目录导语一、无线链路的物理层特征二、信噪比和误码率三、隐藏终端和暴露终端四、CDMA码分多址五、无线链路的吞吐量模型本节核心总结必看结语导语大家好呀上一节我们了解了无线网络的基本概念和移动性挑战。这一节我们深入到无线链路的底层看看无线电波到底是怎么传输数据的为什么无线链路比有线链路麻烦这么多。这一节的内容偏物理层和MAC层我们会学习信号衰减、多径衰落、信噪比SNR和误码率BER的关系、隐藏终端和暴露终端问题、以及CDMA码分多址的原理。理解了这些底层特征后面学WiFi的CSMA/CA和蜂窝网络的设计时就会恍然大悟——原来这些协议都是为了解决无线链路的固有问题准备好了吗让我们深入无线信号的世界一、无线链路的物理层特征1. 信号衰减Path Loss无线电波在自由空间中传播时信号强度会随距离增加而衰减。在理想的自由空间中信号强度和距离的平方成反比即距离翻倍信号强度降为1/4。但在实际环境中由于地面反射、建筑物遮挡等因素衰减指数通常在2到4之间城市环境中可能更高。信号衰减的影响距离基站越远接收信号越弱墙壁、楼层、树木会额外衰减信号穿透损耗人体也会吸收和阻挡信号所以手机放在口袋里信号会差一些通俗类比就像你在房间里说话离你越远的人听到的声音越小如果隔了一堵墙声音就更小了。无线电波也是一样。2. 多径传播Multipath Propagation无线电波遇到障碍物墙壁、地面、建筑物会反射、折射、绕射同一个发送信号可能经过多条不同路径到达接收方。这些多径信号有不同的传播延迟到达接收方时会互相叠加——有的相位相同会增强 constructive interference有的相位相反会抵消destructive interference。多径传播导致多径衰落Multipath Fading信号强度随位置、时间、频率快速波动。这就是为什么你在房间里换个位置WiFi信号可能从满格变成一格手机信号在某些角落特别差高速移动时信号快速波动多普勒效应加剧衰落对抗多径衰落的技术OFDM正交频分复用把信号分成多个子载波频率选择性衰落只会影响部分子载波分集Diversity用多根天线接收MIMO不同天线的衰落不同选最好的均衡Equalization在接收端补偿多径导致的码间干扰3. 干扰Interference无线信号在开放空间中传播不同设备在相同频段上的信号会互相干扰同频干扰相同频段的其他设备如邻居家的WiFi邻频干扰相邻频段的信号泄漏非授权频段干扰2.4GHz是工业科学医疗ISM频段WiFi、蓝牙、微波炉、无线摄像头都在用非常拥挤干扰的效果和信号衰减类似——降低了接收方的信噪比导致误码率上升。二、信噪比和误码率1. 信噪比SNR**SNRSignal-to-Noise Ratio信噪比**是接收信号强度和噪声强度的比值通常用分贝dB表示SNR(dB) 10 × log10(信号功率 / 噪声功率)SNR越大信号相对于噪声越强接收方越容易正确解码。影响SNR的因素发送功率越大SNR越高距离越近信号衰减越小SNR越高噪声和干扰越小SNR越高2. 误码率BER**BERBit Error Rate误码率**是接收比特出错的概率。BER和SNR的关系SNR越高BER越低信号强不容易出错SNR越低BER越高信号弱容易出错不同调制方式的BER-SNR曲线不同高阶调制如64-QAM需要更高的SNR才能达到相同的BER3. 速率自适应Rate Adaptation无线设备会根据当前的SNR动态选择调制方式和编码速率这就是速率自适应SNR高信号好用高阶调制64-QAM、256-QAM和高码率达到高速率SNR低信号差用低阶调制BPSK、QPSK和低码率保证可靠性但速率低以WiFi为例802.11n的速率可以从6.5Mbps到600Mbps动态调整。你的手机显示WiFi满格时速率高一格时速率低就是这个原理。通俗类比就像你在嘈杂的酒吧里和人说话——环境安静SNR高时你可以快速说高速率环境嘈杂SNR低时你需要放慢语速、重复确认低速率否则对方听不清。三、隐藏终端和暴露终端1. 隐藏终端问题Hidden Terminal Problem隐藏终端问题是无线网络中最经典的问题之一。场景A和C都能和B通信但A和C互相听不到对方因为距离远或有遮挡。当A和C同时给B发送数据时它们的信号会在B处冲突但A和C自己检测不到冲突——因为它们互相隐藏了。为什么有线网络没有这个问题因为有线以太网用CSMA/CD发送方边发边听如果听到冲突就停止。但无线网络中发送方的信号太强会淹没自己的接收信号半双工限制不能同时收发即使能收发隐藏终端的信号在发送方处很弱检测不到解决方案CSMA/CACarrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance带冲突避免的载波侦听多路访问——不是检测冲突而是避免冲突。WiFi用RTS/CTS握手虚拟载波侦听来缓解隐藏终端问题。2. 暴露终端问题Exposed Terminal Problem暴露终端问题和隐藏终端相反B在给A发送数据C能听到B的发送于是C认为信道忙推迟自己的发送。但实际上C要给D发送数据而D听不到B的信号C的发送不会干扰D——C被暴露了白白浪费了发送机会。隐藏终端导致冲突该发的发不了暴露终端导致浪费能发的不敢发。这两个问题是无线网络MAC协议设计的核心挑战。