第9章-無(wú)線網(wǎng)絡(luò)-高殿武要點(diǎn).ppt

本章學(xué)習(xí)要求 掌握無(wú)線局域網(wǎng)基本概念和技術(shù)原理掌握藍(lán)牙的組網(wǎng)方式 物理層和MAC子層的主要特性了解ZigBee與UWB了解無(wú)線城域網(wǎng)WMAN實(shí)踐 筆記本無(wú)線上網(wǎng)設(shè)置實(shí)例 第9章無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 9 1無(wú)線局域網(wǎng)WLAN 移動(dòng)接入無(wú)線局域網(wǎng)建網(wǎng) 一無(wú)線局域網(wǎng)的基本概念 IEEE802 11標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線局域網(wǎng)有兩種配置實(shí)現(xiàn)方案 有基站 或者沒有基站W(wǎng)i Fi Wireless Fidelity 1 IEEE802 11基站結(jié)構(gòu)模型 2 自組網(wǎng)絡(luò) 2 自組網(wǎng)絡(luò) 續(xù) 自組網(wǎng)絡(luò)有很好的應(yīng)用前景戰(zhàn)場(chǎng)指揮 災(zāi)害場(chǎng)景 移動(dòng)會(huì)議 傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN WirelessSensorNetwork 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)應(yīng)用 進(jìn)行各種監(jiān)測(cè) 包括數(shù)據(jù)的采集 處理和傳輸帶寬 功耗 存儲(chǔ)容量 協(xié)議棧結(jié)點(diǎn)基本上是固定不變 3 IEEE802 11協(xié)議棧 二IEEE802 11物理層 三IEEE802 11的MAC子層協(xié)議 4種標(biāo)準(zhǔn)均采用的是CSMA CA CA CollisionAvoidance 沖突避免 協(xié)議CSMACA在使用CSMA CA的同時(shí)還使用停止等待協(xié)議在無(wú)線局域網(wǎng)的環(huán)境下的MAC協(xié)議必須解決兩個(gè)問(wèn)題 1 不能避免隱藏站問(wèn)題 2 存在暴露站的問(wèn)題 三IEEE802 11的MAC子層協(xié)議 續(xù) 1 IEEE802 11協(xié)議結(jié)構(gòu) 2 CSMA CA協(xié)議的基本原理 DCF讓各個(gè)站爭(zhēng)用信道使用的是CSMA CA協(xié)議在該協(xié)議中使用了物理信道的監(jiān)聽手段與虛擬信道的監(jiān)聽手段 虛擬信道的監(jiān)聽 數(shù)據(jù)幀的頭部 持續(xù)時(shí)間 字段網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV NetworkAllocationVector 信道處于忙狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間 退避機(jī)制 當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí) 在以下幾種情況下必須進(jìn)行退避 在發(fā)送第一個(gè)幀之前檢測(cè)到信道處于忙態(tài) 每一次的重傳 每一次的成功發(fā)送后再要發(fā)送下一幀只有檢測(cè)到信道是空閑的 并且這個(gè)數(shù)據(jù)幀是它想發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)才不退避 幀間間隔 CSMA CA通過(guò)定義幀間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)BSS內(nèi)的PCF數(shù)據(jù)與DCF數(shù)據(jù)的共存 四IEEE802 11幀結(jié)構(gòu) IEEE802 11標(biāo)準(zhǔn)定義了三種用于通信的幀 數(shù)據(jù)幀 控制幀和管理幀 五IEEE802 11服務(wù) 5種分發(fā)服務(wù)和4種站服務(wù)5種分發(fā)服務(wù)是由基站提供的 它們處理站的移動(dòng)性 1 關(guān)聯(lián) association 2 分離 disassociation 3 重新關(guān)聯(lián) reassociation 4 分發(fā) distribution 5 融合 integration 五IEEE802 11服務(wù) 續(xù) 4種站服務(wù)是在BSS內(nèi)部進(jìn)行的 當(dāng)關(guān)聯(lián)過(guò)程完成之后 這些服務(wù)才可能會(huì)用到 1 認(rèn)證 authentication 2 解除認(rèn)證 deauthentication 3 私密性 privacy 4 數(shù)據(jù)投遞 datadelivery 9 2無(wú)線個(gè)域網(wǎng)WPAN 無(wú)線個(gè)域網(wǎng)WPAN個(gè)人自組網(wǎng)絡(luò)802 15 MAC層和物理層2 4GHz的ISM頻段WPAN被廣泛關(guān)注的技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè) IEEE802 15 1 BlueTooth IEEE802 15 3a Ultra