這是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第9章ppt，包括了無線局域網(wǎng)WLAN，無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)WPAN，無線城域網(wǎng)WMAN，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，兩種不同無線上網(wǎng)等內(nèi)容，歡迎點(diǎn)擊下載。

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第 9 章 無線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 第 9 章 無線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 9.1 無線局域網(wǎng) WLAN 9.2 無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WPAN 9.3 無線城域網(wǎng) WMAN 9.4 蜂窩移動(dòng)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 9.1.2 802.11 局域網(wǎng)的物理層 9.1.3 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 層協(xié)議 9.1.4 802.11 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 (Wireless Local Area Network)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. IEEE 802.11 IEEE 802.11 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)。 IEEE 802.11 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)�，其中心叫做接入點(diǎn) AP (Access Point) 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”。 1. IEEE 802.11 建立關(guān)聯(lián)(association) 一個(gè)移動(dòng)站若要加入到一個(gè)基本服務(wù)集 BSS，就必須先選擇一個(gè)接入點(diǎn) AP，并與此接入點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)(association) 。 建立關(guān)聯(lián)就表示這個(gè)移動(dòng)站加入了選定的 AP 所屬的子網(wǎng)，并和這個(gè) AP 之間創(chuàng)建了一個(gè)虛擬線路。 只有關(guān)聯(lián)的 AP 才向這個(gè)移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而這個(gè)移動(dòng)站也只有通過關(guān)聯(lián)的 AP 才能向其他站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 移動(dòng)站與 AP 建立關(guān)聯(lián)的方法 被動(dòng)掃描 移動(dòng)站等待接收接入站周期性發(fā)出的信標(biāo)幀(beacon frame)。 信標(biāo)幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)（如服務(wù)集標(biāo)識(shí)符 SSID 以及支持的速率等）。 主動(dòng)掃描 移動(dòng)站主動(dòng)發(fā)出探測請(qǐng)求幀(probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測響應(yīng)幀(probe response frame)。 熱點(diǎn)(hot spot) 現(xiàn)在許多地方，如辦公室、機(jī)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(wù)。這樣的地點(diǎn)就叫做熱點(diǎn)。 由許多熱點(diǎn)和 AP 連接起來的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。熱點(diǎn)也就是公眾無線入網(wǎng)點(diǎn)。 現(xiàn)在也出現(xiàn)了無線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)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，然后再經(jīng)過無線信道接入到互聯(lián)網(wǎng)。 2. 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)又稱為自組網(wǎng)絡(luò)(ad hoc network) 。 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(dòng)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(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)也就是移動(dòng)分組無線網(wǎng)絡(luò)。 2. 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景 在軍事領(lǐng)域中，攜帶了移動(dòng)站的戰(zhàn)士可利用臨時(shí)建立的移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。 這種組網(wǎng)方式也能夠應(yīng)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(jī)群。 當(dāng)出現(xiàn)自然災(zāi)害時(shí)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)利用移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時(shí)的通信往往很有效的， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN (Wireless Sensor Network) 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(chǔ)容量受限，因此對(duì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性、結(jié)點(diǎn)自動(dòng)配置、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)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 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的應(yīng)用領(lǐng)域 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的應(yīng)用領(lǐng)域就是組成各種的物聯(lián)網(wǎng)IoT (Internet of Things) ，例如： 環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)（如洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)物棲息的監(jiān)控）； 戰(zhàn)爭中對(duì)敵情的偵查和對(duì)兵力、裝備、物資等的監(jiān)控； 醫(yī)療中對(duì)病房的監(jiān)測和對(duì)患者的護(hù)理； 在危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）中的安全監(jiān)測； 城市交通管理、建筑內(nèi)的溫度/照明/安全控制等。 