为移动802.11b设备提供城市范围覆盖
12.3本章小结
•虽然WiMAX论坛成员还未把符合IEEE802.16标准的产品推向市场,但看来在无线网络市场这一部分,它将会成为事实标准。
•802.16MAC层保证了指定给不同连接的带宽分配和服务质量,提供自适应的突发协议,从而根据每个用户站的能力和环境条件,允许使用最高效的调制和编码方法,同时根据不同用户站的要求,提供大量的改变带宽分配的机制。
•由韩国消费电子产业推动而快速发展的WiBro标准成为IEEE“盔甲”上的第一个可见的裂纹,其目标在于满足高度网络化的韩国消费市场的特殊需要,它说明IEEE标准化进程的速度不能满足市场的需要。
然而,WiMAX依然基于IEEE802.16规范,强调了标准化在全球市场中的重要性。
第13章无线城域网的实现
13.1技术计划
•13.1.1现场调查
•13.1.2设备选择与选址
•13.1.3基干线路设施
13.1.1现场调查
•无线MAN现场调查的目的是评估用户站将要工作的物理与射频环境,譬如根据物理障碍和可能的干扰源。
•在技术计划的初始阶段,一般现场调查应在整个的目标区域上进行,以评价将来会影响到整个网络设计的主要限制和考虑。
之后,在启动与进行阶段,针对用户现场会进行具体调查,目的是为了在着手物理安装之前保证达到的服务质量。
13.1.1现场调查
•13.1.1.1物理现场调查
•13.1.1.2射频现场调查
13.1.1.1物理现场调查
•物理现场调查主要是检测可见视线—从目标区域诸多点至可能的基站点,菲涅耳波带间隙(参见4.5.4节)也应该列入调查范围之内,如图13.1。
•调查应该考虑当地地形:
可能的障碍物,譬如高层建筑物,以及邻近的像飞机场之类的场所,在那里雷达可能会成为干扰源,在射频调查中这也会被检测。
•在用户建立阶段,物理现场调查应包括用户驻地设备、电缆路由的选择以及其他需求例如暴露区域的闪电保护等。
13.1.1.2射频现场调查
•这部分调查是针对用户站所在的射频环境,主要是噪声和干扰。
当形成了这个目标,这项调查的指导方案类似于驻地设备,将天线安装在用户区中。
•射频现场调查可以利用频谱分析仪,它可以在目标区域和感兴趣的频域范围内识别无线传输。
•频谱分析软件在台式机和笔记本上都可以运行,可以分析从PCI或者PC卡接收器接收到的信号,这些接收器都安装有外置天线。
•射频现场调查结果是MAN设计时重要考虑之处,可能会影响到频带选择、基站设备规范和选址等方面。
13.1.2设备选择与选址
13.1.2.1基站发射机与接收机的选择
•为了在目标区域获得最大有效覆盖,基站的发射机与接收机(参见图13.3)的选择是很关键的。
除了发射功率、接收机灵敏度以外,质量和可靠性也是决定整个系统性能的因素。
同时通过保持正常运作、停工时间最短也可以降低运营成本和保证客户的满意度。
13.1.2.2基站天线的选择
•基站天线有不同的形状和大小,但是在大多数无线城域网的应用中,全方位覆盖是应该满足的。
这可以通过使用全向天线或多扇区天线来实现,如图13.4。
•定向天线也会使用到,譬如用点到点的桥接扩展城域网。
•总体来说,由于本地规则限制,在基站获取最大天线增益是比较可取的。
因为在给定链路预算的前提下,这样会减少用户终端设备的限制与花费。
在提供相同增益的情况下,相比较进行更多用户选址,在较少基站范围中安装较昂贵的天线是一种更为经济的做法。
13.1.2.3基站天线选址
•当规划好了城域网的目标区域,当地的地形特点和合适的天线位置应作为物理现场调查进行评估的一部分。
通过分析调查的结果,确定用于服务目标区域的基站最少数目和最佳位置。
•在决定如何实现目标区域的覆盖时,有两个基本的选择可供参考:
从外围覆盖(参见图13.5)和从中心覆盖(参见表13.1)。
