ch9 無線網(wǎng)絡(luò) - jhb

1、第 9 章 無線網(wǎng)絡(luò),9.1 無線局域網(wǎng) WLAN 9.1.1 無線局域網(wǎng)的組成 9.1.2 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的物理層 9.1.3 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的 MAC 層 9.1.4 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中的 MAC 幀9.2 無線個人區(qū)域網(wǎng) WPAN9.3 無線城域網(wǎng) WMAN,9.1 無線局域網(wǎng)9.1.1 無線局域網(wǎng)的組成,,1. 有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng),,,,,

2、,,,,,AP1,AP2,門戶,,,,,,,,,一個基本服務(wù)集 BSS 包括一個基站和若干個移動站，所有的站在本 BSS 以內(nèi)都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信時 ，都要通過本 BSS 的基站。,AP1,AP2,,,,,,,,,,,基本服務(wù)集內(nèi)的基站叫做接入點 AP (Access Point)其作用和網(wǎng)橋相似。,AP1,AP2,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理員安裝 AP 時，必須為該 AP 分配一個不超過 32 字節(jié)的服務(wù)集標(biāo)識符

3、SSID 和一個信道。,,,,,,,,,AP1,AP2,一個基本服務(wù)集可以是孤立的，也可通過接入點 AP連接到一個主干分配系統(tǒng) DS (Distribution System)，然后再接入到另一個基本服務(wù)集，構(gòu)成擴展的服務(wù)集ESS (Extended Service Set)。,,,,,,,,,,,,,AP1,AP2,ESS 還可通過叫做門戶(portal)為無線用戶提供到非 802.11 無線局域網(wǎng)（例如，到有線連接的因特網(wǎng)

4、）的接入。門戶的作用就相當(dāng)于一個網(wǎng)橋。,,,,,,,,,,AP1,AP2,,移動站 A 從某一個基本服務(wù)集漫游到另一個基本服務(wù)集（到 A? 的位置），仍可保持與另一個移動站 B 進行通信。,,,與接入點 AP 建立關(guān)聯(lián)(association),一個移動站若要加入到一個基本服務(wù)集 BSS，就必須先選擇一個接入點 AP，并與此接入點建立關(guān)聯(lián)。建立關(guān)聯(lián)就表示這個移動站加入了選定的 AP 所屬的子網(wǎng)，并和這個 AP 之間創(chuàng)建了一個虛擬

5、線路。只有關(guān)聯(lián)的 AP 才向這個移動站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而這個移動站也只有通過關(guān)聯(lián)的 AP 才能向其他站點發(fā)送數(shù)據(jù)幀。,移動站與 AP 建立關(guān)聯(lián)的方法,被動掃描，即移動站等待接收接入站周期性發(fā)出的信標(biāo)幀(beacon frame)。信標(biāo)幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)（如服務(wù)集標(biāo)識符 SSID 以及支持的速率等）。主動掃描，即移動站主動發(fā)出探測請求幀(probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測響應(yīng)幀(probe res

6、ponse frame)。,熱點(hot spot),現(xiàn)在許多地方，如辦公室、機場、快餐店、旅館、購物中心等都能夠向公眾提供有償或無償接入 Wi-Fi 的服務(wù)。這樣的地點就叫做熱點。由許多熱點和 AP 連接起來的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。熱點也就是公眾無線入網(wǎng)點。現(xiàn)在也出現(xiàn)了無線因特網(wǎng)服務(wù)提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)這一名詞。用戶可以通過無線信道接入到 WISP，

7、然后再經(jīng)過無線信道接入到因特網(wǎng)。,2. 移動自組網(wǎng)絡(luò)又稱自組網(wǎng)絡(luò)(ad hoc network),,,自組網(wǎng)絡(luò),,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,E,D,C,B,F,,,,,源結(jié)點,目的結(jié)點,轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點,轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點,轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點,自組網(wǎng)絡(luò)是沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施（即沒有 AP）的無線局域網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。,移動自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景,在軍事領(lǐng)域中，攜帶了移動站的戰(zhàn)士可利用臨時建立的移動自組網(wǎng)絡(luò)進行通