WideBand UWB IEEE802 15 4 LR WPAN ZigBee 一藍(lán)牙技術(shù)與IEEE802 15 1標(biāo)準(zhǔn) 1999年7月藍(lán)牙SIG推出了藍(lán)牙協(xié)議1 0版IEEE802 15 1標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE與藍(lán)牙SIG合作共同完成的802 15 1標(biāo)準(zhǔn)已于2002年4月15日由IEEE SA的標(biāo)準(zhǔn)部門批準(zhǔn)成為一個(gè)正式標(biāo)準(zhǔn) 它可以同藍(lán)牙v1 1完全兼容標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)在于在個(gè)人操作空間 POS 內(nèi)進(jìn)行無(wú)線通信 1 藍(lán)牙組網(wǎng)方式 一是微微網(wǎng) Piconet 由一個(gè)主控設(shè)備 Master 即主結(jié)點(diǎn) 和10米距離之內(nèi)的1到7個(gè)從屬設(shè)備 Slave 即從結(jié)點(diǎn) 組成 同時(shí) 一個(gè)微微網(wǎng)最多可以有255個(gè)靜觀的設(shè)備 靜觀狀態(tài)的從結(jié)點(diǎn) 二是分散網(wǎng) 1 藍(lán)牙組網(wǎng)方式 2 物理層主要特性 低功率 頻段 覆蓋半徑為10米GFSK調(diào)制 總數(shù)據(jù)率跳頻擴(kuò)頻技術(shù)支持64Kbps的實(shí)時(shí)語(yǔ)音2004年藍(lán)牙工作組推出2 0版本 帶寬提高三倍 且功耗降低一半 3 MAC層主要特性 1 微微網(wǎng)的跳頻分時(shí)機(jī)制TDM系統(tǒng) 時(shí)隙的間隔為625微秒主 從模式幀的長(zhǎng)度可以為1 3或者5個(gè)時(shí)隙對(duì)于一個(gè)單時(shí)隙的幀 240位數(shù)據(jù) 2 邏輯信道一是面向連接的同步信道 SychronousConnection Oriented SCOlink 主要用于提供雙向64kb s的PCM語(yǔ)音通路一個(gè)從屬設(shè)備與它的主控設(shè)備之間可以有多達(dá)3條SCO鏈路前向糾錯(cuò)機(jī)制 3 MAC層主要特性 二是無(wú)連接異步信道 AsychronousConnection Less ACLlink 用于分組交換數(shù)據(jù)采用確認(rèn)重傳機(jī)制 3 協(xié)議與接口鏈路管理協(xié)議 LinkManagerProtocol 邏輯鏈路控制及適配協(xié)議 LogicalLinkControlandAdaptationProtocol L2CAP 負(fù)責(zé)對(duì)高層協(xié)議的復(fù)用 數(shù)據(jù)包分割和重新組裝 處理與服務(wù)質(zhì)量有關(guān)的需求 例如在建立鏈路時(shí) 需要協(xié)商最大可允許的凈荷長(zhǎng)度 規(guī)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的控制接口 HostControlInterface HCI 二UWB技術(shù) 超寬帶 UWB 技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末 此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)探測(cè)和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用美國(guó)FCC 聯(lián)邦通信委員會(huì) 于2002年2月準(zhǔn)許該技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域 用戶不必進(jìn)行申請(qǐng)即可使用作為室內(nèi)通信用途 FCC已將3 1GHz 10 6GHz頻帶向UWB通信開放UWB不需要載波 而是利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù) 需占用很寬的頻譜范圍 有效傳輸距離在10米以內(nèi) 傳輸速率可達(dá)幾百M(fèi)bps甚至更高 二UWB技術(shù) 超寬帶是基帶傳輸超寬帶脈沖信號(hào)的時(shí)域極窄 納秒級(jí) 頻域極寬 數(shù)Hz到數(shù)GHz 可超過(guò)10GHz 其中的低頻部分可以實(shí)現(xiàn)穿墻通信以Intel和TexasInstrument為代表的MBOA標(biāo)準(zhǔn) 主張采用多頻帶方式來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB技術(shù) 以及以Motorola為代表的DS UWB標(biāo)準(zhǔn) 主張采用單頻帶方式來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB技術(shù) UWB技術(shù)幾個(gè)突出的特點(diǎn) 功耗低帶寬高抗干擾能力強(qiáng)安全性好缺陷 三IEEE802 15 4與ZigBee IEEE802 15 4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到100m之間 傳輸數(shù)據(jù)速率低 功耗低 并且成本低廉 1 IEEE802 15 4及ZigBee協(xié)議棧 2 ZigBee的組網(wǎng)方式 