CH9 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

1、第 9 章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要內(nèi)容無(wú)線局域網(wǎng) WLAN無(wú)線局域網(wǎng)的組成802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的物理層802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的 MAC 層無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WPAN無(wú)線城域網(wǎng) WMAN 9.1 無(wú)線局域網(wǎng)9.1.1 無(wú)線局域網(wǎng)的組成u無(wú)線局域網(wǎng)的分類w有固定基礎(chǔ)設(shè)施的：有預(yù)先建立的能覆蓋一定地理有固定基礎(chǔ)設(shè)施的：有預(yù)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(diǎn)，接入點(diǎn)，無(wú)線路由器、交無(wú)線路由器、交換機(jī)等）換機(jī)等）w無(wú)固定基礎(chǔ)設(shè)施（無(wú)固定基礎(chǔ)設(shè)施（自組網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)絡(luò)ad-hocad-hoc拉丁語(yǔ)，有臨時(shí)、拉丁語(yǔ)，有臨時(shí)、特定含義特定含義）：由一些處于平等狀態(tài)的移動(dòng)站組成的）：由一

2、些處于平等狀態(tài)的移動(dòng)站組成的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。1 有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線局域網(wǎng)n最小構(gòu)件為基本服務(wù)集BSS，由一個(gè)基站和若干移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，在一個(gè)BSS內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)可以直接通信，否則外部訪問(wèn)需通過(guò)APnBSS可以自獨(dú)立，也可以通過(guò)一個(gè)主干分配系統(tǒng)DS如網(wǎng)橋與其他BSS通信，從而構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集ESS，在一個(gè)ESS內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以自由漫游。AP1AP2AP1AP2當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理員安裝 AP 時(shí)，必須為該 AP 分配一個(gè)不超過(guò) 32 字節(jié)的服務(wù)集標(biāo)識(shí)符 SSID 和一個(gè)信道。 AP1AP2一個(gè)基本服務(wù)集可以是孤立的，也可通過(guò)接入點(diǎn) AP連接到一個(gè)主干分配系統(tǒng) DS (Distribution Syste

3、m)，然后再接入到另一個(gè)基本服務(wù)集，構(gòu)成擴(kuò)展的服務(wù)集ESS (Extended Service Set)。AP1AP2ESS 還可通過(guò)叫做門戶(portal)為無(wú)線用戶提供到非 802.11 無(wú)線局域網(wǎng)（例如，到有線連接的因特網(wǎng)）的接入。門戶的作用就相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)橋。 AP1AP2移動(dòng)站 A 從某一個(gè)基本服務(wù)集漫游到另一個(gè)基本服務(wù)集（到 A 的位置），仍可保持與另一個(gè)移動(dòng)站 B 進(jìn)行通信。 移動(dòng)站與接入點(diǎn) AP 之間的關(guān)聯(lián)(association)n一個(gè)移動(dòng)站若要加入到一個(gè)基本服務(wù)集 BSS，就必須先選擇一個(gè)接入點(diǎn) AP，并與此接入點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)的方法有兩種；n被動(dòng)掃描 即移動(dòng)站等待接收接入站

4、周期性發(fā)出的信標(biāo)幀(beacon frame， 稱之為豆)；豆保護(hù)許多接入點(diǎn)信息，例如服務(wù)集標(biāo)識(shí)符、支持?jǐn)?shù)據(jù)率、接入點(diǎn)支持跳頻還是直接排序、容量等。豆幀定期從接入點(diǎn)發(fā)出，間隔可由管理員調(diào)整；n主動(dòng)掃描 即移動(dòng)站主動(dòng)發(fā)出探測(cè)請(qǐng)求幀(probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測(cè)響應(yīng)幀(probe response frame)。熱點(diǎn)(hot spot)n現(xiàn)在許多地方，如辦公室、機(jī)場(chǎng)、快餐店、旅館、購(gòu)物中心等都能夠向公眾提供有償或無(wú)償無(wú)線接入 Wi-Fi 的服務(wù)。這樣的地點(diǎn)就叫做熱點(diǎn)，即公眾無(wú)線入網(wǎng)點(diǎn)。n由許多熱點(diǎn)和 AP 連接起來(lái)的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。n現(xiàn)在

