Wireless Communication - Multiple Access

多個接入方案允許許多移動用戶同時共享有限的無線頻譜。

Multiple Access Techniques

在無線通信系統中，通常希望允許用戶在接收從基站到移動站的信息的同時，同時從移動站向基站發送信息。

蜂窩系統將任何給定區域劃分爲蜂窩，其中每個蜂窩中的移動單元與基站通信。蜂窩系統設計的主要目的是能夠增加信道的容量，即在給定帶寬內以足夠的服務質量處理儘可能多的呼叫。

有幾種不同的方式允許訪問頻道。主要包括以下幾點：;

• Frequency division multiple-access (FDMA)
• Time division multiple-access (TDMA)
• Code division multiple-access (CDMA)
• Space division multiple access (SDMA)

根據可用帶寬如何分配給用戶，這些技術可分爲窄帶和寬帶系統。

Narrowband Systems

信道比相干帶寬窄得多的系統稱爲窄帶系統。窄帶時分多址允許用戶使用同一個信道，但爲信道上的每個用戶分配一個唯一的時隙，從而在單個信道上及時分離少量用戶。

Wideband Systems

在寬帶系統中，單個信道的傳輸帶寬遠遠大於信道的相干帶寬。因此，多徑衰落對寬帶信道中的接收信號影響不大，頻率選擇性衰落只發生在信號帶寬的一小部分。

Frequency Division Multiple Access (FDMA)

FDMA是先進行動電話業務的基礎技術。FDMA的特點如下。

• FDMA allots a different sub-band of frequency to each different user to access the network.
• If FDMA is not in use, the channel is left idle instead of allotting to the other users.
• FDMA is implemented in Narrowband systems and it is less complex than TDMA.
• Tight filtering is done here to reduce adjacent channel interference.
• The base station BS and mobile station MS, transmit and receive simultaneously and continuously in FDMA.

Time Division Multiple Access (TDMA)

在不需要連續傳輸的情況下，使用TDMA而不是FDMA。TDMA的特點包括以下幾個方面。

• TDMA shares a single carrier frequency with several users where each users makes use of non-overlapping time slots.
• Data transmission in TDMA is not continuous, but occurs in bursts. Hence handsoff process is simpler.
• TDMA uses different time slots for transmission and reception thus duplexers are not required.
• TDMA has an advantage that is possible to allocate different numbers of time slots per frame to different users.
• Bandwidth can be supplied on demand to different users by concatenating or reassigning time slot based on priority.

Code Division Multiple Access (CDMA)

碼分多址技術是多址技術的一個例子，其中多個發射機使用單個信道同時發送信息。其特點如下。

• In CDMA every user uses the full available spectrum instead of getting allotted by separate frequency.
• CDMA is much recommended for voice and data communications.
• While multiple codes occupy the same channel in CDMA, the users having same code can communicate with each other.
• CDMA offers more air-space capacity than TDMA.
• The hands-off between base stations is very well handled by CDMA.

Space Division Multiple Access (SDMA)

空分多址（Space division multiple access，簡稱空分多址）是一種MIMO（multiple input multiple output，多輸入多輸出）技術，主要應用於無線和衛星通信中。它具有以下特點。

• All users can communicate at the same time using the same channel.
• SDMA is completely free from interference.
• A single satellite can communicate with more satellites receivers of the same frequency.
• The directional spot-beam antennas are used and hence the base station in SDMA, can track a moving user.
• Controls the radiated energy for each user in space.

Spread Spectrum Multiple Access

擴頻多址（SSMA）使用傳輸帶寬大於所需最小RF帶寬的信號。

擴頻多址技術主要有兩種類型&負;

• Frequency hopped spread spectrum (FHSS)
• Direct sequence spread spectrum (DSSS)

Frequency Hopped Spread Spectrum (FHSS)

這是一種數字多址系統，其中在寬帶信道中以僞隨機方式改變單個用戶的載波頻率。數字數據被分解成均勻大小的脈衝，然後在不同的載波頻率上傳輸。

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

這是CDMA最常用的技術。在直接序列擴頻系統中，信息信號與僞隨機噪聲碼相乘。每個用戶都有自己的碼字，碼字與其他用戶的碼字正交，爲了檢測用戶，接收機必須知道發射機使用的碼字。

稱爲混合的組合序列也被用作另一種擴頻類型。跳時也是另一種很少提及的類型。

當發送信號到達接收機時，通過不同的方向經歷不同的現象，這樣的路徑被稱爲多路徑，發送信號的分量被稱爲多路徑分量。

它們被環境反射、衍射和散射，併到達相對於直接路徑分量在振幅、頻率和相位上移位的接收器。

Characteristics of Wireless Channel

無線信道最重要的特性是負的;

• Path loss
• Fading
• Interference
• Doppler shift

在下面的章節中，我們將逐一討論這些信道特性。

Path Loss

路徑損耗可以表示爲在給定路徑上發送信號的功率與接收器接收到的相同信號的功率之比。它是傳播距離的函數。

• 路徑損耗估計對於無線通信網絡的設計和部署具有重要意義

• 路徑損耗取決於許多因素，如使用的射頻和地形的性質。

• 自由空間傳播模型是最簡單的路徑損耗模型，在該模型中，發射機和接收機之間存在直接路徑信號，沒有大氣衰減或多徑分量。

在該模型中，發射功率P_t與接收功率P_r之間的關係由

在哪裡？

• G_t是發射機天線增益

• G_r是接收器天線增益

• d是發射器和接收器之間的距離

• λ是信號的波長

雙向模型又稱爲雙路徑模型，是應用廣泛的路徑損耗模型。上述自由空間模型假設從發射機到接收機只有一條路徑。

實際上，信號通過多條路逕到達接收器。雙路徑模型試圖捕捉這種現象。該模型假設信號通過兩條路逕到達接收器，一條是視線，另一條是接收反射波的路徑。

根據雙路徑模型，接收功率由

在哪裡？

• p_t是傳輸功率

• G_t表示發射機的天線增益

• G_r表示接收器處的天線增益

• d是發射器和接收器之間的距離

• h_t是發射器的高度

• h_r是接收器的高度

Fading

衰落是指在接收端接收到的信號強度的波動。衰落可以分爲兩種類型：負衰落;

