第9章 无线网络-高殿武

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

协议802.11802.11a802.11b802.11g发布时间July1997Sept1999Sept1999July2003有效频宽83.5MHz325MHz83.5MHz83.5MHz调制方式FHSS/DSSSOFDMHR-DSSSOFDM传输速率2Mb/s6～54Mb/s5.5Mb/s、11Mb/s54Mb/s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

①在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态②每一次的重传③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DSSS4．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