第6章互聯網第7章無線寬帶網絡第8章無線低速網絡第9章移動通信網絡

第三篇網絡構建12/22/20231通信與信息工程學院

第7章無線寬帶網絡12/22/20232通信與信息工程學院第7章無線寬帶網絡覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯網提供高速、可靠、低成本、且不受接入設備位置限制的互聯手段以Wi-Fi和WiMAX為例，介紹無線寬帶網絡的特點，以及無線局域網技術和無線城域網的架構和特點7.1無線寬帶網絡概述7.2Wi-Fi：無線局域網7.3WiMAX：無線城域網7.4無線物聯世界12/22/20233通信與信息工程學院7.1

無線寬帶網絡概述12/22/20234通信與信息工程學院7.1.1無線網絡簡介無線網絡重要協議Wi-Fi：Wireless-Fidelity，無線保真WiMAX：WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess

全球微波互聯接入3G：3rdGeneration，第三代（移動通信）無線網絡的組成元素有哪些？7.1

無線寬帶網絡概述12/22/20235通信與信息工程學院1、無線網絡用戶具備無線通信能力，可將無線信號轉化為有效信息的終端設備（筆記本電腦、PDA、3G手機等）2、無線連接無線網絡用戶與基站間或無線網絡用戶間，用以傳輸數據的通路（無線電波與信道）3、基站將無線用戶連接至更大的網絡中Wi-Fi對應基站稱為接入點，覆蓋范圍幾十米蜂窩電話基站稱為蜂窩塔，覆蓋范圍幾千米~幾十千米7.1

無線寬帶網絡概述12/22/20236通信與信息工程學院無線網絡的分類（按覆蓋范圍）7.1

無線寬帶網絡概述12/22/20237通信與信息工程學院7.1

無線寬帶網絡概述無線寬帶網絡3G：無線廣域網WiMAX：無線城域網Wi-Fi：無線局域網UWB：超寬帶無線個域網自組織網絡無需基站和上層網絡支持用戶具備網絡地址分配、路由等功能12/22/20238通信與信息工程學院7.1.2無線寬帶網絡及其特點寬帶網絡：帶寬超過1.544Mbps的網絡（T1網絡帶寬）無線寬帶網絡：Wi-Fi、WiMAX、3G無線寬帶網絡與有線寬帶網絡區別在于數據鏈路層和物理層無線通信由基站與上層網絡進行數據交互基站等價于交換機，無線網卡代替了有線網卡7.1

無線寬帶網絡概述12/22/20239通信與信息工程學院ITU兩類重要的語音通信標準：E體系與T體系基（一次）群：把一定路數的數字語音信號（64kbps）復用成一路標準數據流T1：對24路信號進行復用，8000幀/秒每幀包含193個bit：8×24+1位同步碼=193bitT1的總數據率（24路基群）8000幀/s×（24路/幀×8bit+1）=1544kbps應用于北美與日本的語音電話傳輸網絡中7.1

無線寬帶網絡概述12/22/202310通信與信息工程學院信號強度衰減無線信號能量隨著傳輸距離增長而減弱非視線傳輸若發送者與接收者之間的路徑部分被阻擋，則無線信號可能會被阻擋物吸收或迅速衰減信號干擾相同無線頻段的信號以及外部環境的電磁噪聲會相互干擾多徑傳播無線信號由于阻擋物反射與折射，到達接收端時間有所不同7.1

無線寬帶網絡概述12/22/202311通信與信息工程學院隱藏終端（HiddenTerminal）問題A，B之間可通訊C，B之間可通訊A，C之間不可通訊A，C可能同時向B傳輸且意識不到彼此之間的干擾7.1

無線寬帶網絡概述ABC12/22/202312通信與信息工程學院第一次作業點評共收到作業100+1份（90%）一半作業（51份）按要求的格式完成了作業（滿分）

學生信息、字體、行距、篇幅不符合格式規范的酌情扣分（篇幅過長）3位同學完成較為出色：針對所介紹的技術，提出了教材中沒有的、對該技術持有異議觀點及看法（加分）摘要、關鍵字、參考文獻12/22/202313通信與信息工程學院無線網絡的分類（按覆蓋范圍）7.1

