第9章 無線網(wǎng)絡(luò)-高殿武

本章學(xué)習(xí)要求：掌握無線局域網(wǎng)基本概念和技術(shù)原理掌握藍牙的組網(wǎng)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(wǎng)WMAN實踐:筆記本無線上網(wǎng)設(shè)置實例第9章無線網(wǎng)絡(luò)9.1

無線局域網(wǎng)WLAN移動接入無線局域網(wǎng)建網(wǎng)一無線局域網(wǎng)的基本概念

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)無線局域網(wǎng)有兩種配置實現(xiàn)方案：有基站，或者沒有基站W(wǎng)i-Fi（Wireless-Fidelity）

1．IEEE802.11基站結(jié)構(gòu)模型

2．自組網(wǎng)絡(luò)

2．自組網(wǎng)絡(luò)（續(xù)）自組網(wǎng)絡(luò)有很好的應(yīng)用前景

戰(zhàn)場指揮、災(zāi)害場景、移動會議、傳感器網(wǎng)絡(luò)

WSN（WirelessSensorNetwork）

由大量傳感器結(jié)點通過無線通信技術(shù)構(gòu)成的自組網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)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(jié)點基本上是固定不變3．IEEE802.11協(xié)議棧

二IEEE802.11物理層

協(xié)議802.11802.11a802.11b802.11g發(fā)布時間July1997Sept1999Sept1999July2003有效頻寬83.5MHz325MHz83.5MHz83.5MHz調(diào)制方式FHSS/DSSSOFDMHR-DSSSOFDM傳輸速率2Mb/s6～54Mb/s5.5Mb/s、11Mb/s54Mb/s三IEEE802.11的MAC子層協(xié)議

4種標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)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(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(dāng)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

①在發(fā)送第一個幀之前檢測到信道處于忙態(tài)②每一次的重傳③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(nèi)的PCF數(shù)據(jù)與DCF數(shù)據(jù)的共存四IEEE802.11幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)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(wù)

5種分發(fā)服務(wù)和4種站服務(wù)5種分發(fā)服務(wù)是由基站提供的，它們處理站的移動性（1）關(guān)聯(lián)（association）（2）分離（disassociation）（3）重新關(guān)聯(lián)（reassociation）（4）分發(fā)（distribution）（5）融合（integration）

五IEEE802.11服務(wù)（續(xù)）

4種站服務(wù)是在BSS內(nèi)部進行的。當(dāng)關(guān)聯(lián)過程完成之后，這些服務(wù)才可能會用到。

（1）認(rèn)證（authentication）（2）解除認(rèn)證（deauthentication）（3）私密性（privacy）（4）數(shù)據(jù)投遞（datadelivery）9.2

無線個域網(wǎng)WPAN無線個域網(wǎng)WPAN個人自組網(wǎng)絡(luò)802.15:MAC層和物理層2.4GHz的ISM頻段WPAN被廣泛關(guān)注的技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)有三個：IEEE802.15.1（BlueTooth）IEEE802.15.3a（Ultra-WideBand，UWB）IEEE802.15.4（LR-WPAN）（ZigBee）一藍牙技術(shù)與IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)

1999年7月藍牙SIG推出了藍牙協(xié)議1.0版IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE與藍牙SIG合作共同完成的

802.15.1標(biāo)準(zhǔn)已于2002年4月15日由IEEE-SA的標(biāo)準(zhǔn)部門批準(zhǔn)成為一個正式標(biāo)準(zhǔn)，它可以同藍牙v1.1完全兼容標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)在于在個人操作空間（POS）內(nèi)進行無線通信

1．藍牙組網(wǎng)方式

一是微微網(wǎng)（Piconet）由一個主控設(shè)備（Master，即主結(jié)點）和10米距離之內(nèi)的1到7個從屬設(shè)備（Slave，即從結(jié)點）組成。同時，一個微微網(wǎng)最多可以有255個靜觀的設(shè)備（靜觀狀態(tài)的從結(jié)點）二是分散網(wǎng)

