综述

无线通信技术

数据无线网络分类

 第一部分、无线局域网WLAN

　　一、无线局域网的基本概念

　　1.什么是WALN

• WLAN（无线局域网）是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。
• 无线局域网常用的实现技术有：IEEE的802.11系列协议族、家用射频工作组提出的HomeRF、Bluetooth(蓝牙)以及欧洲的HiperLAN2协议等。以IEEE 802.11协议为基础的无线局域网在标准之争中脱颖而出，成为目前事实上的占主导地位的无线局域网标准。
• 我们常说的WLAN指的就是符合802.11系列协议的无线局域网技术

　　2.无线局域网中用户的关注点

　　

　　（1）速度

• 用户的困惑或者需求
  • “产品速度怎么样？能带多少用户？”
• 应对或者满足需求的方法
  • 一般来说，单路的AP支持802.11g协议的带机数是30～50人。具体数量视环境而定，视频、BT等应用情况下带机数较低，普通上网应用可以满足最多的带机数。实际10－20
  • 采用两套独立硬件架构，相当于2台AP的性能，这样在投资不变的前提下，可以提高至2倍的物理带宽和带机数。

　　（2）距离

• 用户的困惑或者需求
  •  “你这个产品能传多远的距离？”
• 应对或者满足需求的方法
  • AP的覆盖（100～300米）、网桥传输距离（5～10公里）、穿墙能力（1～4堵墙），具体视环境而定，一般是由设备自身发射功率、灵敏度、天线增益决定的。
• 技术
  • 标准规定下最高的发射功率17～20dBm
  • 接收灵敏度可扩展至-101dBm
  • 多款高增益天线可供选择

 　　（3）漫游

• 用户的需求，有两种情况
  • 你们的设备支持漫游吗？
  • 能不能实现端着笔记本在校园里走，上网不掉线？
• 应对或者满足需求的方法
  • 产品应支持漫游，能满足上网浏览等移动应用的需要。
• 技术
  • 802.11ac wave2

 　　（4）认证融合

• 用户的困惑或者需求
  • 全校原有的有线网络已经存在完善的认证与计费系统，新建成的无线网络能否与有线网络实现认证与计费的统一，如何保证用户认证方式不变？
• 应对或者满足需求的方法
  • 若用户已经部署过相应设备或系统，再部署WLAN设备的时候，无需改动任何的有线网络架构，可以随时扩展AP来增加无线用户，并通过AP上面的交换机继续完成全网无线的802.1X认证，整体网络认证统一，用户不论在有线网内还是移动到无线网内，都可以做到同一套用户端软件，同一套用户名认证。

 　　（5）无线电的辐射与干扰

• 用户的困惑或者需求：
  • 无线局域网接入点是无线电发射设备，会不会辐射很大，对附近的人身体造成辐射危害？
  • （医疗行业）我们如果在住院大楼或门诊楼部署了无线设备之后，会不会对我们的一些医疗仪器尤其是心脏起搏器造成干扰，导致其工作异常而带来医疗事故？
• 应对或者满足需求的方法
  • AP产品的发射功率一般只有50mW～200mW,远小于手机的发射功率（200mW-2W)而手机的功率级别已经是国家批准并已经证实不会对人体产生影响。
  • AP的发射功率不会对医疗设备产生影响
• 技术
  • 功率调整技术

 　　（6）安全

•  用户的困惑或需求
  • 安全是无线最重要的问题，无线可能会被截获，有没有办法防止被人截获而攻击我的网络？
• 应对或者满足需求的方法
  • 由于SSID是无线网络最基本的安全手段，但SSID一般都是在空中明文广播，很容易被截获，导致网络被攻击！
  • 不让AP广播其SSID，只有合法用户输入规定正确的SSID，才能够与AP连接，这样，就可以防止任何的非法用户或者好奇者能够通过截获SSID而进入网络接入层。
• 技术
  • SSID广播禁止

 　　（7）多信道干扰

• 用户的困惑或者需求：
  • 校园网里如果部署了很多AP，会不会互相干扰，导致工作不正常？
• 应对或者满足需求的方法
  • 如果同一区域AP多了而又不加控制，的确会有影响。在实现无线覆盖时采用2.4GHz频段（不论是使用802.11b还是802.11g），同一区域只有3个互不干扰的子信道，如果不加以很灵活的信道调整，很容易出现干扰（同频干扰或近频干扰）。
  • DCA（动态信道自动调整技术），可以让AP自动探测所在的环境中的信道使用情况，自动找到一个完全或者相对不干扰的信道来工作，大大减少了网络的信道干扰和不稳定，同时可以提供给用户更稳定的带宽。
• 技术
  • DCA（动态信道自动调整技术）

 　　3.无线局域网的两种配置实现方案

• 独立型网络模式（independent BSS）
• 基础结构型网络模式
  • 基础结构型BSS (infrastructure BSS)
  • 扩展服务集合ESS(Extended Service Set)

 　　（1）独立性网络模式BSS

 　　　　

　　（2）基础结构型

　　

　　（3)拓展服务集合

　　

　　4.胖AP设备

 　　胖 AP将WLAN的物理层，用户数据加密、认证、漫游、网络管理等功能集于一身。

 　　

　　（1）胖AP应用

　　

　　（2）胖AP的局限性

• 利用胖AP组建大、中型无线网络时，配置工作量大
• 对网络中的胖AP进行软件升级时，需要手工逐台进行升级，维护工作量大
• 胖AP上保存着设备配置信息，当设备失窃时造成配置信息泄漏
• 胖AP难于实现自动无线盲区修补、流氓AP检测等功能

