ch9 無線網(wǎng)絡 - jhb

1、第 9 章 無線網(wǎng)絡,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 標準中的物理層 9.1.3 802.11 標準中的 MAC 層 9.1.4 802.11 標準中的 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. 有固定基礎設施的無線局域網(wǎng),,,,,

2、,,,,,AP1,AP2,門戶,,,,,,,,,一個基本服務集 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,當網(wǎng)絡管理員安裝 AP 時，必須為該 AP 分配一個不超過 32 字節(jié)的服務集標識符

3、SSID 和一個信道。,,,,,,,,,AP1,AP2,一個基本服務集可以是孤立的，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集，構成擴展的服務集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。門戶的作用就相當于一個網(wǎng)橋。,,,,,,,,,,AP1,AP2,,移動站 A 從某一個基本服務集漫游到另一個基本服務集（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 建立關聯(lián)(association),一個移動站若要加入到一個基本服務集 BSS，就必須先選擇一個接入點 AP，并與此接入點建立關聯(lián)。建立關聯(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)出的信標幀(beacon frame)。信標幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)（如服務集標識符 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。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?，F(xiàn)在也出現(xiàn)了無線因特網(wǎng)服務提供者 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)絡又稱自組網(wǎng)絡(ad hoc network),,,自組網(wǎng)絡,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,E,D,C,B,F,,,,,源結點,目的結點,轉發(fā)結點,轉發(fā)結點,轉發(fā)結點,自組網(wǎng)絡是沒有固定基礎設施（即沒有 AP）的無線局域網(wǎng)。這種網(wǎng)絡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。,移動自組網(wǎng)絡的應用前景,在軍事領域中，攜帶了移動站的戰(zhàn)士可利用臨時建立的移動自組網(wǎng)絡進行通

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

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)絡還對網(wǎng)絡安全性、結點自動配置、網(wǎng)絡動態(tài)重組等方面有一定的要求。,傳感器結點的形狀(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)絡主要的應用領域,環(huán)境監(jiān)測與保護（如洪水預報、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)絡和移動 IP 并不相同,移動 IP 技術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)絡是將移動性擴展到無線領域中的自治系統(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)絡用戶期間，用戶設置的地理位置保持不

11、變。移動接入(mobility access)——用戶設置能夠以車輛速度移動時進行網(wǎng)絡通信。當發(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)絡覆蓋面積中，用戶設備能夠在以步行速度移動時進行網(wǎng)絡通信，提供有限的切換能力。游牧接入(nomadic access)——用戶設備的地理位置至少在進行網(wǎng)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,9.1.2 802

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：正交頻分復用技術,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)的設備中要實現(xiàn)這種功能就花費過大。即使我們能夠實現(xiàn)碰撞檢測的功能，并且當我們在發(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 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（選用）,,,,爭用服務（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,,,,爭用服務,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。因此 DCF 向上提供爭用服務。,,MAC 層,無爭用服務,,,,爭用服務,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。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。一個站應當能夠在這段時間內(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：在一個基本服務集 BSS 內(nèi)當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 標準中規(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（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)的站對信道進行預約。,A,C,B,D,E,若媒體空閑，則目的站 B 就發(fā)送一個響應控制幀，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備用無線技術連接起來自組網(wǎng)絡，不需要使用接入點 AP。整個網(wǎng)絡的范圍大約在 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。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)，其標準是 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域，其速率是 2 ~ 250 kb/s。低速 WPAN 的標準是 IEEE 802.15.4。最近新修訂的標準

30、是 IEEE 802.15.4-2006。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 ~ 80 m），傳輸數(shù)據(jù)速率低，并且成本低廉。,ZigBee 的標準,在 IEEE 802.15.4 標準基礎上發(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)絡層和應用層）則是由 ZigBee 聯(lián)盟定義的。,ZigBee 的協(xié)議棧,,物理層,,MAC 層,,,網(wǎng)絡層,應用層,,,,,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)的標準。歐洲的

32、ETSI 也制訂類似的無線城域網(wǎng)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(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)標準的制訂者，而 WiMAX 論壇則是 802.16 技術的推動者。兩個正式標準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準（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準（2 ~ 6 GHz頻段），它向下兼容 802.16-2004。,802.16 無線城域網(wǎng)服務范圍的示意圖,覆蓋范圍,幾

34、種無線網(wǎng)絡的比較,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