寬帶無線通信技術(shù)研究

黨張軒

摘 要：近年來，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，世界正在邁入大數(shù)據(jù)時(shí)代。隨著4G+慢慢走入人們的視野，用戶需求越來越廣泛。5G、物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算的融合終將推動(dòng)智能網(wǎng)絡(luò)的無限發(fā)展。而無線局域網(wǎng)作為現(xiàn)代無線通信技術(shù)中的重要組成部分以及智能網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的部分，在智能網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展中，必須保證其服務(wù)能夠滿足越來越“挑剔”的服務(wù)需求，包括高接入、高速率、高帶寬等。本文對(duì)之前無線局域網(wǎng)的相關(guān)研究進(jìn)行了分析并提出了對(duì)無線局域網(wǎng)發(fā)展的想法和研究。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；IEEE 802協(xié)議體系；傳輸速率；帶寬

中圖分類號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛。在基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)下，互聯(lián)網(wǎng)廣泛融合到各行各業(yè)，推動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)無線通信質(zhì)量更高的需求，用戶想要更高的帶寬，更快的速率以及更棒的體驗(yàn)效果。無線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用無線多址信道來支持計(jì)算機(jī)之間的通信并為通信的移動(dòng)化、個(gè)性化、高效化、寬帶化和多媒體應(yīng)用提供了可能。

1.寬帶無線通信技術(shù)

1.1 無線通信技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)利用無線電波實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送。無線局域網(wǎng)（WLAN）利用無線多址信道，使用無線射頻（RF）技術(shù)，越空收發(fā)數(shù)據(jù)，減少電纜連接，可以讓設(shè)備自由安排和搬動(dòng)。通俗地說，無線局域網(wǎng)就是在不采用放棄纜線的同時(shí)，以電磁波為載體，接受或發(fā)送數(shù)據(jù)，提供以太網(wǎng)的功能，使網(wǎng)上計(jì)算機(jī)具有靈活性。

與傳統(tǒng)的有線通信相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）靈活度更高：在通信范圍內(nèi)不受環(huán)境距離的限制，而在有線通信網(wǎng)中，兩個(gè)站點(diǎn)的距離被銅纜所限制。在有線通信網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的按方位置受網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)限制，而在無線通信網(wǎng)中，信號(hào)覆蓋區(qū)的任何一個(gè)位置都可接入網(wǎng)絡(luò)。

（2）安全性能強(qiáng)：無線局域網(wǎng)技術(shù)本就起源于二戰(zhàn)中的防竊聽技術(shù)，無線局域網(wǎng)設(shè)置的第三方數(shù)據(jù)加密方案，使竊聽者即使盜取了信號(hào)也難以解讀其中的內(nèi)容。

（3）安裝便捷：在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和實(shí)施建設(shè)過程中，網(wǎng)絡(luò)布線工程往往需要破墻掘地、穿線架管，并且還要考慮城市規(guī)劃等綜合因素，所以施工周期最長(zhǎng)、對(duì)周邊環(huán)境影響最大，同時(shí)耗費(fèi)成本也最多。而無線局域網(wǎng)最大的優(yōu)勢(shì)就是免去或減少了網(wǎng)絡(luò)布線的工作量，組網(wǎng)速度快、工程周期短。無線擴(kuò)頻通信可以迅速數(shù)十分鐘內(nèi)組建起通信鏈路實(shí)現(xiàn)臨時(shí)、應(yīng)急、抗災(zāi)通信的目的。

就目前來看，隨著WLAN的廣泛使用和用戶數(shù)的增加，出現(xiàn)了一系列的問題需要解決，如2.4G頻段的擁擠、網(wǎng)絡(luò)安全有待提高、QoS要求的應(yīng)用增加等。于是IEEE開始了新一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，新一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)充和增加，是IEEE 802.11的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。除了IEEE 802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)以外，還包括802.11e/f/h/i標(biāo)準(zhǔn)。

目前局域網(wǎng)規(guī)劃中仍存在一些問題：覆蓋范圍、有效傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量。

1.2 無線通信技術(shù)發(fā)展及規(guī)劃

1.2.1 當(dāng)前無線通信技術(shù)存在的問題

就目前來看，隨著WLAN的廣泛使用和用戶數(shù)的增加，出現(xiàn)了一系列的問題需要解決，目前局域網(wǎng)規(guī)劃中仍存在一些問題：覆蓋范圍、有效傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量。

（1）覆蓋范圍與網(wǎng)絡(luò)容量

在無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量對(duì)系統(tǒng)性能的影響比接入點(diǎn)（Access Point，AP）的覆蓋范圍對(duì)系統(tǒng)性能的影響更大。因?yàn)槿绻谝粋€(gè)AP覆蓋范圍里，一個(gè)用戶以1Mbit/s的速率聯(lián)結(jié)，它將會(huì)使整個(gè)小區(qū)的傳輸速率下降，所以我們首先要設(shè)定一個(gè)AP發(fā)射功率門限，可以通過調(diào)整AP的發(fā)射功率來改變小區(qū)的大小，把小區(qū)設(shè)計(jì)得盡量小一些，這樣在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)不是很多，從而保證小區(qū)內(nèi)的每個(gè)用戶都有較高的傳輸速率。

