第7章無線寬帶網(wǎng)絡(luò)開題報告

第7章無線寬帶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容提要無線寬帶技術(shù)覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯(lián)網(wǎng)提供高速可靠廉價且不受接入設(shè)備位置限制的互聯(lián)手段。本章將以Wi-Fi和WiMAX為例討論無線寬帶技術(shù)。內(nèi)容回顧第6章介紹了互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)知識互聯(lián)網(wǎng)的基本元素和常見接入方式互聯(lián)網(wǎng)的分層體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的常見協(xié)議本章重點介紹無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素和特點，著重以IEEE802.11和IEEE802.16為例介紹無線局域網(wǎng)技術(shù)和無線城域網(wǎng)技術(shù)兩種無線寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的架構(gòu)和特點。本章內(nèi)容概述：無線網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi：無線局域網(wǎng)WiMAX：無線城域網(wǎng)展望：無線物聯(lián)世界無線網(wǎng)絡(luò)的基本元素有哪些？無線寬帶網(wǎng)絡(luò)包含哪幾種無線網(wǎng)絡(luò)？無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)用戶r

手機，PDA，傳感器，……r

可無線通信。r

可獲取有效信息。無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)基站r

將用戶與公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備。蜂窩塔（Cell

Tower）WiFi接入點（AccessPoint）r

根據(jù)不同協(xié)議，覆蓋范圍及傳輸速率不同。無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)無線連接r用戶與基站、用戶與用戶或基站與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸通路。r以無線電波、光波為載體。r支持多種多樣的傳輸速率和傳輸距離。無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？自組網(wǎng)r

無須基站。用戶之間通過自組織的方式形成自組網(wǎng)（Ad-hocNetwork）。r

地址指派、路由選擇等功能由用戶自身完成。7.1概述：無線網(wǎng)絡(luò)分類7.1概述：無線網(wǎng)絡(luò)→無線寬帶網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)寬帶網(wǎng)絡(luò)定義：帶寬超過1.54Mbps（T1網(wǎng)絡(luò)帶寬）的網(wǎng)絡(luò)可稱為寬帶網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)分類，則無線寬帶網(wǎng)絡(luò)包括：Wi-Fi：無線局域網(wǎng)WiMAX：無線城域網(wǎng)3G：無線廣域網(wǎng)UWB：超寬帶無線個域網(wǎng)7.1概述：無線連接的特點信號強度衰減√無線信號能量隨著傳輸距離增長而減弱。非視線傳輸√若發(fā)送者與接收者之間的路徑部分被阻擋，則稱其為非視線傳輸?！虩o線信號可能會被阻擋物吸收或迅速衰減。信號干擾√相同無線頻段的信號會相互干擾，例如2.4GHz。√外部環(huán)境的電磁噪聲，例如微波爐、汽車、高壓電線。多徑傳播√無線信號由于阻擋物的反射和折射，到達接收端的時間可能略微不同。無線寬帶網(wǎng)絡(luò)和有線寬帶網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。7.1概述：無線連接的特點（續(xù)）ACB無線連接的特點導致的有線信道中不存在的問題：隱藏終端（Hidden

Terminal）問題A，B之間可通訊C，B之間可通訊A，C之間不可通訊A，C可能同時向B傳輸且意識不到彼此之間的干擾本章內(nèi)容概述：無線網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi：無線局域網(wǎng)WiMAX：無線城域網(wǎng)展望：無線物聯(lián)世界IEEE802.11的架構(gòu)如何？物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)有哪些特點？7.2

Wi-Fi：無線局域網(wǎng)Wi-Fi（

WirelessFidelity）是由Wi-Fi聯(lián)盟(Wi-FiAlliance)所持有的一個網(wǎng)路通信技術(shù)品牌，目的是改善基于IEEE

802.11標準的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。隨著IEEE

802.11a及IEEE

802.11g等標準的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE802.11

這個標準已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。IEEE802.11是IEEE制定的一個無線局域網(wǎng)標準，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入。由于802.11在速率和傳輸

距離上都不能滿足人們的需要，IEEE小組相繼推出了一系列802.11標準。不同802.11協(xié)議的差異主要體現(xiàn)在使用頻段，調(diào)制模式和信道差分等物

理層技術(shù)上。802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展盡管物理層使用技術(shù)差異很大，一系列IEEE802.11協(xié)議的上層架構(gòu)和鏈路

訪問協(xié)議是相同的。如MAC層都使用帶沖突預防的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CA）技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)相同以及都支持基站和自組織兩種組網(wǎng)模式。下面逐一介紹這些共性。802.11架構(gòu)802.11架構(gòu)：組成部分基本服務(wù)組（Basic