 　　胖AP适用于小型无线网络部署，不适用于大规模网络部署。

 　　5.WLAN产品构架的演进

 　　　　

　　6.胖/瘦AP的比较

 　　

　　二、IEEE 802.11物理层

 　　1.无线频段的分布

•  ISM：工业、科学和医疗频段，无需许可证，只需要遵守一定的发射功率，并且不对其它频段造成干扰即可
• 在美国分为为工业（902-928MHz）,科学研究（2.42-2.4835GHz）和医疗（5.725-5.850GHz）三个频段。2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线网络，均可工作在2.4GHz频段
• 中国的ISM频段有433.05-434.79、2400-2483.5、5725-5850 

 　　

　　2.IEEE 802.11 协议栈

 　　

• MAC层分为MAC子层和MAC管理子层
• 物理层分为三个子层：PLCP（物理层会聚协议）、PMD协议（物理介质相关协议）和物理层管理子层
• 还定义了一个站管理子层，它的主要任务是协调物理层和MAC层之间的交互

 　　

　　3.802.11n WLAN接入技术

 　　

　　4.WLAN其他重要协议

• 802.11e：在现有的无线网络中加入服务品质（QoS）特性和多媒体支持。
• 802.11f：在现有的无线网络中实现不同AP之间漫游的标准。
• 802.11i：指定 802.11 网络安全机制的 IEEE 标准。802.11i 使用高级加密标准 (AES) 分组密码。 该标准还增强了密钥管理、基于 802.1X 的用户身份验证和头数据完整性。
• 802.3af：定义了以太网供电(PoE)的实现标准。虽然不是属于无线标准，但在无线中，也是被常常提到的。
• WAPI：由我国多家公司主导定制的网络安全协议。采用了更先进的ECC算法，在加密算法和系统架构上都比802.11i更先进。

 　　5.WLAN技术发展演进

•  更高带宽：802.11a/g速率达到54Mbps，802.11n可达600Mbps（采用MIMO技术）
• 更广覆盖范围：从802.11a/g的100m到802.11n的500~1000m
• 更强的障碍物穿透能力：可以使用于多堵墙壁的商务住宅、复杂房间结构的写字楼等环境中

 　　

　　6.2.4GHz 中国信道划分

 　　

　　7.5.8GHz 中国信道划分

• 公众无线局域网设备可以工作在5.8GHz频段，频率范围为5725 ~ 5850MHz
• 5.8GHz 频段可用带宽为125MHz，划分为5个信道，每个信道带宽为20MHz

 　　

　　8.物理层实现

•  定义在2.4Ghz和5.8GHz的ISM频段内，使用FHSS（跳频）和DSSS（扩频）技术。
• FHSS技术在2.4GHz频段上划分为75个1MHz的子频道，接受方和发送方协商一个调频的模式，数据按照这个序列在各个子频道上进行传送。
• DSSS技术将2.4GHz频段划分为14个22MHz的信道，临近的信道相互重叠，在14个信道内只有3个信道不互相覆盖。
• DSSS在每个22MHz信道中传输的数据都被转化成一个带冗余校验的chip数据，它和真实的数据一起进行传输用来提供错误校验和纠错。

 　　三、IEEE 802.11 MAC子层协议

• 在MAC层，为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序地争用信道，无线局域网中采用了与以太网CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测 )相类似的CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突防止)协议。CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制
• 在无线局域网的环境下，MAC协议必须解决两个问题
  • 不能避免隐藏站的问题
  • 存在暴露站问题

　　1.IEEE 802.11 MAC实现

• 数据链路层包括LLC和MAC。
• IEEE 802.11采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，带冲突避免的载波侦听多路访问）。
• CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，即只有当客户端收到返回的ACK信号后，才能确认送出的信号已经正确到达。

　　2.CSMA/CA的工作流程

• 工作站希望在WLAN中传送数据，如果没有探测到网络正在传送数据，则再随机选择一个时间延迟后继续探测，如果WLAN中仍然没有活动的话，就将数据发送出去
• 接收端的工作站如能收到发送端送出的完整的数据则返回一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则数据发送过程完成。如果该过程没有完成，则发送端等待一个时间后继续重传。
• 解决了“隐藏终端”问题。

　　3.802.11协议结构

　　

　　（1）点协调功能：PCF

• PCF用接入点AP 集中控制整个BSS内的活动
• PCF使用集中控制的接入算法，用类似于探寻的方法把发送数据权轮流交给各个子站，从而避免了碰撞的产生
  • 例如时间敏感的业务（如分组话音）就应该使用无竞争服务的PCF
  • 对某些无线局域网，PCF可以没有

　　（2）MAC访问机制：DCF方式

•  DCF (Distributed Coordination Function)不采用任何中心控制，在每一个节点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权
• IEEE 802.11协议规定，所有的实现都必须有DCF功能
• DCF (Distributed Coordination Function)方式基于CSMA/CA原理，协议中使用物理信道的监听手段与虚拟信道的监听手段

 　　

　　4.物理信道监听与虚拟信道监听

•  物理信道的监听
  • 站点发送数据帧的前提之一是信道空闲，需要先检测信道（进行载波监听）
  • 在数据帧传送过程中并不监听信道，而是直接送出整个帧

• 虚拟信道的监听
  • 源站把要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需要的时间）写入到所发送的数据帧的头部“持续时间”字段中，以便使其它所有站在这一段时间都不要发送数据
  • 当站点检测到正在信道中传送的帧中“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV，NAV指出了信道处于忙状态的持续时间
• 信道处于忙状态表示：或者由于物理层的载波监听检测到信道忙，或者是由于MAC层的虚拟信道监听指出了信道忙

