第一部分 無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

主要內(nèi)容：第2章無線網(wǎng)絡邏輯結(jié)構(gòu)2.1OSI網(wǎng)絡模型2.2網(wǎng)絡層技術(shù)2.3數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)2.4物理層技術(shù)2.5操作系統(tǒng)的注意事項2.6本章小結(jié)2.1OSI網(wǎng)絡模型開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型是由國際標準化組織制定的，用于為開發(fā)計算設備互聯(lián)的標準提供指導。OSI模型是一個用于開發(fā)這些標準的框架，其自身并不是一個標準。網(wǎng)絡的任務是非常復雜的，并不是僅僅一個標準就能處理的。OSI模型將設備與設備之間的連接，或者更恰當?shù)卣f是應用與應用間的連接用具有邏輯相關(guān)的七“層”進行分層描述。OSI七層模型層描述標準和協(xié)議數(shù)據(jù)單元第一層物理層控制在某一特定媒體上的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)臉藴剩ň幋a和調(diào)制方法、電壓、信號持續(xù)時間和頻率。Ethernet,Bluetooth,Wi-Fi,WiMAX比特第二層數(shù)據(jù)鏈路層指定設備訪問和共享傳輸媒體方式[即媒體訪問控制（MediaAccessControl，MAC）]并確保物理連接可靠性[即邏輯鏈路控制（LogicalLinkControl，LLC）]的標準Ethernet:IEEE802.3Wi-Fi:IEEE802.11Bluetooth(802.15.1)幀第三層網(wǎng)絡層定義網(wǎng)絡連接管理的標準，包括網(wǎng)絡中節(jié)點間的路由、中轉(zhuǎn)及終止連接IPv4，IPv6，ARP報文第四層傳輸層確保數(shù)據(jù)傳輸可靠完成的標準，包括錯誤恢復、數(shù)據(jù)流控制等，確認所有數(shù)據(jù)包都已到達。TCP，UDPTPDU（傳送協(xié)議數(shù)據(jù)單元）七層結(jié)構(gòu)層描述標準和協(xié)議數(shù)據(jù)單元第五層會話層管理發(fā)送和接收計算機的表示層間通信的標準，該通信由建立、管理和終止“會話”實現(xiàn)。ASAP，SMBSPDU（會晤協(xié)議數(shù)據(jù)單元）第六層表示層控制數(shù)據(jù)從一種表示格式到另一種表示格式轉(zhuǎn)換的標準SSLPPDU（表示協(xié)議數(shù)據(jù)單元）第七層應用層定義各種應用服務的標準，例如檢查資源可用性、認證用戶等HTTP，F(xiàn)TP，SNMP，POP3，SMTPAPDU（應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元）發(fā)送者撰寫電子郵件接收者閱讀電子郵件郵件消息準備好后通過電子郵件應用程序發(fā)送第7層應用層電子郵件應用程序接收郵件消息并被接收者閱讀消息被分解為表示元素和會話元素，并被添加表示層和會話層控制報頭第6層表示層第5層會話層去除會話層和表示層的報頭，將消息整合為接收電子郵件的應用程序的特定格式消息被分解為包，并被添加傳輸層控制報頭第4層傳輸層接收數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包重新排序，數(shù)據(jù)整合為第5層的消息數(shù)據(jù)包＋網(wǎng)絡地址＋第3層報頭形成數(shù)據(jù)幀第3層網(wǎng)絡層去除幀頭部，將幀的有效載荷部分整合為數(shù)據(jù)包加密數(shù)據(jù)幀，添加幀控制報頭，網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換為MAC地址第2層數(shù)據(jù)鏈路層將比特流組成幀、解密并檢查目的地的MAC地址接入獲得物理媒體，對比特流進行編碼并將其調(diào)制為物理層信號然后傳輸?shù)?層物理層接收的信號被不斷地解調(diào)和解碼，然后將比特流傳送到數(shù)據(jù)鏈路層實際的OSI模型：一個電子郵件例子2.2網(wǎng)絡層技術(shù)2.2.1IP尋址2.2.2私有IP地址2.2.3IPv62.2.4地址解析協(xié)議2.2.5路由2.2.6網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換2.2.7端口地址轉(zhuǎn)換2.2.1IP尋址32位的IP地址通常由四個介于0到255之間的用點號分隔的十進制數(shù)表示，例如0。其擴展的完整二進制格式為11001000.01100100.00110010.00001010。IP地址不僅可以標識計算機或者其他網(wǎng)絡設備，還可以唯一標識該設備連接的網(wǎng)絡。IP地址分為主機ID和網(wǎng)絡ID兩部分。網(wǎng)絡ID很重要，因為它使傳送數(shù)據(jù)包的設備知道在將該數(shù)據(jù)包送達到目的地的路徑中第一個需要調(diào)用的端口。發(fā)送設備IP地址：子網(wǎng)掩碼：網(wǎng)絡ID：0400011001000.01100100.00110010.0000101011111111.11111111.11111111.11110000＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿11001000.01100100.00110010.00000000本地IP地址IP地址：子網(wǎng)掩碼：網(wǎng)絡ID：4400011001000.01100100.00110010.0000111011111111.11111111.11111111.11110000__________________________________11001000.01100100.00110010.00000000遠端IP地址IP地址：子網(wǎng)掩碼：網(wǎng)絡ID：8401611001000.01100100.00110010.0001001011111111.11111111.11111111.11110000__________________________________11001000.01100100.00110010.00010000表2.2本地和遠端IP地址2.2.2私有IP地址1996年2月，網(wǎng)絡工作組要求對RFC1918進行行業(yè)說明，提議了三組所謂的私有IP地址用于無須接入Internet的網(wǎng)絡。這些私有IP地址作為保留的IP地址空間，使一些不同的組織團體可以在他們的私有網(wǎng)絡中使用這些相同的IP地址。在這種情況下，一臺計算機只要不需要通過Internet進行通信，就不需要擁有一個世界上獨一無二的IP地址。類別私有IP地址范圍的起點私有IP地址范圍的終點A55B55C55表2.3私有IP地址范圍隨后，國際因特網(wǎng)地址分配委員會(InternetAssignedNumbersAuthority,IANA)將至55地址段保留為自動專用IP地址(AutomaticPrivateIPAddress,APIPA）。如果一臺計算機將其TCP/IP設置為自動從DHCP服務器獲取IP地址，但是卻不能找到DHCP服務器時，系統(tǒng)就會自動從這個地址段選定一個私有IP地址，從而使計算機可以在私有網(wǎng)絡中進行通信。2.2.3IPv6在32位的情況下，總共有2--32即42.9億個IP地址是可用的?，F(xiàn)在業(yè)界正致力于IPv6(InternetProtocolVersion6)。截止到2020年世界總?cè)丝趯⑦_到100億，平均每人使用遠遠不止一臺計算機，基于上面的預測，IPv6給出了128位的IP地址。IPv6具有3.41038個可用的IP地址——這意味著100億人口每人可以有3.41027個IP地址，或者說平均地球表面每平方米有6.61023個IP地址，這為未來的發(fā)展提供了足夠的空間。2.2.4地址解析協(xié)議正如上面所提到的，每個物理層的數(shù)據(jù)傳輸都是尋址接收設備網(wǎng)卡的MAC（第2層）地址，而不是其IP（第3層）地址。為了對數(shù)據(jù)包尋址，發(fā)送設備首先要找到與目的端的IP地址相對應的MAC地址，然后用該MAC地址標記數(shù)據(jù)包。這個工作是由地址解析協(xié)議(AddressResolutionProtocol,ARP)完成的。發(fā)送設備將請求某個IP地址所對應的MAC地址的消息廣播到網(wǎng)絡上，目的端設備的TCP/IP軟件回復所請求的地址信息，則數(shù)據(jù)包可被尋址，接著將其傳送到發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層。在實際中，發(fā)送設備保留有與其最近通信的設備的MAC地址，所以不需要每次都廣播請求消息。當需要查找MAC地址時，先在ARP列表或者緩存中查找，如果目的端的IP地址不在其中，才廣播請求消息。在很多情況下，計算機是將數(shù)據(jù)包發(fā)送到默認網(wǎng)關(guān)，默認網(wǎng)關(guān)的MAC地址可以在ARP列表中找到。2.2.5路由路由是一種使數(shù)據(jù)包能夠找到到達目的地路徑的機制，不管目的地就是隔壁房間里的設備還是在地球的另一端。路由器將其接收到的每個數(shù)據(jù)包的目的地址與其存儲空間里的地址表即路由表進行比較。