計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-CH8-無線網(wǎng)絡(luò)課件

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識主講：朱毅zhuyi@無線網(wǎng)絡(luò)1無線局域網(wǎng)WLAN2無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN3無線城域網(wǎng)WMAN4ad-hoc網(wǎng)絡(luò)5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN覆蓋范圍幾種無線網(wǎng)絡(luò)的比較

1Gb/s100Mb/s10Mb/s1Mb/s100kb/s10kb/s用戶數(shù)據(jù)率PANLANMANWAN802.15.4ZigBee802.15.1藍(lán)牙802.15.3超寬帶802.11g,a802.11b802.162G移動通信3G移動通信4G移動通信Wi-FiWiMAX一、無線局域網(wǎng)（WLAN,WiFi）一個基本服務(wù)集BSS包括一個基站和若干個移動站，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，都要通過本BSS的基站。

AP1AP2基本服務(wù)集內(nèi)的基站叫做接入點(diǎn)AP

(AccessPoint)其作用和網(wǎng)橋相似。AP1AP2當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理員安裝AP時，必須為該AP分配一個不超過32字節(jié)的服務(wù)集標(biāo)識符SSID

和一個信道。AP1AP2一個基本服務(wù)集可以是孤立的，也可通過接入點(diǎn)AP連接到一個主干分配系統(tǒng)

DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一個基本服務(wù)集，構(gòu)成擴(kuò)展的服務(wù)集ESS(ExtendedServiceSet)。AP1AP2ESS還可通過叫做門戶(portal)為無線用戶提供到非802.11無線局域網(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)于一個網(wǎng)橋。

AP1AP2移動站A從某一個基本服務(wù)集漫游到另一個基本服務(wù)集（到A的位置），仍可保持與另一個移動站B進(jìn)行通信。

與接入點(diǎn)AP建立關(guān)聯(lián)(association)一個移動站若要加入到一個基本服務(wù)集BSS，就必須先選擇一個接入點(diǎn)AP，并與此接入點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)。建立關(guān)聯(lián)就表示這個移動站加入了選定的AP所屬的子網(wǎng)，并和這個AP之間創(chuàng)建了一個虛擬線路。只有關(guān)聯(lián)的AP才向這個移動站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而這個移動站也只有通過關(guān)聯(lián)的AP才能向其他站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。一、無線局域網(wǎng)（WLAN,WiFi）二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

在個人工作地方把屬于個人使用的電子設(shè)備用無線技術(shù)連接起來自組網(wǎng)絡(luò)，不需要使用接入點(diǎn)AP。整個網(wǎng)絡(luò)的范圍大約在10m左右。無線個人區(qū)域網(wǎng)

WPAN和個人區(qū)域網(wǎng)

PAN(PersonalAreaNetwork)并不完全等同，因?yàn)镻AN不一定都是使用無線連接的。WPAN和WLAN的不同

WPAN是以個人為中心來使用的無線個人區(qū)域網(wǎng)，它實(shí)際上就是一個低功率、小范圍、低速率和低價格的電纜替代技術(shù)。WPAN都工作在2.4GHz的ISM頻段。但WLAN卻是同時為許多用戶服務(wù)的無線局域網(wǎng)，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

1).藍(lán)牙系統(tǒng)(Bluetooth)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IEEE802.15.1。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)率為720kb/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)。二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

皮可網(wǎng)(piconet)Piconet直譯就是“微微網(wǎng)”，表示這種無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積非常小。每一個皮可網(wǎng)有一個主設(shè)備(Master)和最多7個工作的從設(shè)備(Slave)。通過共享主設(shè)備或從設(shè)備，可以把多個皮可網(wǎng)鏈接起來，形成一個范圍更大的擴(kuò)散網(wǎng)(scatternet)。這種主從工作方式的個人區(qū)域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)起來價格就會比較便宜。二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

藍(lán)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)備二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

2).低速WPAN

低速WPAN主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動化與控制等領(lǐng)域，其速率是2~250kb/s。低速WPAN的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4。最近新修訂的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4-2006。低速WPAN中典型代表是ZigBee。ZigBee技術(shù)主要用于各種電子設(shè)備（固定的、便攜的或移動的）之間的無線通信，其主要特點(diǎn)是通信距離短（10~80m），傳輸數(shù)據(jù)速率低，并且成本低廉。二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

ZigBee的特點(diǎn)功耗非常低。在工作時，信號的收發(fā)時間很短；而在非工作時，ZigBee結(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，非常省電。對于某些工作時間和總時間之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。網(wǎng)絡(luò)容量大。一個ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個結(jié)點(diǎn)，其中一個是主設(shè)備，其余則是從設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個結(jié)點(diǎn)。二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

ZigBee的標(biāo)準(zhǔn)在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。所有ZigBee產(chǎn)品也是802.15.4產(chǎn)品。IEEE802.15.4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。二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

ZigBee的協(xié)議棧

物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層IEEE802.15.4定義ZigBee聯(lián)盟定義ZigBee協(xié)議棧二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