 　　（1）虚拟信道监听方法

• 交互过程中，假设C处于A的无线范围内，但不在B的无线范围内，C收到A发送的RTS就调整自己的网络分配向量NAV，使自己保持安静
• 假设D收不到A，但收到B发送的CTS，D也调整NAV
• A发送数据帧之前向发送一个控制帧（请求发送RTS：Request To Send），包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需要的持续时间
• 若信道空闲，目的站B响应一个控制帧（允许发送CTS：Clear To Send），也包括这次通信所需要的持续时间
• A收到CTS后发送数据帧，目的站收到后用确认帧ACK应答，结束协议交互

 　　

　　5.802.11报文分类

• 数据帧
  • 用户的数据报文
• 控制帧
  • 协助发送数据帧的控制报文，例如： RTS、CTS，ACK报文
• 管理帧
  • 负责STA和AP之间的能力级的交互，认证、关联等管理工作

　　(1)帧之间的传输关系

 　　

　　(2)退避机制

• 为了尽量减少冲突，CSMA/CA采用了一种退避机制，当一个站要发送数据帧时，在以下几种情况下必须进行退避：
  • 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙状态
  • 每一次的重传
  • 每一次成功发送后再要发送下一帧
• 只有检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧时才不退避

 　　（3）帧间间隔

•  所有站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。
• 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。
• 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。
•  三种帧间间隔
  • SIFS（短帧间间隔）
  • PIFS（点协调控制帧间间隔），比SIFS长
  • DIFS（分布协调功能帧间间隔），是最长的IFS  

 　　　　

　　①帧间间隔SIFS

　　

　　②帧间间隔PIFS

　　

　　③帧间间隔DIFS

 　　

　　6.CSMA/CA

 　　

　　7.基于RTS / CTS机制的典型报文发送过程

 　　

　　四、IEEE 802.11 帧结构

 　　

　　1.帧控制信息

•  Version：表示IEEE 802.11的标准版本
• Type：帧类型，如管理、控制和数据帧
• SubType：帧子类型，如RTS、CTS、ACK等
• To DS：当帧发送给Distribution System（DS），置为1
• From DS：当帧来自于DS时，置为1
• MF：More Fregment，表示当有更多分段属于相同帧时置为1
• Retry：表示该分段是先前传输分段的重发帧
• Pwr：电源管理模式
• More：表示发送方有很多帧缓存在站中，需要发送
• W：WEP，主体帧加密类型
• O：利用严格顺序服务类处理发送帧的顺序

 　　2.帧的其他字段

•  Duration：用于网络分配向量（NAV）计算
• Address Fields(1-4)：包括四个地址（其中前三个用于源地址、目标地址、发送方地址和接收方地址，地址4用于自组网络），取决于帧控制字段（To DS和From DS位）
• Sequence Control：由分段号和序列号组成，用于表示同一帧中不同分段的顺序，并用于识别数据包副本
• Data：发送或接收的信息
• CRC：包括32位的循环冗余校验（CRC）

 　　管理帧的格式与数据帧的格式非常类似

　　管理帧少一个基站地址，因此管理帧被严格限制在一个BSS中

　　控制帧较短，只有一个或两个地址，没有Data域，也没有Sequence域，对于控制帧，关键信息在SubType域中

　　五、IEEE 802.11 服务

　　1. IEEE 802.11的服务

• 标准无线LAN必须提供9种服务，分为两类
• 5种分发服务：涉及到对BSS的成员关系的管理，并且会影响到BSS之外的站。分发服务由基站提供
  • 处理站的移动性
  • 当移动站进入BSS时，通过这些服务与基站关联起来
  • 当移动站离开BSS时，通过这些服务与基站断开联系
• 4种站服务：只与一个BSS内部的活动有关系，在BSS内部进行，在关联过程完成之后这些服务才能用到

　　2.分发服务1——关联服务

　　关联（Association）：移动站利用该服务连接到基站上。典型情况下，当一个移动站进入到一个基站的无线电距离范围之内时，该服务被用到

　　关联阶段分为两个步骤：

• • 移动站向AP发送关联请求
  • AP 向移动站返回关联响应

　　

　　3.分发服务2——分离服务

　　分离（Disassociation）：不管是移动站还是基站，都可能会解除关联关系，一个站在离开或关闭之前，先使用该服务；基站在停下来进行维护之前也用到该服务

　　4.分发服务3——重新关联服务

　　重新关联（Resassociation）：利用该服务，一个站可以改变它的首选基站，该服务支持移动站从一个BSS移动到另一个BSS， 移动站从一个AP移动到另一个AP时，需要重新进行认证和关联

 　　　　

　　5.分发服务4——分发（Distribution）：决定了如何路由那些发送给基站的帧。如果帧的目标对于基站来说是本地的，则该帧将直接发送到空中，否则的话，它们必须通过DS转发

　　6.分发服务5——融合（Integration）：如果一个帧需要通过一个非IEEE 802.11的网络来发送，并且该网络使用了不同的编址方案或者不同的帧格式，则通过这项服务可以将IEEE 802.11格式的帧翻译成目标网络所要求的帧格式

 　　7.站服务1——认证服务

　　认证（Authentication）：任何一个移动站必须首先证明自己的身份之后才允许发送数据。典型情况下，当基站接受了一个移动站的关联请求后，基站将发送一个特殊的质询帧以确定该移动站是否知道原先分配给它的密钥（口令）；移动站加密质询帧送回给基站，如果结果正确，移动站就被完全接纳。

　　

