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第9章無線網絡和移動網絡,,第9章無線網絡和移動網絡,9.1無線局域網WLAN9.2無線個人區(qū)域網WPAN9.3無線城域網WMAN9.4蜂窩移動通信網9.5兩種不同無線上網,9.1無線局域網WLAN,9.1.1無線局域網的組成9.1.2802.11局域網的物理層9.1.3802.11局域網的MAC層協(xié)議9.1.4802.11局域網的MAC幀,9.1.1無線局域網的組成,無線局域網WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)可分為兩大類：有固定基礎設施的WLAN無固定基礎設施的WLAN所謂“固定基礎設施”是指預先建立起來的、能夠覆蓋一定地理范圍的一批固定基站。,1.IEEE802.11,IEEE802.11是一個有固定基礎設施的無線局域網的國際標準。IEEE802.11是個相當復雜的標準。但簡單地說，802.11就是無線以太網的標準：它使用星形拓撲，其中心叫做接入點AP(AccessPoint)在MAC層使用CSMA/CA協(xié)議凡使用802.11系列協(xié)議的局域網又稱為Wi-Fi(Wireless-Fidelity，意思是“無線保真度”。,2.移動自組網絡,移動自組網絡又稱為自組網絡(adhocnetwork)。自組網絡是沒有固定基礎設施（即沒有AP）的無線局域網。這種網絡是由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時網絡。自組網絡的服務范圍通常是受限的，而且一般也不和外界的其他網絡相連接。移動自組網絡也就是移動分組無線網絡。,,無線傳感器網絡WSN,無線傳感器網絡WSN(WirelessSensorNetwork)是由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡。無線傳感器網絡的應用是進行各種數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，一般并不需要很高的帶寬，但是在大部分時間必須保持低功耗，以節(jié)省電池的消耗。由于無線傳感結點的存儲容量受限，因此對協(xié)議棧的大小有嚴格的限制。無線傳感器網絡還對網絡安全性、結點自動配置、網絡動態(tài)重組等方面有一定的要求。,傳感器結點的形狀和組成,,存儲器,CPU,,傳感器硬件,電池,無線收發(fā)器,(a)形狀,(b)組成,幾種不同的接入,固定接入(fixedaccess)——在作為網絡用戶期間，用戶設置的地理位置保持不變。移動接入(mobilityaccess)——用戶設置能夠以車輛速度移動時進行網絡通信。當發(fā)生切換時，通信仍然是連續(xù)的。便攜接入(portableaccess)——在受限的網絡覆蓋面積中，用戶設備能夠在以步行速度移動時進行網絡通信，提供有限的切換能力。游牧接入(nomadicaccess)——用戶設備的地理位置至少在進行網絡通信時保持不變。如用戶設備移動了位置，則再次進行通信時可能還要尋找最佳的基站。,9.1.2802.11局域網的物理層,802.11標準中物理層相當復雜。根據(jù)物理層的不同（如工作頻段、數(shù)據(jù)率、調制方法等），對應的標準也不同。最早流行的無線局域網是802.11b，802.11a和802.11g。2009年頒布了標準802.11n802.11的物理層有以下幾種實現(xiàn)方法：直接序列擴頻DSSS正交頻分復用OFDM跳頻擴頻FHSS（已很少用）紅外線IR（已很少用）,幾種常用的802.11無線局域網,9.1.3802.11局域網的MAC層協(xié)議,1.CSMA/CA協(xié)議,無線局域網不能使用CSMA/CD，而只能使用改進的CSMA協(xié)議。改進的辦法是把CSMA增加一個碰撞避免CA(CollisionAvoidance)功能。802.11就使用CSMA/CA協(xié)議。而在使用CSMA/CA的同時，還增加使用停止等待協(xié)議。,CSMA/CA協(xié)議的原理,欲發(fā)送數(shù)據(jù)的站先檢測信道。在802.11標準中規(guī)定了在物理層的空中接口進行物理層的載波監(jiān)聽。通過收到的相對信號強度是否超過一定的門限數(shù)值就可判定是否有其他的移動站在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。當源站發(fā)送它的第一個MAC幀時，若檢測到信道空閑，則在等待一段時間DIFS后就可發(fā)送。,CSMA/CA算法歸納,(1)若站點最初有數(shù)據(jù)要發(fā)送（而不是發(fā)送不成功再進行重傳），且檢測到信道空閑，在等待時間DIFS后，就發(fā)送整個數(shù)據(jù)幀。(2)否則，站點執(zhí)行CSMA/CA協(xié)議的退避算法。一旦檢測到信道忙，就凍結退避計時器。只要信道空閑，退避計時器就進行倒計時。(3)當退避計時器時間減少到零時（這時信道只可能是空閑的），站點就發(fā)送整個的幀并等待確認。