第1章 概述

1.1 各种无线网络技术分类

1.1.1 什么是无线网络

无线网络，是指通过无线传输媒介建立的语音和数据网络，传输媒介有无线电波、红外线和激光。它与有线网络的用途十分类似，它们之间最大的不同在于传输媒介的不同。

红外线作为无线传输媒介，由于其信息的传播方向为定向，载波的功率受限，而且载波在传输过程中非常容易受到阻断和干扰，因此红外线无线网络的应用受到很大的限制。

激光也是一种无线传输媒介，其行进路线同样为直线（定向），同时激光穿透障碍物的能力很差，遇到障碍时容易产生各种折射和反射，容易受到天气因素的影响，因此，激光无线网络的应用也未能得到普及。

无线电波的穿透力强，全方位传输，不局限于特定的方向，传输功率调整方便，抗干扰措施齐备，各种器件的制造和研发技术成熟，相应配套的技术标准也较完善，因此和红外、激光相比较，使用无线电波作为传输媒介成为无线网络的主流。因此本书以下章节都以使用无线电波作为传输媒介的无线网络为描述对象。

1.1.2 无线网络的分类

无线网络按照其覆盖的范围的大小分为广域网、城域网、局域网以及个域网4大类。

1．无线广域网（WWAN）

WWAN由各种移动通信系统组成，这些移动通信系统主要分为公用移动通信系统与专用移动通信系统两大类。

（1）公用移动通信系统

公用移动通信系统主要包括已经成为过去的第一代移动通信系统（1G系统），目前正在使用的第二代移动通信系统（2G系统）和第三代移动通信系统（3G系统），以及正在逐步进入规模商用的LTE移动通信系统等。

① 第一代移动通信系统（1G系统）。

第一代移动通信系统，主要采用模拟技术和频分多址技术，覆盖地区超过50 km，仅能以半双工模式提供语音服务，使用120 kHz带宽。第一代系统不能进行长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等，目前已经基本退出使用。

② 第二代移动通信系统（2G系统）。

第二代移动通信系统的典型特征是信令和语音信道都采用数字式，主要包括GSM和IS95等通信系统。GSM是欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，GSM（Global System for Mobile Communications）是全球移动通信系统的缩写。它的空中接口采用时分多址技术。自20世纪90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。

GSM具有以下优缺点。

优点：

• 具有开放的接口和通用的接口标准；

• 能够保护用户权利和加密传输信息；

• 可以支持多种业务；

• 抗干扰能力强，覆盖区内通信质量好。

缺点：

• 系统容量有限；

• 话音编码质量不够高；

• 终端接入速率有限，对分组业务支持能力较弱；

• 切换功能较差。

③ 第三代移动通信系统（3G系统）。

第三代移动通信系统（3G）是指目前已经广泛应用的、支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G 服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百千比特/秒以上，它是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：cdma2000 1x Ev-DO、WCDMA和TD-SCDMA。

3G系统与2G的主要区别是在传输数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，3G网络能够支持不同的数据传输速度， ITU 为 3G 通信系统最初制定的目标是：在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少 2 Mbit/s（兆比特/秒）、384 kbit/s（千比特/秒）以及 144 kbit/s 的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化）。

3G系统在具备上述优点的同时，也存在以下明显的缺点。

• 系统为了与 2G 系统兼容，整个系统划分为电路域和分组域，因而造成整个系统的架构从接入侧到网络侧的结构过于复杂，系统的扩展性和维护性受到较大的影响。

• 终端侧的接入速率对于高速的多媒体业务的支撑能力依然不足。

但是3G系统在发展过程中，其技术已经远远超过了当初ITU所制订的3G通信系统的目标和要求，目前3G 通信系统的最新技术成果是HSPA（HSPA+已经归为4G技术），HSPA由WCDMA演变发展而来，在WCDMA的基础上，采用新的信息编码技术、信道结构和重传技术、小区测量技术以及基于 Node B 的快速调度技术，使得HSPA的通信链路的上行速率可达5.76 Mbit/s、下行速率可达14.4 Mbit/s。

HSPA技术已经在上述技术基础上继续向前发展，目前已经发展到了HSPA +的阶段，引入了64QAM、DC、MIMO等技术，使得WCDMA网络的峰值速率性能得到不断提升和增强。

④ LTE 移动通信系统。

LTE（Long Term Evolution）是长期演进发展的移动通信系统的缩写，目前它处于从第三代移动通信系统向第四代移动通信系统过渡的阶段。LTE能够以100 Mbit/s的速度下载应用，比拨号上网快 50 倍，上传的速度也能达到 50 Mbit/s，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

LTE 手机可以提供高性能的汇流媒体内容，并通过 ID 应用程序成为个人身份鉴定设备。它也可以接收高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。此外，4G的无线即时连接等某些服务费用会比3G便宜。还有，4G有望集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。

LTE是在3G的基础上，通过对整个系统结构的优化（废除了3G中的电路域和分组域的设计）以及系统接入侧的技术更新（OFDM+MIMO 技术的应用）而实现的。要做到这一点，就必须克服许多困难。因此ITU将LTE（长期演进评估）技术作为实现 4G的一个过渡，按照习惯，人们就将其称为 3.9G。而在2012年，ITU将LTE-A（LTE-Advanced，是LTE技术的后续演进）技术标准确定作为4G的最终技术标准。

