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第9章無線網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò),,第9章無線網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò),9.1無線局域網(wǎng)WLAN9.2無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)WPAN9.3無線城域網(wǎng)WMAN9.4蜂窩移動通信網(wǎng)9.5兩種不同無線上網(wǎng),9.1無線局域網(wǎng)WLAN,9.1.1無線局域網(wǎng)的組成9.1.2802.11局域網(wǎng)的物理層9.1.3802.11局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議9.1.4802.11局域網(wǎng)的MAC幀,9.1.1無線局域網(wǎng)的組成,無線局域網(wǎng)WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)可分為兩大類：有固定基礎(chǔ)設(shè)施的WLAN無固定基礎(chǔ)設(shè)施的WLAN所謂“固定基礎(chǔ)設(shè)施”是指預(yù)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(gè)有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)。但簡單地說，802.11就是無線以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)：它使用星形拓?fù)洌渲行慕凶鼋尤朦c(diǎn)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(wǎng)又稱為Wi-Fi(Wireless-Fidelity，意思是“無線保真度”。,2.移動自組網(wǎng)絡(luò),移動自組網(wǎng)絡(luò)又稱為自組網(wǎng)絡(luò)(adhocnetwork)。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)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(shí)網(wǎng)絡(luò)。自組網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)范圍通常是受限的，而且一般也不和外界的其他網(wǎng)絡(luò)相連接。移動自組網(wǎng)絡(luò)也就是移動分組無線網(wǎng)絡(luò)。,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(WirelessSensorNetwork)是由大量傳感器結(jié)點(diǎn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)的存儲容量受限，因此對協(xié)議棧的大小有嚴(yán)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(diǎn)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(diǎn)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(wǎng)絡(luò)用戶期間，用戶設(shè)置的地理位置保持不變。移動接入(mobilityaccess)——用戶設(shè)置能夠以車輛速度移動時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)發(fā)生切換時(shí)，通信仍然是連續(xù)的。便攜接入(portableaccess)——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(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，提供有限的切換能力。游牧接入(nomadicaccess)——用戶設(shè)備的地理位置至少在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)保持不變。如用戶設(shè)備移動了位置，則再次進(jìn)行通信時(shí)可能還要尋找最佳的基站。,9.1.2802.11局域網(wǎng)的物理層,802.11標(biāo)準(zhǔn)中物理層相當(dāng)復(fù)雜。根據(jù)物理層的不同（如工作頻段、數(shù)據(jù)率、調(diào)制方法等），對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也不同。最早流行的無線局域網(wǎng)是802.11b，802.11a和802.11g。2009年頒布了標(biāo)準(zhǔn)802.11n802.11的物理層有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法：直接序列擴(kuò)頻DSSS正交頻分復(fù)用OFDM跳頻擴(kuò)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),9.1.3802.11局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議,1.CSMA/CA協(xié)議,無線局域網(wǎng)不能使用CSMA/CD，而只能使用改進(jìn)的CSMA協(xié)議。改進(jìn)的辦法是把CSMA增加一個(gè)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(shí)，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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在物理層的空中接口進(jìn)行物理層的載波監(jiān)聽。通過收到的相對信號強(qiáng)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(dāng)源站發(fā)送它的第一個(gè)MAC幀時(shí)，若檢測到信道空閑，則在等待一段時(shí)間DIFS后就可發(fā)送。,CSMA/CA算法歸納,(1)若站點(diǎn)最初有數(shù)據(jù)要發(fā)送（而不是發(fā)送不成功再進(jìn)行重傳），且檢測到信道空閑，在等待時(shí)間DIFS后，就發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)幀。