無線寬帶網絡概述12/22/202314通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網12/22/202315通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網Wi-Fi聯盟（Wi-FiAlliance）所持有的無線網絡通信技術品牌目的：改善IEEE802.11標準的無線網絡產品之間的互通性IEEE802.11a/b/g/n的出現，使IEEE802.11被統稱為Wi-FiIEEE802.11標準IEEE制定的無線局域網標準用于解決局域網和校園網中，用戶終端的無線接入802.11標準在速率和傳輸距離上無法滿足需求，因而推出了一系列802.11標準12/22/202316通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網7.2.1802.11物理層（P135）不同802.11協議的差異主要體現在使用頻段，調制模式和信道等物理層技術上12/22/202317通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網擴展頻譜通信技術又稱為擴頻通信技術，具有三個重要屬性：（1）信號所占頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬（2）頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現的，與所傳信息數據無關（3）在接收端用同樣的編碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數據傳輸速率靈活可變、可加入不同碼序列（糾錯、同步、密鑰）廣泛應用于3G移動通信中（CDMA）12/22/202318通信與信息工程學院正交頻分復用（OFDM）技術多路復用：將多路彼此不相關的消息信號合并為一個復合的群信號，共同在一條信道上進行通信分為：頻分多路復用（FDM）（1920年前后）時分多路復用（TDM）（1980年前后）碼分多路復用（CDM）（1995年前后）7.2

Wi-Fi：無線局域網12/22/202319通信與信息工程學院主要問題是設備復雜和存在串擾7.2

Wi-Fi：無線局域網12/22/202320通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網OFDM的演進過程12/22/202321通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網2、基本原理（1）將數據流串并轉換為N路速率較低的子數據流（2）N路子數據流分別調制N路子載波（3）N路子載波是相互正交的子數據流傳輸速率是原來的1/N具有較強的抗多徑衰落與抗脈沖干擾能力12/22/202322通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網7.2.2802.11架構基本服務組（BSS）：802.11架構中最重要的組成部分基站模式無線終端用戶通過與接入點相關聯獲取上層網絡數據接入點（基站）通過有線網絡設備（路由器）連入上層公共網絡。無線路由器是接入點和路由器功能的結合體自組織模式每個無線網絡用戶既是數據交互終端也是數據傳輸的路由12/22/202323通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網12/22/202324通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網信道802.11b/g將85MHz頻帶分為11個不同頻段的信道接入點管理者為每個接入點指派信道不相互干擾的信道中間須隔至少4個其它信道用戶與接入點關聯（基站模式）接入點廣播識別幀（包含接入點MAC地址等信息）用戶根據識別幀選擇與其中一個接入點建立關聯識別幀掃描方式被動掃描：接入點周期性廣播識別幀主動掃描：無線用戶主動廣播探測幀，收到探測幀的接入點以回應幀響應，最后用戶根據回應幀選擇接入點12/22/202325通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網7.2.3802.11介質訪問控制（MAC）協議目的：避免多個用戶同時訪問信道載波監聽多路訪問（CSMA：CarrierSenseMultipleAccess）：用戶在發送數據之前先監聽信道，信道占用則不發送數據沖突避免（CA：CollisionAvoidence）：要求建立數據鏈路層確認/重傳機制以避免沖突沖突檢測（CD：CollisionDetected）：對已發生沖突進行檢測802.11標準采用避免沖突載波監聽多路訪問協議（CSMA/CA）以太網采用沖突檢測多載波監聽多路訪問協議（CSMA/CD）12/22/202326通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網802.11標準采用CSMA/CA的原因沖突檢測需要全雙工工作模式單工系統：只能沿一個固定方向傳輸信息。如電視廣播全雙工系統：可同時沿兩個方向傳輸信息。如電話通信半雙工系統：任何時候只能沿一個方向傳輸信息，但可以切換傳輸方向。如對講機通信硬件代價過高，無線網卡很難同時接收和發送無線信號無線信號的衰減特性和隱藏終端問題使沖突很難被偵測12/22/202327通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網802.11協議CSMA/CA信道訪問機制傳輸端偵測空閑信道若等待分布幀間隔（DIFS）后信道仍空閑，則開始傳輸數據繁忙信道隨機退避，若偵測到信道空閑，則減少退避數值當退避時間結束后開始發送，若沒有收到ACK，增大退避間隔接收端接收到數據，等待短幀間隔（SIFS）后發送ACK12/22/202328通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網RTS和CTS機制：預留信道為避免沖突和隱藏終端，發送端可請求預留信道而不是隨機訪問，由RTS（RequesttoSend）和CTS（CleartoSend）實現發送端：使用CSMA/CA向接入點發送RTS接入點：廣播CTS接收到CTS的用戶：RTS發送者發送數據，其它用戶延后發送12/22/202329通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網預留信道的特點只為當前用戶保留信道，有效消除隱藏終端問題雖然RTS/CTS可能會沖突，但由于二者幀結構很短，發生沖突概率較低且代價也很小增加傳輸延時和降低信道利用率RTS/CTS適用沖突發生概率較高的場境中，如無線網絡用戶每次都需傳輸較長數據幀時12/22/202330通信與信息工程學院通信系統基本性能指標有效性：給定時間內能傳輸信息內容的多少可靠性：接收信息的準確程度數字通信系統有效性：傳輸速率（bps或b/s）（高）頻帶利用率：每赫茲的傳輸速率（bps/Hz或b/s/Hz）（高）可靠性：誤比特率（BER，BitErrorRate）（?。?.2

