数据通信及计算机网络(第4版)[电子教案] 第10章 无线网络

1、1数据通信与计算机网络（第 4 版）杨心强 陈国友编著电子工业出版社 2012 年 5 月2课件制作人声明q本课件是数据通信与计算机网络(第4版)的教辅材料，共12个 Powerpoint 文件(每章一个)。任课教师可根据教学的实际需要，自行修改或增删其内容，但不能自行出版销售。q对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。 课件制作人 杨心强 2012年5月3数据通信与计算机网络第 10 章无线网络4第 10 章 无线网络教学目的q 掌握无线局域网的基本概念，以及媒体接入控制机制q 了解无线个域网的概念和标准q 了解无线城域网的概念和标准q 了解无线传感器网和无线网格网的

2、概念和标准学习内容q 无线局域网q 无线个域网q 无线城域网q 其他无线网络5第 10 章：内容提纲10.1 无线局域网10.2 无线个域网10.3 无线城域网10.4 其他无线网络610.1 无线局域网10.1.1 无线局域网概述q无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒体，利用电磁波完成数据交互，实现传统有线局域网功能的局域网。q无线局域网问世之初，发展较慢。其原因是价格高、速率低、安全性差以及登记手续复杂。q20世纪80年代末以来，由于人们的工作和生活节奏加快以及移动通信技术的飞速发展；

3、无线局域网能满足安装便捷、可移动、易扩展、高可靠和特殊联网的需求，而且能覆盖到很难布线的地区，起着传统有线局域网无法取代的补充作用。因此，无线局域网发展很快，开始进入市场。710.1.1 无线局域网概述(续1)q无线局域网可分为两大类，一类是有固定基础设施的，另一类是无固定基础设施的。所谓“固定基础设施”是指预先建立的、能覆盖一定地理范围的一批固定基站。q无线局域网的两种站：便携站和移动站 相同点：便携站和移动站都是可以移动的。 不同点：便携站工作时的位置是固定不变的，而移动站(电池供电)不仅可移动，而且可以实现动中通。8802.11标准规定无线局域网的最小模块是基本服务集BSS(Basic

4、Service Set)。基本服务集是由一个接入点（又称基站）和若干个移动站组成。它类似于蜂窝小区。 10.1.1 无线局域网概述(续2)有固定基础设施的无线局域网分发系统扩展服务集ESS基本服务集BSS入口部件入口部件局域网接入点(基站)移动站基本服务集BSS因特网910.1.1 无线局域网概述(续3)基本服务集可以是孤立的，也可以通过接入点AP(Access Point)连接到主干分发系统DS(Extended Service Set) 。AP的功能与网桥类似。本BSS内的移动站可以相互通信，但与本BSS以外的移动站通信必须通过基站才能实现。分发系统扩展服务集ESS基本服务集BSS入口部件

5、入口部件局域网接入点(基站)移动站基本服务集BSS因特网有固定基础设施的无线局域网10扩展服务集ESS(Extended Service Set)是由两个或多个基本服务集通过一个分发系统互连而成。扩展服务集可通过入口部件portal (其作用相当于网桥)为无线用户提供802.x局域网的接入。10.1.1 无线局域网概述(续4)有固定基础设施的无线局域网分发系统扩展服务集ESS基本服务集BSS入口部件入口部件局域网接入点(基站)移动站基本服务集BSS因特网11三种类型的站：无转移的站；BSS间转移的站；ESS间转移的站。转移站可以从某一个BSS/ESS漫游到另一个BSS/ESS，而仍可保持与另一

6、转移站保持通信。10.1.1 无线局域网概述(续5)有固定基础设施的无线局域网因特网分发系统扩展服务集ESS基本服务集BSS入口部件入口部件局域网接入点(基站)移动站基本服务集BSS1210.1.1 无线局域网概述(续6)移动站的漫游q802.11标准并没有定义如何实现漫游，但定义了一些基本工具。 q移动站要加入到一个基本服务集BSS，必须先选择一个接入点AP，并与它建立关联(association)。关联建立建立之后，该移动站就可以与选定的AP互相进行对话。如果移动站使用重建关联(reassociation)，这种关联就可转移到另一个接入点。使用分离(dissociation)则可终止这种关

