1、第6章 无线网络技术网络工程概论网络工程概论第6章 无线网络技术 1 无线网络概述 2 无线LAN:802.11 3 宽带无线网 4 蓝牙技术 5 3G技术 6 无线传感器网络 7 无线组网实例本章学习要求：熟悉：无线网络的特点及分类。重点掌握：无线LAN:802.11系列标准。掌握：宽带无线网、IEEE802.16标准。了解：蓝牙技术的特点与工作原理。了解：3G技术（第三代移动通信技术）。掌握：无线传感器网络的特点及工作原理。了解：无线组网实例。1.无线网络定义及发展。无线网络的特点。无线网络的分类。无线网络的标准。1.无线网络概述无线网络定义及发展1).无线网络定义:是利用无线电波来实现计
2、算机设备与位置无关的网络数据传送的系统，是一种灵巧的数据传输系统，从有线网络系统自然延伸出来，用无线射频(RF)技术通过电波收发数据，从而减少电缆连接。2).发展:50年前的第二次世界大战期间,美国陆军采用无线电信号做资料的传输。研发出了一套无线电传输科技，并且采用相当高强度的加密技术。在1971年，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通信网络，即ALOHNET网络，也即早期的无线局域网络。无线网络的特点 安装便捷 使用灵活 经济节约 易于扩展 网络的分类 无线局域网（Wireless Local Area Network,WLAN）无线城域网（Wireless Metropo
3、litan Area Network,WMAN）无线个人网（Wireless Personal Area Network,WPAN）无线广域网（Wireless Wide Area Network,WWAN）无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）无线网络的标准 目前常见的IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g等。除此之外，无线个人网标准还有蓝牙和Home RF等个人之间的通信以及802.16系列标准。（下表为几种无线网络标准的性能比较）2.无线LAN:802.11802.11协议栈802.11物理层802.11MAC子层协议80
4、2.11帧结构802.11协议栈从网络逻辑结构上来看，IEEE802.11只定义了物理层及MAC子层，如下图(IEEE802.11协议栈)所示:IEEE802.11协议栈802.11物理层 在802.11最初定义的物理层包括了两个扩散频谱技术（FHSS和DSSS）和一个红外接口规范（IR），如下图(物理层结构)所示。物理层分为三个部分：物理层管理层、物理层会聚协议（PLCP）和物理介质依赖子层（PMD）802.11物理层802.11MAC子层协议 IEEE802.11采用CSMA/CA工作方式且同时推荐了两种CSMA/C方式。一种是基于来自物理层的CA信号所采用的CSMA/CA，另一种是带有A
5、CK应答帧和差错恢复的CSMA/CA。CSMA/CA的工作原理如图所示。IEEE802.11中CSMA/CA的工作原理 IEEE802.11中RTS/CTS工作机制 802.11在MAC层上引入了一个新的Send/Clear to Send(RTS/CTS)选项,解决“隐藏节点”问题.下图为MAC层采用RTS/CTS的工作机制 IEEE802.11中RTS/CTS工作机制802.11帧结构IEEE802.11帧的格式IEEE802.11帧格式的控制字段的组成(图)各字段说明：协议版本 当前的标准是00，其他选项留待将来使用。到DS/来自DS 1代表两个AP之间的通信。更多分段 有其他的分段存放
6、在后续的帧中，则置1。重发 若重发帧，则该字段置1。功率管理 如果站处于睡眠状态，则该字段置1。数据 在节能模式下，如果还有帧发往终端，该字段置1。WEP 该字段置1表示数据比特将加密。3.宽带无线网802.16协议栈协议栈802.16物理层物理层802.16 MAC子层协议子层协议802.16帧结构帧结构802.11与与802.16的比较的比较802.16协议栈IEEE802.16协议栈模型802.16协议栈分为两部分：MAC层和物理层。1）MAC层由特定业务汇聚子层（CS）、MAC公共部分子层（CPS）和加密协议子层3部分组成。2）物理层由传输汇聚子层和物理媒质依赖子层组成。802.16物
7、理层 为了更好的使用带宽，IEEE802.16支持时分双工（TDD）和频分双工（FDD）模式。两种模式下都采用突发（Burst）格式发送。在每一帧中，BS和各个SS可以根据需要灵活的改变突发的类型，从而选取适当的发射参数，如调制方式、编码类型等。在FDD模式下，系统支持全双工SS，也支持半双工SS。802.16同时支持多种可选的调制技术和前向纠错技术。可选的调制技术包括：四相相移键调制、16正交调幅、64正交调幅等。支持多种调制技术使得网络供应商可以在效率和强壮性之间取得折衷。此外，支持不同的纠错技术确保在不同的环境下兼顾性能的同时保证了传输的可靠性。802.16 MAC子层协议 IEEE80