如果發(fā)現(xiàn)有相匹配的，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送到表中的相應欄標識的地址處，該地址可能是另一個網(wǎng)絡的地址，也可能是“下一跳”的路由地址，數(shù)據(jù)包沿著這個路徑到達最終的目的地。如果路由器沒有發(fā)現(xiàn)相匹配的地址，將再次遍歷路由表，并只查看地址的網(wǎng)絡ID部分（用前面提到的子網(wǎng)掩碼進行提?。?。如果發(fā)現(xiàn)有相匹配的，數(shù)據(jù)包就被發(fā)送到相應的地址。如果沒有匹配，路由器將尋找一個默認的下一跳的地址，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到那里。作為最后的手段，如果沒有設置默認的地址，路由器將向發(fā)送IP地址返回“主機不可達”或者“網(wǎng)絡不可達”的消息。當收到這樣的消息時，通常意味著線路中的某一個路由發(fā)生了故障。當出現(xiàn)上述故障時，發(fā)送端將生存時間(Time-To-Live,TTL)字段初始化為某一特定值，通常是64，每當數(shù)據(jù)包經(jīng)過一個路由器，該值都會減1。當TTL減至0時，該數(shù)據(jù)包將會被丟棄，同時，通過因特網(wǎng)控制消息協(xié)議(InternetControlMessageProtocol,ICMP)向發(fā)送端報告“超時”消息。路由器工作的智能部分是建立路由表。簡單的網(wǎng)絡可以通過一個起始文件設置靜態(tài)路由表，但是更一般的是，路由器通過發(fā)送和接收廣播消息建立動態(tài)路由表。這些消息可以是ICMP路由請求和路由廣告消息，它們可以使相鄰的路由器詢問“誰在那里？”并回應“我在這兒”，或者使用更有效的路由信息協(xié)議(RouterInformationProtocol,RIP)消息，在此消息中，路由器周期性地向網(wǎng)絡廣播完整的路由表。其他的RIP和ICMP消息允許路由器尋找達到某個地址的最近的路徑，并在其他的路由器發(fā)現(xiàn)無效路由的情況下更新路由表，而且根據(jù)網(wǎng)絡的可用性和流量情況定時更新路由表。2.2.6網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換當一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)包到一個私有網(wǎng)絡之外的IP地址時，連接私有網(wǎng)絡和Internet的網(wǎng)關(guān)會將私有IP源地址（，見表2.4）替換為一個公眾IP地址（例如）。接收服務器和Internet路由器會將其識別為一個有效的目的地地址并正確地對數(shù)據(jù)包進行路由。當發(fā)送端的網(wǎng)關(guān)接收到返回的數(shù)據(jù)包時，用發(fā)送端計算機的初始私有IP地址來替換數(shù)據(jù)包的目的地地址。這個在私有網(wǎng)絡的Internet網(wǎng)關(guān)處完成的將私有IP地址轉(zhuǎn)換為公共IP地址的過程稱為網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換。私有IP地址公眾IP地址表2.4一個簡單的靜態(tài)NAT表實際中，與路由相似，NAT也可以是靜態(tài)的或動態(tài)的。在靜態(tài)NAT中，私有網(wǎng)絡中的每臺需要訪問Internet的計算機都分配一個在指定NAT表中的公眾IP地址。在動態(tài)NAT中，提供一個公眾IP地址池，根據(jù)需要將其映射給私有地址。2.2.7端口地址轉(zhuǎn)換如果私有網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)只有一個可以分配的公眾IP地址，或者在私有網(wǎng)絡中需要上網(wǎng)的計算機數(shù)目多于可以分配給網(wǎng)關(guān)的公共IP地址數(shù)，就會出現(xiàn)問題。這種情況通常是一個小團體只有一個連到ISP的Internet連接。這時，似乎私有網(wǎng)絡中同時只能有一臺計算機可以連到Internet中。端口地址轉(zhuǎn)換(PortAddressTranslation,PAT)可以解決這一局限，PAT可以將私有IP地址映射到單個公眾IP地址的不同端口。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部IP外部IP內(nèi)部IP地址外部IP地址PAT表圖2.2實際中的地址轉(zhuǎn)換私有IP地址公眾IP地址：端口78:200178:200278:200378:2004表2.5一個簡單的PAT表例子2.3數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)2.3.1邏輯鏈路控制2.3.2媒體訪問控制2.3.3有線網(wǎng)絡的媒體訪問控制2.3.4無線網(wǎng)絡的媒體訪問控制2.3.1邏輯鏈路控制OSI網(wǎng)絡層邏輯鏈路控制層（LLC）媒體訪問控制層（MAC）圖2.4LLC的邏輯定位和MAC服務接入點由LLC產(chǎn)生的并傳輸?shù)組AC層的幀稱為LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(LLCProtocolDataUnit,LPDU)，LLC層管理源設備和目的設備的鏈路層服務接入點間的LLC協(xié)議數(shù)據(jù)單元的傳輸。鏈路層服務接入點(ServiceAccessPoint,SAP)是一個指向網(wǎng)絡層協(xié)議的端口或者邏輯連接點，如圖2.4所示。在一個支持多種網(wǎng)絡層協(xié)議的網(wǎng)絡中，每個協(xié)議有特定的源SAP(SourceSAP,SSAP)和目的SAP(DestinationSAP,DSAP)端口。LPDU包括8位的DSAP和SSAP地址以確保LPDU被正確的網(wǎng)絡層協(xié)議傳送。LLC層定義了無連接的和面向連接的通信服務。在面向連接的通信服務中，接收端的LLC層會追蹤接收到的LPDU。如果某個LPDU在傳送中丟失或者未被正確接收，目的地的LLC會請求源從上一次接收到的LPDU開始重新傳輸。LLC將LPDU通過邏輯連接點向下傳輸至MAC層，該邏輯連接點被稱為MAC服務接入點(MACServiceAccessPoint,MACSAP)，而LPDU被稱為MAC服務數(shù)據(jù)單元(MACServiceDataUnit,MSDU)并成為MAC層的數(shù)據(jù)載荷。2.3.2媒體訪問控制數(shù)據(jù)鏈路層的第二個子層控制設備允許訪問物理層傳輸數(shù)據(jù)的方式和時間，這就是媒體訪問控制或者MAC層。接收設備需要能夠識別這些在網(wǎng)絡媒體中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，這是通過MAC地址實現(xiàn)的。每個網(wǎng)絡適配器，無論是以太網(wǎng)、無線網(wǎng)還是其他網(wǎng)絡技術(shù)的適配器，在制造時都被分配了一個獨一無二的稱為MAC地址的序列號。以太網(wǎng)地址是MAC地址最一般的形式，包含有六個字節(jié)，通常用16進制表示，例如00-D0-59-FE-CD-38。前面三個字節(jié)是制造商的編號（上例中的00-D0-59代表Intel），剩余三個字節(jié)是該適配器獨一無二的序列號。一臺裝有Windows95,98或Me的PC的網(wǎng)絡適配器的MAC地址可以通過點擊“開始”，“運行”，并輸入“winipcfg”然后選擇適配器獲得。在WindowsNT,2000和XP系統(tǒng)中可以打開一個DOS窗口（點擊“開始”、“程序”、“附件”、“命令提示符”）然后輸入“ipconfig/all”查到MAC地址。IEEE802.11的MAC幀即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)的完整結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，MPDU的元素如表2.6所示。幀控制持續(xù)時間／ＩＤ地址１地址２地址３序列控制地址４數(shù)據(jù)域CRC幀校驗和長度（字節(jié)）２２６６６２６０～２３１２４協(xié)議版本幀類型幀子類型發(fā)往DS來自DS更多分段重傳電源管理更多數(shù)據(jù)ＷＥＰ次序２２４１１１１１１１１長度（字節(jié)）管理，控制，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)請求／響應信標RTS，ＣＴＳ，ＡＣＫ等圖2.5MAC層的幀結(jié)構(gòu)MPDU元素描述幀控制表示協(xié)議版本(802.11a/b/g)、幀類型（管理、控制、數(shù)據(jù)）、子幀類型（如探測請求、認證、關(guān)聯(lián)請求等）、分段、重試、加密等的標記序列持續(xù)時間傳輸?shù)钠谕掷m(xù)時間。等待站點用來估計何時媒體會再度空閑地址1到地址4目的地地址、源地址以及在分布式系統(tǒng)中可選擇的發(fā)往地址和來自地址序列標識幀的分段和副本的序號數(shù)據(jù)域作為MSDU向下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效載荷幀校驗序列能夠檢測傳輸錯誤的CRC-32循環(huán)校驗表2.6802.11MPDU的幀結(jié)構(gòu)元素2.3.3有線網(wǎng)絡的媒體訪問控制載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)其他的有線網(wǎng)絡MAC方法

