什么是無線網(wǎng)絡

1、什么是無線網(wǎng)絡無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇?，擺脫了網(wǎng)線的束縛，在應用層面，與有線網(wǎng)絡的用途完全相似，兩者最大不同在于傳輸資料的媒介不同。無線網(wǎng)絡在硬件架設、和應用機動性網(wǎng)絡更據(jù)優(yōu)勢。主要用3G、WIFI實現(xiàn)無線網(wǎng)絡。無線網(wǎng)絡最大的優(yōu)點是可以讓人們擺脫有線的束縛，更便捷、更自由的溝通。1無線網(wǎng)絡的誕生美國Starbucks連鎖店2001年加入MobileStar成為第一個提供Wi-Fi Internet接入服務的零售業(yè)主。用戶可到Starbucks的Card Rewards站點注冊，向顧客提供每天兩個小時的免費Wi-Fi接入。隨后咖啡辦公成為時尚。2無線網(wǎng)絡推動計算的進化普適計算（Ubiquito

2、us computing 或 pervasive computing），又稱普存計算、普及計算，是一個強調(diào)和環(huán)境融為一體的計算概念，而計算機本身則從人們的視線里消失。在普適計算的模式下，人們能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理。計算的進化第一代，主機型計算（Mainframe computing）很多人共享一臺大型機第二代，個人機計算（personal computing）一個人在一臺電腦上第三代，網(wǎng)絡計算（internet computing）一個人使用在互聯(lián)網(wǎng)上的很多服務第四代，普適計算（pervasive computing）許許多多的設備通過全球網(wǎng)絡為許多人提供人格

3、化（個性化）的服務3無線網(wǎng)絡的協(xié)議模型不同類型的無線網(wǎng)絡所重點關(guān)注的協(xié)議層次不同。無線頻譜管理的復雜性，也導致無線網(wǎng)絡物理層協(xié)議也是一個重點。無線網(wǎng)絡存在共享訪問介質(zhì)的問題，所以和傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)一樣，數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC協(xié)議是所有無線網(wǎng)絡協(xié)議的重點無線局域網(wǎng)、無線個域網(wǎng)和無線城域網(wǎng)一般不存在路由的問題，所以它們沒有制定網(wǎng)絡層的協(xié)議，主要采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡層的IP協(xié)議，而無線Mesh網(wǎng)絡則需重點研究。 4無線傳輸媒體傳輸媒體是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理路徑。傳輸媒體可分為：導向的(guided)：電磁波被引導沿某一固定媒體前進，例如雙絞線、同軸電纜和光纖。非導向的(unguided)：提

4、供傳輸電磁波信號的手段，但不引導電磁波傳播的方向，這種傳輸形式被稱為無線傳播(wireless transmission)，如大氣和外層空間。5典型的無線傳輸數(shù)字性能 無線傳輸?shù)闹饕獡p耗來源于衰減。無線的損耗公式：傳輸?shù)膿p耗隨距離的平方而變化 而雙絞線與同軸電纜的損耗隨距離的指數(shù)變化。因此無線的中繼設備比電纜的中繼設備可以放得更遠。有線網(wǎng)絡中的損耗與距離的關(guān)系式為：L=Ed 其中d代表距離，E代表其他關(guān)系變量。6典型的無線傳輸數(shù)字性能 損傷的另一個原因是干擾，隨著無線應用的不斷增多，傳輸區(qū)域重疊，干擾始終是一個威脅。因此，頻帶的分配需要嚴格控制。 （ITU-R）頻率越高衰減越大，較高的微波頻率

