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网络工程师知识点整理—第五章：无线通信网

2021-04-10 08:40 507人阅读  评论(0)

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无线通信网包含面向语音通信的移动电话系统以及面向数据传输的无线局域网和无线广域网，随着移动互联网发展，目前移动电话网也向语音和数据综合传输的移动通信网转变，二者融合使得Internet无所不在，也更加方便快捷。

无线通信网：一类用无线电技术传输数据网络的总称。及网络传输的信道采用无线电。

信道：数据传输的媒介。对比出行交通工具选择
出行选择的交通工具（或道路）：汽车，货车、船、飞机。。。
数据传输选择媒介：同轴电缆、双绞线、光纤、无线电、红外线。。。

按使用方向分类：

  • 面向语音通信
  • 面向数据通信

按网络类型分类

该章完整思维导图可以前往下载：
网络工程师思维导图-第五章：无线通信网

1.移动通信网

移动通信网主要服务对象是移动电话，从第一代（1G）到第三代（3G）都是针对语音通信设计，4G开始与Internet无缝对接，开始普及移动互联网。

1.1第一代蜂窝通信系统

第一代移动蜂窝系统是1978年美国贝尔实验室开发的高级移动电话系统（AMPS）。采用模拟制式的频分双工（FDD） 技术。

蜂窝网络：
把一个地理区域划分成若干个成为蜂窝的小区。
使用蜂窝网络的目的:
不同小区之间实现频率复用。相邻小区用不同频率分隔。
图1.1 蜂窝通信系统频率复用与小区分隔

1.2第二代移动通信系统

第二代移动通信技术是数字蜂窝电话，世界不同地方采用了不同的数字调制方式，如欧洲电信的GSM系统和美国高通公司的码分多址（CDMA）系统。

  • 全球移动通信系统GSM
    GSM系统无线接口采用TDMA技术（及时分多址技术），在200KHz单工信道中采用TDMA可支持8个用户会话，规定同一用户上下行之间相差3个时槽。

小知识:
TDM与TDMA区别:
TDM: Time Division Multiplex 时分多路复用
TDMA: Time Division Multiple Access 时分多址接入

  • 相同点：将时间分为小的片段及time slot。
  • 不同点：应用场景不同，TDM是将多路信号通过分配不同时隙一起传输。TDMA是将时隙分配给不同的地址与其通信。
  • 码分多址技术-CDMA
    码分多址（CDMA）是一种扩频多址数字通信技术，相当于为不同用户分配不同的地址码（不同的码片序列）。

CDMA通信系统既不分频道、又不分时隙，无论传输何种信息的信道都采用不同的码型来区分。

  • 2.5G通信技术
    2.5G系统能提供分组交换业务，及分组无线业务GPRS。利用GSM网络中未使用的TDMA信道为用户提供移动数据业务。

1.3第三代移动通信系统

六个国际标准：

  • IMT-DS:W-CDMA,采用频分双工（FDD)，属于欧洲、日本制定。
  • IMT-MC:CDMA200,采用频分双工(FDD)，属于美国高通制定，CDMA继承者。
  • IMT-TC:TD-SCDMA,采用时分双工(TDD)，中国提出。
  • IMT-SC:EDGE,一种2.75技术.
  • IMT-FT:DECT.
  • WiMAX: IMT-2000 OFDMA TDD WMAN,及无线城域网技术。

1.4第四代移动通信系统

4G的传输速率可达到100Mbps，关键技术包含：OFDM,MIMO,智能天线，软件无线电技术。

主要制式有：

  • TD-LTE
  • FDD-LTE

1.5第五代移动通信系统

5G是最新一代蜂窝移动通信技术。目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。

5G三大应用场景：

  • eMMB： 增强移动宽带，空口速率：10Gbps。
  • uRLLC： 超高可靠超低时延通信，空口时延：1ms。
  • mMTC： 海量机器通信，连接数：每平方公里支持1百万个连接。

