CH4-b45磁浮38G車地通信技術(shù)

1、4.5 磁浮磁浮38G車地通信技術(shù)車地通信技術(shù)磁浮列車不同于一般輪軌式列車，它利用電磁感應(yīng)的作用，沿導(dǎo)軌漂浮于空氣中，與其軌道沒有直接的接觸，沒有旋轉(zhuǎn)部件，靠磁力推進(jìn)，時(shí)速最高可達(dá)450-500公里。磁浮技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用磁浮技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用l 1922年，德國(guó)人赫爾曼（Hermann）最早提出了電磁浮原理，并在1934年獲得了世界上第一項(xiàng)與磁浮技術(shù)相關(guān)的專利。l 1969年開始，德國(guó)聯(lián)邦政府資助工業(yè)界開始進(jìn)行磁浮鐵路的開發(fā)工作。至1999年TR08型磁浮列車研制成功，德國(guó)在常導(dǎo)磁浮列車研究上的技術(shù)已經(jīng)成熟。l 日本早在1962年就開始研究常導(dǎo)磁浮技術(shù)。隨著超導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，從70年代初，日本

2、開始轉(zhuǎn)而研究超導(dǎo)磁浮技術(shù)，并于1997年12月在山梨縣的試驗(yàn)線上創(chuàng)造出時(shí)速為550 kmh的世界最高記錄。 l 2000年底，中國(guó)政府決定引進(jìn)德國(guó)常導(dǎo)高速磁浮技術(shù)，在上海建設(shè)示范運(yùn)營(yíng)線。2002年12月31日正式開始試運(yùn)行，安全運(yùn)行至今。l 運(yùn)行控制系統(tǒng)與磁浮車輛、牽引、線路及道岔等設(shè)備或系統(tǒng)相連，完成對(duì)列車運(yùn)行的控制、安全防護(hù)、自動(dòng)運(yùn)行及調(diào)度管理等任務(wù)。l 運(yùn)行控制系統(tǒng)在整個(gè)磁浮交通系統(tǒng)中起著對(duì)列車進(jìn)行自動(dòng)控制與安全防護(hù)的核心作用。l 運(yùn)行控制系統(tǒng)一般無需人工干預(yù)列車的運(yùn)行，只在需要清除故障時(shí)才需運(yùn)行控制人員按操作順序進(jìn)行人工干預(yù)。 磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)功能磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)功能l 運(yùn)行控制系統(tǒng)包

3、括三層：一是位于控制中心的中央控制系統(tǒng)；二是位于牽引變電站或道岔房，與牽引區(qū)段對(duì)應(yīng)的分區(qū)控制系統(tǒng)；三是位于列車上的車載運(yùn)行控制系統(tǒng)。磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)組成磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)組成l 磁浮38G車地通信系統(tǒng)在車輛與地面之間傳輸操作控制、牽引控制、診斷及旅客信息等數(shù)據(jù)，同時(shí)為車輛與中心的操作人員提供語音服務(wù)。l 圖中OVC操作語音通信、PVC旅客語音通信、WAN廣域網(wǎng)。磁浮磁浮38G38G車地通信技術(shù)車地通信技術(shù) 38G38G毫米波毫米波l 毫米波屬于高頻段微波，波長(zhǎng)范圍1mm10mm，頻率覆蓋30G300GHz。與光波在頻譜表上相距甚近，因而具有類似于光波的特性。l 毫米波非常有利于射頻設(shè)備的小(微)

4、型化和獲得強(qiáng)的方向性，抗干擾、抗截獲能力很強(qiáng)。同時(shí)可獲取較高可用帶寬。l 38GHz頻段錯(cuò)開WLAN(無線局域網(wǎng))頻段及毫米波頻段中的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻斷)區(qū)域，可保障頻段使用的可用性和安全性。l 38GHz頻段避開了毫米波段上受大氣衰減較嚴(yán)重頻段(如60GHz)，且處于毫米波較低頻段系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)比較容易。l 在理想情形下，毫米波傳播為視距傳播方式，基本不存在反射與折射現(xiàn)象。l 但當(dāng)磁浮列車高速移動(dòng)（最高500km/h）時(shí)，不同障礙物(如隧道、列車、建筑物和地面等)會(huì)使電磁波傳播產(chǎn)生復(fù)雜折射、反射效應(yīng)，從而引起多徑傳輸效應(yīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的短暫時(shí)變衰落。l 同時(shí)，磁浮列車高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效

5、會(huì)使接收終端產(chǎn)生頻率偏移和展寬，從而引起碼間干擾。l 針對(duì)上述問題，首先采用了具有恒包絡(luò)特性、相位連續(xù)以及對(duì)多普勒頻移和頻率容差不敏感的相位連續(xù)FSK（CPFSK）調(diào)制。n CPFSK信號(hào)由于其相位的連續(xù)性,不僅具有實(shí)現(xiàn)容易、適用頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、解調(diào)無需相干載波等優(yōu)點(diǎn),而且避免了一般FSK信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換點(diǎn)相位不連續(xù)導(dǎo)致的功率譜很大的旁瓣分量,帶限后會(huì)引起包絡(luò)起伏的缺點(diǎn)。l 其次，采用分集技術(shù)對(duì)抗多徑衰落的影響。n 分集技術(shù)是利用多條具有近似相等的平均信號(hào)強(qiáng)度和相互獨(dú)立衰落特性的信號(hào)路徑傳輸相同信息，并在接收端對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?，以便大大降低多徑衰落的影響，從而改善傳輸?shù)目煽啃?。n 上