載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)在以太網(wǎng)的MAC層中，用于控制設備傳輸?shù)淖畛Ｓ梅椒ㄊ禽d波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection,CSMA/CD)，如圖2.6所示。當設備采用這種控制方法傳輸數(shù)據(jù)幀到網(wǎng)絡時，首先檢查物理媒體（載波偵聽）以確定是否有其他設備正在傳輸。如果檢測到其他正在傳輸?shù)脑O備，就等待直到其傳輸結(jié)束。一旦載波空閑，則開始傳輸數(shù)據(jù)，同時繼續(xù)監(jiān)聽其他傳輸。設備A設備B嘗試發(fā)送設備C嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)分組媒體忙媒體忙媒體忙數(shù)據(jù)分組數(shù)據(jù)分組媒體空閑媒體空閑媒體空閑沖突沖突時隙圖2.6以太網(wǎng)CSMA/CD時序如果設備監(jiān)聽到有其他設備同時也在傳輸（沖突檢測），則停止傳輸并發(fā)送一個短的擁塞信號以告訴其他設備沖突產(chǎn)生。于是每個想要發(fā)送的設備都計算一個隨機退避時間，該退避時間介于0到tmax之間，當退避時間結(jié)束后再次嘗試傳輸。那個恰巧等待了最短時間的設備將會被準許訪問媒體，而其余設備將監(jiān)聽該傳輸并回到載波監(jiān)聽模式。媒體工作繁忙會導致設備不斷地遭遇沖突。當沖突發(fā)生時，tmax會在每次新的嘗試時加倍，直到10次加倍，如果在16次嘗試后發(fā)送仍然是失敗的，設備將報告“過多沖突錯誤”。