• Fast fading/small scale fading and
• Slow fading/large scale fading

快速衰落是指由於在稍有不同的時間到達接收機的同一發送信號的多個版本之間的干擾，導致接收信號的幅度、相位或多徑延遲的快速波動。

接收到第一個版本的信號和最後一個回波信號之間的時間稱爲延遲擴展。傳輸信號的多徑傳播是由三種傳播機制引起的，即負傳播機制;

• Reflection
• Diffraction
• Scattering

多個信號路徑有時可以在接收器處構造性地或有時破壞性地相加，從而導致所接收信號的功率電平的變化。所接收的快衰落信號的單包絡線被稱爲遵循a瑞利分布以查看發射機和接收機之間是否沒有視線路徑。

Slow Fading

慢衰落這個名字本身就意味著信號會慢慢消失。慢衰落特性如下。

• 當部分吸收傳輸的物體位於發射機和接收機之間時，就會出現慢衰落。

• 之所以稱爲慢衰落，是因爲淡入的持續時間可能會持續幾秒或幾分鐘。

• 當接收器在建築物內並且無線電波必須穿過建築物的牆壁時，或者當接收器被建築物暫時與發射器屏蔽時，可能會發生慢衰落。障礙物引起接收信號功率的隨機變化。

• 雖然發射機和接收機之間的距離保持不變，但慢衰落可能導致接收信號功率變化。

• 慢衰落也稱爲陰影衰落，因爲引起衰落的對象（可能是大型建築物或其他結構）會阻塞從發射機到接收機的直接傳輸路徑。

Interference

無線傳輸必須對抗來自各種來源的干擾。干擾的兩種主要形式是負干擾;

• Adjacent channel interference and
• Co-channel interference.

在相鄰信道干擾情況下，相鄰頻率中的信號具有超出其分配範圍的分量，並且這些分量可能干擾相鄰頻率中的持續傳輸。可以通過在分配的頻率範圍之間小心地引入保護帶來避免。

同頻干擾，有時也稱爲窄帶干擾，是由於使用相同傳輸頻率的其他鄰近系統造成的。

符號間干擾是另一種類型的干擾，其中接收信號中的失真是由信號中單個脈衝的時間擴展和隨後的重疊引起的。

自適應均衡是一種常用的抗符號間干擾技術。它包括將分散的符號能量收集到其原始時間間隔中。均衡過程採用複雜的數字處理算法。

Wireless Communication - TCP/IP

最初的TCP/IP協議被定義爲四個軟體層，它們建立在硬體之上。然而，如今，TCP/IP被認爲是一個五層模型，其命名層與OSI模型中的層類似。

Comparison between OSI and TCP/IP Suite

當我們比較這兩個模型時，我們發現TCP/IP協議中缺少會話和表示兩個層。套件中的應用層通常被認爲是OSI模型中三層的組合。

OSI模型指定哪些功能屬於它的每個層，但是TCP/IP協議套件的層包含相對獨立的協議，可以根據系統的需要進行混合和匹配。術語層次意味著每個上層協議由一個或多個下層協議支持。

Layers in the TCP/IP Suite

TCP/IP模型的四層是主機到網絡層、internet/network層、傳輸層和應用層。TCP/IP協議套件中每個層的用途如下所示。

上圖表示TCP/IP協議套件的各個層。

Physical Layer

TCP/IP沒有爲物理層定義任何特定的協議。它支持所有標準和專有協議。

• 在這個層次上，通信是在兩個跳或節點之間進行的，無論是計算機還是路由器。通信單位是a單位。

• 當在兩個節點之間建立連接時，在它們之間流動著一個比特流。然而，物理層對每一位都進行單獨處理。

物理層的責任，除了比特的傳遞，與OSI模型的物理層所提到的內容相匹配，但它主要取決於提供連結的底層技術。

Data Link Layer

TCP/IP也沒有爲數據鏈路層定義任何特定的協議。它支持所有標準和專有協議。

• 在這個層次上，通信也是在兩個跳或節點之間進行的。然而，通信單元是稱爲a幀的分組。

• Aframe是一個包，它用一個附加的報頭（有時還有一個尾部）封裝從網絡層接收的數據。

• 在其它通信信息中，頭部包括幀的源和目的地。

• 需要目的地址來定義幀的正確接收者，因爲許多節點可能已連接到連結。

• 源地址是一些協議可能需要的響應或確認所必需的。

該層支持區域網、分組無線和點對點協議

Network Layer

在網絡層，TCP/IP支持Internet協議（IP）。Internet協議（IP）是TCP/IP協議使用的傳輸機制。

• IP transports data in packets called datagrams, each of which is transported separately.
• Datagrams can travel along different routes and can arrive out of sequence or be duplicated.

IP不跟蹤路由，並且在數據報到達目的地後沒有重新排序的工具。

Transport Layer

傳輸層和網絡層之間有一個主要的區別。雖然網絡中的所有節點都需要有網絡層，但只有兩端的計算機需要有傳輸層。

• 網絡層負責將單個數據報從計算機A發送到計算機B;傳輸層負責將整個消息（稱爲A段）從A發送到B。

• 一個段可以由幾個或幾十個數據報組成。這些段需要被分解成數據報，每個數據報必須被傳送到網絡層進行傳輸。

• 由於Internet爲每個數據報定義了不同的路由，因此數據報可能會無序到達並丟失。

• 計算機B上的傳輸層需要等到所有這些數據報到達，將它們組合起來並從中分割出來。

傳統上，傳輸層在TCP/IP套件中由兩個協議表示：用戶數據報協議（UDP）和傳輸控制協議（TCP）。

近幾年來，人們提出了一種新的流控制傳輸協議（SCTP）。

Application Layer

TCP/IP中的應用層相當於OSI模型中的組合會話層、表示層和應用層。

• 應用層允許用戶訪問我們的私人網際網路或全球網際網路的服務。

• 在這一層定義了許多協議來提供諸如電子郵件文件傳輸、訪問全球資訊網等服務。

• 該層支持的協議有TELNET、FTP和HTTP。

Cellular Wireless Networks

蜂窩網絡是行動電話、個人通信系統、無線網絡等的基礎技術，是爲取代大功率收發系統而發展起來的。蜂窩網絡使用較低的功率、較短的距離和更多的發射機進行數據傳輸。

Features of Cellular Systems

無線蜂窩系統解決了頻譜擁塞問題，增加了用戶容量。蜂窩系統的特點如下：;

