第9章 無線網(wǎng)絡(luò)-高殿武

1、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(lán)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(shí)踐:筆記本無線上網(wǎng)設(shè)置實(shí)例 移動接入 無線局域網(wǎng)建網(wǎng) IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn) 無線局域網(wǎng)有兩種配置實(shí)現(xiàn)方案：有基站，或者 沒有基站 Wi-Fi（Wireless-Fidelity） 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（Wireless Sensor Network） 由大量傳感器結(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)構(gòu)成的自 組網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用：進(jìn)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

2、 結(jié)點(diǎn)基本上是固定不變 協(xié)議協(xié)議802.11802.11802.11a802.11a802.11b802.11b802.11g802.11g 發(fā)布時(shí)間發(fā)布時(shí)間July 1997July 1997Sept 1999Sept 1999Sept 1999Sept 1999July 2003July 2003 有效頻寬有效頻寬83.5MHz83.5MHz325MHz325MHz83.5MHz83.5MHz83.5MHz83.5MHz 調(diào)制方式調(diào)制方式FHSS/DSSSFHSS/DSSSOFDMOFDMHR-DSSSHR-DSSSOFDMOFDM 傳輸速率傳輸速率2Mb/s2Mb/s6 654Mb/s5

3、4Mb/s5.5Mb/s5.5Mb/s、 11Mb/s11Mb/s 54 Mb/s54 Mb/s 4種標(biāo)準(zhǔn)均采用的是CSMA/CA（CA，Collision Avoidance，沖突避免）協(xié)議 CSMA CA 在使用CSMA/CA的同時(shí)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(gè) 問題 （1）不能避免隱藏站問題 （2）存在暴露站的問題 DCF讓各個(gè)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 數(shù)據(jù)幀的頭部“持續(xù)時(shí)間”字段 網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV（Network Allocation Vector） 信道處于忙狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間 當(dāng)一

4、個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，在以下幾種情況下必 須進(jìn)行退避 在發(fā)送第一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)幀是 它想發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)才不退避 CSMA/CA通過定義幀間間隔來實(shí)現(xiàn)一個(gè)BSS內(nèi)的PCF 數(shù)據(jù)與DCF數(shù)據(jù)的共存 IEEE 802.11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 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)（distri

5、bution ） （5）融合（integration） 4種站服務(wù)是在BSS內(nèi)部進(jìn)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（data delivery） 無線個(gè)域網(wǎng)WPAN 個(gè)人 自組網(wǎng)絡(luò) 802.15:MAC層和物理層 2.4 GHz的ISM頻段 WPAN被廣泛關(guān)注的技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)： IEEE802.15.1（BlueTooth） IEEE 802.15.3a（Ultra-Wide Band，UWB） IEEE802.15.4（LR-W

6、PAN）（ZigBee） 1999年7月藍(lán)牙SIG推出了藍(lán)牙協(xié)議1.0版 IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE與藍(lán)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(gè)正式標(biāo)準(zhǔn)，它可以同藍(lán)牙 v1.1完全兼容 標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)在于在個(gè)人操作空間（POS）內(nèi)進(jìn)行無 線通信 一是微微網(wǎng)（Piconet） 由一個(gè)主控設(shè)備（Master，即主結(jié)點(diǎn)）和10米 距離之內(nèi)的1到7個(gè)從屬設(shè)備（Slave，即從結(jié) 點(diǎn)）組成。同時(shí)，一個(gè)微微網(wǎng)最多可以有255 個(gè)靜觀的設(shè)備（靜觀狀態(tài)的從結(jié)點(diǎn)） 二是分散網(wǎng) 低功率、頻段、覆蓋半徑為10米 GFSK調(diào)制 、總數(shù)據(jù)

7、率 跳頻擴(kuò)頻技術(shù) 支持64Kbps的實(shí)時(shí)語音 2004年藍(lán)牙工作組推出2.0版本，帶寬提高三倍， 且功耗降低一半 （1）微微網(wǎng)的跳頻分時(shí)機(jī)制 TDM系統(tǒng)，時(shí)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(gè)時(shí)隙 對于一個(gè)單時(shí)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（Sychronous Connection-Oriented，SCO link），主要用于提 供雙向64kb/s的PCM語音通路 一個(gè)從屬設(shè)備與它的主控設(shè)備之間可以有多達(dá) 3條SCO鏈路 前向糾錯(cuò)機(jī)制 二是無連接異步信道（Asychronous Connection-Less ，ACL link），

8、用于分組交換數(shù)據(jù) 采用確認(rèn)重傳機(jī)制 （3）協(xié)議與接口 鏈路管理協(xié)議（Link Manager Protocol） 邏輯鏈路控制及適配協(xié)議（Logical Link Control and Adaptation Protocol，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(shí)， 需要協(xié)商最大可允許的凈荷長度）。 規(guī)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的控制接口（Host Control Interface，HCI） 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(dá)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