7、联。10.1.1 无线局域网概述(续7)移动站的漫游(续)q移动站与接入点建立关联的方法有两种：被动扫描，即移动站等待接收接入点周期性发出的信标帧；主动扫描，即移动站主动发出探测请求帧，然后等待从接入点发回的探测响应帧。q现在许多地方(如机场、旅馆等) 都向公众提供了有偿或无偿的WLAM环境，同时提供Wi-Fi服务。凡能提供公众无线接入的网点称为热点。由许多热点和接入点AP连接起来构成的区域称为热区。随着无线信道使用的日趋广泛，必然会出现无线因特网服务提供者WISP。 131410.1.1 无线局域网概述(续8)无固定基础设施的无线局域网BACDEA和D通信是经过ABCD的存储转发它又称自组网

8、络(ad hoc network)。自组网络没有上述基本服务集中的接入点AP， 而是由一些处于平等状态的移动站组成的临时性通信网络。1510.1.1 无线局域网概述(续9)无线局域网采用的传输技术 技术性能红外线扩频窄带微波漫射红外线直接红外线跳频直接序列速率(Mb/s)14110132501020移动性固定/移动视距内固定移动固定/移动范围(m)15602530100302501040探测能力可忽略很小有一些波长和频率：850950nm902928MHz2.42.4835GHz5.7255.85GHz902928MHz5.25.775GHz18.82519.205GHz调制技术ASKFSKQ

9、PSKFS/QPSK幅射能量1W25mW接入方式CSMA令牌环CSMACSMA保留ALOHA，CSMA要求许可证不需要不需要需要(除ISM外)1610.1.1 无线局域网概述(续10)移动自组网络的应用前景q在军事领域中，携带移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。充分发挥分布式移动自组网生存性强的特点。 q在民用领域中，利用移动自组网可方便交换信息。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的。1710.1.2 IEEE 802.11标准q1997年IEEE制订出无线局域网的

10、协议标准的第一部分，称为802.11。1999年又制订了剩下的两部分，即802.11a和802.11b。q802.11的物理层有以下三种实现方法：跳频扩频 FHSS、直接序列扩频DSSS和红外线IR。q802.11a的物理层工作在5GHz频带，采用正交频分复用OFDM(又称多载波调制技术)，载波数可多达52个。可以使用的数据率为6、9、12、18、24、36、48和56Mb/s。q 802.11b的物理层使用工作在2.4 GHz的直接序列扩频技术，数据率为5.5或11 Mb/s。1810.1.2 IEEE 802.11标准(续1)q IEEE 802.11标准主要包括21个标准，如表6-8所列

11、。q 随着无线局域网技术的进一步发展，WLAN研究工作呈现如下特点：向更高数据速率(高于100Mbps)、更高频带方向发展； 积极研究WLAN与3G乃至4G蜂窝移动通信网络的互通与融合。802.11红外线802.11FHSS802.11DSSS802.11aOFDM802.11bHR-DSSS802.11gOFDM分布协调功能(DCF)点协调功能(PCF)逻辑链路控制物理层MAC层无争用服务争用服务IEEE 802.11无线局域网的协议栈10.1.3 802.11局域网MAC层q 802.11委员会把MAC层划分为两个子层，并为媒体接入控制提出了两种机制。q分布式接入机制(必选)。具有分布协调

12、功能DCF，采用类似于以太网的争用算法向所有要求发送数据的站通过争用信道来提供接入服务。q集中式接入机制(任选)。由一个集中的决策模块来控制发送权，具有点协调功能PCF，它位于DCF之上，并利用DCF的特性来保证它的用户的接入。PCF提供的是无争用服务。192010.1.3 802.11局域网MAC层(续1)1、分布协调功能 CSMA/CA协议q无线局域网不能简单地搬用CSMA/CD协议。有两个主要原因： CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但是在无线局域网中要实现这种功能的设备成本太高。 即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道

13、是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。这说明碰撞检测对无线局域网无用，这是由无线信道本身的特点(全向传播和传播距离有限)所决定的。2110.1.3 802.11局域网MAC层(续2)A 的作用范围C 的作用范围ABCA和C都想与B通信，但相距较远。 A和C因检测不到无线信号，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在信号的问题称为隐蔽站问题(hidden station problem) 。这说明在发送数据之前，未检测到媒体上有信号，还不能保证接收端成功地接收到发送的数据。无线环境内在的复杂性2210.1.3 802.11局域网MAC层(续3)ABC

