第四章无线通信网

一、WLAN无线局域网

1、WLAN网络分类

• WLAN网络可以分为三类：基础无线网络、Ad Hoc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。

2、WLAN频率与信道

• ISM频段（Industrial Scientific Medical Band）是各国挪出的特定频段，免费开放给工业、科学和医学机构使用。这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率，并且不要对其它频段造成干扰即可（一般要求室内AP发射功率控制在100mW以内，室外AP发射功率控制在500mW以内）。

3、802.11技术标准对比

1. 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和802.11ax。
2. 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。
3. 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。

4、信道重用与AP部署

为了降低干扰，WLAN建议采用蜂窝部署，保障相邻区域信道不同，如图4-3所示。

5、802.11访问控制机制

• 802.11 MAC子层定义了2种访问控制机制：DCF分布式协调功能（争用服务）和PCF点协调功能（无争用服务） ，其中DCF分布式协调功能底层主要依赖CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，载波监听多路访问/冲突避免）。CSMA/CA核心原理是：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：访问前发生先打报告，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。

6、隐藏节点问题

• 为什么无线网络不沿用有线网络的CSMA/CD，而偏偏提出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。如图下图所示，A和C互为隐藏节点。

7、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MANNET(Mobile Ad Hoc Network)网络。Ad Hoc来自拉丁语，具有“即兴，临时”的意思。

7、MANET网络特点

MANET网络的特点如下，偶尔考选择题。
• （1）网络拓扑结构动态变化的，不能使用传统路由协议。
• （2）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。
• （3）无线终端携带的电源能量有限。
• （4）容易招致网络窃听、欺骗、拒绝服务等恶意攻击的威胁。

练习题：

由无线终端组成的MANET网络，与固定局域网最主要的区别是（23），在下图所示的由 A、B、C三个结点组成的MANET中，圆圈表示每个结点的发送范围，结点A和结点C同时发送数据，如果结点B不能正常接收，这时结C称为结点A的（24）。
（23）A.无线访问方式可以排除大部分网络入侵
• B.不需要运行路由协议就可以互相传送数据
• C.无线信道可以提供更大的宽带
• D.传统的路由协议不适合无线终端之间的通信
（24）A.隐蔽终端 B.暴露终端 C.干扰终端 D.并发终端

与传统的有线网络相比，MANET有如下特点：
• 网络拓扑结构是动态变化的，由于无线终端的频繁移动，可能导致结点之间的相互位置和连接关系难以维持稳定。
• 无线信道提供的带宽较小，而信号衰落和噪声干扰的影响却很大。由于各个终端信号覆盖范围的差别，或者地形地物的影响，还可能存在单向信道。
• 无线终端携带的电源能量有限，应采用最节能的工作方式，因而要尽量减小网络通信开销，并根据通信距离的变化随时调整发射功率。
• 由于无线链路的开放性，容易招致网络窃听、欺骗、拒绝服务等恶意攻击的威胁，所以需要特别的安全防护措施。
• 由于上述特殊性，传统有线网络的路由协议不能直接应用于MANET。IETF成立的MANET工作组开发了MANET路由规范，能够支持包含上百个路由器的自组织网络，并在此基础上开发支持其他功能的路由协议，例如支持节能、安全、组播、QoS和IPv6的路由协议。
• 隐蔽终端和暴露终端问题是无线网络中的特殊现象。题目给出的拓扑中，如果结点A向结点B发送数据，则由于结点C检测不到A发出的载波信号，它也试图发送，就可能干扰结点B的接收。所以对A来说，C是隐蔽终端。如果结点B要向结点A发送数据，它检测到结点C正在发送，就可能暂缓发送过程。但实际上C发出的载波不会影响A的接收，在这种情况下，结点C就是暴露终端。这些问题不但会影响数据链路层的工作状态，也会对路由信息的及时交换以及网络重构过程造成不利影响。

在IEEE802.11 WLAN标准中，频率范围在5.15-5.35GHz的是（62）。
• A.802.11 B.802.11a C.802.11b D.802.11e

在无线网络中，通过射频资源管理可以配置的任务不包括（62）。
• A.射频优调 B.频谱导航 C.智能漫游 D.终端定位

射频资源管理可以配置的任务包括射频调优、频谱导航和智能漫游。
• 射频优调：比如自动调整信道或发射功率。
• 智能漫游：在WLAN网络中会存在粘性终端，通过主动引导的方式，使终端漫游到信号更强的AP。
• 频谱导航：由于物理特性，双频设备的信号，2.4G的信号强于5G，即使速率比5G的慢，所以大多数的移动设备优先连接2.4G。双频设备打开频谱导航后，将其均衡地连接至该设备的不同射频上。
• 终端定位需要根据多个AP信号差，或时间差进行计算。

