第二章-无线网络信道访问控制技术(MAC)ppt课件

1、第二章 无线网络信道访问控制（MAC）技术,MAC功能：将bit流组装成帧的格式，并依次发送各个顺序帧。（frame） MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性; 在MAC子层的诸多功能中，非常重要的一项功能是仲裁介质(即通信信道)的使用权，即规定站点何时可以使用通信介质,2.1 基本概念,无线信道 全向传输 节点移动 无缝切换 扩频 Spread-Spectrum 跳频序列扩频（FHSS）- Frequency Hopping Spread Spectrum 直接序列扩频（DSSS）

2、- Direct Sequence Spread Spectrum,扩展频谱(Spread Spectrum)技术,扩 展 频 谱 是 对 基 于,频 道 划 分 的 颠 覆,在同一个频道内将几十个或者几百个 电路和发射机互相堆积 扩频将干扰设计到系统中 扩频能使用非常宽的频道 扩频系统自动平衡、自我调节 发展扩展频谱的实际目的是为了达到阻止通信： 阻止敌人接收和译码； 检测和干扰军队无线通信,扩展频谱在军事上的运用 扩展频谱的保密在于其对于军队的重要性 能够承受战时战场上严重的干扰； 避免敏感通信中途被截获 提供非常好的保密性； 不仅具有技术保密性，还具有操作保密性 即使敌人 拥有技术/设备

3、，并且准确了解所用频带仍然不能对传 输信号干扰或者译码； 可避免敌人通过无线传输了解部队位置； 由于保密，扩展频谱技术在其发明者去世7年之后、 在发明者构想出现30年之后的1978年才发表,扩频系统的一般描述,两种扩频方法 作为反干扰策略提出的跳频扩展频谱FHSS； 为实现保密话音通信提出的直接序列（噪声调制扩频）DSSS,信道 编码器,信 道,信道 解码器,伪噪声 发生器,伪噪声 发生器,输入 数据,输出 数据,调制器 扩展码,解调器 扩展码,窄带模拟信号,窄带模拟信号,扩展后的信号,跳频干扰游戏（1/3） 目的：发射者确保他的发射频率与干扰者不同 假设：发射者可在任何时候改变频率,选择发

4、射频率,选择干 扰频率,干扰者获 胜的序列,发射者 获胜,通 信 者 只 有,一 个 信 息 片,干 扰 者 用 一,系 列 干 扰 片,发射者和接收者必须具有相同顺序的频 率变化； 通信双方的唯一优势是可以使用预知的 频率变化次序,跳频干扰游戏（2/3） 如果一：干扰者能够迅速扫描所有的频道，并在很短时间 内找到发射频率,跳频 发射者仍然只有 一个信息片，但 可以移动它,选择干 扰频率 通信双方设备必须按照顺序完 成频率跳变; 随着干扰者越来越快地找到发 射频率，跳变必须越来越快,跳频干扰游戏（3/3） 如果二：两者都能按照物理规律允许的最高速度移动和反 应,跳频 发射者信息片拆 分为短脉冲

5、在一 个随机顺序的频 率上发射,选择干 扰频率 跳频序列随机化。如果 序列是完全随机的，干 扰者将完全不能预测将 来的跳变位置,跳频序列扩频（FHSS,FSSS特点 信号在一串随机序列的频,率上广播 接收者以与发送者同步的 方式跳转频率 窃听者听到的难以理解 好处 干扰仅影响某个频率上的有限几比特； 跳频能克服噪声干扰和多径效果； 没有传统意义上的阻塞； Frequency Hopping Spread Spectrum,相当宽的频带被划 分成大量的窄频道,FHSS实例 FHSS与传统的FSK调制方法类似； FSK通常只使用两个频率，FHSS将使用数千个频率,DSSS噪声调制,ITT组发明 将

6、类噪声型信号加入到拟传输的信号之中,话音信号,已知特征 的噪声型,看起来更像噪 声的调制信号,淹没的原始话音信号,已知噪声,噪声调制信号,发 送 端,接 收 端,输入信息信号可 以比淹没它的噪 声低几千倍仍然 能成功地传输,直接序列扩展频谱（DSSS,基本原理,将两个数字信号加到一起得到第三个实际传输比特流； 第一个信号是信息信号； 第二个信号是由随机序列产生器产生的随机比特流； 第三个比特流的速率与第二个信号相同； 10Kbps 信息源 100Mbps 随机伪 噪声 100Mbps 混合 信号,Direct Sequence Spread Spectrum,无线信道共享，MAC控制的两个基本

7、要求 1）公平性：尽量保证多个节点公平使用信道 2）高利用率：充分利用有限的频带资源,与有线固定网络信道控制不同，无线信道的MAC更加复杂，原因是信号衰减与距离的平方成正比，同时冲突主要发生在接收端，在发送端进行检测作用不大 一般采用动态多点随机接入技术进行控制，动态地进行信道分配,一、通信网络中的信道共享方式,点对点 两个终端共享一个信道,T,T,点对多点 一般用于中心站控制的无线信道，终端在中心站控制下共享一个或多个无线信道。所有终端均处于中心站覆盖范围内,C,T,T,T,多点共享 多个终端共享一个广播信道，也称为一跳共享广播信道,T,T,T,T,T,二、RTS/CTS协议（Request