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)不同于移動(dòng) IP 移動(dòng) IP 技術(shù)使漫游的主機(jī)可以用多種方式連接到互聯(lián)網(wǎng)。 移動(dòng) IP 的核心網(wǎng)絡(luò)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(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)是將移動(dòng)性擴(kuò)展到無線領(lǐng)域中的自治系統(tǒng)，它具有自己特定的路由選擇協(xié)議，并且可以不和互聯(lián)網(wǎng)相連。 幾種不同的接入 固定接入(fixed access)——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(dòng)接入(mobility access)——用戶設(shè)置能夠以車輛速度移動(dòng)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(portable access)——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(dòng)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，提供有限的切換能力。 游牧接入(nomadic access)——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(dòng)了位置，則再次進(jìn)行通信時(shí)可能還要尋找最佳的基站 9.1.2 802.11 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(duì)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)802.11n 802.11 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) 9.1.3 802.11局域網(wǎng)的 MAC 層協(xié)議 1. CSMA/CA 協(xié)議 無線局域網(wǎng)不能簡單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議。這里主要有兩個(gè)原因： “碰撞檢測”要求一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時(shí)，還必須不間斷地檢測信道，但接收到的信號(hào)強(qiáng)度往往會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度，在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)這種功能就花費(fèi)過大。 即使能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測的功能，并且在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測到信道是空閑的時(shí)候，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 無線局域網(wǎng)的特殊問題 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 (Collision Avoidance)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。 下面先介紹 802.11 的 MAC 層。 802.11 的 MAC 層 802.11 的 MAC 層 802.11 的 MAC 層 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(shí)間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時(shí)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(jí)幀需要等待的時(shí)間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權(quán)。 若低優(yōu)先級(jí)幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級(jí)幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊�態(tài)，因而低優(yōu)先級(jí)幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)。 兩種常用種幀間間隔 兩種常用幀間間隔 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(duì)信號(hào)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(dòng)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。 為什么信道空閑還要再等待 這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級(jí)的幀要發(fā)送。 如有，就要讓高優(yōu)先級(jí)幀先發(fā)送。 假定沒有高優(yōu)先級(jí)幀要發(fā)送 源站發(fā)送了自己的數(shù)據(jù)幀。 目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時(shí)間間隔 SIFS 后，向源站發(fā)送確認(rèn)幀 ACK。 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，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。 虛擬載波監(jiān)聽 虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense)的機(jī)制是讓源站將它要占用信道的時(shí)間（包括目的站發(fā)回確認(rèn)幀所需的時(shí)間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時(shí)間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。 這樣就大大減少了碰撞的機(jī)會(huì)。 “虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。 虛擬載波監(jiān)聽的效果 這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。 所謂“源站的通知”就是源站在其 MAC 幀首部中的第二個(gè)字段“持續(xù)時(shí)間”中填入了在本幀結(jié)束后還要占用信道多少時(shí)間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認(rèn)幀所需的時(shí)間。 網(wǎng)絡(luò)分配向量 當(dāng)一個(gè)站檢測到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續(xù)時(shí)間”字段時(shí)，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。 NAV 指出了必須經(jīng)過多少時(shí)間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)。 爭用窗口 信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時(shí)，任何一個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，不僅都必須等待一個(gè) DIFS 的間隔，而且還要進(jìn)入爭用窗口，并計(jì)算隨機(jī)退避時(shí)間以便再次重新試圖接入到信道。 在信道從忙態(tài)轉(zhuǎn)為空閑時(shí)，為了避免幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)（一旦發(fā)送就要把一幀發(fā)送完，不能中途停止），各站就要執(zhí)行退避算法。