(4)發(fā)送站若收到確認，就知道已發(fā)送的幀被目的站正確收到了。這時如果要發(fā)送第二幀，就要從上面的步驟(2)開始，執(zhí)行CSMA/CA協(xié)議的退避算法，隨機選定一段退避時間。若源站在規(guī)定時間內沒有收到確認幀ACK（由重傳計時器控制這段時間），就必須重傳此幀（再次使用CSMA/CA協(xié)議爭用接入信道），直到收到確認為止，或者經過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。,9.1.4802.11局域網的MAC幀,802.11幀共有三種類型：控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。,9.2無線個人區(qū)域網WPAN,無線個人區(qū)域網WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)就是在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來自組網絡，不需要使用接入點AP。整個網絡的范圍大約在10m左右。WPAN可以是一個人使用，也可以是若干人共同使用。無線個人區(qū)域網WPAN和個人區(qū)域網PAN(PersonalAreaNetwork)并不完全等同，因為PAN不一定都是使用無線連接的。,WPAN和WLAN并不一樣,WPAN是以個人為中心來使用的無線人個區(qū)域網，它實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。WLAN卻是同時為許多用戶服務的無線局域網，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網。,WPAN標準,WPAN的IEEE標準由IEEE的802.15工作組制定，這個標準也是包括MAC層和物理層這兩層的標準。WPAN都工作在2.4GHz的ISM頻段。順便指出，歐洲的ETSI標準則把無線個人區(qū)域網取名為HiperPAN。,1.藍牙系統(tǒng)(Bluetooth),最早使用的WPAN是1994年愛立信公司推出的藍牙系統(tǒng)，其標準是IEEE802.15.1。藍牙的數(shù)據(jù)率為720kbit/s，通信范圍在10米左右。藍牙使用TDM方式和擴頻跳頻FHSS技術組成不用基站的皮可網(piconet)。,皮可網(piconet),Piconet直譯就是“微微網”，表示這種無線網絡的覆蓋面積非常小。每一個皮可網有一個主設備(Master)和最多7個工作的從設備(Slave)。通過共享主設備或從設備，可以把多個皮可網鏈接起來，形成一個范圍更大的擴散網(scatternet)。這種主從工作方式的個人區(qū)域網實現(xiàn)起來價格就會比較便宜。,2.低速WPAN,低速WPAN主要用于工業(yè)監(jiān)控組網、辦公自動化與控制等領域，其速率是2~250kbit/s。低速WPAN的標準是IEEE802.15.4。最近新修訂的標準是IEEE802.15.4-2006。低速WPAN中最重要的就是ZigBee。ZigBee技術主要用于各種電子設備（固定的、便攜的或移動的）之間的無線通信，其主要特點是通信距離短（10~80m），傳輸數(shù)據(jù)速率低，并且成本低廉。,ZigBee的特點,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結點處于休眠狀態(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。網絡容量大一個ZigBee的網絡最多包括有255個結點，其中一個是主設備，其余則是從設備。若是通過網絡協(xié)調器，整個網絡最多可以支持超過64000個結點。,ZigBee的標準,在IEEE802.15.4標準基礎上發(fā)展而來的。所有ZigBee產品也是802.15.4產品。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（網絡層和應用層）則是由ZigBee聯(lián)盟定義的。,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11~55Mbit/s的數(shù)據(jù)率，標準是802.15.3。IEEE802.15.3a工作組還提出了更高數(shù)據(jù)率的物理層標準的超高速WPAN，它使用超寬帶UWB技術。UWB技術工作在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。超寬帶技術使用了瞬間高速脈沖，可支持100~400Mbit/s的數(shù)據(jù)率，可用于小范圍內高速傳送圖像或DVD質量的多媒體視頻文件。,9.3無線城域網WMAN,2002年4月通過了IEEE802.16無線城域網(WirelessMetropolitanAreaNetwork)的標準（又稱為IEEE無線城域網空中接口標準）。