　　8.其他站服务

•  解除认证（Deauthentication）：如果一个原先已经认证的移动站要离开网络，需要解除认证。
• 私密性（Privacy）：如果在无线LAN上发送的信息需要保密的话，必须要被加密，该服务管理加密和解密
• 数据投递（Data delivery）：用于传送和接收数据，IEEE 802.11的传输过程不保证可靠性，因此上面的层必须处理检错和纠错工作

 　　9.无线接入过程的三个阶段

 　　STA（工作站）启动初始化、开始正式使用AP传送数据帧前，要经过三个阶段才能够接入：

• 1)      扫描阶段（SCAN）
• 2)      认证阶段 (Authentication)
• 3)      关联（Association）

 　　（1）扫描阶段（SCAN）

　　　　若无线站点设成Infrastructure模式（通过接入点通信），802.11 MAC 使用Scanning来搜索AP, 有两种方式

• • 主动扫描方式 （特点：能迅速找到）：STA依次在11个信道发出Probe Request帧，寻找与STA有相同SSID的AP，若找不到相同SSID的AP，则一直扫描下去
  • 被动扫描方式（特点：找到时间较长，但STA节电）：STA被动等待AP每隔一段时间定时送出的Beacon信标帧，该帧提供AP及所在BSS相关信息：“我在这里”

　　 （2）认证阶段 (Authentication)

　　　　当STA找到与其有相同SSID的AP，在SSID匹配的AP中，根据收到的AP信号强度，选择一个信号最强的AP，然后进入认证阶段。只有身份认证通过的站点才能进行无线接入访问。AP一般提供如下认证方法：

• • 开放系统身份认证(open-system authentication)
  • 共享密钥认证(shared-key authentication）
  • WPA PSK认证（ Pre-shared key）
  • 802.1X EAP认证

 　　（3）关联（Association）

 　　　　当AP向STA返回认证响应信息，身份认证获得通过后，进入关联阶段。

• • STA向AP发送关联请求
  • AP 向STA返回关联响应

　　　　至此，接入过程才完成，STA初始化完毕，可以开始向AP传送数据帧。

 　　10.用户接入管理

　　　　802.11MAC层负责客户端与AP之间的通信，功能包括扫描、接入、认证、加密、漫游和同步等功能

 　　　　

 第二部分、无线个域网WPAN

一、无线个域网的基本概念及分类

　　1.基本概念

　　

• WPAN是为了实现活动半径小(如几米)、业务类型丰富、面向特定群体的连接而提出的新型无线网络技术
• WPAN是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围更小的无线网络

　　

　　2.特点

• ①高数据速率并行链路：>100Mbps
• ②邻近终端之间的短距离连接：典型为1~10m 
• ③标准无线或电缆桥路与外部因特网或广域网的连接
• ④典型的对等式拓扑结构
• ⑤中等用户密度

　　3.分类

　　

　　4.低速WPAN

• 低速WPAN主要为近距离网络互连而设计，采用IEEE 802.15.4标准
• 其结构简单、数据率低、通信距离近、功耗低、成本低，被广泛用于工业监测、办公和家庭自动化及农作物监测等
• IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。它属于IEEE 802.15工作组。

　　5.高速WPAN

• 高速WPAN适合大量多媒体文件、短时的视频和音频流的传输，能实现各种电子设备间的多媒体通信。
• 超宽带WPAN的目标包括支持IP语音、高清电视、家庭影院、数字成像和位置感知等信息的高速传输，具备近距离的高速率、较远距离的低速率、低功耗、共享环境下的高容量、高可扩展性等。

二、蓝牙技术与IEEE 802.15.1标准

　　1.蓝牙技术

 

• 蓝牙技术是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在手机、PDA、无线耳机、笔记本电脑及相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，其工作于2.4GHz ISM频段，数据速率为1Mbps，采用时分双工（TDD）传输方案
• 1998年5月，爱立信、IBM、因特尔、诺基亚和东芝联合宣布了“蓝牙”计划，使不同厂家的便携式设备利用无线技术在近距离范围内相互操作；1999年7月，蓝牙SIG推出了蓝牙协议1.0版
• 源于蓝牙V1.1版的IEEE 802.15.1标准于2002年4月获批为正式标准，与蓝牙V1.1完全兼容。该标准是用于WPAN的无线媒体接入控制层和物理层规范

 

　　2.蓝牙技术组网方式1

　　

　　3.蓝牙技术组网方式2

　　

　　4.蓝牙系统组成

　　

　　5.物理层的主要特性

• 蓝牙是一个低功率的系统，工作在2.4GHz的ISM频段，频段被分成79个信道，每个1MHz，覆盖半径为10m
• 采用GFSK调制
• 使用跳频扩频技术，每秒1600跳，在一个微微网中所有节点同步调频，主节点规定调频的序列
• 支持64Kb/s实时语音，具有一定的组网能力
• 2004年蓝牙工作组推出2.0版本，带宽提高3倍，功耗降低一半

　　6.蓝牙的协议栈

　　

　　7.MAC层的主要特性

• 微微网采用调频分时机制，采用TDM系统，主/从模式
• 微微网支持两种逻辑信道　　
  • 面向连接的同步信道，用于实时数据
  • 无连接的异步信道，用于无时间规律的分组交换数据，采用确认重传机制

• 协议与接口
  • 链路管理协议（LMP）负责物理链路的建立与管理
  • 逻辑链路控制及适配协议（L2CAP）负责对高层协议的复用、数据报分割和重新组装，处理与服务质量有关的需求
  • 规定了一个标准化的控制接口（HCI）