9、準(zhǔn)許該技 術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域，用戶不必進(jìn)行申請即可使用 作為室內(nèi)通信用途，F(xiàn)CC已將3.1GHz10.6GHz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(dá)幾百M(fèi)bps 甚至更高 超寬帶是基帶傳輸 超寬帶脈沖信號的時(shí)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(shí)現(xiàn)穿墻通信 以Intel和Texas Instrument為代表的MBOA 標(biāo)準(zhǔn) ，主張采用多頻帶方式來實(shí)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

10、式來實(shí)現(xiàn)UWB 技術(shù) 功耗低 帶寬高 抗干擾能力強(qiáng) 安全性好 缺陷 IEEE 802.15.4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(diǎn)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 EEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為兩類：完整功能設(shè)備 FFD（Full Functional Device）和精簡功能設(shè)備 RFD（Reduced Functional Device） 主要有兩種組網(wǎng)方式 ： （1

11、）星型網(wǎng)絡(luò) （2）簇型網(wǎng)絡(luò) FFD結(jié)點(diǎn)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(diǎn)只能與處在該星形網(wǎng)的中心的FFD結(jié)點(diǎn)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IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也支持點(diǎn)對點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 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(gè)、10個(gè)、16個(gè)，各自提供 20kb/s、40kb/s 和250kb/s的傳輸速率，具體實(shí)現(xiàn)如下： （1）信道0，868-868

12、.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(gè)頻段采用直接序列擴(kuò)頻DSSS 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(diǎn) 可選的超級幀分時(shí)隙機(jī)制 ：類似于802.11 標(biāo) 準(zhǔn)定義的PCF模式 （1）省電（功耗低） （2）可靠 （3）延遲短 （4）網(wǎng)絡(luò)容量大 （5）安全

13、和高保密性 通常，符合如下條件的一個(gè)或幾個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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 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（wireless

14、local loop） 802.16d (2004年6月 )：固定寬帶無線接入空中 接口標(biāo)準(zhǔn)（266GHz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)（26GHz頻段），在其頻段 上它向下兼容802.16d 1WiMAX 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 3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) IEEE 802.16協(xié)議中定義了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：點(diǎn)到多 點(diǎn)（PMP）結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格（Mesh）結(jié)構(gòu) 3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 一個(gè)完整的802.16系統(tǒng)應(yīng)包含的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體有：用 戶設(shè)備UE，用戶站SS，基站BS，核心網(wǎng)CN 4協(xié)議棧 802.16系列協(xié)議中 各協(xié)議的MAC

15、層功能 基本相同，差別主 要體現(xiàn)在物理層上 工作在1066GHz頻段的毫米波按向光線一樣的直 線傳播 基站可以有多個(gè)天線，每個(gè)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(qiáng)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(diǎn)：視距傳輸 、多徑干擾可以忽略 802.16可支持TDD（時(shí)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(cuò)技術(shù) 支持TDD和FDD兩種無線雙工方式 1066GHz固定無線接入系統(tǒng)主要采用單載波

16、（SC ）調(diào)制技術(shù) 211GHz頻段的系統(tǒng)，將主要采用OFDM（256點(diǎn)） 和OFDMA（2048點(diǎn)）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(yùn)行 系統(tǒng)可以采用從1.25MHz20MHz之間的帶寬 1066GHz的固定無線接入系統(tǒng)，還可以采用28MHz 載波帶寬 802.16e的物理層實(shí)現(xiàn)方式與802.16d是基本一致的 主要差別是對OFDMA進(jìn)行了擴(kuò)展 支持2048點(diǎn)、1024點(diǎn)、512點(diǎn)和128點(diǎn) 當(dāng)802.16e物理層采用256點(diǎn)OFDM或2048點(diǎn)OFDMA 時(shí)，802.16e后向兼容802.16d（物理層） 1MAC層各子層的功能 （1）C

17、S子層為MAC層和高層的接口 ，提供了多個(gè)CS 規(guī)范 （2）CPS子層實(shí)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(hù)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(shí)對物理層上傳輸和調(diào) 度的數(shù)據(jù)實(shí)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 IEEE802.16采取的方式是在物理層將時(shí)間資源進(jìn)行 分片，通過時(shí)間片區(qū)分上行和下行。 切換點(diǎn) 下行是廣播的，上行是SS發(fā)向BS的 上行時(shí)，物理層基于時(shí)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(gè)時(shí)隙，初始化、競爭、 維護(hù)、業(yè)務(wù)

18、傳輸?shù)葢?yīng)用都是通過占用一定數(shù)目 的時(shí)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 下行信道采用時(shí)分復(fù)用（TDM）方式，BS側(cè)產(chǎn)生的 信息被復(fù)用成單個(gè)的數(shù)據(jù)流，廣播發(fā)送給扇區(qū)內(nèi)的 所有SS 每個(gè)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(gè)或一組SS 發(fā)送消息 （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） IEEE 802.16是第一個(gè)提出在MAC層提供QoS保證的 無線接入標(biāo)準(zhǔn) 802.16MAC層是基于連接的，即所有終端的數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)以及與此相關(guān)的QoS要求，都是基于連接進(jìn)行的 每一個(gè)連接均由一個(gè)標(biāo)識符（CID）來唯一進(jìn)行 標(biāo)識 標(biāo)準(zhǔn)還定義了四種不