EEE802 15 4的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為兩類 完整功能設(shè)備FFD FullFunctionalDevice 和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD ReducedFunctionalDevice 主要有兩種組網(wǎng)方式 1 星型網(wǎng)絡(luò) 2 簇型網(wǎng)絡(luò) 2 ZigBee的組網(wǎng)方式 2 ZigBee的組網(wǎng)方式 FFD結(jié)點(diǎn)具備控制器 Controller 的功能 能夠提供數(shù)據(jù)交換 是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器RFD結(jié)點(diǎn)只能與處在該星形網(wǎng)的中心的FFD結(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù) 是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的端設(shè)備協(xié)調(diào)器 coordinator ZigBee網(wǎng)絡(luò)有16位和64位兩種地址格式需要說(shuō)明的的是IEEE802 15 4標(biāo)準(zhǔn)也支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 3 物理層主要特性 采用的工作頻率分為868MHz 915MHz和2 4GHz三種 各頻段可使用的信道分別有1個(gè) 10個(gè) 16個(gè) 各自提供20kb s 40kb s和250kb s的傳輸速率 具體實(shí)現(xiàn)如下 1 信道0 868 868 6MHz 中心頻率868 3Hz BPSK調(diào)制 提供20kb s的數(shù)據(jù)通路 2 信道1 10 中心頻率 906 2 信道號(hào) 1 MHz BPSK調(diào)制 每信道提供40kb s的數(shù)據(jù)通路 3 信道11 26 中心頻率 2405 5 信道號(hào) 11 MHz O QPSK調(diào)制 每信道提供250kb s的數(shù)據(jù)通路各個(gè)頻段采用直接序列擴(kuò)頻DSSS 4 MAC層主要特性 定義了兩種訪問(wèn)模式CSMA CA 參考WLAN中IEEE802 11標(biāo)準(zhǔn)定義的DCF模式 優(yōu)缺點(diǎn)可選的超級(jí)幀分時(shí)隙機(jī)制 類似于802 11標(biāo)準(zhǔn)定義的PCF模式 5 ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 1 省電 功耗低 2 可靠 3 延遲短 4 網(wǎng)絡(luò)容量大 5 安全和高保密性 6 Zigbee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 通常 符合如下條件的一個(gè)或幾個(gè)的無(wú)線應(yīng)用 就可以考慮采用Zigbee技術(shù)做無(wú)線傳輸 1 需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多 2 要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大 而要求設(shè)備成本低 3 要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高 安全性高 4 設(shè)備體積很小 不便放置較大的充電電池或者電源模塊 5 電池供電 6 地形復(fù)雜 監(jiān)測(cè)點(diǎn)多 需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋 7 現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū) 8 使用現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測(cè)遙控系統(tǒng) 9 使用GPS效果差 或成本太高的局部區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用 9 3無(wú)線城域網(wǎng)WMAN 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 無(wú)線本地環(huán)路 wirelesslocalloop 802 16d 2004年6月 固定寬帶無(wú)線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn) 2 66GHz頻段 802 16e 2005年12月 支持移動(dòng)性的寬帶無(wú)線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn) 2 6GHz頻段 在其頻段上它向下兼容802 16d 一基本概念 1 WiMAX全球微波接入互操作性論壇2 空中接口802 16e中定義的參考模型如圖 一基本概念 3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)IEEE802 16協(xié)議中定義了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 點(diǎn)到多點(diǎn) PMP 