三、UWB技术

　　1.UWB技术

• UWB（Ultra Wide Band：超宽带）：起源于20世纪60年代对微波网络冲击响应研究，是一种使用1GHz以上带宽的无线通信技术，又称为脉冲无线电（IR）技术，UWB不需要载波，而是用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据，需占用很宽的频谱范围，有效传输距离在10m以内，传输速率可达几百Mbps甚至更高。
• UWB是一种基于IEEE 802.15.3的超高速、短距离无线接入技术，具有抗干扰性强、传输速率高、带宽大、消耗电能低、保密性好等优势。
• 通常把相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于25%，而且中心频率大于500MHz的宽带称为超宽带（注意：窄带<1%，宽带1%-25%，超宽带>25%）。

　　2.UWB的技术标准

　　UWB采用基带传输而不是载波传输，脉冲信号的时域极窄（纳秒级），频域极宽（数Hz到数GHz，可超过10GHz），其中低频部分可以实现穿墙通信

• UWB技术主要有两种相互竞争的标准
• MBOA标准，主张采用多频带方式来实现UWB技术
• DS-UWB标准，主张采用单频方式实现UWB技术

　　3.UWB的特点

• UWB技术使用了瞬间高速脉冲，因此信号的频带就很宽，可支持100-400Mb/s的数据率，可用于小范围内高速传送图像或DVD质量的多媒体视频文件
• UWB只在需要传输数据时才发送脉冲，信号的功率谱密度极低，发射系统比现有的传统无线电技术功耗低得多，民用UWB设备功率是传统移动电话功率的1/100，是蓝牙设备功率的1/20，因此UWB设备在电池寿命和电磁辐射上具有一定优越性
• 由于UWB脉冲非常短、频段非常宽，能避免多路传输的信号干扰问题，与其它无线通信技术间产生干扰的可能性大幅度降低，可与其它技术共存
• UWB信号用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能解调，增加了系统的安全性

四、Zigbee技术与IEEE 802.15.4标准

 　  1.IEEE 802.15.4

• IEEE 802.15.4标准主要针对低速无线个域网制定，该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为目标。Zigbee标准是在IEEE 802.15.4标准基础上发展而来的，IEEE 802.15.4定义了Zigbee协议栈的最低两层（物理层和MAC层），而网络层和应用层则有Zigbee联盟定义。
• Zigbee技术主要用于各种电子设备（固定的、便携的或移动的）之间的无线通信，其主要特点是通信距离短（10-100m），传输数据速率低、功耗低并且成本低廉。

　　2.Zigbee的协议栈

　　

　　3.Zigbee的组网方式

　　

　　4.Zigbee的网络结构

　　

• FFD节点具备控制器功能，能够提供数据交换，是Zigbee网络中的路由器
• RFD节点只能与处在该星型网的中心的FFD节点交换数据，是Zigbee网络中数量最多的端设备
• 星型网络中有一个FFD充当该网络的协调器，协调器负责维护整个星型网络的节点信息，同时还可与其它星型网络的协调器交换数据，通过各网络协调器的相互通信，可以得到覆盖更大范围，多达65000个节点的Zigbee簇型网络

　　5.Zigbee物理层的主要特性

　　

　　6.Zigbee MAC层的主要特性

　　

　　7.Zigbee的技术优点

• 省电（功耗低）  两节5号电池可用6个月至2年时间
• 可靠  采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性
• 延迟短  针对延迟敏感应用做了优化，通信延迟和从休眠状态激活的延迟都非常短
• 网络容量大  可支持65000个节点
• 安全和高保密性  提供数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128

　　8.Zigbee的应用场合

• 需要数据采集和监控的网点多
• 要求传输的数据量不大，要求设备成本低
• 要求数据传输可靠性高、安全性高
• 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块
• 电池供电
• 地形复杂、监测点多、需要较大的网络覆盖
• 现有移动网络的覆盖盲区
• 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统
• 使用GPS效果差或成本太高的局部区域移动目标的定位应用

　　9.Zigbee的应用领域

　　

　　10.WPAN相关技术比较

 　　

第三部分、无线城域网WMAN

一、无线城域网的基本概念

• 无线城域网可提供“最后一英里”的宽带无线接入（固定的、移动的和便携的），在许多情况下，无线城域网可替代现有的有线宽带接入，可称为无线本地环路
• 无线城域网共有两个正式标准
  • 2004年6月通过的IEEE 802.16修订版，即IEEE 802.16d，是固定宽带无线接入空中接口标准（2-66HGz频段）
  • 2005年12月通过的IEEE 802.16增强版本，即IEEE 802.16e，是支持移动性的宽带无线接入空中接口标准（2-6GHz频段），向下兼容802.16d

　　1.WMAN的标准

　　

　　2.IEEE 802.16网络结构

　　

　　3.IEEE 802.16系统框图

　　

 

二、WiMAX

　　1.WiMAX的定义

• WiMAX(Worldwide Interoperability forMicrowave Access)，即全球微波互联接入，是2001年4月成立的旨在推动IEEE 802.16技术的论坛，目前常用WiMAX表示无线城域网WMAN
• WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km
• WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。 WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向OFDM/OFDMA、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展， WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G/4G/5G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。

　　2.WiMAX的协议栈

• 在IEEE 802.16活动中，主要的工作都围绕空中接口展开
• 在IEEE 802.16e的网络由用户站（SS）、基站（BS）、认证和业务授权服务器（ASA）组成，ASA服务器实际上是AAA服务器，提供认证、授权和计费等功能
• IEEE 802.16e中定义了U、IB和A接口，空中接口是指BS和SS之间的接口，IEEE 802.16标准仅规范数据控制平面

　　

三、IEEE 802.16物理层

　　1.IEEE 802.16 物理层

　　

