CH9 無線網絡

1、第 9 章 無線網絡主要內容無線局域網 WLAN無線局域網的組成802.11 標準中的物理層802.11 標準中的 MAC 層無線個人區(qū)域網 WPAN無線城域網 WMAN 9.1 無線局域網9.1.1 無線局域網的組成u無線局域網的分類w有固定基礎設施的：有預先建立的能覆蓋一定地理有固定基礎設施的：有預先建立的能覆蓋一定地理范圍的一批固定基站（范圍的一批固定基站（APAP接入點，接入點，無線路由器、交無線路由器、交換機等）換機等）w無固定基礎設施（無固定基礎設施（自組網絡自組網絡ad-hocad-hoc拉丁語，有臨時、拉丁語，有臨時、特定含義特定含義）：由一些處于平等狀態(tài)的移動站組成的）：由一

2、些處于平等狀態(tài)的移動站組成的臨時網絡。臨時網絡。1 有固定基礎設施的無線局域網n最小構件為基本服務集BSS，由一個基站和若干移動節(jié)點組成，在一個BSS內，各節(jié)點可以直接通信，否則外部訪問需通過APnBSS可以自獨立，也可以通過一個主干分配系統(tǒng)DS如網橋與其他BSS通信，從而構成一個擴展服務集ESS，在一個ESS內的移動節(jié)點可以自由漫游。AP1AP2AP1AP2當網絡管理員安裝 AP 時，必須為該 AP 分配一個不超過 32 字節(jié)的服務集標識符 SSID 和一個信道。 AP1AP2一個基本服務集可以是孤立的，也可通過接入點 AP連接到一個主干分配系統(tǒng) DS (Distribution Syste

3、m)，然后再接入到另一個基本服務集，構成擴展的服務集ESS (Extended Service Set)。AP1AP2ESS 還可通過叫做門戶(portal)為無線用戶提供到非 802.11 無線局域網（例如，到有線連接的因特網）的接入。門戶的作用就相當于一個網橋。 AP1AP2移動站 A 從某一個基本服務集漫游到另一個基本服務集（到 A 的位置），仍可保持與另一個移動站 B 進行通信。 移動站與接入點 AP 之間的關聯(association)n一個移動站若要加入到一個基本服務集 BSS，就必須先選擇一個接入點 AP，并與此接入點建立關聯。關聯的方法有兩種；n被動掃描 即移動站等待接收接入站

4、周期性發(fā)出的信標幀(beacon frame， 稱之為豆)；豆保護許多接入點信息，例如服務集標識符、支持數據率、接入點支持跳頻還是直接排序、容量等。豆幀定期從接入點發(fā)出，間隔可由管理員調整；n主動掃描 即移動站主動發(fā)出探測請求幀(probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測響應幀(probe response frame)。熱點(hot spot)n現在許多地方，如辦公室、機場、快餐店、旅館、購物中心等都能夠向公眾提供有償或無償無線接入 Wi-Fi 的服務。這樣的地點就叫做熱點，即公眾無線入網點。n由許多熱點和 AP 連接起來的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。n現在

5、也出現了無線因特網服務提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)這一名詞。用戶可以通過無線信道接入到 WISP，然后再經過無線信道接入到因特網。Wi-FinWi-FiWirelessFidelity，無線保真技術，與藍牙技術一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。該技術使用的使2.4GHz附近的頻段，該頻段目前尚屬無需許可的無線頻段。其目前可使用的標準有兩個，分別是IEEE802.11a和IEEE802.11b。nWi-Fi是一種無線傳輸的規(guī)范,一般的,帶有這個標志的產品，如手機，表明可以利用它們方便地組建一個無線局域網。該技術由于有著

6、自身的優(yōu)點，因此受到廠商的青睞（水貨手機常有此功能）。 Wi-Fi技術突出的優(yōu)勢技術突出的優(yōu)勢n其一，無線電波的覆蓋范圍廣，基于藍牙技術的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有50英尺左右，約合15米，而Wi-Fi的半徑則可達300英尺左右，約合100米，辦公室自不用說，就是在整棟大樓中也可使用。 n其二，雖然由Wi-Fi技術傳輸的無線通信質量不是很好，數據安全性能比藍牙差一些，傳輸質量也有待改進，但傳輸速度非?？欤梢赃_到11M/54Mbps，符合個人和社會信息化的需求。 n其三，廠商進入該領域的門檻比較低。廠商只要在機場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設置“熱點”，并通過高速線路將因特網

