【网工第6版】第4章 无线通信网

目录

■ 移动通信与4G 5G技术

▲ 移动通信发展

▲ 移动通信制式

▲ 移动通信技术标准

▲ 4G标准

▲ 4G关键技术

◎ OFDMA

◎ 4G关键技术-MIMO

◎ 4G关键技术-SDR

◎ 4G关键技术-VolP

▲ 5G应用场景

▲ 5G两种组网模式

▲ 5G关键技术

■ CDMA计算

■ WLAN通信技术

■ WLAN信道与频谱

▲ WLAN网络分类

▲ ISM频段

▲ 不重叠信道

▲ 2.4G和5GHZ频段

▲ 中国的5.8GHZ信道

▲ 信道重用和AP部署

▲ 802.11技术标准对比

▲ Wi-Fi7(802.11be)

■ 802.11MAC层访问控制

▲ 802.11访问控制机制

▲ 隐藏节点问题

▲ 802.11三种帧间间隔

▲ 帧间间隔用途

■ 移动AdHoc网络

▲ AD Hoc网络

▲ MANET网络特点

▲ MANET路由协议

■ WLAN安全技术

▲ WLAN安全机制

▲ WEP和WPA扩展

■ 无线个人网

▲ 蓝牙和Zigbee技术

▲ Zigbee设备

▲ Zigbee底层技术

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■ 移动通信与4G 5G技术

▲ 移动通信发展

1G 语音

2G 短信

3G 社交应用

4G 在线、互动、游戏

5G 虚拟现实、零时延感知

▲ 移动通信制式

▲ 移动通信技术标准

WiMAXII属于4G标准。3G和4G最大的区别是，3G标准骨干网是基于传统时分复用的语音网络，而4G骨干网是基于IP的分组交换网络。

▲ 4G标准

候选4G标准有3个：UMB(Ultra Mobile Broadband)、LTE(Long Term Evolution)和WiMAX I(IEEE 802.16m).

LTE（长期演进）是沿着GSM→W-CDMA→HSPA→4G路线发展的技术，是由以欧洲电信为首的3GPP组织制定的。

中国移动、中国电信和中国联通均获得TD-LTE牌照，中国移动获得130MHz的频谱资源，远高于中国电信和中国联通的40MHz。

各家运营商得到的商用频段划分如下：

☆中国移动：1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz。

☆中国联通：2300-2320MHz、2555-2575MHz。

☆中国电信：2370~2390MHz、2635~2655MHz。

▲ 4G关键技术

4G关键技术包括：OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)、MIMO(Multiple Input Multiple Output)、软件无线电(Software Defined Radio,SDR)技术、VolP(Voice over Internet Protocol)技术等。

OFDMA技术：OFDMA技术是4G中的一种多址技术，通过将无线信道分成多个子信道来实现多用户之间的并行传输，提高了频谱利用率和数据传输速率。

MIMO技术：MIMO技术是4G中的一种天线技术，通过使用多个天线来发送和接收数据，可以显著提高无线信道的容量和数据传输速率。

码本分集技术：码本分集技术是4G中的一种编码技术，通过在发送数据时添加纠错码来提高数据的可靠性，减少误码率，从而提高数据传输速率和通信质量。

软件无线电技术：通过软件定义无线电设备的信号处理、调制解调、信道估计等功能，可以实现高度灵活的无线通信系统，提高了系统的可扩展性和适应性。

VolP技术：VolP技术是4G中的一种语音通信技术，通过将语音数据转换成数字信号进行传输，实现了语音和数据在同一网络上的传输，提高了通信效率和资源利用率。

安全加密技术：4G中的安全加密技术主要包括身份认证、数据加密、安全传输等，通过使用密码学算法等技术保障数据的安全性和用户的隐私。

◎ OFDMA

OFDMA技术主要特点：

高频谱效率：OFDMA技术可以将一个频段分成多个子载波，每个子载波都可以独立地传输数据，提高了频谱利用率。

低功率消耗：由于OFDMA技术使用了正交频分多址技术，降低了同频干扰，因此可以通过降低传输功率来实现能耗的降低。

抗干扰能力强：OFDMA技术可以采用频率、时间和空间上的多重保护技术，以提高系统的抗干扰能力。

支持多用户：OFDMA技术可以将一个频段分成多个子载波，使得多个用户可以同时通过不同的子信道进行通信，提高了系统容量。

LTE系统采用了OFDMA技术作为下行链路的多用户调制技术，以提高系统容量和频谱利用率。

WiMAX系统也采用了OFDMA技术作为其物理层的多用户调制技术。

◎ 4G关键技术-MIMO

MIMO技术利用多个天线同时传输和接收信号，增加了信道的自由度，能够显著提高频谱利用率和信道容量，提高数据传输的可靠性和覆盖范围。

MIMO技术主要有两种形式：空时编码(Space Time Coding,STC)和空间复用(Spatial Multiplexing,SM).

