现代通信网络技术第八章2

8.4 基于基于HFC的宽带接入技术的宽带接入技术8.4.1 HFC技术概述技术概述一、一、HFC技术的发展技术的发展 出现于出现于20世纪世纪70年代的有线电视（年代的有线电视（CATV）最初以向广大用户提供廉价）最初以向广大用户提供廉价的、高质量的视频广播为目的，自的、高质量的视频广播为目的，自80年代中后期以来得到较快的发展。在年代中后期以来得到较快的发展。在许多国家，有线电视网覆盖率已与公用电话网不相上下，甚至超过了公用许多国家，有线电视网覆盖率已与公用电话网不相上下，甚至超过了公用电话网。电话网。由于有线电视网用户数量巨大，并且同轴电缆可提供较宽的工作频带由于有线电视网用户数量巨大，并且同轴电缆可提供较宽的工作频带和良好的信号传输质量，因此基于现有有线电视网设施的光纤和良好的信号传输质量，因此基于现有有线电视网设施的光纤/同轴电缆同轴电缆系统混合（系统混合（Hybrid Fiber/Coaxial Cable System，HFC）接入网技术越）接入网技术越来越引起人们的重视。来越引起人们的重视。HFC是一种以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数字传输技是一种以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数字传输技术、光纤和同轴电缆技术以及射频技术的高度分布式智能宽带用户接入术、光纤和同轴电缆技术以及射频技术的高度分布式智能宽带用户接入网络，是网络，是CATV和电信网结合的产物。和电信网结合的产物。HFC可以通过对现有有线电视网可以通过对现有有线电视网进行双向化升级改造而实施，光纤用作骨干传输，同轴电缆用作信号分进行双向化升级改造而实施，光纤用作骨干传输，同轴电缆用作信号分配，在提供节目丰富质量良好的电视节目同时，还可提供电话、配，在提供节目丰富质量良好的电视节目同时，还可提供电话、Internet接入、高速数据传输和多媒体等业务。接入、高速数据传输和多媒体等业务。随着我国随着我国“三网合一三网合一”工程的推进和实施，工程的推进和实施，HFC将会在我国宽带接入将会在我国宽带接入市场中扮演重要角色。市场中扮演重要角色。二、二、HFC的主要特点的主要特点1）HFC的主要优点的主要优点（1）传输频带较宽。）传输频带较宽。HFC具有双绞铜线对无法比拟的传输带宽，可具有双绞铜线对无法比拟的传输带宽，可达到达到1GHz。（2）与现有设备兼容。视频信号可以直接进入用户的电视机，不影）与现有设备兼容。视频信号可以直接进入用户的电视机，不影响原有系统使用。响原有系统使用。（3）支持宽带业务。）支持宽带业务。HFC网支持现有的和待发展的宽带及窄带业务。网支持现有的和待发展的宽带及窄带业务。（4）全业务能力。能够提供各种类型的模拟和数字通信业务，包括：）全业务能力。能够提供各种类型的模拟和数字通信业务，包括：数据、话音、视频、多媒体业务等等。数据、话音、视频、多媒体业务等等。2）HFC的主要缺点的主要缺点（1）原有有线电视网（）原有有线电视网（CATV）需要双向改造。有线电视网都是单）需要双向改造。有线电视网都是单向广播式向用户传送电视，不满足网络信息双向传输的要求。向广播式向用户传送电视，不满足网络信息双向传输的要求。（2）模拟信道传输，频带利用率不高。）模拟信道传输，频带利用率不高。HFC将数字信号转换为模拟将数字信号转换为模拟方式传输，由于噪声和干扰的影响，传输质量受到影响，因此频带利方式传输，由于噪声和干扰的影响，传输质量受到影响，因此频带利用率不高。用率不高。（3）HFC接入方式以模拟频分复用方式传输信息，一个接入方式以模拟频分复用方式传输信息，一个ONU可以为可以为500-2000个用户服务，一旦发生故障，影响面很大。个用户服务，一旦发生故障，影响面很大。三、三、HFC频谱分配方案频谱分配方案 HFC网络采用副载波频分复用方式，将各种图像、数据和语音信号通网络采用副载波频分复用方式，将各种图像、数据和语音信号通过调制解调器同时在同轴电缆上传输，因此合理地安排频谱十分重要，过调制解调器同时在同轴电缆上传输，因此合理地安排频谱十分重要，频谱分配既要考虑历史和现在，又要考虑未来的发展。我国频谱分配既要考虑历史和现在，又要考虑未来的发展。我国HFC的频带的频带划分如图划分如图8-43所示。所示。图图8-43 我国我国HFC的频带划分方案的频带划分方案 低端的低端的5MHz42MHz频段安排为上行信道，即回传信道，其中频段安排为上行信道，即回传信道，其中58MHz用来传状态监视信息，用来传状态监视信息，812MHz用来传用来传VOD（视频点播）信令，（视频点播）信令，1540MHz用来传电话信号。用来传电话信号。50MHz750MHz频段为下行信道，其中频段为下行信道，其中50550MHz用于传输现有的模拟有线电视信号，每个通路的频带宽度为用于传输现有的模拟有线电视信号，每个通路的频带宽度为68MHz，因而总共可以传，因而总共可以传6080路电视信号。路电视信号。550750MHz主要传送主要传送附加的模拟有线电视信号或数字有线电视信号，不过目前倾向于传输双向附加的模拟有线电视信号或数字有线电视信号，不过目前倾向于传输双向交互型通信业务，特别是交互型通信业务，特别是VOD业务。如果采用业务。如果采用64QAM的调制方式和的调制方式和MPEG-2图像信号，那么大致可以传输约图像信号，那么大致可以传输约200路路VOD信号。高端的信号。高端的7501000MHz仅用于各种双向通信业务，如个人通信业务。仅用于各种双向通信业务，如个人通信业务。8.4.2 HFC网络框架结构网络框架结构 HFC的网络框架由馈线网、配线网和用户引入线三部分构成，如的网络框架由馈线网、配线网和用户引入线三部分构成，如图图8-44所示。所示。图图8-44 典型的典型的HFC网络框架结构网络框架结构1）馈线网：指前端到服务区的光节点部分，大致对应于）馈线网：指前端到服务区的光节点部分，大致对应于CATV的的干线段。