1、2022-11-22通信与信息工程学院1第第6章章 互联网互联网第第7章章 无线宽带网络无线宽带网络第第8章章 无线低速网络无线低速网络第第9章章 移动通信网络移动通信网络第三篇第三篇 网络构建网络构建2022-11-22通信与信息工程学院2第第7章章 无线宽带网络无线宽带网络2022-11-22通信与信息工程学院3第第7章章 无线宽带网络无线宽带网络覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速、可靠、覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速、可靠、低成本、且不受接入设备位置限制的互联手段低成本、且不受接入设备位置限制的互联手段以以Wi-Fi和和WiMAX为例，介绍无线宽带网络的特点，以及
2、无为例，介绍无线宽带网络的特点，以及无线局域网技术和无线城域网的架构和特点线局域网技术和无线城域网的架构和特点7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述7.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网7.3 WiMAX：无线城域网：无线城域网7.4 无线物联世界无线物联世界2022-11-22通信与信息工程学院47.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述2022-11-22通信与信息工程学院57.1.1 无线网络简介无线网络简介无线网络重要协议无线网络重要协议Wi-Fi：Wireless-Fidelity，无线保真，无线保真WiMAX：Worldwide Interoperability for Mic
3、rowave Access 全球微波互联接入全球微波互联接入3G：3rd Generation，第三代（移动通信），第三代（移动通信）无线网络的组成元素有哪些？无线网络的组成元素有哪些？7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述2022-11-22通信与信息工程学院61、无线网络用户、无线网络用户具备无线通信能力，可将无线信号转化为有效信息的终端设具备无线通信能力，可将无线信号转化为有效信息的终端设备（笔记本电脑、备（笔记本电脑、PDA、3G手机等）手机等）2、无线连接、无线连接无线网络用户与基站间或无线网络用户间，用以传输数据的无线网络用户与基站间或无线网络用户间，用以传输数据的通路（无线电波
4、与信道）通路（无线电波与信道）3、基站、基站将无线用户连接至更大的网络中将无线用户连接至更大的网络中Wi-Fi对应基站称为接入点，覆盖范围几十米对应基站称为接入点，覆盖范围几十米蜂窝电话基站称为蜂窝塔，覆盖范围几千米蜂窝电话基站称为蜂窝塔，覆盖范围几千米几十千米几十千米7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述2022-11-22通信与信息工程学院7无线网络的分类（按覆盖范围）无线网络的分类（按覆盖范围）7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述2022-11-22通信与信息工程学院87.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述无线宽带无线宽带网络网络3G：无线广域网：无线广域网WiMAX：无线城域网
5、：无线城域网Wi-Fi：无线局域网：无线局域网UWB：超宽带无线个域网：超宽带无线个域网自组织网络自组织网络无需基站和上层网络支持无需基站和上层网络支持用户具备网络地址分配、用户具备网络地址分配、路由等功能路由等功能2022-11-22通信与信息工程学院97.1.2 无线宽带网络及其特点无线宽带网络及其特点宽带网络：宽带网络：带宽超过带宽超过1.544 Mbps的网络的网络（T1网络带宽）网络带宽）无线宽带网络：无线宽带网络：Wi-Fi、WiMAX、3G无线宽带网络与有线宽带网络区别在于无线宽带网络与有线宽带网络区别在于数据链路层和物理层数据链路层和物理层 无线通信由基站与上层网络进行数据交互
6、无线通信由基站与上层网络进行数据交互 基站等价于交换机，无线网卡代替了有线网卡基站等价于交换机，无线网卡代替了有线网卡7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述2022-11-22通信与信息工程学院10ITU两类重要的语音通信标准：两类重要的语音通信标准：E体系与体系与T体系体系基（一次）群：基（一次）群：把一定路数的数字语音信号把一定路数的数字语音信号（64 kbps）复复 用成一路标准数据流用成一路标准数据流T1：对对24路信号进行复用，路信号进行复用，8000帧帧/秒秒每帧包含每帧包含193个个bit：824+1位同步码位同步码=193 bitT1的总数据率（的总数据率（24路基群）路基群
