无线扩频基础知识

ProSoft曹俊义2010年6月无线扩频基础知识无线数据网络基本概念无线数据网络标准无线数据网络技术常用基本概念主要内容无线网络基本概念传统有线网络数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是别的有线介质，数据流向只可到电缆的两端进行传输。信号在电缆上传送。无线网络数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它无线介质。信号在空气中传播，可以被任何人接收。无线网络基本概念无线数据网的种类*无线个人网（WPAN）•主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访本地外围设备，如打印机等。目前主要技术包括蓝牙（Bluetooth）和红外（IrDA）。*无线局域网（WLAN）•主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。目前主要技术为802.11系列。*无线网桥•主要用于大楼之间的联网通讯，典型距离几公里。*无线城域网和广域网（WMAN和WWAN）•覆盖城域和广域环境，主要用于Internet/email访问，但提供的带宽比无线局域网技术要低很多。目前典型的技术是GRPS和CDMA。无线网络基本概念有线网络与无线网络的比较无线网络基本概念无线网络的优点机动性:不受工作区域之限制便利性:兼容性高,安装方便扩充性:可随时增加使用数量节省成本:不须考虑重新装潢,布线之费用无线网络基本概念无线网络频谱图无线网络基本概念什么是ISM频段该频段是依据全球性国际组织美国联邦通讯委员(FCC)所定义出来，适用于全球各地来使用，无需授权使用，但是发射功率需要小于1w。工业（Industrial）---902MHz~928MHz科学（Scientific）---2.400GHz~2.4835GHz医疗（Medical）---5.725GHz~5.850GHz无线网络基本概念2.4GHz信道分配2.412GHz2.437GHz2.462GHz无线网络基本概念2.4GHz频段特点共分为13个频道，但是美国有效频道为11个，而欧洲有效频道为13个每个频道都有一个中心频率，每个信道宽度22MHz频道与频道之间相差5MHz1、6、11频道互不干扰2、7、12频道互不干扰3、8、13频道互不干扰无线网络基本概念5GHz信道分配5.7255.7355.7555.7755.7955.8155.8355.750•5.8GHz有8个互不干扰的信道，中国频段中，可提供5个互不干扰的信道•每信道占用20MHz频带带宽•提供6、9、12、18、24、36、48、54Mbps数据传输速率•采用OFDM调制方式5.8GHz频段Wlan信道分配表信道中心频率信道中心频率信道中心频率1495.7451535.7651575.7851615.8051655.825无线数据网络标准BlueTooth802.11b802.11g802.11aHomeRF2.0HiperLan2Infrared频率2.4GHz2.4GHz2.4GHz5GHz2.4GHz5GHzIrBand传输速率1MHz11MHz54MHz54MHz10MHz54MHz4MHz网络层最大速度721kbps5MHz22MHz32MHz5MHz32MHzN/A距离10m最大100m最大100m100m50mTBD**最大5m标准IEEE802.15IEEE802.11bIEEE802.11gIEEE802.11aSWAPHiperLan2IrDA通信技术FHSSDSSSOFDM/FBCCOFDM1MHz或5MHz宽频FHSSOFDMN/A使用模式点对点高速AP高速AP高速AP高速AP点对点NEW802.11n：速率：300Mbps甚至高达600Mbps。采用MIMOOFDM技术，在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰。因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使WLAN移动性极大提高。无线数据网络标准IEEE-802.11标准802.11a802.11b802.11g802.11n工作频段5.150-5.350GHz5.470-5.850GHz2.400-2.483GHz2.400-2.483GHz2.412-2.462GHz5.150-5.850GHz频宽580MHz83.5MHz83.5MHz83.5MHz/580MHz通讯速率54Mbps11Mbps54Mbps300-600Mbps互不重叠频道数量13(美国)19(欧洲)333（2.4GHz）13&19（5GHz）UDP数据吞吐量30.9Mbps7.1Mbps16.4Mbps100MbpsIEEE-802LAN标准系列无线数据网络标准802.11物理层1.802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范，无线传输的频道定义在2.4GHz的ISM波段内，这个频段，在各个国际无线管理机构中，例如美国的USA，欧洲的ETSI和日本的MKK都是非注册使用频段。2.802.11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequencyhoppingspreadspectrum)和DSSS(directsequencespreadspectrum)技术，需要指出的是，FHSS和DHSS技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术的设备没有互操作性。3.802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协议的物理层增加了两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为了实现这个目标，DSSS被选作该标准的唯一的物理层传输技术，这个决定使得802.11b可以和1Mbps和2Mbps的802.11DSSS系统互操作。