　　2.IEEE 802.16 物理层特性

• 802.16d OFDM物理层采用256个子载波，OFDMA物理层采用2048个子载波，信号带宽从1.25～20MHz可变。802.16e对OFDMA进行了扩展，可以支持2048点、1024点、512点和128点，以适应不同地理区域从20MHz到1.25MHz的信道带宽差异。采用256点OFDM或2048点OFDMA时， 802.16e先后兼容802.16d，其它情况无法先后兼容。
• 在多址方式方面，802.16d在上行采用TDMA(时分多址)，下行采用TDM(时分复用)支持多用户传输。另一种多址方式是OFDMA，以2048个子载波的情况为例，系统将所有可用的子载波分为32个子信道，每个子信道包含若干子载波。多用户多址采用和跳频类似的方式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时域单位为2或3个符号周期。
• 需要大段毫米波频谱，工作在10-66GHz频段的毫米波进行直线传播，对建筑物或树这样的障碍物无穿透能力，要求基站和用户站是视距（LOS）链路，限制了基站的覆盖范围。
• 信号强度随距离增加急剧衰减，信噪比随距离增加而下降，因此采用三种不同的单载波调制方案：对于距离较近的用户采用QAM-64（64相正交幅度调制）；中等距离的用户采用QAM-16，距离较远的用户使用QPSK（正交相移键控）。
• 为了更好使用带宽，IEEE 802.16可支持TDD和FDD两种无线双工方式，TDD实际是对每一帧的时分多路复用，把时隙动态分配给上行和下行流量，中间的防护时间用来切换方向。
• 采用前向纠错技术，在物理层进行错误纠正。

四、IEEE 802.16MAC层

 1.IEEE 802.16 MAC层各子层的功能

• CS子层是MAC层与更高层的接口，汇聚上层不同业务，将收到的外部网络数据换换为MAC业务数据单元，传递到SAP。CS可实现对ATM、IP等协议数据的透明传输
• CPS子层实现主要的MAC功能，包括系统接入、宽带分配、连接建立和维护等，接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施QOS控制
• SS子层的主要功能是提供认证、秘钥交换和加解密处理，支持128位、192位及256位加密系统，并采用数字证书认证的方式，保证信息的安全传输。

2.IEEE 802.16 MAC层介质访问机制

• 与CSMA/CA不同，IEEE 802.16采取的方式是在物理层将时间资源进行分片，通过时间片区分上下行，帧长度固定（上下行两个部分），上下行的切换点通过MAC层的控制自适应调整，下行在先，上行在后。
• 上行信道占用多个时隙，完成初始化、竞争、维护和业务传输等操作，占用时隙数目由BS的MAC层统一控制，并根据系统要求动态改变，下行消息通过广播发送，SS接收到消息后在MAC层提取检查消息的连接标识符（CID），判断出发给自己的消息。BS还可以单播和多播的方式向一个或一组SS发送消息
• 兼顾灵活性和公平性，SS均有几号回发送数据，避免了长期竞争不到信道；每个SS只在属于自己的发送时段才发送数据，可以保证任何时刻，媒体上只有一个数据流传输，这种机制便于进行QOS、业务优先级及带宽等方面的控制。

3.IEEE 802.16 MAC层链路自适应机制

• 自动请求重传机制（ARQ），接收端正确接收后发送确认信息ACK，否则发送否认信息NACK
• 混合自动重传请求（H-ARQ），一种将ARQ与前向纠错编码结合在一起的技术，对于无法纠正的错误，采用停等重传机制
• 自适应调制编码（AMC），根据信道情况的变化动态调整调制方式和编码方式

4.IEEE 802.16 MAC层QOS保证机制

• IEEE 802.16是第一个提出在MAC层提供QOS保证的无线接入标准，为满足高速多媒体业务对延迟、带宽、丢失率等指标的更高要求，定义了一系列严格的QOS控制机制（均基于连接进行），为不同业务提供不同的质量服务
• 可以根据业务的实际需要动态分配带宽，为了更好控制上行数据的带宽分配，标准定义了四种不同的业务，对应四种上行带宽调制模式
• 非请求的带宽分配业务：用于恒定比特率的服务
• 按时轮训业务：周期性分配可变长度上行带宽和位速率可变的实时服务
• 非实时轮训业务：不定期分配可变长度上行带宽和位速率可变的非实时服务
• 尽力而为业务：尽可能利用空中资源传送数据，但不会对高优先级的连接造成影响，尽力投递服务

 第四部分、移动自组织MANET

一、移动自组网的基本概念

1.移动自组织网络MANET的初衷

　　

2.什么是移动自组网

• 移动自组网（Mobile AdHoc Network，MANET）是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络
• MANET它不依赖于预设的基础设施临时组建
• MANET网络的移动节点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在通信范围内时，可以借助其它中间节点来实现通信。中间节点帮助其它节点中继时，向接收前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现中继，所以也称为分组无线网或多跳网
• MANET网络中每个终端可以自由移动、地位相等
• MANET是一个多跳、临时、无中心网络
• 可以在任何时候、任何地点快速构建

　　

3.移动自组网发展历史

• 源自军事领域
• 20世纪70年代分组无线网（PRNET）
• 1983年的抗毁自适应网络（SURAN）
• 1994年的全球移动信息系统（GloMo）
• IEEE802.11首次提出“ad hoc”
• IETF1997年成立MANET工作组
• IRTF在2003成立了ANS 研究组
  • MANET:mobile ad hoc network
  • ANS: ad hoc network scalability