7、）8000帧帧/s（24路路/帧帧8 bit+1）=1544 kbps应用于北美与日本的语音电话传输网络中应用于北美与日本的语音电话传输网络中7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述2022-11-22通信与信息工程学院11信号强度衰减信号强度衰减无线信号能量随着传输距离增长而减弱无线信号能量随着传输距离增长而减弱非视线传输非视线传输若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则无线信号可能若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则无线信号可能会被阻挡物吸收或迅速衰减会被阻挡物吸收或迅速衰减信号干扰信号干扰相同无线频段的信号以及外部环境的电磁噪声会相互干扰相同无线频段的信号以及外部环境的电磁噪声会相互
8、干扰多径传播多径传播无线信号由于阻挡物反射与折射，到达接收端时间有所不同无线信号由于阻挡物反射与折射，到达接收端时间有所不同7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述2022-11-22通信与信息工程学院12隐藏终端（隐藏终端（Hidden Terminal）问题）问题A，B之间可通讯之间可通讯C，B之间可通讯之间可通讯A，C之间不可通讯之间不可通讯A，C可能同时向可能同时向B传输且意识不到彼此之间的干扰传输且意识不到彼此之间的干扰7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述ABC2022-11-22通信与信息工程学院13第第 一一 次次 作作 业业 点点 评评 共收到作业共收到作业100+1份份（
9、90%）一半作业（一半作业（51份）按要求的格式完成了作业份）按要求的格式完成了作业（满分）（满分）学生信息、字体、行距、篇幅学生信息、字体、行距、篇幅 不符合格式规范的酌情扣分不符合格式规范的酌情扣分（篇幅过长）（篇幅过长）3位同学完成较为出色：针对所介绍的技术，提出了教材中位同学完成较为出色：针对所介绍的技术，提出了教材中没有的、对该技术持有异议观点及看法没有的、对该技术持有异议观点及看法（加分）（加分）摘要、关键字、参考文献摘要、关键字、参考文献2022-11-22通信与信息工程学院14无线网络的分类（按覆盖范围）无线网络的分类（按覆盖范围）7.1 无线宽带网络概述无线宽带网络概述202
10、2-11-22通信与信息工程学院157.2 Wi-Fi：无线局域网无线局域网2022-11-22通信与信息工程学院167.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网Wi-Fi联盟（联盟（Wi-Fi Alliance）所持有的无线网络通信技术品牌）所持有的无线网络通信技术品牌目的：目的：改善改善IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性标准的无线网络产品之间的互通性IEEE 802.11a/b/g/n的出现，使的出现，使IEEE 802.11被统称为被统称为Wi-FiIEEE 802.11标准标准IEEE制定的无线局域网标准制定的无线局域网标准用于解决局域网和校园网中，用户终端的无线接入用
11、于解决局域网和校园网中，用户终端的无线接入802.11标准在速率和传输距离上无法满足需求，因而推出了一标准在速率和传输距离上无法满足需求，因而推出了一系列系列802.11标准标准2022-11-22通信与信息工程学院177.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网7.2.1 802.11物理层（物理层（P135）不同不同802.11协议的差异主要体现在使用频段，调制模式和信道协议的差异主要体现在使用频段，调制模式和信道等物理层技术上等物理层技术上2022-11-22通信与信息工程学院187.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网扩展频谱通信技术扩展频谱通信技术又称为扩频通信技术，具有三个重要属性
12、：又称为扩频通信技术，具有三个重要属性：（1）信号所占频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽）信号所占频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽（2）频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及）频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及 调制的方法来实现的，与所传信息数据无关调制的方法来实现的，与所传信息数据无关（3）在接收端用同样的编码进行相关同步接收、解扩及恢复）在接收端用同样的编码进行相关同步接收、解扩及恢复 所传信息数据所传信息数据 传输速率灵活可变、可加入不同码序列（纠错、同步、密钥）传输速率灵活可变、可加入不同码序列（纠错、同步、密钥）广泛应用于广泛应用于3G移动通信中（移动通