干线段。2）配线网：指服务区的光节点到分支器之间的部分，在通常情况）配线网：指服务区的光节点到分支器之间的部分，在通常情况下为树型或总线结构。下为树型或总线结构。3）用户引入线：指分支器到各用户之间的部分，分支器是配线网）用户引入线：指分支器到各用户之间的部分，分支器是配线网与用户引入线的分界点。与用户引入线的分界点。8.4.3 HFC接入系统结构接入系统结构 HFC网络宽带接入通过电缆调制解调器（网络宽带接入通过电缆调制解调器（Cable Modem）来实）来实现，主要由位于现，主要由位于HFC网络前端的电缆调制解调器终端系统（网络前端的电缆调制解调器终端系统（Cable Modem Termination System，CMTS）和位于）和位于HFC网络用户端的网络用户端的电缆调制解调器（电缆调制解调器（Cable Modem，CM）数据传输设备组成，）数据传输设备组成，HFC数据接入系统如图数据接入系统如图8-45所示。所示。图图8-45 HFC的数据通信系统的数据通信系统 前端设备前端设备CMTS一般位于网络中心，与数据网络连接的同时，还负责一般位于网络中心，与数据网络连接的同时，还负责连接、管理和配置连接、管理和配置HFC中所有用户端中所有用户端CM。CMTS采用采用10BASE-T、100BASE-T等接口通过交换型等接口通过交换型HUB与外界设备相连，通过路由器与与外界设备相连，通过路由器与Internet连接，或者可以直接连接到本地服务器，享受本地业务。用户连接，或者可以直接连接到本地服务器，享受本地业务。用户端设备端设备CM是是HFC用户数据收发装置，主要功能是通过用户数据收发装置，主要功能是通过QAM调制解调方调制解调方式，与前端式，与前端CMTS设备建立数据收发通道。设备建立数据收发通道。CM有外置式和内置式两种有外置式和内置式两种类型，一般放在用户的家中。类型，一般放在用户的家中。Cable Modem是实现是实现HFC高速数据接入的关键，可接收高速数据接入的关键，可接收1042Mb/s的下行数据，上行速率最高为的下行数据，上行速率最高为10Mb/s。由于传输速率高，利用已有有。由于传输速率高，利用已有有线电视网，不占用电话线路，不影响电视广播，覆盖面积广、费用低线电视网，不占用电话线路，不影响电视广播，覆盖面积广、费用低廉，因此已成为一种极具竞争力的宽带接入技术。廉，因此已成为一种极具竞争力的宽带接入技术。8.4.4 电缆调制解调器及关键技术电缆调制解调器及关键技术(*)作为作为HFC数据接入系统中的重要部件数据接入系统中的重要部件Cable Modem成为成为HFC接入实接入实现的关键，用户端现的关键，用户端CM通过通过HFC网络与头端网络与头端CMTS进行双向数据收发，把进行双向数据收发，把上行数字信号转换成类似电视信号的模拟射频信号传送；把下行信号转上行数字信号转换成类似电视信号的模拟射频信号传送；把下行信号转换为数字信号进行接收。目前有两个互不兼容的换为数字信号进行接收。目前有两个互不兼容的Cable Modem技术标准，技术标准，一个是一个是IEEE颁布的基于颁布的基于ATM技术的技术的IEEE802.14标准，另一个是标准，另一个是MCNS/SCTE制定的基于制定的基于IP技术的技术的DOCSIC（Data Over Cable Service Interface Specification）标准。）标准。一、结构与原理一、结构与原理用户端用户端CM的内部结构如图的内部结构如图8-46所示。所示。CM结构比传统结构比传统Modem复杂，主要复杂，主要由双工滤波器、调制解调器、去交由双工滤波器、调制解调器、去交织织/FEC模块、模块、FEC/交织模块、数据交织模块、数据成帧电路、成帧电路、MAC处理器、数据编码处理器、数据编码电路、网卡、电路、网卡、CPU和存储器等部件和存储器等部件组成。同时，在组成。同时，在CM结构中还有一些结构中还有一些扩展口，用于插入一些新的功能模扩展口，用于插入一些新的功能模块以支持多种应用。块以支持多种应用。图图8-46 用户端用户端Cable Modem的内部结构的内部结构二、设备配置二、设备配置 用户端用户端CM设备有用于配置的设备有用于配置的Consol接口，可通过接口，可通过VT终端或终端或Win 9x的超级终端程序进行设置。加电工作后，首先自动搜索前端的下行频率，的超级终端程序进行设置。加电工作后，首先自动搜索前端的下行频率，找到下行频率后，从下行数据中确定上行通道，与前端设备找到下行频率后，从下行数据中确定上行通道，与前端设备CMTS建立建立连接，并交换信息，包括：上行电平数值、动态主机配置协议（连接，并交换信息，包括：上行电平数值、动态主机配置协议（DHCP）和小文件传送协议（和小文件传送协议（TFTP）服务器的）服务器的IP地址等。地址等。CM有在线功能，即使有在线功能，即使用户不使用，只要不切断电源，则与前端始终保持信息交换，用户可随用户不使用，只要不切断电源，则与前端始终保持信息交换，用户可随时上线。时上线。CM具有记忆功能，断电后再次上电时，使用断电前存储的数具有记忆功能，断电后再次上电时，使用断电前存储的数据与前端进行信息交换，可快速地完成搜索过程。据与前端进行信息交换，可快速地完成搜索过程。前端前端CMTS是管理控制是管理控制CM的设备，可通过的设备，可通过Consol接口或以太网接口接口或以太网接口完成配置，需使用厂家提供的专用软件。完成配置，需使用厂家提供的专用软件。CMTS配置主要包括下行频率、配置主要包括下行频率、下行调制方式、下行电平等，以及设置下行调制方式、下行电平等，以及设置DHCP、TFTP服务器服务器IP地址和地址和CMTSIP地址等。地址等。正常情况下，设置完成，设备上电工作后，会启动正常情况下，设置完成，设备上电工作后，会启动DHCP和和TFTP服服务器，从而在前端务器，从而在前端CMTS和用户和用户CM间建立正常的通信通道。间建立正常的通信通道。