第9章-無線網絡-高殿武要點.ppt

本章學習要求 掌握無線局域網基本概念和技術原理掌握藍牙的組網方式 物理層和MAC子層的主要特性了解ZigBee與UWB了解無線城域網WMAN實踐 筆記本無線上網設置實例 第9章無線網絡 9 1無線局域網WLAN 移動接入無線局域網建網 一無線局域網的基本概念 IEEE802 11標準無線局域網有兩種配置實現(xiàn)方案 有基站 或者沒有基站Wi Fi Wireless Fidelity 1 IEEE802 11基站結構模型 2 自組網絡 2 自組網絡 續(xù) 自組網絡有很好的應用前景戰(zhàn)場指揮 災害場景 移動會議 傳感器網絡WSN WirelessSensorNetwork 由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡應用 進行各種監(jiān)測 包括數(shù)據(jù)的采集 處理和傳輸帶寬 功耗 存儲容量 協(xié)議棧結點基本上是固定不變 3 IEEE802 11協(xié)議棧 二IEEE802 11物理層 三IEEE802 11的MAC子層協(xié)議 4種標準均采用的是CSMA CA CA CollisionAvoidance 沖突避免 協(xié)議CSMACA在使用CSMA CA的同時還使用停止等待協(xié)議在無線局域網的環(huán)境下的MAC協(xié)議必須解決兩個問題 1 不能避免隱藏站問題 2 存在暴露站的問題 三IEEE802 11的MAC子層協(xié)議 續(xù) 1 IEEE802 11協(xié)議結構 2 CSMA CA協(xié)議的基本原理 DCF讓各個站爭用信道使用的是CSMA CA協(xié)議在該協(xié)議中使用了物理信道的監(jiān)聽手段與虛擬信道的監(jiān)聽手段 虛擬信道的監(jiān)聽 數(shù)據(jù)幀的頭部 持續(xù)時間 字段網絡分配向量NAV NetworkAllocationVector 信道處于忙狀態(tài)的持續(xù)時間 退避機制 當一個站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時 在以下幾種情況下必須進行退避 在發(fā)送第一個幀之前檢測到信道處于忙態(tài) 每一次的重傳 每一次的成功發(fā)送后再要發(fā)送下一幀只有檢測到信道是空閑的 并且這個數(shù)據(jù)幀是它想發(fā)送的第一個數(shù)據(jù)幀時才不退避 幀間間隔 CSMA CA通過定義幀間間隔來實現(xiàn)一個BSS內的PCF數(shù)據(jù)與DCF數(shù)據(jù)的共存 四IEEE802 11幀結構 IEEE802 11標準定義了三種用于通信的幀 數(shù)據(jù)幀 控制幀和管理幀 五IEEE802 11服務 5種分發(fā)服務和4種站服務5種分發(fā)服務是由基站提供的 它們處理站的移動性 1 關聯(lián) association 2 分離 disassociation 3 重新關聯(lián) reassociation 4 分發(fā) distribution 5 融合 integration 五IEEE802 11服務 續(xù) 4種站服務是在BSS內部進行的 當關聯(lián)過程完成之后 這些服務才可能會用到 1 認證 authentication 2 解除認證 deauthentication 3 私密性 privacy 4 數(shù)據(jù)投遞 datadelivery 9 2無線個域網WPAN 無線個域網WPAN個人自組網絡802 15 MAC層和物理層2 4GHz的ISM頻段WPAN被廣泛關注的技術及其標準有三個 IEEE802 15 1 BlueTooth IEEE802 15 3a Ultra WideBand UWB IEEE802 15 4 LR WPAN ZigBee 一藍牙技術與IEEE802 15 1標準 1999年7月藍牙SIG推出了藍牙協(xié)議1 0版IEEE802 15 1標準是由IEEE與藍牙SIG合作共同完成的802 15 1標準已于2002年4月15日由IEEE SA的標準部門批準成為一個正式標準 它可以同藍牙v1 1完全兼容標準的目標在于在個人操作空間 POS 內進行無線通信 1 藍牙組網方式 一是微微網 Piconet 由一個主控設備 Master 即主結點 和10米距離之內的1到7個從屬設備 Slave 即從結點 組成 同時 一個微微網最多可以有255個靜觀的設備 靜觀狀態(tài)的從結點 二是分散網 1 藍牙組網方式 2 物理層主要特性 低功率 頻段 覆蓋半徑為10米GFSK調制 總數(shù)據(jù)率跳頻擴頻技術支持64Kbps的實時語音2004年藍牙工作組推出2 0版本 帶寬提高三倍 且功耗降低一半 3 MAC層主要特性 1 微微網的跳頻分時機制TDM系統(tǒng) 時隙的間隔為625微秒主 從模式幀的長度可以為1 3或者5個時隙對于一個單時隙的幀 