5、對長途傳輸沒有什么用處，但卻非常適用于近距離傳輸。頻率越高，使用的天線就越小、越便宜。7無線電波廣播無線電波是全向性的，不要求使用定向天線，天線也無須嚴格地安裝到一個精確地校準位置上。無線電波(Radio) 是籠統(tǒng)術(shù)語，一般頻率范圍為3KHz300GHz。非正式術(shù)語廣播無線電波：30MHz1GHz，該頻段是廣播通信的有效頻段，應用廣泛。電離層對30MHz以上頻率的電磁波沒有干擾；雨雪對低于1 GHz以下頻率的電磁波沒有衰減；根據(jù)衰減公式，波長越大衰減越小廣播無線電波損傷的一個主要來源是多路徑干擾。 來自多條路徑不同延遲的信號重疊 。電視信號被飛機阻擋后出現(xiàn)重影。8天線天線（antenna)是一

6、種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。天線可看作一條電子導線或?qū)Ь€系統(tǒng)，在無線電設備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件，是實現(xiàn)無線傳輸最基本的設備。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。主要任務：發(fā)送時，將無線電頻率電能轉(zhuǎn)換為電磁能輻射到周圍的環(huán)境中；接收時，將撞擊到天線上的電磁能轉(zhuǎn)化為無線電頻率的電能，合成到接收器中。9輻射模式輻射模式的實際大小是任意的，重要的是每個方向上與天線位置的距離，相對距離決定相對功率。全向天線（各向同性天線）：輻射模式為以天線為中心的球體，各方向輻射功率相同。有向天線：所指

7、方向的功率最大。10天線類型1、偶級天線：半波偶極、1/4波垂直天線。半波偶極天線：由等長度的兩個在同一直線上的導線組成，兩條導線由一個小的供電間隙分開，天線長度是可最有效傳輸?shù)男盘柌ㄩL的一半。求2.4Ghz天線的長度，因為c=f (c：波傳播速度,：波長,：頻率), =c/f=300000000m/s2.4GHz=300000000m/s2400000000Hz=0.125m11天線類型偶級天線：半波偶極、1/4波垂直天線。1/4波偶極天線：天線長度是可最有效傳輸?shù)男盘柌ㄩL的1/4，是汽車無線電和便攜無線電中最常見的類型。12移動環(huán)境中的衰退-多徑傳播對于視距傳輸，衍射和散射信號不重要對于非

8、視距傳輸，衍射和散射是接收的主要手段13多普勒效應多普勒效應是為紀念Christian Doppler而命名的。多普勒效應指出，波在波源移向觀察者時頻率變高，而在波源遠離觀察者時頻率變低。當觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。假設原有波源的波長為，波速為c，觀察者移動速度為v，當觀察者走近波源時觀察到的波源頻率為(v+c)/，如果觀察者遠離波源，則觀察到的波源頻率為(v-c)/。 14數(shù)字數(shù)據(jù)與模擬信號調(diào)幅ASK:用載波頻率的兩個不同振幅表示二個二進制值。容易受增益變化的影響，效率較低（在語音線路上只能達到1200bps）調(diào)頻FSK:載波的頻率隨數(shù)字信號改變，而載波的幅度保持恒定。可用限幅器消除噪

9、聲干擾,容易實現(xiàn)（modem）調(diào)相PSK:用載波的不同相位直接表示數(shù)字信息。15多路復用實現(xiàn)多路復用的關(guān)鍵把多路信號匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信號。分割信號的依據(jù)利用信號之間的差別信號頻率上的不同信號出現(xiàn)時間上的不同信號碼型結(jié)構(gòu)上的不同16微波擴頻通信技術(shù)擴頻通信技術(shù)在1941年由好萊塢女演員Hedy Lamarr和鋼琴家George Antheil提出的?；趯︳~雷控制的安全無線通信的思路他們申請了美國專利#2.292.387。當時該技術(shù)并沒有引起美國軍方的重視，直到19世紀80年代才引起關(guān)注將它用于敵對環(huán)境中的無線通信系統(tǒng)。典型應用是GPS、3G移動通信、WLAN

