【正文】 無線 網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)資料匯總 By RobertZhangyu 小潛伏鷹 from CPLA 1 Ad hoc 概念和特點(diǎn) 無線自組織網(wǎng)絡(luò) Ad hoc是一種沒有預(yù)定的基礎(chǔ)設(shè)施支撐的自組織可重構(gòu)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，可以作為蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的有效加強(qiáng)。 在 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)兩個移動主機(jī)在彼此的通信覆蓋范圍內(nèi)時，它們可以直接通信。但是由于移動主機(jī)的通信覆蓋范圍有限，如果兩個相距較遠(yuǎn)的主機(jī)要進(jìn)行通信，則需要通過它們之間的移動主機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)。因此在 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)同時還是路由器，擔(dān)負(fù)著尋找路由和轉(zhuǎn)發(fā)報文的 工作。在 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中，每個主機(jī)的通信范圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數(shù)據(jù)通過多個主機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達(dá)目的地。故 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)也被稱為多跳無線網(wǎng)絡(luò)。 特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)相對常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時刻、任何地點(diǎn)不需要硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，快速構(gòu)建起一個移動通信網(wǎng)絡(luò)。它的建立不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，具有一定的獨(dú)立性。 動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中，移動主機(jī)可以在網(wǎng)中隨意移動。主機(jī)的移動會導(dǎo)致主機(jī)之間的鏈路增加或消失，主機(jī)之間 的關(guān)系不斷發(fā)生變化。在自組網(wǎng)中，主機(jī)可能同時還是路由器，因此，移動會使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預(yù)測的。 有限的無線通信帶寬 在 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中沒有有線基礎(chǔ)設(shè)施的支持，因此，主機(jī)之間的通信均通過無線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，它提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線信道要低得多。除此以外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素，移動終端可得到的實際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論中的最大帶寬值。 有限的主機(jī)能源 在 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)均是一些移動設(shè)備，如 PDA、便攜 計算機(jī)或掌上電腦。由于主機(jī)可能處在不停的移動狀態(tài)下，主機(jī)的能源主要由電池提供，因此 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)有能源有限的特點(diǎn)。 網(wǎng)絡(luò)的分布式特性 在 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中沒有中心控制節(jié)點(diǎn)，主機(jī)通過分布式協(xié)議互聯(lián)。一旦網(wǎng)絡(luò)的某個或某些節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，其余的節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常工作。 生存周期短 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)主要用于臨時的通信需求，相對與有線網(wǎng)絡(luò)，它的生存時間一般比較短。 有限的物理安全 移動網(wǎng)絡(luò)通常比固定網(wǎng)絡(luò)更容易受到物理安全攻擊，易于遭受竊聽、欺騙和拒絕服務(wù)等攻擊?，F(xiàn)有的鏈路安全技術(shù)有些已應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)中來減小安全攻 擊。不過 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的分布式特性相對于集中式的網(wǎng)絡(luò)具有一定的抗毀性。 