无线网络与移动通信技术基础

一、概述二、无线个域网技术三、无线局域网技术四、无线城域网技术五、移动IP技术六、移动Internet七、无线通信技术发展无线网络与移动通信技术基础移动通信与移动计算的区别MobilecommunicationinvolveonlyphysicalandMAClayersMobilecomputingincludemobilenetworking(datalink,network,transportlayers)aswellassoftwareapplicationssuchaswirelessaccesstoinformationresources,client/serverinteraction,etc.一、概述无线通信的历史–中国古代烽火台–1865年，麦克斯韦（J.C.Maxwell）建立了著名的电、磁、光现象相统一的麦克斯韦方程–1887年，赫兹（H.R.Hertz）首次证明了在数米远两点之间可以发射和检测电磁波；–1895年5月7日，波波夫在俄国彼得堡的物理化学分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。无线通信的历史–1895年，马可尼(G.M.Marconi)成功地进行了约3公里的无线电通信；1897年，马可尼赴英国发展，获得科学界和实业界的重视和支持，取得了专利。1897年，马可尼建议了世界上第一家无线电器材公司-马可尼公司。1901年，他在英格兰和纽芬兰之间进行了横跨大西洋的莫尔斯电报码发射和接收试验，通信距离超过3000公里；马可尼的贡献贯穿在无线电、电视、移动电话、卫星通信等广泛领域。1909年获得诺贝尔物理学奖。移动与无线通信基本知识•Frequency(f)isthenumberofoscillations(cycles)persecond.UnitisHertzorHz•Wavelength()isthedistancecoveredbyoneoscillation(cycle)asthewavetravelsthroughspace多径效应：由于多径传播，造成多径信号的幅度、相位和到达时间不同，它们相互叠加会产生电平衰退(fading)和时延扩展，产生附加的调频噪声，出现接收信号失真。移动台直射波反射波反射体散射波散射体基站移动台阴影衰退：由地形、地物、气象等原因对电磁波的遮蔽引起，由此引起的衰退为慢衰退。例如，当移动用户穿过不同高度建筑物、十字路口，接收到的信号平均功率发生变化，且是缓慢的变化。快衰退和慢衰退随着移动台的移动而产生变化，这二者构成移动通信接收信号不稳定的因素。基站障碍物多普勒（Doppler）效应：由于移动台与基站的相对运动引起接收信号的附加频率变化，距离越近，附加频率越高。cosvfd移动台基站Wirelesssystemstransmitandreceivewaveformsthatareoutsideofthespectrumofvisiblelight--fromabout800～30,000MHz全范围无线电频谱图极低频（ELF)军事潜艇通信甚低频（VLF)导航、声纳、航空低频（LF)航海与航空导航信标、航空导航中频（MF)中波广播、航海与航空导航信标高频（HF)短波广播、业余无线电甚高频（VHF)电视与调频广播、无线寻呼、地面移动通信超高频（UHF)电视与调频广播、无绳电话、个人无线电特高频（SHF)微波链路、卫星通信极高频（EHF)雷达、射电天文学微米波远程探测、激光通信、光空间通信红外光300kHz30MHz3000MHz300GHz3kHz频率天线Allwirelessdeviceshaveatleastoneantenna;mostusethesameantennatotransmitandreceiveTheantennamustbeatleastonequarterwavelengthinsizetoworkwell.So,nomatterhowsmallyoumakeacellularphone,theantennaisgoingtohavetobeaboutthissize!波束转换智能天线(b)自适应阵列智能天线(a)智能天线视距通信(LOS)：LineofSight发射天线与接收端间无障碍物。两次世界大战强烈地刺激了无线通信技术的发展1946年，首次开通公众移动服务系统,主要用于大众安全部门，如警察和消防部队，并逐渐向民间过渡。正因为一个频谱只能为一对讲话者使用，频谱成为稀有资源，日趋紧张。世界无线电管理委员会(WRC)提出频谱分配法；军事战争：无线电台短波通信长波通信1870年，丹麦大北电报局途径俄国、日本在中国建立第一条电报线，1882年中国第一个电报局建立（李鸿章的业务运动）。100年以后的1982年，我国电话才234万部，电话线2.3条/1000人。到2006年，我国固定和移动电话均超过4亿台，普及率超过30％。无线/移动通信的发展无线/移动通信的发展•蜂窝（Celluar）概念：将通信的区域按蜂窝形状分的区域按蜂窝形状分成若干小区，两个小区间只要相隔一段距离,无线载频就可重复使用。•频率复用(频分多址),无线频谱尽可能在不同的地理位置上重复使用，每个小区由所对应的基站来服务。•1946年，美国AT&T贝尔实验室首先提出这一设想，模拟蜂窝系统于1970年开发成功，1979年第一个蜂窝系统称之为先进移动电话业务的AMPS在芝加哥建成，表示真正民用付诸实现，20世纪80年代模拟蜂窝系统在很多国家建立起来（如日：HCMTS、北欧：NMT、法：TACS、德C450）大大推动了移动通信的发展。•蜂窝系统的三个基本参量：高容量、小区和频率复用；•越区切换，位置管理为蜂窝系统所独有，较其他移动通信系统复杂不少;•采用更具有更高级的数字技术与网络管理技术，信令网络与业务网络相分离的GSM被广泛采用。•美国1990年IS-54，1992年IS95-98(CDMA)均为双模体制，我国采用900MHz频段的GSM(GlobalServiceforMobile)体制(FDMA/TDMA)。