• 在有限的頻譜中提供非常高的容量。

• 無線信道在不同小區的復用。

• 通過在覆蓋區域內重用信道，使固定數量的信道能夠服務任意數量的用戶。

• 通信總是在移動設備和基站之間進行（而不是直接在移動設備之間）。

• 每個蜂窩基站在稱爲蜂窩的小地理區域內分配一組無線信道。

• 相鄰的單元格被分配不同的通道組。

• 通過將覆蓋區域限制在小區邊界內，可以重用信道組以覆蓋不同小區。

• 保持干擾水平在可接受的範圍內。

• 頻率再利用或頻率規劃。

• 無線蜂窩網絡的組織。

蜂窩網絡被組織成多個低功率發射機，每個發射機的功率不超過100瓦。

Shape of Cells

蜂窩網絡的覆蓋區域被劃分爲個小區，每個小區都有自己的天線來發送信號。每個細胞都有自己的頻率。蜂窩網絡中的數據通信由其基站發射機、接收機及其控制單元提供服務。

細胞的形狀可以是正方形，也可以是六邊形;

Square

正方形細胞在距離d處有四個鄰居，在距離根2d處有四個鄰居

• Better if all adjacent antennas equidistant
• Simplifies choosing and switching to new antenna

Hexagon

爲了便於覆蓋和計算，強烈建議使用六邊形單元形狀。它有以下優點和缺點：;

• Provides equidistant antennas
• Distance from center to vertex equals length of side

Frequency Reuse

頻率復用是指在一個給定的區域內使用相同的無線電頻率，這些頻率之間有相當長的距離，干擾最小，以建立通信。

頻率重用提供以下好處和缺點：;

• Allows communications within cell on a given frequency
• Limits escaping power to adjacent cells
• Allows re-use of frequencies in nearby cells
• Uses same frequency for multiple conversations
• 10 to 50 frequencies per cell

例如，當N單元使用相同數量的頻率時，K是系統中使用的頻率總數。然後使用公式計算每個單元頻率。

在高級行動電話服務（AMPS）中，當K=395和N=7時，每個手機的平均頻率將爲395/7=56。這裡，小區頻率是56。

Propagation Losses

天線和波的傳播在無線通信網絡中起著至關重要的作用。天線是一種電導體或導體系統，它向/從空間發射/收集（發射或接收）電磁能量。理想化的各向同性天線在各個方向上均勻地輻射。

Propagation Mechanisms

無線傳輸以三種模式傳播。它們是-負的;

• Ground-wave propagation
• Sky-wave propagation
• Line-of-sight propagation

地波傳播遵循地球的輪廓，而天波傳播使用地球和電離層的反射。

視線傳播要求發射天線和接收天線彼此在視線範圍內。根據基礎信號的頻率，遵循特定的傳播模式。

地波和天波通信的例子有AM收音機和國際廣播如BBC。在30mhz以上，地波和天波傳播都不工作，通信是通過視線進行的。

Transmission Limitations

在本節中，我們將討論影響電磁波傳輸的各種限制。讓我們從衰減開始。

Attenuation

在傳輸介質上，信號的強度隨距離而下降。衰減程度是距離、傳輸介質以及底層傳輸頻率的函數。

Distortion

由於不同頻率的信號衰減到不同程度，由頻率範圍內的分量組成的信號被失真，即，接收信號的形狀改變。

解決這個問題（並恢復原始形狀）的標準方法是放大更高的頻率，從而在一個頻帶上均衡衰減。

Dispersion

色散是電磁能量在傳播過程中的傳播現象。由於分散性，快速連續發送的數據往往會合併。

Noise

最普遍的噪聲形式是熱噪聲，通常使用加性高斯模型建模。熱噪聲是由於電子的熱攪動引起的，並且在整個頻譜上均勻分布。

其他形式的噪音包括-;

• 調製間噪聲（由在載波頻率的和或差產生的信號引起）

• 串擾（兩個信號之間的干擾）

• 脈衝噪聲（由外部電磁干擾引起的不規則高能脈衝）。

雖然脈衝噪聲可能對模擬數據沒有顯著影響，但它對數字數據有顯著影響，導致突發錯誤。

上圖清楚地說明了噪聲信號如何與原始信號重疊並試圖改變其特性。

Fading

衰落是指信號強度隨時間/距離的變化，在無線傳輸中普遍存在。無線環境中衰落的最常見原因是多徑傳播和移動性（對象和通信設備）。

Multipath propagation

在無線介質中，信號的傳播遵循三個原則，即反射、散射和衍射。

• 反射發生在信號遇到大的固體表面時，其尺寸遠大於信號的波長，例如固體壁。

• 當信號遇到尺寸大於信號波長的邊或角時，即發生衍射。

• 散射發生在信號遇到小於信號波長的小物體時。

多徑傳播的一個結果是，一個信號沿著多個不同路徑傳播的多個副本在不同時間到達任何點。因此，在某一點接收到的信號不僅受到信道中固有噪聲、失真、衰減和色散的影響，而且還受到沿多條路徑傳播的信號相互作用的影響。

