计算机网络无线网络和移动网络教育课件

计算机网络无线网络和移计算机网络无线网络和移动网络动网络第第 9 章章 无线网络和移动网络无线网络和移动网络n9.1 无线局域网无线局域网 WLANn9.2 无线个人区域网无线个人区域网 WPANn9.3 无线城域网无线城域网 WMANn9.4 蜂窝移动通信网蜂窝移动通信网n9.5 两种不同无线上网两种不同无线上网9.1 无线局域网无线局域网 WLANn9.1.1 无线局域网的组成无线局域网的组成n9.1.2 802.11 局域网的物理层局域网的物理层n9.1.3 802.11 局域网的局域网的 MAC 层协议层协议n9.1.4 802.11 局域网的局域网的 MAC 帧帧9.1.1 无线局域网的组成无线局域网的组成n无线局域网无线局域网 WLAN(Wireless Local Area Network)可分为两大类可分为两大类：n有固定基础设施的有固定基础设施的 WLANn无固定基础设施的无固定基础设施的 WLANn所谓所谓“固定基础设施固定基础设施”是指预先建立起来的、能是指预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。够覆盖一定地理范围的一批固定基站。1.IEEE 802.11nIEEE 802.11 是一个是一个有固定基础设施的无线局域有固定基础设施的无线局域网网的国际标准。的国际标准。nIEEE 802.11 是个相当复杂的标准。但简单地说，是个相当复杂的标准。但简单地说，802.11 就是无线以太网的标准就是无线以太网的标准：n它使用星形拓扑，其中心叫做它使用星形拓扑，其中心叫做接入点接入点 AP(Access Point)n在在MAC层使用层使用 CSMA/CA 协议协议n凡使用凡使用 802.11 系列协议的局域网又称为系列协议的局域网又称为 Wi-Fi(Wireless-Fidelity，意思是，意思是“无线保真度无线保真度”。2.移动自组网络移动自组网络n移动自组网络又称为移动自组网络又称为自组网络自组网络(ad hoc network)。n自组网络是没有固定基础设施（即没有自组网络是没有固定基础设施（即没有 AP）的无）的无线局域网。线局域网。n这种网络是由一些处于平等状态的移动站之间相互这种网络是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。通信组成的临时网络。n自组网络的服务范围通常是受限的，而且一般也不自组网络的服务范围通常是受限的，而且一般也不和外界的其他网络相连接。和外界的其他网络相连接。n移动自组网络也就是移动自组网络也就是移动分组无线网络。移动分组无线网络。无线传感器网络无线传感器网络 WSNn无线传感器网络无线传感器网络 WSN(Wireless Sensor Network)是是由大量由大量传感器传感器结点通过无线通信技术构成的结点通过无线通信技术构成的自组网络。自组网络。n无线传感器网络的应用是进行各种数据的采集、处理和无线传感器网络的应用是进行各种数据的采集、处理和传输，一般并不需要很高的带宽，但是在大部分时间必传输，一般并不需要很高的带宽，但是在大部分时间必须须保持低功耗，保持低功耗，以节省电池的消耗。以节省电池的消耗。n由于无线传感结点的存储容量受限，因此对协议栈的大由于无线传感结点的存储容量受限，因此对协议栈的大小有严格的限制。小有严格的限制。n无线传感器网络还对网络安全性、结点自动配置、网络无线传感器网络还对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求。动态重组等方面有一定的要求。传感器结点的形状和组成传感器结点的形状和组成存储器存储器CPU传感器传感器硬件硬件电池电池无线无线收发器收发器(a)形状形状(b)组成组成几种不同的接入几种不同的接入n固定接入固定接入(fixed access)在作为网络用户期间，用在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变。户设置的地理位置保持不变。n移动接入移动接入(mobility access)用户设置能够以车辆用户设置能够以车辆速度移动时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是速度移动时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是连续的。