8、信。這種組網(wǎng)方式也能夠應(yīng)用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機群。 當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害時，在搶險救災(zāi)時利用移動自組網(wǎng)絡(luò)進行及時的通信往往很有效的，,無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN (Wireless Sensor Network),由大量傳感器結(jié)點通過無線通信技術(shù)構(gòu)成的自組網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)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(jié)點的

9、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(wǎng)絡(luò)還對網(wǎng)絡(luò)安全性、結(jié)點自動配置、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重組等方面有一定的要求。,傳感器結(jié)點的形狀(a)和組成(b),,存儲器,CPU,,傳感器硬件,電池,無線收發(fā)器,(a),(b),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的應(yīng)用領(lǐng)域,環(huán)境監(jiān)測與保護（如洪水預(yù)報、動物棲息的監(jiān)控）；戰(zhàn)爭中對敵情的偵查和對兵力、裝備、物資等的監(jiān)控；醫(yī)療中對病房的監(jiān)測和對患者的護理；在危險的工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）中的安全

10、監(jiān)測；城市交通管理、建筑內(nèi)的溫度/照明/安全控制等。,移動自組網(wǎng)絡(luò)和移動 IP 并不相同,移動 IP 技術(shù)使漫游的主機可以用多種方式連接到因特網(wǎng)。移動 IP 的核心網(wǎng)絡(luò)功能仍然是基于在固定互聯(lián)網(wǎng)中一直在使用的各種路由選擇協(xié)議。移動自組網(wǎng)絡(luò)是將移動性擴展到無線領(lǐng)域中的自治系統(tǒng)，它具有自己特定的路由選擇協(xié)議，并且可以不和因特網(wǎng)相連。,幾種不同的接入,固定接入(fixed access)——在作為網(wǎng)絡(luò)用戶期間，用戶設(shè)置的地理位置保持不

11、變。移動接入(mobility access)——用戶設(shè)置能夠以車輛速度移動時進行網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)發(fā)生切換時，通信仍然是連續(xù)的。便攜接入(portable access)——在受限的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積中，用戶設(shè)備能夠在以步行速度移動時進行網(wǎng)絡(luò)通信，提供有限的切換能力。游牧接入(nomadic access)——用戶設(shè)備的地理位置至少在進行網(wǎng)絡(luò)通信時保持不變。如用戶設(shè)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,9.1.2 802

12、.11 局域網(wǎng)的物理層,802.11 無線局域網(wǎng)可再細分為不同的類型。現(xiàn)在最流行的無線局域網(wǎng)是 802.11b，而另外兩種（802.11a 和 802.11g）的產(chǎn)品也廣泛存在。 802.11 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(fù)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(wǎng),,HR-DSSS :HighRateDirectSequenc

13、eSpreadSpectrum,高速直接序列擴頻 OFDM：正交頻分復(fù)用技術(shù),9.1.3 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 層協(xié)議9.1.3.1 CSMA/CA 協(xié)議,一 無線局域網(wǎng)卻不能簡單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議。這里主要有兩個原因。CSMA/CD 協(xié)議要求一個站點在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時，還必須不間斷地檢測信道，但在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實現(xiàn)這種功能就花費過大。即使我們能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測的功能，并且當(dāng)我們在發(fā)送數(shù)據(jù)時檢測

14、到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。,無線局域網(wǎng)的特殊問題,當(dāng) 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。,這種未能檢測出媒體上已存在的信號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,A,B,C,D,,,,,無線局域網(wǎng)的特殊問題,,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

15、向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)。,其實 B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響 C 向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)這就是暴露站問題(exposed station problem),,,,A,D,C,B,？,B 的作用范圍,C 的作用范圍,,,二 802.11 的 MAC 層,,MAC 層,無爭用服務(wù)（選用）,,,,爭用服務(wù)（必須實現(xiàn)）,分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA),點協(xié)調(diào)功能 P

16、CF(Point Coordination Function),,,物理層,,MAC 層通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務(wù)集 BSS 中的移動站在什么時間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。,,,,,MAC 層,無爭用服務(wù),,,,爭用服務(wù),分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA),點協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function),,,物理層,,,,,,