8、2.16的MAC层支持点对多点的宽带无线接入应用，主要是在上行和下行链路上进行高速传输。为了让多个用户共享一个物理信道，MAC层必须要有有效的接入和带宽分配算法以支持各种业务的QoS保证。802.16帧结构IEEE 802.16同时支持时分复用(TDD)和频分复用(FDD)两种模式.其中TDD模式如下所示:TDD模式下的802.16帧结构802.11与802.16的比较具体可从以下几方面进行分析 1.覆盖 802.16标准是为在各种传播环境（包括视距、近视距和非视距）中获得最优性能而设计的。WLAN中的OFDM是按照系统覆盖数十米或几百米设计的，而802.16被设计成高功率，OFDM可覆盖数十
9、公里。2.可扩展性 在物理层，802.16支持灵活的射频信道带宽和信道复用（频率复用），当网络扩展时，可以作为增加小区容量的一种手段。3.服务质量(QoS)802.16的MAC层是靠同意/请求来接入媒体的，它支持不同的服务水平（如专用于企业的T1/E1和用于住宅的尽力而为服务）。802.11由于在其核心采用CaMa/Ca，故其目前已实施的系统无法提供802.16系统的QoS。IEEE802.11与802.16的参数对比表 IEEE802.11与802.16参数对比4.蓝牙技术蓝牙的体系结构蓝牙的体系结构蓝牙协议栈蓝牙协议栈蓝牙基带层蓝牙基带层蓝牙蓝牙L2CAP层层蓝牙帧结构蓝牙帧结构蓝牙的体系
10、结构蓝牙体系结构分为3个部分：硬件部分、协议或软件部分以及高层应用部分。(如下图示)蓝牙体系结构蓝牙协议栈蓝牙协议栈蓝牙协议体系可分为4层：核心协议、电缆替代协议、电话传送控制协议和可选协议。除了这些协议外，还定义了主机控制器接口（HCI)。蓝牙基带层1.物理信道与物理链路2.分组组成 3.分组类型 4.负载格式蓝牙技术特点体现在其底层，基带层则是底层的关键技术之一。基带层体现了蓝牙所需要的强壮性、低复杂度、低功率和低成本等特点。主要从以下方面来分析基带层:蓝牙L2CAP层L2CAP是蓝牙系统的核心。可由如下方面来分析:1.连接标识符（CID）2.协议复用3.分段和重组4.L2CAP 的事件和
11、行为 L2CAP信令代码的意义 L2CAP信令代码的意义 蓝牙帧结构蓝牙帧结构其中,接入码有4类 5.3G技术3G的标准的标准 TD-SCDMA标准 CDMA2000标准 W-CDMA标准6.5.2 TD-SCDMA的关键技术的关键技术 时分双工 智能天线 联合检测 上行同步 信道动态分配 6.无线传感器网络1.无线传感器网络的定义 无线传感器网络是由大量传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络。2.无线传感器网络遵循的标准 2003年10月，IEEE推出了802.15.4的协议标准，同时ZigBee联盟也开始酝酿与之相配套的网络层及应用层的协议，目的是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准
12、的解决方案。该标准发展的结果是由IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的IEEE 802.15.4/ZigBee协议。3.无线传感器网络实现需解决的技术问题能量效率 路由和网络控制 时钟同步 定位机制 4.无线传感器网络的应用无线传感器网络终端在工业生产与制造中有着多种不同的应用。无线传感器网络还可以用于医疗研究。无线传感器网络用于危险工作环境。无线传感器网络用于农业。无线传感器网络用于空间探索。6.6.无线传感器网络无线传感器网络 7.无线组网实例 1.无线网络在工业领域应用的现状 在工业领域中，无线技术早就被用来解决在实际过程中遇到的问题
13、，典型的应用集中在供水网、供热网、采油井等远距离组网的工业领域内。它们通常是通过无线电台在两地之间起中继数据传输的作用。这种做法功能上比较单一，封闭且没有安全性，价格也比较昂贵。随着各行业中对无线组网需求的不断增长，迫切需要一种开放、安全、对应用透明、能够实现不同组网要求的无线解决方案。7.无线组网实例 2.无线监控平台的组网实例 例如，某单位为实现信息化，欲在全厂范围内组网，要将行政办公楼机房、化验室、档案室、脱离子水、各车间等连网。根据分析，该单位网络具有接入分散，各个车间之间相距甚远，其中个别车间部门甚至在几公里外，流量也不均匀，大部分流量集中在行政办公楼与档案室之间，其他车间部门往往只
14、有少数几个工作站需要接入网络。该单位原方案采取100M光纤以太网作为主机房和各车间部门网络连接，车间部门内部采用基于双绞线的100M交换以太网技术。在总预算40万元的经济型组网方案中，光缆以及相关接头的费用、光缆的铺设费用占了一半，其他网络设备也几乎占了1/3。除此之外，与光缆有关的挖地、埋设以及测试等至少费时一个月以上，施工过程又对环境造成一定的破坏。由于有线网络的局限性，这个方案只能覆盖极为有限的区域，给使用和扩展带来很大的不便。针对该单位的特点，提出以下无线组网方案：1)在行政办公楼包括机房和档案室铺设100Mbit/s交换主干有线网络。2)在行政办公楼上安装无线网桥与室外全向天线，实现远距离的点对多点无线组网。3)在主要的厂区以内并且子网规模较小的车间部门安装无线工作组网桥与室外定向天线。4)在主要厂区以外或者子网规模较大的车间部门安装无线网桥与室外定向天线。5)在需要无线终端接入的区域设置无线接入点，并使用外接天线扩大接收范围。6)通过对GSM、GPRS模块的二次开发，建立企业SMS监控服务器。7.无线组网实例图