二、移动自组网的特点

• 无固定基础设施组网，支持动态配置和动态流控、网络协议是分布的
• 允许节点发生故障、离开网络或加入网络，具备动态搜索、定位和恢复连接能力是MANET得以实现的基本要求，设计实现十分困难，用于固网的很多通信机制都无法用于MANET
• 拓扑结构动态变化（节点加入和退出频繁、节点本身的移动性），要求路由协议重新配置路由信息的机制反应迅速且开销小，使网络状态变化频繁和不可预测，要做到对网络状态的优化较难
• 节点能力有限，节点依靠电池提供能量，能量决定节点的生存期，过分消耗节点能力会导致节点退出网络会使网络分割，影响网络的连通性，因此路由选择要综合考虑对能量进行优化
• 无线链路带宽有限、容量可变，由于多接入、多径衰落、噪声和信号干扰，出现拥塞属于正常情况

三、移动自组网的协议栈

• 物理层：包括射频电路、调制和信道编码系统
• 数据链路层：负责在不可靠无线链路上建立可靠和安全的逻辑链路。功能包括差错控制、安全（加解密）、将网络层的分组组帧以及分组重发，MAC子层负责在一个区域的共享无线信道的移动节点之间分配时间-频率或者编码空间
• 网络层：负责分组的路由、建立网络服务类型以及在传输与链路层之间传输分组，还负责分组重新路由和移动管理
• 传输层：提供有效可靠的数据传输服务
• 操作系统/中间层：处理连接断开、适配支持以及无线设备中的功耗和服务质量管理
• 应用层：处理固定和移动主机的任务分割、源编码、数字信号处理和移动环境下的场景适应

　　

四、移动自组网的MAC协议

1.移动自组织网络MAC协议须解决的问题

 

• 移动自组网没有类似于基站或是接入点（AP）的中心控制设备，因此无法使用集中控制方式
• 移动自组网的节点移动会导致信道相互改变
• 移动自组网是多跳网络，必须解决隐藏中端和暴露终端、资源空间重用等问题
• 移动自组网采用两种MAC协议
  • 异步MAC协议
  • 同步MAC协议

2.异步MAC协议

• 异步网络中每个节点都有自己的时间标准，一般不划分时隙，即使划分等长的时隙，其时间起点也不对准。
• 异步MAC协议可以灵活根据数据分组大小为节点申请资源，而不要受时隙大小的约束

　　（1）异步MAC协议-MACA协议

　　　　MACA协议是继CSMA/CA协议后提出的一个较为完善的自组网络接入控制协议，该协议提出的握手机制得到了广泛应用

　　　　在MACA协议中：

• • 发送节点首先向目标节点发起RTS，若目的节点能正确收到RTS，则回复CTS，表示可以接收数据分组。
  • 节点决定是否退避不再通过载波监听结果，而是是否收到并解析了一个RTS或是CTS分组，如果解析到RTS则退避，确保CTS正常到达；如果解析到CTS也退避，但时间长于对RTS的退避，保证节点能收完数据分组；如果同时解析到RTS和CTS，则不能发送业务数据；若没解析到任何信息则发送自己的RTS并等待回复CTS，握手成功后发送数据分组，如果握手失败，则根据BEB算法进行退重发。
  • 暴露终端在避开CTS后可以使用信道，隐藏终端只要避开DATA就可以使用信道。

　　（2）异步MAC协议-FAMA协议

• FAMA协议的宗旨是保证节点在发送之前向获得信道的使用权，从而实现无冲突的数据分组传输过程。也可看做一种动态预约机制，但FAMA中的预约不要求独立控制信道，控制分组与数据分组复用同一个信道，保证数据的无冲突发送
• FAMA控制分组发送的方式包括
  • 采用RTS-CTS交互而不采用载波监听
  • 采用RTS-CTS交互及非坚持的载波监听
• FAMA协议簇包括以下几种协议
  • FAMA-NCS协议：非坚持的载波监听机制，发送之前载波监听，CTS帧远大于RTS帧
  • FAMA-NPS协议：非坚持的分组侦听机制，侦听到则退避，否则接入信道
  • FAMA-NTR协议：非坚持载波监听机制与MACA中的RTS-CTS分组结合方式发送请求分组
  • FAMA-PJ协议：只针对全联通网络，不采用握手信号，发送RTS后载波监听和冲突监测

　　（3）异步MAC协议-DBTMA协议

• DBTMA(双忙音监测协议)。为克服隐藏终端的影响而提出忙音多址（BTMA）和闲音多址（ITMA）协议，只适应于集中控制式网络，占用总频带的极小部分发送忙音消息，当中心控制节点监测到业务信道上出现信号载波时，就在忙音信道上向其所属节点广播忙音消息，避免争用信道。
• 由于忙音信息受噪声、干扰和衰落的影响而未被监测，可以在忙音信道上改发闲音消息，这就是所谓的闲音多址方式。
• DBTMA对BTMA/ITMA做了改进，形成了适合无中心网络的分布接入机制，除了数据信道和控制信道，DBTMA增加了两个窄带忙音：接收忙音BTr和发送忙音BTt，用于指示节点在信道上接收和发送报文。

　　　　

　　（4）异步MAC协议-WTRP协议

• WTRP(无线令牌环)。通过建立逻辑令牌环实现对无线信道资源的管理和应用，令牌环上的每个节点都有自己的上游节点和后继节点，当节点收到上游节点发送的令牌后，开始在规定的时间内发送数据，让后将令牌传送到后继节点，发送时间超出规定时间则被迫停止发送。
• WRTP允许动态加入和离开令牌环。