8、 To Send/Clear to Send,请求发送/允许发送协议，一种握手协议，用于解决“隐藏终端”问题。 隐藏终端,无线传输相关“范围,传输范围（TX_range）：可以成功接收帧的通信范围，取决于发送能量和无线电波传输特性 物理层侦听范围（PCS_range）：可以检测到该传输的范围，取决于接收器灵敏度和无线电波传输特性 干扰范围（IF_range）：在此范围内的节点如果发送不相关的帧，将干扰接收端的接收并导致丢帧,隐藏”节点问题,假设：A正在向B传输数据，C也要向B发送数据,隐藏”节点的干扰,隐藏终端问题,隐藏终端：在接收者的通信范围内而在发送者的通信范围外的终端,带来的问题： A向

9、B发送报文，C听不到A的发送。C也发送报文时在B发生碰撞,隐藏终端,A向B发送信息，C未侦测到A向B的发送，故A和C同时将信号发送到B，引起信号冲突，最终导致发送到B的信号都丢失了。 这将带来效率损失，而且需要错误恢复机制。当需要传送大容量数据时，这种差错最容易发生，要尽力避免,RTS/CTS握手协议,1）节点A向节点B发送RTS，表明A需要向B发送数据。 RTS 帧有两个目的： 预约无线链路的使用权，并要求接收到这一消息的其他的工作站停止发送。（发送端清场） 2） B接收到A的RTS后，向周边所有节点发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送。而其他欲向B发送数据的节点则暂停发送；（接收端清

10、场） 3）在A、B双方成功交换RTS/CTS信号后，即完成握手后，A向B开始发送数据,这种机制保证了多个互不可见的发送节点同时向一个接受节点发送信息时，实际上只能是收到接受节点回应CTS的那个节点能够发送，避免了冲突发生。 实际上，冲突还是有可能发生，即A、C同时向B发送RTS时，两者的RTS在B上冲突，B无法接收准确的信息，则不发送任何回应的CTS。这样，A和C都收不到B的CTS消息，则采用退避竞争机制，分配一个随机定时值，再竞争发送RTS，直到成功为止,2.2 IEEE 802.11 MAC控制技术,2.2.1 WLAN简介 WLAN（Wireless Local Area Network

11、）：指以无线信道作为传输介质的计算机局域网 WLAN需满足LAN的一般需求 高容量 覆盖短程距离 站点全联通 广播特性,WLAN优点及局限性,优点 移动性（固定、半移动、全移动） 灵活性 经济性 局限性 可靠性 带宽与系统容量 安全性 节能管理,无线局域网的发展,第一代无线局域网 1985年FCC颁布电波法规 RangeLAN的900MHz产品、NCR的2.4G产品、摩托罗拉的Altair产品 第二代无线局域网 1990年，IEEE成立802.11任务组，开始无线局域网标准化 1997年，IEEE802.11标准发布 第二代工作在2.42.4835GHz频段，传输速率12Mb/s 第三、四代无

12、线局域网 欧洲成立HiperLAN标准化组织（5.155.35GHz，17.117.3GHz） 1999年，IEEE802.11a和IEEE802.11b，传输速率分别达到54Mb/s和11Mb/s 无线以太网兼容性联盟(WECA) ，WiFi认证 2002年，IEEE802.11g，与802.11b兼容，速率达到54Mb/s HiperLAN2，工作在5GHz，速率达到54Mb/s,802.11标准,所提议的无线LAN标准的作用范围是为局域网固定的、便携的和可移动的站点的无线连接开发的规范 术语： 站点 接入点（AP） 基本服务集（BSS）：由单个协调功能控制的站点集合 协调功能：决定BSS

13、中运行站点何时被允许发射及何时可能接收PDU的逻辑功能 分布式系统（DS）：用于BSS互联的网络 扩展服务集（ESS,802.11拓扑结构,802.11拓扑结构（续,802.11服务,访问控制和安全性 Authentication、deauthenticaton、privacy 用于支持MAC服务数据单元的传送 处理移动性 Association、re-association、disassociation、distribution、integration 数据传递 MSDU delivery (MSDU：MAC用户传送给MAC协议需要传输的一块数据,接入认证和隐私服务,Authenticati

14、on 802.11支持多种认证模式，并允许对此进行扩充 标准没有强制任何特定认证模式 De-authentication 一个原先已通过认证的站点离开网络时需要解除认证 Privacy 用来防止消息内容被非制定接收者阅读 WEP，WPA/WPA2,关联（association）服务,Association 站点必须与所在BSS的AP建立关联，AP才能将此信息通报给ESS内的其他AP，以便路由和帧的传递 Re-association 关联可从一个AP转换到另外一个，允许站点从一个BSS移动到另一个 Disassociation 去联通告可由AP或者与之关联的站点发出 MAC管理机制防止没通告的站

15、点消失,分布式系统内的消息分发,Distribution 用在站点之间交换MAC帧 从一个BSS的站点发送到另一个BSS的站点 Integration 当数据交换双方一个位于802.11LAN，另一个位于非802.11LAN时 涉及地址转换、传输介质变换逻辑和帧格式转换,IEEE 802.11协议栈,IEEE 802.11协议栈,802.11物理层与MAC层,物理介质依赖子层（PMD） 调制解调和编码/解码 物理层汇聚协议（PLCP） 向上提供独立于传输技术的物理层访问点（SAP） 802.11介质访问控制层 控制介质访问 用户数据分段 加密,802.11 PHY,2.2.2 802.11介质