•若IEEE802.16是对城域网技术的规范,那么覆盖范围为3~10km的独立基站就需要特别考虑了。
受目标区域的大小与形状的限制,此时就需要一种混合型的覆盖方案,如图13.6。
•当目标区域存在高楼或者其他障碍物时,使用桥接基站可以作为上述两种选择的补充,以填充覆盖部分区域。
•当确定了基站的基本布局时,表13.2总结了决定基站天线选址的注意点。
•当安置基站天线时,高度是最重要的。
但是仍然需要谨慎,确保天线的波束能够直接覆盖高楼的地基附近,譬如将天线绕轴线向下旋转,应至水平线以下。
13.1.2.4客户终端设备
•一个常见的客户终端设备的安装由天线和无线电构成,屏蔽在一个可以防风雨的封闭单元里,典型地安装在建筑物的表面或者烟囱的侧面。
天线大小不等,小至微带贴片天线,对于短距离链路可以获得8~14dB增益;大至抛物面天线,对于长距离链路至少可以获得24dB的增益。
•发射功率主要取决于当地的管理限值,主要为100~200mW。
布线要求在室外为Cat5线以太网电缆,在室内为低电压的直流电压线。
•在选择客户终端设备时有两种方案:
通用型和用户定制型,详见表13.3。
13.1.3基干线路设施
•基干线路(Bachhaul)设施提供了一条连接网络基站至Internet网关的链路——用户业务的第一个目的地。
若附近存在Internet服务提供商(InternetServiceProvider,ISP)或Internet电话接入网点(PointofPresence,POP),这条链路就很容易实现。
•若当地没有POP,这时就必须考虑租借电缆或光纤。
此外,在偏僻的郊区没有基干线路设施需要考察使用长距离无线连接,譬如点到点或卫星通信。
13.2商业计划
商业计划包括四个关键要素:
•商业描述
•营销计划
•管理和运营计划
•财政计划
13.2.1商业描述
•这部分主要对商业计划有个简单清晰的描述,阐述其目的及所提供服务的本质——这里指宽带无线接入。
目标市场的简单描述和市场对服务的具体需要将对营销计划提供一个简单介绍。
13.2.2营销计划
营销计划起于对竞者的分析和客户映射。
下面是在此过程中需要特别关注的方面。
•其他竞争者提供的是何种服务?
•市场对所提供的服务质量反应如何?
•上行链路与下行链路的数据速率分别是多少?
•各个竞争者的初始计划以及设备所花费的费用是多少。
•一个普通用户支付的费用是多少?
以及是否会提供一定的折扣?
客户映射确定目标区域内潜在的用户数目,包括混合性的商业和居民用户;为了产生所需要的物理网络配置图使潜在用户数目达到最大,客户映射也将作为最初的技术规划的一个输入。
为了将客户映射转化为用户预测,有必要进行市场调研,估计目标客户群的吸收速率
在进行市场调研之前,需要进行代价预算。
一个可行的方法就是在预算规划阶段,测试可能的用户与其所需费用的比值。
价格不是唯一区别于其他竞争者的途径。
在客户眼中,是否提供全面性的服务才是区分优劣提供商的关键。
因此,用低廉的价格提供额外的服务,体现与众不同的价值,譬如,提供Web服务器、反垃圾邮件、反病毒或者VoIP服务。
在营销计划中,通过考虑上述方面,可以认识到如下几点:
•客户的需求以及相关方面的服务是否能够实现?
•所提供服务的特点是什么?
是全套的服务还是低廉的价格?
•客户对服务的评价如何?
是低廉的价格还是优质的服务?
•在将服务与价格等方面联系在一起考虑时,竞争者该如何定位自己?
•营销计划的最后一个方面就是关于广告,如何做广告以及它的费用如何定位,又一次涉及到了预算方案。
13.2.2.1管理和运营规划
•管理规划涉及如下方面:
如何管理、如何组织团队,成员需要什么特别的资质、技巧以及相关经验。
•上述评估的强与弱对于企业的发展是很重要的;他们会带来何种特别的专业技术?
企业发展依赖的技术和运营技巧从何而来?