CMTS设备设备中的上行通道接口和下行通道接口是分开的，使用时需经过高低通滤波中的上行通道接口和下行通道接口是分开的，使用时需经过高低通滤波器混合为一路信号，再送入同轴电缆。器混合为一路信号，再送入同轴电缆。三、反向通道噪声及抑制技术三、反向通道噪声及抑制技术 在在HFC网络中，上行数据链路采用网络中，上行数据链路采用542MHz的频段，引入的各的频段，引入的各种噪声和干扰比较严重。同时，由于种噪声和干扰比较严重。同时，由于HFC树型结构的分配网，使用树型结构的分配网，使用户端的噪声会在系统前端汇集和叠加，进一步恶化了反向信道的传户端的噪声会在系统前端汇集和叠加，进一步恶化了反向信道的传输环境。输环境。抑制反向噪声是抑制反向噪声是HFC必须解决的一个技术问题，现有的方法分必须解决的一个技术问题，现有的方法分为网络侧措施和用户侧措施。首先，网络侧措施是在为网络侧措施和用户侧措施。首先，网络侧措施是在HFC区域内，区域内，对于仅需要单向服务（广播）的用户端安装一个全阻滤波器禁止反对于仅需要单向服务（广播）的用户端安装一个全阻滤波器禁止反向传送（亦阻止噪声的反向传送）；对于需要双向服务的用户端安向传送（亦阻止噪声的反向传送）；对于需要双向服务的用户端安装一个低通滤波器，阻塞噪声高频分量，削弱反向通道噪声。其次，装一个低通滤波器，阻塞噪声高频分量，削弱反向通道噪声。其次，用户侧措施主要是采用抗干扰能力强的调制方案。通常选择用户侧措施主要是采用抗干扰能力强的调制方案。通常选择QPSK或或S-CDMA作为上行链路调制方案。但是作为上行链路调制方案。但是QPSK调制方案会限制上调制方案会限制上行传输速率，一般速率最大为行传输速率，一般速率最大为1.5Mb/s。S-CDMA技术较为复杂，技术较为复杂，但可获得较好的性能，得到业界的广泛关注。但可获得较好的性能，得到业界的广泛关注。8.4.4 典型设备介绍典型设备介绍一、一、CM产品产品 D-LINK公司产品公司产品DCM-201 Cable Modem完全符合完全符合MCNS DOCSIS 1.1标准，能够自动搜索数据收、发信道并建立可靠标准，能够自动搜索数据收、发信道并建立可靠的连接，可以同时为的连接，可以同时为15个用户提供数据传输服务。个用户提供数据传输服务。DCM-201 Cable Modem提供数倍于其它连接方式的提供数倍于其它连接方式的Internet接入速率：在接入速率：在使用使用64QAM调制技术时，其下行数据突发传输速率可以达到调制技术时，其下行数据突发传输速率可以达到30.342Mbps；使用；使用256QAM调制技术时，其下行数据突发传输速率可调制技术时，其下行数据突发传输速率可以达到以达到42.88Mbps。其上行数据一般采用。其上行数据一般采用QPSK或或16QAM调制技术，调制技术，数据传输速率一般为数据传输速率一般为500Kbps10.2Mbps。DCM-201 Cable Modem支持简单网络管理（支持简单网络管理（MCNS SNMP）和静态）和静态（Static）、动态地址分配（）、动态地址分配（DHCP）技术，从而为用户提供了灵活的系）技术，从而为用户提供了灵活的系统管理和统管理和IP地址分配策略；在数据安全方面，地址分配策略；在数据安全方面，DCM-201支持支持RSA和和MCNS 40/56 bit DES数据加密数据加密/解密技术，并使用前向纠错技术（解密技术，并使用前向纠错技术（FEC）以保证数据的可靠传输。此外，为了方便与用户以保证数据的可靠传输。此外，为了方便与用户PC的连接，的连接，DCM-201提提供了供了USB和和10/100Base-T RJ-45两种硬件接口（只能任选其中一种接口两种硬件接口（只能任选其中一种接口方式）。方式）。除了为单个除了为单个PC用户提供用户提供Internet访问或远程接入功能外，访问或远程接入功能外，DCM-201 Cable Modem还可以通过路由器等网络设备为局域网用户提供基于高还可以通过路由器等网络设备为局域网用户提供基于高速速Cable线路的线路的Internet接入服务，也可以实现两个远程网络之间的互连，接入服务，也可以实现两个远程网络之间的互连，从而实现企业用户及其分支机构之间开展电视会议等综合数据应用。从而实现企业用户及其分支机构之间开展电视会议等综合数据应用。二、二、CMTS产品产品 MA5800系列产品是华为公司为系列产品是华为公司为HFC接入推出接入推出的的CMTS设备，主要完成两个功能：宽带接入和设备，主要完成两个功能：宽带接入和为为NGN业务提供业务提供HFC侧的服务质量保证；具有侧的服务质量保证；具有两种规格：大容量框式设备两种规格：大容量框式设备MA5800和小容量台和小容量台式设备式设备MA5801。1）MA5800主要规格主要规格（1）整机支持能力：）整机支持能力：14槽位可提供槽位可提供2个管理模块插槽互为热备份；个管理模块插槽互为热备份；12个业个业务模块插槽支持上行务模块插槽支持上行WAN模块和模块和HFC接口模块混插。接口模块混插。（2）上行）上行IP接口模块：接口模块：8个个10/100BaseT端口；端口；1个个Gigabit Ethernet端口；端口；1个个POS 155M/622M端口。端口。（3）HFC业务模块：业务模块：14 EuroDOCSIS v1.1、28 DOCSIS/EuroDOCSIS v1.1/2.0、16 DOCSIS v1.1、212 DOCSIS/EuroDOCSIS v1.1/2.0、16 EuroDOCSIS v1.1、PacketCable v1.02）主要特性）主要特性（1）安全性更高的认证功能和更丰富的计费能力：）安全性更高的认证功能和更丰富的计费能力：（2）认证方式：支持基于）认证方式：支持基于MAC的认证方式；支持的认证方式；支持PPPoE认证和认证和VLAN+WEB认证。目前认证。目前MA5800是业界唯一能支持是业界唯一能支持PPPoE认证和认证和VLAN+WEB认证的认证的CMTS设备。设备。（3）计费方式：支持包月和按时长、流量的计费，提供灵活的）计费方式：支持包月和按时长、流量的计费，提供灵活的运营手段，提升竞争力。