其他的有線網(wǎng)絡MAC方法另外一種由IEEE802.5標準定義的有線網(wǎng)絡的媒體訪問控制的常見形式，是在網(wǎng)絡設備之間按照預先定義好的順序傳遞一個電子“令牌”。這個令牌與接力比賽中的接力棒類似，只有拿到了令牌的設備才可以進行發(fā)送。當設備不需要通過媒體發(fā)送數(shù)據(jù)時，立刻將令牌按順序傳給下一個設備。設備只能在一段特定的時間內(nèi)擁有令牌并發(fā)送數(shù)據(jù)，然后必須按順序?qū)⒘钆苽鹘o下一個設備。2.3.4無線網(wǎng)絡的媒體訪問控制只有物理層的收發(fā)機允許設備在發(fā)送期間同時監(jiān)聽媒體，CSMA/CD的沖突檢測才可實現(xiàn)。這在有線網(wǎng)絡中是可行的，因為沖突產(chǎn)生的無效電壓可以被檢測到。但是對于無線電收發(fā)機來說是不可行的，因為在相同的時間里發(fā)射的信號會使接收過載。在無線網(wǎng)絡中，如IEEE802.11，沖突檢測是不實現(xiàn)的，這時要用到CSMA/CD的一種變形即CSMA/CA，其中的CA(CollisionAvoidance)代表沖突避免。除了發(fā)送設備不能檢測沖突外，CSMA/CA與CSMA/CD有一些相似點。設備在發(fā)送前監(jiān)聽媒體，如果媒體忙則等待。發(fā)送幀的持續(xù)時間字段（參見表2.6）使等待設備可以預測媒體忙的時間。一旦媒體被監(jiān)聽到是空閑的，等待設備則計算一個稱為競爭周期的隨機時間周期，并在競爭周期結(jié)束后嘗試發(fā)送。這與CSMA/CD中的退避是類似的，不同的是，CSMA/CA中發(fā)送站等待其他站發(fā)送幀的結(jié)束來避免設備間的沖突，而不是檢測到?jīng)_突后再恢復。2.4物理層技術(shù)2.4.1有線網(wǎng)絡物理層技術(shù)2.4.2無線網(wǎng)絡的物理層技術(shù)2.4.1有線網(wǎng)絡物理層技術(shù)以太網(wǎng)(IEEE802.3)ISDN火線接口通用串行總線以太網(wǎng)(IEEE802.3)以太網(wǎng)是首先由Xerox公司開發(fā)的，并由IEEE802.3標準定義的數(shù)據(jù)鏈路層LAN技術(shù)。以太網(wǎng)使用前面講到的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)作為媒體訪問控制方法。以太網(wǎng)的類型一般都表示成“ABase-B”網(wǎng)絡，其中的“A”代表以Mbps為單位的速率，“B”表示使用的物理媒體類型。10Base-T是標準的以太網(wǎng)，速率是10Mbps，使用非屏蔽雙絞線(UnshieldedTwisted-pairCopperWire,UTP)，設備與最近的集線器或者中繼器的最大距離是500m。光纖分布式數(shù)據(jù)接口FDDI(FiberDistributedDataInterface)是一種采用令牌傳遞訪問控制協(xié)議、環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)和光纖介質(zhì)的100Mb/s高速局域網(wǎng)。MAC層定義了類似于TokenRing的介質(zhì)訪問控制協(xié)議。其中，包括幀格式、介質(zhì)訪問、定時循環(huán)令牌協(xié)議、異步/同步訪問以及環(huán)監(jiān)測等內(nèi)容?！A：幀前導碼，用于和節(jié)點的局部時鐘保持同步。

·SD：幀起始定界符，用于標志幀有效信息的開始。

·FC：幀控制，由8位組成，其格式為CLFFZZZZ，用于指明幀類型有關(guān)特征。其中，C指示數(shù)據(jù)幀是同步幀還是異步幀；L指示地址字段使用的是16位地址還是48位地址；FF定義了四種幀類型：令牌幀、數(shù)據(jù)幀、MAC幀和站管理幀；ZZZZ則根據(jù)不同幀類型來取值，如令牌幀取值為0，而其它類型的幀則用來定義子幀類型。

·DA、SA：目的地址、源地址。它們的長度取決于FC的值，可以是16位或48位。SA只能是單地址；DA可以是單地址、多播地址或廣播地址(全“1”地址)。

·INFO：要傳送的LLC層數(shù)據(jù)，最大數(shù)據(jù)長度為4500個字節(jié)(基本FDDI)或者8600個字節(jié)(增強FDDI)。

·FCS：幀校驗序列，采用32位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。

·ED：幀結(jié)束定界符，令牌幀是8位，其它幀是4位。

·FS：幀狀態(tài)，用于指示檢錯、識別地址以及幀復制等狀態(tài)。FDDI物理層由兩個物理子層組成：物理介質(zhì)相關(guān)PMD(PhysicalMediumDependent)子層