16、访问控制(MAC控制,802.11 MAC设计目标 单个MAC支持多个PHY 抗干扰能力强（传输） 处理隐藏节点问题（传输） 支持限时服务、QoS （服务） 重载下可扩展并且稳定（服务） 提供节能模式（特殊服务） 提供隐私性和访问控制 基于分布方式的无线媒介访问控制协议（DFWMAC,IEEE 802.11MAC基本服务,异步数据服务 广播 组播 Best effort Ad hoc 、AP 时限服务 AP 需要AP控制介质访问以避免冲突,802.11基本访问机制,基于CSMA/CA的强制基本功能 避免隐藏终端问题的可选功能 时限服务的无冲突polling方法,协调功能CF(DCF 从对等层接

17、收CS PDU. 802.16协议定义了两种特定服务汇聚子层：ATM汇聚子层和分组汇聚子层ATM汇聚子层用于支持基于ATM连接的各类数据单元，分组汇聚子层则用于映射类似于IPv4、IPv6、以太网和虚拟局域网（VLAN）的分组业务数据单元,2、MAC公共子层（MAC Common Part Sublayer），简称CPS子层 CPS子层提供了MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和维护等。 CPS子层通过MAC SAP从不同的CS子层接收数据，形成MAC SDU。MAC SDU可以被拆分，也可以与其他一个或数个MAC SDU合并为一个新的MAC PDU，并按MAC连接分类，以保证

18、QoS,公共部分子层（CPS,MAC公共部分子层完成几乎所有的MAC层核心功能，包括： MAC PDU的构建和传送； 网络的进入和初始化； 带宽的请求和授予； 竞争解决算法的实现; 服务流的管理； 各种链路自适应技术的实现等,3、安全子层 MAC层包含一个单独可选的安全子层来提供认证，密钥交换及加密。 802.16通过加密SS和BS之间的连接给用户提供秘密接入固定宽带无线网络的能力，此外BS通过加密相关的业务流禁止未经授权的访问，还给运营商提供强大的防盗用功能,安全子层,安全子层通过对BS和SS之间的连接进行加密，为经过WMAN网络的用户数据提供保密； 安全子层为运营商提供强有力的防止服务被窃

19、取的保护机制； 通过对网络中的服务流进行加密，BS可以阻止对数据传输服务进行的未授权的访问； 通过采用一种授权客户端服务器密钥管理协议，作为服务器的BS控制密钥信息在SS客户端中的发布。 基本密钥管理机制中还加入了基于电子证书的SS授权机制，进一步加强了基本保密机制。 保密机制有两个基本的协议： 用于加密数据包的封装协议 密钥管理协议,一、IEEE 802.16 的基本MAC 技术,PMPPoint to MultiPoint 点对多点方式，适用与一个基站BS服务多个用户站SS的接入方式。 BSBase Station SSSubscriber Station（与安全子层SS区分开来,典型应用

20、模式（1）PMP应用模式,PMP应用模式以基站（BS）为核心，采用点到多点的连接方式，构建星形结构的WiMAX接入网络。 基站（BS）扮演业务接入点（SAP，Service Access Point）的角色，通过动态带宽分配技术，基站（BS）可以根据覆盖区用户的情况，灵活选用定向天线、全向天线以及多扇区技术满足大量的用户站（SS，Subscriber Station）设备接入核心网的需求。 必要时，可以通过中继站（RS，RepeatStation）扩大无线覆盖范围。还可以根据用户群数量的变化，灵活划分信道带宽，对网络扩容，实现效益与成本的协调,PMP应用模式是一种常用的接入网应用形式，其特点在

21、于网络结构简洁， 应用模式与xDSL等线缆接入形式相似，因此，是一种线缆替代的理想选用方案,1）BS基站集中控制下行方向的发送，以TDM（时分复用）方式将消息发送给SS。用户站SS在下行链路侦听，检查接收到的协议数据单元PDU中的连接标识CID，选择性接收发送给本节点的PDU。 （2）在上行方向上，SS发送带宽使用请求，并与基站协商信道服务参数，若能满足，则可以由BS授权进行数据发送。 （3）相关协议可以控制用户之间的竞争，同时能够尽量提供SS用户站所请求的满足一定延迟和带宽需求的信道服务。 （4）上行信道服务过程通过四种基本调度模式完成 主动授权服务 UGS（Unsolicited Gran

22、t Service） 实时轮询服务 RTPS(Real Time Polling Service) 非实时论序服务 nrtPS 尽力传输服务 BE (Best Effort,主动授权服务,主动授权服务（UGS）为周期性、定长分组的固定比特率（CBR）服务流。BS实时地、周期地向携带该业务的连接提供固定带宽分配，以减少SS请求开销并保证满足业务流的实时需求。 UGS连接只能使用BS主动提供的周期性带宽授予来发送数据，而不是SS向BS发送带宽请求。 在传输UGS业务的连接上传送的典型业务包括：固定比特速率的ATM和ATM之上的E1/T1服务、无静音压缩的VoIP服务等。 UGS服务流的关键QoS参