現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的覆蓋范圍已經(jīng)比較密集，在大中型城市接入點(diǎn)覆蓋比較密集，這也滿足了用戶移動(dòng)性的需求，用戶可以在移動(dòng)過程中不掉線地實(shí)時(shí)接入公共網(wǎng)。但每個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋范圍卻是有限的。所以，解決接入點(diǎn)的覆蓋范圍也是當(dāng)今的一大技術(shù)難題。

（2）覆蓋范圍與傳輸速率

無線局域網(wǎng)傳輸速率和AP的覆蓋范圍有關(guān)，當(dāng)無線局域網(wǎng)AP的覆蓋范圍增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率將會(huì)減少，因?yàn)橐话愕淖畲髠鬏斔俾手荒茉诜浅？拷麬P的范圍內(nèi)得到。

1.2.2 解決方案

隨著用戶數(shù)量和用戶需求的急劇增加，無線局域網(wǎng)通信遇到了一些諸如傳輸速率峰值、帶寬首先、接入點(diǎn)不足所引起的負(fù)荷增加等問題。為了滿足更好的用戶體驗(yàn)，要在這些方面進(jìn)行優(yōu)化主要是對(duì)AP位置的選擇。選定單個(gè)無線AP接入的覆蓋范圍和使用標(biāo)準(zhǔn)類型，根據(jù)實(shí)際的測(cè)量和測(cè)試，得到一組候選的放置點(diǎn)和可能的用戶終端的位置，可以根據(jù)這些候選點(diǎn)的位置和覆蓋情況，根據(jù)以下的數(shù)學(xué)模型對(duì)無線AP的使用個(gè)數(shù)和放置地點(diǎn)計(jì)算出最優(yōu)化的解，從而在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的層次上初步得到一個(gè)比較合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。令J={1，2...n}表示可能放置AP的候選地點(diǎn)；I={1，2...m}表示測(cè)試點(diǎn)或用戶；對(duì)于每個(gè)AP，j∈J，令I(lǐng)j包含于I表示被AP覆蓋的測(cè)試點(diǎn)子集。無線局域網(wǎng)AP的優(yōu)化目標(biāo)是指選擇一個(gè)最優(yōu)候選AP子集S包含于J。

對(duì)求出的優(yōu)化AP集合S的衡量要使用網(wǎng)絡(luò)容量這個(gè)參數(shù)。由此可見，AP的覆蓋范圍很大程度上影響著傳輸速率。表1給出了不同的AP覆蓋范圍與傳輸速率的關(guān)系。

2.無線局域網(wǎng)的應(yīng)用

由大數(shù)據(jù)推動(dòng)的互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，5G、物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算融合推動(dòng)的智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)展在未來終將會(huì)成為占據(jù)主要市場(chǎng)份額和影響人們生活方式的主流技術(shù)，而在這其中提供接入和速率保障的必然是無線局域網(wǎng)技術(shù)。無線局域網(wǎng)作為未來網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)和橋梁，其扮演的角色是不可替代的，它的應(yīng)用范圍也十分廣泛。

（1）4G

該技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式。4G是3G與WLAN相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻、視頻和圖像信息等。4G能夠以100Mbps以上的速度下載，比目前的家用寬帶ADSL（4M）快25倍，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無線服務(wù)的要求。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。而隨著4G+和5G逐步進(jìn)入市場(chǎng)并擴(kuò)大份額，它們?cè)?G的速率和帶寬的基礎(chǔ)上有了質(zhì)的飛躍，卻也離不開WLAN的助力。

（2）WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）。

1999年，IEEE專門成立了IEEE 802.16工作組，為固定/移動(dòng)模式下寬帶無線接入定義WMAN的空中接口規(guī)范。

IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)最初發(fā)布時(shí)受限于工作頻段。IEEE 802.16a是經(jīng)過進(jìn)一步完善后發(fā)布的新的擴(kuò)展協(xié)議，它加入了新的物理層技術(shù)，如利用OFDM來抵抗多徑效應(yīng)等，并對(duì)MAC層做了進(jìn)一步強(qiáng)化，工作頻段也擴(kuò)展到了許可頻段和非許可視頻段支持非可視（NLOS）的接入方式。IEEE 802.16-2004是固定寬帶無線接入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)IEEE 802.16、IEEE 802.16a和IEEE 802.16c的整合和修訂。

基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX主要分為兩類：固定無線接入，可以提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的高速無線接入，作為家庭和辦公室的無線DSL解決方案；移動(dòng)WiMAX，以高速可變速率提供近似于目前移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的接入，并更好地支持基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

WiMAX作為互聯(lián)網(wǎng)背景下一種新興的寬帶無線接入技術(shù)，具有速度快，傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50km。WiMAX還具有QoS保障，業(yè)務(wù)也豐富多樣。WiMAX的采用了OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等技術(shù)，隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，WiMAX逐步實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的移動(dòng)化，而3G則實(shí)現(xiàn)移動(dòng)業(yè)務(wù)的寬帶化，兩種網(wǎng)絡(luò)的融合程度會(huì)越來越高。

目前，基于IEEE 802.16d空中接口標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX技術(shù)正逐漸成為未來固定無線寬帶接入的主流技術(shù)，毫無疑問，基于IEEE 802.16d的WiMAX技術(shù)會(huì)成為代替電纜和DSL接入的最佳性價(jià)比方案。

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