1.1 无线通信系统概述

根据无线通信系统的覆盖半径，将无线通信系统分成以下几类（如图1-1所示）：

● 无线区域网（Wireless Regional Area Network，WRAN）；

● 广域网（Wide Area Network，WAN）；

● 无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）；

● 无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）；

● 无线个人区域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）。

尽管对无线通信的“短距离”没有一个严格的定量描述，但是，IEEE Std 802工作组已经将WLAN、WPAN纳入短距离无线通信范畴。

1.1.1 无线区域网（WRAN）

IEEE Std802.22是一个关于无线区域网（Wireless Regional Area Network，WRAN）的标准，基于认知无线电技术，定义了适用于WRAN系统的空中接口。IEEE Std802.22标准包括用于减轻干扰电视广播运营商的认知无线电技术，地理定位能力，电视广播运营商的数据库访问，用于检测电视广播运营商服务、其他WRAN系统、IEEE802.22.1无线信标的频谱感知技术。

无线区域网（WRAN）主要用于人口低密度区，提供对数据网络的访问。WRAN系统的工作频段与电视广播服务相同，即54MHz～862MHz VHF/UHF频段，只是使用其中未被广播服务占用的空闲信道，避免干扰电视广播运营商。WRAN 的典型应用是覆盖一个村庄及其周边的农村区域，如图1-2所示。WRAN基站的覆盖半径为10～30km，具体取决于基站的有效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）和天线高度。

一个WRAN基站（Base Station，BS）的覆盖区域能够容纳512个固定或者便携式用户终端设备（Customer Premises Equipment，CPE），每个CPE具有不同的服务质量（Quality of Service，QoS）要求，BS为这些CPE提供高速互联网服务，同时满足保护电视广播运营商的当地管理要求。

根据IEEE Std 802.22—2011标准，WRAN的参考体系结构由BS协议参考模型（见图1-3）和 CPE 协议参考模型（见图 1-4）组成。其中认知无线电部分体现了这个参考体系结构的独特特点。BS、CPE的协议参考模型均由数据平面、管理/控制平面、认知平面组成。

1．数据平面

数据平面由物理层（PHY）、媒介访问控制层（MAC）、收敛子层（Convergence Sublayer，CS）组成，通过各协议层之间的服务访问点（Service Access Point，SAP）实现系统模块化。

MAC的数据及控制/管理平面由以下三个子层组成：

① 特定服务CS子层。本子层将通过CS SAP接收到的外部网络数据转换成MAC服务数据单元（Service Data Unit，SDU），以及MAC CPS通过 MAC SAP接收的数据。

② MAC公共部分子层（Common Part Sublayer，CPS）。本子层提供系统访问、连接建立、连接维护的核心MAC功能。将通过MAC SAP接收到的各个CS下传的数据归类到特定MAC连接上。通过PHY SAP在MAC CPS与PHY之间传递数据、PHY控制信息、监视统计数据。

③ 安全子层1。提供认证、安全密钥交换、加密等安全机制。

2．管理/控制平面

管理/控制平面由管理信息库（Management Information Base，MIB）组成。MIB的访问采用SNMP协议。采用MIB原语管理WRAN网络实体（BS，CPE，交换机，路由器等）。MIB原语还用于系统配置，监视统计数据，触发器，CPE 和会晤管理，无线资源管理（Radio Resources Management，RRM），与MIB数据库服务的通信，频谱感知与地理位置报告等。可以从系统内部预先定义的网络中获取MIB数据，也可以在传输媒介上完成SNMP信息交换之后从WRAN装置（如BS）获取MIB数据。

3．认知平面

认知平面由频谱感知功能（Spectrum Sensing Function，SSF）、地理定位（Geolocation，GL）功能、频谱管理器/频谱感知自动监控器（Spectrum Manager/Spectrum Sensing Automaton，SM/SSA）、专用安全子层2组成。SSF实现频谱感知算法，GL模块提供确定IEEE802.22装置（BS，CPE）的位置所需要的信息。

（1）频谱管理器（SM）

SM驻留在BS的认知平面，与数据平面的MAC CPS处在相同层次，如图1-3所示。SM维护频谱有效性信息，管理信道表，管理空闲周期的传输时间安排，实现共存机制。如果在信道正常操作期间检测到一种干扰情况，那么MAC必须通知SM。SM获得干扰通知后，必须采取适当措施（比如切换到另一个信道上），解决干扰问题。