(2)否則，站點(diǎn)執(zhí)行CSMA/CA協(xié)議的退避算法。一旦檢測到信道忙，就凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器。只要信道空閑，退避計(jì)時(shí)器就進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。(3)當(dāng)退避計(jì)時(shí)器時(shí)間減少到零時(shí)（這時(shí)信道只可能是空閑的），站點(diǎn)就發(fā)送整個(gè)的幀并等待確認(rèn)。(4)發(fā)送站若收到確認(rèn)，就知道已發(fā)送的幀被目的站正確收到了。這時(shí)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(jī)選定一段退避時(shí)間。若源站在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀ACK（由重傳計(jì)時(shí)器控制這段時(shí)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(rèn)為止，或者經(jīng)過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。,9.1.4802.11局域網(wǎng)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(gè)人區(qū)域網(wǎng)WPAN,無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)就是在個(gè)人工作地方把屬于個(gè)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(diǎn)AP。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的范圍大約在10m左右。WPAN可以是一個(gè)人使用，也可以是若干人共同使用。無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)WPAN和個(gè)人區(qū)域網(wǎng)PAN(PersonalAreaNetwork)并不完全等同，因?yàn)镻AN不一定都是使用無線連接的。,WPAN和WLAN并不一樣,WPAN是以個(gè)人為中心來使用的無線人個(gè)區(qū)域網(wǎng)，它實(shí)際上就是一個(gè)低功率、小范圍、低速率和低價(jià)格的電纜替代技術(shù)。WLAN卻是同時(shí)為許多用戶服務(wù)的無線局域網(wǎng)，它是一個(gè)大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。,WPAN標(biāo)準(zhǔn),WPAN的IEEE標(biāo)準(zhǔn)由IEEE的802.15工作組制定，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也是包括MAC層和物理層這兩層的標(biāo)準(zhǔn)。WPAN都工作在2.4GHz的ISM頻段。順便指出，歐洲的ETSI標(biāo)準(zhǔn)則把無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)取名為HiperPAN。,1.藍(lán)牙系統(tǒng)(Bluetooth),最早使用的WPAN是1994年愛立信公司推出的藍(lán)牙系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.1。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)率為720kbit/s，通信范圍在10米左右。藍(lán)牙使用TDM方式和擴(kuò)頻跳頻FHSS技術(shù)組成不用基站的皮可網(wǎng)(piconet)。,皮可網(wǎng)(piconet),Piconet直譯就是“微微網(wǎng)”，表示這種無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積非常小。每一個(gè)皮可網(wǎng)有一個(gè)主設(shè)備(Master)和最多7個(gè)工作的從設(shè)備(Slave)。通過共享主設(shè)備或從設(shè)備，可以把多個(gè)皮可網(wǎng)鏈接起來，形成一個(gè)范圍更大的擴(kuò)散網(wǎng)(scatternet)。這種主從工作方式的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)起來價(jià)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(wǎng)、辦公自動化與控制等領(lǐng)域，其速率是2~250kbit/s。低速WPAN的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4。最近新修訂的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4-2006。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(diǎn)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(diǎn),功耗非常低在工作時(shí)，信號的收發(fā)時(shí)間很短；而在非工作時(shí)，ZigBee結(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，非常省電。對于某些工作時(shí)間和總時(shí)間之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。網(wǎng)絡(luò)容量大一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主設(shè)備，其余則是從設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個(gè)結(jié)點(diǎn)。,ZigBee的標(biāo)準(zhǔn),在IEEE802.15.4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。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(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的超高速WPAN，它使用超寬帶UWB技術(shù)。UWB技術(shù)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(yīng)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(shù)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(nèi)高速傳送圖像或DVD質(zhì)量的多媒體視頻文件。