10、和Bluetooth。擴頻技術(shù)也為提高無線電頻率的利用率提供幫助(無線電頻譜有限，昂貴的資源)；隨著CDMA技術(shù)在通訊領(lǐng)域的成功Hedy Lamarr被譽為CDMA之母。17Wi-Fi聯(lián)盟的作用1999年無線以太兼容性聯(lián)盟(WECA)成立，后更名無線聯(lián)盟(Wi-Fi )，建立了用于驗證802.11b產(chǎn)品互操作能力的一套測試程序；2004年起，驗證的802.11b產(chǎn)品使用名稱是Wi-Fi。Wi-Fi認證已擴展到802.11g、802.11n；在無線局域網(wǎng)標準的采納和市場化推進中，起到了主導作用。 18IEEE 802.11n2009年發(fā)布，采用了MIMO-OFDM技術(shù)進行了物理層的擴充，使用多個

11、發(fā)射和接收天線來允許更高的數(shù)據(jù)傳輸率;支持在標準帶寬(20MHz)上的速率包括有 ：7.2, 14.4, 21.7, 28.9, 43.3, 57.8, 65, 72.2Mbps 。使用2*MIMO時速度最高為300Mbps。 802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當使用40MHz帶寬和4*MIMO時，速度最高可達600Mbps;信道頻段： 2.4GHz或5GHz兼容性：全面兼容802.11a/b/g192.4GHz/5GHz雙頻帶20可靠的數(shù)據(jù)傳遞IEEE 802.11使用幀交換協(xié)議。噪聲、干擾會導致丟幀。傳統(tǒng)TCP丟幀處理能力弱。措施：當一個站點收到從另一個站點發(fā)來的數(shù)據(jù)幀時，它向源

12、站點返回一個確認(ACK)幀。如果因為數(shù)據(jù)幀被損壞或因為返回的ACK被損壞，源站點在一個短的時間周期中沒有收到ACK，它會重發(fā)該幀。21DCF分布協(xié)調(diào)功能DCF利用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)機制:載波偵聽（CSMA）如果介質(zhì)為空，則節(jié)點傳輸幀；如果介質(zhì)為忙，則等待直到當前傳輸完全結(jié)束。沖突避免（Collision Avoidance）隨機后退算法優(yōu)先級確認協(xié)議IFS:InterFrame Space幀間間隔22DCF分布協(xié)調(diào)功能23指數(shù)后退算法(Backoff)當空閑時間 IFS，立即傳輸當介質(zhì)

13、忙，延遲直到當前傳輸結(jié)束+ IFS時間開始隨機后退過程選擇一個隨機數(shù)( 0, Cwindow)使用偵聽傳輸線路是否變忙變忙：計時器停止，線路空閑后恢復后退過程；未變忙：發(fā)送數(shù)據(jù)；使用后退過程延遲發(fā)送的目的在于避免多個站點同時傳輸引起的沖突。24指數(shù)后退算法(Backoff)-競爭窗口當網(wǎng)絡負載大時競爭窗口越小，節(jié)點選擇的隨機值越接近。導致太多的沖突當網(wǎng)絡負載輕時競爭窗口越大，節(jié)點等待時間越長。導致不必要的延遲指數(shù)后退算法：競爭窗口初始化為某個最小值，發(fā)生沖突時加大窗口。直到達到最大值。25802.11的時序間隔802.11MAC協(xié)議定義了5類時序間隔：兩種由物理層決定：短幀空間(SIFS)和時

14、隙 (slot time)?；谝陨蟽煞N基本的時序間隔：優(yōu)先級幀間空間(PIFS)、分散幀間空間(DIFS)和擴展幀間空間(EIFS)。 SIFS是最短的時序間隔，其次為時隙。時隙可視為MAC協(xié)議操作的時間單元，對于 802.11b網(wǎng)絡，SIFS和時隙分別為10和20s。PIFS等于SIFS加1個時隙，而DIFS等于SIFS加2個時隙。EIFS比上述4類時序間隔都長得多，通常在當收到的數(shù)據(jù)幀出現(xiàn)錯誤時才使用。26優(yōu)先級控制等待時間的參數(shù) 用不同幀間隔定義優(yōu)先級SIFS (Short IFS)PIFS (PCF IFS)DIFS (DCF IFS)27核心協(xié)議(core protocol)形成五

