第9章-无线网络-高殿武要点

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本章学习要求,：,掌握无线局域网基本概念和技术原理,掌握蓝牙的组网方式、物理层和,MAC,子层的主要特性,了解,ZigBee,与,UWB,了解无线城域网,WMAN,实践,:,笔记本无线上网设置实例,第,9,章 无线网络,9.1,无线局域网,WLAN,移动接入,无线局域网建网,一 无线局域网的基本概念,IEEE 802.11,标准,无线局域网有两种配置实现方案：,有基站，或者没有基站,Wi-Fi,（,Wireless-Fidelity,）,1,IEEE 802.11,基站结构模型,2,自组网络,2,自组网络（续）,自组网络有很好的,应用前景,战场指挥、灾害场景、移动会议、传感器网络,WSN,（,Wireless Sensor Network,）,由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络,应用：进行,各种,监测，包括数据的采集、处理和传输,带宽,、,功耗 、存储容量 、协议栈,结点基本上是固定不变,3,IEEE 802.11,协议栈,二,IEEE 802.11,物理层,协议,802.11,802.11a,802.11b,802.11g,发布时间,July 1997,Sept 1999,Sept 1999,July 2003,有效频宽,83.5MHz,325MHz,83.5MHz,83.5MHz,调制方式,FHSS/DSSS,OFDM,HR-DSSS,OFDM,传输速率,2Mb/s,6,54Mb/s,5.5Mb/s,、,11Mb/s,54 Mb/s,三,IEEE 802.11,的,MAC,子层协议,4,种标准均采用的是,CSMA/CA,（,CA,，,Collision Avoidance,，冲突避免）协议,CSMA,CA,在使用,CSMA/CA,的同时还使用,停止等待协议,在无线局域网的环境下的,MAC,协议必须解决两个问题,（,1,）不能避免,隐藏站,问题,（,2,）存在,暴露站,的问题,三,IEEE 802.11,的,MAC,子层协议（续）,1,IEEE 802.11,协议结构,2,CSMA/CA,协议的基本原理,DCF,让各个站争用信道使用的是,CSMA/CA,协议,在该协议中使用了,物理信道的监听手段,与,虚拟信道的监听手段,虚拟信道的监听,数据帧的头部“,持续时间,”字段,网络分配向量,NAV,（,Network Allocation Vector,）,信道处于,忙状态,的持续时间,退避机制,当一个站要发送数据帧时，在以下几种情况下必须进行退避,在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态,每一次的,重传,每一次的成功发送后再要发送下一帧,只有检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧时才不退避,帧间间隔,CSMA/CA,通过定义,帧间间隔,来,实现一个,BSS,内的,PCF,数据与,DCF,数据的共存,四,IEEE 802.11,帧结构,IEEE 802.11,标准定义了三种用于通信的帧：数据帧、控制帧和管理帧,五,IEEE 802.11,服务,5,种分发服务和,4,种站服务,5,种分发服务是由基站提供的，它们处理站的,移动性,（,1,）,关联,（,association,）,（,2,）,分离,（,disassociation,）,（,3,）,重新关联,（,reassociation,）,（,4,）,分发,（,distribution,）,（,5,）,融,合,（,integration,）,五,IEEE 802.11,服务（续）,4,种站服务是,在,BSS,内部,进行的。当关联过程完成之后，这些服务才可能会用到。,（,1,）,认证,（,authentication,）,（,2,）,解除认证,（,deauthentication,）,（,3,）,私密性,（,privacy,）,（,4,）,数据投递,（,data delivery,）,9.2,无线个域网,WPAN,无线个域网,WPAN,个人,自组网络,802.15:MAC,层和物理层,2.4 GHz,的,ISM,频段,WPAN,被广泛关注的技术及其标准有三个：,（,BlueTooth,）,（,Ultra-Wide Band,，,UWB,）,（,LR-WPAN,）（,ZigBee,）,一 蓝牙技术与标准,1999,年,7,月蓝牙,SIG,推出了蓝牙协议,1.0,版,标准是由,IEEE,与蓝牙,SIG,合作共同完成的,标准已于,2002,年,4,月,15,日由,IEEE-SA,的标准部门批准成为一个正式标准，它可以同蓝牙,v1.1,完全兼容,标准的目标在于在个人操作空间（,POS,）内进行无线通信,1,蓝牙组网方式,一是,微微网,（,Piconet,）,由一个主控设备（,Master,，即主结点）和,10,米距离之内的,1,到,7,个从属设备（,Slave,，即从结点）组成。