14、A、B和C三个站彼此距离不远，但A和B之间有一座山阻隔，使A和C都不能检测到对方发出的信号。此时，如A和C同时向B发送数据，就会发生碰撞，使B无法正常接收。这说明移动站之间有障碍物也会出现隐蔽站问题。无线环境内在的复杂性2310.1.3 802.11局域网MAC层(续4)B 的作用范围C 的作用范围ADCB？B向A发送数据，而C也想和D通信。因C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem) 无线环境内在的复杂性2410.1.3 802.11局域网MAC层(续5)q以上情况说明无线局域网在

15、检测信道忙/闲时可能会出现差错，即信道忙而其实不忙，信道空闲又不是真正的空闲。这说明无线局域网不能简单地使用有线局域网的CSMA/CD协议。于是，802.11委员会把CSMA/CD修改成CSMA/CA，其中CA(Collision Avoidance) 表示冲突避免。q为了保证算法的平稳和公平，DCF包含一组类似于优先级策略的时延。802.11标准定义了三种基于优先级的帧间隔IFS(Inter Frame Space)，其长短各不相同(IFS值小的优先级高) ，以便使冲突的可能性减到最小程度。10.1.3 802.11局域网MAC层(续6)802.11标准的帧间隔IFSq所有的站在完成发送后，

16、必须再等待一段很短的时间(继续监听) 才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS(InterFrame Space)。q帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。q若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。 25三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送SIFS，即短(Short)帧间

17、间隔，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔，它比 SIFS 长，是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优

18、先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度。 时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。 三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度。 2910.1.3

19、 802.11局域网MAC层(续10)CSMA/CA协议的基本原理q欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。q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据。q当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。为什么信道空闲还要再等待q考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。q如有这种情况，就要让高优先级帧先发送。 10.1.3 802.11局域网MAC层(续11)如果没有高优先级帧要发送q源站发送了自己的数据帧。q目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔

20、SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。q若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK(由重传计时器控制这段时间)，就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。3010.1.3 802.11局域网MAC层(续12)虚拟载波监听q虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需的时间)通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。 q“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。3110.1.3 802.11局域网M

21、AC层(续13)虚拟载波监听的效果q这种效果好像是其他站都监听了信道。q所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间(以微秒为单位) ，包括目的站发送确认帧所需的时间。3210.1.3 802.11局域网MAC层(续14)二进制指数退避算法q第 i 次退避是在时隙 0, 1, , 22 + i 1 中随机地选择一个。即：q第 1 次退避是在8个时隙(而不是2个)中随机选择一个。q第 2 次退避是在16个时隙(而不是4个)中随机选择一个。依次类推。q第6次退避时，因为整数集合最大值已达255，以后就不再增加。 3310.1.3

22、802.11局域网MAC层(续15)退避算法的使用情况q仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。q除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即： 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。 在每一次的重传后。 在每一次的成功发送后。3410.1.3 802.11局域网MAC层(续16)退避计时器(backoff timer)q站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。这可能发生两种情况。若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时。若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS后，从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计

23、时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。 35图例 冻结剩余的退避时间帧帧帧帧帧DIFSDIFSDIFSDIFS争用窗口争用窗口争用窗口争用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt冻结冻结冻结冻结冻结802.11 的退避机制10.1.3 802.11局域网MAC层(续17)3710.1.3 802.11局域网MAC层(续18) 信道预约q为了更好地解决隐蔽站的问题，802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS，其中包括源地址、目的地址和数据帧长度。 A 的作用范围B 的作用范围ACBDERTSRTS3810.1.3 802.1

24、1局域网MAC层(续19)若媒体空闲，则目的站B就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS ，此帧中内含A欲发送的数据帧长度。A收到CTS帧后就可发送其数据帧。 A的作用范围B的作用范围CTSABDECTSCC能收到A发送的数据，但不会收到B发送的CTS帧。因此在A向B发送数据时，C也可发送自己的数据。D收不到A发送的RTS帧，但能收到B发送的CTS帧。因此D知道B将与A通信，在期间就不再发送数据。E能收到RTS和CTS，它与D一样，在期间就不再发送数据。3910.1.3 802.11局域网MAC层(续20)q为了做到信道预约而使用RTS和CTS帧，将使整个网络的效率有所下降。q但是，RTS和C

