CH9-無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

1、主講： 方群安徽師范大學(xué) 數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院2012年第 9 章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)9.1 無(wú)線局域網(wǎng) WLAN9.2 無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WPAN9.3 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 有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線局域網(wǎng)AP1AP2一個(gè)基本服務(wù)集 BSS 包括一個(gè)基站和若干個(gè)移動(dòng)站，所有的站在本 BSS 以內(nèi)都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信時(shí) ，都要通過(guò)本 BSS 的基站。 AP1AP2基本服務(wù)集內(nèi)的基站叫做接入點(diǎn) AP (Access Point)其作用和網(wǎng)橋相似。AP1AP2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

2、 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 System)，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。 與接入點(diǎn) AP 建立關(guān)聯(lián)(association) 一

3、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)。 建立關(guān)聯(lián)就表示這個(gè)移動(dòng)站加入了選定的 AP 所屬的子網(wǎng)，并和這個(gè) AP 之間創(chuàng)建了一個(gè)虛擬線路。 只有關(guān)聯(lián)的 AP 才向這個(gè)移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而這個(gè)移動(dòng)站也只有通過(guò)關(guān)聯(lián)的 AP 才能向其他站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。移動(dòng)站與 AP 建立關(guān)聯(lián)的方法 被動(dòng)掃描，即移動(dòng)站等待接收接入站周期性發(fā)出的信標(biāo)幀(beacon frame)。 信標(biāo)幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)（如服務(wù)集標(biāo)識(shí)符 SSID 以及支持的速率等）。 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

4、應(yīng)幀(probe response frame)。熱點(diǎn)(hot spot) 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)償接入 Wi-Fi 的服務(wù)。這樣的地點(diǎn)就叫做熱點(diǎn)。 由許多熱點(diǎn)和 AP 連接起來(lái)的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。熱點(diǎn)也就是公眾無(wú)線入網(wǎng)點(diǎn)。 現(xiàn)在也出現(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)。2. 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)又稱自組網(wǎng)絡(luò)(ad hoc network) 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)

5、轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn) 自組網(wǎng)絡(luò)是沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施（即沒有 AP）的無(wú)線局域網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)由一些處于平等狀態(tài)的移動(dòng)站之間相互通信組成的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景 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。 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。 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， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN (Wireless Sensor Network) 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)。 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

6、大部分時(shí)間必須保持低功耗，以節(jié)省電池的消耗。 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)議棧的大小有嚴(yán)格的限制。 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 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）； 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； 醫(yī)療中對(duì)病房的監(jiān)測(cè)和對(duì)患者的護(hù)理； 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)； 城市交通管理、建筑內(nèi)的溫度/照明/安全控制等。 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng) IP 并不相同 移動(dòng) IP 技術(shù)使漫游的主

7、機(jī)可以用多種方式連接到因特網(wǎng)。 移動(dòng) IP 的核心網(wǎng)絡(luò)功能仍然是基于在固定互聯(lián)網(wǎng)中一直在使用的各種路由選擇協(xié)議。 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)是將移動(dòng)性擴(kuò)展到無(wú)線領(lǐng)域中的自治系統(tǒng)，它具有自己特定的路由選擇協(xié)議，并且可以不和因特網(wǎng)相連。 幾種不同的接入 固定接入(fixed access)在作為網(wǎng)絡(luò)用戶期間，用戶設(shè)置的地理位置保持不變。 移動(dòng)接入(mobility access)用戶設(shè)置能夠以車輛速度移動(dòng)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)發(fā)生切換時(shí)，通信仍然是連續(xù)的。 便攜接入(portable access)在受限的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積中，用戶設(shè)備能夠在以步行速度移動(dòng)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，提供有限的切換能力。 游牧接入(nomadic a

8、ccess)用戶設(shè)備的地理位置至少在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)保持不變。如用戶設(shè)備移動(dòng)了位置，則再次進(jìn)行通信時(shí)可能還要尋找最佳的基站 幾種常用的 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/sHR-DSSS 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802.11

9、 數(shù)據(jù)幀的三大部分 MAC 首部，共 30 字節(jié)。幀的復(fù)雜性都在幀的首部。 幀主體，也就是幀的數(shù)據(jù)部分，不超過(guò)2312 字節(jié)。這個(gè)數(shù)值比以太網(wǎng)的最大長(zhǎng)度長(zhǎng)很多。不過(guò) 802.11 幀的長(zhǎng)度通常都是小于 1500 字節(jié)。 幀檢驗(yàn)序列 FCS 是尾部，共 4 字節(jié) WPAN 和 WLAN 并不一樣。 WPAN 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。 但 WLAN 卻是同時(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)(Bluetooth) 最早

10、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 。 藍(lán)牙的數(shù)據(jù)率為 720 kb/s，通信范圍在 10 米左右。 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) Piconet 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。 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)。 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)。 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)牙系統(tǒng)中的

11、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 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。 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。 低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee。 ZigBee 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。 ZigBee 的特點(diǎn) 功耗非常低。在工作時(shí)，信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短；而在

12、非工作時(shí)，ZigBee 結(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，非常省電。對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間之比小于 1% 的情況，電池的壽命甚至可以超過(guò)10 年。 網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè) ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255 個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主設(shè)備，其余則是從設(shè)備。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過(guò) 64000 個(gè)結(jié)點(diǎn)。 ZigBee 的標(biāo)準(zhǔn) 在 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。 所有 ZigBee 產(chǎn)品也是 802.15.4 產(chǎn)品。 IEEE 802.15.4 只是定義了 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。Zi

13、gBee 的協(xié)議棧 物理層MAC 層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層IEEE 802.15.4 定義ZigBee 聯(lián)盟定義ZigBee協(xié)議棧ZigBee 的組網(wǎng)方式可采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)?，或兩者的組合 FFDFFDFFDFFDFFDRFD端設(shè)備路由器FFDFFD協(xié)調(diào)器有一個(gè)全功能設(shè)備 FFD 充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的端設(shè)備是精簡(jiǎn)功能設(shè)備 RFD 結(jié)點(diǎn)。 3. 高速 WPAN 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， 。 IEEE 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 U

14、WB 技術(shù)。 UWB 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。 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) 2002 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。 WMAN 可提供“最后一英里”的寬帶無(wú)線接入（固定的、

15、移動(dòng)的和便攜的）。 在許多情況下，無(wú)線城域網(wǎng)可用來(lái)代替現(xiàn)有的有線寬帶接入，因此它有時(shí)又稱為無(wú)線本地環(huán)路。 WiMAXWorldwide Interoperability for Microwave Access WiMAX 常用來(lái)表示無(wú)線城域網(wǎng) WMAN，這與Wi-Fi 常用來(lái)表示無(wú)線局域網(wǎng) WLAN 相似。 IEEE 的 802.16 工作組是無(wú)線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制訂者，而 WiMAX 論壇則是 802.16 技術(shù)的推動(dòng)者。 兩個(gè)正式標(biāo)準(zhǔn) 802.16d（它的正式名字是 802.16-2004），是固定寬帶無(wú)線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)（2 66 GHz頻段）。 802.16 的增強(qiáng)版本，即 802.16e，是支持移動(dòng)性的寬帶無(wú)線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)（2 6 GHz頻段），它向下兼容 802.16-2004。 802.16 無(wú)線城域網(wǎng)服務(wù)范圍的示意圖 ISPU N I V E R S I T YU N I V E R S I T Y802.