运营手段，提升竞争力。为语音、视频等实时业务提供端到端的为语音、视频等实时业务提供端到端的QoS保证；支持保证；支持DOCSIS1.1，并可软件升级到，并可软件升级到DOCSIS2.0；支持；支持基于用户和业务的流分类功能；支持基于用户和业务的流分类功能；支持DiffServ，并提供，并提供DOCSIS1.1业务流和业务流和DiffServ优先级间的映射。优先级间的映射。（4）网络安全：目前唯一支持）网络安全：目前唯一支持 VLAN和和VLAN透传功能的透传功能的CMTS设备，可有效防止网络风暴；提供设备，可有效防止网络风暴；提供PPPoE和和VLAN+WEB等安全性等安全性更好的认证能力。更好的认证能力。（5）电信级可靠性设计：电源、总线、主控板、）电信级可靠性设计：电源、总线、主控板、IP转发板支持转发板支持1+1的双备份；业务板支持的双备份；业务板支持N+1冗余备份。冗余备份。（6）频谱管理功能：提供智能上行频谱管理功能，实时监测上）频谱管理功能：提供智能上行频谱管理功能，实时监测上行通道噪声情况，扫描可用信道，并自动调整上行通道参数，避免行通道噪声情况，扫描可用信道，并自动调整上行通道参数，避免HFC网络上行通道噪声造成的对业务服务质量的影响。网络上行通道噪声造成的对业务服务质量的影响。8.4.5 应用实例：智能大厦应用应用实例：智能大厦应用 某宾馆要进行智能化改造，建设宽带网络。原来只有某宾馆要进行智能化改造，建设宽带网络。原来只有CATV网络，希望在网络，希望在不改变现有布线结构的情况下，实现各楼层用户的宽带上网，建设智能大厦。不改变现有布线结构的情况下，实现各楼层用户的宽带上网，建设智能大厦。综合各方面考虑，可以采用综合各方面考虑，可以采用HFC接入方案。宾馆的智能化改造方案如图接入方案。宾馆的智能化改造方案如图8-47所示。所示。图图8-47 宾馆智能改造方案宾馆智能改造方案 首先，在原来首先，在原来CATV网络中有放大器网络中有放大器的地方增加一台旁路上行放大器，完的地方增加一台旁路上行放大器，完成对原有成对原有CATV的双向改造。然后，部的双向改造。然后，部署署HFC接入设备。前端设备采用华为接入设备。前端设备采用华为公司公司CMTS产品产品MA5801，放置在宾馆，放置在宾馆原原CATV机房内，通过路由器连接到机房内，通过路由器连接到Internet，同时通过，同时通过RF混合器与原混合器与原CATV信号混合送到信号混合送到CATV分配网。用分配网。用户端户端CM采用采用D-LINK公司产品公司产品DCM-201，只需要一端连接到，只需要一端连接到PC，另一端，另一端连接到连接到CATV接线盒，既可实现上网，接线盒，既可实现上网，同时不影响原有的同时不影响原有的CATV服务。开通附服务。开通附加业务以后，也可以用廉价的数字机加业务以后，也可以用廉价的数字机顶盒（顶盒（STB）来实现上网浏览和）来实现上网浏览和VOD点播等业务。点播等业务。8.5 宽带无线接入技术宽带无线接入技术8.5.1 宽带无线接入概述宽带无线接入概述一、宽带无线接入的基本概念一、宽带无线接入的基本概念 相对于窄带无线接入，宽带无线接入是指接入网的某一部分或全部使用相对于窄带无线接入，宽带无线接入是指接入网的某一部分或全部使用无线传输媒质，并能向用户提供固定或移动宽带接入服务。特别适合于地广无线传输媒质，并能向用户提供固定或移动宽带接入服务。特别适合于地广人稀、用户分散地农村山区，铺设电缆不便甚至无法铺设的城乡地区，是当人稀、用户分散地农村山区，铺设电缆不便甚至无法铺设的城乡地区，是当前发展最快的宽带接入技术之一。宽带无线接入结构如图前发展最快的宽带接入技术之一。宽带无线接入结构如图8-48所示，宽带无所示，宽带无线接入网主要由基站线接入网主要由基站(Base Station，BS)和基站控制器和基站控制器(Base Station Controller，BSC)等组成，实现无线与有线系统的宽带转接。等组成，实现无线与有线系统的宽带转接。图图8-48 宽带无线接入结构宽带无线接入结构 宽带无线接入网的出现解决了有线接入网的很多局限性，与有线宽带无线接入网的出现解决了有线接入网的很多局限性，与有线接入相比，具有以下特点：接入相比，具有以下特点：1）建网投资费用低，可分期投资，网络设计灵活，安装方便；）建网投资费用低，可分期投资，网络设计灵活，安装方便；2）扩容可以因需求而定，方便快捷，防止过量配置设备而造成）扩容可以因需求而定，方便快捷，防止过量配置设备而造成浪费；浪费；3）运营成本低，无需维护值守，因此大大降低了运营费用；）运营成本低，无需维护值守，因此大大降低了运营费用；4）系统可靠性好，抗灾能力强，易于恢复。）系统可靠性好，抗灾能力强，易于恢复。二、宽带无线接入的主要特点二、宽带无线接入的主要特点1）按照覆盖区域分类）按照覆盖区域分类（1）无线个域网（无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）覆覆盖范围从几米到几十米，为不同设备间提供双向极短程通信的微微蜂盖范围从几米到几十米，为不同设备间提供双向极短程通信的微微蜂窝网。例如：蓝牙（窝网。例如：蓝牙（Blue tooth）和）和Zigbee技术构建的网络。技术构建的网络。（2）无线局域网（无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）覆盖覆盖范围从几十米到几百米，可为短距离范围内的用户提供无线接入服务。范围从几十米到几百米，可为短距离范围内的用户提供无线接入服务。例如：日常生活中常见的例如：日常生活中常见的WiFi网络。网络。（3）无线城域网（无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）覆盖范围从几百米到几十千米，可以支持覆盖范围从几百米到几十千米，可以支持QoS能力和一定范围移动性能力和一定范围移动性的接入能力。