同时，一个微微网最多可以有,255,个,静观的设备,（静观状态的从结点）,二是,分散网,1,蓝牙组网方式,2,物理层主要特性,低功率,、,频段、,覆盖半径为,10,米,GFSK,调制,、,总数据率,跳频扩频技术,支持,64Kbps,的实时语音,2004,年蓝牙工作组推出,2.0,版本，带宽提高三倍，且功耗降低一半,3,MAC,层主要特性,（,1,）微微网的,跳频分时,机制,TDM,系统，时隙的间隔为,625,微秒,主,/,从模式,帧的长度可以为,1,，,3,或者,5,个时隙,对于一个单时隙的帧 ，,240,位数据,（,2,）逻辑信道,一是面向连接的同步信道（,Sychronous Connection-Oriented,，,SCO link,），主要用于提供,双向,64kb/s,的,PCM,语音通路,一个从属设备与它的主控设备之间可以有多达,3,条,SCO,链路,前向纠错机制,3,MAC,层主要特性,二是无连接异步信道（,Asychronous Connection-Less,，,ACL link,），用于分组交换数据,采用确认重传机制,（,3,）协议与接口,链路管理协议（,Link Manager Protocol,）,逻辑链路控制及适配协议（,Logical Link Control and Adaptation Protocol,，,L2CAP,）,负责对高层协议的,复用,，,数据包分割和重新组装,，处理与,服务质量,有关的需求（例如在建立链路时，需要协商最大可允许的,净荷长度,）,。,规定了一个标准化的控制接口（,Host Control Interface,，,HCI,）,二,UWB,技术,超宽带（,UWB,）技术起源于,20,世纪,50,年代末，此前主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用,美国,FCC,（联邦通信委员会）于,2002,年,2,月准许该技术进入民用领域，用户不必进行申请即可使用,作为室内通信用途，,FCC,已将,3.1GHz,10.6GHz,频带向,UWB,通信开放,UWB,不需要载波,，而是,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据,，需,占用很宽的频谱范围,，有效传输距离在,10,米以内，传输速率可达几百,Mbps,甚至更高,二,UWB,技术,超宽带是,基带传输,超宽带脉冲信号的,时域极窄,（纳秒级），,频域极宽,（数,Hz,到数,GHz,，可超过,10GHz,），其中的,低频部分可以实现穿墙通信,以,Intel,和,Texas Instrument,为代表的,MBOA,标准，主张采用,多频带方式,来实现,UWB,技术；以及以,Motorola,为代表的,DS-UWB,标准，主张采用,单频带方式,来实现,UWB,技术,UWB,技术几个突出的特点,功耗低,带宽高,抗干扰能力强,安全性好,缺陷,三 与,ZigBee,定义了,ZigBee,协议栈的最低的两层（物理层和,MAC,层），而上面的两层（网络层和应用层）则是由,ZigBee,联盟,定义的,ZigBee,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，其主要特点是通信距离短（,10,到,100m,之间），传输数据速率低，功耗低，并且成本低廉,1,及,ZigBee,协议栈,2,ZigBee,的组网方式,的网络设备分为两类：,完整功能,设备,FFD,（,Full Functional Device,）和,精简功能,设备,RFD,（,Reduced Functional