13、信中（CDMA）2022-11-22通信与信息工程学院19正交频分复用（正交频分复用（OFDM）技术）技术多路复用：多路复用：将多路彼此不相关的消息信号合并为一个复将多路彼此不相关的消息信号合并为一个复合合的群信号，共同在一条信道上进行通信的群信号，共同在一条信道上进行通信分为：频分多路复用（分为：频分多路复用（FDM）（）（1920年前后）年前后）时分多路复用（时分多路复用（TDM）（）（1980年前后）年前后）码分多路复用（码分多路复用（CDM）（）（1995年前后）年前后）7.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网2022-11-22通信与信息工程学院20 主要问题是设备复杂和存在主要问
14、题是设备复杂和存在串扰串扰 7.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网2022-11-22通信与信息工程学院217.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网OFDM的演进过程的演进过程2022-11-22通信与信息工程学院227.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网2、基本原理、基本原理（1）将数据流串并转换为）将数据流串并转换为N路速率较低的子数据流路速率较低的子数据流（2）N路子数据流分别调制路子数据流分别调制N路子载波路子载波（3）N路子载波是相互正交的路子载波是相互正交的子数据流传输速率是原来的子数据流传输速率是原来的1/N具有较强的抗多径衰落与抗脉冲干扰能力具有较强的抗多径衰落与抗脉
15、冲干扰能力2022-11-22通信与信息工程学院237.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网7.2.2 802.11架构架构基本服务组基本服务组（BSS）：）：802.11架构中最重要的组成部分架构中最重要的组成部分基站模式基站模式无线终端用户通过与接入点相关联获取上层网络数据无线终端用户通过与接入点相关联获取上层网络数据接入点（基站）通过有线网络设备（路由器）连入上层公共网接入点（基站）通过有线网络设备（路由器）连入上层公共网络。络。无线路由器无线路由器是接入点和路由器功能的结合体是接入点和路由器功能的结合体自组织模式自组织模式每个无线网络用户既是数据交互终端也是数据传输的路由每个无线网络
16、用户既是数据交互终端也是数据传输的路由2022-11-22通信与信息工程学院247.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网2022-11-22通信与信息工程学院257.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网信道信道802.11b/g将将85 MHz频带分为频带分为11个不同频段的信道个不同频段的信道接入点管理者为每个接入点指派信道接入点管理者为每个接入点指派信道不相互干扰的信道中间须隔至少不相互干扰的信道中间须隔至少4个其它信道个其它信道用户与接入点关联（基站模式）用户与接入点关联（基站模式）接入点广播识别帧（包含接入点接入点广播识别帧（包含接入点MAC地址等信息）地址等信息）用户根据识别帧选
17、择与其中一个接入点建立关联用户根据识别帧选择与其中一个接入点建立关联识别帧扫描方式识别帧扫描方式被动扫描：接入点周期性广播识别帧被动扫描：接入点周期性广播识别帧主动扫描：无线用户主动广播探测帧，收到探测帧的接入点以回应主动扫描：无线用户主动广播探测帧，收到探测帧的接入点以回应帧响应，最后用户根据回应帧选择接入点帧响应，最后用户根据回应帧选择接入点2022-11-22通信与信息工程学院267.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网7.2.3 802.11介质访问控制（介质访问控制（MAC）协议）协议目的：目的：避免多个用户同时访问信道避免多个用户同时访问信道载波监听多路访问载波监听多路访问（CS
18、MA：Carrier Sense Multiple Access）：）：用户在发送数据之前先监听信道，信道占用则不发送数据用户在发送数据之前先监听信道，信道占用则不发送数据冲突避免冲突避免（CA：Collision Avoidence）：要求建立数据链路层）：要求建立数据链路层确认确认/重传机制以避免冲突重传机制以避免冲突冲突检测冲突检测（CD：Collision Detected）：对已发生冲突进行检测）：对已发生冲突进行检测802.11标准标准采用避免冲突载波监听多路访问协议（采用避免冲突载波监听多路访问协议（CSMA/CA）以太网以太网采用冲突检测多载波监听多路访问协议（采用冲突检测多载