3.同步MAC协议

• 由于自组网无基础设施的特性，因而实现全忘精确的时钟同时往往要求节点配备有GPS或其它授时定位系统，或者采用分布式算法实现全网同步，但这两种方法都有各自的局限性
• 保证节点间的精确同步是MAC协议应用的一个重要问题
• 同步网络中的物理信道可以进一步划分为帧和时隙，同步MAC协议中节点接入信道同样多是依靠随机竞争方式，只是接入时间一定是在时隙的开始时刻，分组的大小最好与时隙长度成倍数关系，这样可以减少冲突、避免信道的浪费
• 同步网络MAC协议对时隙分配方式一般分为三种
  • 中心分配方式（自组网不存在中心控制节点，不适用）
  • 固定分配方式（自组网节点数目可变，移动性和拓扑变化性，不适用）
  • 竞争方式

　　（1）同步MAC协议-FPRP协议

• 5次握手机制(Five-Phase Reservation Protocol,FPRP)采用第三种分配方式，是一种应用于同步物理信道、基于竞争接入机制的同步MAC协议。该协议实现了全分布式的无线媒介接入控制，具有对网络结构的变化不敏感、灵活性和适应性高等优点
• 通过节点间的竞争，实现了自组网中两跳范围内无冲突的广播时隙的可靠分配和调度，该协议针对广播业务设计，不适用于点对点业务
  • 预约请求阶段
  • 冲突报告
  • 预约证实阶段
  • 确认回复阶段
  • 填充/消除阶段

　　（2）同步MAC协议（E-TDMA协议）

• E-TDMA协议在五握手竞争机制的基础上对节点的时隙预约过程进行了改进。
• E-TDMA可以以跳邻节点预约无冲突的单播、多播个广播业务时隙，E-TDMA协议在继承了EPRP优点的基础上，能够适应网络拓扑结构随机变化和带宽动态变化的要求，不受网络规模的限制，提高了资源分配的灵活性，能确保QOS要求。

　　（3）同步MAC协议（RR-ALOHA协议）

• RR-ALOHA协议通过每帧周期广播FI（Frame Information），使所有的邻节点都知道每一个时隙的信道使用情况，FI是发送节点感知的前一帧的时隙状态信息
• RR-ALOHA协议可提供如下服务：
  • 为单跳广播服务提供了一条无竞争的可靠的信道
  • 快速预约附加带宽
  • 高带宽利用率的点对点通信
  • 最少转发节点的多跳广播服务

　　（4）同步MAC协议（TBMAC协议）

• TBMAC协议提供一种高概率限时接入信道的接入方式。与其它协议不同，该协议主要考虑的性能指标是业务的接入时间，即保证节点在一定的时间内能接入信道，TBMAC要求尽量减少节点间的冲突，同时在一定的时限内发现冲突，并采取措施防止冲突的再次发生。
• TBMAC协议将节点覆盖区域划分为若干小区，每个小区分配一个子信道，从未降低冲突产生的概率，为了进一步减小冲突，还可以将小区划分为字小区。
• TBMAC将接入信道的过程分为两个时段，增加了在一定时段内完成信道接入过程的概率。
  • 无竞争时段
  • 竞争时段
• TBMAC是基于时分多址的协议，每个节点均可获得一定的带宽。
• 当小区节点数超过时隙时，易造成拥塞，引起较大的接入时延；邻小区通信时，因为存在多个相邻小区，可能存在与多个邻小区同时通信的情况，信道将产生竞争，造成拥塞。

 

五、移动自组网的路由协议

 　　1.路由协议定义

• 移动自组网路由协议主要包括
  • 路径产生过程：根据集中式或分布式的网络状态信息和用户业务需求生成路径，网络状态信息和用户业务状态信息的收集与分发是该过程的主要内容
  • 路径选择过程：根据网络状态信息和用户业务状态信息选择最恰当的路径
  • 路径维护过程：对所选择路径进行维护
  • 移动自组网路由协议还需要具有以下特点
• 采用分布式路由算法
  • 具有自适应能力，可适应快速变化的网络拓扑结构
  • 无环路
  • 控制开销少
  • 具有可宽展性，适用于大规模网络

 　　2.自组网路由协议需要解决的问题

• 多跳是研究自组网路由协议的前提和基础，网的特性为自组网路由协议涉及提出了新的问题和挑战：
• 1、网络的自组性
• 2、动态变化的网络拓扑结构
• 3、有限的无线传输带宽
• 4、无线移动终端的局限性
• 5、单向信道的存在
• 6、分布式的控制网络
• 7、有限的网络安全
• 8、生存时间较短

 　　3.自组网路由协议的任务

　　监控网络拓扑结构的变化

• 交换路由信息
• 确定目的节点的位置
• 产生、维护以及取消路由
• 选择路由并转发数据

 　　4.自组网路由协议的要求

• 收敛迅速：对拓扑结构的变化具有快速反应能力，在计算路由时能够快速收敛，及时获得有效的路由，避免出现目的节点不可达的情况
• 提供无环路由：相比有线网，自组网更容易产生路由环路，无环路由更加重要
• 避免无穷计算：链路失效经常发生，必须避免无穷计算，不采用或改进会出现无穷计算算法
• 控制管理开销小：传输控制管理分组也会消耗一部分带宽资源，需尽量减少控制管理开销
• 对终端性能无过高要求
• 支持单向信道：自组网可能经常出现单向信道，支持单向信道是路由算法基本要求
• 尽量简单实用：简单有助于提高可靠性，有助于减少各种开销，路由应力求简单

 　　5.按需路由协议

• 按需路由协议也称为反应式路由协议、源启动按需路由协议。需要路由时由源节点创建，拓扑结构和路由表内容是按需建立的
• 按需路由包括三个过程
  • 路由发现过程
  • 路由维护过程
  • 路由拆除过程