17、DCF 子層在每一個結(jié)點使用 CSMA 機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。因此 DCF 向上提供爭用服務(wù)。,,MAC 層,無爭用服務(wù),,,,爭用服務(wù),分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA),點協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function),,,物理層,,,,,PCF 子層使用集中控制的接入算法把發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交

18、給各個站從而避免了碰撞的產(chǎn)生,,幀間間隔 IFS,所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔 IFS (InterFrame Space)。幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)。若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊B(tài)因而低優(yōu)先級幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機會。,,時間,S

19、IFS,PIFS,DIFS,,,,,媒體空閑,,,,,,發(fā)送第 1 幀,SIFS,PIFS,,,,,時間,,NAV（媒體忙）,DIFS,,,,,,,,,,,,,,爭用窗口,發(fā)送下一 幀,,,推遲接入,等待重試時間,,有幀要發(fā)送,,源站,,時間,目的站,,,ACK,,SIFS,,,其他站,,有幀要發(fā)送,,,,SIFS，即短(Short)幀間間隔，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。一個站應(yīng)當(dāng)能夠在這段時間內(nèi)從發(fā)送方式切換到接收

20、方式。,使用 SIFS 的幀類型有：ACK 幀、CTS 幀、由過長的 MAC 幀分片后的數(shù)據(jù)幀，以及所有回答 AP 探詢的幀和在 PCF 方式中接入點 AP 發(fā)送出的任何幀。,三種幀間間隔,時間,SIFS,PIFS,DIFS,,,,,媒體空閑,,,,,,發(fā)送第 1 幀,SIFS,PIFS,,,,時間,,NAV（媒體忙）,DIFS,,,,,,,,,,,,,,爭用窗口,發(fā)送下一 幀,,,推遲接入,等待重試時間,,有幀要發(fā)送,,源站,時間,目

21、的站,,,ACK,,SIFS,,,其他站,,有幀要發(fā)送,,,,PIFS，即點協(xié)調(diào)功能幀間間隔，它比 SIFS 長，是為了在開始使用 PCF 方式時（在 PCF 方式下使用，沒有爭用）優(yōu)先獲得接入到媒體中。PIFS 的長度是 SIFS 加一個時隙(slot)長度。,時隙的長度是這樣確定的：在一個基本服務(wù)集 BSS 內(nèi)當(dāng)某個站在一個時隙開始時接入到媒體時，那么在下一個時隙開始時，其他站就都能檢測出信道已轉(zhuǎn)變?yōu)槊B(tài)。,,,,三種幀間間隔,時間

22、,SIFS,PIFS,DIFS,,,,,媒體空閑,,,,,,發(fā)送第 1 幀,SIFS,PIFS,,,,時間,,NAV（媒體忙）,DIFS,,,,,,,,,,,,,,爭用窗口,發(fā)送下一 幀,,,推遲接入,等待重試時間,,有幀要發(fā)送,,源站,時間,目的站,,,ACK,,SIFS,,,其他站,,有幀要發(fā)送,,,,DIFS，即分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔（最長的 IFS），在 DCF 方式中用來發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。DIFS 的長度比 PIFS 再增加一

23、個時隙長度。,,,,三 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。改進的辦法是把 CSMA 增加一個碰撞避免(Collision Avoidance)功能。802.11 就使用 CSMA/CA 協(xié)議。在使用 CSMA/CA 的同時，還使用停止等待協(xié)議。,CSMA/CA 協(xié)議的原理,(1) 欲發(fā)送數(shù)據(jù)的站先檢測信道。在 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在物理層的空中接口進行物理層的載波

24、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)。(2) 當(dāng)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。否則，轉(zhuǎn)（6）,這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級的幀要發(fā)送。如有，就要讓高優(yōu)先級幀先發(fā)送。,(3) 假定沒有高優(yōu)先級幀要發(fā)送，源站發(fā)送了自己的數(shù)據(jù)幀。(4) 目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時間間隔 SIFS 后，向源站發(fā)送確認幀 ACK