连续的。n便携接入便携接入(portable access)在受限的网络覆盖面在受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力。提供有限的切换能力。n游牧接入游牧接入(nomadic access)用户设备的地理位置用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变。如用户设备移动了位至少在进行网络通信时保持不变。如用户设备移动了位置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站。置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站。9.1.2 802.11 局域网的物理层局域网的物理层n802.11 标准中物理层相当复杂。根据物理层的不同标准中物理层相当复杂。根据物理层的不同（如工作频段、数据率、调制方法等），对应的标准也（如工作频段、数据率、调制方法等），对应的标准也不同。不同。n最早流行的无线局域网是最早流行的无线局域网是 802.11b，802.11a 和和802.11g。2009年颁布了标准年颁布了标准 802.11nn802.11 的物理层有以下几种实现方法：的物理层有以下几种实现方法：n直接序列扩频直接序列扩频 DSSSn正交频分复用正交频分复用 OFDM n跳频扩频跳频扩频 FHSS（已很少用）（已很少用）n红外线红外线 IR（已很少用）（已很少用）几种常用的几种常用的 802.11 无线局域网无线局域网 9.1.3 802.11 局域网的局域网的 MAC 层协议层协议1.CSMA/CA 协议协议 n无线局域网不能使用无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改而只能使用改进的进的 CSMA 协议。协议。n改进的办法是把改进的办法是把 CSMA 增加一个增加一个碰撞避免碰撞避免CA(Collision Avoidance)功能。功能。n802.11 就使用就使用 CSMA/CA 协议。协议。而在使用而在使用 CSMA/CA 的同时，的同时，还增加使用停止等待协议。还增加使用停止等待协议。CSMA/CA 协议的原理协议的原理 n欲发送数据的站先检测信道。在欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。听。n通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。据。n当源站发送它的第一个当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信帧时，若检测到信道空闲，则在道空闲，则在等待一段时间等待一段时间 DIFS 后就可发送。后就可发送。9.1.4 802.11 局域网的局域网的 MAC 帧帧n802.11 帧共有三种类型：帧共有三种类型：控制帧控制帧、数据帧数据帧和和管管理帧理帧。9.2 无线个人区域网无线个人区域网 WPANn无线个人区域网无线个人区域网 WPAN(Wireless Personal Area Network)就是在个人工作地方把属于个人使用的电子就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起设备用无线技术连接起来自组网络来自组网络，不需要使用接入点，不需要使用接入点 AP。n整个网络的范围大约在整个网络的范围大约在 10 m左右。左右。nWPAN可以是一个人使用，也可以是若干人共同使用可以是一个人使用，也可以是若干人共同使用。n无线个人区域网无线个人区域网 WPAN 和和个人区域网个人区域网 PAN(Personal Area Network)并不完全等同，因为并不完全等同，因为 PAN 不一定都是不一定都是使用无线连接的。使用无线连接的。WPAN 和和 WLAN 并不一样并不一样 nWPAN 是以个人为中心来使用的无线人个区域是以个人为中心来使用的无线人个区域网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术。和低价格的电缆替代技术。n WLAN 却是同时为许多用户服务的无线局域网，却是同时为许多用户服务的无线局域网，它是一个大功率、中等范围、高速率的局域网。