第9章-无线网络-高殿武要点.ppt

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 IEEE802 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 IEEE802 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 WirelessSensorNetwork 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 IEEE802 11协议栈 二IEEE802 11物理层 三IEEE802 11的MAC子层协议 4种标准均采用的是CSMA CA CA CollisionAvoidance 冲突避免 协议CSMACA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IEEE802 11的MAC子层协议 续 1 IEEE802 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 NetworkAllocationVector 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IEEE802 11帧结构 IEEE802 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IEEE802 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IEEE802 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 datadelivery 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 4GHz的ISM频段WPAN被广泛关注的技术及其标准有三个 IEEE802 15 1 BlueTooth IEEE802 15 3a Ultra WideBand UWB IEEE802 15 4 LR WPAN ZigBee 一蓝牙技术与IEEE802 15 1标准 1999年7月蓝牙SIG推出了蓝牙协议1 0版IEEE802 15 1标准是由IEEE与蓝牙SIG合作共同完成的802 15 1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 SychronousConnection Oriented SCOlink 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 AsychronousConnection Less ACLlink 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 LinkManagerProtocol 逻辑链路控制及适配协议 LogicalLinkControlandAdaptationProtocol 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 HostControlInterface 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TexasInstrument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IEEE802 15 4与ZigBee IEEE802 15 4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 IEEE802 15 4及ZigBee协议栈 2 ZigBee的组网方式 EEE802 15 4的网络设备分为两类 完整功能设备FFD FullFunctionalDevice 和精简功能设备RFD ReducedFunctionalDevice 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IEEE802 15 4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 wirelesslocalloop 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IEEE802 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IEEE802 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IEEE802 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IEEE802 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 IEEE802 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