认识到这些技巧不断补充的途径是选择合作伙伴与公司职员的很好的切入点。
13.2.2.2预算规划
•市场和运营预算的结果可以用于发展资金流动计划,直接与非直接的花费与收入。
在初期的一两年内必须每个月都做这样的调查,之后一年一次。
一个启动资金流动计划的例子如图13.10。
•资金流量可以转化成收入览表(利润以及亏损说明),也可以得到不同的收支平衡及盈利分析,如图13.11。
客户吸收率、价格、未来市场的发展和其他一些因素可以给投资者坚定企业发展的信念。
13.3启动阶段
•13.3.1基站部署
•13.3.2用户部署
13.3.1基站部署
•当需要在已有的高楼上安置基站天线,这就涉及空间租借,需要签订合同。
租借合同在网上可以找到范本,但是建议依据当地的法律,保证合同不违反法律条款。
•在新的高楼上进行部署时,需要考虑到现在的要求以及日后的发展。
规划需要符合当地的设计状况,为设备提供遮蔽以及照明等。
规划方还需准备一份弃权声明书,允许其他运营者租借高楼,所需要的土壤采样依赖于设计的楼基,这方面的要求可以从楼房的设计师获得一些建议。
•物理基站天线部署——选址、防水电缆、连接稳定,从而保证未来的维修费用达到最少。
13.3.2用户部署
•用户协议要求确定所提供服务的状况。
除了明显的方面,例如费用和合同的有效期,协议还应涉及服务、质量保证人、责任方、终止条件等。
网上有很多协议范本,包括无线ISPs,但是仍然建议依据当地的法律,保证合同不违反法律条款。
•一旦安装了基站天线,就需要对每一位用户执行简单的现场调查。
紧接着之后,是着手初始链路预算,从而确保无线连接的质量以及防止性能问题反复出现。
•在安装用户终端设备时,若选择适当的设备就会使整个安装既便捷又迅速,防止随着网络的扩展设备安装消耗太多的时间和金钱。
•用户终端设备的选址非常重要,有三个原因:
一、确保天线有效的运转;二、符合当地电子设备安装规则;三、光线保护。
连接到建筑物的地上管线通常很充分,但应该确保遵守当地的建筑规则。
13.4运营阶段
•13.4.1技术运作
•13.4.2商业和财政运作
13.4.1技术运作
•客户在线帮助——一种节省成本的做法就是利用回答式服务为客户提供基本指导、常见问题解答以及指导他们利用更多的面向技术的帮助资源。
若客户需要比较专业的网络或计算机的支持,这时就得提供高级的技术支持,这又可能成为开支的重要一部分。
•用户终端设备以及基站天线的转包工程契约——在启动阶段运营者自行安装用户终端设备是一种节省成本的做法,但一旦企业步入正规的运营阶段,选择兼职的受过训练的安装团队也是一个理想的方案。
使用电子邮件或适当的调度系统就可以管理这个安装团队了。
13.4.2商业和财政运作
•用户账单管理——许多现货软件系统都是针对ISP编制账单的。
一般来说,这些系统都是用于处理ISP的具体特征,比如可变速率、免费服务、预付卡支持、邮件报告以及记清单。
•鼓励是一种有效吸引客户的方法。
若老客户可以推荐新的客户,适当给他们一些奖励;为了促进安装合约的顺利签署,可以答应给他们更多的机会。
•运营网络费用的管理——在运营阶段的两大核心目标就是控制成本和实现既定收益。
清楚地了解各方面的花费非常重要,譬如安装、维护、基干线路以及管理成本。
•商业账户的管理有许多选择,包括自已动手(DoItYourself,DIY)、许多可用的软件系统或者雇用一个兼职会计师。
一个小规模的WMAN企业的费用核算一个月花一到两天就够了。
13.5第五部分总结
•IEEE802.16一系列标准的公布以及移动网状网络在工作组TGe、TGf和TGg下取得的进展,这一切都是未来无线MAN发展的基础。
•这些标准提供了无线MAN应用所需的基本的网络特点,譬如可伸缩性、服务灵活性以及服务质量。
这些网络特点超过了在最初的IEEE802.11标准中规定的比较简单的MAC的特点。
在WiMAX论坛上,达成了标准的一致性和互操作性。
随着认证产品的出现,推动最初IEEE802.16发展的、充满前景的无所不在的无线宽带接入技术将开始实现。
第4章无线通信基础
4.1RF频谱
4.1RF频谱
4.1.1RF频谱概述
4.1.2无线电频谱管理条例
4.1.3作为网络媒体的射频传输
4.1.1RF频谱概述
*无线电频率,简称射频(RF)。
无线通信是绝大部分无线网络的核心,其原理类似于熟知的电台广播和电视广播。
RF频段是指9kHz至300GHz之间的电磁频谱,如表4.1所示,不同的频段用来传输不同的业务。
*电磁辐射的波长和频率是通过光速联系在一起的,波长(λ)=光速(c)/频率(f),或者波长(m)=300/频率(MHz)。
4.1.2无线电频谱管理条例
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。
4.1.3作为网络媒体的射频传输
与传统有线传输相比,面临安全性和信号传播问题等挑战
4.2扩频传输
4.2.9无线网络扩频技术的利与弊
4.2.1扩频传输的概述
定义:
扩展频谱是一种无线电传输技术,简称扩频。
最初在第二次世界大战的军事应用中提出,目的是使无线传输更加安全,不易截取和阻塞。
在同样的频带内它可以减少甚至消除与窄带传输之间的干扰。
4.2.1扩频传输的分类
扩展技术的关键是使用了一些与传输信息完全独立的函数,通过这些函数可以把信号扩展到很宽的传输频带上。
主要有一下几种类型:
1.直接序列扩频(DSSS)
2.调频扩频(FrequencyHoppingSpectrum,FHSS)
3.跳时扩频(TimeHoppingSpectrum,THSS)
4.脉冲调频系统
5.混合系统
4.2.3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
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