Delay spread

假設我們從一個位置發送一個探測脈衝，並在接收位置測量作爲時間函數的接收信號。由於多徑傳播，接收信號的信號功率隨時間擴展。

延遲擴展由延遲隨時間的擴展的密度函數確定。平均延遲擴展和均方根延遲擴展是可以計算的兩個參數。

Doppler spread

這是由移動無線信道的變化率引起的光譜展寬的測量。它是由移動台和基站之間的相對運動或信道中物體的運動引起的。

當移動台的速度較高時，都卜勒擴展較大，並且由此產生的信道變化比基帶信號的變化快，這稱爲快衰落。當信道變化比基帶信號變化慢時，產生的衰落稱爲慢衰落。

Wireless Communication - Techniques

在某些情況下，存在性能惡化的範圍，這會影響輸出。主要原因可能是移動信道的損傷。要解決這個問題，有三種流行的技術&負;

Equalizer

接收機內的均衡器補償期望信道幅度和延遲特性的平均範圍。換句話說，均衡器是移動接收機處的濾波器，其脈衝響應與信道脈衝響應相反。這種均衡器可用於頻率選擇性衰落信道。

Diversity

分集是另一種用於補償快衰落的技術，通常使用兩個或多個接收天線來實現。它通常用於減少平坦衰落信道中接收機所經歷的衰落的深度和持續時間。

Channel Coding

信道編碼通過在發送的消息中添加冗餘數據位來提高移動通信鏈路的性能。在發射機的基帶部分，信道編碼器將數字消息序列映射到包含比消息中包含的原始比特數更多的比特的另一特定代碼序列。信道編碼用於校正深衰落或頻譜零點。

Equalization

符號間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI）被認爲是移動無線信道高速數據傳輸的主要障礙之一。如果調製帶寬超過無線信道的相干帶寬（即頻率選擇性衰落），則調製脈衝會在時間上傳播，從而導致ISI。

接收機前端的均衡器補償期望信道幅度和延遲特性的平均範圍。由於移動衰落信道是隨機的和時變的，均衡器必須跟蹤移動信道的時變特性，因此均衡器應該是時變的或自適應的。自適應均衡器有兩個工作階段：訓練和跟蹤。

Training Mode

最初，發射機發送已知的固定長度訓練序列，以便接收機均衡器可以平均到適當的設置。訓練序列通常是僞隨機二進位信號或固定的、規定的位模式。

訓練序列被設計成允許接收器處的均衡器在最壞的信道條件下獲得適當的濾波器係數。因此，接收機處的自適應濾波器使用a遞歸算法來評估信道並估計濾波器係數以補償信道。

Tracking Mode

當訓練序列結束時，濾波器係數接近最優。緊接著訓練序列，發送用戶數據。

當接收到用戶的數據時，均衡器的自適應算法跟蹤變化的信道。結果，自適應均衡器隨著時間的推移不斷地改變濾波器特性。

Diversity

分集是一種強大的通信接收技術，它以相對較低的成本提供無線鏈路改進。分集技術主要用於無線通信系統中，以提高在衰落無線信道中的性能。

在這樣的系統中，接收機具有通過兩個或多個真實或虛擬通信信道發送的相同信息信號的多個副本。因此，多樣性的基本概念是信息的重複或冗餘。在幾乎所有的應用中，分集決策都是由接收機做出的，而發射機是未知的。

Types of Diversity

衰落可分爲小尺度衰落和大尺度衰落。小尺度衰減的特徵是深度和快速的振幅波動，當移動設備在幾個波長的距離上移動時會出現這種波動。對於窄帶信號，這通常會導致a瑞利衰減包絡。爲了防止深部衰退的發生，顯微分集技術可以利用快速變化的信號。

如果接收器的天線元件被發射波長的一小部分分開，則可以適當地組合信息信號的各種副本或通常稱爲分支，或者可以選擇其中最強的作爲接收信號。這種分集技術稱爲天線分集或空間分集。

Frequency Diversity

相同的信息信號在不同的載波上傳輸，它們之間的頻率間隔至少爲相干帶寬。

Time Diversity

信息信號按一定的時間間隔反覆傳送。傳輸時間之間的間隔應大於相干時間T_c。時間間隔取決於衰落速率，並且隨著衰落速率的減小而增大。

Polarization diversity

這裡，攜帶信息的信號的電場和磁場被修改，並且許多這樣的信號被用來發送相同的信息。從而得到正交極化類型。

Angle Diversity

這裡，定向天線用於在多條路徑上創建發送信號的獨立副本。

Space Diversity

在空間分集中，有多個接收天線放置在不同的空間位置，從而產生不同（可能獨立）的接收信號。

分集方案之間的區別在於，在前兩種方案中，由於要發送的信息的複製而存在帶寬的損耗。因此，在剩下的三種方案中，該問題被避免，但代價是天線複雜度增加。

信號之間的相關性是天線元件之間距離的函數，由關係負給出;

$$\rho = J_0^2 \lgroup\frac{2\Pi d}{\lambda}\rgroup$$

在哪裡？,

• J₀=零階第一類貝塞爾函數

• d=天線元件在空間中的間隔距離

• λ=載波波長。

Wireless Communication - WAN

在計算機領域，羣組連接的廣泛應用已成爲必然，導致了 LANS/B>（區域網）的引入。這些區域網屬於單個建築物或校園內的小型網絡。

廣域網是一種廣域網，它覆蓋了一個更大的區域，例如一個城市，或一個比區域網大的有限區域。無線個人區域網絡（PANs）是WLANs的下一步，它通過低功率傳輸覆蓋更小的區域，用於可攜式和移動計算設備（如pc、個人數字助理（pda））的聯網。

Fundamentals of WLANs

爲了了解有線網絡和無線網絡之間的區別，必須了解無線區域網中的技術問題。然後研究wlan的使用及其設計目標。詳細介紹了無線區域網的類型、組成和基本功能。

IEEE 802.11 Standard

本節介紹了一個著名的ion WLAN標準，即IEEE802.11標準。介紹了媒體訪問控制（MAC）層和物理層機制。本節還介紹了一些可選功能，如安全性和服務質量（QoS）。

