第2章無線網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)2.1無線網(wǎng)絡(luò)的MAC層幀結(jié)構(gòu)2.2無線網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議2.3無線網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議2.4.3

無線網(wǎng)絡(luò)的物理層技術(shù)從藍(lán)牙到ZigBee，每種無線物理層技術(shù)都可以通過一些主要的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行描述，如表2.8所示。表2.8物理層的無線技術(shù)概況無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜p45波長振幅傳播方向極化方向每一個無線電信號都有一個波長和頻率電磁輻射的波長和頻率是通過光速聯(lián)系在一起的，波長(λ)=光速(c)/頻率(f)，或者波長(m)=300/頻率(MHz)。

AM廣播FM廣播900MHz頻段2.4GHz頻段5GHz頻段紅外線X光可見光無線電頻譜

電磁波輻射的全部范圍稱為頻譜

波段無線電波段

微波微波波段頻譜管理在使用無線電頻率的時候應(yīng)遵守國際、國內(nèi)和地區(qū)的頻譜管理規(guī)定。大多數(shù)頻譜分配工作由國家的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如美國的FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）處理，但發(fā)展趨勢是國際合作。負(fù)責(zé)管理無線電頻譜的國際組織是ITU（InternationalTelecommunicationsUnion），國際電信聯(lián)盟）。每兩年或三年，ITU就召開一次WRC（WorldRadiocommunicationConference，世界無線通信大會），討論如何分配頻譜。頻譜管理

世界范圍內(nèi)使用了四種許可證的管理方法：投標(biāo)、抽簽、拍賣、自由競爭。

頻譜許可證的使用一般在一個有限的時間內(nèi)，通常為二十年。

在無線電頻譜的使用中，頻段分配給不同的授權(quán)和非授權(quán)業(yè)務(wù)，不同信號格式所允許使用的傳輸功率大小由不同國家和地區(qū)的管理機(jī)構(gòu)控制。無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)使用的無線電頻段ISM頻段ExtremelyLowVeryLowLowMediumHighVeryHighUltraHighSuperHighInfraredVisibleLightUltra-violetX-RaysAudioAM廣播短波廣播FM廣播電視紅外無線局域網(wǎng)902-928MHz26MHz蜂窩電話(840MHz)NPCS(1.9GHz)2.4-2.4835GHz83.5MHz(IEEE802.11)5GHz（

5.725G——5.850G）(IEEE802.11)HyperLAN工業(yè)、科研、醫(yī)學(xué)(ISM)頻段2.22.32.42.52.72.9GHzFCC在2.4GHz的ISM波段上的頻譜分配與傳統(tǒng)有線傳輸相比，無線傳輸面臨安全性和信號傳播問題等挑戰(zhàn)無線射頻網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)站點(diǎn)A站點(diǎn)B站點(diǎn)C站點(diǎn)C發(fā)射機(jī)的覆蓋范圍隱藏站點(diǎn)：C是A的隱藏站點(diǎn)A感知不到C的傳輸，由于C的干擾存在A到B的傳輸失敗暴露站點(diǎn)：B是C的暴露站點(diǎn)當(dāng)站點(diǎn)C發(fā)送時，站點(diǎn)B被阻止不能向站點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，盡管此時A是能夠成功接收的隱藏站點(diǎn)和暴露站點(diǎn)給無線媒體接入控制帶來的挑戰(zhàn)調(diào)制技術(shù)由于信道，即傳輸媒質(zhì)，具有一定的頻率特性，并不是原始信號中所有的頻率成分都能通過信道進(jìn)行傳輸，因此由信源產(chǎn)生的原始信號一般不能直接在大多數(shù)信道內(nèi)傳輸，在傳輸前要對信號進(jìn)行某種處理。這種把輸入信號變換為適于通過信道傳輸?shù)牟ㄐ蔚淖儞Q過程稱為調(diào)制。調(diào)制實(shí)現(xiàn)了信源的頻譜與信道的頻帶匹配。