與其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的區(qū)別 蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò) 和 傳統(tǒng)無線局域網(wǎng) 移動無線通信網(wǎng)絡(luò)通常以蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)或傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)的形式出現(xiàn)，這兩種網(wǎng)絡(luò)具有一個共同點(diǎn)，即移動終端的 接入均需通過基站等轉(zhuǎn)接設(shè)備來完成 。蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)中的移動終端不具備路由功能，它是由移動交換機(jī)負(fù)責(zé)路由和交換，并同時充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，通過有線方式接人固定網(wǎng)。在傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)中，配備無線局域網(wǎng)網(wǎng)卡的移動節(jié)點(diǎn)，通過無線接 入訪問點(diǎn)，連接到固定網(wǎng)絡(luò)，兩個距 離較遠(yuǎn)且布線不便的局域網(wǎng)通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行連接，局域網(wǎng)中主機(jī)的移動性是通過移動 IP協(xié)議實現(xiàn)的。 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)不同于目前因特網(wǎng)環(huán)境中的移動 IP網(wǎng)絡(luò)。在移動 IP 網(wǎng)絡(luò)中，移動主機(jī)可以通過固定有線網(wǎng)絡(luò)、無線鏈路和撥號線路等方式接入網(wǎng)絡(luò)，而在 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中只存在無線鏈路一種連接方式。在移動 IP 網(wǎng)絡(luò)中，移動主機(jī)通過相鄰的基站等有線設(shè)施的支持才能通信，在 基站和基站 (代理和代理 )之間均為有線網(wǎng)絡(luò) ，仍然使用因特網(wǎng)的傳統(tǒng)路由協(xié)議。而 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)沒有這些設(shè)施的支持。此外，在移動 IP 網(wǎng)絡(luò)中 移動主機(jī)不具備路由功 能 ，只是一個普通的通信終端。當(dāng)移動主機(jī)從一個區(qū)移動到另一個區(qū)時并不改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中移動主機(jī)的移動將會導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。 與移動無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，自組網(wǎng)定義了一種全新的思想。在自組網(wǎng)的局域環(huán)境中，每個用戶終端不光有簡單的主機(jī)功能，而且 兼有路由器功能 ，兩個無法直接通信的用戶終端可以借助其它終端的分組轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。自組網(wǎng)是一種無中心的分布式結(jié)構(gòu)，所以最大的特點(diǎn)是可以無基站支持，每個移動終端的地位是平等的，并可獨(dú)立進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的決策。 參照 OSI 七層模型和 TCP／ IP 的 體系結(jié)構(gòu)，將 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧劃分為 5 層．物理層完或無線信號編碼譯碼、發(fā)送和接收頻率的選擇等工作。到目前為止． Ad Hoc 物理層可以選擇和參考的標(biāo)準(zhǔn)主要包括 IEEE 802． 11 系列、藍(lán)牙 (Bluetooth) 等。 Ad Hoc 物理層所采用的傳輸技術(shù)基本上有三種：正交頻分復(fù)用技術(shù)（ OFDM)、紅外線輻射傳輸技術(shù)、寬帶擴(kuò)展頻譜技術(shù)。 數(shù)據(jù)鏈路層控制對共享無線信道的訪問以及對邏輯鏈路的控制。分為 MAC 媒質(zhì)接人控制層和 LLC 邏輯鏈路控制層．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層的主要問題包括媒體接入控制以及數(shù)據(jù)的傳送、同步、糾錯和流 量控制等。 網(wǎng)絡(luò)層使用 IPv4 協(xié)議 IPv6 協(xié)議或其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議提供網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)，完成鄰居發(fā)現(xiàn)分組路由，擁塞控制和網(wǎng)絡(luò)互連等。網(wǎng)絡(luò)層的單目標(biāo)路由協(xié)議維護(hù)路由表，多目標(biāo)路由協(xié)議提供群組通信的底層支持．網(wǎng)際互聯(lián)支持 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中與其他現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)， QoS 支持提供可保證的 QoS 服務(wù)．