歐洲的ETSI也制訂類似的無線城域網標準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,WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)常用來表示無線城域網WMAN，這與Wi-Fi常用來表示無線局域網WLAN相似。IEEE的802.16工作組是無線城域網標準的制訂者，而WiMAX論壇則是802.16技術的推動者。WMAN有兩個正式標準：802.16d(它的正式名字是802.16-2004)：固定寬帶無線接入空中接口標準（2~66GHz頻段）。802.16e(802.16的增強版本)：支持移動性的寬帶無線接入空中接口標準（2~6GHz頻段），向下兼容802.16-2004。,9.4蜂窩移動通信網,9.4.1蜂窩無線通信技術簡介9.4.2移動IP9.4.3蜂窩移動通信網中對移動用戶的路由選擇9.4.4GSM中的切換9.4.5無線網絡對高層協(xié)議的影響,9.4.1蜂窩無線通信技術簡介,蜂窩移動網絡的發(fā)展非常迅速，到目前為止，世界上先后已有超過了30種不同的標準。第一代（1G）蜂窩無線通信是為話音通信設計的模擬FDM系統(tǒng)。第二代（2G）蜂窩無線通信提供低速數(shù)字通信（短信服務），其代表性體制就是最流行的GSM系統(tǒng)。2.5G技術是從2G向第三代（3G）過渡的銜接性技術，如GPRS和EDGE等。,9.4.1蜂窩無線通信技術簡介,第三代（3G）移動通信和計算機網絡的關系非常密切，它使用IP的體系結構和混合的交換機制（電路交換和分組交換），能夠提供移動寬帶多媒體業(yè)務（話音、數(shù)據(jù)、視頻等，可收發(fā)電子郵件，瀏覽網頁，進行視頻會議等），如CDMA2000，WCDMA和TD-SCDMA。從3G開始以后的各代蜂窩移動通信都是以傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務為主的通信系統(tǒng)，而且必須兼容2G的功能（即能夠通電話和發(fā)送短信），這就是所謂的向后兼容。,9.4.1蜂窩無線通信技術簡介,第四代（4G）正式名稱是IMT-Advanced(InternationalMobileTelecommunications-Advanced)，意思是高級國際移動通信。4G的一個重要技術指標就是要實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率。目標峰值數(shù)據(jù)率是：固定的和低速移動通信時應達到1Gbit/s，在高速移動通信時（如在火車。汽車上）應達到100Mbit/s。,9.4.1蜂窩無線通信技術簡介,4G現(xiàn)有兩個國際標準：LTE(Long-TermEvolution)：又分為時分雙工TD-LTE和頻分雙工FDD-LTE兩種。把帶寬增加到20MHz，采用了高階調制64QAM和MIMO技術。LTE-A(LTE-Advanced)：LTE的升級版，俗稱為3.9G。帶寬高達100MHz。,9.4.2移動IP,移動IP(MobileIP)又稱為移動IP協(xié)議，是由IETF開發(fā)的一種技術。移動IP對現(xiàn)在流行的在移動中上網有著重要的意義。這種技術允許計算機移動到外地時，仍然保留其原來的IP地址。移動IP要解決的問題：使用戶的移動性對上層的網絡應用是透明的。,9.4.3蜂窩移動通信網中對移動用戶的路由選擇,,,,,,,,,,,,,,公用電話網,BSC,被訪網絡,基站控制器,,,,歸屬網絡,移動用戶,,,?,?,?,通信者,,,歸屬MSC,,呼叫過程使用的是間接路由選擇,9.4GSM中的切換,切換(handover)就是移動用戶與相關聯(lián)的基站發(fā)生了改變。移動用戶在和一個基站相關聯(lián)期間，會周期性地測量來自其當前基站及其鄰近基站的信標信號強度，并將測量結果以每秒1~2次頻率報告給當前基站。根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)以及鄰近蜂窩的當前負載情況，當前基站決定是否發(fā)起切換。移動站的切換可能仍處在同一個MSC的控制下，而只是相關聯(lián)的基站發(fā)生了變化。但在許多情況下，移動站的切換是相關聯(lián)的MSC都改變了。在這種情況下，向移動站的呼叫路由會有很大的變化。,9.5兩種不同無線上網,前面已經介紹了兩種不同的無線上網方法。但應注意，它們上網所需的費用是很不一樣的。目前蜂窩移動網絡的運營商的上網收費都是按照用戶所消耗的數(shù)據(jù)流量來計算的。我國的寬帶入網一般都是根據(jù)用戶使用的帶寬多少，按使用的時間（按月或按年）付費的，因此，使用家庭的無線路由器上網，并不需要再增加任何額外上網的費用。,幾種無線網絡的比較,802.11n,覆蓋范圍,1Gbit/s100Mbit/s10Mbit/s1Mbit/s100kbit/s10kbit/s,,,用戶數(shù)據(jù)率,PANLANMANWAN,802.15.4ZigBee,802.15.1藍牙,802.15.3超寬帶,802.11g,a,802.11b,802.16,2G移動通信,3G移動通信,4G移動通信,Wi-Fi,WiMAX,5G移動通信,,各種無線網絡，可以看出，這些網絡各有優(yōu)缺點，也都有各自最適宜的使用環(huán)境。,