25、TS帧的长度分别为20和14字节，与数据帧(最长可达2346字节)相比开销很小。q802.11标准中设置了使用、不使用和仅当数据帧的长度超过某一数值时才使用等三种情况供用户选择是否要用这种信道预约机制。 4010.1.3 802.11局域网MAC层(续21)2、点协调功能q点协调功能PCF是在DCF之上实现的另一种接入方法。点协调器实行集中式轮询控制操作。因为PIFS比DIFS小，所以点协调功能在进行轮询和接收响应时能截获并锁定所有异步通信量。qPCF超帧的结构。 PCF延迟突发：异步通信推迟时间争用时段DCF超级帧(固定的额定长度)无争用时段 变长(每个超级帧)PCF(可选)媒体忙PCF(可

26、选)缩短的实际超级帧时段超级帧(固定的额定长度)4110.1.4 802.11局域网的MAC帧q802.11定义了三种不同类型的帧：数据帧、控制帧和管理帧。q802.11MAC数据帧的结构 帧控制持续时间地址1地址2地址3序列号地址4数 据校验和226662023124字节6q802.11 MAC数据帧用于数据的传输及控制，由以下3个部分组成： MAC首部(30B) ，包含7个字段： 帧控制(2B) ，指明所用的协议版本、帧的类型等信息。10.1.4 802.11局域网的MAC帧(续1) 持续时间(2B)。指明一个MAC帧成功传输需要分配的信道时间。 地址(6B)。共有4个字段，含4个地址，详

27、见表 10-3。 序列号(2B)。包含两个子字段：一个是12位用于帧的编号（04095）；另一个是4位用于数据报分片和重装。 数据(02312B) 。帧的数据部分，不超过2312字节。通常不大于1500字节。 校验和(4B)。填入32位的循环冗余检验码。424310.1.5 802.11提供的服务2、 IEEE 802.11 提供的服务q802.11标准提供了9 种服务(表10-4。这些服务可分成两类：分发服务和站服务。q分发服务(共5种)是由基站提供的，对单元集内的站的关系实施管理，并会影响到单元集以外的站。当移动站进入单元集时，通过这些服务与基站关联起来。当移动站离开单元集时，通过这些有务

28、与基站断开联系。 q站服务(共4种)只对单元集内部的活动有关。站服务是在单元集内部进行的。当关联过程完成后，这些服务才可能用到。 44第 10 章：内容提纲10.1 无线局域网10.2 无线个域网10.3 无线城域网10.4 其他无线网络4510.2 无线个人区域网WPANq无线个人区域网WPAN是指在个人操作范围内把属于个人使用的电子设备(便携电脑、掌上电脑、便携打印机和蜂窝电话等)用无线通信方式连接起来的自组网络。其实质是以个人为中心的无线个人区域网，是一种低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术。该网络没有接入点AP，其范围大约在10m左右。qPAN是个人区域网，但它不一定局限于使用

29、无线通信的手段。qWLAN是无线局域网，它是一个大功率、中等范围、记速率的局域网。4610.2.1 蓝牙技术q在WPAN出现前(1994年)，Ericssion、IBM、Intel、Nokia、Toshiba等五家公司联合开发了一个用于将计算机、通信设备、附加部件和外部设备，通过无线信道连接的无线标准。这个项目被命名为蓝牙(Bluetooth)。q蓝牙是一种短距离无线连接技术，以技术规范的面目出现。该规范由蓝牙SIG于1998年提出。1999年7月，SIG公布了蓝牙规范1.0版。IEEE 802.15.1标准是IEEE与蓝牙SIG合作完成的，与蓝牙1.1版完全兼容。q蓝牙规范1.0版规定了13

30、种应用所需的专门协议集，并将完整的协议固化在专用的蓝牙芯片中，因而制造成本低，应用范围广。4710.2.1 蓝牙技术(续1)q蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM频段，采用FM调制方式，发射功率最大可达100mW，时分全双工传输，数据传输速率为1Mb/s（蓝牙2.0版的速率达210Mb/s），传输距离约10m。q蓝牙系统的基本单元是微微网(picomnet)。每个微微网可由一个主结点，最多7个活动的从结点，以及多达255个闲置结点(parked node)组成。q微微网是一个集中控制的TDM系统，由主结点控制时间片，决定某个时间片与哪个从结点进行通信。所有通信都在主结点与从结点之间进行，从