BS从数据库服务和频谱感知功能中收集所有有关频谱有效性的信息，因而SM在整个体系结构中起着核心作用，是BS的核心。基于这种组合信息，当地管理规章条例，以及预先确定的SM策略，SM给MAC提供必要的配置信息，MAC远程配置所有已注册的CPE，如图1-3中的连接B1和B2。这表明需要在SM和MAC之间，以及SM和MIB之间，交换不同类型的信息。连接B2用于配置BS的SM，给SM发送有效信道表，以及通过MIB向SM报告RF环境信息。SM运用连接B1初始化信道切换，配置CPE的SSA，收集CPE的信息。

（2）频谱感知自动监控器（SSA）

所有IEEE802.22装置（BS和CPE）都包含SSA，各自独立实现特定的SSA规程，在初始化BS之时以及在CPE向BS注册之前检测RF环境。SSA与频谱感知功能（SSF）接口，执行SM的命令，激活频谱检测。BS控制SSA的感知行为。在以下6种条件下SSA控制其本地感知行为：

● 在BS开机开始发送信号之前；

● 在CPE起始开机与BS建立相关之前；

● 在SM定义的空闲周期，以及在BS通过超帧控制头（Superframe Control Header，SCH）发送信号期间以进行带内感知期间；

● BS不在发送之时，在BS进行带外感知期间；

● 在CPE空闲，且BS没有给CPE感知信号路径指派任何特定任务的时候；或者WRAN操作和RF感知采用相同调谐器，CPE既不在发送也没在接收的时候；

● CPE丢失与其BS的连接的时候。

在图1-4中，连接C2用于将环境监视信息（如检测到的服务提供商列表）传递给CPE本地接口，以便专职安装人员通过CPE高层选择WRAN服务；连接C1用于将本地环境信息（如感知和地理位置）传递给BS。

（3）专用安全子层2

用于强化基于认知无线电的访问的安全性。安全子层 1 和安全子层 2 的功能是确保频谱和服务的有效性，提供数据和信号认证，确保数据、控制和管理消息的完整性、机密性、不可否认性。安全子层2的作用是对电视广播运营商提供增强型安全保护，以及对IEEE802.22系统提供必要的安全保护。如果要求检测IEEE802.22.1信标和认证信标发送，那么联合运用安全子层2和所提供的安全机制[基于椭圆曲线加密技术（Elliptic Curve Cryptography，ECC）的签名]对信标进行认证。

1.1.2 广域网（WAN）

广域网（WAN）是一种用来实现不同地区的局域网或城域网的互连，可提供不同地区、城市和国家之间的计算机通信的远程计算机网。WAN也称远程网，通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十千米到几千千米，WAN能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

WAN采用虚电路方式支持面向连接的网络业务，采用数据报方式支持无连接的网络业务，具有多路复用、电路交换、分组交换功能。

广域网分为公共传输网络、专用传输网络和无线传输网络。公共传输网络一般由政府电信部门组建、管理和控制，网络内的传输和交换装置可以提供（或租用）给任何部门和单位使用。公共传输网络包括电路交换网络[主要包括公共交换电话网（PSTN）和综合业务数字网（ISDN）]和分组交换网络[主要包括 X.25 分组交换网、帧中继和交换式多兆位数据服务（SMDS）]。专用传输网络是由一个组织或团体自己建立、使用、控制和维护的私有通信网络，主要是数字数据网（DDN）。无线传输网络主要是移动无线网，典型的有IEEE Std802.20—2008，GSM，GPRS，CDMA， 3G，4G等，如图1-1所示。

1.1.3 无线城域网（WMAN）

无线城域网（WMAN）是以无线方式构成的城域网，提供面向互联网的高速连接。为了满足日益增长的宽带无线接入（Broadband Wireless Access，BWA）市场需求，IEEE为WMAN推出了802.16 标准，欧洲的 ETSI 也制订了类似的无线城域网标准 HiperMAN。802.16 标准通常被称为WMAN，支持数据，以及诸如话音和视频等低时延要求应用。