空时编码：指在发送端将多个数据流分别编码成多个符号，通过多个天线同时发送，接收端则利用接收到的符号进行解码，从而提高信道的可靠性和传输速率。

空间复用：指利用多个天线同时发送不同的数据流，接收端通过接收到的多个数据流进行解码，从而提高频谱利用率和传输速率。

◎ 4G关键技术-SDR

软件定义无线电（SDR）技术允许无线电设备中的硬件和软件分离，通过软件可编程的方式实现无线电通信，提高通信系统的灵活性和可靠性，同时也可以降低通信系统的成本和维护难度。

SDR技术主要用于实现基站设备和终端设备的软件定义，使它们能够在不同频段和协议之间进行无缝切换，并支持不同的通信服务，如数据、语音和视频等。

SDR关键功能：

多模式支持：由于4G支持多种制式，采用软件定义无线电技术可以方便地实现多模式支持，使得设备具备更加广泛的应用范围。

多天线技术：软件定义无线电技术可以实现对多天线技术的支持，从而可以提高通信系统的传输速率和容量。

动态频谱接入技术：软件定义无线电技术可以实现对动态频谱接入技术的支持，使得设备可以更加灵活地使用频率资源。

自适应调制技术：软件定义无线电技术可以实现对自适应调制技术的支持，从而可以根据不同的信道条件选择最合适的调制方式，提高通信系统的传输效率。

◎ 4G关键技术-VolP

VolP技术是4G中的一种语音通信技术，通过将语音数据转换成数字信号进行传输，实现了语音和数据在同一网络上的传输，提高了通信效率和资源利用率。

VoIP技术通过IMS系统实现了语音信号的数字化和封装，使其能够在IP网络中进行传输。

VolP技术的优点在于能够大幅降低通话费用、提高语音质量、提供更多的增值业务和更加便利的使用方式。

VolP技术还可以支持多种网络接入方式，包括3G、4G、Wi-Fi、有线网络等。

▲ 5G应用场景

高带宽（eMBB）：支持20Gbps峰值速率，适用于3D、AR/VR等应用，提升用户体验。

低时延高可靠（uRLLC）：支持超低时延高可靠通信，5G可以提供小于1ms的端到端时延以及99.9999%的可靠性保障。

海量终端互联（mMTC）：侧重于人与物之间的信息交互，主要场景包括车联网、智能物流、智能资产管理等，要求提供多连接的承载通道，实现万物互联。

▲ 5G两种组网模式

NSA在原4G基站上搭载5G，节约建设资源、减少建设时间、快速进入5G时代。

SA单独组建5G基站，更好的网络体验、更炫酷的应用场景。

▲ 5G关键技术

5G关键技术包括：超密集异构无线网络、大规模输入输出（MIMO）、毫米波通信、软件定义网络和网络功能虚拟化。

超密集异构无线网络：相对于4G网络，5G使用较高的频谱，覆盖范围相对较小，需要密集部署宏基站、微基站和室分等不同架构的网络满足覆盖需求。

大规模输入输出(MIMO):5G沿用了4G网络的多进多出技术(Multiple Input Multiple Output,MIMO),能有效提升网络带宽。

毫米波通信：毫米波小基站可以增强高速环境下用户的网络体验，提升网络的组网灵活性。

SDN和NFV：SDN技术实现控制层面和数据层面分离，提升网络灵活性、可管理性和扩展性。NFV技术可以实现软件和硬件解耦，比如传统网络需要购买防火墙、入侵检测、防病毒等硬件安全设备，NFV实现网络功能虚拟化后，只需要购买标准服务器，然后虚拟出多台虚拟机，可以在虚拟机上运行软件的虚拟防火墙（vFW）、虚拟机入侵检测（vIPS）和虚拟防病毒（vAV），从而大幅降低网络的建设和维护成本。