31、结点之间不能直接通信。主、从结点之间采用主从工作方式。闲置结点除了响应主结点的激活或指示信号以外，无其他任何操作。4810.2.1 蓝牙技术(续2)q多个微微网可通过桥从结点互连起来构成分散网(scatternet)微微网1PMMSSSSSSSSPP微微网2活动从结点闲置从结点桥从结点主结点4910.2.2 低速个人区域网1、概述qIEEE 802.15.4标准是以蓝牙规范为基础制定的，主要考虑低速无线个人区域网LR-WPAN的应用问题，其目标是低功耗、低速率和低成本，为近距离范围内不同设备之间的低速互连提供了统一的标准。q与WLAN相比较，LR-WPAN的特点是只需要很少(甚至不要)基础设施

32、。5010.2.2 低速个人区域网(续1)IEEE 802.15.4标准的主要特点 使用不同载波频率，实现三种不同的传输速率，即 20Kbps、40Kbps 和 250Kbps。 支持星形和点到点两种网络拓扑结构。 使用了16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球唯一的扩展地址。 采用了CSMA/CA协议。 采用确认应答机制，提高传输的可靠性。 采用低功耗的电源管理。5110.2.2 低速个人区域网(续2)2、LR-WPAN 的拓扑结构qLR-WPAN是通过IEEE 802.15.4标准进行通信的一组设备的集合。q根据设备通信能力的强弱，分为两种类型：简易功能设备RFD和全功能设备FFD

33、。其通信关系：FFD可以与FFD和RFD直接通信，但RFD与RFD之间不能直接通信，RFD与RFD之间的通信必须由FFD转发。q具有转发功能的FFD称为PAN网络协调器（简称网络协调器），起着主控制器的作用，还负责身份识别、链路管理和分组转发等。5210.2.2 低速个人区域网(续3)LR-WPAN的拓扑结构(a)星形结构(b)点-点结构RFDRFDFFDFFDq 星形结构以中心结点作为网络协调器(持续供电)，所有周边结点只能与网络协调器(电池供电)通信。不同星形网络之间的通信可通过网关进行转发通信。星形结构适用于小范围的室内应用。5310.2.2 低速个人区域网(续4)q构建星形网时，需先确

34、立网络协调器。任何一个FFD设备都可成为网络协调器。其策略是：通过广播查询网络协调器的请求报文，若收到已有网络协调器的应答，则将自己设为普通设备，否则自成网络协调器。当然，还会有更深入的问题(如网络协调器的过期、损坏和能量耗尽，以及多个网络协调器之间的竞争等问题)需要考虑。q点-点结构的任意两个结点只要能接收到对方的无线信号，就可直接通信。点-点网络仍有一个网络协调器，其功能是实现结点注册和访问控制等网络管理。5410.2.2 低速个人区域网(续5)分群树结构的LR-WPANFFDRFDCID1CID2CID3000q RFD设备只能作为叶设备，只有一个FFD设备可以充当网络协调器。它可以通过

35、发送信标帧的方法来成为群首，也可指定另一个设备成为邻接的新群首，以扩大网络的覆盖范围。点-点网络适合于设备分布范围较广的应用，如工业检测与控制、仓库货物存储的智能管理等。5510.2.2 低速个人区域网(续6)3、IEEE 802.15.4标准qIEEE 802.15.4标准的协议结构物理层MAC子层SSCS子层IEEE 802.11 LLC子层高层协议IEEE 802.15.4只定义了物理层和数据链路层的MAC子层。MAC子层为高层访问物理信道提供了点到点通信的服务接口。高层协议既可直接访问MAC子层，也可通过LLC子层和特定服务聚合子层SSCS来访问。5610.2.2 低速个人区域网(续7

36、)q物理层定义了无线信道与MAC子层的接口，提供物理层的数据服务和管理服务。q物理层的数据服务有5个基本功能： 激活或休眠射频收发器。 信道能量检测。 链路质量检测。 定义了三种空闲信道评估模式。 发送和接收比特流。q物理层定义了3个载波频波：868MHz频段有一个信道，速率为20Kbps； 915MHz频段有10个信道，速率为40Kbps；2450MHz频段有16个信道，速率为250Kbps。5710.2.2 低速个人区域网(续8)物理层的数据帧结构4BnB1B1B保留前导码帧长度物理帧部分负载部分同步部分物理服务数据单元PSDU帧起始定界符同步部分，包括前导码(4B)和帧起始定界符(1B，