1．藍牙組網(wǎng)方式

2．物理層主要特性

低功率、頻段、覆蓋半徑為10米

GFSK調(diào)制、總數(shù)據(jù)率跳頻擴頻技術(shù)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(wǎng)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(shè)備與它的主控設(shè)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(rèn)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(fù)責(zé)對高層協(xié)議的復(fù)用，數(shù)據(jù)包分割和重新組裝，處理與服務(wù)質(zhì)量有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)化的控制接口（HostControlInterface，HCI）二UWB技術(shù)超寬帶（UWB）技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達探測和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用美國FCC（聯(lián)邦通信委員會）于2002年2月準(zhǔn)許該技術(shù)進入民用領(lǐng)域，用戶不必進行申請即可使用作為室內(nèi)通信用途，F(xiàn)CC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(nèi)，傳輸速率可達幾百Mbps甚至更高

二UWB技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，主張采用多頻帶方式來實現(xiàn)UWB技術(shù)；以及以Motorola為代表的DS-UWB標(biāo)準(zhǔn)，主張采用單頻帶方式來實現(xiàn)UWB技術(shù)

UWB技術(shù)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(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層）則是由ZigBee聯(lián)盟定義的

ZigBee技術(shù)主要用于各種電子設(shè)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(wǎng)方式

EEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為兩類：完整功能設(shè)備FFD（FullFunctionalDevice）和精簡功能設(shè)備RFD（ReducedFunctionalDevice）主要有兩種組網(wǎng)方式：（1）星型網(wǎng)絡(luò)

（2）簇型網(wǎng)絡(luò)

2．ZigBee的組網(wǎng)方式

2．ZigBee的組網(wǎng)方式

FFD結(jié)點具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器RFD結(jié)點只能與處在該星形網(wǎng)的中心的FFD結(jié)點交換數(shù)據(jù)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的端設(shè)備協(xié)調(diào)器（coordinator）ZigBee網(wǎng)絡(luò)有16位和64位兩種地址格式需要說明的的是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也支持點對點網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)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(diào)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DSSS4．MAC層主要特性

定義了兩種訪問模式

CSMA/CA：參考WLAN中IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)定義的PCF模式5．ZigBee技術(shù)的優(yōu)點

（1）省電（功耗低）（2）可靠（3）延遲短（4）網(wǎng)絡(luò)容量大（5）安全和高保密性

6．Zigbee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

通常，符合如下條件的一個或幾個的無線應(yīng)用，就可以考慮采用Zigbee技術(shù)做無線傳輸：（1）需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多；（2）要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設(shè)備成本低；（3）要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高；（4）設(shè)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(fù)雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；（7）現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)；（8）使用現(xiàn)存移動網(wǎng)絡(luò)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(biāo)的定位應(yīng)用

9.3

無線城域網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)（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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

IEEE802.16協(xié)議中定義了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：點到多點（PMP）結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格（Mesh）結(jié)構(gòu)

一基本概念3．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個完整的802.16系統(tǒng)應(yīng)包含的網(wǎng)絡(luò)實體有：用戶設(shè)備UE，用戶站SS，基站BS，核心網(wǎng)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(diào)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(shù)

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(diào)制技術(shù)2～11GHz頻段的系統(tǒng)，將主要采用OFDM（256點）和OFDMA（2048點）技術(shù)。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(dāng)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(diào)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(rèn)證、密鑰交換和加解密處理

2．介質(zhì)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(jié)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(wù)傳輸?shù)葢?yīng)用都是通過占用一定數(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(zhì)訪問機制下行信道采用時分復(fù)用（TDM）方式，BS側(cè)產(chǎn)生的信息被復(fù)用成單個的數(shù)據(jù)流，廣播發(fā)送給扇區(qū)內(nèi)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(biāo)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(yīng)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(yīng)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)802.16MAC層是基于連