Service

Set，BSS）是802.11架構(gòu)中最重要的組成部分?；灸Ｊ健虩o線用戶（筆記本電腦、PDA、臺式機等）：通過與接入點相關(guān)聯(lián)獲取上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)?！探尤朦c（基站）：通過有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機/路由器）連入上層公共網(wǎng)絡(luò)?！盁o線路由器”是接入點和路由器功能的結(jié)合體。自組織模式√無線用戶：每個無線網(wǎng)絡(luò)用戶既是數(shù)據(jù)交互的終端也是數(shù)據(jù)傳輸過程中的路由。802.11架構(gòu)：信道、關(guān)聯(lián)及掃描信道：√802.11b/g：將85MHz的頻寬分為11個不同頻段的信道?！探尤朦c管理者會為每個接入點指定信道?！滩幌嗷ジ蓴_的信道中間須隔4個或4個以上其他信道用戶與接入點關(guān)聯(lián)（基站模式）：√接入點廣播的“識別幀”（包含了接入點的MAC地址和服務(wù)集表示符）√用戶根據(jù)收到的“識別幀”選擇與其中一個接入點建立關(guān)聯(lián)識別幀掃描方式：√被動掃描，接入點周期性廣播“識別幀”。√主動掃描，首先無線用戶主動廣播“探測幀”，然后收到“探測幀”的接入點以“回應(yīng)幀”響應(yīng)，最后用戶根據(jù)“回應(yīng)幀”選擇接入點。802.11介質(zhì)訪問控制協(xié)議介質(zhì)訪問控制協(xié)議的目的：避免多個用戶同時訪問信道CSMA：（Carrier

Sense

Multiple

Access）用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道，信道占用則不發(fā)送數(shù)據(jù)。CA：（CollisionAvoidence）要求建立數(shù)據(jù)鏈路層確認/重傳機制以避免沖突。CD：（Collision

Detected）檢測沖突。802.11采用帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CA)，而以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的多載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（csma/cd）。無線局域網(wǎng)卻不能簡單地搬用CSMA/CD

協(xié)議。沖突偵測（CD）需要全雙工（發(fā)送數(shù)據(jù)同時也可接受數(shù)據(jù)），硬件代價過高，無線網(wǎng)卡很難同時接收（沖突探測幀）和發(fā)送無線信號。無線信號的衰減特性和隱藏終端問題使沖突很難被偵測。為什么802.11采用CSMA/CA？載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD

CSMA/CD表示Carrier

Sense

Multiple

Access

withCollision

Detection。

“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。

“載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。

總線上并沒有什么“載波”。因此，“載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。碰撞檢測

“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。

當幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。

當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。

所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。檢測到碰撞后

在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。ABCD當A和C檢測不到無線信號時，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。這種未能無檢線測局出媒域體網(wǎng)上的已存特在殊的信問號題的問題叫做隱蔽站問題(hidden

station

problem)A

的作用范圍

C

的作用范圍B的作用范圍C的作用范圍ADCB？B向A發(fā)送數(shù)據(jù)，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，于是就不敢向D發(fā)送數(shù)據(jù)。其實B向無A發(fā)線送局數(shù)據(jù)域并網(wǎng)不的影響特C殊向問D發(fā)題送數(shù)據(jù)這就是暴露站問題(exposed

station

problem)CSMA/CA協(xié)議

無線局域網(wǎng)不能使用CSMA/CD，而只能使用改進的CSMA協(xié)議。

改進的辦法是將CSMA增加一個碰撞避免

(Collision

Avoidance)功能。

802.11就使用CSMA/CA協(xié)議。而在使用

CSMA/CA的同時還增加使用確認機制。CSMA/CA：信道訪問機制傳輸端：空閑信道√若等待DIFS后信道仍空閑，開始傳輸數(shù)據(jù)。繁忙信道√隨機退避√若偵測到信道空閑，減少退避數(shù)值√當退避時間結(jié)束后開始發(fā)送√若沒有收到ACK，增大退避間隔接收端：接收到數(shù)據(jù)√等待SIFS后發(fā)送ACKRTS和CTS機制：預留信道為了避免沖突和“隱藏終端”，發(fā)送端可以請求預留信道而不是隨機訪問，通過RTS（Request

to

Send）和CTS（Clear

to

Send）實現(xiàn)。發(fā)送端√使用CSMA/CA向接入點發(fā)送RTS接入點√廣播CTS接收到CTS的用戶√RTS發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)√其它用戶延后其發(fā)送A的作用范圍B的作用范圍ACBDERTSRTS源站A在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先發(fā)送一個短的控制幀，叫做請求發(fā)送2R.TS對(Re信que道st