23、数为：主动授予大小、每间隔授予、推荐授予时隔、可容忍的授予抖动。实施这些参数的理想调度是通过定义参考时间t0来实现的。所需要的传输时间定义为：ti=t0+i*interval,其中interval为推荐授予间隔。而实际的授予时间ti必须满足条件：t0=ti=ti+jitter,其中jitter是可容忍的授予抖动,实时查询服务,实时查询服务（rtPS）为周期性、变长分组的实时变比特率服务流，如MPEG视频业务流。 BS向携带该业务的rtPS连接提供实时的、周期的单播轮询，从而使得该连接能够周期地告知BS其变化的带宽需求，BS也能够周期地为其分配可变的突发带宽供其发送变长分组。 这种服务比UGS的

24、请求开销大，但能使BS按需动态分配带宽。 rtPS 服务流的关键QoS参数为：建议轮询间隔、可容忍的轮询抖动和最小预留业务速率,非实时查询服务,非实时查询服务（nrtPS）为非周期性、变长分组的非实时变比特率服务流，如高带宽的FTP业务流。 BS应有规律地（不一定周期）向携带该业务的连接提供单播轮询机会，以保证即便在网络阻塞时，该连接也有机会发出带宽请求。该连接也可以使用竞争模式来发送带宽请求。 nrtPS 服务流的关键QoS参数为：建议轮询间隔、最小预留业务速率和业务优先级,尽力而为,尽力而为（BE）服务的特点：不提供完整的可靠性，通常执行一些错误控制和有限重传机制，其稳定性由高层协议来保证

25、。 这种连接不仅可以使用单播轮询所提供的发送机会，而且可以使用竞争模式来发送带宽请求。典型的BE服务为Internet网页浏览服务。 BE 服务流的关键QoS参数为：最小预留业务速率和业务优先级,WiMAX MAC技术调度类型与QOS参数,IEEE 802.16的基本MAC层是面向连接的，即基于连接的信道分配机制。 SS 服务流 即SS注册后，即可获得相应的QoS保障的信道服务。 SS 服务流 连接 逻辑信道（TDM某个固定时隙） 可以申请、变更、增减，根据数据传输作出变化 每个连接由一个16bit的CID来唯一标识,MAC层最显著的特征是：它是基于“连接”的，即所有SS的数据业务以及与此相联

26、系的QoS要求，都是在“连接”的范畴中来实现的。 每一个“连接”均由一个连接标识符(16 bit)来唯一地标识(CID)。一个SS注册后，“连接”以及伴随着的服务流就被提供给这个SS，而且，当用户的业务需要改变时，也可以新建一个“连接”。“连接”一旦建立起来之后，需要维护时，维护要求则随着连接的业务类型不同而改变。 当然，当用户的业务合约改变时，“连接”也可以被终止。与“连接”紧密相连的服务流概念则定义了在“连接”上传输的PDU(协议数据单元)的QoS参数，一个“连接” 分配一个服务流，服务流也可以与带宽分配过程联系在一起,SS注册初始化时，BS与SS之间将建立起两条管理连接（上下行），加上可

27、选产生的第三管理连接，即在两者之间存在固有的三种不同级别的QoS管理流。 基本连接： 短的、时间紧急的MAC 管理消息 第一管理连接： 长的，延迟较大的MAC管理消息 第二管理连接： 基于DHCP，TFTP，SNMP标准消息,IEEE 802.16 基本MAC信道控制为面向连接的无竞争方式，即请求/准予接入方式。通过注册协商QoS服务等级来分配信道。信道一般为TDM的逻辑信道。系统在SS注册时设立三个固定的管理连接，处理各种控制信息,WiMAX MAC技术连接管理,MAC层是面向连接的技术：MAC设计的中心思想就是以连接为基础的业务流架构。连接用CID标识，业务流与连接相关联，并用SFID标识

28、。 业务流管理：业务流与QOS相关联，上下行业务调度以QOS为基础，MS以连接为基础来请求带宽,BS,Classifier,Scheduler,MS,Classifier,FTP Service,VoIP Service,MAC Connections with QoS Parameters,PDU(SFID,CID,PDU(SFID,CID,BE,UGS,rtPS,上下行管理信息传送CID：广播、Basic、Primary和第二类管理连接，传送管理消息，对应不同的QoS。 调度类型：空口根据标准定义的5类QoS业务等级（UGS，rtps，nrtps， ertps，BE）进行流分类、调度，满足

29、不同类型业务的速率、时延、抖动要求,Mesh应用模式采用多个基站（BS）以网状网方式扩大无线覆盖区。 其中，有一个基站作为业务接入点（SAP）与核心网相连，其余基站（BS）以无线链路与该SAP相连。 因此，作为SAP的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点，而其余基站并非简单的中继站（RS）功能，而是业务的接入点,Mesh应用模式的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸。 对于市郊等远离骨干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围，其规摸取决于基站半径、覆盖区大小等因素,二、802.16 其他应用模式Mesh模式,热点回传,热点回传（backhaul）模式采用

30、WiMAX无线接入网络把远端WiFi热点Hotspot业务回送到核心网， WiMAX基站（BS）的作用仍为业务接入点（SAP），而WiMAX用户站（SS）是热点侧的无线接入设备，提供标准接口与热点相连，作为WLAN接入点（AP，AccessPoint）的热点设备再通过IEEE802.11a/b/g无线链路与无线终端连接。 WiMAX接入网络可根据实际情况灵活采用PMP或Mesh结构形式。对于移动运营商也可以采用该应用模式，把各小区移动基站业务回传到移动交换中心,WiMAX热点回传模式的主要特点在于作为业务回传应用，采用无线传输方式 与传统有线回传模式相比，其特点显而易见，可作为传统回传模式的补

