本章學習要求：掌握無線局域網基本概念和技術原理掌握藍牙的組網方式、物理層和MAC子層的主要特性了解ZigBee與UWB了解無線城域網WMAN實踐:筆記本無線上網設置實例第9章無線網絡9.1

無線局域網WLAN移動接入無線局域網建網一無線局域網的基本概念

IEEE802.11標準無線局域網有兩種配置實現方案：有基站，或者沒有基站Wi-Fi（Wireless-Fidelity）

1．IEEE802.11基站結構模型

2．自組網絡

2．自組網絡（續）自組網絡有很好的應用前景

戰場指揮、災害場景、移動會議、傳感器網絡

WSN（WirelessSensorNetwork）

由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡

應用：進行各種監測，包括數據的采集、處理和傳輸帶寬、功耗、存儲容量、協議棧

結點基本上是固定不變3．IEEE802.11協議棧

二IEEE802.11物理層

協議802.11802.11a802.11b802.11g發布時間July1997Sept1999Sept1999July2003有效頻寬83.5MHz325MHz83.5MHz83.5MHz調制方式FHSS/DSSSOFDMHR-DSSSOFDM傳輸速率2Mb/s6～54Mb/s5.5Mb/s、11Mb/s54Mb/s三IEEE802.11的MAC子層協議

4種標準均采用的是CSMA/CA（CA，CollisionAvoidance，沖突避免）協議CSMACA在使用CSMA/CA的同時還使用停止等待協議

在無線局域網的環境下的MAC協議必須解決兩個問題（1）不能避免隱藏站問題（2）存在暴露站的問題三IEEE802.11的MAC子層協議（續）

1．IEEE802.11協議結構2．CSMA/CA協議的基本原理

DCF讓各個站爭用信道使用的是CSMA/CA協議在該協議中使用了物理信道的監聽手段與虛擬信道的監聽手段

虛擬信道的監聽數據幀的頭部“持續時間”字段

網絡分配向量NAV（NetworkAllocationVector）信道處于忙狀態的持續時間退避機制

當一個站要發送數據幀時，在以下幾種情況下必須進行退避

①在發送第一個幀之前檢測到信道處于忙態②每一次的重傳③每一次的成功發送后再要發送下一幀只有檢測到信道是空閑的，并且這個數據幀是它想發送的第一個數據幀時才不退避幀間間隔

CSMA/CA通過定義幀間間隔來實現一個BSS內的PCF數據與DCF數據的共存四IEEE802.11幀結構

IEEE802.11標準定義了三種用于通信的幀：數據幀、控制幀和管理幀

五IEEE802.11服務

5種分發服務和4種站服務5種分發服務是由基站提供的，它們處理站的移動性（1）關聯（association）（2）分離（disassociation）（3）重新關聯（reassociation）（4）分發（distribution）（5）融合（integration）

五IEEE802.11服務（續）

4種站服務是在BSS內部進行的。當關聯過程完成之后，這些服務才可能會用到。

（1）認證（authentication）（2）解除認證（deauthentication）（3）私密性（privacy）（4）數據投遞（datadelivery）9.2

無線個域網WPAN無線個域網WPAN個人自組網絡802.15:MAC層和物理層2.4GHz的ISM頻段WPAN被廣泛關注的技術及其標準有三個：IEEE802.15.1（BlueTooth）IEEE802.15.3a（Ultra-WideBand，UWB）IEEE802.15.4（LR-WPAN）（ZigBee）一藍牙技術與IEEE802.15.1標準

1999年7月藍牙SIG推出了藍牙協議1.0版IEEE802.15.1標準是由IEEE與藍牙SIG合作共同完成的

802.15.1標準已于2002年4月15日由IEEE-SA的標準部門批準成為一個正式標準，它可以同藍牙v1.1完全兼容標準的目標在于在個人操作空間（POS）內進行無線通信

1．藍牙組網方式

一是微微網（Piconet）由一個主控設備（Master，即主結點）和10米距離之內的1到7個從屬設備（Slave，即從結點）組成。同時，一個微微網最多可以有255個靜觀的設備（靜觀狀態的從結點）二是分散網