25、。(5) 若源站在規(guī)定時間內(nèi)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，直到收到確認為止，或者經(jīng)過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。 (6) 若檢測到信道忙， 則執(zhí)行二進制指數(shù)退避算法 ，過一段時間在檢測信道。,9.1.3.2 RTS-CTS協(xié)議,該協(xié)議實質(zhì)上是在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先對信道進行預(yù)約一段時間。它可與CSMA/CA聯(lián)合使用。分三種情況使用RTS和CTS幀。只有當(dāng)數(shù)據(jù)幀的長度超過某一數(shù)值時才使用。

26、不使用RTS和CTS幀。,802.11 允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進行預(yù)約。,A,C,B,D,E,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 RTS (Request To Send)，它包括源地址、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(yù)約。,A,C,B,D,E,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 CTS (Clear To

27、 Send)，它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(fù)制到 CTS 幀中）。,A 收到 CTS 幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。,9.2 無線個人區(qū)域網(wǎng) WPAN (Wireless Personal Area Network),在個人工作地方把屬于個人使用的電子設(shè)備用無線技術(shù)連接起來自組網(wǎng)絡(luò)，不需要使用接入點 AP。整個網(wǎng)絡(luò)的范圍大約在 10 m 左右。無線個人區(qū)域網(wǎng) WPAN 和個人區(qū)域網(wǎng) PAN (Perso

28、nal Area Network)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(wǎng)，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(shù)。WPAN 都工作在 2.4 GHz 的 ISM 頻段。 但 WLAN 卻是同時為許多用戶服務(wù)的無線局域網(wǎng)，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。,1. 藍牙系統(tǒng)(Bluetooth),最早使用的

29、WPAN 是 1994 年愛立信公司推出的藍牙系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.1 。藍牙的數(shù)據(jù)率為 720 kb/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(shù)組成不用基站的皮可網(wǎng)(piconet)。,2. 低速 WPAN,低速 WPAN 主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動化與控制等領(lǐng)域，其速率是 2 ~ 250 kb/s。低速 WPAN 的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.4。最近新修訂的標(biāo)準(zhǔn)

30、是 IEEE 802.15.4-2006。低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee。ZigBee 技術(shù)主要用于各種電子設(shè)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 ~ 80 m），傳輸數(shù)據(jù)速率低，并且成本低廉。,ZigBee 的標(biāo)準(zhǔn),在 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。所有 ZigBee 產(chǎn)品也是 802.15.4 產(chǎn)品。IEEE 802.15.4 只是定義了 ZigBee 協(xié)

31、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 的協(xié)議棧,,物理層,,MAC 層,,,網(wǎng)絡(luò)層,應(yīng)用層,,,,,IEEE 802.15.4 定義,,ZigBee 聯(lián)盟定義,,ZigBee協(xié)議棧,9.3 無線城域網(wǎng) WMAN(Wireless Metropolitan Area Network),2002 年 4 月通過了 802.16 無線城域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的

32、ETSI 也制訂類似的無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 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(wǎng)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。,WiMAXWorldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX 常用來表示無線城域網(wǎng) WMAN，這與Wi-Fi 常用來表示無線局域網(wǎng) WLAN 相似。IEEE 的

33、802.16 工作組是無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制訂者，而 WiMAX 論壇則是 802.16 技術(shù)的推動者。兩個正式標(biāo)準(zhǔn)802.16d（它的正式名字是 802.16-2004），是固定寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)（2 ~ 66 GHz頻段）。802.16 的增強版本，即 802.16e，是支持移動性的寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)（2 ~ 6 GHz頻段），它向下兼容 802.16-2004。,802.16 無線城域網(wǎng)服務(wù)范圍的示意圖,覆蓋范圍,幾

34、種無線網(wǎng)絡(luò)的比較,1 Gb/s100 Mb/s10 Mb/s1 Mb/s100 kb/s10 kb/s,,,用戶數(shù)據(jù)率,PAN LAN MAN WAN,802.15.4ZigBee,802.15.1藍牙,802.15.3超寬帶,802.11g, a,802.11b,802