6、海磁浮運(yùn)營(yíng)示范線使用了2種分集方法。一種是地點(diǎn)分集(Location diversity)，即一列車上有兩處位置相差較遠(yuǎn)的天線；另一種是空間分集(Space diversity)，即每個(gè)無線電收發(fā)器上有兩根位置垂直、相距約10cm的天線。這些不同位置的天線構(gòu)成不同的分集技術(shù)。l 磁浮38G車地通信系統(tǒng)包括中央無線電控制單元(CRCU)、分區(qū)無線電控制單元(DRCU)、光纖網(wǎng)(OFN)、地面無線電基站(RBS)和車載無線電系統(tǒng)五個(gè)部分。通信天線沿軌道及在列車的兩端架設(shè)。磁浮磁浮38G38G車地通信系統(tǒng)構(gòu)成車地通信系統(tǒng)構(gòu)成 l 中央無線電控制單元亦稱中央無線電系統(tǒng)(CRS)，位于中央控制室。它是傳

7、輸旅客信息(PIS)、診斷信息及語音信息的接口。l 中央無線電控制單元可以收集無線電系統(tǒng)的診斷信息，并結(jié)合自己的信息向診斷系統(tǒng)報(bào)告情況。可以在中央無線電控制單元上直接查看簡(jiǎn)單的無線電系統(tǒng)各部件的狀態(tài)。l 另外，在中央無線電控制單元計(jì)算機(jī)上，可以對(duì)無線電系統(tǒng)進(jìn)行配置，如基站工作范圍、IP地址等。中央無線電控制單元中央無線電控制單元(CRCU)(CRCU)l 分區(qū)無線電控制單元亦稱分區(qū)無線電系統(tǒng)(DRS)，可以最多連接2個(gè)分區(qū)控制系統(tǒng)，并在一個(gè)包含1條或多條軌道的特定區(qū)段內(nèi)控制無線電傳輸。l 無線電光纖網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與分區(qū)控制系統(tǒng)的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。分區(qū)無線電控制單元與該區(qū)域內(nèi)的所有無線電基站(RBS)相連，

8、控制無線電基站連接，即僅觸發(fā)列車所在的一個(gè)無線電基站建立與列車的連接。l 為了保持與列車的不間斷通信，并提高通信穩(wěn)定性，每一輛磁浮列車同時(shí)與軌道旁的兩個(gè)無線電基站保持通信。這兩個(gè)無線電基站處于不同的網(wǎng)絡(luò)里，它們接收幾乎同樣的信息。這樣可以保證在任何一個(gè)單獨(dú)基站或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，都不會(huì)影響車地之間的通信。分區(qū)無線電控制單元分區(qū)無線電控制單元(DRCU)(DRCU)列車與地面基站之間的冗余通信列車與地面基站之間的冗余通信光纖網(wǎng)光纖網(wǎng)(OFN)(OFN)l光纖網(wǎng)用于連接無線電基站和分區(qū)無線電控制單元。l無線電基站以梳狀連接成一個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)，即2組無線電基站內(nèi)部相聯(lián)并使用不同的光纖網(wǎng)絡(luò)連接到分區(qū)無線電控制

9、單元，以實(shí)現(xiàn)較高的可用性。無線電基站無線電基站(RBS)(RBS)l 無線電基站架設(shè)在軌道的旁邊，每隔一段距離架設(shè)一根，架設(shè)時(shí)必須做到無線電無盲區(qū)覆蓋。無線電基站的間距為0.31.1km，使用頻率為37.138.5 GHz，輸出功率約0.05w(每個(gè)方向)。l 無線電基站由天線桿、連接盒、基站收發(fā)器、基站控制器及基站天線組件等組成。l 連接盒位于天線桿的底端，內(nèi)有電源變壓器，為各種無線電基站設(shè)備提供電源。l 基站控制器置于連接盒中，它接收網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)報(bào)文，如果是發(fā)生合本站，則接收，如果不是，則轉(zhuǎn)發(fā)出去。另外，它還將基站收發(fā)器收到的信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后利用光纖網(wǎng)發(fā)送出去。l 基站收發(fā)器控制天線信號(hào)的

10、收發(fā)功能。n當(dāng)該無線電基站沒有激活時(shí)，只作為光纖信號(hào)的中繼器(提供光電轉(zhuǎn)換)。n每個(gè)基站有四個(gè)天線，兩根天線是作為兩個(gè)相反方向的發(fā)送和接收用；另外兩根天線(一個(gè)方向一根)是接收天線，是附加的接收通道以獲得空間分集。n每對(duì)天線(一個(gè)方向)能夠單獨(dú)調(diào)整以沿軌道方向獲得最佳的無線電波束。n使用兩種工廠預(yù)制的天線類型：一種設(shè)計(jì)成用于彎道使用的寬輻射角度類型，另外一種設(shè)計(jì)成用于長(zhǎng)直線運(yùn)行的窄輻射角度類型以獲得較高的增益?；咎炀€基站天線車載無線電系統(tǒng)車載無線電系統(tǒng)l 車載無線電系統(tǒng)包括整流罩、組合天線、車載無線電控制單元。l 整流罩是車載無線電系統(tǒng)的可見部分，位于車輛兩端頂部。在500 kmh以上速度下