,9.3無線城域網(wǎng)WMAN,2002年4月通過了IEEE802.16無線城域網(wǎng)(WirelessMetropolitanAreaNetwork)的標(biāo)準(zhǔn)（又稱為IEEE無線城域網(wǎng)空中接口標(biāo)準(zhǔn)）。歐洲的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(shí)又稱為無線本地環(huán)路。,WiMAX,WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)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。WMAN有兩個(gè)正式標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)（2~66GHz頻段）。802.16e(802.16的增強(qiáng)版本)：支持移動性的寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)（2~6GHz頻段），向下兼容802.16-2004。,9.4蜂窩移動通信網(wǎng),9.4.1蜂窩無線通信技術(shù)簡介9.4.2移動IP9.4.3蜂窩移動通信網(wǎng)中對移動用戶的路由選擇9.4.4GSM中的切換9.4.5無線網(wǎng)絡(luò)對高層協(xié)議的影響,9.4.1蜂窩無線通信技術(shù)簡介,蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)。第一代（1G）蜂窩無線通信是為話音通信設(shè)計(jì)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(wù)），其代表性體制就是最流行的GSM系統(tǒng)。2.5G技術(shù)是從2G向第三代（3G）過渡的銜接性技術(shù)，如GPRS和EDGE等。,9.4.1蜂窩無線通信技術(shù)簡介,第三代（3G）移動通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系非常密切，它使用IP的體系結(jié)構(gòu)和混合的交換機(jī)制（電路交換和分組交換），能夠提供移動寬帶多媒體業(yè)務(wù)（話音、數(shù)據(jù)、視頻等，可收發(fā)電子郵件，瀏覽網(wǎng)頁，進(jìn)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(wù)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(shù)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(gè)重要技術(shù)指標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率。目標(biāo)峰值數(shù)據(jù)率是：固定的和低速移動通信時(shí)應(yīng)達(dá)到1Gbit/s，在高速移動通信時(shí)（如在火車。汽車上）應(yīng)達(dá)到100Mbit/s。,9.4.1蜂窩無線通信技術(shù)簡介,4G現(xiàn)有兩個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)：LTE(Long-TermEvolution)：又分為時(shí)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(diào)制64QAM和MIMO技術(shù)。LTE-A(LTE-Advanced)：LTE的升級版，俗稱為3.9G。帶寬高達(dá)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(shù)。移動IP對現(xiàn)在流行的在移動中上網(wǎng)有著重要的意義。這種技術(shù)允許計(jì)算機(jī)移動到外地時(shí)，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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是透明的。,9.4.3蜂窩移動通信網(wǎng)中對移動用戶的路由選擇,,,,,,,,,,,,,,公用電話網(wǎng),BSC,被訪網(wǎng)絡(luò),基站控制器,,,,歸屬網(wǎng)絡(luò),移動用戶,,,?,?,?,通信者,,,歸屬M(fèi)SC,,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(guān)聯(lián)的基站發(fā)生了改變。移動用戶在和一個(gè)基站相關(guān)聯(lián)期間，會周期性地測量來自其當(dāng)前基站及其鄰近基站的信標(biāo)信號強(qiáng)度，并將測量結(jié)果以每秒1~2次頻率報(bào)告給當(dāng)前基站。根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)以及鄰近蜂窩的當(dāng)前負(fù)載情況，當(dāng)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(gè)MSC的控制下，而只是相關(guān)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(guān)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(wǎng),前面已經(jīng)介紹了兩種不同的無線上網(wǎng)方法。但應(yīng)注意，它們上網(wǎng)所需的費(fèi)用是很不一樣的。目前蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營商的上網(wǎng)收費(fèi)都是按照用戶所消耗的數(shù)據(jù)流量來計(jì)算的。我國的寬帶入網(wǎng)一般都是根據(jù)用戶使用的帶寬多少，按使用的時(shí)間（按月或按年）付費(fèi)的，因此，使用家庭的無線路由器上網(wǎng)，并不需要再增加任何額外上網(wǎng)的費(fèi)用。,幾種無線網(wǎng)絡(luò)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(lán)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(wǎng)絡(luò)，可以看出，這些網(wǎng)絡(luò)各有優(yōu)缺點(diǎn)，也都有各自最適宜的使用環(huán)境。,