◎ 真题

移动通信4G标准与3G标准主要的区别是（25），当前4G标准有（26）。

A.4G的数据速率更高，而3G的覆盖范围更大

B.4G是针对多媒体数据传输的，而3G只能传送话音信号

C.4G是基于IP的分组交换网，而3G是针对语音通信优化设计的

D.4G采用正交频分多路复用技术，而3G系统采用的是码分多址技术

A.UMB和WiMAX II

B.LTE和WiMAX II

C.LTE和UMB

D.TD-LTE和FDD-LTE

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◎ 真题

6G网络中的空天地一体化网络架构，主要依赖（33）实现全球无缝网络覆盖。

A.低轨、中轨以及同步轨道卫星网络协同部署

B.高密度的地面基站部署

C.地面基站、高空平台和卫星网络的深度集成

D.网络切片和边缘设备高度集成

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■ CDMA计算

CDMA系统为不同用户分配码片，根据计算正交值来判断是否接收数据和接收的数据是多少。

正交结果为1，表示发送数据1；正交结果为-1，表示发送数据为0；正交结果为0，表示未向该终端发送数据。

◎ 真题

假定在一个CDMA系统中，两个发送方发送的信号进行叠加，发送方1和接收方1共享的码片序列为：（1，1，1，-1，1，-1，-1，-1），发送方2和接收方2共享的码片序列为：（1，-1，1，1，1，-1，1，1）。假设发送方1和发送方2发送的两个连续bit经过编码后的序列为：（2，0，2，0，2，-2，0，0）、（0，-2，0，2，0，0，2，2），则接收方1接收到的两个连续bit应为（34）。

A. (1, -1)    B. (1, 0)     C. (-1, 1)     D. (0, 1)

解析：(1, 1, 1, -1, 1,-1, -1, -1) (2,0,2,0,2,-2,0,0) 2+0+2+0+2+2+0+0=8 ，一共8个数，则除以8，最后正交结果是1。那么接收方1收到的数据是1。

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■ WLAN通信技术

无线网主要使用三种通信技术：红外线、扩展频谱（扩频）和窄带微波技术。扩展频谱通信：将信号散步到更宽的带宽上以减少发送阻塞和干扰的机会。WLAN主要使用扩展频谱技术：频率跳动扩频FHSS（蓝牙、军事领域）和直接序列扩展频谱DSSS（Wi-Fi）。

■ WLAN信道与频谱

▲ WLAN网络分类

WLAN网络可以分为三类：基础无线网络、AdHoc网络和分布式无线系统。

• 基础无线网络(Infrastructure Networking):用户通过无线接入点AP接入。
• 特殊网络（Ad Hoc Networking）：用于军用自组网或寝室局域网联机游戏。
• 分布式无线系统：通过AC控制大量AP组成的无线网络。

▲ ISM频段

ISM频段主要是开放给工业、科学、医学机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会（FCC）所定义出来，并没有所谓使用授权的限制。

▲ 不重叠信道

▲ 2.4G和5GHZ频段

▲ 中国的5.8GHZ信道

▲ 信道重用和AP部署

▲ 802.11技术标准对比

Wi-Fi标准的工作频段：

2.4GHz :802.11、802.11b和802.11g 5GHz:802.11a和802.11ac/;

2.4GHz+5GHz 802.11n/ax/be

非重叠信道数量：

2.4GHz频段包含13个信道，有3个不重合信道，常用信道为1、6和11，不重合信道间隔5个信道。

不同802.11标准的最大速率：

比如，802.11n最大支持600Mbps，802.11ax速率可达9600Mbps。

▲ Wi-Fi7(802.11be)

5GHz频段。信道中心频率间隔为20MHz。Wi-Fi7最新一代的无线局域网标准，旨在显著提高W-Fi的性能和效率。以下是Wi-Fi7的一些关键特性：

更高的吞吐量：支持320MHz的超宽频信道，理论上可以达到46Gbps。

增强的调制方式：采用了4096QAM调制技术，比Wi-Fi6的1024QAM提升了20%的传输速率。

多链路操作（MLO）：MLO支持更高效的链路间负载均衡，从而提高吞吐量和可靠性。

改进的延迟特性：改进了对确定性延迟的支持，使其在高交互性应用（如增强现实和虚拟现实）中表现更佳。

频谱效率：允许多个资源单元（RUs）分配给单个STA，提高了频谱资源调度的灵活性和效率。

Wi-Fi7能够提供更高的带宽、更低的延迟和更高的可靠性，特别适用于需要高吞吐量和低延迟的应用，如超高清视频流、沉浸式3D训练和AR/VR/XR。

■ 802.11MAC层访问控制

▲ 802.11访问控制机制

802.11MAC子层定义了3种访问控制机制：CSMA/CA（支持竞争访问），RTS/CTS和点协调功能（支持无竞争访问）。

CSMA/CA核心原理：发送数据前先检测信道是否使用，若信道空闲，则等待一段随机时间后，发送数据。所有终端都遵守这个规则，故这个算法对参与竞争的终端是公平的，按先来先服务的顺序获得发送机会。