11、工作時(shí)，具有航空動(dòng)力學(xué)上的低阻、低噪聲發(fā)送、堅(jiān)固設(shè)計(jì)以及在毫米波頻率的低插入損耗。l 組合天線位于整流罩的正下方，提供4根天線(仍然是為了空間分集和反方向的接收)。移動(dòng)式天線設(shè)計(jì)成中等的方位發(fā)射角，因?yàn)樗鼈儽仨氃谲壍赖那€和直線路段都能得到最佳的工作效果。數(shù)據(jù)和控制信號(hào)通過RS-422接口連接到車載無線電控制單元。l 車載無線電控制單元控制著無線電系統(tǒng)的移動(dòng)部分，提供移動(dòng)用戶的各種接口。數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸l 從CRCU到DRCU的數(shù)據(jù)是通過廣域網(wǎng)（WANl）傳輸?shù)?。兩個(gè)系統(tǒng)通道A和B使用WANl的不同光纜。l 要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在無線設(shè)備間通過兩個(gè)系統(tǒng)通道A和B中同時(shí)并行發(fā)送。l 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)沿線

12、分到各個(gè)無線區(qū)段中（無線區(qū)段與一條或兩條軌道的DOCS區(qū)段相一致）。每個(gè)無線區(qū)段由DRCU管理，DRCU利用車輛管理無線傳輸基站。每個(gè)分區(qū)無線控制中心有兩個(gè)連接基站A1、A2，An和B1、B2、Bn的局域網(wǎng)A和B（LAN-A中基站的編號(hào)可不同于LAN-B的編號(hào)）。兩個(gè)局域網(wǎng)環(huán)的基站形成沿線的梳狀結(jié)構(gòu)。l 一個(gè)基站發(fā)送和接收來自沿線與天線排列一致的兩個(gè)方向的信息。所有局域網(wǎng)A的基站用統(tǒng)一頻率發(fā)射接收。為避免相互干擾，LAN環(huán)B的基站用其他頻率傳輸。l 圖中MAA移動(dòng)天線組件，MST移動(dòng)臺(tái)收發(fā)器。無線傳輸與越區(qū)切換無線傳輸與越區(qū)切換l 無線電系統(tǒng)現(xiàn)使用三組頻率。分區(qū)無線電控制單元只要距離足夠遠(yuǎn)，就

13、可以使用相同的無線電頻率，不會(huì)導(dǎo)致相互干擾。l 如圖所示，在一個(gè)無線電區(qū)域內(nèi)，信道A無線電基站以頻率f1向車載電臺(tái)發(fā)射，信道B則以頻率f2 向車載電臺(tái)發(fā)射；相反車載電臺(tái)以頻率f3 向信道A基站傳輸信息，以頻率f4向信道B基站傳輸信息。當(dāng)列車向前運(yùn)行時(shí)，無線電信道An、Bn的基站將切換到無線電基站An+1、Bn+1。l 運(yùn)行控制系統(tǒng)分區(qū)設(shè)備除無線電基站數(shù)量不同外，其它完全一致，所不同的是在分區(qū)內(nèi)無線電信道頻率不同而已。l 無線電基站的切換由無線電系統(tǒng)自身控制，使用的是PRW定位數(shù)據(jù)。當(dāng)然該定位數(shù)據(jù)將與運(yùn)行控制系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果誤差大于20m，系統(tǒng)將認(rèn)為PRW信息不可用，將使用OCS定位

14、信息。l 系統(tǒng)設(shè)定了分區(qū)交接區(qū)域。例如，當(dāng)列車從龍陽路開往浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，運(yùn)行在A軌，那么當(dāng)列車到達(dá)一定位置時(shí)，系統(tǒng)就啟動(dòng)無線電分區(qū)交接，先切換A通道，一定時(shí)間(例如幾百ms)后切換B通道。因此在分區(qū)切換過程中，也始終是存在無線電連接的。TDMATDMA通信機(jī)制通信機(jī)制l 車地通信系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)DRCU能同時(shí)與無線區(qū)段內(nèi)的多個(gè)MRCU通信，采用時(shí)分多址接入方式（TDMA），循環(huán)周期為20ms，每個(gè)周期分為8個(gè)時(shí)隙，傳輸速率為4Mbps。l 在每20ms時(shí)間間隔內(nèi)，共分為8個(gè)時(shí)隙，其中有2個(gè)時(shí)隙用于“運(yùn)行”列車、2個(gè)時(shí)隙用于“停止”列車、3個(gè)時(shí)隙用于“存車”列車、第8個(gè)時(shí)隙用于內(nèi)部測(cè)試。l DRCU