3. RTS/CTS机制WiFi用**RTS/CTSRequest to Send / Clear to Send**机制来缓解隐藏终端问题发送方A先发送一个短的RTS帧请求发送包含数据长度信息接收方B收到RTS后回复一个CTS帧允许发送也包含数据长度所有听到RTS或CTS的设备都知道信道将被占用一段时间设置网络分配向量NAV在这段时间内不发送A收到CTS后开始发送数据B回复ACKRTS/CTS是一种虚拟载波侦听——通过控制帧通知所有设备信道将被占用从而避免隐藏终端导致的冲突。但RTS/CTS本身也有开销所以WiFi通常只对大数据包启用RTS/CTS。四、CDMA码分多址1. CDMA基本原理**CDMACode Division Multiple Access码分多址是一种多路访问技术和FDM频分、TDM时分不同——CDMA让所有用户在同一时间、同一频率上发送数据但用不同的编码code**来区分用户。通俗类比想象一个房间里有多对人同时说话——FDM是每对人用不同音调高音、低音TDM是每对人轮流说CDMA是每对人用不同语言中文、英文、法文虽然声音混在一起但你只听得懂自己的语言会把其他语言当噪声过滤掉。2. CDMA的工作过程CDMA的核心是扩频Spread Spectrum每个用户分配一个唯一的码片序列chipping sequence码片速率远高于数据速率如数据1Mbps码片10Mbps扩频因子10发送时数据比特和码片序列相乘异或把信号扩展到更宽的频带接收方用相同的码片序列和接收信号做内积相关运算恢复出原始数据其他用户的信号因为码片不同内积结果接近零被当作噪声过滤掉CDMA的关键性质不同用户的码片序列是**正交orthogonal**的内积为零所以可以互相区分。3. CDMA的优缺点优点所有用户共享同一频段不需要频率规划抗干扰能力强扩频增益软容量用户数增加时所有用户的质量逐渐下降而不是硬阻塞软切换移动时先连上新基站再断开旧基站切换更平滑缺点需要严格的功率控制远近效应近的用户信号会淹没远的用户码片序列管理复杂频谱效率不如OFDM4G/LTE改用OFDMCDMA曾广泛用于2GIS-95和3GCDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA4G LTE和5G改用OFDM作为主要多址技术但CDMA的思想仍然影响着现代通信。五、无线链路的吞吐量模型1. 单用户吞吐量无线链路的吞吐量取决于物理层速率由调制方式和编码速率决定和SNR相关MAC层效率CSMA/CA的开销DIFS、SIFS、ACK、退避时间信道竞争多个用户竞争信道时的冲突开销以WiFi为例物理层速率54Mbps的802.11g实际TCP吞吐量通常只有20-25Mbps因为MAC层开销占了一半以上。2. 多用户吞吐量当多个用户共享同一个无线信道时总吞吐量和用户数的关系用户少时吞吐量随用户数增加而增加多用户分集用户多时冲突和开销增加总吞吐量趋于饱和甚至下降公平性问题离AP近的用户SNR高、速率高可能占用更多信道时间导致离AP远的用户速率低获得的吞吐量更少这叫性能异常或rate anomaly3. 远近效应Near-Far Problem在CDMA系统中如果不做功率控制离基站近的用户信号强会淹没离基站远的用户信号。这就是远近效应。解决方案是快速功率控制基站测量每个用户的SNR命令用户调整发送功率让所有用户到达基站的信号强度相同。本节核心总结必看这一节学习了无线链路的底层特征核心要点一、物理层特征信号衰减随距离增加衰减指数2-4遮挡额外损耗多径传播反射折射导致信号衰落用OFDM、分集、均衡对抗干扰同频、邻频、非授权频段2.4GHz拥挤二、SNR和BERSNR 信号功率/噪声功率dB表示SNR越高BER越低速率自适应SNR高用高阶调制高速率SNR低用低阶调制低速率三、隐藏终端和暴露终端隐藏终端互相听不到在接收方冲突 → CSMA/CA RTS/CTS暴露终端能听到别人发送但自己的发送不会干扰 → 信道浪费RTS/CTS虚拟载波侦听NAV通知信道占用时间四、CDMA码分多址同时间同频率不同编码区分用户扩频数据×码片序列接收方相关运算恢复正交码片序列不同用户内积为零远近效应需要快速功率控制用于2G/3G4G/5G改用OFDM五、吞吐量实际吞吐量远低于物理层速率MAC开销多用户竞争冲突和公平性问题性能异常低速用户拉低整体性能关键概念清单信号衰减Path Loss信号随距离减弱多径衰落Multipath Fading反射信号叠加导致波动SNR信噪比信号与噪声的功率比BER误码率比特出错概率速率自适应根据SNR调整调制和速率隐藏终端互相听不到但在接收方冲突暴露终端能听到但不干扰却不敢发CSMA/CA带冲突避免的载波侦听RTS/CTS请求发送/允许发送握手NAV网络分配向量虚拟载波侦听的定时器CDMA码分多址用编码区分用户的多址技术扩频Spread Spectrum用码片扩展信号带宽远近效应近用户信号淹没远用户OFDM正交频分复用多子载波并行传输结语这一节我们深入学习了无线链路的底层特征——从信号衰减、多径衰落、干扰到SNR和误码率的关系到隐藏终端和暴露终端问题再到CDMA码分多址。这些底层特征决定了无线网络协议的设计思路。下一节7.3我们将学习WiFi802.11无线局域网——这是我们每天都在用的无线技术。我们会学习WiFi的体系结构、MAC协议CSMA/CA的具体实现、帧格式、移动性管理、以及蓝牙等个人域网络。有了这一节的基础你会发现WiFi的很多设计都是为了解决我们刚才讲的那些无线问题让我们继续前进吧如果你觉得这篇笔记对你有帮助欢迎点赞收藏有问题也欢迎留言讨论我们一起进步