31、充或替代方案,驻地网接入模式,驻地网接入模式主要针对集团用户，其目标是把诸如企业、校园和SOHO（Smalloffice Home Office）等用户驻地网通过WiMAX接入城域网。 与其他应用模式相同，基站（BS）还是作为SAP与核心网相连提供无线接入服务。在用户侧，用户无线接入设备SS，其一侧通过无线接口上联基站（BS），另一侧通过标准接口（例如以太网接口、E1等）与用户驻地网CPN设备相连。一般用户站（SS）采用定向天线，以及各种自适应技术，灵活调整工作方式，保证用户的正常接入,用户侧驻地网CPN设备可以是用户路由器、交换机、集线器等网络设备，甚至可以是另一种无线接入点（例如WiFi热

32、点），用于组成用户专用局域网，其典型实例是目前广泛存在的校园网、企业网、政府网或SOHO等形式。 驻地网接入模式特别适合于线缆接入不方便，对接入带宽要求不高的驻地间接入应用。与线缆接入方式相比，部署快捷是该模式的竞争优势,无线桥接模式,采用WiMAX无线桥接方式，可以避免困难的专线铺设或缴纳昂贵的线缆租金，并能迅速开通使用，连接距离远，连接带宽完全能满足一般应用需要。在用户专网建设方面，比有线桥接方式更具竞争力,无线桥接模式是一种点到点无线链接方式，与远程网桥的作用相似. 其目的是把地理位置分离的两个子网络通过WiMAX无线链路连接在一起。由于无线桥接采用点对点方式，两端WiMAX无线网桥设备

33、天线的方向可以彼此对准固定，因此传输性能相对稳定，部署也相对简单,终端接入模式,在终端接入模式下，用户终端设备（TE，Terminal Equipment）直接通过作为SAP的WiMAX基站（BS）接入核心网。而用户终端设备（TE）若要直接接入WiMAX网络，则必须配置符合WiMAX标准的用户单元（SU，Subscriber Unit），用户单元（SU）一般是WiMAX无线网卡或无线模块形式。 由于WiMAX接入速率很高，而且支持城域内终端设备的移动性（对于即将颁布的IEEE 802.16e），因此特别适合于接入速率要求高并且有移动性要求的终端应用,该模式的特点在于允许用户终端直接高速接入网络

34、，并支持便携式终端在城域范围内的移动和漫游。从技术和业务的角度看，只要再增加支持VoIP语音业务功能，就可成为名副其实的下一代移动通信网络,802.16各版本标准的应用场景,802.16d提供固定和游牧的业务， 802.16e除了提供前两种业务外，还 提供便携、简单移 动和全移动业务,2.3.3 802.20标准,IEEE802.20技术也被称之为Mobile-Fi。 最初由IEEE802.16工作组于2002年3月提出的。 2002年9月，IEEE802.20工作组正式成立。 IEEE标准协会(IEEE-SA)标准委员会2006年6月15日宣布，暂停IEEE802.20工作组的一切活动(发布

35、资料和PDF格式文档) 。 2006年11月13日，IEEE802.20工作组在美国德克萨斯州达拉斯召开了全体会议(Plenary Meeting)，重新开始了标准制定活动。 尽管举步为艰，但是我们认为IEEE802.20应该是前途光明，因为需求永远是拉动技术进步的最大动力,802.20技术特性,在物理层技术上，以OFDM和MIMO为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，大大提高了系统的频谱效率 在设计理念上，基于分组数据的纯IP架构应对突发性数据业务的性能也优于现有的3G技术，与3.5G(HSDPA、EV-DO)性能相当 另外，在实现、部署成本上也具有较大的优势,一、系统性能指标,不同场景

36、下的频谱效率,二、纯IP架构,IEEE 802.20秉承了IEEE 802协议族的纯IP架构。纯IP架构，与3GPP和3GPP2所提出的全IP概念有所不同前者是核心网和无线接入网都基于IP传输，而后者仅仅实现了核心网的IP化。设计架构的差异使802.20与其它3G技术相比具有明显的优势,802.20与其它技术间的关系,一、与802.11、802.16间的关系 上述标准主要是针对牧游式的无线接入，提供步行速率的移动性。802.20的目标市场定位于无线广域网，强调它对高速移动性的支持。 三种技术存在很强的互补性。若将它们混合组网，取长补短，将是一种非常好的全网覆盖解决方案,二、与3G技术间的关系,

37、从目标市场和技术特点看，802.20和3G确实存在较多的相似性，也就导致了它们之间的竞争性,IEEE 802.20与3G技术的对比,802.20 Vs 3G,1)两者的目标市场重叠较大。首先，它们都是广域网技术。其次，802.20具有低时延架构，它可以基于VoIP技术来提供高质量的语音业务，也就是说它可以支持3G所能提供的全部业务。 (2)在物理层核心技术上802.20更为先进，因而拥有更具吸引力的性能优势。 (3)802.20的纯IP架构使它在组网成本上具有较明显的价格优势。因而在部署广域网时，性价比高的802.20将更受运营商青睐,三、与3GPP LTE间的关系,LTE(Long Term