Wi-Fi：無線局域網12/22/202331通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網7.2.4802.11數據幀結構（共2346Bytes）12/22/202332通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網數據載荷需要傳輸的數據信息，是數據幀的核心部分。由IP報文或地址解析協議（ARP）包填充，最大長度2312字節循環冗余檢驗碼長度4字節，檢查數據幀比特位是否出錯序列號確認數據幀，區分新收數據幀和重發數據幀控制域包含多個子域：區分幀類別、區分用戶/接入點、定義地址等12/22/202333通信與信息工程學院7.2

Wi-Fi：無線局域網地址4個地址域：每個地址為6字節的MAC地址，地址1~3分別用于識別無線用戶、接入點與路由器，地址4用于自組網絡中識別無線用戶和接入點1）目的用戶MAC地址2）源用戶MAC地址3）與接入點相連路由器MAC地址7.2.5802.11小結（P143）12/22/202334通信與信息工程學院7.3

WiMAX：無線城域網12/22/202335通信與信息工程學院7.3

WiMAX：無線城域網7.3.1WiMAX概述及架構為廣闊區域內無線網絡用戶提供高速無線數據傳輸業務視線覆蓋范圍達112.6千米，非視線覆蓋范圍達40千米帶寬70Mbps，可取代傳統T1型和DSL有線連接可提供更人性化多樣化的服務與之對應的是一系列IEEE802.16協議組12/22/202336通信與信息工程學院7.3

WiMAX：無線城域網802.16協議組12/22/202337通信與信息工程學院7.3

WiMAX：無線城域網WiMAX架構：與802.11基站模式類似1）基站與用戶之間的連接：基站以點對多點連接為用戶提供服務。這段被稱為“最后一英里”（LastMile）多為非視線通信采用全雙工傳輸，基站根據用戶需求分配上下行信道帶寬2）基站與上層網絡之間的連接：基站通過光纖、電纜、微波等方式與上層網絡點對點相連。稱為“回程”（Backhaul）高速、穩定的連接12/22/202338通信與信息工程學院7.3

WiMAX：無線城域網3）工作頻段10GHz～66GHz毫米波段，分配頻帶較寬，數據載荷能力大波長較短，適合視線傳輸，可作為回程連接載波2GHz～11GHz厘米波段，波長較長，受障礙物干擾較小適合非視線傳輸，用于最后一英里傳輸12/22/202339通信與信息工程學院7.3

WiMAX：無線城域網7.3.2WiMAX介質訪問控制原理