15、可管理13個(gè)列車，可與分區(qū)內(nèi)的兩輛“運(yùn)行”狀態(tài)列車、兩輛“停止”狀態(tài)列車和三輛“存車”狀態(tài)列車同時(shí)通信，其他處于“存車”狀態(tài)的列車通過輪詢的方式通信。l 通過TDMA機(jī)制，將數(shù)據(jù)、狀態(tài)、話音及診斷等信息按一定的規(guī)則，復(fù)接到每個(gè)時(shí)隙，以實(shí)現(xiàn)DRCU能同時(shí)與無線區(qū)段內(nèi)的多個(gè)MRCU通信。同時(shí)，將一些重要信息按一定的規(guī)律復(fù)接到每個(gè)時(shí)隙，以提高傳輸?shù)目煽啃院驼`碼率。4.6 城軌城軌CBTC系統(tǒng)系統(tǒng)WLAN車地通信技術(shù)車地通信技術(shù)l 基于通信的列控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CBTC）是集現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信及控制技術(shù)與傳統(tǒng)信號(hào)技術(shù)為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。其系統(tǒng)裝備分別安裝在每列列車、分布在每個(gè)車站，并覆蓋整條線路，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全

16、過程的安全防護(hù)、速度控制以及精確停車，是列控技術(shù)發(fā)展方向。自由波天線AP覆蓋約300-350米特點(diǎn)：技術(shù)成熟造價(jià)低應(yīng)用：北京亦莊線，昌平線漏泄波導(dǎo)管AP覆蓋最大1600米特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)安裝工作量大應(yīng)用：北京亦莊線，昌平線漏泄電纜AP覆蓋最大800米特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)安裝較為簡(jiǎn)便應(yīng)用：北京一號(hào)線52號(hào)站試驗(yàn)城軌CBTC系統(tǒng)基于無線局域網(wǎng)WLAN實(shí)現(xiàn)車地雙向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)通信發(fā)展中的發(fā)展中的802.11協(xié)議協(xié)議IEEE 802.11協(xié)議分布PHY802.11(1/2 Mbps)802.11b(5.5/11 Mbps)802.11g(54 Mbps)802.11a(54 Mbps)MAC802.11/

17、11a/11b/11g/11n MAC802.11e QoS802.11i 安全增強(qiáng)安全增強(qiáng)802.11n(300 Mbps)802.11f 漫游和切換漫游和切換802.11h 動(dòng)態(tài)調(diào)整動(dòng)態(tài)調(diào)整802.11s meshISM頻段頻段 l ISM頻段即工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)用頻段。一般來說世界各國(guó)均保留了一些無線頻段，以用于工業(yè)、科研、醫(yī)療方面的應(yīng)用。應(yīng)用這些頻段無需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率（一般低于1W），并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。l ISM頻段在各國(guó)的規(guī)定并不統(tǒng)一，例如，在美國(guó)有三個(gè)頻段902-928 MHz、2400-2484.5 MHz及5725-5850 MHz，而在歐洲900M

18、Hz的頻段則有部份用于GSM通信。而2.4G頻段為各國(guó)共同的ISM頻段。 ITU-R指定的指定的ISM頻段頻段頻率范圍頻率范圍中心頻率中心頻率可用性可用性6.7656.795 MHz6.780 MHz13.55313.567 MHz13.560 MHz26.95727.283 MHz27.120 MHz40.6640.70 MHz40.68 MHz433.05434.79 MHz433.92 MHz僅限ITU Region 1902928 MHz915 MHz僅限ITU Region 22.4002.500 GHz2.450 GHz5.7255.875 GHz5.800 GHz2424.25

19、GHz24.125 GHz6161.5 GHz61.25 GHz122123 GHz122.5 GHz244246 GHz245 GHz802.11b/g工作頻段劃分圖工作頻段劃分圖2.4122.4172.4222.4322.4422.4522.4622.4722.4842.4272.4372.4472.4572.4672345178910611121314l 20M信道帶寬下，只能有3組任意相鄰區(qū)域使用無頻率交叉的頻道，如1、6、11頻道；2、7、13頻道等等。802.11a/n工作頻段的信道劃分l 在中國(guó)，只能使用5.7255.850GHz頻段， 20M信道帶寬下， 149、153、157

20、、161、165這5個(gè)信道在任意相鄰區(qū)域使用無頻率交叉。蜂窩無線覆蓋蜂窩無線覆蓋l 任意相鄰區(qū)域使用無頻率交叉的頻道，如2.4G頻段的1、6、11頻道 ；l適當(dāng)調(diào)整發(fā)射功率，避免跨區(qū)域同頻干擾； l蜂窩式無線覆蓋實(shí)現(xiàn)無交叉頻率重復(fù)使用。獨(dú)立型網(wǎng)絡(luò)模式（independent BSS）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)模式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型BSS (infrastructure BSS)擴(kuò)展服務(wù)集合ESS (Extended Service Set)WLAN網(wǎng)絡(luò)模式網(wǎng)絡(luò)模式無需AP支持，站點(diǎn)間可相互通信獨(dú)立型網(wǎng)絡(luò)模式（獨(dú)立型網(wǎng)絡(luò)模式（Ad Hoc）站點(diǎn)間不能直接通信，必須依賴AP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。AP提供到有線網(wǎng)絡(luò)的連接，并為