這樣做就減少了發(fā)生碰撞的概率。 802.11 使用二進(jìn)制指數(shù)退避算法。 802.11 的退避機(jī)制 二進(jìn)制指數(shù)退避算法 第 i 次退避就在 22 + i 個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)地選擇一個(gè)，即：第 i 次退避是在時(shí)隙 {0， 1， …， 22+i – 1} 中隨機(jī)地選擇一個(gè)。 第 1 次退避是在 8 個(gè)時(shí)隙（而不是 2 個(gè)）中隨機(jī)選擇一個(gè)。 第 2 次退避是在 16 個(gè)時(shí)隙（而不是 4 個(gè)）中隨機(jī)選擇一個(gè)。 當(dāng)時(shí)隙編號(hào)達(dá)到255時(shí)（這對(duì)應(yīng)于第 6 次退避）就不再增加了。 這里決定退避時(shí)間的變量 i 稱為退避變量。 退避計(jì)時(shí)器 (backoff timer) 站點(diǎn)每經(jīng)歷一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間就檢測一次信道。 這可能發(fā)生兩種情況： 若檢測到信道空閑，退避計(jì)時(shí)器就繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。 若檢測到信道忙，就凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器的剩余時(shí)間，重新等待信道變?yōu)榭臻e，并再經(jīng)過時(shí)間DIFS 后，從剩余時(shí)間開始繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。如果退避計(jì)時(shí)器的時(shí)間減小到零時(shí)，就開始發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)幀。 退避算法的使用情況 僅在下面的情況下才不使用退避算法： 檢測到信道是空閑的，并且這個(gè)數(shù)據(jù)幀是要發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀。 除此以外的所有情況，都必須使用退避算法： 在發(fā)送第一個(gè)幀之前檢測到信道處于忙態(tài)。 在每一次的重傳后。 在每一次的成功發(fā)送后。 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)就要等檢測到信道空閑并經(jīng)過時(shí)間DIFS后，執(zhí)行CSMA/CA協(xié)議的退避算法，啟動(dòng)退避計(jì)數(shù)器。在退避計(jì)數(shù)器減少到零之前，一旦檢測到信道忙，就凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器。一旦信道空閑，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。 2. 對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約 為了更好地解決隱蔽站帶來的碰撞問題，802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約。 2. 對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約 使用RTS幀和CTS幀會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率有所下降。但與數(shù)據(jù)幀相比，開銷不算大。 相反，若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生碰撞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，則浪費(fèi)的時(shí)間就更多。 2. 對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約 雖然如此，協(xié)議還是設(shè)有三種情況供用戶選擇： (1) 使用RTS幀和CTS幀； (2) 只有當(dāng)數(shù)據(jù)幀的長度超過某一數(shù)值時(shí)才使用RTS幀和CTS幀（顯然，當(dāng)數(shù)據(jù)幀本身就很短時(shí)，再使用RTS幀和CTS幀只能增加開銷）； (3) 不使用RTS幀和CTS幀。 雖然協(xié)議經(jīng)過了精心設(shè)計(jì)，但碰撞仍然會(huì)發(fā)生。 CSMA/CA協(xié)議的基本流程圖 9.1.4 802.11 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。 9.1.4 802.11 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。 802.11 數(shù)據(jù)幀的三大部分 MAC 首部，共 30 字節(jié)。幀的復(fù)雜性都在幀的首部。 幀主體，也就是幀的數(shù)據(jù)部分，不超過2312 字節(jié)。這個(gè)數(shù)值比以太網(wǎng)的最大長度長很多。不過 802.11 幀的長度通常都是小于 1500 字節(jié)。 幀檢驗(yàn)序列 FCS 是尾部，共 4 字節(jié) 1. 關(guān)于 802.11 數(shù)據(jù)幀的地址 802.11 數(shù)據(jù)幀最特殊的地方就是有四個(gè)地址字段。地址 4 用于自組網(wǎng)絡(luò)。我們?cè)谶@里只討論前三種地址。 1. 關(guān)于 802.11 數(shù)據(jù)幀的地址 2. 序號(hào)控制、持續(xù)期和幀控制字段 序號(hào)控制字段占 16 位，其中序號(hào)子字段占 12 位，分片子字段占 4 位。 持續(xù)期字段占 16 位。 幀控制字段共分為 11 個(gè)子字段： 協(xié)議版本字段現(xiàn)在是 0。 類型字段和子類型字段用來區(qū)分幀的功能。 更多分片字段置為 1 時(shí)表明這個(gè)幀屬于一個(gè)幀的多個(gè)分片之一。 有線等效保密字段 WEP 占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。 分片的發(fā)送舉例 9.2 無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) WPAN 無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)WPAN (Wireless Personal Area Network)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10 m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 (Personal Area Network)并不完全等同，因?yàn)?PAN 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2.4 GHz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 IEEE 802.15.1 。 藍(lán)牙的數(shù)據(jù)率為 720 kbit/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(huì)比較便宜。 藍(lán)牙系統(tǒng)中的皮可網(wǎng)和擴(kuò)散網(wǎng) 2. 低速 WPAN 低速 WPAN 主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動(dòng)化與控制等領(lǐng)域，其速率是 2 ~ 250 kbit/s。 低速 WPAN 的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.4。最近新修訂的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.4-2006。 