結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格 Mesh 結(jié)構(gòu) 一基本概念 3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的802 16系統(tǒng)應(yīng)包含的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體有 用戶設(shè)備UE 用戶站SS 基站BS 核心網(wǎng)CN 一基本概念 4 協(xié)議棧802 16系列協(xié)議中各協(xié)議的MAC層功能基本相同 差別主要體現(xiàn)在物理層上 二IEEE802 16物理層 工作在10 66GHz頻段的毫米波按向光線一樣的直線傳播基站可以有多個(gè)天線 每個(gè)天線指向周邊地區(qū)的不同扇形區(qū)域區(qū)別 蜂窩無(wú)線電波視距 LOS 鏈路毫米波段信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著與基站的距離的增加急劇地衰減 所以信噪比也會(huì)隨著與基站的距離的增加而下降采用了三種不同的單載波調(diào)制方案 QAM 64 QAM 16 QPSK特點(diǎn) 視距傳輸 多徑干擾可以忽略 二IEEE802 16物理層 802 16可支持TDD 時(shí)分雙工 和FDD 頻分雙工 兩種無(wú)線雙工方式802 16采用了前向糾錯(cuò)技術(shù) 1 802 16d的物理層 支持TDD和FDD兩種無(wú)線雙工方式10 66GHz固定無(wú)線接入系統(tǒng)主要采用單載波 SC 調(diào)制技術(shù)2 11GHz頻段的系統(tǒng) 將主要采用OFDM 256點(diǎn) 和OFDMA 2048點(diǎn) 技術(shù) 更低的成本提供更大的用戶覆蓋系統(tǒng)受雨衰影響不大系統(tǒng)可以在非視距傳輸環(huán)境下運(yùn)行系統(tǒng)可以采用從1 25MHz 20MHz之間的帶寬10 66GHz的固定無(wú)線接入系統(tǒng) 還可以采用28MHz載波帶寬 2 802 16e的物理層 802 16e的物理層實(shí)現(xiàn)方式與802 16d是基本一致的主要差別是對(duì)OFDMA進(jìn)行了擴(kuò)展支持2048點(diǎn) 1024點(diǎn) 512點(diǎn)和128點(diǎn)當(dāng)802 16e物理層采用256點(diǎn)OFDM或2048點(diǎn)OFDMA時(shí) 802 16e后向兼容802 16d 物理層 三IEEE802 16的MAC層 1 MAC層各子層的功能 1 CS子層為MAC層和高層的接口 提供了多個(gè)CS規(guī)范 2 CPS子層實(shí)現(xiàn)主要的MAC功能 包括系統(tǒng)接入 帶寬分配 連接建立和連接維護(hù)等它通過(guò)MAC層SAP接收來(lái)自各種CS層的數(shù)據(jù)并分類到特定的MAC連接 同時(shí)對(duì)物理層上傳輸和調(diào)度的數(shù)據(jù)實(shí)施QoS控制 3 安全子層的主要功能是提供認(rèn)證 密鑰交換和加解密處理 2 介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制 IEEE802 16采取的方式是在物理層將時(shí)間資源進(jìn)行分片 通過(guò)時(shí)間片區(qū)分上行和下行 切換點(diǎn)下行是廣播的 上行是SS發(fā)向BS的上行時(shí) 物理層基于時(shí)分多用戶接入 TDMA 和按需分配多用戶接入 DAMA 相結(jié)合的方式上行信道占用了許多個(gè)時(shí)隙 初始化 競(jìng)爭(zhēng) 維護(hù) 業(yè)務(wù)傳輸?shù)葢?yīng)用都是通過(guò)占用一定數(shù)目的時(shí)隙來(lái)完成的 其占用的數(shù)目由BS的MAC層統(tǒng)一控制 并根據(jù)系統(tǒng)要求而動(dòng)態(tài)改變 2 介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制 下行信道采用時(shí)分復(fù)用 TDM 方式 BS側(cè)產(chǎn)生的信息被復(fù)用成單個(gè)的數(shù)據(jù)流 廣播發(fā)送給扇區(qū)內(nèi)的所有SS每個(gè)SS接收到廣播消息后 在MAC層中提取檢查消息連接的CID 連接標(biāo)識(shí)符 信息 從而判斷出發(fā)給自己的信息 丟棄其他信息BS還可以以單播 多播的方式向一個(gè)或一組SS發(fā)送消息 3 MAC層的鏈路自適應(yīng)機(jī)制 1 自動(dòng)請(qǐng)求重傳 ARQ 2 混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 H ARQ 協(xié)議中僅規(guī)定OFDMA物理層提供對(duì)H ARQ的支持 3 自適應(yīng)調(diào)制編碼 AMC 4 QoS保證機(jī)制 IEEE802 16是第一個(gè)提出在MAC層提供QoS保證的無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)802 16MAC層是基于連接的 即所有終端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及與此相關(guān)的QoS要求 都是基于連接進(jìn)行的每一個(gè)連接均由一個(gè)標(biāo)識(shí)符 CID 來(lái)唯一