HIPERLAN Standard

本節介紹另一個WLAN標準，HIPERLAN標準，這是一個基於無線電接入的歐洲標準。

Bluetooth

本節討論藍牙標準，該標準允許個人設備在缺乏基礎設施的情況下相互通信。

WLAN Fundamentals

雖然可攜式終端和移動終端都可以從一個地方移動到另一個地方，但可攜式終端只有在靜止時才能訪問。

另一方面，移動終端（MTs）功能更強大，在移動時可以訪問。無線區域網旨在支持真正的移動工作站。

WLAN Uses

無線計算機網絡能夠提供多種功能。wlan非常靈活，可以根據應用程式在各種拓撲中進行配置。下面介紹wlan的一些可能用途。

• 用戶可以在移動中上網、查看電子郵件和接收即時消息。

• 在受地震或其他災害影響的地區，現場可能沒有合適的基礎設施。wlan在這樣的位置很方便，可以隨時建立網絡。

• 有許多歷史建築需要建立計算機網絡。在這些地方，可能不允許布線，或者建築設計可能不利於有效布線。在這樣的地方，wlan是很好的解決方案。

Design Goals

以下是設計wlan時必須實現的一些目標;

• 無線區域網的操作簡單性設計必須包含一些功能，以使移動用戶能夠以簡單有效的方式快速設置和訪問網絡服務。

• 低功耗操作&負;移動計算設備（如筆記本電腦和pda）的電源受限特性要求wlan在最低功耗下運行。因此，無線區域網的設計必須結合節能的特點，並使用適當的技術和協議來實現這一點。

• 無許可運營&負;影響無線接入成本的主要因素之一是特定無線接入技術運營的頻譜的許可費。低接入成本是普及WLAN技術的一個重要方面。因此，無線區域網的設計應考慮頻譜的各個部分。對於不需要顯式

• 對干擾的容忍度&負;民用和軍用不同無線網絡技術的擴散已導致無線電頻譜的干擾水平顯著增加。

  WLAN設計應考慮到這一點，並通過選擇在存在干擾的情況下運行的技術和協議採取適當的措施。

• 全球可用性無線區域網的設計、技術選擇和工作頻譜的選擇應考慮到世界各國普遍存在的頻譜限制。這確保了該技術在全世界的可接受性。

• 安全性−無線媒體固有的廣播特性增加了在WLAN技術設計中包含安全功能的要求。

• 安全要求&負;無線區域網技術的設計應遵循可分爲以下幾類的安全要求。

  • Interference to medical and other instrumentation devices.
  • Increased power level of transmitters that can lead to health hazards.

  一個設計良好的無線區域網應該遵循適用於給定頻譜的功率發射限制。

• 服務質量要求−服務質量（QoS）是指爲多媒體業務提供指定的性能級別。無線區域網的設計應考慮支持多種業務（包括多媒體業務）的可能性。

• 與其他技術和應用程式的兼容性不同LAN之間的互操作性對於使用不同LAN技術的主機之間的高效通信非常重要。

Network Architecture

網絡體系結構描述WLAN的類型、典型WLAN的組件和WLAN提供的服務。

Infrastructure based versus Ad Hoc LANs

基於底層架構，wlan可以大致分爲兩類，即基礎設施網絡和Ad hoc區域網。

Infrastructure networks

基礎設施網絡包含稱爲接入點（AP）的特殊節點，這些節點通過現有網絡連接。

• APs are special in the sense that they can interact with wireless nodes as well as with the existing wired network.
• The other wireless nodes, also known as Mobile stations (STAs), communicate via APs.
• The APs also act as bridges with other networks.

Ad hoc LANs

Ad hoc區域網不需要任何固定的基礎設施。這些網絡可以在任何地方隨時建立。節點之間直接通信，以便通過可直接訪問的其他節點轉發消息。

Wireless Communication - Bluetooth

藍牙無線技術是一種短程通信技術，旨在取代連接可攜式設備的電纜，保持高度的安全性。藍牙技術基於無線自組織技術，也被稱爲無線自組織微微網，它是一種覆蓋範圍非常有限的區域網。

History of Bluetooth

WLAN技術使設備能夠通過無線運營商連接到基於基礎設施的服務。由於需要個人設備在沒有既定基礎設施的情況下進行無線通信，因此出現了個人區域網絡（PANs）。

• 愛立信1994年的藍牙項目定義了PANs的標準，使行動電話之間能夠使用低功耗和低成本的無線電接口進行通信。

• 1988年5月，IBM、Intel、Nokia和Toshiba等公司加入愛立信，成立了藍牙特別興趣小組（SIG），其目的是爲PANs開發一個事實上的標準。

• IEEE已經批准了一個基於藍牙的無線個人區域網絡（wpan）標準IEEE 802.15.1。IEEE標準涵蓋MAC和物理層應用。

藍牙規範詳細說明了整個協議棧。藍牙採用射頻（RF）進行通信。它利用頻率調製在ISM波段產生無線電波。

藍牙技術以其獨特的功能得到了廣泛的應用。

• 藍牙提供了一個統一的結構，使各種設備能夠相互連接和通信。

• 藍牙技術已經獲得了全球的認可，任何支持藍牙的設備，幾乎在世界各地，都可以與支持藍牙的設備連接。

• 藍牙技術的低功耗和高達10米的範圍爲多種使用模式鋪平了道路。

• 藍牙通過建立筆記本電腦的臨時網絡提供交互式會議。

• 藍牙使用模式包括無繩電腦、對講機、無繩電話和行動電話。

Piconets and Scatternets

支持藍牙的電子設備通過稱爲「微微網」的短程設備進行無線連接和通信。藍牙設備存在於小型的特別配置中，能夠充當主設備或從設備。該規範允許一種機制，用於主設備和從設備切換其角色。一主一從的點對點配置是最簡單的配置。