2.无线局域网

无线局域网及WLAN技术，本节需要掌握以下知识点：

  • 什么是WLAN,有哪些标准？
  • WLAN通过什么技术实现？
  • WLAN的协议栈及80.11的体系结构是怎么构成的？
  • Ad Hoc网络是怎么工作的？
  • IEEE802.11发展的新进展有哪些？

2.1 WLAN基本概念

无线局域网（WLAN）技术分为两大阵营：

  • IEEE802.11标准体系—面向数据发展而来，基于无连接。
  • HIPERLAN标准体系 —面向语音发展而来，基于有连接。

目前市场上的大部分产品都是根据802.11标准开发。

IEEE802.11标准：

802.11简介
工作在2.4G频段或5G频段，采用扩频通信技术。
802.11定义的两种拓扑结构
  • 基础设施网络
    基础设施网络中无线终端通过接入点（AP）访问骨干网设备。
    BSA： 一个接入点（AP）覆盖区域，叫做基本服务区。
    BSS： 接入点控制的所有终端组成一个基本服务集。
    DS： 多个基本服务集互联就形成了分布式系统。
    ESS： DS支持的所有服务叫做扩展服务集。
  • 特殊网络(Ad Hoc)
    Ad Hoc网络是一种能点对点网络，不需要有线网络和接入点的支持，终端设备间通过无线网卡直接通信。

2.2 WLAN通信技术

现有无线网按技术分类主要使用3中通信技术:

  • 红外通信
  • 扩展频谱通信
  • 窄带微波通信

2.2.1 红外通信

红外（IR）通信相对于无线电波通信有一些优点：比如频谱无限可提供较高速率，且频谱不收管制，设备简单等等。但也存在一定的缺点：比如受光线干扰，通信范围小。

IR通信分为三种技术：

  • 定向红外光束—建立点对点链路
  • 全方向广播红外线
  • 漫反射红外线—采用线性编码的基带传输模式

小知识:
电磁波频谱:

图片来源网络，原网页404，侵权请联系删除。

2.2.2 扩展频谱通信

扩展频谱通信技术起源于军事，主要想法是：将信号散布到更宽的宽带上以减少发生阻塞和干扰的机会。
主要思想： 香农定理 C = W l o n g 2 ( 1 + S / N ) C=Wlong_2(1+S/N) C=Wlong2​(1+S/N), 在信道容量©一定的情况下，可以用带宽（W）换取信噪比（S/N）。

  • 频率跳动扩频 (FHSS)
    信号按照看似随机的无线电频谱发送，每一个分组都采用不同的频率传输。
    802.11标准中规定每一跳最长时间未400ms，分组的最大长度为30ms，FHSS使用的频点间隔为1MHz。
  • 直接序列扩频 (DSSS)
    信号源中的每一位用称为码片的N个位来传输。

2.2.3 窄带微波通信

窄带微波（RF）是指使用微波无线电频带进行数据传输。

  • 申请许可证的窄带RF
  • 免许可证的窄带RF—Radio LAN是一种对等配置网络。使用5.8GHz频带，数据速率为10Mbps。

2.3 IEEE802.11体系结构

802.11WLAN的协议主要定义了MAC层和物理层，协议模型如下：

数据链路层 LLC 站管理
MAC MAC管理
物理层PHY PLCP PHY管理
PMD

2.3.1 数据链路层

  • LLC子层
    功能： 负责逻辑链路控制，识别网络协议，为第三次提供服务点，同802.3.
  • MAC子层
    功能： 访问控制，分组拆装。
    定义了三种访问控制机制：

1.CSMA/CA支持竞争访问
功能：解决隐蔽终端问题
过程：
（1）监听忙——随机后退计数器并坚持监听。
（2）空闲后——等待IFS时间开始计数，计数完开始发送。
（3）其他站听到有新站发送暂停计数，新站发送完后重复（2）