微波多路分配系统（的接入能力。微波多路分配系统（Microwave Multipoint Distribution Systems，MMDS）、本地多点分配业务（）、本地多点分配业务（Local Multipoint Distribution Service，LMDS）和）和WiMAX等技术都属于城等技术都属于城域网范畴。域网范畴。（4）无线广域网无线广域网覆盖范围更广，可以支持全球范围内广泛的移动性覆盖范围更广，可以支持全球范围内广泛的移动性和无线宽带接入。例如：和无线宽带接入。例如：3G以及未来的以及未来的4G都属于无线广域网。都属于无线广域网。三、宽带无线接入的分类三、宽带无线接入的分类2）按照移动性分类）按照移动性分类（1）移动宽带无线接入）移动宽带无线接入移动宽带无线接入（移动宽带无线接入（Mobile Broadband Wireless Access，MBWA）可以为用户终端提供移动中宽带无线接入服务，目前典型的可以为用户终端提供移动中宽带无线接入服务，目前典型的系统包括系统包括WCDMA、CDMA2000和和TD-SCDMA为代表的第三代蜂窝移为代表的第三代蜂窝移动通信系统，单用户能提供动通信系统，单用户能提供3-7.2Mb/s的宽带接入能力。近来以的宽带接入能力。近来以IEEE802.16e-2005和和IEEE802.20标准为代表标准为代表MBWA得到发展，其目得到发展，其目标是提供在标是提供在120km/h（IEEE802.16e-2005）和）和250km/h（IEEE802.20）的高速移动速率下，提供高带宽接入服务，最大限度）的高速移动速率下，提供高带宽接入服务，最大限度地满足用户未来数据传送的需求。地满足用户未来数据传送的需求。（2）固定宽带无线接入）固定宽带无线接入固定宽带无线接入（固定宽带无线接入（FBWA，Fix Broadband Wireless Access）仅能为用户终端提供相对固定的宽带无线接入服务，近几年得到较快仅能为用户终端提供相对固定的宽带无线接入服务，近几年得到较快发展。早期以多路微波分配系统（发展。早期以多路微波分配系统（MMDS）、本地多点分配业务）、本地多点分配业务（LMDS）为代表，目前以）为代表，目前以IEEE802.16为标准的宽带无线接入系统为标准的宽带无线接入系统WiMax已投入商用，可提供与有线接入质量相当的高速率无线接入服已投入商用，可提供与有线接入质量相当的高速率无线接入服务，并最终为用户提供端到端的连接，未来将成为有线宽带接入方式务，并最终为用户提供端到端的连接，未来将成为有线宽带接入方式的有力竞争者。的有力竞争者。8.5.2 WiFi以及宽带无线局域网以及宽带无线局域网(*)Wi-Fi联盟（联盟（Wi-Fi Alliance）成立于）成立于1999年，是致力于无线环境下提供高质量数据通年，是致力于无线环境下提供高质量数据通信网络应用的民间组织。信网络应用的民间组织。WiFi网络是一种在网络是一种在2.4GHz和和5.8GHz附近的工业科学和医学频附近的工业科学和医学频段（段（Industrial,Scientific and Medical，ISM）上，采用）上，采用802.11协议的短距无线技术协议的短距无线技术构建的办公室和家庭无线局域网络构建的办公室和家庭无线局域网络（WLAN），且无需办理无线电许可。），且无需办理无线电许可。其目前常用的标准分别是其目前常用的标准分别是IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和和IEEE802.11n，可支持的传输速率从，可支持的传输速率从5.5Mb/s、11Mb/s、54Mb/s直到直到320Mb/s，传输距离可达几百米。由于，传输距离可达几百米。由于WiFi技术成熟，设备成本低廉，技术成熟，设备成本低廉，兼容性好，因而得到快速发展和广泛应用。兼容性好，因而得到快速发展和广泛应用。一、一、Wi-Fi的优势的优势1）微蜂窝覆盖，应用灵活。）微蜂窝覆盖，应用灵活。Wi-Fi的电波覆盖范围，室外可达的电波覆盖范围，室外可达几百米，室内可达几十米，既可用于园区，也可用于办公室和楼几百米，室内可达几十米，既可用于园区，也可用于办公室和楼内覆盖。内覆盖。2）高速传输，利于业务发展。最新的）高速传输，利于业务发展。最新的Wi-Fi传输速度可以达到传输速度可以达到320Mb/s，符合社会信息化的发展需求。，符合社会信息化的发展需求。3）无需频率许可，无须布线，易于施工。不受无线电管制，）无需频率许可，无须布线，易于施工。不受无线电管制，不受布线条件的限制，部署快捷，具有广阔市场前景。不受布线条件的限制，部署快捷，具有广阔市场前景。4）低辐射，绿色环保。）低辐射，绿色环保。IEEE802.11规定的发射功率不可超过规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约毫瓦，实际发射功率约6070毫瓦，远低于手机约毫瓦，远低于手机约200毫瓦至毫瓦至1瓦的辐射，绿色安全。瓦的辐射，绿色安全。二、分层协议及标准二、分层协议及标准1997年年IEEE颁布的颁布的IEEE802.11标准成为无线局域网发展的里程碑。标准成为无线局域网发展的里程碑。IEEE802.11标准定义了标准定义了MAC层和物理层，随后发展的物理层标准有层和物理层，随后发展的物理层标准有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和和IEEE802.11n。1）MAC层协议层协议802.11 MAC层有两种通讯方式，一种叫分布式协同式（层有两种通讯方式，一种叫分布式协同式（DCF），另一），另一种叫点协同式（种叫点协同式（PCF）。）。（1）分布式协同方式）分布式协同方式分布式协同（分布式协同（DCF）基于具有冲突避免的载波侦听多路存取方法）基于具有冲突避免的载波侦听多路存取方法(CSMA/CA)，无线设备发送数据前，先探测一下线路的忙闲状态，如果空，无线设备发送数据前，先探测一下线路的忙闲状态，如果空闲，则立即发送数据，并同时检测有无数据碰撞发生。