當兩個以上的藍牙設備相互通信時，這稱爲a微微網。一個微微網最多可以包含七個圍繞一個主網的從網。初始化微微網建立的設備成爲主設備。

主機負責傳輸控制，將網絡劃分爲網絡成員之間的一系列時隙，作爲時分多路復用方案的一部分，如下所示。

微微網的特點如下：;

• 在微微網中，各種設備的定時和各個設備的跳頻序列由主設備的時鐘和唯一的48位地址決定。

• 每個設備可以在一個微微網中同時與多達七個其他設備通信。

• 每個設備可以同時與多個微微網通信。

• 當藍牙設備進入和離開微微網時，微微網是動態和自動建立的。

• 從機之間沒有直接的連接，所有的連接本質上都是從主到從或從主到主。

• 一旦主伺服器輪詢這些數據，就允許從伺服器進行傳輸。

• 在從機到主機的時隙中，緊接著從機到主機的輪詢數據包開始傳輸。

• 設備可以是兩個或多個微微網的成員，通過調整由第二微微網的主設備指示的傳輸體制定時和跳頻序列從一個微微網跳到另一個微微網。

• 它可以是一個皮克內特的奴隸，也可以是另一個皮克內特的主人。然而，它不能在不止一個微微網中成爲主人。

• 駐留在相鄰微微網中的設備提供了一個橋來支持內部微微網連接，允許連結微微網的組件形成一個物理上可擴展的通信基礎設施，稱爲Scatternet。

Spectrum

藍牙技術在2.4至2.485ghz的無許可證工業、科學和醫療（ISM）頻段中工作，使用擴頻跳頻，全雙工信號，標稱速率爲1600跳/秒。2.4ghz ISM頻段在大多數國家都是免費的。

Range

藍牙的工作範圍取決於設備的3類無線電的工作範圍可達1米或3英尺2類無線電最常見於移動設備的工作範圍爲10米或30英尺1類無線電主要用於100米或300英尺的工業應用場合。

Data rate

藍牙支持1.2版的1Mbps數據速率和2.0版的3Mbps數據速率以及錯誤數據速率。

Wireless Communication - Internet

網際網路的出現使計算機的使用和信息搜索發生了革命性的變化。網際網路已經影響了傳統的信息交流方式，現在幾乎每個城市、每個城鎮、每個街道都可以上網。

如今，家庭、學校和企業使用各種不同的方法連接到網際網路。一種方法是無線網際網路服務，它向客戶提供網際網路接入，而無需地下銅、光纖或其他形式的商業網絡布線。與DSL和有線網際網路等更成熟的有線服務相比，無線技術爲計算機網絡帶來了更多的便利和移動性。

以下各節描述了可用的每種流行類型的無線網際網路服務。

Satellite Internet

衛星於20世紀90年代中期推出，成爲第一個主流的消費無線網際網路服務。與其他形式的無線網際網路服務相比，衛星具有可用性的優勢。衛星只需要一個小天線、衛星數據機和訂閱計劃，就可以在幾乎所有沒有其他技術服務的農村地區工作。

然而，衛星也提供了性能相對較低的無線網際網路。由於地球和軌道站之間必須有遠距離信號傳輸，衛星受到高延遲連接的影響。衛星還支持相對少量的網絡帶寬。

Public Wi-Fi Networks

一些市政當局利用無線網絡技術建立了公共無線網際網路服務。這些所謂的網狀網絡將許多無線接入點連接在一起，跨越更大的城市區域。個別Wi-Fi熱點也在選定地點提供公共無線網際網路服務。

相對於其他形式的無線網際網路服務，Wi-Fi是一種低成本的選擇。設備很便宜（許多較新的計算機都內置了所需的硬體），而且Wi-Fi熱點在某些地區仍然是免費的。

Fixed Wireless Broadband

固定無線是一種寬帶，利用安裝在無線電發射塔上的天線。

Mobile Broadband

手機已經存在了幾十年，但直到最近，蜂窩網絡才發展成爲無線網際網路服務的主流形式。使用已安裝的蜂窩網絡適配器，或通過將手機連接到筆記本電腦，可以在任何覆蓋蜂窩塔的區域保持網際網路連接。如果沒有某個提供商提供的Internet數據訂閱，移動寬帶服務將無法運行。

傳統的有線網絡已經產生了許多應用協議，如TELNET、FTP和SMTP。無線應用協議（WAP）體系結構旨在彌合無線用戶與提供給他們的服務之間在應用層的差距。

Wireless Internet

無線網際網路是指將網際網路提供的服務擴展到移動用戶，使他們能夠不受位置限制地訪問信息和數據。與無線域、節點的移動性以及網際網路中使用的現有協議的設計相關聯的固有問題，需要多種解決方案來實現無線網際網路。

無線網際網路需要考慮的主要問題是：;

• Address mobility
• Inefficiency of transport layer protocols and
• Inefficiency of application layer protocols

Address Mobility

Internet中使用的網絡層協議是Internet協議（IP），它是爲具有固定節點的有線網絡而設計的。IP採用分層尋址，具有全局唯一的32位地址，該地址由兩部分組成：網絡標識符和主機標識符。

網絡標識符指主機連接到的子網地址。在Internet核心路由器中，使用尋址方案來減小路由表的大小，而核心路由器只使用IP位址的網絡部分來進行路由決策。

由於移動主機可以從一個子網移動到另一個子網，因此該尋址方案可能無法在網際網路的無線擴展中直接工作，但是尋址到移動主機的分組可以被傳送到該節點最初附加到的舊子網。

Inefficiency of Transport Layer Protocols

傳輸層在Internet中非常重要，它確保設置和維護端到端連接、可靠的數據包端到端傳輸、流量控制和擁塞控制。TCP是有線網絡的主要傳輸層協議，即使在某些應用程式中使用了無連接的不可靠傳輸層協議。