240位數(shù)據(jù) 2 邏輯信道一是面向連接的同步信道 SychronousConnection Oriented SCOlink 主要用于提供雙向64kb s的PCM語音通路一個從屬設備與它的主控設備之間可以有多達3條SCO鏈路前向糾錯機制 3 MAC層主要特性 二是無連接異步信道 AsychronousConnection Less ACLlink 用于分組交換數(shù)據(jù)采用確認重傳機制 3 協(xié)議與接口鏈路管理協(xié)議 LinkManagerProtocol 邏輯鏈路控制及適配協(xié)議 LogicalLinkControlandAdaptationProtocol L2CAP 負責對高層協(xié)議的復用 數(shù)據(jù)包分割和重新組裝 處理與服務質量有關的需求 例如在建立鏈路時 需要協(xié)商最大可允許的凈荷長度 規(guī)定了一個標準化的控制接口 HostControlInterface HCI 二UWB技術 超寬帶 UWB 技術起源于20世紀50年代末 此前主要作為軍事技術在雷達探測和定位等應用領域中使用美國FCC 聯(lián)邦通信委員會 于2002年2月準許該技術進入民用領域 用戶不必進行申請即可使用作為室內通信用途 FCC已將3 1GHz 10 6GHz頻帶向UWB通信開放UWB不需要載波 而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù) 需占用很寬的頻譜范圍 有效傳輸距離在10米以內 傳輸速率可達幾百Mbps甚至更高 二UWB技術 超寬帶是基帶傳輸超寬帶脈沖信號的時域極窄 納秒級 頻域極寬 數(shù)Hz到數(shù)GHz 可超過10GHz 其中的低頻部分可以實現(xiàn)穿墻通信以Intel和TexasInstrument為代表的MBOA標準 主張采用多頻帶方式來實現(xiàn)UWB技術 以及以Motorola為代表的DS UWB標準 主張采用單頻帶方式來實現(xiàn)UWB技術 UWB技術幾個突出的特點 功耗低帶寬高抗干擾能力強安全性好缺陷 三IEEE802 15 4與ZigBee IEEE802 15 4定義了ZigBee協(xié)議棧的最低的兩層 物理層和MAC層 而上面的兩層 網絡層和應用層 則是由ZigBee聯(lián)盟定義的ZigBee技術主要用于各種電子設備 固定的 便攜的或移動的 之間的無線通信 其主要特點是通信距離短 10到100m之間 傳輸數(shù)據(jù)速率低 功耗低 并且成本低廉 1 IEEE802 15 4及ZigBee協(xié)議棧 2 ZigBee的組網方式 EEE802 15 4的網絡設備分為兩類 完整功能設備FFD FullFunctionalDevice 和精簡功能設備RFD ReducedFunctionalDevice 主要有兩種組網方式 1 星型網絡 2 簇型網絡 2 ZigBee的組網方式 2 ZigBee的組網方式 FFD結點具備控制器 Controller 的功能 能夠提供數(shù)據(jù)交換 是ZigBee網絡中的路由器RFD結點只能與處在該星形網的中心的FFD結點交換數(shù)據(jù) 是ZigBee網絡中數(shù)量最多的端設備協(xié)調器 coordinator ZigBee網絡有16位和64位兩種地址格式需要說明的的是IEEE802 15 4標準也支持點對點網絡拓撲結構 3 物理層主要特性 采用的工作頻率分為868MHz 915MHz和2 4GHz三種 各頻段可使用的信道分別有1個 10個 16個 各自提供20kb s 40kb s和250kb s的傳輸速率 具體實現(xiàn)如下 1 信道0 868 868 6MHz 中心頻率868 3Hz BPSK調制 提供20kb s的數(shù)據(jù)通路 2 信道1 10 中心頻率 906 2 信道號 1 MHz BPSK調制 每信道提供40kb s的數(shù)據(jù)通路 3 信道11 26 中心頻率 2405 5 信道號 11 MHz O QPSK調制 每信道提供250kb s的數(shù)據(jù)通路各個頻段采用直接序列擴頻DSSS 4 MAC層主要特性 定義了兩種訪問模式CSMA CA 參考WLAN中IEEE802 11標準定義的DCF模式 優(yōu)缺點可選的超級幀分時隙機制 類似于802 11標準定義的PCF模式 5 ZigBee技術的優(yōu)點 1 省電 功耗低 2 可靠 3 延遲短 4 網絡容量大 5 安全和高保密性 6 Zigbee技術的應用領域 通常 符合如下條件的一個或幾個的無線應用 就可以考慮采用Zigbee技術做無線傳輸 1 需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網點多 2 要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大 而要求設備成本低 3 