PMD子層定義了所使用的傳輸介質(zhì)以及連接設備的技術(shù)特性。

物理協(xié)議PHY(PhysicalLayer)子層。

PHY定義了如下功能：信號的編碼與譯碼、符號定義、時鐘機制、彈性緩沖器、可靠性規(guī)范等。

什么是4B/5B編碼？4B/5B編碼是百兆以太網(wǎng)中線路層編碼類型之一，就是用5bit的二進制數(shù)來表示4bit二進制數(shù)為什么要進行4B/5B編碼？在通信網(wǎng)絡中，接收端需要從接收數(shù)據(jù)中恢復時鐘信息來保證同步，這就需要線路中所傳輸?shù)亩M制碼流有足夠多的跳變，即不能有過多連續(xù)的高電平或低電平，否則無法提取時鐘信息。Manchester編碼可以保證線路中碼流有充分的跳變，因為它是用電平從“-1”到“+1”的跳變來表示“1”，用電平從“+1”到“-1”的跳變來表示“0”，但是這種編碼方式的效率太低，只有50%，相當于用線路的有效帶寬來換取信號的跳變，十兆以太網(wǎng)就是使用Manchester編碼，雖然線路的有效帶寬只有10Mbps，但實際帶寬卻是20Mbps。百兆以太網(wǎng)用的4B/5B編碼與MLT-3編碼組合方式，發(fā)送碼流先進行4B/5B編碼，再進行MLT-3編碼，最后再上線路傳輸；千兆以太網(wǎng)用的是8B/10B編碼與NRZ編碼組合方式；萬兆以太網(wǎng)用的是64B/66B編碼4B/5B是該編碼方案的第一步（參見圖2.7）。每半字節(jié)4位輸入數(shù)據(jù)都被加上第5位以確保在傳輸?shù)谋忍亓髦杏凶銐虻霓D(zhuǎn)換空間，使接收機用來同步從而實現(xiàn)可靠解碼。第二步中一個11位的反饋移位寄存器(FeedbackShiftRegister,FSR)產(chǎn)生一個重復的偽隨機序列，與4B/5B的輸出數(shù)據(jù)流進行異或運算。該偽隨機序列的作用是使最終要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號的高頻諧波最小。在接收端，相同的偽隨機序列通過第二次異或運算恢復出輸入數(shù)據(jù)。最后一步是使用MLT-3(Multi-LevelTranslation3)編碼方法對發(fā)送波形進行整形，將信號的中心頻率從125MHz降低至31.25MHz。輸入比特流4B/5B編碼4位半字節(jié)4位半字節(jié)5位符號5位符號FSR反饋移位寄存器MLT-3碼輸出圖2.7100Base-T以太網(wǎng)數(shù)據(jù)編碼方案MLT-3基于重復的1,0,-1,0模式。如圖2.8所示，當輸入比特為1時輸出依1,0,-1,0模式順序發(fā)生轉(zhuǎn)換（圖2.8中是下降沿觸發(fā)）；輸入比特為0則不進行轉(zhuǎn)換，即輸出保持不變。與10Base-T中使用的曼徹斯特相位編碼(ManchesterPhaseEncoding,MPE)方案進行比較，輸出信號峰值頻率僅為31.25MHz而不是125MHz，即輸出信號的速率縮減了4倍。在物理UTP媒體上，1,0和-1分別用+0.85V,0.0V和-0.85V的線性電壓來表示。輸入比特流MPE編碼比特流MLT-3編碼比特流圖2.8以太網(wǎng)MPE和快速以太網(wǎng)的MLT-3編碼ISDN綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(IntegratedServicesDigitalNetwork,ISDN)，允許聲音和數(shù)據(jù)在一對電話線上同時傳輸。早期的模擬電話網(wǎng)絡效率不高，而且通過媒體長距離傳輸數(shù)據(jù)通信容易出錯。從1960年開始已經(jīng)逐步地被基于分組的數(shù)字交換系統(tǒng)替代。標準中定義了兩種基本的ISDN業(yè)務：基本速率接口(BasicRateInterface,BRI)和基群速率接口(PrimaryRateInterface,PRI)。ISDN的語音和用戶數(shù)據(jù)在“承載”信道B上傳輸，一般占據(jù)64kbps的帶寬，控制數(shù)據(jù)在“請求”信道D上傳輸，根據(jù)業(yè)務類型占據(jù)16kbps或64kbps的帶寬。輸入比特流輸入“二位二進制”比特流2B1Q線路電壓圖2.9ISDN的2B1Q的線路編碼輸入“二位二進制”輸出“四進制”線路電壓10+3+2.511+1+0.83300-1-0.83301-3-2.5表2.7ISDN的2B1Q的線路編碼火線接口火線接口也稱為IEEE1394口或i.Link口，是在20世紀90年代中期由Apple公司發(fā)布的一種局域網(wǎng)技術(shù)，當時可以提供100Mbps的數(shù)據(jù)速率，遠高于通用串行總線(USB)的12Mbps，該技術(shù)很快就被很多公司用于連接存儲器和光驅(qū)。由于可以在一根長達4.5m的電纜上可靠、廉價、高速地傳輸數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，火線接口現(xiàn)在已經(jīng)被很多電子和計算機公司接納為IEEE1394標準。其標準數(shù)據(jù)速率是400Mbps，但是更高速的版本已經(jīng)可以傳輸800Mbps，而且正計劃高達3.2Gbps的速率。利用16路菊花鏈式的信號中繼器，傳送范圍可以擴展到72m?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了用光纖代替銅線電纜的連接光纖收發(fā)器的火線接口，其傳送范圍可以擴展到40km?；鹁€接口常用的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。數(shù)字視頻攝像機數(shù)字視頻錄像機計算機A火線分離器火線中繼器計算機B火線橋打印機1打印機2圖2.10火線接口網(wǎng)絡拓撲：菊花鏈和樹狀結(jié)構(gòu)通用串行總線通用串行總線(USB)是20世紀90年代中期出現(xiàn)的，通過提供一個熱插拔的“即插即用”接口來取代操縱桿、掃描儀、鍵盤和打印機等設備的不同類型的外設接口［并口、串口、PS/2、MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface，樂器數(shù)字接口）等］。USB1.0的最大傳輸速率是12Mbps，與火線接口相匹配的USB2.0，傳輸速率已經(jīng)達到480Mbps。USB使用主機為中心的結(jié)構(gòu)，由一個主機控制器來處理設備的識別和配置，設備可以直接與主機相連也可以與中間集線器相連，如圖2.11所示。USB規(guī)范在同一個連接中同時支持同步和異步傳輸類型。同步傳輸用在需要保證帶寬和低時延的應用中，比如電話及流媒體傳輸。異步傳輸允許延時并且可以等待可用帶寬。USB控制協(xié)議專門設計為具有較低的協(xié)議管理開銷，從而得到較高的可用帶寬的使用效率。設備設備設備設備設備設備設備設備設備設備設備設備設備根Hub第一層第二層第三層圖2.11USB網(wǎng)絡拓撲：菊花鏈和樹狀結(jié)構(gòu)USB使用差分不歸零制(NonReturntoZeroInverted,NRZI)作為數(shù)據(jù)編碼方案。在NRZI編碼方案中，1表示輸出電壓不變，0表示輸出電壓變化，如圖2.12所示。因此一連串0會使NRZI編碼輸出在每個比特周期發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，而一連串的1使輸出無變化。數(shù)據(jù)比特非歸零（NRZ）非歸零反相（NRZI）比特周期圖2.12USBNRZI數(shù)據(jù)編碼方案2.4.2無線網(wǎng)絡的物理層技術(shù)從藍牙到ZigBee，每種無線物理層技術(shù)都可以通過一些主要的技術(shù)要點進行描述，如表2.8所示。技術(shù)要點問題和注意事項頻譜使用電磁波頻譜的哪一部分？可用帶寬是多大？信道如何分段？用什么樣的機制來控制使用的帶寬以確保與同一頻段的其他用戶共存？傳播管理機構(gòu)允許在頻段中使用的功率等級是多少？采用什么機制來控制發(fā)送功率和傳播方式使其對共存信道中其他用戶的干擾最小、有效范圍最大或者利用空間分集來增加吞吐量？調(diào)制怎樣把編碼后的數(shù)據(jù)承載到物理媒體上？比如是采用單載波或多載波相位調(diào)制還是幅度調(diào)制？