第9章 无线网络-高殿武

1、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 移动接入 无线局域网建网 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） 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

2、 结点基本上是固定不变 协议协议802.11802.11802.11a802.11a802.11b802.11b802.11g802.11g 发布时间发布时间July 1997July 1997Sept 1999Sept 1999Sept 1999Sept 1999July 2003July 2003 有效频宽有效频宽83.5MHz83.5MHz325MHz325MHz83.5MHz83.5MHz83.5MHz83.5MHz 调制方式调制方式FHSS/DSSSFHSS/DSSSOFDMOFDMHR-DSSSHR-DSSSOFDMOFDM 传输速率传输速率2Mb/s2Mb/s6 654Mb/s5

3、4Mb/s5.5Mb/s5.5Mb/s、 11Mb/s11Mb/s 54 Mb/s54 Mb/s 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 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 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 当一

4、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 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 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 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（distri

5、bution ） （5）融合（integration） 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） 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： IEEE802.15.1（BlueTooth） IEEE 802.15.3a（Ultra-Wide Band，UWB） IEEE802.15.4（LR-W

6、PAN）（ZigBee） 1999年7月蓝牙SIG推出了蓝牙协议1.0版 IEEE 802.15.1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 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 低功率、频段、覆盖半径为10米 GFSK调制 、总数据

7、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 （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 二是无连接异步信道（Asychronous Connection-Less ，ACL link），

8、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） 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

9、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3.1GHz10.6GHz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 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

10、式来实现UWB 技术 功耗低 带宽高 抗干扰能力强 安全性好 缺陷 IEEE 802.15.4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 EEE802.15.4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

11、）星型网络 （2）簇型网络 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IEEE 802.15.4标准也支持点对点 网络拓扑结构 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

12、.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 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 （1）省电（功耗低） （2）可靠 （3）延迟短 （4）网络容量大 （5）安全

13、和高保密性 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 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

14、local loop） 802.16d (2004年6月 )：固定宽带无线接入空中 接口标准（266GHz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（26GHz频段），在其频段 上它向下兼容802.16d 1WiMAX 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 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 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 4协议栈 802.16系列协议中 各协议的MAC

15、层功能 基本相同，差别主 要体现在物理层上 工作在1066GHz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 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 支持TDD和FDD两种无线双工方式 1066GHz固定无线接入系统主要采用单载波

16、（SC ）调制技术 211GHz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1.25MHz20MHz之间的带宽 1066GHz的固定无线接入系统，还可以采用28MHz 载波带宽 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） 1MAC层各子层的功能 （1）C

17、S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 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

18、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 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 （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） 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