5、也出現(xiàn)了無(wú)線因特網(wǎng)服務(wù)提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)這一名詞。用戶可以通過(guò)無(wú)線信道接入到 WISP，然后再經(jīng)過(guò)無(wú)線信道接入到因特網(wǎng)。Wi-FinWi-FiWirelessFidelity，無(wú)線保真技術(shù)，與藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無(wú)線技術(shù)。該技術(shù)使用的使2.4GHz附近的頻段，該頻段目前尚屬無(wú)需許可的無(wú)線頻段。其目前可使用的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，分別是IEEE802.11a和IEEE802.11b。nWi-Fi是一種無(wú)線傳輸?shù)囊?guī)范,一般的,帶有這個(gè)標(biāo)志的產(chǎn)品，如手機(jī)，表明可以利用它們方便地組建一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)。該技術(shù)由于有著

6、自身的優(yōu)點(diǎn)，因此受到廠商的青睞（水貨手機(jī)常有此功能）。 Wi-Fi技術(shù)突出的優(yōu)勢(shì)技術(shù)突出的優(yōu)勢(shì)n其一，無(wú)線電波的覆蓋范圍廣，基于藍(lán)牙技術(shù)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(dá)300英尺左右，約合100米，辦公室自不用說(shuō)，就是在整棟大樓中也可使用。 n其二，雖然由Wi-Fi技術(shù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性能比藍(lán)牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待改進(jìn)，但傳輸速度非常快，可以達(dá)到11M/54Mbps，符合個(gè)人和社會(huì)信息化的需求。 n其三，廠商進(jìn)入該領(lǐng)域的門檻比較低。廠商只要在機(jī)場(chǎng)、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設(shè)置“熱點(diǎn)”，并通過(guò)高速線路將因特網(wǎng)

7、接入上述場(chǎng)所。這樣，由于“熱點(diǎn)”所發(fā)射出的電波可以達(dá)到距接入點(diǎn)半徑數(shù)十米至100米的地方，用戶只要將支持無(wú)線LAN的筆記本電腦或PDA拿到該區(qū)域內(nèi)，即可高速接入因特網(wǎng)。也就是說(shuō)，廠商不用耗費(fèi)資金來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線接入，從而節(jié)省了大量的成本。2 無(wú)固定基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線局域網(wǎng)ad-hocn移動(dòng)結(jié)點(diǎn)地位平等，無(wú)中心（真正的自由移動(dòng)，靈活性很強(qiáng)）；n特定應(yīng)用，一般不和外界其他網(wǎng)絡(luò)相連接；n多跳，每個(gè)移動(dòng)結(jié)點(diǎn)都具有路由器的功能；n拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化隨著作用距離變化n問(wèn)題主要由沒(méi)有控制中心帶來(lái)的： 路由算法（動(dòng)態(tài)源路由算法） 能量控制 帶寬資源分配 安全問(wèn)題自組網(wǎng)絡(luò)AEDCBF源結(jié)點(diǎn)目的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)

8、點(diǎn)移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景 n在軍事領(lǐng)域中，攜帶了移動(dòng)站的戰(zhàn)士可利用臨時(shí)建立的移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。n這種組網(wǎng)方式也能夠應(yīng)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(jī)群。 n當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害時(shí)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)利用移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時(shí)的通信往往很有效的。 3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN (Wireless Sensor Network) n由大量傳感器結(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)成的自組網(wǎng)絡(luò)（但結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性不是很強(qiáng)）。n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是進(jìn)行各種數(shù)據(jù)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(shí)間必須保持低功耗，以節(jié)省電池的消耗。n由于無(wú)線傳感結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量受限，因此對(duì)協(xié)議棧的大小有

9、嚴(yán)格的限制。n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性、結(jié)點(diǎn)自動(dòng)配置、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重組（如部分結(jié)點(diǎn)的能量耗盡引起的）等方面有一定的要求。 傳感器結(jié)點(diǎn)的形狀(a)和組成(b) 存儲(chǔ)器CPU傳感器硬件電池?zé)o線收發(fā)器(a)(b)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的應(yīng)用領(lǐng)域 n環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)（如洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)物棲息的監(jiān)控）；n戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)敵情的偵查和對(duì)兵力、裝備、物資等的監(jiān)控；n醫(yī)療中對(duì)病房的監(jiān)測(cè)和對(duì)患者的護(hù)理；n在危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）中的安全監(jiān)測(cè)；n城市交通管理、建筑內(nèi)的溫度/照明/安全控制等。 9.1.2 802.11 局域網(wǎng)的物理層n802.11 無(wú)線局域網(wǎng)可再細(xì)分為不同的類型。n現(xiàn)在最流行的無(wú)線局域網(wǎng)是 802.11