1．WMAN的功能

WMAN提供“最后一千米”的BWA，BWA可以是固定的、移动的、便携式的。在许多情况下，无线城域网可用来代替现有的有线宽带接入，因此它有时又称为无线本地环路。

在城市的一定地理范围内分成多个一系列相互邻接的覆盖区域称为单元。用户处于其中一个单元的覆盖范围中，用户可以是固定位置、便携式或移动的，当用户移动时，从一个单元到另一个单元，则从一个单元中去除关联，再无线关联到另一个单元。

IEEE 802.16 基站安装在高楼上广播无线信号，用户使用移动互联网装置（Mobile Internet Device，MID)，具有IEEE802.16功能的笔记本电脑或者IEEE802.16调制解调器等用户端设备接收信号。

美国联邦通信委员会（FCC）规定无线局域网IEEE802.11的发射功率在1～100mW，IEEE802.16发射功率大约为100kW，IEEE802.11发射功率只是IEEE802.16的一百万分之一，因此使用比IEEE 802.11基站高一百万倍发射功率的IEEE802.16基站，会比无线局域网IEEE802.11终端传输距离大得多，可达几千米到十几千米，相互连成网络的多个基站则可覆盖几十千米。IEEE802.16传输速率高达70Mb/s。作为一种无线城域网技术，IEEE802.16可以将IEEE802.11热点连接到互联网，也可作为DSL有线接入方式的无线扩展或替代，实现最后一千米的宽带接入，还可实现在服务区内的漫游。IEEE802.16可为50千米区域内提供服务，用户无须线缆即可与基站建立宽带连接。

2．WMAN的工作环境

WMAN的工作环境包括10～66GHz频段视距（Line-of-Sight，LoS）环境，2～11GHz频段的非视距（NLOS）宽带固定接入系统。在10～66GHz频段，波长短，因而要求LOS，忽略多径现象，典型信道带宽25MHz和28MHz。当原始数据速率大于120Mb/s时，10～66GHz频段LOS环境非常适用于小型办公室/家庭式办公室、中型办公室、大型办公室的点对多点访问服务应用。

3．WMAN标准概况

WMAN标准概况如表1-1所示。

4．WMAN协议体系概况

IEEE Std 802.16的协议参考模型如图1-5所示，其内容包括物理层（PHY）和媒介访问控制层（MAC）。其中MAC层由三个子层组成。特定服务收敛子层（Convergence Sublayer，CS）将通过CS服务访问点（Service Access Point，SAP）接收到的外部网络数据转换成MAC服务数据单元（SDU），对SDU进行归类，正确设置SDU中的MAC服务流识别码（Service Flow Identifier， SFID）和连接识别码（Connection Identifier，CID），然后通过MAC SAP将SDU交付给MAC公共部分子层（Common Part Sublayer，CPS）。

MAC CPS提供系统访问、带宽分配、连接建立、连接维护的核心MAC功能。MAC CPS通过MAC SAP接收各种CS的数据，将其归入特定MAC连接。

MAC包含一个独立的安全子层，提供认证、安全密钥交换、加密功能。

通过PHY SAP在MAC CPS和PHY之间传递数据、PHY控制信息、统计信息。

IEEE802.16装置包括基站（Base Station，BS）、移动站（Mobile Station，MS）、用户站（Subscriber Station，SS）。IEEE 802.16 装置作为较大网络的组成部分与管理与控制实体接口。网络控制与管理系统（Network Control and Management System，NCMS）作为一个“黑盒子”包含这些管理与控制实体。NCMS允许IEEE Std802.16PHY/MAC层独立于网络体系结构、传输网络以及后端计算机使用的协议，因而具有较大灵活性。BS、SS/MS均驻留有NCMS。SS/MS中的NCMS确保MAC正确操作。驻留在BS中的NCMS负责BS之间的协调功能。

NCMS是一个独立于协议层之外的实体，可以看作是一个管理实体或者控制实体。NCMS通过控制SAP（C-SAP）和管理SAP（M-SAP）与IEEE 802.16实体接口。通用系统管理实体通过NCMS和标准管理协议完成相关功能。