38、 Evolution)是国际标准化组织3GPP在2004年底提出的研究计划，旨在提高3G技术在宽带无线接入市场的竞争力。 LTE的市场定位是弥补3G技术在分组接入方面的不足，它的技术特性与802.20极为相似,相似点,都是针对广域网的移动通信技术，LTE支持最高的移动速率为350 km/h，并且能在15120 km/h下提供高性能的服务 物理层技术都是基于OFDM和MIMO，频谱效率都很高，并且摆脱了高通公司的CDMA专利制约 都支持低的时延，LTE的接入网时延在10 ms以内，控制平面时延小于100 ms 都是基于IP的架构，LTE的目标是建立一个无线接入网与固网融合的纯IP的核心网，以满足

39、宽带无线接入的需求,802.20展望与总结,高移动性和高吞吐量必然是未来无线通信市场的重要需求。 IEEE 802.20正是为满足这一需求而专门设计的宽带无线接入技术，并具有性能好、效率高、成本低和部署灵活等特点。 802.20在移动性上优于802.16和802.11，在数据吞吐量上强于3G技术，其设计理念也符合下一代技术的发展方向，因而确实是一种非常有前景的无线技术,从技术上讲，802.20是3G和802.16e的一个补充. 802.20将提供一个基于IP的全移动网络，提供高速移动数据接入。其目标是在高速列车行使环境下（时速达250km/h），仍能向每个用户提供高达1Mbit/s的接入速率，

40、并具有永远在线的特点。 向用户提供的服务包括浏览网页、E-mail、没有大小限制的文件的上传和下载、流媒体、IP多播、远程信息处理、定位服务、VPN（虚拟专网）连接、即时消息和多人在线的游戏。802.20还将利用VoIP技术向用户提供话音服务,802.20在MAC层上可以同时传输数据、语音和视频，并定义了不同的QoS级别。802.20的MAC层不仅具有网络的基本功能，而且还具有独立控制一些建立信道的分组包的能力，并能通过定义双向原语（MAC层与物理层）来触发切换，同时还定义了定时参数和允许原语的时延。 为了支持网络层的移动性，MBWA系统引入了IPv6技术。在网络控制的切换中，网络决定移动节点

41、的连接点；在移动节点控制的切换中，网络决定了新的连接点，并与该点建立连接。MBWA采用了移动节点控制的切换方式,2.4 无线个域网IEEE 802.15协议族,无线个域网WPAN 蓝牙体系 蓝牙的核心协议 蓝牙的profile,无线个域网,无线个域网络（Wireless Personal Area Network） 是为了实现活动半径更小：数米 业务类型丰富：话音、数据、多媒体 面向特定群体：家庭与小型办公室 智能终端的无缝连接而提出的无线网络技术,无线个域网技术,红外技术 Zigbee 超宽带技术（ UWB ） 家庭射频（HomeRF） 蓝牙,UWB 意为“ 超宽带” (Ultra Wide

42、band)，这表明它占据的频带宽度很宽，譬如要占据从2GHz6GHz 之间的4GHz 带宽。而GSM 手机使用的带宽只有30kHz，802.11b 的带宽也不过是20MHz 左右。与现有的无线通信技术相比，UWB 的不同之处在于不使用载波，而是利用纳秒左右宽度的短脉冲来传输数据。通过调制脉冲的位置、幅度等来代表不同的信号,无线个域网标准,IEEE WPAN规范标准主要集中在802.15系列 802.15.1：是蓝牙底层协议的正式标准化版本，大多数标准制定仍由SIG完成 802.15.1基于Bluetooth1.1 802.15.1a对应Bluetooth1.2 802.15.2：解决WPAN与

43、WLAN共存问题 802.15.3：WiMedia，802.15.3a物理层使用UWB的多频段OFDM，480Mb/s 802.15.4：Zigbee，是低功耗、低复杂性、低速率的WPAN标准,WPAN标准对比,WPAN VisionIEEE,IEEE 802.15系列,Layers Focused,蓝牙（Bluetooth,Bluetooth,蓝牙是一种短距无线通信技术规范 目标：替代便携设备的连接线缆 特点：可靠、低功耗、低成本 短程：最大传输距离10米 性能中等：721Kbps 动态配置：自主联网/漫游 功耗：2.5mW 支持语音和数据传输,蓝牙的历史,1994年，Ericsson发起m

44、ulti-communicator link的研究； 1998年，成立特别兴趣小组（SIG），并更名为bluetooth 成员：Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba 目标：将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗、低成本的无线电波连接起来 发展：随着Lucent、3Com、Microsoft、Motorola加入SIG，现在SIG成员超过2500个 1999年，Bluetooth 1.0发布 2002年，IEEE采纳了bluetooth的物理层和数据链路层，发布了IEEE802.15.1,为什么叫Bluetooth,Ericsson借用了Harald Gormse