7、接入上述場所。這樣，由于“熱點”所發(fā)射出的電波可以達到距接入點半徑數十米至100米的地方，用戶只要將支持無線LAN的筆記本電腦或PDA拿到該區(qū)域內，即可高速接入因特網。也就是說，廠商不用耗費資金來進行網絡布線接入，從而節(jié)省了大量的成本。2 無固定基礎設施的無線局域網ad-hocn移動結點地位平等，無中心（真正的自由移動，靈活性很強）；n特定應用，一般不和外界其他網絡相連接；n多跳，每個移動結點都具有路由器的功能；n拓撲結構動態(tài)變化隨著作用距離變化n問題主要由沒有控制中心帶來的： 路由算法（動態(tài)源路由算法） 能量控制 帶寬資源分配 安全問題自組網絡AEDCBF源結點目的結點轉發(fā)結點轉發(fā)結點轉發(fā)結

8、點移動自組網絡的應用前景 n在軍事領域中，攜帶了移動站的戰(zhàn)士可利用臨時建立的移動自組網絡進行通信。n這種組網方式也能夠應用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機群。 n當出現自然災害時，在搶險救災時利用移動自組網絡進行及時的通信往往很有效的。 3 無線傳感器網絡 WSN (Wireless Sensor Network) n由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡（但結點的移動性不是很強）。n無線傳感器網絡的應用是進行各種數據的采集、處理和傳輸，一般并不需要很高的帶寬，但是在大部分時間必須保持低功耗，以節(jié)省電池的消耗。n由于無線傳感結點的存儲容量受限，因此對協(xié)議棧的大小有

9、嚴格的限制。n無線傳感器網絡還對網絡安全性、結點自動配置、網絡動態(tài)重組（如部分結點的能量耗盡引起的）等方面有一定的要求。 傳感器結點的形狀(a)和組成(b) 存儲器CPU傳感器硬件電池無線收發(fā)器(a)(b)無線傳感器網絡主要的應用領域 n環(huán)境監(jiān)測與保護（如洪水預報、動物棲息的監(jiān)控）；n戰(zhàn)爭中對敵情的偵查和對兵力、裝備、物資等的監(jiān)控；n醫(yī)療中對病房的監(jiān)測和對患者的護理；n在危險的工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）中的安全監(jiān)測；n城市交通管理、建筑內的溫度/照明/安全控制等。 9.1.2 802.11 局域網的物理層n802.11 無線局域網可再細分為不同的類型。n現在最流行的無線局域網是 802.11

10、b，而另外兩種802.11a 和 802.11g的產品也廣泛存在。 n802.11 的物理層有以下幾種實現方法：n直接序列擴頻 DSSSn正交頻分復用 OFDM（4G發(fā)展趨勢） n跳頻擴頻 FHSS （已很少用）n紅外線 IR （已很少用） w直接序列擴頻DSSS直接用單頻方法將原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率，典型的802.11網絡卡的功率為100mW；w跳頻通信FHSS 共有79個信道可供跳用即頻率不斷變化，如采用藍牙技術的家用網絡PAN，所以安全性比較好，缺點是最大數據率只能達到2Mbps （相比于11Mb/s ）； w紅外線IR可用于室內，數據速率為12Mbps幾種常

11、用的 802.11 無線局域網 標準頻段數據速率物理層優(yōu)缺點802.11b2.4 GHz最高為11 Mb/sDSSS最高數據率較低，價格最低，信號傳播距離最遠，且不易受阻礙 802.11a5 GHz最高為54 Mb/sOFDM最高數據率較高，支持更多用戶同時上網，價格最高，信號傳播距離較短，且易受阻礙802.11g2.4 GHz最高為54 Mb/sOFDM最高數據率較高，支持更多用戶同時上網，信號傳播距離最遠，且不易受阻礙，價格比 802.11b貴9.1.3 802.11 局域網的 MAC 層協(xié)議無線局域網卻不能簡單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議，這里主要有三個原因。nCSMA/CD 協(xié)議要求一

12、個站點在發(fā)送本站數據的同時，還必須不間斷地檢測信道，但在無線局域網的設備中要實現這種功能就花費過大。n即使能夠實現碰撞檢測的功能，并且在發(fā)送數據時檢測到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。這種未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題(hidden station problem) n反之，檢測到信道上有信號，堅持發(fā)送也不一定會產生碰撞，此為暴露站問題無線局域網的特殊問題：隱蔽站問題當 A 和 C 檢測不到無線信號時，都以為 B 是空閑的，因而都向 B 發(fā)送數據，結果發(fā)生碰撞。A 的作用范圍C 的作用范圍ABCD無線局域網的特殊問題：暴露站問題B 向 A 發(fā)送數據，而 C 又想和

13、D 通信。C 檢測到媒體上有信號，于是就不敢向 D 發(fā)送數據。 ADCB？B 的作用范圍C 的作用范圍CSMA/CA 協(xié)議 n無線局域網不能使用 CSMA/CD，而只能使用改進的 CSMA 協(xié)議。n改進的辦法是把 CSMA 增加一個碰撞避免(Collision Avoidance)功能。n802.11 使用 CSMA/CA 協(xié)議。而在使用 CSMA/CA 的同時，還增加使用停止等待協(xié)議。 802.11標準中的MAC技術w分為爭用與非爭用（無沖突的輪詢）使用鏈路w爭用使用是CSMA/CA而非CSMA/CD技術主要是對發(fā)送數據前先對信道進行預約：發(fā)送方發(fā)送數據前先發(fā)請求發(fā)送幀RTS（附有發(fā)送數據長

