短距离通信技术

概述

低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产 品的强烈追求，作为无线通信技术一个重要分支的短距离无线通信技术正逐渐引起人们越来越广泛的关注

• 短距离无线通信

•  泛指较小的区域内（数十米内）提供无线通信技术
•  一般意义上，只要通信双方通过无线电波传输消息，并且传输距 离限制在较短的范围内，通常是数十米或数百米内，就可以称为短距离无线通信

• 短距离无线通信主要工作在高频段，使用全向天线和线路板天线。

• 短距离无线通信相对于长距离无线通信有很多的区别，主要特点包括：

        – 通信距离短

        – 低功耗

        – 低成本

        – 无中心，自组织，对等通信

        – 无需申请无线频段

IEEE802无线标准系列

• WRAN（Wireless Regional Area Network，无线区域网络）：

         面向无线宽带（远程）接入独立分散的、人口稀疏的区域。传输范围可达100Km

• WWAN（Wireless Wide Area Network，无线广域网）：

        WWAN技术是使得笔记本电脑或者其他的设备装置在蜂窝网络覆盖范围 内可以在任何地方连接到互联网

• WMAN（无线城域网）：

        主要用于解决城域网的接入问题，覆盖范围为几千米到几十千米，除提 供固定的无线接入外，还提供具有移动性的接入能力。WiMax就是基于 IEEE802. 16 系列标准的WMAN技术

• WPAN（Wireless Personal Area Network，无线个人局域网）：

是一种采用无线连接的个人局域网，除了基于蓝牙技术的802.15之外， 还包括低频率的802.15.4（也被称为ZigBee）和高频率的802.15.3（也被 称为超波段或UWB）

802协议集部分协议

• 802.3--以太网规范
• 802.4--令牌总线网。
• 802.5--令牌环线网。
• 802.6--城域网MAN。
• 802.9--综合话音/数据局域网（IVD LAN ）。
• 802.11--无线局域网。
• 802.12--按需优先（100VG-ANYLAN ）。定义使用按需优先访问方法的 100Mpbs 的以太网标准。
• 802.14--定义了电缆调调制解调器（cable modem）标准。
• 802.15--定义了近距离个人无线网络标准。 • 802.16--定义了宽带无线局域网标准。

WiFi技术

WiFi技术标准

•  WiFi是一个国际无线局域网（WLAN）标准，全称为Wireless Fidelity（无线 保真），又称IEEE802.11b标准。
• WiFi最早是基于IEEE802.11协议，发表于1997年，定义了WLAN的MAC层和 物理层标准。

IEEE 802.11协议分层模型

物理层协议：

• PLCP（Physical Layer Convergence Procedure)：物理层会聚协议

• PMD（Physical Media Dependent）： 物理介质关联

• FHSS：跳频扩频 (Frequency Hopping Spread Spectrum，简称 FHSS)

– 就是载波可以在一个很宽的频带上按照伪随机码的定义从一 个频率跳变到另一个频率。

– 也就是设备在发送信息时，不是固定在一个工作频率上进行发送，而是将整个通信频率划分为多个子信道，在发送信息时，依照一定的规则在这些子信道间进行跳跃。

– 使用FHSS技术，2.4G频道被划分成75个1MHz的子频道，接受方和发送方协商一个调频的模式，数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送

– 每次在802.11网络上进行的会话都可能采用一种不同的跳频模式

– 采用这种跳频方式主要是为了避免两个发送端同时采用同一个子频段。

• DSSS：直接序列扩频 (Direct Sequence Spread Spectrum，简称DSSS)

– 使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。

– 直接序列扩频技术将2.4Ghz的频宽划分成14个22MHz的通道(Channel)，临近的通道互相重叠，在14个频段内，只有3个频段是互相不覆盖的，数据 就是从这14个频段中的一个进行传送而不需要进行频道之间的跳跃。