路由安全提供對路由協(xié)議的安全保障。 傳輸層主要完成端到端通信的建立，向應(yīng)用層提供可靠的端到端服務(wù)。對 TCP/UDP 進(jìn)行改進(jìn)使之適應(yīng)無線環(huán)境。 應(yīng)用層協(xié)議用于提供面向用戶的各種類型的應(yīng)用服務(wù)．包括具有嚴(yán)格時延和丟失率限制的實時業(yè)務(wù)自 適應(yīng)應(yīng)用數(shù)據(jù)報業(yè)務(wù)。在實際實施的時候，可以采用各種各樣的應(yīng)用層協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。 物理層技術(shù) 信道劃分機(jī)制包括頻分、時分、碼分、空分以及以上方法的組合。時分將時間劃分為時隙，具有較好靈活性，可以方便將多個時隙分配給單個用戶，節(jié)點(diǎn)可在不發(fā)送數(shù)據(jù)時轉(zhuǎn)入休眠來減少能耗。但是時分需要預(yù)留保護(hù)時間間隔來維護(hù)時隙同步。頻分將系統(tǒng)帶寬劃分為不交疊的信道，實現(xiàn)簡單，但不夠靈活。相比于 TDMA， FDMA 減少了時間保護(hù)和同步所需的開銷，但也需要保護(hù)頻帶以防止干擾，并且節(jié)點(diǎn)始終處于工作狀態(tài)，增加了能耗。 CDMA不僅有較強(qiáng)的 抗干擾性和適應(yīng)性，而且有靈活的信道接人能力。只要不同節(jié)點(diǎn)采用不同的偽碼序列，就容許多個節(jié)點(diǎn)同時占用公共信道。但是，碼分對接收器的要求較高，實現(xiàn)較復(fù)雜。SDMA 通過使用定向波束天線或智能天線技術(shù)來增加系統(tǒng)容量。理想隋況下可以使所有用戶在同一信道同時通信，缺點(diǎn)是高復(fù)雜性和高成本。 OFDM OFDM 技術(shù)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，實際上是 MCM (Multi— Carrier Modulation，多載波調(diào)制 )的一種。它的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù) 流．調(diào)制在每個子信道上并行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 (ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一部分．信道均衡變得相對容易。 OFDM很好的滿足了未來無線多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率高．又要傳輸質(zhì)量高的要求。 (1)OFDM 技術(shù)的工作原理： 輸入數(shù)據(jù)信元的速率為 R，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分成 M 個并行的子數(shù)據(jù)流．每個子數(shù)據(jù)流的速率為 R／ M。在每個子數(shù)據(jù)流中的 若干個比特分成～ 組． 每組的數(shù)目取決于對應(yīng)子載波上的調(diào)制方式 如 PSK、 QAM 等。 M 個并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后進(jìn)行 IF 丌變換，將頻域信號轉(zhuǎn)換到時域， IFFr 塊的輸出是 N 個時域的樣點(diǎn)，再將長為 LD 的 CP(循環(huán)前綴 )加到 N 個樣點(diǎn)前，形成循環(huán)擴(kuò)展的 OFDM 信元．因此。實際發(fā)送的 OFDM 信元的長度為Lp+N，經(jīng)過并／串轉(zhuǎn)換后發(fā)射。接收端接收到的信號是時域信號。此信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后移去 CP，如果 CP 長度大于信道的記憶長度時。 ISI 僅僅影響 CP。而不影響有用數(shù)據(jù)，去掉 CP 也就去掉了 ISI 的影響。 (2)OFDM 基帶信號處理建模 當(dāng)調(diào)制信號通過無線信道到達(dá)接收端時。由于信道多徑效應(yīng)帶來的碼間串?dāng)_的作用．子載波之間不再保持良好的正交狀態(tài)．因而發(fā)送前需要在碼元間插入保護(hù)間隔。在發(fā)射端．首先對比特流進(jìn)行 QAM 或 QPSK 調(diào)制，然后依次經(jīng)過串并變換和 IFFT 變換．再將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，加上保護(hù)間隔 (又稱”循環(huán)前綴” )，形成 OFDM 碼元。在組幀時，須加入同步序列和信道估計序列．以便接收端進(jìn)行突發(fā)檢測、同步和信道估計。最后輸出正交的基帶信號。當(dāng)接收機(jī)檢測到信號到達(dá)時．首先進(jìn)行同步和信道估計。當(dāng)完成時間同步、小數(shù)倍頻偏估計 和糾正后，經(jīng)過 FI 變換，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計和糾正．此時得到的數(shù)據(jù)是 QAM或 QPSK 的已調(diào)數(shù)據(jù) 對該數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)．就可得到比特流。 (3)OFDM 技術(shù)的優(yōu)勢： OFDM 技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在 OFDM 系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的．