RTS/CTS信道预约：发送前先打报告，其他终端记录信道占用时间。

PCF点协调功能：由AP集中轮询所有终端，将发送权限轮流交给各个终端，类似令牌，拿到令牌的终端可以发送数据，没有令牌的终端则等待。点协调功能比DCF分布式协调优先级更高。（无争用）

▲ 隐藏节点问题

为什么无线网络不沿用有线网络的CSMA/CD，而提出CSMA/CA来解决冲突问题？

原因：有线网络中所有终端直接连接起来，可以非常容易检测到其他终端有没有发送数据（收发数据有线链路上会有光电脉冲变化）。无线网络终端没有线缆连接，可能检测不到冲突，最典型的就是隐藏节点（也叫隐蔽终端）问题。

▲ 802.11三种帧间间隔

DIFS（分布式协调IFS）：最长的IFS，优先级最低，用于异步帧竞争访问的时延。

PIFS（点协调IFS）：中等长度的IFS，优先级居中，在PCF操作中使用。

SIFS（短IFS）：最短的IFS，优先级最高，用于需要立即响应的操作（确认ACK）。

▲ 帧间间隔用途

CSMA/CA中，数据要发送，就监听信道是否空闲。如果信道空闲，等待DIFS时段后开始发送。

AP收到一个数据帧后等待SIFS再发送一个应答帧（ACK）。

SIFS用于RTS/CTS：源终端先发送一个“请求发送”帧RTS，目标终端收到RTS后等待一个SIFS时间，然后发送“允许发送”帧CTS。

RTS/CTS后，发送数据前等待SIFS。

网络分配矢量(Network Allocation Vector,NAV)信号，该信号的存在说明信道忙，所有终端不得争用信道。

◎ 真题

在802.11中采用优先级来进行不同业务的区分，优先级最低的是（62）。

A.服务访问点轮询

B.服务访问点轮询的应答

C.分布式协调功能竞争访问

D.分布式协调功能竞争访问帧的应答

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■ 移动AdHoc网络

▲ AD Hoc网络

AD Hoc网络是由无线移动节点组成的对等网，不需要AP/基站等网络基础设施，每个节点既是主机，又是路由节点，是一种MANET（Mobile Ad Hoc Network）网络。Ad Hoc来自拉丁语，具有“即兴，临时”的意思。

▲ MANET网络特点

MANET网络的特点如下：

网络拓扑结构动态变化的，不能使用传统路由协议。

无线信道提供的带宽较小，信号衰落和噪声干扰的影响却很大。

无线终端携带的电源能量有限。

容易招致网络窃听、欺骗、拒绝服务等恶意攻击的威胁。

▲ MANET路由协议

根据路由策略可分为表驱动的路由协议和源路由协议；

根据网络结构可分为扁平的路由协议、分层的路由协议和基于地理信息的路由协议；

表驱动的路由协议和源路由协议都是扁平的路由协议。

目标排序的距离矢量(Destination-Sequenced Distance Vector,DSDV)协议是一种扁平式路由协 议。它是由传统的Bellman-Ford算法改进的距离矢量协议，利用序列号机制解决了路由环路问题。

按需分配的距离矢量(Ad-hoc On-demand Distance Victor,AODV)协议也是一种扁平式路由协议， 但是采用了反应式路由策略。这是一种距离矢量协议，适用于组播网络。

■ WLAN安全技术

▲ WLAN安全机制

SSID访问控制：隐藏SSID，让不知道的人搜索不到。

物理地址过滤：在无线路由器设置MAC地址黑白名单。

WEP认证和加密：PSK预共享密钥认证，RC4加密。

WPA(802.11i草案)

认证：802.1x。

加密：RC4（增强）+TKIP（临时密钥完整协议，动态改变密钥）支持完整性认证和防重放攻击。

WPA2(802.11i)