37、值为 57H)，其功能是进行物理帧的同步和比特同步。物理帧部分，包括帧长度（7位）和保留（1位），物 理帧的长度不应超过127B。负载部分，其长度可变，为物理服务数据单元PSDU， 用来承载MAC帧。 5810.2.2 低速个人区域网(续9)MAC子层提供的服务qMAC子层提供两种服务：数据服务和管理服务。q数据服务保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确发送和接收。q管理服务维护着存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。5910.2.2 低速个人区域网(续10)MAC子层的主要功能 利用网络协调器（见后述）产生的信标帧，实现 网络协调器与结点间的同步。 支持无线信道的安全操作。 支持C

38、SMA/CA协议，以及时间片访问机制。 支持不同设备的MAC层之间的可靠帧传输。 支持LR-WPAN网络的建立关联和取消关联操作。6010.2.2 低速个人区域网(续11)MAC子层的帧结构地址信息负载源地址帧序列号2B1B2BnB0/2B0/2/8B0/2/8B0/2B目的地址帧控制帧数据单元目的设备PAN标识符帧尾部FCS帧首部源设备PAN标识符q MAC子层的帧由帧首部、负载和帧尾部3个部分组成。q MAC子层的设备地址有两种格式：短地址(16位)和扩展地址(64位)。q MAC子层定义了 4 种类型的帧：信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。还有LR-WPAN的传输控制机制等内容。 6110

39、.2.3 高速个人区域网q高速WPAN物理层工作于2.4GHz频段，数据速率最高可达55Mb/s。MAC层能支持 Ad hoc 网络。适用于小范围（小于10m）便携式电子和通信设备之间有ad hoc连接功能，在保证带宽的条件下，可以提供要求的服务质量。q高速WPAN的标准是IEEE 802.15.3。表8-5 列出了它与其他有关标准相比较的一些关键性能指标。q为了加强对更高速WPAN技术的研究，2002 年802.15工作组于成立了 TG3a 任务组，主要研究 110Mb/s 以上速率的多媒体和数字图像的传输。6210.2.3 高速个人区域网(续1)IEEE 802.15.3与有关标准的性能指

40、标的比较 性能指标IEEE 802.15.3IEEE 802.1+1b、g*IEEE 802.11a蓝牙1.1频段(GHz)2.42.452.4速率(Mb/s)最高55最高22最高541电流(mA)8035035030视频信道数425作用距离(m)1010010010100复杂性(区域)1.5341连接时间(s)1不确定不确定5服务质量QoS有用于多媒体的保护时隙IEEE 802.11e补上QoS支持LAN不支持视频63第 10 章：内容提纲10.1 无线局域网10.2 无线个域网10.3 无线城域网10.4 其他无线网络6410.3 无线城域网WMAN10.3.1 无线城域网概述q随着接入网

41、技术的进展，无线接入问题受到人们的重视。1999年设立了802.16工作组，研究宽带无线网络的标准。2002年公布了宽带无线网络802.16标准。该标准的全称是“固定带宽无线访问系统空中接口”，又称无线城域网或无线本地环路标准。此类标准的制定可解决“最后一公里”的无线宽带接入问题。q802.16标准体系的主要目标是制定工作在 266 GHz频段的无线接入系统的物理层与媒体访问控制 MAC 层的规范。 6510.3.1 无线城域网概述(续1)IEEE 802.16标准系列的性能比较 项 目IEEE 802.16IEEE 802.16aIEEE 802.16dIEEE 802.16e发布日期200

42、1年1月2003年1月2004年6月2005年12月使用频段1066GHz211GHz211GHz26GHz信道条件视距非视距视距+非视距非视距固定/移动固定固定固定移动+漫游信道带宽25/28MHz1.25/20MHz1.25/20MHz1.25/20MHz传输速率32134Mb/s75Mb/s75Mb/s30Mb/s额定小区半径5km510km515kmX km6610.3.1 无线城域网概述(续2)q无线接入技术是为用户提供接入服务的一种技术。从接入方式上可分为固定接入和移动接入两大类。固定接入是从交换结点到固定用户终端采用无线接入的方式。移动接入的网络包括移动电话网、无线寻呼网、集群电