它是一个大功率、中等范围、高速率的局域网。WPAN 标准标准nWPAN 的的 IEEE 标准由标准由 IEEE 的的 802.15 工作组工作组制定，这个标准也是包括制定，这个标准也是包括 MAC 层和物理层这两层和物理层这两层的标准。层的标准。nWPAN 都工作在都工作在 2.4 GHz的的 ISM 频段。频段。n顺便指出，欧洲的顺便指出，欧洲的 ETSI 标准则把无线个人区域标准则把无线个人区域网取名为网取名为 HiperPAN。1.蓝牙系统蓝牙系统(Bluetooth)n最早使用的最早使用的 WPAN 是是 1994 年爱立信公司推出年爱立信公司推出的蓝牙系统，其标准是的蓝牙系统，其标准是 IEEE 802.15.1。n蓝牙的数据率为蓝牙的数据率为 720 kbit/s，通信范围在，通信范围在 10 米米左右。左右。n蓝牙使用蓝牙使用 TDM 方式和扩频跳频方式和扩频跳频 FHSS 技术组成技术组成不用基站的不用基站的皮可网皮可网(piconet)。皮可网皮可网(piconet)nPiconet 直译就是直译就是“微微网微微网”，表示这种无线网，表示这种无线网络的覆盖面积非常小。络的覆盖面积非常小。n每一个皮可网有一个每一个皮可网有一个主设备主设备(Master)和和最多最多7个个工作的工作的从设备从设备(Slave)。n通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链接起来，形成一个范围更大的接起来，形成一个范围更大的扩散网扩散网(scatternet)。n这种主从工作方式的个人区域网实现起来价格就这种主从工作方式的个人区域网实现起来价格就会比较便宜。会比较便宜。2.低速低速 WPAN n低速低速 WPAN 主要用于工业监控组网、办公自动主要用于工业监控组网、办公自动化与控制等领域，其速率是化与控制等领域，其速率是 2 250 kbit/s。n低速低速 WPAN 的标准是的标准是 IEEE 802.15.4。最近新。最近新修订的标准是修订的标准是 IEEE 802.15.4-2006。n低速低速 WPAN 中最重要的就是中最重要的就是 ZigBee。nZigBee 技术主要用于各种电子设备（固定的、技术主要用于各种电子设备（固定的、便携的或移动的）之间的无线通信，其主要特点便携的或移动的）之间的无线通信，其主要特点是通信距离短（是通信距离短（10 80 m），传输数据速率低，），传输数据速率低，并且成本低廉。并且成本低廉。ZigBee 的特点的特点n功耗非常低功耗非常低n在工作时，信号的收发时间很短；而在非工作时，在工作时，信号的收发时间很短；而在非工作时，ZigBee 结点处于休眠状态，非常省电。对于某些工结点处于休眠状态，非常省电。对于某些工作时间和总时间之比小于作时间和总时间之比小于 1%的情况，电池的寿命的情况，电池的寿命甚至可以超过甚至可以超过10 年。年。n网络容量大网络容量大n一个一个 ZigBee 的网络最多包括有的网络最多包括有 255 个结点，其中个结点，其中一个是一个是主设备，主设备，其余则是其余则是从从设备。设备。若是通过若是通过网络网络协协调器，调器，整个网络最多可以支持超过整个网络最多可以支持超过 64000 个结点。个结点。ZigBee 的标准的标准n在在 IEEE 802.15.4 标准基础上发展而来的。标准基础上发展而来的。n所有所有 ZigBee 产品也是产品也是 802.15.4 产品。产品。nIEEE 802.15.4 只是定义了只是定义了 ZigBee 协议栈的协议栈的最最低的两层低的两层（物理层和（物理层和 MAC 层），而上面的两层层），而上面的两层（网络层和应用层）则是由（网络层和应用层）则是由 ZigBee 联盟定义的。联盟定义的。3.高速高速 WPANn高速高速 WPAN 用于在便携式多媒体装置之间传送数据，用于在便携式多媒体装置之间传送数据，支持支持11 55 Mbit/s 的数据率，标准是的数据率，标准是 802.15.3。nIEEE 802.15.3a 工作组还提出了更高数据率的物理层工作组还提出了更高数据率的物理层标准的标准的超高速超高速 WPAN，它使用，它使用超宽带超宽带 UWB 技术。技术。nUWB 技术工作在技术工作在 3.1 10.6 GHz 微波频段，有非常高微波频段，有非常高的信道带宽。