21、站點(diǎn)提供數(shù)據(jù)中繼功能。以太網(wǎng)BSS基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型BSS擴(kuò)展服務(wù)集合擴(kuò)展服務(wù)集合ESS屬屬 Infrastructured 網(wǎng)網(wǎng) (Distribution SystemDistribution System: :分布式系統(tǒng)；分布式系統(tǒng)；APAP：接入點(diǎn)；：接入點(diǎn)； SSIDSSID：ESSESS擴(kuò)展服務(wù)集標(biāo)識(shí)符。一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集標(biāo)識(shí)符。一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用某移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用某 ESS 的的 SSID 加入到加入到該擴(kuò)展服務(wù)集中，一旦加入該擴(kuò)展服務(wù)集中，一旦加入ESS，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)從該，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)從該ESS的一個(gè)的一個(gè)BSS到到另一個(gè)另一個(gè)BSS的的漫游漫游)WLAN、LAN、Intern

22、et 連接連接Portal：門橋：門橋(作用相當(dāng)于網(wǎng)橋作用相當(dāng)于網(wǎng)橋) DS（Distribution System）：分布式系統(tǒng)，可以是以太網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路或）：分布式系統(tǒng)，可以是以太網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路或其它無線網(wǎng)其它無線網(wǎng)802.11 MAC層工作原理層工作原理概述概述l 802.11MAC層負(fù)責(zé)客戶端與AP之間的通訊。n主要功能包括：掃描、接入、認(rèn)證、加密、漫游和同步。主要功能包括：掃描、接入、認(rèn)證、加密、漫游和同步。l 802.11MAC 報(bào)文分類：n數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀：用戶的數(shù)據(jù)報(bào)文用戶的數(shù)據(jù)報(bào)文n控制幀：控制幀：協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)幀的控制報(bào)文，例如：協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)幀的控制報(bào)文，例如：RTS、CTS、

23、ACK等等n管理幀：管理幀：負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)STA（station）和）和AP之間的能力級(jí)的交互，認(rèn)證、之間的能力級(jí)的交互，認(rèn)證、關(guān)聯(lián)等管理工作，例如：關(guān)聯(lián)等管理工作，例如：Beacon、Probe、Association及及Authentication等等802.11 MAC層工作原理層工作原理用戶接入管理過程用戶接入管理過程STAAP發(fā)現(xiàn)（Discovery）選擇AP(采用偵聽Beacon幀或發(fā)送Probe幀)認(rèn)證（Authentication）關(guān)聯(lián)（Association）和建立Association關(guān)系的AP收發(fā)數(shù)據(jù)1234802.11 MAC層工作原理層工作原理Scanningl 802.1

24、1MAC 使用Scanning功能來完成Discoveryn尋找和加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)n當(dāng)STA漫游時(shí)尋找一個(gè)新的AP 通過偵聽通過偵聽AP定期發(fā)送的定期發(fā)送的Beacon幀來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。幀來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。 在每個(gè)信道上發(fā)送在每個(gè)信道上發(fā)送Probe request報(bào)文，從報(bào)文，從Probe response中獲取中獲取BSS的基本信息。的基本信息。漫游漫游STAAPAP移動(dòng)ESSl STA可以在屬于同一個(gè)SSID的AP接入點(diǎn)接入；無線客戶端的漫游無線客戶端的漫游客戶端的漫游更多的是取決于客戶端驅(qū)動(dòng)程序算法，客戶端的漫游更多的是取決于客戶端驅(qū)動(dòng)程序算法，RSSI、SNR、上一次接入終端等因素都會(huì)帶來影響，當(dāng)

25、然，最主要的因素還是從上一次接入終端等因素都會(huì)帶來影響，當(dāng)然，最主要的因素還是從一臺(tái)一臺(tái)AP到另一臺(tái)到另一臺(tái)AP的信號(hào)強(qiáng)度變化。的信號(hào)強(qiáng)度變化。網(wǎng)卡的漫游主動(dòng)性網(wǎng)卡的漫游主動(dòng)性802.11 MAC層訪問機(jī)制層訪問機(jī)制（ CSMA/CA ）l在802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突檢測(cè)（CD）的使用存在一定的問題。這是因?yàn)椋阂獧z測(cè)沖突，設(shè)備必須能夠一邊接受數(shù)據(jù)信號(hào)一邊傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，而在無線系統(tǒng)中是無法辦到的。l鑒于這個(gè)差異，在802.11中對(duì)CSMA/CD進(jìn)行了一些調(diào)整，采用了新的協(xié)議CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid

26、ance)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)DCF(Distributed Coordination Function)。 lCSMA/CA利用ACK信號(hào)來避免沖突的發(fā)生，也就是說，只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的ACK信號(hào)后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達(dá)目的地址。CSMA/CA (CSMA/CA (續(xù)續(xù)) )q 如只使用如只使用 CSMA，偵聽到信道，偵聽到信道 “閑閑” 可能結(jié)果不正確可能結(jié)果不正確:(a)隱終端問題隱終端問題 - 在發(fā)送方偵聽不到在發(fā)送方偵聽不到: A, C 不能互相聽到，中間不能互相聽到，中間有障礙物、信號(hào)衰減，有障礙物、信號(hào)衰減，A、C 于是都發(fā)給于是都發(fā)給 B， B 處此時(shí)會(huì)產(chǎn)生處此時(shí)會(huì)