这一方法能协调多闲，则立即发送数据，并同时检测有无数据碰撞发生。这一方法能协调多个用户对共享链路的访问，避免出现因争抢线路而谁也无法通信的情况。个用户对共享链路的访问，避免出现因争抢线路而谁也无法通信的情况。它对所有用户都一视同仁，在共享通讯介质时没有任何优先级的规定。它对所有用户都一视同仁，在共享通讯介质时没有任何优先级的规定。（2）点协同方式）点协同方式点协同方式（点协同方式（PCF）是指无线接入点设备周期性地发出信号测试帧，通）是指无线接入点设备周期性地发出信号测试帧，通过该测试帧与各无线设备就网络识别、网络管理参数等进行交互。测试帧过该测试帧与各无线设备就网络识别、网络管理参数等进行交互。测试帧之间的时间段被分成竞争时间段和无竞争时间段，无线设备可以在无竞争之间的时间段被分成竞争时间段和无竞争时间段，无线设备可以在无竞争时间段发送数据。由于这种通讯方式无法预先估计传输时间，因此，与分时间段发送数据。由于这种通讯方式无法预先估计传输时间，因此，与分布式协同相比，目前用得还比较少。布式协同相比，目前用得还比较少。2）物理层协议）物理层协议（1）IEEE802.11b1999年年9月正式通过的月正式通过的IEEE802.11a和和IEEE802.11b标准是标准是IEEE802.11标准的扩展。标准的扩展。IEEE802.11b可以支持最高可以支持最高11Mb/s的数据速的数据速率，运行在率，运行在2.4GHz的的ISM频段上，采用的调制技术是频段上，采用的调制技术是CCK。但是。但是CCK调制方式不合适在高速数据速率无线接收机中应用。调制方式不合适在高速数据速率无线接收机中应用。（2）IEEE802.11aIEEE802.11a工作在工作在5.8GHz频段上，使用频段上，使用OFDM调制技术可支持调制技术可支持54Mb/s的传输速率。的传输速率。802.11a与与802.11b两个标准都存在着各自的优缺两个标准都存在着各自的优缺点，点，802.11b的优势在于价格低廉的优势在于价格低廉,但速率较低（最高但速率较低（最高11Mb/s）；而）；而802.11a优势在于传输速率快（最高优势在于传输速率快（最高54Mb/s）且受干扰少，但价格相）且受干扰少，但价格相对较高。另外，两个标准工作在不同的频段上对较高。另外，两个标准工作在不同的频段上,不能工作在同一不能工作在同一AP的的网络，因此互不兼容。网络，因此互不兼容。（3）IEEE802.11g 为了解决上述兼容性问题，为了解决上述兼容性问题，2003年年7月月802.11工作组批准了工作组批准了802.11g标准。与标准。与802.11a/b协议标准相比，在协议标准相比，在2.4G频段使用频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到调制技术，使数据传输速率提高到54Mb/s；IEEE802.11g标准能够标准能够与与802.11b的的WiFi系统互相连通，共存在同一系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了的网络里，保障了后向兼容性。后向兼容性。（4）IEEE802.11n 2009年年9月月IEEE颁布了最新的高速无线局域网标准颁布了最新的高速无线局域网标准802.11n。IEEE802.11n采用采用MIMO-OFDM技术，将传输速率从技术，将传输速率从802.11a和和802.11g的的54Mb/s增加至增加至108Mb/s以上，最高速率可达以上，最高速率可达320Mb/s。与。与以往以往802.11标准不同，标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含协议为双频工作模式（包含2.4GHz和和5.8GHz两个工作频段），可以保障与两个工作频段），可以保障与802.11a/b/g标准的兼容。标准的兼容。三、网络结构三、网络结构 WLAN的设备主要包括：的设备主要包括：无线网卡、无线访问接入点（无线网卡、无线访问接入点（AP，Access Point）、无线路由器、无线集线器和无线网桥等）、无线路由器、无线集线器和无线网桥等，所有的无线网络产品，所有的无线网络产品中都自带无线发射中都自带无线发射/接收功能。接收功能。WLAN的网络结构主要有两种类型：无中的网络结构主要有两种类型：无中心网络和有中心网络。心网络和有中心网络。（1）无中心网络结构）无中心网络结构 无中心网络无中心网络(无无AP网络网络)也称对等网络或也称对等网络或Ad-hoc网络，覆盖的服务区称为独立服务区网络，覆盖的服务区称为独立服务区（Independent Basic Service Set，IBSS）。）。对等网络用于一台无线工作站对等网络用于一台无线工作站STA（Station）和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯，和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用，是最简单的无线局域网结构，如图是最简单的无线局域网结构，如图8-49所示。所示。图图8-49 无中心网络结构无中心网络结构 对等网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线工作站互相都对等网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线工作站互相都在彼此的范围之内，就可以建立一个独立的网络，但是这些设备必须要在彼此的范围之内，就可以建立一个独立的网络，但是这些设备必须要有相同的工作组名、有相同的工作组名、SSID（Service Set Identifier）和密码。）和密码。