2.RTS/CTS无竞争访问
交替出现DFC和PFC
DFC数据的基本传输方式，作用于信道竞争期。
PFC工作用信道非竞争期。

3.点协调功能支持无竞争访问
AP集中轮询所有终端。

  • MAC管理子层
    功能：登记过程、ESS漫游、安全管理、电源管理等。
    登记过程： 管理方式是发送信标（一种管理帧），由AP定期发送，用于时间同步。
    ESS漫游： 定义了三种移动方式：固定，ESS内BSS转移，ESS与ESS转移。
    安全管理： 进行认证和加密，加密是802.11提供了有线等效保密（WPE）技术；认证是采用询问/响应，运用共享秘钥对128字节的随机序列进行加密。

2.3.2 物理层

  • 物理汇聚层（PLCP）
    功能：提供载波监听和物理层分组建立，定义了三种帧格式对应PMD层子层通信技术。
  • 物理介质相关层（PMD）
    功能：用户传输信号的调制和编码
    三种技术：
    FHSS:
    DSS:
    DFIR:
  • PHY管理子层
    功能：负责选择物理信道和调谐。

2.4 Adhoc网络

Adhoc网络又称无线对等网，基于多跳无线连接的分组数据传输服务。常用MANET（无线自组织网络）协议。具有以下特点：

  • 无中心
  • 自组织
  • 多跳路由
  • 动态路由
  • MANET协议
  1. 扁平路由协议

特点：参与路由的各个节点所起的作用相同

  • 先验式/表驱动路由
    先验式/表驱动路由的中心思想：周期性地交换路由信息，每个节点保持完整的网络拓扑图，基于链路状态算法。
  • 反应式/按需分配路由
    反应式/按需分配路由的中心思想：移动节点只是在需要通信时才发送路由请求分组，基于距离矢量算法。
  • 目标排序的距离矢量协议DSDV
    中心思想：利用序列号解决路由环路问题
  • 按需分配的距离矢量协议（AODDV）

  1. 分层路由协议
    主要协议是：集群网关路由交换协议

  2. 基于地理信息的路由协议
    中心思想：固定坐标系确定地理位置。
    路由协议的构成：地理路由器,地理节点，地理主机。

3.无线个人网

3.1 802.15技术规范

  • 802.15.1蓝牙技术
  • 802.15.2与802.11b共享环境AWMA/PTA
  • 802.15.3低价高速
  • 802.15.4低速无线

3.2 蓝牙技术

3.2.1. 核心体系结构

IEEE802.15.1蓝牙技术物理层技术才有FHSS,拥有79个频率。通信方式采用时分多路。

  • IEEE802.15.1网络分层（从下至上）
网络层 功能
物理信道
物理链路
逻辑传输
逻辑链路
L2CAP信道

3.2.2 核心功能模块

  • 信道管理器
  • L2CAP资源管理器
  • 设备管理器
  • 链路管理器
  • 链路控制器
  • RF

3.3 ZigBee技术

zigbee技术采用的是IEEE802.15.4标准，

  • 设备分类
    全功能设备（FFE）
    简单功能设备（RFD）
  • 物理层技术
    868/915MHz直接序列扩频DSSS,BPSK调制
    868/915MHz直接序列扩频DSSS，O-QPSK调制
    868/915MHz并行序列扩频DSSS，BPSK调制
    2.45GHz直接序列扩频DSSS,O-QPSK调制

4.无线城域网

无线城域网主要使用IEEE802.16标准

4.1 802.16标准

4.1.1 无线城域网分类

  • IEEE802.16d，无线固定接入，WiMAX
  • IEEE802.16e，移动接入，最大速度120km/h
    4.1.2 IEEE802.16协议模型
MAC层 面向服务汇聚子层
公共部分子层
安全子层
物理层

4.2 关键技术

  • 物理信道
    10-66GHz视距传输
    2-11GHz非视距传输
  • 复用技术
    OFDM/OFDMA
  • 天线技术
    MIMO
  • 双工方式
    FDD
    TDD

4.3 MAC子层

MAC子层提供面向连接的服务

  • 业务分配
    非请求的带宽分配业务
    实时轮询业务
    非实时轮询业务
    尽力而为业务

申明：本文为个人整理，欢迎广大网友予以指正。

参考文献

[1] 雷震甲.网络工程师教程（第5版）.清华大学出版社


转载：https://blog.csdn.net/mode_f/article/details/114634641
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