27、產(chǎn)生沖突。沖突。 (b) 信號(hào)強(qiáng)度衰減問題信號(hào)強(qiáng)度衰減問題 - C 在發(fā)送，由于信號(hào)傳輸衰在發(fā)送，由于信號(hào)傳輸衰減，傳到減，傳到 A 處時(shí)，處時(shí)，A 聽不到，聽不到，A 以為聽到信道閑，也發(fā)，以為聽到信道閑，也發(fā)， 接接收站收站 B 處此時(shí)產(chǎn)生沖突。處此時(shí)產(chǎn)生沖突。 隱終端是指是指在接收者的通信范圍內(nèi)而在發(fā)送者通信范圍外的終端在接收者的通信范圍內(nèi)而在發(fā)送者通信范圍外的終端。LocationSignal strengthABCq 暴露終端效應(yīng)暴露終端效應(yīng): 當(dāng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)C也希也希望向節(jié)點(diǎn)望向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)。 根據(jù)根據(jù)CSMA協(xié)議，節(jié)點(diǎn)協(xié)議

28、，節(jié)點(diǎn)C偵聽信道，偵聽信道，它將聽到節(jié)點(diǎn)它將聽到節(jié)點(diǎn)B正在發(fā)送數(shù)據(jù)，于是錯(cuò)誤地認(rèn)為它此時(shí)不正在發(fā)送數(shù)據(jù)，于是錯(cuò)誤地認(rèn)為它此時(shí)不能向節(jié)點(diǎn)能向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)， 但實(shí)際上它的發(fā)送不會(huì)影響節(jié)點(diǎn)但實(shí)際上它的發(fā)送不會(huì)影響節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)接收，這就導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收，這就導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)C所謂暴露終端問題的出現(xiàn)。所謂暴露終端問題的出現(xiàn)。暴露終端是指在發(fā)送者的通信范圍之內(nèi)而在接收者通信范圍之外的終端是指在發(fā)送者的通信范圍之內(nèi)而在接收者通信范圍之外的終端。ABCDCSMA/CA (CSMA/CA (續(xù)續(xù)) )ABCD改進(jìn)改進(jìn) CSMACSMAq 目的目的: 為了盡可能避免沖突，要進(jìn)一步為了盡可能避免沖突，要進(jìn)一步

29、 改進(jìn)改進(jìn)CSMAq 改進(jìn)改進(jìn): CSMA CSMA/CA CSMA/CA: CSMA with Collision AvoidanceCSMA/CA: CSMA/CA: 增加增加 RTS-CTS RTS-CTS 交互交互進(jìn)一步改進(jìn)進(jìn)一步改進(jìn): :q CSMA/CA: 信道預(yù)約信道預(yù)約l 發(fā)送站發(fā)送站: 發(fā)出短的發(fā)出短的 RTS幀幀(request to send)預(yù)約信道預(yù)約信道l 接收站接收站: 應(yīng)答短的應(yīng)答短的 CTS幀幀 (clear to send)同意預(yù)約同意預(yù)約q CTS 為發(fā)送站保留信道為發(fā)送站保留信道, 起了起了通知其它通知其它(可能隱蔽的可能隱蔽的)站點(diǎn)的站點(diǎn)的效果效果q

30、避免避免了隱蔽站點(diǎn)造成的沖突了隱蔽站點(diǎn)造成的沖突 隱終端問題的解決隱終端問題的解決1. 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)A欲發(fā)送一數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)欲發(fā)送一數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)B, 首先首先A發(fā)送一發(fā)送一RTS給給B;2. B發(fā)送發(fā)送CTS;3. A收到收到CTS后發(fā)送數(shù)據(jù)后發(fā)送數(shù)據(jù);4. C監(jiān)聽到監(jiān)聽到CTS，知道有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，知道有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，A和和B數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間C不會(huì)發(fā)數(shù)據(jù)包。不會(huì)發(fā)數(shù)據(jù)包。暴露終端問題的解決暴露終端問題的解決1、發(fā)送者發(fā)送發(fā)送者發(fā)送 RTS。2、接收者返回、接收者返回 CTS。3、鄰居節(jié)點(diǎn)：、鄰居節(jié)點(diǎn)： 如果收到如果收到 CTS則保持安靜，不能傳輸數(shù)據(jù)。則保持安靜，不能傳輸數(shù)據(jù)。 如果只