是采用脈沖幅度調(diào)制還是脈沖位置調(diào)制？數(shù)據(jù)編碼怎樣把數(shù)據(jù)幀的原始比特編碼為符號進行傳輸？這些編碼機制有什么功能？比如是可以提高抗噪聲性能還是可以提高可用帶寬的有效利用率？媒體接入怎樣接入受控的傳輸媒體使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎脦捵畲蟛⒔鉀Q用戶間的競爭？可以用什么機制來區(qū)分不同業(yè)務需求的用戶媒體接入？表2.8物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的無線技術(shù)概況2.5操作系統(tǒng)的注意事項為了支持網(wǎng)絡，操作系統(tǒng)至少需要支持如TCP/IP等網(wǎng)絡協(xié)議及網(wǎng)絡設備的驅(qū)動。早期的PC操作系統(tǒng)，包括Windows95之前的Windows版本，都是不支持網(wǎng)絡的。然而隨著Internet和其他網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在所有的操作系統(tǒng)都滿足網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(NetworkOperatingSystem,NOS)的要求。個人網(wǎng)絡操作系統(tǒng)還具有其他的網(wǎng)絡特征，比如防火墻、簡化的設置、診斷工具、遠程訪問、與運行其他操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡相互連接以及為組用戶加強通用設置等網(wǎng)絡管理任務。2.6本章小結(jié)OSI網(wǎng)絡模型提供了一個可以描述所有網(wǎng)絡類型的邏輯操作的概念性框架。從手機和耳機間的無線PAN連接，到全球性的Internet。區(qū)分不同網(wǎng)絡技術(shù)特別是有線或無線的主要特征是在數(shù)據(jù)鏈路層（LLC和MAC）和物理層(PHY)定義的。這些特征揭示了不同技術(shù)的不同之處，正是這些技術(shù)將無線網(wǎng)絡帶入了人們的日常生活。在第三部分到第五部分將詳細描述。第3章無線網(wǎng)絡物理結(jié)構(gòu)3.1有線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的回顧3.2無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)3.3WLAN設備3.4WPAN設備3.5WMAN設備3.6第一部分總結(jié)3.1有線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的回顧圖3.1點到點、總線形和環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)總線和環(huán)形拓撲都易于受到單點錯誤的影響，單個連接故障會使總線形網(wǎng)絡的部分節(jié)點與網(wǎng)絡隔斷，或者使環(huán)形網(wǎng)絡的所有通信中斷。圖3.2星形和樹形拓撲結(jié)構(gòu)圖3.3實際星形網(wǎng)絡中的無源集線器第一臺PC第二臺PC打印機無源集線器掃描儀圖3.4實際星形網(wǎng)絡中的交換式集線器交換式集線器第一臺PC第二臺PC打印機掃描儀3.2無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)3.2.1點到點連接3.2.2無線網(wǎng)絡的星形拓撲結(jié)構(gòu)3.2.3無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡3.2.1點到點連接與有線網(wǎng)絡相比，圖3.1所示的簡單點到點連接在無線網(wǎng)絡中更為常見，在很多無線情況都會見到，例如，端到端(P2P,Peer-to-Peer)或者ad-hocWi-Fi連接無線MAN回程裝置LAN無線網(wǎng)橋藍牙IrDA3.2.2無線網(wǎng)絡的星形拓撲結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡星形拓撲的中心節(jié)點，可以是WiMAX基站、Wi-Fi接入點、藍牙主設備或者ZigBeePAN協(xié)調(diào)器，如圖3.5所示，其作用類似于有線網(wǎng)絡中的集線器。圖3.5無線網(wǎng)絡的星形拓撲結(jié)構(gòu)無線媒體本質(zhì)上的不同意味著，交換式和非交換式集線器的差別對無線網(wǎng)絡中的控制節(jié)點來說并沒有太大影響，因為并沒有相應的無線媒體能夠替代連接到每個設備的單獨纜線。無線LAN交換機或控制器是一種有線網(wǎng)絡設備，用來將數(shù)據(jù)交換到接入點(AccessPoint,AP)，接入點負責為每個數(shù)據(jù)包尋址目的站，如圖3.6所示接入點交換機圖3.6使用無線接入點交換的樹形拓撲結(jié)構(gòu)扇區(qū)天線交換式集線器圖3.7可交換星形無線MAN拓撲結(jié)構(gòu)3.2.3無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡，也稱為移動adhoc網(wǎng)絡(MANET)，是局域網(wǎng)或者城域網(wǎng)的一種，網(wǎng)絡中的節(jié)點是移動的，而且可以直接與相鄰節(jié)點通信而不需要中心控制設備。由于節(jié)點可以進入或離開網(wǎng)絡，因此無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，如圖3.8所示。數(shù)據(jù)包從一個節(jié)點到另一個節(jié)點直至目的地的過程稱為“跳”。Internet存在點接入點網(wǎng)狀路由器網(wǎng)狀設備有線連接網(wǎng)絡連接點到點連接設備與網(wǎng)絡的連接圖3.8無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)除了有效收集和更新路由信息外，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡還面臨其他的技術(shù)挑戰(zhàn)：無線鏈路的可靠性——數(shù)據(jù)包的錯誤率在集線器的一跳內(nèi)還可容忍，但星形網(wǎng)絡配置會將其迅速擴展到多跳上，從而限制了網(wǎng)狀網(wǎng)絡能夠擴大和保持有效性的規(guī)模。無縫漫游——大多數(shù)無線網(wǎng)絡都不要求移動節(jié)點的無縫連接和再連接，但是IEEE802.11工作組TGr和TGs卻對此提出了要求。安全性——如何在一個沒有穩(wěn)定的基礎(chǔ)架構(gòu)的網(wǎng)絡中執(zhí)行用戶認證？3.3WLAN設備3.3.1無線網(wǎng)卡3.3.2接入點3.3.3無線LAN交換機或控制器3.3.4WLAN陣列3.3.5其他WLAN硬件3.3.6WLAN天線3.3.1無線網(wǎng)卡裝有無線網(wǎng)絡接口卡（NetworkInterfaceCard,NIC，簡稱網(wǎng)卡）的PDA、筆記本電腦或臺式電腦可作為無線站點，可以與對等網(wǎng)中的其他站點或者接入點進行通信。圖3.9各種各樣的無線NIC［Belkin公司和D-link（歐洲）公司以及l(fā)inksys（Cisco子公司）提供］3.3.2接入點接入點(AP)是無線局域網(wǎng)(WLAN)的中心設備，可以是集線器，用來與網(wǎng)絡中的其他站點進行無線通信。接入點通常也與有線網(wǎng)絡相連，作為有線和無線設備之間的網(wǎng)橋。