NB-IoT的特点包括（62）。
• ①NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，NB-IoT设备功耗可以做到非常小
• ②NB-IoT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-IoT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

NB-IoT可以复用运营商基站，广播出NB-IoT信号，信号覆盖能力强，可以实现海量终端连接（理论上1个NB-IoT基站可以带20万个终端），适用于小数据量、低功耗场景，常用于智能电表、智能水表、智能井盖等。

二、无线个域网蓝牙和Zigbee

• 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生活各个领域，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标准。蓝牙技术使用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标准，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。

练习题：

下列无线网络技术中，覆盖范围最小的是（65）。
• A.802.15.1蓝牙 B.802.11n无线局域网 C.802.15.4 ZigBee D.802.16m无线城域网

802.15.4 Zigbee技术瞄准了速率更低、距离更近的无线个人网，适合于固定的、手持的或移动的电子设备，这些设备的特点是使用电池供电，电池寿命可以长达几年时间，通信速率可以低至9.6kbps，从而实现低成本的无线通信。蓝牙和Zigbee标准有很多版本，按部分资料可能选A，但考试以软考办官方教材（网络工程师教程第五版P170）为准，按教材描述，本题选C。

三、移动通信和5G

1、移动通信

2、移动通信制式

3、移动通信技术标准

移动通信网络技术标准对比见下表。需要注意ViMAX II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。

4、5G应用场景

• （1）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。
• （2）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。
• （3）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。

6、5G应用场景与关键技术

• 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。

8、练习题

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）。
（25）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
• （26）A.UMB和WiMAX Ⅱ B.LTE和WiMAX Ⅱ C.LTE和UMB D.TD-LTE和FDD-LTE

移动通信3G与4G最主要的区别是：3G基于时分复用的语音交换网，4G是基于IP的分组交换网，4G标准有LTE和WiMAX II。D选项不算错，但不够完整，如果没有C选项，可以选择D。

MIMO技术在5G中起着关键作用，以下不属于MIMO功能的是（20）。
• A.收发分离 B.空间复用 C.赋形抗干扰 D.用户定位

MIMO即多入多出，通过多个天线实现收发分离，空间复用，能有效提升传输效率，并能通过不同天线收到的信号，对信号做有效还原，提升抗干扰能力。MIMO是Wi-Fi和4G/5G的核心技术，用户定位跟MIMO没有关系。

在5G技术中，用于提升接入用户数的技术是（63）。
• A.MIMO B.NGV C.SOMA D.SDN

MIMO可以提升带宽和接入用户数量，SOMA（半正交频分多址）是4.5G的接入技术，SDN是软件定义网络，实现控制层面和数据层面分离。

假设CDMA发送方在连续两个时隙发出的编码为+1+1+1-1+1-1-1-1-1-1-1+1-1+1+1+1，发送方
码片序列为+1+1+1-1+1-1-1-1，则接收方解码后的数据应为（25）。
• A.01 B.10 C.00 D.11

码分多址(CDMA)是通过编码区分不同用户信息，实现不同用户同频、同时传输的一种通信技术。发送比特1时，就发送原序列，发送比特0时，就发送序列相反的序列，什么都不发送时，就全为0。连续两个时隙的编码，刚好是16位，拆分为8位，第一个8位和原序列相同，所以表示1，第二个8位和原序列相反表示为0，所以选择B。

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）

CDMA中将共享码片序列和收到的信息进行正交计算，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。由于接收方1存有共享的码片是（1，1，1，-1，1，-1，-1，-1），那么将此码片与发送方1和发送方2发送的码片正交（相乘），求得结果，则可判断接收方1收到的数据。
• 正交计算：（1，1，1，-1，1，-1，-1，-1）*（2，0，2，0，2，-2，0，0）/8=1，那么收到的第1个数据是1。• 正交计算：（1，1，1，-1，1，-1，-1，-1）*（0，-2，0，2，0，0，2，2）/8=-1，那么收到的第2个数据是0。
• 故接收方1收到的数据是（1,0），选择B。

5G网络采用（63）可将5G网络分割成多张虚拟网络，每个虚拟网络的接入、传输和核心网是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其它虚拟网络。
• A.网络切片技术 B.边缘计算技术 C.网络隔离技术 D.软件定义网络技术

网络切片是一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从无线接入网到承载网再到核心网上进行逻辑隔离，以适配各种各样类型的应用。在一个网络切片中，至少可分为无线网子切片、承载网子切片和核心网子切片三部分。

在5G关键技术中，将传统互联网控制平面与数据平面分离，使网络的灵活性、可管理性和可扩展性大幅提升的是（63）。
• A.软件定义网络（SDN） B.大规模多输入多输出（MIMO）
• C.网络功能虚拟化（NFV） D.长期演进（LTE）

控制层面与数据层面分离的是SDN。