例如：对于码串10010，如何使用DSSS进行调制和解调？

• 在利用DSSS进行调制和解调的过程中，首先需要进行伪随机码的同步， 例如规定用11000100110表示“1”，而用00110010110表示“0”。
• 在发射过程中，发射端用11000100110编码“1”，用00110010110编码 “0”，形成伪码11000100110 00110010110 00110010110 11000100110 00110010110，然后在原来带宽11倍的带宽上将伪码发送出去；
• 在接收端收到信号后，使用收到的伪随机码对收到的信号进行恢复， 得到原始信号10010。

802.11的发展进程

• 802.11: 无线网络技术发展的里程碑（1997）

– 定义了物理层和媒体访问控制(MAC)规范

– RF传输标准是跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）

– 工作在2.4000～2.4835GHz频段，传输速率达到2Mbps

• 802.11b: 牢固的基础标准（1999）

– 使用2.4GHz频段，直接序列扩频，传输速率达11Mbps

– 3个非重叠信道

– 在2000年拥有高达>95% 的WLAN市场占有率

– 未来的系统必须向下兼容802.11b

• 802.11a: 高速/多信道（1999）

– 使用5GHz频段，正交频分复用（OFDM）调制,传输速率高达54 Mbps

– 8至12个非重叠信道

– 非全球化的标准

– 不能向下兼容802.11b

• 802.11g: 高速/长距离（2003）

– 使用2.4GHz频段， OFDM调制，传输速率高达54 Mbps

– 具有比802.11a 超过50%的距离优势

– 全球统一的频段标准，没有风险，目前的主流

– 强制性向下兼容802.11b

• 802.11n: 更高带宽/更大覆盖范围（2008）

– 使用2.4/ 5.8GHz频段,传输速率提高到300Mbps甚至600Mbps

– MIMO、OFDM技术的应用，提高无线传输质量和传输速率

– 采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，用户接收到信号更稳定，并减少干扰。覆盖范围扩大到好几平方公里

• 802.11e

– 无线网络的QoS标准

• 802.11h

– 802.11a的补充，确保其符合关于5GHz无线局域网的欧洲标准。 DFS机制也根据该标准指定。

• 802.11i

– WLAN安全标准，实际上是把IEEE 802.1x安全标准引入了WLAN。

• 802.11f

– 解决漫游问题而制订的接入点之间的协议

无线局域网的频段

2.4G信道中国划分

        – 802.11b和802.11g的工作频段在2.4GHz（2.410~2.483）

• 其可用带宽为83.5MHz
• 划分为13个信道，每个信道带宽为22MHz
• 每个信道带宽为22MHz，其中有效宽度是20MHz，另外还有 2MHz的强制隔离频带。
• 2.4G频段中，相邻的信道间有重叠，尽量不要同时使用，以免造成干扰。同一个信号覆盖范围内最多能容纳3个互不重叠的信道（1,6,11），以此类推
• 11b采用DSSS直接扩频，最高提供11Mbps的速率
• 11g采用OFDM的扩频方式，可以提供54Mbps的速率

2.4GHz频段由于使用ISM频段，干扰较多。目前很多WiFi设备开始使用5.8GHz附近的频带

        – 5.8GHz（5.725~5.850）,其可用带宽为125MHz，划分为5个信道， 每个信道带宽为20MHz

缺点：5.8GHz频率较高，在空间传输时衰减较为严重。如果距离稍远，性能会严重降低。

IEEE 802.11 MAC层技术

• MAC数据帧

        – 用户的数据报文

• MAC控制帧

        – 协助发送数据帧的控制报文，例如：RTS（Request To Send，请 求帧）、CTS（Clear To Send，清除帧）、ACK等

• MAC管理帧

        – 负责STA和AP之间的能力集的交互，认证、关联等管理工作，例 如：Beacon、Probe、Association、Authentication等

面向数据的随机竞争MAC协议

• Aloha/时隙aloha

        – 随机, 分布式(无中心), 时分多路传输

        – 各用户终端不必经过协调可各自发送自己的分组

        – Aloha此外使用时间分段，发送必须开始于时隙的边界

        – ALOHA的最大吞吐量为0.184

        – 时隙ALOHA的最大吞吐量为0.368

        – ALOHA协议低效率的原因是碰撞和重发

• 基于载波监听（CSMA）的无线随机协议

        – 相比ALOHA协议，CSMA可以提高吞吐量

        – 在传输一个包之前侦听信道(避免可避免的冲突)