1．藍牙組網方式

2．物理層主要特性

低功率、頻段、覆蓋半徑為10米

GFSK調制、總數據率跳頻擴頻技術支持64Kbps的實時語音

2004年藍牙工作組推出2.0版本，帶寬提高三倍，且功耗降低一半3．MAC層主要特性（1）微微網的跳頻分時機制TDM系統，時隙的間隔為625微秒

主/從模式

幀的長度可以為1，3或者5個時隙

對于一個單時隙的幀，240位數據

（2）邏輯信道

一是面向連接的同步信道（SychronousConnection-Oriented，SCOlink），主要用于提供雙向64kb/s的PCM語音通路

一個從屬設備與它的主控設備之間可以有多達3條SCO鏈路

前向糾錯機制

3．MAC層主要特性二是無連接異步信道（AsychronousConnection-Less，ACLlink），用于分組交換數據

采用確認重傳機制

（3）協議與接口

鏈路管理協議（LinkManagerProtocol）邏輯鏈路控制及適配協議（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol，L2CAP）負責對高層協議的復用，數據包分割和重新組裝，處理與服務質量有關的需求（例如在建立鏈路時，需要協商最大可允許的凈荷長度）。規定了一個標準化的控制接口（HostControlInterface，HCI）二UWB技術超寬帶（UWB）技術起源于20世紀50年代末，此前主要作為軍事技術在雷達探測和定位等應用領域中使用美國FCC（聯邦通信委員會）于2002年2月準許該技術進入民用領域，用戶不必進行申請即可使用作為室內通信用途，FCC已將3.1GHz～10.6GHz頻帶向UWB通信開放UWB不需要載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖來傳輸數據，需占用很寬的頻譜范圍，有效傳輸距離在10米以內，傳輸速率可達幾百Mbps甚至更高

二UWB技術超寬帶是基帶傳輸

超寬帶脈沖信號的時域極窄（納秒級），頻域極寬（數Hz到數GHz，可超過10GHz），其中的低頻部分可以實現穿墻通信

以Intel和TexasInstrument為代表的MBOA標準，主張采用多頻帶方式來實現UWB技術；以及以Motorola為代表的DS-UWB標準，主張采用單頻帶方式來實現UWB技術

UWB技術幾個突出的特點

功耗低帶寬高抗干擾能力強安全性好

缺陷三IEEE802.15.4與ZigBee

IEEE802.15.4定義了ZigBee協議棧的最低的兩層（物理層和MAC層），而上面的兩層（網絡層和應用層）則是由ZigBee聯盟定義的

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到100m之間），傳輸數據速率低，功耗低，并且成本低廉1．IEEE802.15.4及ZigBee協議棧2．ZigBee的組網方式

EEE802.15.4的網絡設備分為兩類：完整功能設備FFD（FullFunctionalDevice）和精簡功能設備RFD（ReducedFunctionalDevice）主要有兩種組網方式：（1）星型網絡

（2）簇型網絡

2．ZigBee的組網方式

2．ZigBee的組網方式

FFD結點具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數據交換，是ZigBee網絡中的路由器RFD結點只能與處在該星形網的中心的FFD結點交換數據，是ZigBee網絡中數量最多的端設備協調器（coordinator）ZigBee網絡有16位和64位兩種地址格式需要說明的的是IEEE802.15.4標準也支持點對點網絡拓撲結構3．物理層主要特性

采用的工作頻率分為868MHz、915MHz和2.4GHz三種，各頻段可使用的信道分別有1個、10個、16個，各自提供20kb/s、40kb/s和250kb/s的傳輸速率，具體實現如下：（1）信道0，868-868.6MHz，中心頻率868.3Hz；BPSK調制；提供20kb/s的數據通路（2）信道1-10，中心頻率=906+2×（信道號-1）MHz，BPSK調制，每信道提供40kb/s的數據通路（3）信道11-26，中心頻率=2405+5×（信道號-11）MHz，O-QPSK調制，每信道提供250kb/s的數據通路各個頻段采用直接序列擴頻DSSS4．MAC層主要特性

定義了兩種訪問模式

CSMA/CA：參考WLAN中IEEE802.11標準定義的DCF模式、優缺點可選的超級幀分時隙機制：類似于802.11標準定義的PCF模式5．ZigBee技術的優點

（1）省電（功耗低）（2）可靠（3）延遲短（4）網絡容量大（5）安全和高保密性

6．Zigbee技術的應用領域

通常，符合如下條件的一個或幾個的無線應用，就可以考慮采用Zigbee技術做無線傳輸：（1）需要數據采集或監控的網點多；（2）要求傳輸的數據量不大，而要求設備成本低；（3）要求數據傳輸可靠性高，安全性高；（4）設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；（5）電池供電；（6）地形復雜，監測點多，需要較大的網絡覆蓋；（7）現有移動網絡的覆蓋盲區；（8）使用現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統（9）使用GPS效果差，或成本太高的局部區域移動目標的定位應用