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(dòng)的）之間的無線通信，其主要特點(diǎn)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 的特點(diǎn) 功耗非常低 在工作時(shí)，信號(hào)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(duì)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 IEEE 802.15.4 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。 IEEE 802.15.4 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。 ZigBee 的協(xié)議棧 ZigBee 的協(xié)議棧 IEEE 802.15.4物理層使用的三個(gè)頻段 在MAC層，主要沿用802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA協(xié)議。 在網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee可采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)�，或兩者的組合。 ZigBee 的組網(wǎng)方式 一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以有255個(gè)結(jié)點(diǎn)。 ZigBee的結(jié)點(diǎn)按功能的強(qiáng)弱可劃分為兩大類： 全功能設(shè)備FFD (Full-Function Device) 具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換。 是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器。 精簡功能設(shè)備RFD (Reduced-Function Device) 是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的端設(shè)備。 電路簡單，存儲(chǔ)容量較小，因而成本較低。 RFD結(jié)點(diǎn)只能與處在該星形網(wǎng)中心的FFD結(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。 ZigBee 的組網(wǎng)方式 在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)FFD充當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器(coordinator)。 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)信息，同時(shí)還可以與其他ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)。 通過各網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的相互通信，可以得到覆蓋更大范圍、超過65000個(gè)結(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 的組網(wǎng)方式 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 ~ 55 Mbit/s 的數(shù)據(jù)率，標(biāo)準(zhǔn)是 802.15.3。 IEEE 802.15.3a 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 ~ 10.6 GHz 微波頻段，有非常高的信道帶寬。超寬帶信號(hào)的帶寬應(yīng)超過信號(hào)中心頻率的 25% 以上，或信號(hào)的絕對(duì)帶寬超過 500 MHz。 超寬帶技術(shù)使用了瞬間高速脈沖，可支持 100 ~ 400 Mbit/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 IEEE 802.16 無線城域網(wǎng)(Wireless Metropolitan Area Network) 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(dòng)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 (Worldwide Interoperability for Microwave Access) 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(dòng)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 ~ 66 GHz頻段）。 802.16e (802.16 的增強(qiáng)版本)：支持移動(dòng)性的寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)（2 ~ 6 GHz頻段），向下兼容 802.16-2004。 802.16 無線城域網(wǎng)服務(wù)范圍的示意圖 9.4 蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng) 9.4.1 蜂窩無線通信技術(shù)簡介 9.4.2 移動(dòng)IP 9.4.3 蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中對(duì)移動(dòng)用戶的路由選擇 9.4.4 GSM中的切換 9.4.5 無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)議等），如 CDMA2000，WCDMA 和 TD-SCDMA。 從3G開始以后的各代蜂窩移動(dòng)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 (International Mobile Telecommunications-Advanced)，意思是高級(jí)國際移動(dòng)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(dòng)通信時(shí)應(yīng)達(dá)到 1 Gbit/s，在高速移動(dòng)通信時(shí)（如在火車。汽車上）應(yīng)達(dá)到 100 Mbit/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-Term Evolution)： 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 20 MHz，采用了高階調(diào)制64QAM和MIMO技術(shù)。 LTE-A (LTE-Advanced)： LTE 的升級(jí)版，俗稱為 3.9G。 帶寬高達(dá) 100 MHz。 GSM 蜂窩通信系統(tǒng)的重要組成構(gòu)件 9.4.2 移動(dòng) IP 移動(dòng)IP(Mobile IP)又稱為移動(dòng) IP 協(xié)議，是由IETF開發(fā)的一種技術(shù)。移動(dòng) IP 對(duì)現(xiàn)在流行的在移動(dòng)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(dòng)到外地時(shí)，仍然保留其原來的 IP 地址。 移動(dòng) IP 要解決的問題：使用戶的移動(dòng)性對(duì)上層的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是透明的。 移動(dòng) IP 使用的基本概念 通信者B和移動(dòng)站A的四個(gè)重要通信步驟  B發(fā)送給A的數(shù)據(jù)報(bào)被A的歸屬代理截獲了（只有當(dāng)A離開歸屬網(wǎng)絡(luò)時(shí)，歸屬代理才能截獲發(fā)給A的數(shù)據(jù)報(bào)）。 由于歸屬代理已經(jīng)知道了A的轉(zhuǎn)交地址（后面要講到），因此歸屬代理把B發(fā)來的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行再封裝，新的數(shù)據(jù)報(bào)的目的地址是A現(xiàn)在的轉(zhuǎn)交地址。