由於無線介質具有時變性和環境依賴性，其固有的不可靠性，無線網際網路需要傳輸層協議的有效運行。傳統的TCP調用a擁塞控制算法來處理網絡中的擁塞。如果數據包或ACK包丟失，則TCP假設丟失是由擁塞引起的，並將擁塞窗口的大小減少一半。

隨著每一次連續的分組丟失，擁塞窗口減少，因此TCP在無線鏈路中提供降低的性能。即使在分組丟失是由鏈路錯誤或衝突引起的情況下，TCP也會調用擁塞控制算法，從而導致非常低的吞吐量。

找出導致分組丟失的真正原因對於提高無線鏈路上TCP的性能具有重要意義。傳輸層問題的一些解決方案包括&負;

• Indirect TCP (ITCP)
• Snoop TCP and
• Mobile TCP

Inefficiency of Application Layer Protocols

傳統的應用層協議，如HTTP、TELNET、簡單郵件傳輸協議（SMTP）和幾種標記語言（如HTML）都是爲有線網絡設計和優化的。其中許多協議在與無線鏈路一起使用時效率不高。

阻礙HTTP在無線網際網路中應用的主要問題是它的無狀態操作、字符編碼帶來的高開銷、HTTP請求中攜帶的冗餘信息，以及在每個事務中打開一個新的TCP連接。

手持設備的能力有限，因此很難處理計算和帶寬方面昂貴的應用程式協議。無線應用協議（WAP）和對傳統HTTP的優化是解決應用層問題的一些解決方案。

Wireless Communication - WAP

WAP代表無線應用協議。WAP代表一套協議，而不是單一的協議。WAP的目標是將一個簡單的輕量級瀏覽器（也稱爲微型瀏覽器）集成到手持設備中，從而在這些設備上只需要很少的資源，例如內存和CPU。

WAP試圖通過將更多的智能集成到網絡節點（如路由器、web伺服器、和BSs）中來彌補無線手持設備和無線鏈路的不足。

WAP協議套件的主要目標如下。

• Independence from the wireless network standards
• Interoperability among service providers
• Overcoming the shortfalls of the wireless medium
• Overcoming the drawbacks of handheld devices
• Increasing efficiency and reliability
• Providing security, scalability, and extensibility

The WAP Model

WAP採用客戶機-伺服器的方式。它指定一個代理伺服器，充當無線域和核心有線網絡之間的接口。此代理伺服器也稱爲WAP網關，負責多種功能，如協議轉換和優化無線介質上的數據傳輸。

無線網絡部分由&負組成;

• Content provider (Application or origin server)
• Mobile device (WAP client)
• WAP gateway
• WAP proxy

WAP架構被設計成緊跟web。唯一的區別是WAP網關的存在是在HTTP和WAP之間進行轉換。

WAP Client

關於WAP客戶端，需要提及的三個部分是WAE用戶代理、WTA用戶代理和WAP棧。

• WAE user agent是呈現內容以供顯示的瀏覽器。

• WTA用戶代理−無線電話應用程式代理從WTA伺服器接收已編譯的WTA文件並執行它們。

• WAP stack允許手機使用WAP協議連接到WAP網關。

Application Server

信息（web、WAP）應用程式所在的網絡中的元素是WAP代理、WAP網關或WAP伺服器;

• Proxy−這是一個中間元素，在位於客戶機和伺服器之間的網絡中充當客戶機和伺服器。客戶機向其發送請求，並檢索和緩存通過聯繫源伺服器所需的信息。

• 網關通常用於連接兩種不同類型的網絡。

WAP網關基本上是放置在支持WAP和IP分組網絡（如Internet）之間的軟體。

The WAP Protocol Stack

WAP協議棧如下圖所示;

Application Layer

應用層提供一個應用程式環境，用於開發和執行可移植的應用程式和服務WAE由位於客戶端的兩個不同的用戶代理組成。

WAE用戶代理包括瀏覽器、文本消息編輯器以及WTA用戶代理。

Session Layer

會話層爲客戶機/服務應用程式之間有組織的內容交換提供方法。

WAP包含以下組件−

• 面向連接的會話服務在WTP上運行。

• 無連接會話服務−它們直接在WDP上運行。

• 會話服務−這些功能有助於使用原始消息在客戶端和伺服器之間建立連接。

原語消息定義爲客戶端發送到伺服器以請求服務設施的消息。客戶端發送請求原語和接收確認原語，伺服器可以發送響應原語和接收指示原語。

無連接會話服務僅提供未確認的服務。爲了啓動會話，客戶端調用WSP原語，這些原語提供一些參數，例如伺服器地址、客戶端地址和客戶端頭。在某些方面，WSP基本上是HTTP的二進位形式。

Transaction Layer

提供不同的方法來執行具有不同可靠性的事務。

Security Layer

在應用程式之間提供身份驗證、隱私和安全連接的可選層。它基於SSL（安全套接字層）。它提供確保隱私、伺服器身份驗證、客戶端身份驗證和數據完整性的服務。

在web伺服器和WAP網關之間打開標準SSL會話，在網關和移動設備之間初始化WTLS會話。加密的內容通過這個連接從伺服器發送到網關，網關將其翻譯並發送到行動電話。SSL和WTLS之間的事務發生在WAP網關的內存中。

Transport Layer

這是底層，與運營商提供的承載服務相連接。承載業務是行動電話和基站之間的通信。它們包括SMS、CSD、USSD、GSM、GPRS、DECT、CDMA、FDMA、和TDMA。

物理層準備要通過空中業務從移動設備發送的數據，並使用在設備正在運行的網絡中實現的承載業務發送數據。WDP具有與各種承載網絡的接口，因此它必須具有特定於承載的實現。WDP是唯一必須重寫以支持不同承載網絡的層。WTP層實現了一個簡單的面向請求-響應事務的協議，而不是三方握手連接機制。