T進o

Se行nd)預，它約包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應(yīng)的確認幀）所需的持續(xù)時間。

802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進行預約。A的作用范圍B的作用范圍CTSACBDECTS若媒體空閑，則目的站B就發(fā)送一個響應(yīng)控制幀，叫做允許發(fā)送2C.TS對(Cl信ear道To進Sen行d)，預它約包括這次通信所需的持續(xù)時間（從RTS幀中將此持續(xù)時間復制到CTS幀中）。A8收02到.11CT允S

許幀要后發(fā)就送可數(shù)發(fā)據(jù)送的其站數(shù)對據(jù)信幀道。進行 預約。RTS和CTS機制：預留信道（續(xù)）雖然RTS可能會沖突，但由于RTS很短，沖

突概率較小。但是同時會增加傳輸延時和降低信道利用率。RTS和CTS機制適用

于沖突發(fā)生概率較高的情境中，如無線網(wǎng)絡(luò)用戶每次都需傳輸較長數(shù)據(jù)幀時。接入點A

BRTS(A)RTS(B)RTS(A)CTS(A)CTS(A)數(shù)據(jù)(A)ACK(A)ACK(A)RTS沖突延后時間虛擬載波監(jiān)聽

虛擬載波監(jiān)聽(VirtualCarrierSense)的機制是讓源站將占用信道的時間（包括目的站發(fā)回確認幀所需的時間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣就大大減少了碰撞的機會。

“虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。

所謂“源站的通知”就是源站在其MAC幀首部中的第二個字段“持續(xù)時間”中填入了在本幀結(jié)束后還要占用信道多少時間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認幀所需的時間。網(wǎng)絡(luò)分配向量

當一個站檢測到正在信道中傳送的MAC幀首部的“持續(xù)時間”字段時，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV

(Network

Allocation

Vector)。

NAV指出了必須經(jīng)過多少時間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)。802.11數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)802.11數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（續(xù)）三個地址域（地址1-

3）在無線基本服務(wù)組和上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中起了至關(guān)重要的作用，用于802.11數(shù)據(jù)幀和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式中地址域的轉(zhuǎn)換。本章內(nèi)容概述：無線網(wǎng)絡(luò)WiFi：無線局域網(wǎng)WiMAX：無線城域網(wǎng)展望：無線物聯(lián)世界WiMAX技術(shù)架構(gòu)如何？物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)有哪些特點？7.3

WiMAX：無線城域網(wǎng)WiMAX（

Worldwide

Interoperability

for

Microwave

Access

）旨在為廣闊區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)用戶提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，視線覆蓋范圍可達112.6千米，非視線覆蓋范圍可達40千米，帶寬70Mbps，WiMAX技術(shù)的帶寬足以取代傳統(tǒng)的T1型和DSL型有線連接為企業(yè)或家庭提供互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，可取代部分互聯(lián)網(wǎng)有線骨干網(wǎng)絡(luò)提供更人性化多樣化的服務(wù)。與之對應(yīng)的是一系列IEEE

802.11

協(xié)議。802.16的發(fā)展WiMAX架構(gòu)架構(gòu)與802.11基站模式類似√基站以點對多點連接為用戶提供服務(wù)。這段被稱為“最后一英里”（Last

Mile）?！袒局g或與上層網(wǎng)絡(luò)以點對點連接（光纖、電纜、微波）相連。稱為“回程”（Backhaul）。頻段√10～66GHz（適合視線傳輸，作為回程連接載波）√2～11GHz（適合非視線傳輸，用于最后一英里傳輸）WiMAX介質(zhì)訪問控制協(xié)議WiMAX介質(zhì)訪問控制包含了全雙工信道傳輸、點到多點傳輸?shù)目蓴U

展性以及對QoS的支持等特征。全雙工信道利用WiMAX的寬頻特性提供更高效的寬帶服務(wù)?？蓴U展性指單個WiMAX基站可為多個用戶同時提供服務(wù)。QoS是針對不同用戶的不同需求提供更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)流服務(wù)。時分多址轉(zhuǎn)換（TDM，TimeDivisionMultiplex）幀提供了對上述特征的支持。WiMAX介質(zhì)訪問控制協(xié)議（續(xù)）傳輸幀√訪問協(xié)議規(guī)定了基站和用戶交互的物理層參數(shù)（調(diào)制方式、編碼方式、糾錯參數(shù)），服務(wù)質(zhì)量（QoS）