针对WPA优化，加密协议是由RC4变为基于AES的CCMP。

无线认证技术：对安全性要求高的（比如研发、办公），采用802.1x；对便捷性要求高（比如访客），采用Portal认证；哑终端（比如打印机）采用MAC认证。

▲ WEP和WPA扩展

WEP包括共享密钥认证和数据加密两个过程，前者使得没有正确密钥的用户无法访问网络，后者则要求所有数据都必须用密文传输。

最初WEP使用24位的初始向量，加上40位的字符串，构成64位的WEP密钥。后来美国政府放宽了出口密钥长度的限制，允许使用104位的字符串，加上24位的初始向量IV，构成128位的WEP密钥。

WEP不安全：密码太短，IV可能雷同。

WPA包含了认证、加密和数据完整性校验3个组成部分。

使用802.1x协议对用户的MAC地址进行认证；

增大了密钥和初始向量的长度，以128位的密钥和48位的初始向量（IV）用于RC4加密。WPA还采用TKIP，通过更频繁地变换密钥来减少安全风险。

WPA强化了数据完整性保护。使用报文完整性编码来检测伪造的数据包，并且在报文认证码中包含有帧计数器，还可以防止重放攻击。

■ 无线个人网

▲ 蓝牙和Zigbee技术

无线个人网(Wireless Personal Area Network,WPAN),覆盖半径10m左右。

蓝牙技术（Bluetooth）最早被开发用于实现不同工业领域间的协调工作，现在被广泛应用于人们的活各个领域，比如电脑与手机间的车机互联、蓝牙耳机与手机的互联等。

2001年，蓝牙被确定为IEEE802.15.1。使用2.4GHz进行通信，采用跳频通信技术（FHSS），数据速率为1Mbps。目前蓝牙5.3速率可达48Mbps，考试仍以1Mbps为准。

Zigbee基于IEEE 802.15.4，它瞄准了速率更低、距离更近、更省电的无线个人网。Zigbee适用于固定的、手持的或移动的电子设备，这些设备一般使用电池供电，电池寿命可以长达几年，通信速率可以低至9.6kbps，从而可以实现低成本无线通信。Zigbee具有良好的安全机制，网络层和MAC层都采用高级加密标准AES，同时结合了加密和认证功能的CCM*算法。目前Zigbee被广泛应用于智能家居和医疗监护等场景。

智能家居：如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等。

医疗监护：如脉搏、血压、呼吸监测。

▲ Zigbee设备

IEEE 802.15.4定义的低速无线个人网(Low Rate-WPAN)包含两类设备：全功能设备(Full-Function Device,FFD)和简单功能设备(Reduced-Function Device, RFD)。

FFD有3种工作模式，可以作为一般的设备、协调器（Coordinator）或PAN协调器。

RFD功能简单，只能作为设备使用，例如电灯开关、被动式红外传感器等，这些设备不需要发送大量的信息，通常接受某个FFD的控制。

FFD可以与RFD或其他FFD通信，而RFD只能与FFD通信，RFD之间不能互相通信。

▲ Zigbee底层技术

MAC子层提供两种信道访问方式：基于竞争的访问和无竞争的访问。

基于竞争的访问方式应用了CSMA/CA后退算法。

对于低延迟的应用或者要求特别带宽的应用，PAN协调器要为其分配保障时槽（Guaranteed TimeSlots，GTS），在保障时槽内可以进行无竞争的访问。

ZigBee采用的路由算法是按需分配的距离矢量协议（AODV）。

ZigBee的网络层和MAC层都使用高级加密标准（AES），以及结合了加密和认证功能的CCM*分组加密算法。分组加密也称块加密（Block Cipher），其操作方式是将明文按照分组算法划分为128位的区块，对各个区块分别进行加密，整个密文形成一个密码块链。

◎ 真题

Zigbee网络中，以下（）不是网络拓扑类型。

A.Star

B. Tree

C. Mesh

D.Ring

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NB-loT的特点包括（）。

①NB-loT聚焦小数据量、小速率应用，NB-loT设备功耗可以做到非常小

②NB-loT射频和天线可以复用已有网络，减少投资

③NB-IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，提升了覆盖区域的能力

④NB-loT可以比现有无线技术提供更大的接入数

A.①②③④  B.②③④   C.①②③   D.①③④

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至此，本文分享的内容就结束啦。