這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率 并且由于 OFDM 技術(shù)能夠克服 DS— CDMA在支持高速率數(shù)據(jù)傳輸時符號間干擾增大的問題，并且有頻譜效率高，硬件實施簡單等優(yōu)點(diǎn)。 在無線通信中，對于 10GHz 頻段 以下的通信系統(tǒng)必須考慮多徑衰落，利用 OFDM(正交頻分復(fù)用 )調(diào)制技術(shù)將可用帶寬劃分成若干個子載波，這樣每個子載波的帶寬較窄，每個OFDM 符號的持續(xù)時間就比較長，由多徑時延擴(kuò)展帶來的影響將減小，可以有效地提高系統(tǒng)的抗多徑干擾能力，擴(kuò)大設(shè)備的適用范圍。 OFDM 調(diào)制方式具有較高的頻譜利用率，在抵抗多徑衰落、抵抗窄帶干擾上具有明顯的優(yōu)勢，可以提高系統(tǒng)的非視距傳播能力。在現(xiàn)有 和 無線接入產(chǎn)品中，已經(jīng)有很多廠商推出了基于 OFDM 的系統(tǒng)，并且在商用網(wǎng)絡(luò)中獲得了一定程度的應(yīng)用。對于 WLAN 接 入，兩種主流的物理層 IEEE 和IEEE 標(biāo)準(zhǔn)都采用了 OFDM 調(diào)制方式。 優(yōu)點(diǎn) – 實現(xiàn)簡單 ? FFT 實現(xiàn)：調(diào)制解調(diào)都由 (I)DFT 實現(xiàn)（ FFT 是 DFT 的快速算法） – 有成熟的自適應(yīng)技術(shù) – 易與其他技術(shù)結(jié)合 ? MIMO+OFDM ? MCCDMA – 多徑環(huán)境中均衡容易實現(xiàn) ? ZF 均衡、 MMSE 均衡 ? 均衡比較簡單，單抽頭的均衡器 MIMO+OFDM 目前解決 MIMO 系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術(shù)．還有一種是利用 OFDM。 4G 需要極高頻譜 利用率的技術(shù)。而 OFDM 提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的。在 OFDM 的基礎(chǔ)上合理開發(fā)空間資源．也就是 MIMO+OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外 ODFM 由于碼率低和加人了時間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護(hù)問隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò) (SFN)可以用于寬帶 OFDM 系統(tǒng)．依靠多天線來實現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，來實現(xiàn)完全覆蓋。 ? 基本思想 – 利用 OFDM 將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個平坦的窄帶子信道 – 利用 MIMO 多天線技術(shù) 在每一個窄帶平坦子信道上獲得巨大信道容量 ? 關(guān)鍵技術(shù) – 信道估計 ? 要估計的信道參數(shù)太多，一般要用發(fā)訓(xùn)練幀的方式 估計信道，而且各天線一般不能同時發(fā)訓(xùn)練幀 – 檢測順序的確定 ? 其實普通 MIMO 中就有這個問題，這里更加復(fù)雜 主要優(yōu)點(diǎn) – 頻譜效率高 ? 可以輕易達(dá)到 10bps/Hz 以上 – 極高速無線傳輸 ? 可以支持高達(dá) 1Gbps 的傳輸速率 ? 主要缺點(diǎn) – 對環(huán)境要求太高 ? 要求豐富多徑，而且比較怕直射路徑能量明顯大的情況，基本只有室內(nèi)才能滿足 – 技術(shù)太復(fù)雜 ? 信道估計和檢測算法的計算量都 特別大 – 支持移動十分有限 ? 移動起來信道估計壓力太大，往往信道估計過程還沒有完成，信道就已經(jīng)變化了，而且移動過程中難以保持豐富多徑的要求 室內(nèi)環(huán)境條件下 MIMO+OFDM 將是 4G 的支撐技術(shù) – 高達(dá) 1Gbps 的傳輸速率； – 頻譜效率可以到幾十 bps/Hz； – 室內(nèi)環(huán)境中 SA 技術(shù)復(fù)雜性高，優(yōu)勢不明顯； – 這種框架難以支持寬帶移動通信。 – 適合室內(nèi)高速（ 100Mbps 以上） 認(rèn)知無線電 頻譜資源十分有限，一些非授權(quán)頻段占用擁擠，而那些授權(quán)頻段卻經(jīng)?？臻e，因此，可以考慮在授權(quán)用戶不用自己 的頻率資源時，讓一些非授權(quán)用戶去暫時性地有效利用該空閑頻譜，認(rèn)知無線電就是基于這種想法提出來的一種更智能的頻譜共享技術(shù)，它可以感知無線通 信環(huán)境，依據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，動態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜，大大降低了頻譜和帶寬對無線技術(shù)發(fā)展的束縛。它要求非授權(quán)用戶和授權(quán)用戶在對頻譜資源利用時達(dá)到一個平衡，使得非授權(quán)用戶能在不影響授權(quán)用戶的前提下進(jìn)行一些自己的通信。 協(xié)同通信 協(xié)同通信利用節(jié)點(diǎn)間 的相互協(xié)作進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它充分利用了無線電波的全向傳播特性，使無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作形成了虛擬的天線陣列