數(shù)字調(diào)制技術(shù)的指標(biāo)：頻譜效率：在可用的帶寬內(nèi)達(dá)到要求的數(shù)據(jù)速率，如表4.9所示。誤比特率(BitErrorRate,BER)性能：在具體應(yīng)用中，在考慮了諸多可能的影響因素（如干擾、多徑衰落等）情況下，系統(tǒng)要達(dá)到的誤比特率。功率效率：這在移動應(yīng)用中尤其重要，電池壽命是用戶非?？粗械囊蛩亍ｎl譜效率（表示為每赫茲帶寬的數(shù)據(jù)速率）高的調(diào)制模式要求高的信號強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)無差錯檢測。實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度：實(shí)現(xiàn)某個特定技術(shù)與硬件成本直接相關(guān)?？梢栽谀承┓矫嬗密浖韺?shí)現(xiàn)調(diào)制的復(fù)雜性，減少對終端用戶成本的影響。表4.9幾種典型調(diào)制技術(shù)的頻譜效率調(diào)制分類：ASK調(diào)幅FSK調(diào)頻PSK調(diào)相ASK：用載波的兩個不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用載波的兩個不同頻率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK（BPSK）：用載波的起始相位的變化表示0(同相)和1(反相)00110100010四進(jìn)制相移鍵控與BPSK使用兩種相位狀態(tài)不同，QPSK使用四種不同的載波相位，每種相位用來編碼由兩個比特或碼片組成的一個符號。圖4.24說明了這四種載波相位，用IQ平面表示了載波信號的相位，其中I代表同向，Q代表正交或者90

相位。在IQ平面上點(diǎn)與I軸的角度表示相角，到原點(diǎn)的距離表示信號的幅度。表4.11中表示了00,01,11和10這四個點(diǎn)，即調(diào)制星座，它表示了單位幅度的四個載波相位。表4.11正交相移鍵控四進(jìn)制相移鍵控與BPSK使用兩種相位狀態(tài)不同，QPSK使用四種不同的載波相位，每種相位用來編碼由兩個比特或碼片組成的一個符號。圖4.24說明了這四種載波相位，用IQ平面表示了載波信號的相位，其中I代表同向，Q代表正交或者90

相位。在IQ平面上點(diǎn)與I軸的角度表示相角，到原點(diǎn)的距離表示信號的幅度。表4.11中表示了00,01,11和10這四個點(diǎn)，即調(diào)制星座，它表示了單位幅度的四個載波相位。單位幅度圓QPSK星座圖π/4QPSK星座圖圖4.24QPSK相位星座差分相移鍵控差分相移鍵控(DifferentialPhaseShiftKeying,DPSK)是BPSK和QPSK的變換形式，輸入符號用來控制相位的差分變化，而不是用來定義載波的絕對相位。在BPSK中，0對應(yīng)零相位載波周期，而在DBPSK中，0符號表示載波相位相對于前一個比特周期沒有變化。類似地，在DQPSK中，每個符號被表示為相位的變化而不是載波的絕對相位，如表4.12所示。表4.12差分正交相移鍵控

正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制(QAM)是將相位調(diào)制和幅度調(diào)制相結(jié)合的合成調(diào)制技術(shù)。在BPSK或QPSK中，用恒定的載波幅度和2或4個不同的相位來表示輸入數(shù)據(jù)符號。QAM定義了16,64或更多點(diǎn)的星座而不是2點(diǎn)或4點(diǎn)，每一個點(diǎn)都有特定的相位和幅度代表4或6比特（或碼片）的數(shù)據(jù)符號。16-QAM和64-QAM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在IEEE802.11a和IEEE802.11g規(guī)范中，與OFDM相結(jié)合，可以達(dá)到24～54Mbps的數(shù)據(jù)率。圖4.25所示的16-QAM星座（即IQ平面上有16個點(diǎn)）可用來實(shí)現(xiàn)24Mbps和36Mbps數(shù)據(jù)速率。圖4.2516QAM星座圖