Device,）,主要有两种组网方式,：,（,1,）,星型网络,（,2,）,簇型网络,2,ZigBee,的组网方式,2,ZigBee,的组网方式,FFD,结点具备控制器（,Controller,）的功能，能够提供数据交换，是,ZigBee,网络中的路由器,RFD,结点只能与处在该星形网的中心的,FFD,结点交换数据，是,ZigBee,网络中数量最多的端设备,协调器,（,coordinator,）,ZigBee,网络有,16,位和,64,位两种地址格式,需要说明的的是标准也支持点对点网络拓扑结构,3,物理层主要特性,采用的工作频率分为,868MHz,、,915MHz,和,2.4GHz,三种，各频段可使用的信道分别有,1,个、,10,个、,16,个，各自提供,20kb/s,、,40kb/s,和,250kb/s,的传输速率，具体实现如下：,（,1,）信道,0,，,868-868.6MHz,，中心频率,868.3Hz,；,BPSK,调制；提供,20kb/s,的数据通路,（,2,）信道,1-10,，中心频率,=906+2,（信道号,-1,）,MHz,，,BPSK,调制，每信道提供,40kb/s,的数据通路,（,3,）信道,11-26,，中心频率,=2405+5,（信道号,-11,）,MHz,，,O-QPSK,调制，每信道提供,250kb/s,的数据通路,各个频段采用直接序列扩频,DSSS,4,MAC,层主要特性,定义了两种访问模式,CSMA/CA,：,参考,WLAN,中,IEEE802.11,标准定义的,DCF,模式,、优缺点,可选的超级帧分时隙机制,：,类似于,802.11,标准定义的,PCF,模式,5,ZigBee,技术的优点,（,1,）省电（功耗低）,（,2,）可靠,（,3,）延迟短,（,4,）网络容量大,（,5,）安全和高保密性,6,Zigbee,技术的应用领域,通常，符合如下条件的一个或几个的无线应用，就可以考虑采用,Zigbee,技术做无线传输：,（,1,）需要,数据采集或监控,的网点多；,（,2,）要求,传输的数据量不大,，而要求设备成本低；,（,3,）要求数据传输可靠性高，安全性高；,（,4,）,设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块,；,（,5,）,电池供电,；,（,6,）,地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖,；,（,7,）,现有移动网络的覆盖盲区,；,（,8,）,使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统,（,9,）,使用,GPS,效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用,9.3,无线城域网,WMAN,可提供“,最后一英里,”的宽带无线接入（固定的、移动的和便携的）,无线本地环路,（,wireless local loop,）,802.16d,(2004,年,6,月,),：,固定宽带,无线接入空中接口标准（,2,66GHz,频段）,802.16e,（,2005,年,12,月）：,支持移动性的宽带,无线接入空中接口标准（,2,6GHz,频段），在其频段上它向下兼容,802.16d,一 基本概念,1,WiMAX,全球微波接入互操作性论坛,2,空中接口,802.16e,中定义的参考模型如图,一 基本概念,3,网络结构,IEEE 802.16,协议中定义了两种网络结构：,点到多点（,PMP,）结构和网格（,Mesh,）结构,一 基本概念,3,网络结构,一个完整的,802.16,系统应包含的网络实体有：用户设备,UE,，用户站,SS,，基站,BS,，核心网,CN,一 基本概念,4,协议栈,802.16,系列协议中各协议的,MAC,层功能基本相同，差别主要体现在物理层上,二,IEEE 802.16,物理层,工作在,10,66GHz,频段的,毫米波,按,向光线一样的直线传播,基站可以有,多个天线,，每个天线指向周边地区的不同,扇形区域,区别：蜂窝无线电波,视距（,LOS,）链路,毫米波段信号的强度会随着与基站的距离的增加急剧地衰减，所以信噪比也会随着与基站的距离的增加而下降,采用了三种不同的单载波调制方案：,QAM-64,、,QAM-16,、,QPSK,特点：,视距传输,、,多径干扰可以忽略,二,IEEE 802.16,物理层,802.16,可支持,TDD,（时分双工）,和,FDD,（频分双工）,两种无线双工方式,802.16,采用了,前向纠错技术,1,802.16d,的物理层,支持,TDD,和,FDD,两种无线双工方式,10,66GHz,固定无线接入系统主要采用单载波（,SC,）调制技术,2,11GHz,频段的系统，将主要采用,OFDM,（,256,点）和,OFDMA,（,2048,点）技术。