31、收到如果只收到 RTS 而沒收到而沒收到 CTS,可以傳輸數(shù)據(jù)?？梢詡鬏敂?shù)據(jù)。l 開放系統(tǒng)認(rèn)證開放系統(tǒng)認(rèn)證n缺省的認(rèn)證方式，不使用缺省的認(rèn)證方式，不使用WEP加密，所有認(rèn)證消息都加密，所有認(rèn)證消息都以明文方式發(fā)送。以明文方式發(fā)送。n決定認(rèn)證是否成功的依據(jù)有許多，比如訪問控制列表決定認(rèn)證是否成功的依據(jù)有許多，比如訪問控制列表(ACL)、業(yè)務(wù)組標(biāo)識(shí)、業(yè)務(wù)組標(biāo)識(shí)(SSID)等。等。l 共享密鑰認(rèn)證共享密鑰認(rèn)證n參與認(rèn)證的雙方擁有相同的密鑰，使用該密鑰對(duì)質(zhì)詢文參與認(rèn)證的雙方擁有相同的密鑰，使用該密鑰對(duì)質(zhì)詢文本進(jìn)行本進(jìn)行WEP、WPA(TKIP)、WPA2(AES)加密（請(qǐng)求認(rèn)加密（請(qǐng)求認(rèn)證方）和解密（

32、認(rèn)證方），以決定認(rèn)證是否成功。證方）和解密（認(rèn)證方），以決定認(rèn)證是否成功。l WAPI（中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）（中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）安全與認(rèn)證安全與認(rèn)證52l WEP 是是IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的一部分。標(biāo)準(zhǔn)的一部分。 2001年年8月，月，F(xiàn)luhrer et al. 發(fā)表了針對(duì)發(fā)表了針對(duì) WEP 的密碼分析，利用的密碼分析，利用 RC4 密碼算法和密碼算法和 IV 的使用方式的特性，結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)上偷聽?zhēng)讉€(gè)小時(shí)之后，就的使用方式的特性，結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)上偷聽?zhēng)讉€(gè)小時(shí)之后，就可以把可以把 RC4的鑰匙破解出來。的鑰匙破解出來。l 2005年，美國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)了年，美國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)了3分鐘內(nèi)破解分鐘內(nèi)破解104

33、位位WEP的技的技術(shù)術(shù)l 2007年德國(guó)達(dá)姆施塔特科技大學(xué)計(jì)算機(jī)系研究員年德國(guó)達(dá)姆施塔特科技大學(xué)計(jì)算機(jī)系研究員Erik Tews 展示了利用一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)展示了利用一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)3秒內(nèi)破解秒內(nèi)破解WEP的技術(shù)的技術(shù)l 針對(duì)針對(duì)WPA-PSK、WPA2-PSK的字典攻擊技術(shù)很成熟，的字典攻擊技術(shù)很成熟，aircrack-ng（解密（解密WEP和和WPA工具）聲稱能工具）聲稱能10秒內(nèi)破解它秒內(nèi)破解它們。們。l 2008年在日本的年在日本的PacSec會(huì)議上，會(huì)議上， Erik Tews 展示了展示了15分鐘分鐘內(nèi)對(duì)內(nèi)對(duì)WPA的破解，有效撼動(dòng)了的破解，有效撼動(dòng)了WPA安全基礎(chǔ)。安全基礎(chǔ)。802.1

34、xWLAN最后的防線最后的防線l IEEE 于于2004年公布了新一代年公布了新一代WLAN安全標(biāo)準(zhǔn)安全標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11i ，定義了，定義了RSN（Robust Security Network）和）和pre-RSN的概念，并且針對(duì)的概念，并且針對(duì)WEP加密機(jī)制的各種缺陷做了多方面的改進(jìn)。其中加密機(jī)制的各種缺陷做了多方面的改進(jìn)。其中 pre-RSN即即Wi-Fi中的中的WPA, RSN即即Wi-Fi中的中的WPA2。l IEEE 802.11i規(guī)定使用規(guī)定使用802.1x認(rèn)證和密鑰管理方式，在數(shù)據(jù)加密方面，定認(rèn)證和密鑰管理方式，在數(shù)據(jù)加密方面，定義了義了TKIP（Temporal K

35、ey Integrity Protocol）、）、CCMP（Counter-Mode/CBC-MAC Protocol）和）和WRAP（Wireless Robust Authenticated Protocol）三種加密機(jī)制。其中）三種加密機(jī)制。其中CCMP機(jī)制基于機(jī)制基于AES（Advanced Encryption Standard）加密算法和）加密算法和CCM（Counter-Mode/CBC-MAC）認(rèn)證方式，使得）認(rèn)證方式，使得WLAN的安全程度大大提高，是實(shí)現(xiàn)的安全程度大大提高，是實(shí)現(xiàn)RSN的強(qiáng)制性要求。的強(qiáng)制性要求。l 目前，公認(rèn)基于目前，公認(rèn)基于802.1x認(rèn)證和密鑰管理的認(rèn)

36、證和密鑰管理的802.11i RSN（WPA2)是唯一安是唯一安全的全的WLAN接入技術(shù)。接入技術(shù)。天線天線802.11 a/b/g802.11 a/b/g加密加密802.1X802.1X認(rèn)證認(rèn)證漫游漫游網(wǎng)管網(wǎng)管FAT AP將將WLAN的物理層，用戶數(shù)據(jù)加密、的物理層，用戶數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證、漫游、網(wǎng)絡(luò)管理等功能集于一身。認(rèn)證、漫游、網(wǎng)絡(luò)管理等功能集于一身。WLAN設(shè)備設(shè)備FAT AP家庭或soho網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式：ADSL MODEM 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式：Internet企業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)企業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)FAT AP應(yīng)用應(yīng)用無線網(wǎng)橋是能夠利用無線技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連的AP點(diǎn)到點(diǎn)方式點(diǎn)到點(diǎn)方式點(diǎn)到多點(diǎn)方式點(diǎn)到多點(diǎn)方式