圖3.10第一代無線接入點［Belkin公司和D-link（歐洲）公司以及l(fā)inksys（Cisco子公司）提供］第一代接入點被稱為“胖”接入點，在每個單元內(nèi)提供了全范圍的處理和控制功能，包括：安全特性，比如認證和加密支持基于列表或者過濾器的訪問控制簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SimpleNetworkManagementProtocol,SNMP)配置能力特性描述Internet網(wǎng)關(guān)支持許多功能，如路由、網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換、為客戶站提供動態(tài)IP地址的動態(tài)主機分配協(xié)議(DynamicHostConfigurationProtocol,DHCP)服務器、虛擬專用網(wǎng)(VirtualPrivateNetwork,VPN)等交換式集線器可以包含多個有線以太網(wǎng)端口，為一些以太網(wǎng)設備提供交換式集線器功能無線網(wǎng)橋或中繼器接入點可以作為中繼站來擴展另一個接入點的工作范圍，或者作為兩個網(wǎng)絡之間的點對點的無線網(wǎng)橋網(wǎng)絡存儲服務器接有外部存儲器的Internet硬盤驅(qū)動器或端口，為無線站點提供集中的文件存儲或備份表3.1接入點可選功能3.3.3無線LAN交換機或控制器在大規(guī)模無線網(wǎng)絡中，例如擁有幾十甚至幾百個接入點的集團環(huán)境中，需要對每個接入點單獨配置，這就使WLAN的管理非常復雜。WLAN交換機簡化了大型WLAN的配置和管理。WLAN交換機（也稱為WLAN控制器或接入路由器）是一種網(wǎng)絡基礎(chǔ)設備，該設備設計用來代表依賴型或者“瘦”接入點執(zhí)行各種功能，圖3.11所示。接入點交換機接入點圖3.11采用無線交換機的WLAN拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)點描述低成本“瘦”接入點經(jīng)過優(yōu)化，只高效地完成無線通信功能，降低了最初的硬件成本以及未來的維護和升級成本簡化的接入點管理接入點配置，包括安全功能都采用集中式，簡化了網(wǎng)絡管理任務改善漫游性能比傳統(tǒng)接入點的漫游切換速度要快得多，改善了語音服務性能簡化網(wǎng)絡升級集中式的命令和控制能力使得為適應WLAN標準而對網(wǎng)絡進行的升級變得更加簡單，因為升級只需在交換層次上進行，而不是在每個接入點上表3.2“瘦”接入點的優(yōu)點瘦AP解決方案優(yōu)勢1.集中控制與管理2.即插即用的網(wǎng)絡部署3.網(wǎng)絡自愈功能4.無線接入的負載均衡5.安全性6.QoS7.流量分離特性描述布局規(guī)劃自動站點測量工具，允許導入組網(wǎng)規(guī)劃和結(jié)構(gòu)特點，用來確定最佳接入點位置RF管理分析收到的來自所有接入點的管理幀，調(diào)整一個或多個接入點的發(fā)射功率或信道設置來診斷并自動糾正與RF信號相關(guān)的問題自動配置無線交換機通過為每個接入點確定最佳的RF信道和發(fā)射功率設置實現(xiàn)自動配置負載平衡通過多個接入點的用戶間的自動負載平衡來最大化網(wǎng)絡容量基于策略的接入控制接入策略可以基于接入點分組和客戶端列表，指定哪些接入點或組或特殊的客戶站點允許接入指令檢測通過連續(xù)掃描或者預定的站點勘探，檢測和定位惡意接入點、未認證的用戶或adhoc網(wǎng)絡表3.3無線LAN交換機特性IETF規(guī)范描述了LWAPP協(xié)議的如下目標：減少接入點執(zhí)行的協(xié)議代碼數(shù)量從而可以有效地利用接入點的計算能力，是通過將接入點的計算能力用在無線通信而不是橋接、轉(zhuǎn)發(fā)或者其他功能上實現(xiàn)的。采用集中式網(wǎng)絡計算能力執(zhí)行WLAN的橋接、轉(zhuǎn)發(fā)、認證、加密和策略執(zhí)行功能。提供一個在集線器設備和接入點之間傳輸幀的通用封裝和傳輸機制，保證多廠商產(chǎn)品的通用性并使得LWAPP可以應用于未來的其他訪問協(xié)議中。LWAPP功能描述接入點設備的發(fā)現(xiàn)及信息交換接入點發(fā)送“發(fā)現(xiàn)請求”幀，所有接收到的接入路由器響應“發(fā)現(xiàn)應答”幀。接入點選擇一個響應的接入路由并通過交換“加入請求”和“加入應答”幀與其發(fā)生關(guān)聯(lián)接入點驗證、配置、規(guī)定和軟件控制關(guān)聯(lián)后，接入路由為接入點提供一些規(guī)定，包括服務設置標識符(ServiceSetIdentifier,SSID)、安全參數(shù)、工作信道和數(shù)據(jù)速率。接入路由器還可以配置MAC操作參數(shù)（例如幀的嘗試發(fā)送次數(shù)）、發(fā)送功率、直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)或OFDM參數(shù)和接入點的天線配置。在規(guī)定和配置后，接入點就可以進行工作了數(shù)據(jù)和管理幀的封裝、分段和格式LWAPP為接入點和接入路由間的傳輸封裝數(shù)據(jù)和管理幀。如果封裝的數(shù)據(jù)或管理幀超過了接入點和接入路由之間支持的最大傳輸單元(MaximumTransmissionUnit,MTU)，將對幀進行分段和重組接入點和關(guān)聯(lián)設備間的通信控制與管理LWAPP使接入路由向其接入點請求統(tǒng)計報告，包括與接入點和其關(guān)聯(lián)設備的通信有關(guān)的數(shù)據(jù)（例如重試次數(shù)和RTS/ACK失敗次數(shù)）表3.4LWAPP功能3.3.4WLAN陣列單個接入點陣列包含一個WLAN控制器，同時有4、8或者16個接入點。這些接入點可能同時具有IEEE802.11a及IEEE802.11b/g無線接口。比較典型的例子是使用4個接入點進行IEEE802.11a/g覆蓋，其相鄰天線間隔為90o、扇區(qū)為180o，或者使用12個接入點進行IEEE802.11a覆蓋，其相鄰天線間隔為30o、扇區(qū)為60o，如圖3.12所示。12扇區(qū)天線組合波束圖譜每個天線波束寬度為60°相鄰天線的偏置為30°4扇區(qū)天線組合波束圖譜每個天線波束寬度為180°相鄰天線的偏置為90°圖3.1216扇區(qū)接入點陣列天線配置這種具有16個接入點、工作在IEEE802.11a/g網(wǎng)絡的設備，每個接入點的最高數(shù)據(jù)速率為54Mbps，可提供總的WLAN傳輸能力為864Mbps。扇區(qū)天線提高了增益，也意味著接入點陣列的工作范圍比采用全向天線的單個接入點的工作范圍加倍或者增加很多。為了在更大的工作區(qū)域得到更高的傳輸能力，可以使用由兩級WLAN控制器控制的多接入點陣列，將生成一個樹狀拓撲，如圖3.13所示，該WLAN的總傳輸能力可達幾個Gb。介入點交換機接入點陣列客戶站接入點陣列覆蓋區(qū)域；12×802.11g+4×802.11a信道圖3.13使用接入點陣列的WLAN樹狀拓撲3.3.5其他WLAN硬件無線網(wǎng)橋無線打印服務器無線網(wǎng)橋許多制造商生產(chǎn)了能夠提供點到點WLAN或者WMAN連接的無線橋接設備，這些設備具有適合戶外使用的保護封裝，如圖3.14所示。圖3.14戶外無線網(wǎng)橋［D-Link（歐洲）公司及Linksys（Cisco子公司）提供］無線打印服務器無線打印服務器使家庭或者辦公室內(nèi)的一組用戶之間可以靈活地共享打印機，而打印機不必宿主于某臺計算機或連接到有線網(wǎng)絡。圖3.15無線打印服務器［Belkin公司、D-Link（歐洲）公司及Linksys（Cisco子公司）提供］3.3.6WLAN天線傳統(tǒng)的固定增益天線智能天線傳統(tǒng)的固定增益天線工作在2.4GHzISM頻段（IndustrialScientificMedicalBand，工業(yè)、科學、醫(yī)用頻段）的IEEE802.11b及802.11g網(wǎng)絡的天線有許多種覆蓋類型。在特定應用場合下，選擇天線的關(guān)鍵因素是天線增益（用dBi表示）和波束角（用度表示）。最常見的WLAN天線是全向天線。全向天線是所有的NIC以及大多數(shù)接入點的標準天線，其增益為0～7dBi，波束角垂直于天線軸方向，為全向360o。圖3.16給出了一些WLAN天線的示例，其典型參數(shù)如表3.5所示。圖3.16WLAN天線類型［D-Link（歐洲）公司提供］室外全向天線高增益八木天線室內(nèi)定向平面天線室外全向天線天線類型子類型波束寬度(o)增益(dBi)全向天線3600～15貼片天線/平面天線15～708～20扇區(qū)天線1808～151209～20909～206010～17定向天線八木天線10～308～20拋物面反射天線5～2514～30