雙載波調(diào)制雙載波調(diào)制是用在多載波系統(tǒng)中的技術(shù)，如OFDM，可以對抗多徑環(huán)境中對單載波信號的破壞性干擾或衰落帶來的數(shù)據(jù)損耗（參見4.5.4.3節(jié)）。將數(shù)據(jù)調(diào)制到兩個載波而不是一個載波上，盡管增加了帶寬，但傳輸?shù)聂敯粜愿摺Ｔ诙鄮FDM(Multi-bandOFDM)（參見4.6.4節(jié)）中，4比特符號被映射到兩個不同的16-QAM星座圖上，符號在相隔至少200MHz的兩個OFDM載波中傳輸。如果其中一個載波的接收受到衰落的影響，數(shù)據(jù)可以從另一個載波中恢復(fù)出來，由于兩個載波間隔很大，所以兩個載波同時受到影響的概率很小。無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式無線電方式－擴(kuò)展頻譜方式

－窄帶調(diào)制方式

紅外線方式擴(kuò)展頻譜技術(shù)擴(kuò)頻通信是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)。

擴(kuò)頻技術(shù)主要包括：直接序列擴(kuò)頻DSSS

跳頻擴(kuò)頻FHSS正交頻分復(fù)用OFDM擴(kuò)展頻譜技術(shù)數(shù)據(jù)信息帶寬為B1的基帶數(shù)字信號數(shù)據(jù)調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制PN碼帶寬為B2（B2>>B1）的擴(kuò)頻信號射頻調(diào)制射頻信號擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中都要進(jìn)行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)：擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)仙農(nóng)（Shannon）定理：C=Wlog2(1+SN)C=信道容量，用傳輸速率度量，單位b/sW=信號頻帶寬度，單位HzS=信號功率N=噪聲功率仙農(nóng)定理說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比S／N是可以互換的。即可以通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比的情況下，傳輸信息。●

擴(kuò)展頻譜方式基帶信號射頻調(diào)制發(fā)射擴(kuò)展頻譜擴(kuò)展頻譜方式也是利用無線電波作為傳輸媒體的一種傳輸信號方式。它是在將基帶數(shù)字序列信號進(jìn)行射頻調(diào)制之前，先進(jìn)行頻譜的擴(kuò)展。

擴(kuò)展頻譜過程一般將原基帶數(shù)字序列信號的頻譜擴(kuò)展幾倍到幾十倍，經(jīng)過射頻調(diào)制后的發(fā)射信號的頻帶寬度也比窄帶調(diào)制要寬得多。

擴(kuò)展頻譜方式可以用比窄帶調(diào)制方式低得多的信號功率來發(fā)送，可在比信號還要強(qiáng)的噪聲環(huán)境下保證信息的正確接收。擴(kuò)展頻譜方式不怕同頻干擾，因此可以在同一頻段上靠選擇不同的擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼來進(jìn)行多路復(fù)用，這種多路復(fù)用稱作碼分多址（CDMA）。直接序列擴(kuò)頻DSSS直接序列擴(kuò)頻是直接利用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列采用各種調(diào)制方式在發(fā)端擴(kuò)展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解碼，把擴(kuò)展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。它是一種數(shù)字調(diào)制方法。