LTE-A的技术特点：

• 最大带宽：100 MHz；

• 峰值速率：下行1 Gbit/s，上行500 Mbit/s；

• 峰值频谱效率：下行30 bit/s/Hz，上行15 bit/s/Hz；

• 针对室内环境进行优化；

• 有效支持新频段和大带宽应用；

• 峰值速率大幅提高，频谱效率有效改进。

（2）专用移动通信系统

专用移动通信系统通常是指专门应用在铁路、公安、消防和矿山等特殊的专用领域，并为这些领域的客户提供生产调度、应急指挥等实时性要求很高的通信服务的移动通信系统。

专用移动通信系统以数字集群通信系统为代表，其中应用广泛的主流技术是TETRA技术体制。

由于专用移动通信系统应用范围限制，它的发展远远滞后于公用移动通信系统。以TETRA的发展为例，目前广泛应用的是TETRA的第一代通信体制，它以话音服务为主，通过组呼、群呼等特殊的调度功能，满足专用领域的客户需求；由于通信带宽过窄，它基本上不支持分组数据的应用。未来，TETRA技术正逐步面向用户提供有限的分组数据服务，从第一代技术向第二代技术发展。

2．无线城域网

无线城域网通常是指覆盖范围在同一个城市范围以内的无线网络，无线城域网的技术标准主要有以下几类。

• LMDS（本地多点分布式系统）；

• MMDS（多点多通道分布式系统）；

• WATM（无线ATM协议）；

• 802.16（WiMAX 协议）。

（1）LMDS（本地多点分布式系统）

本地多点分布式系统，工作在20～40 GHz频段，主要使用频率为28 GHz，采用类蜂窝结构，覆盖范围3～10 km。其高频、宽带优势明显，有一定市场，技术成熟，但相关元器件昂贵，而且开发难度大。目前主要有 P-COM、新桥、北电、ALCATEL、LUCENT、HP 有相应产品，在加拿大和美国有商用市场，其他地域应用较少。

本地多点分布式系统的技术特点如下。

• 频段：20～40 GHz；

• 组网方式：点对多点；

• 最大速率：155 Mbit/s；

• 多址方式：FDMA/TDMA；

• 双工方式：FDD/TDD。

（2）MMDS（多点多通道分布式系统）

多点多通道分布式系统，是从无线电缆电视微波传输技术演化而来的，尚未有标准，工作在2.5～2.7 GHz，后扩展到2～4 GHz。工作频宽为200 MHz，能够覆盖50 km的范围，距离有优势，但速度优势不明显，对现有的网络需要改造，综合性价比不高，主要是美国的Spike、Cisco公司有相应的产品。

技术特点如下：

• 频段：2.5～2.7 GHz；

• 组网方式：点对多点；

• 最大速率：10 Mbit/s；

• 多址方式：FDMA/TDMA；

• 双工方式：FDD。

（3）WATM（无线ATM协议）

无线ATM协议定位于城域网接入，主要解决无线接入中的ATM信元传输问题，结构和流程比较复杂，不具备速度优势，性价比不高，支持厂家少。

技术特点如下。

• 频段：5/60 GHz；

• 组网方式：点对点、点对多点；

• 最大速率：25/155 Mbit/s；

• 多址方式：OFDMA/TDMA；

• 双工方式：TDD。

（4）802.16（WiMAX协议）

由IEEE于1999年7月开始运作的无线城域网标准，工作在2～66 GHz，蜂窝式的基站网络，覆盖所有（宽带无线接入）BWA频段，技术比较先进，已经成为无线城域网的主流，后期的市场有很好的前景。

主要技术特点如下。

• 频段：2.4/5 GHz；

• 组网方式：全向；

• 最大速率：11/22/54 Mbit/s；

• 多址方式：CSMA/CA；

• 双工方式：半双工。

3．无线局域网（WLAN）

无线局域网用于解决用户终端最后一英里的接入问题，无线局域网的主要技术标准有以下3类：

• HiperLAN/2（高性能无线电局域网）；

• IEEE802.11；

• HiSWANx。

（1）HiperLAN/2（高性能无线电局域网）

由HiperLAN/全球论坛(H2GF)开发的技术标准，提供了类似IEEE 802.11 的无线局域网技术，目前主要应用在欧洲，支持厂家不多。

技术特点如下。

• 频段：5 GHz；

• 组网方式：各种；

• 最大速率：54 Mbit/s；

• 多址方式：TDMA；

• 覆盖距离：300 m（不加功率放大）。

（2）IEEE802.11

由 IEEE 制定的、应用广泛的无线局域网的技术标准，目前已经成为无线局域网技术标准的主流（后面章节详细介绍）。

技术特点如下。

• 频段：2.4/5GHz；

• 组网方式：各种；

• 最大速率：1～600 Mbit/s；

• 多址方式：CSMA/CA；

• 覆盖距离：300 m（不加功率放大）。

（3）HiSWANx

HiSWANx 是日本 ARAB 的多媒体移动接入通信的 WLAN 系列标准，它包括HiSWANa和HiSWANb两大部分。

HiSWANa工作于5 GHz频段，HiSWANb工作于25/27 GHz频段，速率为6～54 Mbit/s。

4．无线个域网

无线个域网是覆盖距离小于50 m的无线网络，主要有以下两类技术标准：

• HomeRF；

• 蓝牙。

（1）HomeRF

主要应用在家庭范围内，使用无线共享接入协议（Shared Wireless Access Protocol，SWAP），工作频段：2.4GHz，采用跳频体制。

其最大功率是 100 mW，覆盖范围 50 m，提供 1 Mbit/s 和 2 Mbit/s 的速率；在最新的 2.0 版本里，通过使用（宽带跳频）WBFH 技术，可以实现 5 Mbit/s和 10 Mbit/s 的速率。目前支持的设备厂商不多，主要有 Proxim、Mortolora、HP和Intel公司。

（2）蓝牙协议

蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般 10 m 内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与 Internet 之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

蓝牙采用分散式网络结构以及快速跳频和短分组技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4 GHz频段，数据速率为1 Mbit/s，采用时分双工传输方式来实现全双工传输。