9.3

無線城域網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）無線本地環路（wirelesslocalloop）802.16d

(2004年6月)：固定寬帶無線接入空中接口標準（2～66GHz頻段）

802.16e（2005年12月）：支持移動性的寬帶無線接入空中接口標準（2～6GHz頻段），在其頻段上它向下兼容802.16d

一基本概念

1．WiMAX

全球微波接入互操作性論壇

2．空中接口

802.16e中定義的參考模型如圖

一基本概念3．網絡結構

IEEE802.16協議中定義了兩種網絡結構：點到多點（PMP）結構和網格（Mesh）結構

一基本概念3．網絡結構

一個完整的802.16系統應包含的網絡實體有：用戶設備UE，用戶站SS，基站BS，核心網CN

一基本概念4．協議棧

802.16系列協議中各協議的MAC層功能基本相同，差別主要體現在物理層上

二IEEE802.16物理層

工作在10～66GHz頻段的毫米波按向光線一樣的直線傳播基站可以有多個天線，每個天線指向周邊地區的不同扇形區域

區別：蜂窩無線電波

視距（LOS）鏈路

毫米波段信號的強度會隨著與基站的距離的增加急劇地衰減，所以信噪比也會隨著與基站的距離的增加而下降

采用了三種不同的單載波調制方案：QAM-64

、QAM-16、QPSK

特點：視距傳輸、多徑干擾可以忽略二IEEE802.16物理層

802.16可支持TDD（時分雙工）和FDD（頻分雙工）兩種無線雙工方式

802.16采用了前向糾錯技術

1．802.16d的物理層

支持TDD和FDD兩種無線雙工方式

10～66GHz固定無線接入系統主要采用單載波（SC）調制技術2～11GHz頻段的系統，將主要采用OFDM（256點）和OFDMA（2048點）技術。更低的成本提供更大的用戶覆蓋系統受雨衰影響不大系統可以在非視距傳輸環境下運行系統可以采用從1.25MHz～20MHz之間的帶寬10～66GHz的固定無線接入系統，還可以采用28MHz載波帶寬2．802.16e的物理層

802.16e的物理層實現方式與802.16d是基本一致的主要差別是對OFDMA進行了擴展

支持2048點、1024點、512點和128點當802.16e物理層采用256點OFDM或2048點OFDMA時，802.16e后向兼容802.16d（物理層）

三IEEE802.16的MAC層

1．MAC層各子層的功能

（1）CS子層為MAC層和高層的接口，提供了多個CS規范（2）CPS子層實現主要的MAC功能，包括系統接入、帶寬分配、連接建立和連接維護等它通過MAC層SAP接收來自各種CS層的數據并分類到特定的MAC連接，同時對物理層上傳輸和調度的數據實施QoS控制。（3）安全子層的主要功能是提供認證、密鑰交換和加解密處理

2．介質訪問機制IEEE802.16采取的方式是在物理層將時間資源進行分片，通過時間片區分上行和下行。切換點下行是廣播的，上行是SS發向BS的

上行時，物理層基于時分多用戶接入（TDMA）和按需分配多用戶接入（DAMA）相結合的方式上行信道占用了許多個時隙，初始化、競爭、維護、業務傳輸等應用都是通過占用一定數目的時隙來完成的，其占用的數目由BS的MAC層統一控制，并根據系統要求而動態改變2．介質訪問機制下行信道采用時分復用（TDM）方式，BS側產生的信息被復用成單個的數據流，廣播發送給扇區內的所有SS每個SS接收到廣播消息后，在MAC層中提取檢查消息連接的CID（連接標識符）信息，從而判斷出發給自己的信息，丟棄其他信息BS還可以以單播、多播的方式向一個或一組SS發送消息

3．MAC層的鏈路自適應機制

（1）自動請求重傳（ARQ）（2）混合自動重傳請求（H-ARQ）協議中僅規定OFDMA物理層提供對H-ARQ的支持

（3）自適應調制編碼（AMC）4．QoS保證機制

IEEE802.16是第一個提出在MAC層提供QoS保證的無線接入標準802.16MAC層是基于連