45、n的昵称blatand-”Bluetooth” 丹麦的国王（A.D. 940985） 统一了丹麦和挪威 寓意统一不同制造商的不同设备 2000年5月发布了蓝牙应用新图标,Bluetooth的应用,蓝牙好在哪里？ 没有线缆连接时 个域网（PAN） 使得一组个人设备协同工作 位置感知服务 仅在有限范围内并且需要时访问额外资源 充当进入Internet的桥梁 构建居家网络 运动中组网,连接计算机以及其他外部设备,支持自组织网络,充当访问Internet的接入点,构建家庭网络,运动中的连接,蓝牙系统,蓝牙模块,蓝牙应用实例,蓝牙传输特性,2.4GHz ISM频带 传输距离为10米 连接便携式和固定设备

46、 点/点和点/多点模式 数据速率 同步（电路交换技术） 64kbps 异步（分组交换技术） 433.9kbps（对称） 723.2kbps（非对称,蓝牙拓扑结构,点/点模式 point-to-point 两个蓝牙设备直接通信 Piconet（微网）point-to-multipoint 共享相同信道 8个蓝牙设备可在小型网络内通信 7个从设备和一个主设备通信 Scatternet（散网）point-to-multipoint 多达256个piconet可连接成更大的网络,蓝牙的piconet,Piconet的组成 1个Master节点控制FH通信的同步 7个Slave active节点 3-b

47、it Active Member address (AM_ADDR) 255个非活跃Parked节点 保持与master的同步 没有AM_ADDR 8-bit Parked Member Address (PM_ADDR,蓝牙的piconet,蓝牙的piconet,蓝牙的Scatternet,时间和空间层叠的多个piconets组成一个散射网 几个masters链接到同一个slave 一个master可以是另一个网络的slave,蓝牙的Scatternet,蓝牙的Scatternet,蓝牙标准,两大部分组成 Core规范 描述蓝牙协议各层的功能和详细定义 包括无线接口、数据链路控制以及互操作和

48、其他管理功能 Profile规范 规定了与传统/新应用相适配的协议和功能,蓝牙协议的体系结构,core 协议 cable replacement 协议 telephony control 协议 adopted 协议,蓝牙协议栈 Core,Core包含如下5层协议: Radio- 描述空中接口，包括调频的使用，调制模式和传输功耗. Baseband- 负责piconet内的连接建立, 寻址, 包格式, 能量控制等. Link manager protocol (LMP)- 链路建立和管理，鉴权和加密等. Logical link control and adaptation protocol (

49、L2CAP)- 将上层协议适配到baseband层. L2CAP 提供有连接和无连接两类服务. Service discovery protocol (SDP)- 支持设备信息, 服务和服务特性的查询，为蓝牙设备的互联提供支持,蓝牙协议栈,蓝牙协议栈,蓝牙协议栈,RFCOMM协议,RFCOMM是蓝牙规范定义的线缆替代协议. 定义虚拟串口支持尽量透明化的线缆替代. 支持二进制的数据传输 在baseband层模拟 EIA-232 控制信号 EIA-232 (RS-232) 是一类广泛应用的串口标准,TCS BIN,TCS BIN (telephony control specificationbi

50、nary) 蓝牙定义的 telephony control 协议. 面向bit，定义了蓝牙设备间执行语音和数据呼叫的相关呼叫控制信令。 此外，还定义了相关的移动性管理规程,自适应协议,其他协议组织定义，融合到蓝牙协议体系中 PPP- point-to-point protocol，是internet标准协议，支持点到点链路上的IP数据包传输; TCP/UDP/IP- TCP/IP协议栈的基础协议; OBEX- 对象交换协议，IrDA定义，包括对象的表示和操作模型，类似于简单的 HTTP. 例如，vCard和vCalendar; WAE/WAP- 涉及wireless application e

51、nvironment 和 wireless application protocol,蓝牙协议栈,蓝牙协议栈逻辑分组,传输协议组：使蓝牙设备确认彼此位置，并创建、配置、管理物理和逻辑链路 包括无线、基带、链路管理器、逻辑链路控制和自适应协议及主机控制器接口协议 中间件协议组：为了在蓝牙链路上运行应用包括的一些标准协议 PPP、IP、TCP、 WAP、OBEX等 RFCOMM、AT信令、SDP 应用组：包含使用蓝牙链路的实际应用,应用组,中间件协议组,传输协议组,传输协议组,中间件协议组,应用组,蓝牙的无线电层,规范 定义了载波频率和输出功率 主要处理空中数据的接收和发送 特点 低功率 传输距离

52、为10米 2.4GHz的ISM 79个信道，1MHz （2402 to 2480 MHz ） 跳频扩频技术 收发器的能量分3级 1级：100mW，强制功率控制 2级：2.5mW，功率控制可选 3级：1mW,蓝牙的基带层,基本功能 执行跳频 实现介质访问 定义了物理链路 定义了packet格式,跳频(Frequency Hopping，HP,目的： (1)它阻碍干扰和多路效应。 (2)它为放置在不同微微网中的设备提供多种接入的形式。 总带宽被分为79(几乎所有国家)个物理信道，每个信道的带宽为1MHz。在一个伪随机序列中，通过从一个物理信道跳到另一个物理信道，出现了跳频,数据传输期间的频率选择,