超宽带信号的带宽应超过信号中心频率的的信道带宽。超宽带信号的带宽应超过信号中心频率的 25%以上，或信号的绝对带宽超过以上，或信号的绝对带宽超过 500 MHz。n超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，可支持超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，可支持 100 400 Mbit/s 的数据率，可用于小范围内高速传送图像或的数据率，可用于小范围内高速传送图像或 DVD 质量的多媒体视频文件。质量的多媒体视频文件。9.3 无线城域网无线城域网 WMAN n2002 年年 4 月通过了月通过了 IEEE 802.16 无线城域网无线城域网(Wireless Metropolitan Area Network)的标准的标准（又（又称为称为IEEE无线城域网空中接口标准）无线城域网空中接口标准）。n欧洲的欧洲的 ETSI 也制订类似的无线城域网标准也制订类似的无线城域网标准 HiperMAN。nWMAN 可提供可提供“最后一英里最后一英里”的的宽带无线接入宽带无线接入（固定（固定的、移动的和便携的）。的、移动的和便携的）。n在许多情况下，无线城域网可用来代替现有的有线宽带在许多情况下，无线城域网可用来代替现有的有线宽带接入，因此它有时又称为接入，因此它有时又称为无线本地环路无线本地环路。WiMAX nWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)常用来表示无线城域网常用来表示无线城域网 WMAN，这与，这与Wi-Fi 常用来表示无线局域网常用来表示无线局域网 WLAN 相似。相似。nIEEE 的的 802.16 工作组是无线城域网标准的制订者，工作组是无线城域网标准的制订者，而而 WiMAX 论坛则是论坛则是 802.16 技术的推动者。技术的推动者。nWMAN有两个正式标准：有两个正式标准：n802.16d(它的正式名字是它的正式名字是 802.16-2004)：固定固定宽带无线接入宽带无线接入空中接口标准（空中接口标准（2 66 GHz频段）。频段）。n802.16e(802.16 的增强版本的增强版本)：支持：支持移动性移动性的宽带无线接入的宽带无线接入空中接口标准（空中接口标准（2 6 GHz频段），向下兼容频段），向下兼容 802.16-2004。9.4 蜂窝移动通信网蜂窝移动通信网n9.4.1 蜂窝无线通信技术简介蜂窝无线通信技术简介n9.4.2 移动移动 IPn9.4.3 蜂窝移动通信网中对移动用户的路由选择蜂窝移动通信网中对移动用户的路由选择n9.4.4 GSM 中的切换中的切换n9.4.5 无线网络对高层协议的影响无线网络对高层协议的影响9.4.1 蜂窝无线通信技术简介蜂窝无线通信技术简介 n蜂窝移动网络的发展非常迅速，到目前为止，世蜂窝移动网络的发展非常迅速，到目前为止，世界上先后已有超过了界上先后已有超过了 30 种不同的标准。种不同的标准。n第一代（第一代（1G）蜂窝无线通信是为话音通信设计蜂窝无线通信是为话音通信设计的的模拟模拟 FDM 系统。系统。n第二代（第二代（2G）蜂窝无线通信提供蜂窝无线通信提供低速数字通信低速数字通信（短信服务），其代表性体制就是最流行的（短信服务），其代表性体制就是最流行的 GSM 系统。系统。n2.5G 技术是从技术是从 2G 向第三代（向第三代（3G）过渡的衔接）过渡的衔接性技术，如性技术，如 GPRS 和和 EDGE 等。等。9.4.1 蜂窝无线通信技术简介蜂窝无线通信技术简介 n第三代（第三代（3G）移动通信和计算机网络的关系非常密切，移动通信和计算机网络的关系非常密切，它它使用使用 IP 的体系结构的体系结构和和混合的交换机制混合的交换机制（电路交换和（电路交换和分组交换），能够提供移动宽带多媒体业务（话音、数分组交换），能够提供移动宽带多媒体业务（话音、数据、视频等，可收发电子邮件，浏览网页，进行视频会据、视频等，可收发电子邮件，浏览网页，进行视频会议等），如议等），如 CDMA2000，WCDMA 和和 TD-SCDMA。n从从 3G 开始以后的各代蜂窝移动通信都是以传输开始以后的各代蜂窝移动通信都是以传输数据业数据业务为主务为主的通信系统，而且必须兼容的通信系统，而且必须兼容 2G 的功能（即能够的功能（即能够通电话和发送短信），这就是所谓的通电话和发送短信），这就是所谓的向后兼容。