10、b，而另外兩種802.11a 和 802.11g的產(chǎn)品也廣泛存在。 n802.11 的物理層有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法：n直接序列擴(kuò)頻 DSSSn正交頻分復(fù)用 OFDM（4G發(fā)展趨勢(shì)） n跳頻擴(kuò)頻 FHSS （已很少用）n紅外線 IR （已很少用） w直接序列擴(kuò)頻DSSS直接用單頻方法將原來(lái)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(wǎng)絡(luò)卡的功率為100mW；w跳頻通信FHSS 共有79個(gè)信道可供跳用即頻率不斷變化，如采用藍(lán)牙技術(shù)的家用網(wǎng)絡(luò)PAN，所以安全性比較好，缺點(diǎn)是最大數(shù)據(jù)率只能達(dá)到2Mbps （相比于11Mb/s ）； w紅外線IR可用于室內(nèi)，數(shù)據(jù)速率為12Mbps幾種常

11、用的 802.11 無(wú)線局域網(wǎng) 標(biāo)準(zhǔn)頻段數(shù)據(jù)速率物理層優(yōu)缺點(diǎn)802.11b2.4 GHz最高為11 Mb/sDSSS最高數(shù)據(jù)率較低，價(jià)格最低，信號(hào)傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙 802.11a5 GHz最高為54 Mb/sOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時(shí)上網(wǎng)，價(jià)格最高，信號(hào)傳播距離較短，且易受阻礙802.11g2.4 GHz最高為54 Mb/sOFDM最高數(shù)據(jù)率較高，支持更多用戶同時(shí)上網(wǎng)，信號(hào)傳播距離最遠(yuǎn)，且不易受阻礙，價(jià)格比 802.11b貴9.1.3 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 層協(xié)議無(wú)線局域網(wǎng)卻不能簡(jiǎn)單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議，這里主要有三個(gè)原因。nCSMA/CD 協(xié)議要求一

12、個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時(shí)，還必須不間斷地檢測(cè)信道，但在無(wú)線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)這種功能就花費(fèi)過(guò)大。n即使能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測(cè)的功能，并且在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)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(cè)出媒體上已存在的信號(hào)的問(wèn)題叫做隱蔽站問(wèn)題(hidden station problem) n反之，檢測(cè)到信道上有信號(hào)，堅(jiān)持發(fā)送也不一定會(huì)產(chǎn)生碰撞，此為暴露站問(wèn)題無(wú)線局域網(wǎng)的特殊問(wèn)題：隱蔽站問(wèn)題當(dāng) A 和 C 檢測(cè)不到無(wú)線信號(hào)時(shí)，都以為 B 是空閑的，因而都向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞。A 的作用范圍C 的作用范圍ABCD無(wú)線局域網(wǎng)的特殊問(wèn)題：暴露站問(wèn)題B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)，而 C 又想和

13、D 通信。C 檢測(cè)到媒體上有信號(hào)，于是就不敢向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)。 ADCB？B 的作用范圍C 的作用范圍CSMA/CA 協(xié)議 n無(wú)線局域網(wǎng)不能使用 CSMA/CD，而只能使用改進(jìn)的 CSMA 協(xié)議。n改進(jìn)的辦法是把 CSMA 增加一個(gè)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(shí)，還增加使用停止等待協(xié)議。 802.11標(biāo)準(zhǔn)中的MAC技術(shù)w分為爭(zhēng)用與非爭(zhēng)用（無(wú)沖突的輪詢）使用鏈路w爭(zhēng)用使用是CSMA/CA而非CSMA/CD技術(shù)主要是對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)前先對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約：發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)前先發(fā)請(qǐng)求發(fā)送幀RTS（附有發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)

14、度）接收方以容許發(fā)送幀CTS相應(yīng)（非強(qiáng)制）相對(duì)于數(shù)據(jù)幀都是短幀。 收到RTS而未收到CTS說(shuō)明為？可否發(fā)送（可，但要等待一個(gè)CTS時(shí)間？） 收到CTS而未收到 RTS說(shuō)明？可否發(fā)送（暫時(shí)不可，需等待，后再預(yù)約）A B C DRTSRTSA B C DCTSCTSw很復(fù)雜具體體現(xiàn)在（P136） 有優(yōu)先級(jí)設(shè)置；多種幀間隔：發(fā)長(zhǎng)幀前用長(zhǎng)幀間隔（128us），發(fā)短幀前如RTS/CTS用短幀間隔（28us），非爭(zhēng)用用中幀間隔（78us）可看成優(yōu)先級(jí)的不同（對(duì)比有線LAN)；發(fā)送也要用退避算法：除非第一次發(fā)送因?yàn)闊o(wú)法有效檢測(cè)到?jīng)_突（以爭(zhēng)用窗口表示，在22i個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)選擇，并采用凍結(jié)的方法）；使用物理虛擬