4.802.11b采用了动态速率调节技术，来允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。在理想状态下，用户以11M的全速运行，然而，当用户移出理想的11M速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，这把速度自动按序降低为5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同样，当用户回到理想环境的话，连接速度也会以反向增加直至11Mbps。速率调节机制是在物理层自动实现而不会对用户和其它上层协议产生任何影响。无线数据网络标准802.11物理层示意图无线数据网络标准调制技术IEEE802.11:DBPSK、DQPSK、FSKIEEE802.11b:DBPSK、DQPSK、CCKIEEE802.11a:QAM/OFDMIEEE802.11g:DBPSK、DQPSK、QAM/OFDM、PBCC、CCKIEEE802.11n：MIMO-OFDM无线数据网络技术什么是扩频扩频技术的无线局域网络产品是依FCC(FederalCommunicationsCommittee；美国联邦通讯委员会)规定的ISM(IndustrialScientific,andMedical)频段，频率范围开放于902MHz~928MHz及2.4G~2.484GHz两个频段，并没有所谓使用授权的限制。扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据扩频技术主要又分为频率跳频技术（FHSS）及直接序列扩频技术（DSSS）两种方式。而此两种技术起源于第二次世界大战中军队所使用的通讯技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。无线数据网络技术扩频通信扩频通信的特色就是宽频与低功率，而且扩频通信很难侦测，若无特殊设备很难破解及解调，一般常见的干扰为窄频信号，所以干扰对扩频影响很小，对窄频信号的影响较大，所以扩频最早只用于军事领域。功率频率干扰信号高功率窄频信号高功率扩频信號（低功率）无线数据网络技术扩频通信窄频很重要的特点就是高功率，使用的频道越窄则功率需求越高，因为频道窄，必须靠高功率来保证接收数据的正确性。例如FM电台，发射功率可达2kw，而功率越高，与相邻频道的交叉域就越大，这样就造成了带宽的利用率比较小。为了让窄频信号被接收，发射功率必须比噪声的功率更高。扩频信号的优势就是宽频、低功率；信号发送所使用的带宽远远大于所需带宽，而且功率低。信号就像噪声，很难侦测，不容易被破解。窄频信号的另一缺点就是容易被覆盖（Jam）或被干扰，他很容易被相同频率的高功率信号覆盖，就好像我们讲话的时候有重型车经过一样。无线数据网络技术跳频技术（FHSS）跳频技术是依靠快速地转换传输的频率来实现的，将2.4GHz频道（83.5MHz）划分为75个1MHz的子信道，每一个时间段内使用的频率和前后时间段的都不一样，所以发送者和接收者必须保持一致的跳变频率，这样才能保证接受的信号正确。跳频技术可以避开许多干扰的出现，包括某些工作在特定频率下的信号，这样采用跳频后的802.11无线信号就只会丢失这个频率下的信息，损失不大；如果想分享带宽，也可以采用不同的调频次序来实现。弱点：速度慢，只能达到1Mbps。无线数据网络技术跳频技术假设在4MHz的频道内的跳变顺序是：2.412.、2.414、2.411、2.413，则一旦使用过2.413就会跳变到2.412重新开始。FCC规定一次必须跳频完所有的79个信道。发送与接收采用BeaconFrame进行同步。若某一频道被干扰，则只需利用其他信道重新传送该内容。而不影响其他信道的数据完整性。无线数据网络技术跳频技术FCC规定FHSS必须定义以下内容：何种频率跳跃顺序定居时间传送速度FHSS的跳跃单位为Channel，IEEE定义了26种不同的跳跃方式。虽然有79个不同的信道，但想要将79个系统相互同步（即在同一区域同时传送而不会有冲突产生），每台电台均需要有精确地同步能力，才不会互相干扰，所以FHSS系统设计比较困难。无线数据网络技术100200300400500600700800900100011002.4000GHz2.4835GHz傳送頻率(GHz)共79個頻道每個1MHz寬時間msFHSS系統一FHSS系統二FHSS系統三DwellTimeHopTime无线数据网络技术FHSS-Dwelltime•FHSS必须在某一信道内停留一定的时间进行数据传输，这个时间就是定居时间（DwellTime）.•Dwelltime的时间单位为ms，•通常为100-200ms•蓝牙也是跳频系统，其：Dwelltime大约为445微秒到625微秒每秒跳变1600多次•FCC规定FHSS每30s，在多次扫描完75个信道的每个频道的最大时间为400ms•干扰少的系统用DwellTime长的设备，反之用短的无线数据网络技术FHSS-Hottime•在跳跃之间（Dwell-time之间、频道切换之间），必须有一小段转换时间，称为HotTime•单位为微秒10-6s•所以Hoptime在802.11系统中并不会暂用太长时间，一般200-300微秒每个频道100ms，100ms*75=7500ms=7.5s7.5s*430second（额外的hoptime)每30秒重复4次。200us*75*4=60ms每個频道200ms，200ms*75=15000ms=15s15s*230second（额外的hoptime)每30秒重复2次。200us*75*2=30ms无线数据网络技术直接序列扩频技术（DSSS）直扩技术是把使用11位的chipping－Barker序列来将数据编码并发送的技术。发送端通过spreader把chips（就是一串的二进制码）添加入要传输的bit流中，称为编码；然后在接受端用同样的chips进行解码，就可以得到原始数据了。802.11协议中是使用Barker序列号来作为这个chips的，规定为10110111000，在编码过程，如果要传送的数据是0的话，