向后兼容。9.4.1 蜂窝无线通信技术简介蜂窝无线通信技术简介 n第四代（第四代（4G）正式名称是正式名称是 IMT-Advanced(International Mobile Telecommunications-Advanced)，意思是，意思是高级国际移动通信。高级国际移动通信。n4G的一个重要技术指标就是要实现的一个重要技术指标就是要实现更高的数据更高的数据率。率。目标峰值数据率是：固定的和低速移动通信目标峰值数据率是：固定的和低速移动通信时应达到时应达到1 Gbit/s，在高速移动通信时（如在火，在高速移动通信时（如在火车。汽车上）应达到车。汽车上）应达到100 Mbit/s。9.4.1 蜂窝无线通信技术简介蜂窝无线通信技术简介 n4G 现有两个国际标准现有两个国际标准：nLTE(Long-Term Evolution)：p又又分为分为时分双工时分双工 TD-LTE 和和 频分双工频分双工 FDD-LTE 两种两种。p把带宽增加到把带宽增加到 20 MHz，采用了高阶调制，采用了高阶调制 64QAM 和和 MIMO 技术。技术。nLTE-A(LTE-Advanced)：pLTE 的升级版，俗称为的升级版，俗称为 3.9G。p带宽高达带宽高达 100 MHz。9.4.2 移动移动 IPn移动移动 IP(Mobile IP)又称为移动又称为移动 IP 协议协议，是由是由IETF 开发的一种技术开发的一种技术。移动移动 IP 对现在流行的在对现在流行的在移动中上网有着重要的意义。移动中上网有着重要的意义。n这种技术允许计算机移动到外地时，仍然这种技术允许计算机移动到外地时，仍然保留保留其其原来的原来的 IP 地址。地址。n移动移动 IP 要解决的问题：要解决的问题：使用户的移动性对上层使用户的移动性对上层的网络应用是的网络应用是透明透明的。的。9.4 GSM 中的切换中的切换n切换切换(handover)就是移动用户与相关联的基站发生了改变。就是移动用户与相关联的基站发生了改变。n移动用户在和一个基站相关联期间，会移动用户在和一个基站相关联期间，会周期性周期性地测量来自地测量来自其当前基站及其邻近基站的其当前基站及其邻近基站的信标信号强度，信标信号强度，并将测量结果并将测量结果以每秒以每秒 1 2 次频率报告给当前基站。根据这些测量数据以次频率报告给当前基站。根据这些测量数据以及邻近蜂窝的当前负载情况，当前基站决定是否发起切换。及邻近蜂窝的当前负载情况，当前基站决定是否发起切换。n移动站的切换可能仍处在同一个移动站的切换可能仍处在同一个 MSC 的控制下，而只是相的控制下，而只是相关联的基站发生了变化。但在许多情况下，移动站的切换关联的基站发生了变化。但在许多情况下，移动站的切换是相关联的是相关联的 MSC 都改变了。在这种情况下，向移动站的呼都改变了。在这种情况下，向移动站的呼叫路由会有很大的变化。叫路由会有很大的变化。9.5 两种不同无线上网两种不同无线上网n前面已经介绍了两种不同的无线上网方法前面已经介绍了两种不同的无线上网方法。n但应注意，但应注意，它们它们上网所需的上网所需的费用是很不一样的。费用是很不一样的。n目前目前蜂窝移动网络蜂窝移动网络的运营商的上网收费都是按照用的运营商的上网收费都是按照用户所消耗的户所消耗的数据流量数据流量来计算的。来计算的。n我国的我国的宽带入网宽带入网一般都是根据用户使用的带宽多少，一般都是根据用户使用的带宽多少，按使用的按使用的时间时间（按月或按年）付费的，因此，使用（按月或按年）付费的，因此，使用家庭的无线路由器上网，并不需要再增加任何额外家庭的无线路由器上网，并不需要再增加任何额外上网的费用。上网的费用。几种无线网络的比较几种无线网络的比较802.11n覆盖范围覆盖范围1 Gbit/s100 Mbit/s10 Mbit/s1 Mbit/s100 kbit/s10 kbit/s用户用户数据率数据率PAN LAN MAN WAN802.15.4ZigBee802.15.1蓝牙蓝牙802.15.3超宽带超宽带802.11g,a802.11b802.162G移动通信移动通信3G移动通信移动通信4G移动通信移动通信Wi-FiWiMAX5G移动通信移动通信各种无线网络，可以看出，这些网络各有优缺各种无线网络，可以看出，这些网络各有优缺点，也都有各自最适宜的使用环境。点，也都有各自最适宜的使用环境。