BWA网络的管理参考模型如图1-6所示，由网络管理系统（NMS）、被管理节点、网络控制系统组成。被管理节点[如基站（BS）、移动站（MS）、用户站（SS）]收集被管理节点信息，并按照WMAN接口MIB和节点MIB的格式存储这些信息。NMS通过管理协议（如简单网络管理协议SNMP）使用这些MIB。网络控制系统包含服务流及其相关QoS信息。在SS或者MS加入一个BS网络的时候，必须将服务流及其相关QoS信息传输给BS。

1.1.4 无线局域网（WLAN）

无线局域网（WLAN）利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号。作为传统布线网络的一种替代方案或延伸，无线局域网把个人从办公桌边解放出来，使他们可以随时随地获取信息，提高了员工的办公效率。鉴于IEEE802.11无线局域网也是一种短距离无线网络，本书也多处提及IEEE802.11WLAN，因此本章稍后单独安排一节专门介绍IEEE802.11WLAN。

WLAN的优点如下：

① 灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。

② 安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点（AP）设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。

③ 易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新布线和重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少这些情况的发生。

④ 故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。

⑤ 可扩展性强。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间“漫游”等有线网络无法实现的特性。

无线局域网的不足之处体现在以下几个方面：

① 性能。无线局域网是依靠无线电波进行传输的。这些电波通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木、人体和其他障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。

② 速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。目前，无线局域网的最大传输速率为1Gb/s，只适合于个人终端和小规模网络应用。

③ 安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的，即无线信道是开放信道。从理论上讲，只要具备相应的接收机，就很容易监听到无线电波广播范围内的任何发射信号，造成通信信息泄露。

1.1.5 无线个人区域网（WPAN）

这是本书的重点。WPAN是一种建立便携式消费者电子设备与通信节点之间的Ad Hoc连通性的网络技术，用于在相对短距离上传输信息。WPAN不同于无线局域网（WLAN），通过WPAN建立的连接极少甚至没有涉及基础设置。

1．W PAN标准概况

IEEE802.15工作组（即IEEE WPAN工作组）已经定义和发布了一系列无线个人区域网络标准，目前已颁布的无线个人区域网标准有：

IEEE Std802.15.1—2005：蓝牙WPAN标准。

IEEE Std802.15.3—2003：高速WPAN（HR-WPAN）标准。HR-WPAN用于支持正在不断涌现的多媒体应用，例如家用环境中的视频会议和HDTV。

IEEE Std802.15.4—2011：低速WPAN（LR-WPAN）标准。覆盖了ZigBee协议栈的物理层（PHY）和媒介访问控制层（MAC）层。

IEEE Std802.15.6—2012：人体（但不局限于人体）内部或者附近的短距离无线通信标准。人体通信系统采用ISM频段和经国家医疗/管理当局核准的频段，支持服务质量（QoS）、极低功率，数据速率高达10Mb/s，同时满足严格无干扰要求，采用移动式天线，便于识别人的特征（性别、消瘦、超重，等）。

另外还颁布了WPAN网状网标准IEEE Std 802.15.5—2009，以及异种无线网络共存标准IEEE Std802.15.2—2003。

2．无线个人区域网（WPAN）与无线局域网（WLAN）的区别

无线个人区域网与无线局域网的区别主要表现在目标应用领域的不同。

① 无线局域网一般用来替代有线的局域网技术。

② 蓝牙用来替代智能设备，如电脑，手机，PDA，数码相机/摄像机等的外接电缆。

③ ZigBee 应用于低速低功耗的无线网络，如传感器网络，无线读表网络，智能玩具，智能家庭，智能农业等。

应用领域的不同决定了这三种无线网络实现上的不同，包括：

① 无线的覆盖范围。WLAN覆盖半径设计值为100米，蓝牙覆盖半径为10米，ZigBee覆盖半径为50米。

② 设备功耗。无线局域网装置一般为插电设备，而无线个人网装置则一般为电池设备。ZigBee更致力于极低功耗网络，例如不换电池能维持约10年的设备。

3．ZigBee、蓝牙、WiFi的对比

（1）ZigBee与蓝牙的对比研究（见表1-2）

（2）蓝牙与WiFi的对比（见表1-3）

（3）ZigBee、蓝牙、WiFi的对比（见表1-4）