14、度）接收方以容許發(fā)送幀CTS相應（非強制）相對于數據幀都是短幀。 收到RTS而未收到CTS說明為？可否發(fā)送（可，但要等待一個CTS時間？） 收到CTS而未收到 RTS說明？可否發(fā)送（暫時不可，需等待，后再預約）A B C DRTSRTSA B C DCTSCTSw很復雜具體體現在（P136） 有優(yōu)先級設置；多種幀間隔：發(fā)長幀前用長幀間隔（128us），發(fā)短幀前如RTS/CTS用短幀間隔（28us），非爭用用中幀間隔（78us）可看成優(yōu)先級的不同（對比有線LAN)；發(fā)送也要用退避算法：除非第一次發(fā)送因為無法有效檢測到沖突（以爭用窗口表示，在22i個時隙中隨機選擇，并采用凍結的方法）；使用物理虛擬

15、載波監(jiān)聽機制：源站事先告知其所要占用的信道時間，稱之為網絡分配向量NAV9.2 無線個人區(qū)域網 WPAN (Wireless Personal Area Network) n在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來自組網絡，不需要使用接入點 AP。n整個網絡的范圍大約在 10 m 左右。nWPAN 是以個人為中心來使用的無線人個區(qū)域網，它實際上就是一個低功率、小范圍、低速率和低價格的電纜替代技術。WPAN 都工作在 2.4 GHz 的 ISM 頻段。 n對比： WLAN 是同時為許多用戶服務的無線局域網，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網。1. 藍牙系統(tǒng)(Bluetoot

16、h)n最早使用的 WPAN 是 1994 年愛立信公司推出的藍牙系統(tǒng)，其標準是 IEEE 802.15.1 。n藍牙的數據率為 720 kb/s，通信范圍在 10 米左右。n藍牙使用 TDM 方式和擴頻跳頻 FHSS 技術組成不用基站的皮可網(piconet)。皮可網(piconet)nPiconet 直譯就是“微微網”，表示這種無線網絡的覆蓋面積非常小。n每一個皮可網有一個主設備(Master)和最多7個工作的從設備(Slave)。n通過共享主設備或從設備，可以把多個皮可網鏈接起來，形成一個范圍更大的擴散網(scatternet)。n這種主從工作方式的個人區(qū)域網實現起來價格就會比較便宜。 藍

17、牙系統(tǒng)中的皮可網和擴散網 MMSSPSSSSSP皮可網 2擴散網皮可網 1M 主設備S 從設備P 擱置的設備2. 低速 WPAN n低速 WPAN 主要用于工業(yè)監(jiān)控組網、辦公自動化與控制等領域，其速率是 2 250 kb/s。n低速 WPAN 的標準是 IEEE 802.15.4。最近新修訂的標準是 IEEE 802.15.4-2006。n低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee（紫蜂）。nZigBee 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 80 m），傳輸數據速率低，并且成本低廉。 ZigbeeZigbee是IEEE 802.15

18、.4協(xié)議的代名詞。根據這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源與蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備 在藍牙技術的使用過程中， 人們發(fā)現藍牙技術盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領域而言，藍牙技術顯得太復雜，功耗大，距離近，組網規(guī)模太小等，而工業(yè)自動化，對無線數據通信的需求越來越強烈，而且，對于工業(yè)現場，

19、這種無線數據傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現場的各種電磁干擾。因此，經過人們長期努力，Zigbee協(xié)議在2003年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網絡的通信協(xié)議Home RF Lite。 ZigBee一般采用自組織網來通信 3. 高速 WPANn高速 WPAN 用于在便攜式多媒體裝置之間傳送數據，支持11 55 Mb/s的數據率，標準是 802.15.3， 。nIEEE 802.15.3a 工作組還提出了更高數據率的物理層標準的超高速 WPAN，它使用超寬帶 UWB 技術。nUWB 技術工作在 3.1 10.6 GHz 微波頻段，有非常高的信道帶寬。超寬帶信號的帶寬應超過信號中心頻率的 25% 以上，或信號的絕對帶寬超過 500 MHz。n超寬帶技術使用了瞬間高速脈沖，可支持 100 400 Mb/s 的數據率，可用于小范圍內高速傳送圖像或 DVD 質量的多媒體視頻文件。 9.3 無線城域網 WMAN(Wireless Metropolitan Area Network) n2002 年 4 月通過了 802.16 無線城域網的標準。歐洲的 ETSI 也制訂類似的無線城域網標準 HiperMAN。nWMAN 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）。n在許多情況下，無線城域網可用來代替現有的有線