Wireless Communication - Satellite

衛星是圍繞另一個物體旋轉的物體。例如，地球是太陽的衛星，月球是地球的衛星。

A通信衛星是一個用於通信、無線電和電視信號的空間中的微波中繼站。通信衛星對來自一個地球站的數據進行處理，將數據轉換成另一種形式並發送到第二個地球站。

How a Satellite Works

地球上有兩個電台想通過無線電廣播進行通信，但距離使用傳統手段太遠。這兩個站可以使用中繼站進行通信。一個地球站把信號傳送給衛星。

上行鏈路頻率是地面站與衛星通信的頻率。衛星轉發器將信號轉換並發送到第二個地球站，這稱爲下行鏈路頻率。第二個地球站也以同樣的方式與第一個地球站通信。

Advantages of Satellite

衛星通信的優點如下：;

• The Coverage area is very high than that of terrestrial systems.
• The transmission cost is independent of the coverage area.
• Higher bandwidths are possible.

Disadvantages of Satellite

衛星通信的缺點如下：;

• Launching satellites into orbits is a costly process.
• The bandwidths are gradually used up.
• High propagation delay for satellite systems than the conventional terrestrial systems.

Satellite Communication Basics

衛星通信過程始於地球站。這裡設計了一個裝置，用來發射和接收來自環繞地球軌道衛星的信號。地球站以高功率、高頻率（GHz範圍）信號的形式向衛星發送信息。

衛星接收和重新傳輸衛星覆蓋區域內其他地球站接收到的信號。衛星的足跡是從衛星接收有用強度信號的區域。

從地球站通過一個通道到衛星的傳輸系統稱爲上行鏈路。通過信道從衛星到地球站的系統稱爲下行鏈路。

Satellite Frequency Bands

衛星通信常用的頻段有Cband、Ku波段、Ka波段和Ka波段。C波段和Ku波段是當今衛星常用的頻譜。

需要注意的是，頻率和波長之間存在一種相反的關係，即當頻率增加時，波長減小這有助於理解天線直徑和傳輸頻率之間的關係。隨著波長的增加，需要更大的天線（衛星天線）來收集信號。

Earth Orbits

衛星發射到太空時，需要置於一定的軌道上，爲其旋轉提供一種特殊的方式，以保持其無障礙性，並爲其科學、軍事或商業用途服務。這種分配給衛星的關於地球的軌道稱爲地球軌道。這些軌道上的衛星是地球軌道衛星。

地球軌道的重要種類是負的;

• Geo-synchronous Earth Orbit
• Geo-stationary Earth Orbit
• Medium Earth Orbit
• Low Earth Orbit

Geo-synchronous Earth Orbit (GEO) Satellites

地球同步軌道衛星是一顆位於地球上空22300英里高度的衛星。這個軌道與a邊實日同步（即23小時56分鐘）。這個軌道可以有傾角和偏心率。它可能不是圓形的。這個軌道可以在地球的兩極傾斜。但從地球上觀察時，它似乎是靜止的。

同一地球同步軌道，如果是圓的，在赤道平面上稱爲靜止軌道。這些衛星被放置在地球赤道以上35900公里（與地球同步軌道相同）處，它們繼續圍繞地球的方向（從西到東）旋轉。這些衛星就地球而言被認爲是靜止的，因此它的名字意味著。

地球靜止軌道衛星用於天氣預報、衛星電視、衛星無線電和其他類型的全球通信。

上圖顯示了地球同步軌道和地球靜止軌道之間的區別。旋轉軸表示地球的運動。

這裡要注意的一點是，每個靜止軌道都是同步軌道。但每一個同步軌道都不是靜止軌道。

Medium Earth Orbit (MEO) Satellites

中地球軌道（MEO）衛星網絡將在距地球表面約8000英里的軌道上運行。MEO衛星發送的信號傳播的距離較短。這轉化爲接收端的信號強度的提高。這表明在接收端可以使用更小、更輕的接收終端。

由於信號往返衛星的距離較短，因此傳輸延遲較小。傳輸延遲可以定義爲信號向上傳輸到衛星並返回到接收站所需的時間。

對於實時通信，傳輸延遲越短，通信系統就越好。舉例來說，如果一顆地球觀測衛星往返需要0.25秒，那麼MEO衛星完成同一次往返需要的時間不到0.1秒。MEOs在2ghz及以上的頻率範圍內工作。

Low Earth Orbit (LEO) Satellites

低軌衛星主要分爲三類，即小型低軌衛星、大型低軌衛星和大型低軌衛星。獅子座的軌道距離地球表面500至1000英里。

這個相對較短的距離將傳輸延遲減少到只有0.05秒。這進一步減少了對敏感和笨重接收設備的需求。小型獅子座將在800兆赫（0.8兆赫）範圍內運行。大型獅子座將在2千兆赫或以上的範圍內運行，大型獅子座將在20-30千兆赫的範圍內運行。

與Mega-LEOs相關聯的更高頻率轉化爲更多的信息承載能力，並產生實時、低延遲視頻傳輸方案的能力。

High Altitude Long Endurance (HALE) Platforms

實驗性的HALE平台基本上是高效和輕便的飛機，攜帶通信設備。這將充當極低地球軌道地球同步衛星。

這些飛行器將由電池和太陽能或高效渦輪發動機組合提供動力。HALE平台將在70000英尺的高空提供小於0.001秒的傳輸延遲，甚至對於非常輕便的手持接收設備，信號強度也會更好。

Orbital Slots

這裡可能會出現這樣一個問題：在地球同步軌道上有200多顆衛星，我們如何防止它們相互碰撞或試圖在空間使用同一位置？爲了解決這個問題，國際電信聯盟（ITU）等國際監管機構和聯邦通信委員會（FCC）等國家政府機構指定了地球同步軌道上通信衛星的位置。

這些位置以經度表示，稱爲軌道槽。由於對軌道槽的巨大需求，FCC和ITU已逐步將C波段和Ku波段衛星所需的間距降低到2度。