分区1分区2无线/移动通信的发展•1996年：新增的面向个人的移动用户超过固定用户增长速度•2000年：全球移动用户：2亿全球固定用户：8亿•2004年：移动用户达到17亿，中国3.4亿•2010年：移动用户达到30亿，与固定用户数量持平以移动蜂窝网用户为例无线/移动通信的发展终极目标：个人通信PCN(PersonalCommunicationNetworks)是人类通信的最高目标，它指使用各种可能的网络技术，实现任何人(Whoever)在任何时间(Whenever)、任何地点(Whereever)与任何人(Whomever)进行任何种类(Whatever)的信息交换。Anywhere,anyone,anyway,anytime无线网络与有线网络有何不同？•无线网络通过一系列站(hops,跳)和交换机为移动用户提供其连接有线网络的入口。一个典型移动计算的点到点连接包括无线交换部分和有线广域网部分。点到点物理连接中，交换机软件十分复杂，常规的网络设计和开销计算已经不再适用。•无线网络的容错性比有线网差，传输错误或者暂时的连接中断带来的后果都会比有线网中要大。这主要是因为用户不断漫游，天气原因等。•容错性差将会给传输层软件和协议提出新的要求。Infrastructure-basedvs.adhocFixed,wiredbackbone;MobilesdirectlycommunicateWithAccessPoints.Nowiredbackbone;Peer-to-peer;Multi-hoproutes无线网络分类WPAN10mBluetoot、UWB、ZigbeeWLAN150m11–54Mbps802.11a/b/e/gHiperLAN/2WMAN5km802.16a/d/e–70MbpsLMDS–38MbpsWWAN15km802.20GSM,GPRS,CDMA,2.5G,3G无线通信网络分类图WPAN的核心思想是：用无线电（RF）或红外线代替传统的有线电缆，以个人为中心实现信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。从计算机网络的角度来看，WPAN是一个局域网；从电信网络的角度来看，WPAN是一个接入网。人们把WPAN称为电信网络“最后一米”的解决方案。特征：适应范围、能耗、成本、用途等。无线个人网（WPAN）Wired/WirelessWired/WirelessWired/WirelessWired/WirelessWired/WirelessBroadbandLocalhighthroughputdeliveryLongrangedeliverywired&wireless(Backbone)数字化家居无线个域网与无线局域网1、无线个域网（WPAN）概述2、红外线无线网络(InfraredDataAssociation)（红外线辐射波长范围:700～1300nm）红外线无线网络组成：－红外发射器（红外LED器件）－传输信道－红外接收器红外漫反射器移动客户机1移动客户机2•发射与接收设备体积小，重量轻，成本低;•支持各种速率的点到点话音和数据业务;•主要应用在嵌入式系统和设备中;•红外频带宽，不干扰现有射频系统性能，干扰低;•红外LOS，不能穿透墙，保密性强;•红外数据传输率高，1Mb/s（0.96～4Mbps）；•IrDA主要应用：设备互联、信息网关设备互联后可完成不同设备内文件与信息的交换信息网关负责连接信息终端和互联网2.1红外线通信特点如何组成红外无线网络？•红外无线数据通信/控制协议－IrDA协议集（1993）•红外数据网络－网络为红外漫反射器•调制技术2.2红外线无线网络结构IrDA协议栈分成两部分：核心协议和可选协议。IrDA的核心协议包括：物理层协议、链路接入协议、链路管理协议和服务发现协议。核心协议完成对物理传输媒介的监测与控制，发现设备，可靠的数据链路的建立与维持，高层数据包的适配，不同协议数据的复用与流量控制。IASOBEX话音与呼叫控制IrCommTinyTPIrLMPIrLAP红外线物理层IrDA协议栈2.2红外线无线网络结构UWB技术又被称为脉冲无线电发射技术。根据美国联邦通信委员会（FCC）的定义，是指在3.1G-10.6G频段内占用10dB/带宽大于500MHz的无线发射方案。3、超宽带（UWB）技术1.61.92.4Bluetooth,802.11bWLANCordlessPhonesMicrowaveOvensPCS5802.11aWLANCordlessPhones-41dBm/Mhz“FCCPart15Limit”Frequency(Ghz)EmittedSignalPower10.63.1Note:nottoscaleUWBSpectrumU-NIIbandISMbandGPSUWB技术曾被广泛应用于雷达和遥感领域，作为商用无线通信技术目前正受到越来越多的关注。UWB技术即不同于传统的窄带无线传输技术，也不同于3G扩频宽带技术。传统的窄带或扩频宽带系统都需要使用载波将基带信号调制到射频上，而UWB技术不需载波，能直接调制脉冲信号，产生带宽高达几GHz的窄脉冲波形，其带宽远远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽。3.1UWB概述UWB吞吐量Highspeedatshortrange–480Mb/sat~3m–Doesnotpenetratewalls3.1UWB概述UWB信号的宽频带、低功率谱密度的特性，决定了UWB无线传输技术的以下优势：易于与现有的窄带系统，如GPS、蜂窝通信系统、地面电视等共用频段，大大提高了频谱利用率；易于实现多用户的短距离高速数据通信；对多径衰落具有鲁棒性。3.1UWB概述适合UWB技术的实际应用包括：高速无线个域网；无线以太接口链路；智能无线局域网；户外对等网络；传