f發(fā)端f擴(kuò)頻為f解擴(kuò)為f收端

碼片、擴(kuò)頻及相關(guān)直接序列擴(kuò)頻中使用的擴(kuò)頻函數(shù)是一個數(shù)字碼，也稱為碼片或偽隨機(jī)(Pseudo-noise,PN)碼，它們經(jīng)過挑選并具有特殊的數(shù)學(xué)性質(zhì)。其中一個性質(zhì)，就是信號對廣播頻段的偶然接收者表現(xiàn)出隨機(jī)噪聲的特點(diǎn)，也由此得名“偽隨機(jī)”。在IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)速率為1Mbps和2Mbps的偽隨機(jī)碼是11比特的巴克碼。巴克碼是二進(jìn)制序列，具有低自相關(guān)性，即該序列與自身時移后的序列不具有相關(guān)性。表4.7介紹了長度為2～13的巴克碼。表4.7長度為2～13的巴克碼比特流碼片碼片流數(shù)據(jù)11位巴克序列編碼后的數(shù)據(jù)圖4.8DSSS偽隨機(jī)碼直接序列擴(kuò)頻DSSS每個數(shù)據(jù)位變成了一組碼片在擴(kuò)展的頻率上傳遞規(guī)定最小擴(kuò)展比：每數(shù)據(jù)位對應(yīng)10位碼片；在DSSS1Mbps和2Mbps速率時采用11位碼片例如數(shù)據(jù)是:1001碼片是:1=001100110110=11001100100傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將是:001100110111100110010011001100100001100110111001

片碼偽隨機(jī)碼的一個突出的數(shù)字特性是，它可以使接收機(jī)的隨機(jī)碼產(chǎn)生器非常迅速地與接收信號的偽隨機(jī)碼同步。同步是解擴(kuò)過程的第一步?？焖偻揭笤诮邮招盘栔写a字的位置能夠被迅速識別，這一點(diǎn)借助與巴克碼的抵自相關(guān)性實(shí)現(xiàn)。抵自相關(guān)性另一好處是接收機(jī)可以拒收時延超過一個碼片周期的信號。片碼的另一個重要性質(zhì)是低互相關(guān)性，這在移動電話等必須避免多發(fā)射機(jī)間干擾的應(yīng)用中非常重要。低互相關(guān)性減少了相關(guān)器被不同偽隨機(jī)碼編碼的信號干擾的機(jī)會（如相關(guān)性會錯誤地解碼采用不同片碼的干擾信號）。DSSS（直接序列擴(kuò)頻）直接序列擴(kuò)頻技術(shù)將2.4Ghz的頻寬劃分成14個22MHz的通道(Channel)，臨近的通道互相重疊，在14個頻段內(nèi)，只有3個頻段是互相不覆蓋的，數(shù)據(jù)就是從這14個頻段中的一個進(jìn)行傳送而不需要進(jìn)行頻道之間的跳躍。為了彌補(bǔ)特定頻段中的噪音開銷，一項(xiàng)稱為“chipping”的技術(shù)被用來解決這個問題。在每個22MHz通道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)都被轉(zhuǎn)化成一個帶冗余校驗(yàn)的Chips數(shù)據(jù)，它和真實(shí)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行傳輸用來提供錯誤校驗(yàn)和糾錯。由于使用了這項(xiàng)技術(shù)，大部分傳送錯誤的數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行糾錯而不需要重傳，這就增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

片碼偽隨機(jī)碼的一個突出的數(shù)字特性是，它可以使接收機(jī)的隨機(jī)碼產(chǎn)生器非常迅速地與接收信號的偽隨機(jī)碼同步。同步是解擴(kuò)過程的第一步?？焖偻揭笤诮邮招盘栔写a字的位置能夠被迅速識別，這一點(diǎn)借助與巴克碼的抵自相關(guān)性實(shí)現(xiàn)。抵自相關(guān)性另一好處是接收機(jī)可以拒收時延超過一個碼片周期的信號。片碼的另一個重要性質(zhì)是低互相關(guān)性，這在移動電話等必須避免多發(fā)射機(jī)間干擾的應(yīng)用中非常重要。低互相關(guān)性減少了相關(guān)器被不同偽隨機(jī)碼編碼的信號干擾的機(jī)會（如相關(guān)性會錯誤地解碼采用不同片碼的干擾信號）。

補(bǔ)碼鍵控除了使用單個片碼對輸入數(shù)據(jù)流的每個比特進(jìn)行擴(kuò)展外，還可以使用一組擴(kuò)碼，并依據(jù)輸入的數(shù)據(jù)比特組的數(shù)值對從這組擴(kuò)碼中選擇一個碼。這種機(jī)制稱為補(bǔ)碼鍵控（