19、波监听多路访问协议（CSMA/CD）2022-11-22通信与信息工程学院277.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网802.11标准采用标准采用CSMA/CA的原因的原因冲突检测需要冲突检测需要全双工全双工工作模式工作模式单工系统：只能沿一个固定方向传输信息。如电视广播单工系统：只能沿一个固定方向传输信息。如电视广播全双工系统：可同时沿两个方向传输信息。如电话通信全双工系统：可同时沿两个方向传输信息。如电话通信半双工系统：任何时候只能沿一个方向传输信息，但可以切换传输方半双工系统：任何时候只能沿一个方向传输信息，但可以切换传输方向。如对讲机通信向。如对讲机通信硬件代价过高，无线网卡很难同时
20、接收和发送无线信号硬件代价过高，无线网卡很难同时接收和发送无线信号无线信号的衰减特性和隐藏终端问题使冲突很难被侦测无线信号的衰减特性和隐藏终端问题使冲突很难被侦测2022-11-22通信与信息工程学院287.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网802.11协议协议CSMA/CA信道访问机制信道访问机制传输端侦测传输端侦测空闲信道空闲信道若等待分布帧间隔（若等待分布帧间隔（DIFS）后信道仍空闲，则开始传输数据）后信道仍空闲，则开始传输数据繁忙信道繁忙信道随机退避，若侦测到信道空闲，则减少退避数值随机退避，若侦测到信道空闲，则减少退避数值当退避时间结束后开始发送，若没有收到当退避时间结束后开始
21、发送，若没有收到ACK，增大退避间隔，增大退避间隔接收端接收端接收到数据，等待短帧间隔（接收到数据，等待短帧间隔（SIFS）后发送）后发送ACK2022-11-22通信与信息工程学院297.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网RTS和和CTS机制：预留信道机制：预留信道为避免冲突和隐藏终端，发送端可请求预留信道而不是随机访为避免冲突和隐藏终端，发送端可请求预留信道而不是随机访问，由问，由RTS（Request to Send）和）和CTS（Clear to Send）实现）实现发送端：使用发送端：使用CSMA/CA向接入点发送向接入点发送RTS接入点：广播接入点：广播CTS接收到接收到CTS
22、的用户：的用户：RTS发送者发送数据，其它用户延后发送发送者发送数据，其它用户延后发送2022-11-22通信与信息工程学院307.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网预留信道的特点预留信道的特点只为当前用户保留信道，有效消除隐藏终端问题只为当前用户保留信道，有效消除隐藏终端问题虽然虽然RTS/CTS可能会冲突，但由于二者帧结构很短，发生冲突可能会冲突，但由于二者帧结构很短，发生冲突概率较低且代价也很小概率较低且代价也很小增加传输延时和降低信道利用率增加传输延时和降低信道利用率RTS/CTS适用冲突发生概率较高的场境中，如无线网络用户每适用冲突发生概率较高的场境中，如无线网络用户每次都需传输
23、较长数据帧时次都需传输较长数据帧时2022-11-22通信与信息工程学院31通信系统基本性能指标通信系统基本性能指标有效性：有效性：给定时间内能传输信息内容的多少给定时间内能传输信息内容的多少可靠性：可靠性：接收信息的准确程度接收信息的准确程度数字通信系统数字通信系统有效性：传输速率（有效性：传输速率（bps或或b/s）（高）（高）频带利用率：每赫兹的传输速率（频带利用率：每赫兹的传输速率（bps/Hz或或b/s/Hz）（高）（高）可靠性：误比特率（可靠性：误比特率（BER，Bit Error Rate）（小）（小）7.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网2022-11-22通信与信息工程学
24、院327.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网7.2.4 802.11数据帧结构（共数据帧结构（共2346 Bytes）2022-11-22通信与信息工程学院337.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网数据载荷数据载荷需要传输的数据信息，是数据帧的核心部分。由需要传输的数据信息，是数据帧的核心部分。由IP报文或地址报文或地址解析协议（解析协议（ARP）包填充，最大长度）包填充，最大长度2312字节字节循环冗余检验码循环冗余检验码长度长度4字节，检查数据帧比特位是否出错字节，检查数据帧比特位是否出错序列号序列号确认数据帧，区分新收数据帧和重发数据帧确认数据帧，区分新收数据帧和重发数据帧控制域