15、層棧(1)無線電(radio)：確定包括頻率、跳頻的使用、調(diào)制模式和傳輸功率在內(nèi)的空中接口細節(jié)。(2)基帶(baseband)：考慮一個微微網(wǎng)中的連接建立、尋址、分組格式、計時和功率控制。(3)鏈路管理器協(xié)議(link manager protocol，LMP)：負責在藍牙設備和正在運行的鏈路管理之間建立鏈路。這包括諸如認證、加密及基帶分組大小的控制和協(xié)商等安全因素。(4)邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議(logical link control and adaptation protocol，L2CAP)：使高層協(xié)議適應基帶層。L2CAP提供無連接和面向連接服務。(5)服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(service

16、discovery protocol，SDP)：詢問設備信息、服務與服務特征，使得在兩個或多個藍牙設備間建立連接成為可能。28藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Core規(guī)范：描述了物理層、數(shù)據(jù)鏈路控制以及管理功能；Profile規(guī)范：規(guī)定了與傳統(tǒng)/新應用相適配的協(xié)議和功能。29MANET節(jié)點結(jié)構(gòu)主機：面向移動用戶，完成數(shù)據(jù)處理等功能。路由器：負責路由選擇、轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)報功能。無線收發(fā)裝置：完成數(shù)據(jù)傳輸功能。AD Hoc網(wǎng)絡的關(guān)鍵問題：如何發(fā)現(xiàn)、收集和使用拓撲信息形成合理的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。30MANET網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)（完全分布式）所有節(jié)點的地位平等層次結(jié)構(gòu)（分層分布式）網(wǎng)絡被劃分為簇（cluster）一個簇頭和多

17、個簇成員組成簇頭可形成更高一級的網(wǎng)絡31MANET網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：簡單：所有節(jié)點能力相同，如：網(wǎng)絡控制、路由選擇、流量管理；健壯：只要存在一條路徑就能通信；相對安全：節(jié)點覆蓋范圍較小。平面結(jié)構(gòu)的缺點路由開銷大：節(jié)點數(shù)目多移動性強的環(huán)境下，維持網(wǎng)絡最新拓撲的控制開銷大；可擴充性差：節(jié)點數(shù)量增多系統(tǒng)效能會大大降低。32MANET網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：Cluster成員功能簡單；路由信息局部化，減少路由協(xié)議開銷；節(jié)點定位簡單；可擴展性好；抗毀性好。層次結(jié)構(gòu)的缺點Cluster頭需要選擇；所有傳輸都通過頭，路由不一定最短；Cluster頭是瓶頸。與有線網(wǎng)區(qū)別：簇頭也是從移動節(jié)點中產(chǎn)生

18、，而非專用。33移動Ad Hoc網(wǎng)絡的MAC層在移動Ad Hoc網(wǎng)絡中，節(jié)點移動、無線信道脆弱、缺乏中心協(xié)調(diào)機制是在設計MAC協(xié)議時必須仔細考慮的問題。 目前有以下三類：競爭協(xié)議(Contention Protocol)；分配協(xié)議(Allocation Protocol )；混合協(xié)議(Hybrid Protocol)(競爭協(xié)議和分配協(xié)議的組合協(xié)議)。 34移動Ad Hoc網(wǎng)絡的MAC層競爭協(xié)議(Contention Protocol)：使用直接競爭來決定信道訪問權(quán)，通過重傳機制解決碰撞問題；目前有以下四種協(xié)議：1ALOHA協(xié)議；2載波偵聽多址訪問協(xié)議(CSMA)；3基于控制分組握手的訪問控制協(xié)議；4. 忙音類多址訪問協(xié)議。35移動Ad Hoc網(wǎng)絡的MAC層基于控制分組握手的訪問控制協(xié)議:(1)多址訪問與碰撞回避(MACA)協(xié)議:發(fā)送數(shù)據(jù)前先向接收者發(fā)送RTS幀，幀中包含將要發(fā)送的分組的長度；接收者收到RTS后，回送CTS幀，并將長