,更低的成本提供更大的用户覆盖,系统受雨衰影响不大,系统可以在非视距传输环境下运行,系统可以采用从,1.25MHz,20MHz,之间的带宽,10,66GHz,的固定无线接入系统，还可以采用,28MHz,载波带宽,2,802.16e,的物理层,802.16e,的物理层实现方式与,802.16d,是基本一致的,主要差别是对,OFDMA,进行了扩展,支持,2048,点、,1024,点、,512,点和,128,点,当,802.16e,物理层采用,256,点,OFDM,或,2048,点,OFDMA,时，,802.16e,后向兼容,802.16d,（物理层）,三,IEEE 802.16,的,MAC,层,1,MAC,层各子层的功能,（,1,）,CS,子层为,MAC,层和高层的接口 ，提供了多个,CS,规范,（,2,）,CPS,子层实现主要的,MAC,功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等,它通过,MAC,层,SAP,接收来自各种,CS,层的数据并分类到特定的,MAC,连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施,QoS,控制。,（,3,）安全子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理,2,介质访问机制,IEEE802.16,采取的方式是在物理层将时间资源进行分片，通过时间片区分上行和下行。,切换点,下行是广播的，上行是,SS,发向,BS,的,上行时，物理层基于时分多用户接入（,TDMA,）和按需分配多用户接入（,DAMA,）相结合的方式,上行信道占用了许多个时隙，初始化、竞争、维护、业务传输等应用都是通过占用一定数目的时隙来完成的，其占用的数目由,BS,的,MAC,层统一控制，并根据系统要求而动态改变,2,介质访问机制,下行信道采用时分复用（,TDM,）方式，,BS,侧产生的信息被复用成单个的数据流，广播发送给扇区内的所有,SS,每个,SS,接收到广播消息后，在,MAC,层中提取检查消息连接的,CID,（连接标识符）信息，从而判断出发给自己的信息，丢弃其他信息,BS,还可以以单播、多播的方式向一个或一组,SS,发送消息,3,MAC,层的链路自适应机制,（,1,）自动请求重传（,ARQ,）,（,2,）混合自动重传请求（,H-ARQ,）,协议中仅规定,OFDMA,物理层提供对,H-ARQ,的支持,（,3,）自适应调制编码（,AMC,）,4,QoS,保证机制,IEEE 802.16,是第一个提出在,MAC,层提供,QoS,保证,的无线接入标准,802.16MAC,层是基于连接的，即所有终端的数据业务以及与此相关的,QoS,要求，都是基于连接进行的,每一个连接均由一个标识符（,CID,）来唯一进行标识,标准还定义了四种不同的业务，与之对应的是四种上行带宽调度模式,4,QoS,保证机制,（,1,）非请求的带宽分配业务：用于恒定比特率的服务,（,2,）实时轮询业务：周期性地为终端分配可变长度的上行带宽，位速率可变的实时服务,（,3,）非实时轮询业务：不定期地为终端分配可变长度的上行带宽，位速率可变的非实时服务,（,4,）尽力而为业务：尽可能地利用空中资源传送数据，但是不会对高优先级的连接造成影响，尽力投递服务,1,、,IEEE 802.11,无线局域网有哪两种配置实现方案？简单说明这两种配置方式。,2,、试解释无线局域网中的名词,:BSS,，,ESS,，,AP,，,DCF,，,PCF,和,NAV,。,3,、无线局域网的物理层主要有哪几种？,4,、你对无线局域网环境下的暴露站和隐蔽站问题是如何理解的？,5,、,802.11,采用的是,CSMA/CA,协议，其中,CA,为冲突避免，请问其,CA,是通过哪些机制实现的？,6,、无线局域网的,MAC,协议中的,SIFS,，,PIES,和,DIFS,的作用是什么,?,思考题,7,、,802.11,提供哪些服务？,8,、蓝牙有哪两种组网方式？,9,、简述蓝牙的物理层和,MAC,子层的主要特性。,10,、什么是超宽带？与通常所说的“窄带”和“宽带”有何区别？,11,、,UWB,技术有哪些突出的特点？,12,、,ZigBee,有哪两种组网方式？,13,、简述,ZigBee,的物理层和,MAC,子层的主要特性。,14,、结合,ZigBee,的优点，分析其主要的应用领域。,15,、,IEEE 802.16,协议中定义了哪两种网络结构？,思考题,