                • 每个节点都能够检测（侦听）到信道上有无分组在传输。分组传输采用先听后说的思想

• CSMA/CD

        – CSMA协议是在发送之前进行载波监听，由于传播时延的存在， 冲突还是不可避免的。

        – CSMA/CD比CSMA又增加了一个功能， “边说边听” ：

•  任一发送节点在发送数据帧期间要保持侦听信道的碰撞情况。 一旦检测到碰撞发生，应立即中止发送，而不管目前正在发送 的帧是否发完。
•  这样，信道就很快空闲下来，因而提高了信道的利用率。这种 边发送边监听的功能称为冲突检测。

CSMA/CD应用于WLAN的问题

• CSMA/CD是IEEE 802.3的以太网采用协议，基于任一站的发送都能被所有站点听到 这样一个事实

• 在无线环境下，只有在发送站点一定半径范围内的节点才能够侦听到信道上的载波

– 隐藏节点问题

– 暴露节点问题

• 无线系统中很难实现冲突检测（CD）

– 发送的同时很难进行接收

– 即使可以同时收发，CSMA/CD也很难解决在发送站点实现CD

– 即使可以在发送方实现CD，由于隐藏节点和暴露节点，即使发送方检测到信道空闲， 在接收端仍可能存在冲突

– 并非所有站都能侦听到一个站的发送

802.11 MAC层结构

在IEEE802.11 中媒体接入控制方式有PCF 和DCF 两种方式。其中DCF 方式是基本访问控制方式。

DCF（分布式协调功能）是IEEE802.11 MAC 的基本接入方法，所有要传输数 据的用户拥有平等接入网络的机会

• 通过CSMA/CA和随机退避时间来完成接入，控制共享媒介，
• 可用于有基础架构和Ad Hoc的网络架构
• 所有定向通信都采用立即的主动确认（ACK帧）机制：如果没有收到ACK 帧，则发送方会重传数据
• DCF 在所有的终端中实现。

        – 使用CSMA/CA的基本DCF

        – 带有RTS/CTS的扩展DCF

点协调功能PCF（Point Coordination Function）（可选）

– 工作方式是基于优先级的无竞争访问，是IEEE802.11 MAC 的可选接入 方法

– PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而 避免了碰撞的产生

– 适用于时限业务

– 用于有基础架构的网络

CSMA/CA

• 载波侦听多路访问CSMA（Carrier Sense Multiple Access ）

        – 如果媒体为空，则传输帧

        – 如果媒体为忙，则等待，直到当前传输完全结束

• 冲突避免CA（Collision Avoidance）

        – 媒体由忙转为空时执行随机回退算法

        – 利用ACK确认帧的正确传输

帧间间隔IFS

• 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。 这段时间的通称是帧间间隔IFS (Inter-Frame Space)

• 用不同的帧间隔来定义优先级

• 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型 – 高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权 – 低优先级帧等待的时间较长

帧间间隔类型

• SIFS（Short IFS）：最高优先级

        – 用来分隔开属于一次对话的各帧

        – 使用SIFS的帧包括

• ACK 帧、CTS 帧、由过长的MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答AP 探询的帧和在PCF 方式中 接入点AP 发送出的任何帧

• PIFS（PCF IFS）：中等优先级 – 只能由工作在PCF方式下的站点使用

        – 在开始使用PCF 方式时利用该帧间隔获得对媒体的访问权

        – PIFS = aSIFSTime+ aSlotTime

• DIFS（DCF IFS）：最低优先级

        – 在DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧 – DIFS = aSIFSTime+ 2×aSlotTime