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11~55Mb/s的數(shù)據(jù)率，標(biāo)準(zhǔn)是802.15.3，。IEEE802.15.3a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)。UWB技術(shù)工作在3.1~10.6GHz微波頻段，有非常高的信道帶寬。超寬帶信號的帶寬應(yīng)超過信號中心頻率的25%以上，或信號的絕對帶寬超過500MHz。超寬帶技術(shù)使用了瞬間高速脈沖，可支持100~400Mb/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。二、無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

三、無線城域網(wǎng)WMAN

(WirelessMetropolitanAreaNetwork)

2002年4月通過了802.16無線城域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的ETSI也制訂類似的無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)HiperMAN。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）。在許多情況下，無線城域網(wǎng)可用來代替現(xiàn)有的有線寬帶接入，因此它有時又稱為無線本地環(huán)路。WiMAX

WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess

WiMAX常用來表示無線城域網(wǎng)WMAN，這與Wi-Fi常用來表示無線局域網(wǎng)WLAN相似。IEEE的802.16工作組是無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制訂者，而WiMAX論壇則是802.16技術(shù)的推動者。兩個正式標(biāo)準(zhǔn)802.16d（它的正式名字是802.16-2004），是固定寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)（2~66GHz頻段）。802.16的增強(qiáng)版本，即802.16e，是支持移動性的寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)（2~6GHz頻段），它向下兼容802.16-2004。

802.16無線城域網(wǎng)服務(wù)范圍的示意圖

ISP802.11WLAN802.11熱點(diǎn)802.11WLAN802.16802.16802.16基站802.16因特網(wǎng)802.16基站802.16802.16電信網(wǎng)三、無線城域網(wǎng)WMAN

(WirelessMetropolitanAreaNetwork)

四、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)

Ad-Hoc結(jié)構(gòu)是一種省去了無線AP而搭建起的對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只要安裝了無線網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)彼此之間即可實(shí)現(xiàn)無線互聯(lián)；其原理是網(wǎng)絡(luò)中的一臺電腦主機(jī)建立點(diǎn)對點(diǎn)連接相當(dāng)于虛擬AP，而其它電腦就可以直接通過這個點(diǎn)對點(diǎn)連接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與共享。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的前身是分組無線網(wǎng)（PacketRadioNetwork）。對分組無線網(wǎng)的研究源于軍事通信的需要，并已經(jīng)持續(xù)了近20年。早在1972年，美國DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectAgency）就啟動了分組無線網(wǎng).DAPRA又在1993年啟動了高殘存性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（SURAN,SURvivableAdaptiveNetwork）項(xiàng)目。研究如何將prnet的成果加以擴(kuò)展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，還要開發(fā)能夠適應(yīng)戰(zhàn)場快速變化環(huán)境下的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。1994年，DARPA又啟動了全球移動信息系統(tǒng)（GloMo,GlobleMobileInformationSystems）項(xiàng)目。在分組無線網(wǎng)已有成果的基礎(chǔ)上對能夠滿足軍事應(yīng)用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動信息系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的研究，并一直持續(xù)至今。1991年成立的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會采用了“Adhoc網(wǎng)絡(luò)”來描述這種特殊的對等式無線移動網(wǎng)絡(luò)。四、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線移動網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，無需設(shè)置任何的中心控制結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉(zhuǎn)發(fā)能力。與普通的移動網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)相比，它具有以下特點(diǎn)：

1.無中心：Adhoc網(wǎng)絡(luò)沒有嚴(yán)格的控制中心。所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，即是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。結(jié)點(diǎn)可以隨時加入和離開網(wǎng)絡(luò)。任何結(jié)點(diǎn)的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。

2.自組織：網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)或展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。結(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，結(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動地組成一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

四、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

3.多跳路由：當(dāng)結(jié)點(diǎn)要與其覆蓋范圍之外的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時，需要中間結(jié)點(diǎn)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)。與固定網(wǎng)絡(luò)的多跳不同，Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)完成的，而不是由專用的路由設(shè)備（如路由器）完成的。

4.動態(tài)拓?fù)洌篈dhoc網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)可以隨處移動，也可以隨時開機(jī)和關(guān)機(jī)，這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化。四、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用軍事應(yīng)用：軍事應(yīng)用是Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。因其特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，它是數(shù)字人戰(zhàn)場通信的首選技術(shù)。Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。美軍的近期數(shù)字電臺和無線互聯(lián)網(wǎng)控制器等主要通信裝備都使用了Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。四、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)方睿緊急和臨時場合：在發(fā)生了地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴或遭受其他災(zāi)難打擊后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施（如有線通信網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、衛(wèi)星通信地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毀或無法正常工作，對于搶險救災(zāi)來說，這時就需要Adhoc網(wǎng)絡(luò)這種不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施又能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。類似地，處于邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)時，同樣無法依賴固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行通信。Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的獨(dú)立組網(wǎng)能力和自組織特點(diǎn)，是這些場合通信的最佳選擇。Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用四、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)：傳感器網(wǎng)絡(luò)是Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一大應(yīng)用領(lǐng)域。對于很多應(yīng)用場合來說傳感器網(wǎng)絡(luò)只能使用無線通信技術(shù)。而考慮到體積和節(jié)能等因素，傳感器的發(fā)射功率不可能很大。使用Adhoc網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多跳通信是非常實(shí)用的解決方法。分散在各處的傳感器組成Adhoc網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間和與控制中心之間的通信。Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用四、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)

個人通信：個人