2）有中心网络结构）有中心网络结构 有中心网络也称基础结构（有中心网络也称基础结构（Infrastructure）模式）模式，由无线，由无线AP、无线、无线工作站（工作站（STA）构成，覆盖的区域分为基本服务区（）构成，覆盖的区域分为基本服务区（Basic Service Set，BSS）和扩展服务区（）和扩展服务区（Extended Service Set，ESS）。无线访）。无线访问点也称无线问点也称无线AP（Access Point）或无线集线器（）或无线集线器（Hub），用于在无），用于在无线线STA和有线网络之间接收、缓存和转发数据，如图和有线网络之间接收、缓存和转发数据，如图4-50所示。无线所示。无线AP通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米。通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米。图图4-50 有中心网络结构有中心网络结构 基本服务区（基本服务区（BSS）仅由一个无线访问点以及与其关联（仅由一个无线访问点以及与其关联（Associate）的无线工作站构成，在任何时候，任何无线工作站都与该无线访问点关的无线工作站构成，在任何时候，任何无线工作站都与该无线访问点关联。换句话说，一个无线访问点所覆盖的微蜂窝区域就是基本服务区。联。换句话说，一个无线访问点所覆盖的微蜂窝区域就是基本服务区。无线工作站与无线访问点关联采用无线工作站与无线访问点关联采用AP的的BSSID，在，在802.11中，中，BSSID是是AP的的MAC地址。地址。扩展服务区（扩展服务区（ESS）是指由多个是指由多个AP以及连接它们的分布式系统组成以及连接它们的分布式系统组成的结构化网络，所有的结构化网络，所有AP必需共享同一个必需共享同一个ESSID，也可以说扩展服务区，也可以说扩展服务区ESS中包含多个中包含多个BSS如图如图4-51所示。扩展服务区只包含物理层和数据链所示。扩展服务区只包含物理层和数据链路层，网络结构不包含网络层及其以上各协议层。因此，对于高层协议路层，网络结构不包含网络层及其以上各协议层。因此，对于高层协议（比如：（比如：IP协议）来说，一个协议）来说，一个ESS就是一个就是一个IP子网。子网。四、接入与漫游四、接入与漫游 WiFi网络操作主要有两个情况：其一，用户接入，即工作站加入一个网络操作主要有两个情况：其一，用户接入，即工作站加入一个BSS；其二，用户漫游，即工作站从一个；其二，用户漫游，即工作站从一个BSS移动到另一个移动到另一个BSS。1）接入）接入 一个工作站访问现存的一个工作站访问现存的BSS需要几个阶段。首先，工作站（需要几个阶段。首先，工作站（STA）上）上电工作，通过主动和被动扫频来获得来自电工作，通过主动和被动扫频来获得来自AP接入点的同步信号，然后建接入点的同步信号，然后建立通信连接。立通信连接。主动扫频是指主动扫频是指STA启动或关联成功后扫描所有频道，这时启动或关联成功后扫描所有频道，这时STA采用一采用一组频道作为扫描范围，如果发现某个频道空闲，就广播带有组频道作为扫描范围，如果发现某个频道空闲，就广播带有ESSID的探的探测信号，测信号，AP根据该信号做响应。被动扫频是指根据该信号做响应。被动扫频是指AP每每100毫秒向外传送灯毫秒向外传送灯塔信号，包括用于塔信号，包括用于STA同步的时间戳，支持速率以及其它信息，同步的时间戳，支持速率以及其它信息，STA接接收到灯塔信号后启动关联过程。收到灯塔信号后启动关联过程。为防止非法用户接入，网络必须鉴权，验证用户的合法性。在站点定为防止非法用户接入，网络必须鉴权，验证用户的合法性。在站点定位了接入点，并取得了同步信息之后，就开始交换验证信息。验证业务位了接入点，并取得了同步信息之后，就开始交换验证信息。验证业务提供了控制局域网接入的能力，这一过程被用来建立合法接入的身份标提供了控制局域网接入的能力，这一过程被用来建立合法接入的身份标志站点经过验证后，关联（志站点经过验证后，关联（Associate）就开始了。关联用于建立无线）就开始了。关联用于建立无线访问点和无线工作站之间的映射关系，实际上是把无线变成有线网的访问点和无线工作站之间的映射关系，实际上是把无线变成有线网的“连线连线”。分布式系统将该映射关系分发给扩展服务区中的所有。分布式系统将该映射关系分发给扩展服务区中的所有AP。一。一个无线工作站同时只能与一个个无线工作站同时只能与一个AP关联。在关联过程中，无线工作站与关联。在关联过程中，无线工作站与AP之间要根据信号的强弱协商连接速率。之间要根据信号的强弱协商连接速率。2）漫游）漫游IEEE802.11无线局域网的每个站点都与一个特定的接入点相关，无线局域网的每个站点都与一个特定的接入点相关，如果站点从一个小区切换到另一个小区，这就是漫游（如果站点从一个小区切换到另一个小区，这就是漫游（Roaming）。）。漫游指无线工作站在一组无线访问点之间移动，并提供对于用户透明漫游指无线工作站在一组无线访问点之间移动，并提供对于用户透明的无缝连接，包括基本漫游和扩展漫游。基本漫游是指无线的无缝连接，包括基本漫游和扩展漫游。基本漫游是指无线STA的移的移动仅局限在一个扩展服务区内部。扩展漫游指无线动仅局限在一个扩展服务区内部。扩展漫游指无线SAT从一个扩展服从一个扩展服务区中的一个务区中的一个BSS移动到另一个扩展服务区的一个移动到另一个扩展服务区的一个BSS，但是，但是802.11并不能保证这种漫游的上层连接继续保持。并不能保证这种漫游的上层连接继续保持。漫游（漫游（Roaming）过程中，）过程中，工作站从一个小区移动到另一工作站从一个小区移动到另一个小区需要从新关联。重关联个小区需要从新关联。重关联（Reassociate）是指当无线）是指当无线工作站从一个扩展服务区中的工作站从一个扩展服务区中的一个基本服务区移动到另外一一个基本服务区移动到另外一个基本服务区时，与新的个基本服务区时，与新的AP关关联的整个过程。重关联总是由联的整个过程。重关联总是由移动无线工作站发起。移动无线工作站发起。