43、话网、卫星移动通信网和个人通信网等，是当今通信行业中最为活跃的一个领域。q无线接入技术具有投资省、建网周期短、提供业务快等优点，已成为大家值得关注的一种重要接入方式。6710.3.2 IEEE 802.16标准1、IEEE 802.16的协议模型物理层MAC层物理层(PHY)加密子层共同部分子层(MAC CPS)特定服务的会聚子层(CS)PHY SAPCS SAPMAC SAP管理实体特定服务的会聚子层管理实体共同部分子层管理实体物理层加密子层标准范围网络管理系统数据/控制平面管理平面6810.3.2 IEEE 802.16标准(续1)2、IEEE 802.16的层次结构 物理层q物理层定义了

44、两种双工方式：时分双工TDD和频分双工FDD。根据使用频段的不同，分别采用不同的物理层技术，如1066GHz频段的系统，主要采用单载波调制技术，而211GHz频段的系统，将采用正交频分多路复用 OFDM 和 OFDMA 技术。q802.16标准允许系统采用从1.25MHz20MHz之间的带宽。对于1066GHz的固定无线接入系统，可采用28MHz载波带宽，提供更高的接入速率。6910.3.2 IEEE 802.16标准(续2)q物理层的上行链路采用时分多址复用TDMA和按需分配多址接入DAMA混合的接入方式。上行数据的传送方式有三种：在初始维护阶段，数据以竞争方式传输；在响应多播和广播查询的请

45、求间隔预留阶段，数据也以竞争方式传输；一般情况下，数据按分配的时间间隙传输数据。q下行信道一般采用 TDM 方式。q物理层的数据分帧传输，帧长为0.5ms、1ms或2ms。 7010.3.2 IEEE 802.16标准(续3)上/下行数据的传送流程 随机化基带脉冲成形 符号映射前缀生成FEC编码调制解调匹配滤波与均衡解随机化FEC解码符号反映射数据数据(a)上行(b)下行发送端接收端射频信号射频信号7110.3.2 IEEE 802.16标准(续4)IEEE 802.16标准物理层的多种传输速率 信道带宽(MHz)数据信号速率(Mb/s)QPSK16-QAM64-QAM203264962540

46、801202844.889.6134.47210.3.2 IEEE 802.16标准(续5) MAC层qMAC层最主要的特征是基于“连接”。每一个“连接”由一个16位的标识符来唯一标识。“连接”一旦被建立，需要维护的要求则随着连接的业务类型不同而改变。当然，当用户的业务要求改变时，“连接”也可以被终止。qMAC层的核心部分是共同部分子层CPS，它通过 MAC 层服务访问点 MAC SAP 接收来自会聚层CS的数据，形成MAC CPS层的服务数据单元SDU（长度可变），以保证相应的QoS。7310.3.2 IEEE 802.16标准(续6)qMAC层的协议数据单元MAC PDU由首部（固定6B）

47、、负荷（可变）和校验CRC码（可选）三个部分组成。qMAC PDU既可以传输普通数据，也可以传输BS站与SS站之间的管理信息。qMAC首部定义了两种类型：一般MAC首部和有带宽请求MAC首部。带宽请求MAC首部单独发送，后面不携带数据负荷。负荷中的MAC子首部可分为3种类型：拆分子首部、打包子首部和带宽分配管理子首部，以区别负荷数据的格式。7410.3.2 IEEE 802.16标准(续7)q在公共部分子层CPS中，共定义了29种管理信息，用于上/下行信道描述、系统接入、注册、连接建立、资源申请、动态服务管理、接入认证等功能。连接类型不同，相应的管理信息传送的QoS也不同。BS与SS之间通过互

48、相发送管理信息，取得充分的协商，以获得最优化“连接”的性能。q为了简化带宽分配机制，MAC层预先规定了 4 种上行基本业务。通过这 4 种上行预定业务及相伴随的QoS，BS可以预期上行数据的吞吐量及处理时间，并在适当的时间提供查询或分配带宽。q802.16的QoS机制定义了数据在空中传输的先后次序及传输方案。QoS参数可包括延迟时间、抖动、吞吐量保证等。7510.3.2 IEEE 802.16标准(续8)q802.16标准在MAC层中还定义了一个加密子层，提供SS与BS之间的私密性。它包括两个协议：一是加密封装协议，负责空中传输的分组数据的加密。二是密钥管理协议PKM，负责BS到SS之间密钥的