53、M和S交替发送（TDD模式） 数据传输期间保持频率的跳变,M设备和S设备之间的物理链路,SCO ( synchronous connection oriented)链路 主要用于音频/视频传输 M和S之间具有固定带宽的点-点连接 M为S预留2个连续时间槽传送实时数据 M可同时支持3个SCO 每个S可有23个SCO（64kbps） Full-duplex通信,M设备和S设备之间的物理链路,ACL (asynchronous connectionless)链路 主要用于Best-effort的数据传输服务 M和S之间的点-点/点-多点（广播）连接 在没有预留给SCO的时间槽传送无时间规律的分组 每

54、个S节点只有1条ACL 分别对应1-slot、3-slot、5-slot分组 正向最大速率：723.3Kbps (5-slot) 反向最大速率：57.6Kbps Half-duplex通信,半双工/全双工通信,Half-duplex通信（ACL） 一次往一个方向发送 不对称最大速率723.3kbps，反向为57.6kpbs 对称速率双向发送，每个方向可达433.9kpbs Full-duplex通信（SCO） 可同时双向发送 速率64Kbps 使用M预留的slot（避免同步和冲突） 没有为SCO链路预留的Slot可用于ACL链路,蓝牙的寻址,Bluetooth设备地址（BD_ADDR） 48位

55、IEEE MAC地址 活跃成员地址（AM_ADDR） 3位活跃S设备地址 全0广播地址（M-S） 驻扎成员地址（PM_ADDR） 8位parked的S设备地址,蓝牙的链路管理规范,能量控制：根据接收信号强度要求发送者调整发送能量 能力协商：交换版本号和所支持的特性 QoS协商：轮询时间、延迟、传送能力 同步：修正时钟偏差或者接受特殊的同步packet 改变状态和传输模式：M和S角色的改变 链路控制：控制link活动 安全服务：认证、加密、密钥的分发,蓝牙的信道控制,两种管理情形 设备知道其他设备的参数 执行paging过程 设备不知道其他设备的参数 执行inquiring和paging过程 两

56、个主要过程 Page 用来建立与其他节点的链路 Inquiry 用来了解时钟偏移和其他设备的地址,微网的建立Inquiry模式,当一个设备想建立一个piconet时 79个无线载波中有32个用来wake-up载波 Master依次在这32个载波上广播查询接入码（IAC） 一个standby设备想加入一个piconet时 定期侦听IAC消息 返回一个packet（设备地址和时钟信息,微网的建立Page模式,M设备根据返回的设备地址计算特殊的跳频序列 S设备与M设备时钟同步，并启动M定义的跳频序列,蓝牙的节能模式,Sniff M和S设备定期睡眠，并在早期协商的时间间隔“sniff” Hold 不释

57、放AMA（活跃成员地址）地址 停止ACL传输，但可交换SCO分组 Park 设备仍旧是该piconet的成员 释放AMA地址但获得一个PMA（parked）地址,蓝牙设备的baseband状态,蓝牙的L2CAP层,仅用于ACL 协议的多路复用/分用 接收上层分组（64KB），分段传输 在接收端重组 处理服务质量,蓝牙的逻辑信道,无连接信道（CID=2） 支持无连接服务。每个信道是单向的，该信道主要用于M到多个S的广播 面向连接信道（CID64） 支持面向连接的服务。每个信道是全向的（全双工），每个方向被制定了服务质量流规范 信令信道（CID=1） 提供了两个L2CAP实体之间信令消息的交换,蓝

58、牙的逻辑信道,M和S之间只能有一个无连接信道和一个信令信道 M和S之间可有多个面向连接信道,蓝牙的服务发现协议（SDP,基本功能 查询服务 搜索特殊的服务种类 浏览当前的可用服务 检索某个服务的详细属性 建立到其他设备L2CAP连接 建立一个使用某个服务的独立（non-SDP）连接 服务记录 一系列服务属性,蓝牙的串口仿真（RFCOMM,基本功能 在面向packet的链路上仿真串行接口 支持传统应用/协议 支持一个物理信道上的多个串行接口 与HDLC类似,RFCOMM,蓝牙与IP,基本功能 通过蜂窝电话接入Internet 通过LAN接入点连接PDA或则笔记本到Internet 接入协议 PP

59、P（Point to Point Protocol） BNEP（Bluetooth Network Encapsulation Protocol,蓝牙与IP,AP具有PPP服务器功能 用户名/口令管理仍是问题 漫游不是无缝的,蓝牙与IP,从AP隧道发送PPP流量到PPP服务器 可集中管理用户信息 减少AP上的处理时间和状态维护,蓝牙的profile,Bluetooth v1.1规范了13种应用+相应的协议栈,蓝牙的语音应用,三合一电话 呼叫/移动管理/对讲,耳麦,蓝牙的个人信息管理,同步应用 提供了设备与设备之间个人信息管理（PIM）的同步，如电话号码、日程安排、消息和通告信息,蓝牙的文件传送

60、,传送能力 目录 文件 文档 映像 流媒体 浏览能力 文件夹,2.5 Ad Hoc MAC 控制技术,2.5.1 Ad Hoc 网络概况 IEEE 802.11首次提出“ad hoc” 自组织、对等式、多跳无线移动通信网络 Internet工作组 IETF 1997年成立MANET工作组 利用多跳无线网构造基于IP的移动互联网 IRTF在2003年成立了ANS研究组 其他学术/商业团体 大学、军队和工业界的研究项目 商业系统：FireTide、MeshNetworks、SkyPilot Network、Tropos Networks,移动ad hoc网络（MANET,移动Ad hoc网络/多跳