表3.52.4GHz無線LAN典型參數(shù)智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。智能天線的原理是將無線電的信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA(DirectionofArrinal)，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。智能天線可將無線電的信號導向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA(DirectionofArrival)，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質(zhì)量和網(wǎng)絡擴容的需要。實際上它使通信資源不再局限于時間域(TDMA)、頻率域(FDMA)或碼域(CDMA)而拓展到了空間域，屬于空分多址(SDMA)體制。智能天線可以分為兩種類型：交換波束天線和適應陣列。類型交換波束交換波束使用許多窄波束天線，每個指向一個微有不同的方向，以此覆蓋整個120度扇區(qū)。當扇區(qū)內(nèi)的移動用戶移動時，系統(tǒng)內(nèi)的智能天線從一個天線變換到另一個天線。自適應陣列自適應陣列使用一個陣列天線和成熟的數(shù)字信號處理來從一個位置到下一個位置轉(zhuǎn)換天線束。波束轉(zhuǎn)換天線波束轉(zhuǎn)換天線具有有限數(shù)目的、固定的、預定義的方向圖，通過陣列天線技術(shù)在同一信道中利用多個波束同時給多個用戶發(fā)送不同的信號，它從幾個預定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當移動臺越過扇區(qū)時，從一個波束切換到另一個波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質(zhì)量。為保證波束轉(zhuǎn)換天線共享同一信道的各移動用戶只接收到發(fā)給自己的信號而不發(fā)生串話，要求基站天線陣產(chǎn)生多個波束來分別照射不同用戶，特別地，在每個波束中發(fā)送的信息不同而且要互不干擾。自適應天線陣融入自適應數(shù)字處理技術(shù)的智能天線是利用數(shù)字信號處理的算法去測量不同波束的信號強度，因而能動態(tài)地改變波束使天線的傳輸功率集中。應用空間處理技術(shù)(spatialprocessingtechnology)可以增強信號能力，使多個用戶共同使用一個信道。智能天線使用上述傳統(tǒng)天線類型的無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)吞吐量是有限的，因為在網(wǎng)絡中同一時間只能有一個節(jié)點利用傳輸媒體傳輸數(shù)據(jù)包（其他的所謂多址接入技術(shù)將在4.3節(jié)中討論）。智能天線允許多個節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了網(wǎng)絡的吞吐量，從而克服了這一限制。有兩種類型的智能天線：交換波束與自適應陣列。交換波束天線由一組天線元構(gòu)成，天線元預先定義成含有一個窄的主瓣和一些小旁瓣的波束圖，如圖3.17所示。波束之間的交換意味著在目標節(jié)點方向上選擇了一個提供最佳增益的陣列元，或者是選擇了一個對干擾源具有最小增益的陣列元。目標站方向發(fā)射機轉(zhuǎn)換到波束6給目標站方向提供最大的增益圖3.17六元交換波束陣列波束圖交換波束天線最簡單的形式是分集接收天線對，通常用在WLAN的接入點來降低室內(nèi)環(huán)境中的多徑效應。接收機檢測出兩個天線中哪個天線的信號更強，切換至該天線。自適應的波束或者波束成型天線由一個陣列內(nèi)的兩個或者多個天線元組成，由波束成型算法為每個天線元所發(fā)送的或接收的信號分配特定的增益和相位偏移，結(jié)果得到一個可調(diào)整的方向性圖，該圖可以用來將波束的主瓣引導到期望的最大增益方向上。圖3.18給出了產(chǎn)生同相波束的兩天線間的相移。在期望方向上的相干干涉兩個天線信號之間的相位偏移圖3.18產(chǎn)生同相波束的兩天線間的相移自適應波束天線可以將波束圖集中于某個特定的節(jié)點，也可以在干擾源的方向上放置“空”或者零增益點。由于每個陣列元的增益和相位偏移都在實時軟件控制下，天線可以動態(tài)地調(diào)整波束圖來補償多徑、其他干擾源及噪聲的影響，如圖3.19所示。元線陣列元累加放大器幅度相位控制自適應控制算法接收機圖3.19自適應波束天線自適應波束陣列MIMO無線通信目標將傳播集中在單個期望的空間方向上，以便能夠允許多址接入，降低干擾或者增加傳輸范圍利用多徑傳播增加數(shù)據(jù)容量，采用通過多個空間信道復用數(shù)據(jù)流的方式天線配置接收端及/或發(fā)射端有兩個或者多個天線元，接收端和發(fā)射端天線獨立配置一般是2×2或4×4（發(fā)射端×接收端），接收端及發(fā)射端通過數(shù)字信號處理算法連接空間分集接收端和發(fā)射端之間集中使用單個空間信道多個空間信道，利用多徑傳播數(shù)據(jù)復用對所有發(fā)射天線進行單個比特流編碼數(shù)據(jù)流通過空間信道復用信號處理為每個天線進行簡單的相位和增益調(diào)整使用復雜的處理技術(shù)來對通過多個空間信道的信號進行解碼應用舉例第三代WLAN接入點，見3.3.4節(jié)IEEE802.11n標準的物理層，見6.6.4節(jié)表3.6自適應波束陣列與MIMO無線通信的比較3.4WPAN設備3.4.1WPAN硬件設備3.4.2WPAN天線3.4.1WPAN硬件設備藍牙設備ZigBee設備藍牙設備藍牙設備主要特性移動電話與藍牙無線耳麥的交互；與PDA或者PC連接用以傳輸或者備份文件；與其他藍牙設備交換合同（商務卡）、日歷表、照片等PDA與PC連接用來傳輸或者備份文件；通過藍牙接入點訪問Internet；與其他藍牙設備交換合同（商務卡）、日歷表、照片等耳機