37、FAT AP應(yīng)用無線網(wǎng)橋應(yīng)用無線網(wǎng)橋利用FAT AP組建大、中型無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，配置工作量大。對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的FAT AP進(jìn)行軟件升級(jí)時(shí)，需要手工逐臺(tái)進(jìn)行升級(jí)，維護(hù)工作量大。FAT AP上保存著設(shè)備配置信息，當(dāng)設(shè)備失竊時(shí)造成配置信息泄漏。FAT AP難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無線盲區(qū)修補(bǔ)、流氓AP檢測(cè)等功能。FAT AP適用于小型無線網(wǎng)絡(luò)部署，不適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署。適用于小型無線網(wǎng)絡(luò)部署，不適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署。FAT AP組網(wǎng)的局限性組網(wǎng)的局限性Fat APThin AP集中化管理、簡(jiǎn)化配置、易于部署、提高安全性無線交換機(jī)無線交換機(jī)802.11a/b/g天線安全移動(dòng)狀態(tài)防火墻無線 IDP加密認(rèn)證策略控制WLAN設(shè)

38、備無線交換機(jī)和設(shè)備無線交換機(jī)和Thin AP二層網(wǎng)絡(luò)二層網(wǎng)絡(luò)三層網(wǎng)絡(luò)三層網(wǎng)絡(luò)直接連接直接連接二層互連二層互連三層互連三層互連無線交換機(jī)與無線交換機(jī)與Thin AP的典型連接方式的典型連接方式認(rèn)證、計(jì)費(fèi)平認(rèn)證、計(jì)費(fèi)平臺(tái)臺(tái)城域網(wǎng)城域網(wǎng)BASACFit AP典型應(yīng)用方案典型應(yīng)用方案無線控制器無線控制器B匯聚交換機(jī)匯聚交換機(jī)PPPoE或Portal認(rèn)證城域網(wǎng)核心路由器城域網(wǎng)核心路由器城域網(wǎng)城域網(wǎng)BAS無線控制器無線控制器AADSL貓貓DSLAM匯聚交換機(jī)匯聚交換機(jī)匯聚交換機(jī)匯聚交換機(jī)ADSL貓貓DSLAM匯聚交換機(jī)匯聚交換機(jī)骨干城域網(wǎng)兩臺(tái)控制器可互為備份城域網(wǎng)核心路由器城域網(wǎng)核心路由器PPPoE或Po

39、rtal認(rèn)證城軌CBTC系統(tǒng)應(yīng)用舉例l考慮AP的信號(hào)覆蓋范圍時(shí)需要考慮許多因素： 傳播環(huán)境 發(fā)射功率 發(fā)射天線增益 信噪比 列車速度 AP重疊覆蓋區(qū)域 切換中斷時(shí)間 接收天線增益 接收機(jī)靈敏度 信號(hào)傳播特性 無線信號(hào)覆蓋l傳播環(huán)境n城市軌道交通為沿軌道的線狀覆蓋n由于是線狀覆蓋，故軌旁和車載均采用方向性天線。n小區(qū)的覆蓋范圍為200-230m，亦莊線列車長(zhǎng)度為118米。通常情況下在一個(gè)小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)只有一列列車，不需要考慮列車爭(zhēng)用信道的問題軌旁、車載方向性天線波瓣寬度：方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 d

40、B（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。還有一種波瓣寬度，即 10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角. 3dB 波瓣寬度波瓣寬度 - 3dB點(diǎn)點(diǎn) - 3dB點(diǎn)點(diǎn)10dB 波瓣寬度波瓣寬度 -10dB點(diǎn)點(diǎn) - 10dB點(diǎn)點(diǎn)峰值方向峰值方向 （最大輻射方向）（最大輻射方向）峰值方向峰值方向 （最大輻射方向）（最大輻射方向）發(fā)射功率l發(fā)射功率受相關(guān)規(guī)定的限制，同時(shí)考慮到同道干擾等問題也不是越大越好l接收機(jī)靈敏度：是指為達(dá)到一定的QoS指標(biāo)(例如：誤包率10%或等效誤碼率10-5)，接收信號(hào)功率應(yīng)達(dá)到的最低門限。下圖為802.11g的接收機(jī)靈敏度。接收機(jī)靈敏度跟傳輸速率和調(diào)制方式有關(guān)。l設(shè)計(jì)AP的覆蓋范圍時(shí)，需保證在小區(qū)覆蓋邊緣，接收信號(hào)的強(qiáng)度高于接收機(jī)靈敏度，且保留足夠的裕量。l信噪比：信號(hào)強(qiáng)度不能反映信號(hào)的質(zhì)量，信噪比最終影響了傳輸?shù)男阅?。在信?hào)強(qiáng)度大