49、安全分发、密钥数据的同步以及业务接入的鉴别。qIEEE 802.16标准仅对网络的低层进行了规范，即物理层、MAC层以及相应的加密子层。IEEE 802.16标准为开发新一代能兼容多家厂商的宽带无线接入设备提供了新的指南，将大大加快无线宽带接入网在世界范围内的配置进程。7610.3.2 IEEE 802.16标准(续9)802.16 无线城域网服务范围的示意图ISPU N I V E R S I T YU N I V E R S I T Y802.11 WLAN802.11 热点802.11 WLAN802.16802.16802.16 基站802.16因特网802.16 基站802.1680

50、2.16电信网7710.3.2 IEEE 802.16标准(续10)几种无线网络的比较覆盖范围用户数据率PAN LAN MAN WAN802.15.4ZigBee802.15.1蓝牙802.15.3超宽带802.11g, a802.11b802.162G移动通信3G移动通信4G移动通信Wi-FiWiMAX78第 10 章：内容提纲10.1 无线局域网10.2 无线个域网10.3 无线城域网10.4 其他无线网络10.4 其他无线网络随着无线网络技术的发展，自组网络(ad hoc)技术有两个发展趋势：向军事和特定行业发展和应用，在此基础上产生了无线传感器网络WSN；向民用的接入网领域发展，出现了

51、无线网格网WMN。798010.4.1 无线传感器网q无线传感器网络的研究始于20世纪90年代末期。在军事领域，自组网络与传感器技术结合已成研究课题，并受到人们的重视。 q从21世纪开始，无线传感器网络引起学术、军事和工业界的关注，美、欧国家启动有关无线传感器网络的研究计划。无线传感器网络是一门多学科交叉的研究领域。因此，此项研究已成为“21世纪最有影响的21项技术之一”。8110.4.1 无线传感器网(续1)传感器结点的形状(a)和组成(b)存储器CPU传感器硬件电池无线收发器(a)(b)8210.4.1 无线传感器网(续2)q无线传感器网络有着非常广泛的应用前景。军事上的应用，包括观察友军

52、、装备与物资的状况；监视战场的变化；侦察敌方的地形与调动；战果的评估等。医疗上的应用，如为残障人士提供方便，为医生远程观察病人的生理数据，进行远程诊断等。其他，在环境监测与保护、家庭服务、森林防火、城市交管、建筑物控制(如照明)、农业管理等领域。8310.4.1 无线传感器网(续3)1、无线传感器网的基本结构q无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算能力的微小传感器结点构成的分布式自组网络。q特点：能根据环境自主完成指定任务的网络系统，也是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。q无线传感器网络由 3 种结点组成：传感器结点、汇集结点和管理结点。8410.4.1 无线传感器网(续4)q传感器

53、结点通常是一个微型的嵌入式系统，由自带的电池供电。就网络功能而言，它具有传统网络结点的终端和路由器双重功能。传感器结点可随机地部署在监测区域内构成分布式自组网络。q汇集结点具有处理、存储和通信能力，是连接传感器网络和外部网络的桥梁。传感器结点将监测到数据通过其他传感器结点逐跳进行传输和处理，最后到达汇集结点，最后通过外部网络传输到管理结点。q管理结点(通过管理者) 对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。8510.4.1 无线传感器网(续5)无线传感器网络的结构汇集结点管理结点因特网或卫星通信网传感器结点监测区域8610.4.1 无线传感器网(续6)无线传感器结点的组成 传感器模块 进行监测区域内的信息采集和数据转换。 处理器模块 负责整个传感器结点的操作，存储和处理传感器所采集的数据(含其他结点采集的数据)。 无线通信模块 与其他传感器结点进行无线通信，接收和发送采集的信息，并交换控制信息。 电能供应模块 为传感器结点提供所需的电能，通常采用微型电池。还可以有其他功能模块，如定位系统模块、运动系统模块以及发电装置等。8710.4.1 无线传感器网(续7)无线传感器结点的结构传感器存储器处理器网络层MAC层AD/DC无线收发器无线通信模块处理器模块传感器模块电能供应模块传感器结点的设置由飞机布撒，人工布置等方式。8810.4.1 无线传感器网(续