要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高 安全性高 4 設備體積很小 不便放置較大的充電電池或者電源模塊 5 電池供電 6 地形復雜 監(jiān)測點多 需要較大的網絡覆蓋 7 現(xiàn)有移動網絡的覆蓋盲區(qū) 8 使用現(xiàn)存移動網絡進行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng) 9 使用GPS效果差 或成本太高的局部區(qū)域移動目標的定位應用 9 3無線城域網WMAN 可提供 最后一英里 的寬帶無線接入 固定的 移動的和便攜的 無線本地環(huán)路 wirelesslocalloop 802 16d 2004年6月 固定寬帶無線接入空中接口標準 2 66GHz頻段 802 16e 2005年12月 支持移動性的寬帶無線接入空中接口標準 2 6GHz頻段 在其頻段上它向下兼容802 16d 一基本概念 1 WiMAX全球微波接入互操作性論壇2 空中接口802 16e中定義的參考模型如圖 一基本概念 3 網絡結構IEEE802 16協(xié)議中定義了兩種網絡結構 點到多點 PMP 結構和網格 Mesh 結構 一基本概念 3 網絡結構一個完整的802 16系統(tǒng)應包含的網絡實體有 用戶設備UE 用戶站SS 基站BS 核心網CN 一基本概念 4 協(xié)議棧802 16系列協(xié)議中各協(xié)議的MAC層功能基本相同 差別主要體現(xiàn)在物理層上 二IEEE802 16物理層 工作在10 66GHz頻段的毫米波按向光線一樣的直線傳播基站可以有多個天線 每個天線指向周邊地區(qū)的不同扇形區(qū)域區(qū)別 蜂窩無線電波視距 LOS 鏈路毫米波段信號的強度會隨著與基站的距離的增加急劇地衰減 所以信噪比也會隨著與基站的距離的增加而下降采用了三種不同的單載波調制方案 QAM 64 QAM 16 QPSK特點 視距傳輸 多徑干擾可以忽略 二IEEE802 16物理層 802 16可支持TDD 時分雙工 和FDD 頻分雙工 兩種無線雙工方式802 16采用了前向糾錯技術 1 802 16d的物理層 支持TDD和FDD兩種無線雙工方式10 66GHz固定無線接入系統(tǒng)主要采用單載波 SC 調制技術2 11GHz頻段的系統(tǒng) 將主要采用OFDM 256點 和OFDMA 2048點 技術 更低的成本提供更大的用戶覆蓋系統(tǒng)受雨衰影響不大系統(tǒng)可以在非視距傳輸環(huán)境下運行系統(tǒng)可以采用從1 25MHz 20MHz之間的帶寬10 66GHz的固定無線接入系統(tǒng) 還可以采用28MHz載波帶寬 2 802 16e的物理層 802 16e的物理層實現(xiàn)方式與802 16d是基本一致的主要差別是對OFDMA進行了擴展支持2048點 1024點 512點和128點當802 16e物理層采用256點OFDM或2048點OFDMA時 802 16e后向兼容802 16d 物理層 三IEEE802 16的MAC層 1 MAC層各子層的功能 1 CS子層為MAC層和高層的接口 提供了多個CS規(guī)范 2 CPS子層實現(xiàn)主要的MAC功能 包括系統(tǒng)接入 帶寬分配 連接建立和連接維護等它通過MAC層SAP接收來自各種CS層的數(shù)據(jù)并分類到特定的MAC連接 同時對物理層上傳輸和調度的數(shù)據(jù)實施QoS控制 3 安全子層的主要功能是提供認證 密鑰交換和加解密處理 2 介質訪問機制 IEEE802 16采取的方式是在物理層將時間資源進行分片 通過時間片區(qū)分上行和下行 切換點下行是廣播的 上行是SS發(fā)向BS的上行時 物理層基于時分多用戶接入 TDMA 和按需分配多用戶接入 DAMA 相結合的方式上行信道占用了許多個時隙 初始化 競爭 維護 業(yè)務傳輸?shù)葢枚际峭ㄟ^占用一定數(shù)目的時隙來完成的 其占用的數(shù)目由BS的MAC層統(tǒng)一控制 并根據(jù)系統(tǒng)要求而動態(tài)改變 2 介質訪問機制 下行信道采用時分復用 TDM 方式 BS側產生的信息被復用成單個的數(shù)據(jù)流 廣播發(fā)送給扇區(qū)內的所有SS每個SS接收到廣播消息后 在MAC層中提取檢查消息連接的CID 連接標識符 信息 從而判斷出發(fā)給自己的信息 丟棄其他信息BS還可以以單播 多播的方式向一個或一組SS發(fā)送消息 3 MAC層的鏈路自適應機制 1 自動請求重傳 ARQ 2 混合自動重傳請求 H ARQ 協(xié)議中僅規(guī)定OFDMA物理層提供對H ARQ的支持 3 自適應調制編碼 AMC 4 QoS保證機制 IEEE802 16是第一個提出在MAC層提供QoS保證的無線接入標準802 16MAC層是基于連接的 即所有終端的數(shù)據(jù)業(yè)務以及與此相關的QoS要求 都是基于連接進行的每一個連接均由一個標識符 CID 來唯一