25、控制域包含多个子域：区分帧类别、区分用户包含多个子域：区分帧类别、区分用户/接入点、定义地址等接入点、定义地址等2022-11-22通信与信息工程学院347.2 Wi-Fi：无线局域网：无线局域网地址地址4个地址域：个地址域：每个地址为每个地址为6字节的字节的MAC地址，地址地址，地址13分别用于分别用于识别无线用户、接入点与路由器，地址识别无线用户、接入点与路由器，地址4用于自组网络中识别用于自组网络中识别无线用户和接入点无线用户和接入点1）目的用户）目的用户MAC地址地址2）源用户）源用户MAC地址地址3）与接入点相连路由器）与接入点相连路由器MAC地址地址7.2.5 802.11小结（小
26、结（P143）2022-11-22通信与信息工程学院357.3 WiMAX：无线城域网无线城域网2022-11-22通信与信息工程学院367.3 WiMAX：无线城域网：无线城域网7.3.1 WiMAX概述及架构概述及架构 为广阔区域内无线网络用户提供高速无线数据传输业务为广阔区域内无线网络用户提供高速无线数据传输业务 视线覆盖范围达视线覆盖范围达112.6千米，非视线覆盖范围达千米，非视线覆盖范围达40千米千米 带宽带宽70 Mbps，可取代传统，可取代传统T1型和型和DSL有线连接有线连接 可提供更人性化多样化的服务可提供更人性化多样化的服务 与之对应的是一系列与之对应的是一系列IEEE
27、802.16协议组协议组2022-11-22通信与信息工程学院377.3 WiMAX：无线城域网：无线城域网802.16协议组协议组2022-11-22通信与信息工程学院387.3 WiMAX：无线城域网：无线城域网WiMAX架构：架构：与与802.11基站模式类似基站模式类似1）基站与用户之间基站与用户之间的连接：基站以点对多点连接为用户提供的连接：基站以点对多点连接为用户提供服务。这段被称为服务。这段被称为“最后一英里最后一英里”（Last Mile）多为非视线通信多为非视线通信采用全双工传输，基站根据用户需求分配上下行信道带宽采用全双工传输，基站根据用户需求分配上下行信道带宽2）基站与上
28、层网络之间基站与上层网络之间的连接：基站通过光纤、电缆、微波的连接：基站通过光纤、电缆、微波等方式与上层网络点对点相连。称为等方式与上层网络点对点相连。称为“回程回程”（Backhaul）高速、稳定的连接高速、稳定的连接2022-11-22通信与信息工程学院397.3 WiMAX：无线城域网：无线城域网3）工作频段）工作频段10 GHz66 GHz毫米波段，分配频带较宽，数据载荷能力大毫米波段，分配频带较宽，数据载荷能力大波长较短，适合视线传输，可作为回程连接载波波长较短，适合视线传输，可作为回程连接载波2 GHz11 GHz厘米波段，波长较长，受障碍物干扰较小厘米波段，波长较长，受障碍物干扰
29、较小适合非视线传输，用于最后一英里传输适合非视线传输，用于最后一英里传输2022-11-22通信与信息工程学院407.3 WiMAX：无线城域网：无线城域网7.3.2 WiMAX介质访问控制原理介质访问控制原理包含全双工信道传输、点到多点传输的可扩展性及对支持包含全双工信道传输、点到多点传输的可扩展性及对支持QoS等特征等特征全双工信道利用全双工信道利用WiMAX的宽频特性提供更高效的宽带服务的宽频特性提供更高效的宽带服务可扩展性指单个可扩展性指单个WiMAX基站可为多个用户同时提供服务基站可为多个用户同时提供服务服务质量（服务质量（QoS：Quality of Service）是针对不同用户
30、的不同）是针对不同用户的不同需求提供更优质的数据流服务需求提供更优质的数据流服务时分多址（时分多址（TDMA：Time Division Multiplexed Address）转）转换帧提供了对上述特征的支持换帧提供了对上述特征的支持2022-11-22通信与信息工程学院417.3 WiMAX：无线城域网：无线城域网传输帧传输帧 访问协议规定了基站和用户交互的物理层参数（调制方式、访问协议规定了基站和用户交互的物理层参数（调制方式、编码方式、纠错参数）编码方式、纠错参数）与与QoS 基站向用户的下行连接子帧基站向用户的下行连接子帧 用户向基站的上行连接子帧用户向基站的上行连接子帧7.3.3
31、WiMAX小结（小结（P147）2022-11-22通信与信息工程学院427.4 无线物联世界无线物联世界2022-11-22通信与信息工程学院437.4 无线物联世界无线物联世界lWi-Fi、WiMAX与与3G技术的广泛应用技术的广泛应用l建立建立“无线城市无线城市”，解决，解决“最后一英里最后一英里”传输传输lWiMAX运营缺陷运营缺陷起步较晚且功能与起步较晚且功能与Wi-Fi、3G网络有所重叠网络有所重叠使用频段被其它业务所占据（使用频段被其它业务所占据（Wi-Fi使用免费公共频段）使用免费公共频段）2022-11-22通信与信息工程学院447.4 无线物联世界无线物联世界l无线宽带技术为家庭、校园无线宽带技术为家庭、校园/企业、企业、城市甚至全球用户提供泛在互联互通城市甚至全球用户提供泛在互联互通l物联网所需的更广泛的互联互通不物联网所需的更广泛的互联互通不可缺少无线宽带的支持可缺少无线宽带的支持l无线个域网无线个域网也是物联网不可或缺的也是物联网不可或缺的部分部分