图图4-51 ESS网络结构网络结构五、物理层关键技术五、物理层关键技术IEEE802.11无线局域网络是一种能支持较高数据传输速率，采用微蜂无线局域网络是一种能支持较高数据传输速率，采用微蜂窝，微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络，其关键技术主要在于窝，微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络，其关键技术主要在于调制技术。调制技术。1）DSSS调制技术调制技术基于直接序列扩频（基于直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）的的调制方案有三种。最初调制方案有三种。最初IEEE802.11标准中，在标准中，在1Mb/s数据速率下采用数据速率下采用DBPSK调制，在调制，在2Mb/s的数据速率下采用的数据速率下采用DQPSK调制。调制。802.11b标准的调标准的调制方案采用基于补码键控（制方案采用基于补码键控（Complementary Code Keying，CCK）的）的QPSK，数据传输速率最高可达，数据传输速率最高可达11Mb/s。但是传输速率超过。但是传输速率超过11Mb/s，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。2）PBCC调制技术调制技术包二进制卷积（包二进制卷积（Packet Binary Convolutional Code，PBCC）调制调制技术由技术由TI公司提出，已作为公司提出，已作为802.11g标准调制方案。标准调制方案。PBCC也是单载波调也是单载波调制，但与制，但与CCK不同，使用了更多复杂的信号星座图。不同，使用了更多复杂的信号星座图。PBCC采用采用8PSK，而而CCK使用使用BPSK/QPSK。另外。另外PBCC使用了卷积码，而使用了卷积码，而CCK使用区块使用区块码。因此，它们的解调过程是十分不同的。码。因此，它们的解调过程是十分不同的。PBCC可以完成更高速率的可以完成更高速率的数据传输，其传输速率可达数据传输，其传输速率可达11、22和和33Mb/s。3）OFDM技术技术802.11a和和802.11g采用的采用的正交频分复用（正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Mustiplexing，OFDM）是一种无线环境下的高速多载波传输是一种无线环境下的高速多载波传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，从而有效的抑制无线信道的个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，从而有效的抑制无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰（时间弥散所带来的符号间干扰（Inter-Symbole Interference，ISI）。这）。这样就减少了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过样就减少了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过插入循环前缀的方式消除插入循环前缀的方式消除ISI的不利影响。的不利影响。由于在由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用快速傅里叶反变换在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用快速傅里叶反变换（Inverse Fast Fourier transform，IFFT）和快速傅里叶变换（）和快速傅里叶变换（Fast Fourier transform，FFT）方法来实现，随着大规模集成电路技术与）方法来实现，随着大规模集成电路技术与DSP（Digital Signal Processing）技术的发展，）技术的发展，IFFT和和FFT都是非常容易实现都是非常容易实现的。的。FFT的引入，大大降低了的引入，大大降低了OFDM的实现复杂性，提升了系统的性能。的实现复杂性，提升了系统的性能。由于无线信道存在频率选择性，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落由于无线信道存在频率选择性，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子信噪比高的子信道，从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此载波，因此OFDM系统在某种程度上抵抗这种干扰。系统在某种程度上抵抗这种干扰。4）MIMO-OFDM技术技术多输入多输出（多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技术能技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO采用空时编码和多天线技术为发送端和接收端之间建立了多个独采用空时编码和多天线技术为发送端和接收端之间建立了多个独立信道，在室内或室外多径环境下，反而能有效提高信号的链路性能和立信道，在室内或室外多径环境下，反而能有效提高信号的链路性能和容量。在容量。在MIMO-OFDM系统实际上就是应用多天线技术系统实际上就是应用多天线技术OFDM系统，能系统，能够实现几百兆的数据传输能力，并可与原有的够实现几百兆的数据传输能力，并可与原有的OFDM系统兼容。系统兼容。IEEE802.11n采用采用MIMO与与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里。达到几公里。IEEE802.11n标准全面改进了标准全面改进了802.11标准，不仅涉及物理