15、載波監(jiān)聽機(jī)制：源站事先告知其所要占用的信道時(shí)間，稱之為網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV9.2 無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WPAN (Wireless Personal Area Network) n在個(gè)人工作地方把屬于個(gè)人使用的電子設(shè)備用無(wú)線技術(shù)連接起來(lái)自組網(wǎng)絡(luò)，不需要使用接入點(diǎn) AP。n整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的范圍大約在 10 m 左右。nWPAN 是以個(gè)人為中心來(lái)使用的無(wú)線人個(gè)區(qū)域網(wǎng)，它實(shí)際上就是一個(gè)低功率、小范圍、低速率和低價(jià)格的電纜替代技術(shù)。WPAN 都工作在 2.4 GHz 的 ISM 頻段。 n對(duì)比： WLAN 是同時(shí)為許多用戶服務(wù)的無(wú)線局域網(wǎng)，它是一個(gè)大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。1. 藍(lán)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(lán)牙系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.1 。n藍(lán)牙的數(shù)據(jù)率為 720 kb/s，通信范圍在 10 米左右。n藍(lán)牙使用 TDM 方式和擴(kuò)頻跳頻 FHSS 技術(shù)組成不用基站的皮可網(wǎng)(piconet)。皮可網(wǎng)(piconet)nPiconet 直譯就是“微微網(wǎng)”，表示這種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積非常小。n每一個(gè)皮可網(wǎng)有一個(gè)主設(shè)備(Master)和最多7個(gè)工作的從設(shè)備(Slave)。n通過(guò)共享主設(shè)備或從設(shè)備，可以把多個(gè)皮可網(wǎng)鏈接起來(lái)，形成一個(gè)范圍更大的擴(kuò)散網(wǎng)(scatternet)。n這種主從工作方式的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)價(jià)格就會(huì)比較便宜。 藍(lán)

17、牙系統(tǒng)中的皮可網(wǎng)和擴(kuò)散網(wǎng) MMSSPSSSSSP皮可網(wǎng) 2擴(kuò)散網(wǎng)皮可網(wǎng) 1M 主設(shè)備S 從設(shè)備P 擱置的設(shè)備2. 低速 WPAN n低速 WPAN 主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動(dòng)化與控制等領(lǐng)域，其速率是 2 250 kb/s。n低速 WPAN 的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.4。最近新修訂的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.4-2006。n低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee（紫蜂）。nZigBee 技術(shù)主要用于各種電子設(shè)備（固定的、便攜的或移動(dòng)的）之間的無(wú)線通信，其主要特點(diǎn)是通信距離短（10 80 m），傳輸數(shù)據(jù)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(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源與蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備 在藍(lán)牙技術(shù)的使用過(guò)程中， 人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對(duì)工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，

19、這種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)期努力，Zigbee協(xié)議在2003年正式問(wèn)世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過(guò)的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。 ZigBee一般采用自組織網(wǎng)來(lái)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(shù)據(jù)，支持11 55 Mb/s的數(shù)據(jù)率，標(biāo)準(zhǔn)是 802.15.3， 。nIEEE 802.15.3a 工作組還提出了更高數(shù)據(jù)率的物理層標(biāo)準(zhǔn)的超高速 WPAN，它使用超寬帶 UWB 技術(shù)。nUWB 技術(shù)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(hào)的帶寬應(yīng)超過(guò)信號(hào)中心頻率的 25% 以上，或信號(hào)的絕對(duì)帶寬超過(guò) 500 MHz。n超寬帶技術(shù)使用了瞬間高速脈沖，可支持 100 400 Mb/s 的數(shù)據(jù)率，可用于小范圍內(nèi)高速傳送圖像或 DVD 質(zhì)量的多媒體視頻文件。 9.3 無(wú)線城域網(wǎng) WMAN(Wireless Metropolitan Area Network) n2002 年 4 月通過(guò)了 802.16 無(wú)線城域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的 ETSI 也制訂類似的無(wú)線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) HiperMAN。nWMAN 可提供“最后一英里”的寬帶無(wú)線接入（固定的、移動(dòng)的和便攜的）。n在許多情況下，無(wú)線城域網(wǎng)可用來(lái)代替現(xiàn)有的有線