新封裝的數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到被訪網(wǎng)絡(luò)的外地代理。這里使用的就是以前講過的隧道技術(shù)或IP-in-IP。  被訪網(wǎng)絡(luò)中的外地代理把收到的封裝的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行拆封，取出B發(fā)送的原始數(shù)據(jù)報(bào)，然后轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)站A。這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的目的地址就是A的永久地址。A收到B發(fā)送的原始數(shù)據(jù)報(bào)后，也得到了B的IP地址。  如果現(xiàn)在A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，那么情況就比較簡單。A仍然使用自己的永久地址作為數(shù)據(jù)報(bào)的源地址，用B的IP地址作為數(shù)據(jù)報(bào)的目的地址。這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)顯然沒有必要在通過A的歸屬代理進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)了。 網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)增加的新功能 (1) 移動(dòng)站到外地代理的協(xié)議。 (2) 外地代理到歸屬代理的登記協(xié)議。 (3) 歸屬代理數(shù)據(jù)報(bào)封裝協(xié)議。 (4) 外地代理拆封協(xié)議。 三角形路由選擇問題 間接路由選擇：把數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往移動(dòng)站的歸屬網(wǎng)絡(luò)，由歸屬代理完成以后的尋址工作，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)的方式。 間接路由選擇可能會(huì)引起數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)的低效，文獻(xiàn)中稱之為三角形路由選擇問題(triangle routing problem)。意思是：本來在B和A之間可能有一條更有效的路由，但現(xiàn)在要走另外兩條路：先要把數(shù)據(jù)報(bào)從B發(fā)送到A的歸屬代理，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給漫游到被訪網(wǎng)絡(luò)的A。 使用直接路由選擇向移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào) 使用直接路由選擇向移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)  B的通信者代理從移動(dòng)站A的歸屬代理得到A所漫游到的被訪網(wǎng)絡(luò)N1的外地代理。我們把移動(dòng)站首次漫游到的被訪網(wǎng)絡(luò)的外地代理稱為錨外地代理(anchor foreign agent)。  通信者代理把B發(fā)給A的數(shù)據(jù)報(bào)再封裝后，發(fā)送到A的錨外地代理。  錨外地代理把拆封后的數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給A。  A移動(dòng)到另一個(gè)被訪網(wǎng)絡(luò)N2。  A向被訪網(wǎng)絡(luò)N2的新外地代理登記。  新外地代理把A的新轉(zhuǎn)交地址告訴錨外地代理。  當(dāng)錨外地代理收到發(fā)給A的封裝數(shù)據(jù)報(bào)后，就用A的新轉(zhuǎn)交地址對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行再封裝，然后發(fā)送給被訪網(wǎng)絡(luò)N2上的新外地代理。在拆封后轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)站A。 同理，如果移動(dòng)站再漫游到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，則這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的外地代理將仍然要和錨外地代理聯(lián)系，以便讓錨外地代理以后把發(fā)給A的數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)過來。 9.4.3 蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中 對(duì)移動(dòng)用戶的路由選擇 9.4.3 蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中 對(duì)移動(dòng)用戶的路由選擇  找到移動(dòng)用戶的歸屬網(wǎng)絡(luò)。  歸屬 MSC 向其 HLR 查詢現(xiàn)在被叫移動(dòng)用戶的位置。HLR 向歸屬 MSC 返回被叫移動(dòng)用戶的移動(dòng)站漫游號(hào) MSRN。  歸屬 MSC 按照所得到的漫游號(hào)碼 MSRN 進(jìn)行呼叫的第二段，把通信者發(fā)起的呼叫從歸屬 MSC傳送到被訪網(wǎng)絡(luò)的 MSC，再傳送到該移動(dòng)用戶所漫游到的小區(qū)的基站。 9.4.4 GSM 中的切換 切換(handover)就是移動(dòng)用戶與相關(guān)聯(lián)的基站發(fā)生了改變。 移動(dòng)用戶在和一個(gè)基站相關(guān)聯(lián)期間，會(huì)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)站的呼叫路由會(huì)有很大的變化。 9.4.5 無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)高層協(xié)議的影響 無線網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)站漫游時(shí)，會(huì)經(jīng)常更換移動(dòng)用戶到無線網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)（即到移動(dòng)站相關(guān)聯(lián)的基站）。這樣，網(wǎng)絡(luò)的連接就會(huì)發(fā)生很短時(shí)間的中斷。 由于移動(dòng)用戶更新相關(guān)聯(lián)的基站需要一定的時(shí)間，這就可能造成TCP報(bào)文段的丟失。只要出現(xiàn)TCP報(bào)文段頻繁丟失，TCP的擁塞控制就會(huì)采取措施，減小其擁塞窗口，從而使TCP發(fā)送方的報(bào)文段發(fā)送速率降低。 當(dāng)無線信道出現(xiàn)嚴(yán)重的比特差錯(cuò)，或由于切換產(chǎn)生了報(bào)文段丟失，減小TCP發(fā)送方的擁塞窗口對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)性能并不會(huì)有任何好處。 9.4.5 無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)高層協(xié)議的影響 解決方法： 本地恢復(fù)。這是指差錯(cuò)在什么地方出現(xiàn)，就在什么地方改正。 讓 TCP 發(fā)送方知道什么地方使用了無線鏈路。只有當(dāng)TCP能夠確知，是有線網(wǎng)絡(luò)部分發(fā)生了擁塞時(shí)，TCP才采用擁塞控制的策略。 把含有移動(dòng)用戶的端到端 TCP 連接拆成兩個(gè)互相串接的 TCP 連接。 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(dòng)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40j紅軟基地

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