什么是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

1、什么是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)電波作為信息傳輸?shù)拿浇?，擺脫了網(wǎng)線(xiàn)的束縛，在應(yīng)用層面，與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的用途完全相似，兩者最大不同在于傳輸資料的媒介不同。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在硬件架設(shè)、和應(yīng)用機(jī)動(dòng)性網(wǎng)絡(luò)更據(jù)優(yōu)勢(shì)。主要用3G、WIFI實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以讓人們擺脫有線(xiàn)的束縛，更便捷、更自由的溝通。1無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的誕生美國(guó)Starbucks連鎖店2001年加入MobileStar成為第一個(gè)提供Wi-Fi Internet接入服務(wù)的零售業(yè)主。用戶(hù)可到Starbucks的Card Rewards站點(diǎn)注冊(cè)，向顧客提供每天兩個(gè)小時(shí)的免費(fèi)Wi-Fi接入。隨后咖啡辦公成為時(shí)尚。2無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)計(jì)算的進(jìn)化普適計(jì)算（Ubiquito

2、us computing 或 pervasive computing），又稱(chēng)普存計(jì)算、普及計(jì)算，是一個(gè)強(qiáng)調(diào)和環(huán)境融為一體的計(jì)算概念，而計(jì)算機(jī)本身則從人們的視線(xiàn)里消失。在普適計(jì)算的模式下，人們能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、以任何方式進(jìn)行信息的獲取與處理。計(jì)算的進(jìn)化第一代，主機(jī)型計(jì)算（Mainframe computing）很多人共享一臺(tái)大型機(jī)第二代，個(gè)人機(jī)計(jì)算（personal computing）一個(gè)人在一臺(tái)電腦上第三代，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算（internet computing）一個(gè)人使用在互聯(lián)網(wǎng)上的很多服務(wù)第四代，普適計(jì)算（pervasive computing）許許多多的設(shè)備通過(guò)全球網(wǎng)絡(luò)為許多人提供人格

3、化（個(gè)性化）的服務(wù)3無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議模型不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所重點(diǎn)關(guān)注的協(xié)議層次不同。無(wú)線(xiàn)頻譜管理的復(fù)雜性，也導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議也是一個(gè)重點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在共享訪(fǎng)問(wèn)介質(zhì)的問(wèn)題，所以和傳統(tǒng)有線(xiàn)局域網(wǎng)一樣，數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC協(xié)議是所有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重點(diǎn)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)一般不存在路由的問(wèn)題，所以它們沒(méi)有制定網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，主要采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議，而無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)則需重點(diǎn)研究。 4無(wú)線(xiàn)傳輸媒體傳輸媒體是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理路徑。傳輸媒體可分為：導(dǎo)向的(guided)：電磁波被引導(dǎo)沿某一固定媒體前進(jìn)，例如雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖。非導(dǎo)向的(unguided)：提

4、供傳輸電磁波信號(hào)的手段，但不引導(dǎo)電磁波傳播的方向，這種傳輸形式被稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)傳播(wireless transmission)，如大氣和外層空間。5典型的無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)字性能 無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)闹饕獡p耗來(lái)源于衰減。無(wú)線(xiàn)的損耗公式：傳輸?shù)膿p耗隨距離的平方而變化 而雙絞線(xiàn)與同軸電纜的損耗隨距離的指數(shù)變化。因此無(wú)線(xiàn)的中繼設(shè)備比電纜的中繼設(shè)備可以放得更遠(yuǎn)。有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的損耗與距離的關(guān)系式為：L=Ed 其中d代表距離，E代表其他關(guān)系變量。6典型的無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)字性能 損傷的另一個(gè)原因是干擾，隨著無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的不斷增多，傳輸區(qū)域重疊，干擾始終是一個(gè)威脅。因此，頻帶的分配需要嚴(yán)格控制。 （ITU-R）頻率越高衰減越大，較高的微波頻率

5、對(duì)長(zhǎng)途傳輸沒(méi)有什么用處，但卻非常適用于近距離傳輸。頻率越高，使用的天線(xiàn)就越小、越便宜。7無(wú)線(xiàn)電波廣播無(wú)線(xiàn)電波是全向性的，不要求使用定向天線(xiàn)，天線(xiàn)也無(wú)須嚴(yán)格地安裝到一個(gè)精確地校準(zhǔn)位置上。無(wú)線(xiàn)電波(Radio) 是籠統(tǒng)術(shù)語(yǔ)，一般頻率范圍為3KHz300GHz。非正式術(shù)語(yǔ)廣播無(wú)線(xiàn)電波：30MHz1GHz，該頻段是廣播通信的有效頻段，應(yīng)用廣泛。電離層對(duì)30MHz以上頻率的電磁波沒(méi)有干擾；雨雪對(duì)低于1 GHz以下頻率的電磁波沒(méi)有衰減；根據(jù)衰減公式，波長(zhǎng)越大衰減越小廣播無(wú)線(xiàn)電波損傷的一個(gè)主要來(lái)源是多路徑干擾。 來(lái)自多條路徑不同延遲的信號(hào)重疊 。電視信號(hào)被飛機(jī)阻擋后出現(xiàn)重影。8天線(xiàn)天線(xiàn)（antenna)是一

6、種變換器，它把傳輸線(xiàn)上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無(wú)界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。天線(xiàn)可看作一條電子導(dǎo)線(xiàn)或?qū)Ь€(xiàn)系統(tǒng)，在無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中用來(lái)發(fā)射或接收電磁波的部件，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸最基本的設(shè)備。同一天線(xiàn)作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線(xiàn)的互易定理。主要任務(wù)：發(fā)送時(shí)，將無(wú)線(xiàn)電頻率電能轉(zhuǎn)換為電磁能輻射到周?chē)沫h(huán)境中；接收時(shí)，將撞擊到天線(xiàn)上的電磁能轉(zhuǎn)化為無(wú)線(xiàn)電頻率的電能，合成到接收器中。9輻射模式輻射模式的實(shí)際大小是任意的，重要的是每個(gè)方向上與天線(xiàn)位置的距離，相對(duì)距離決定相對(duì)功率。全向天線(xiàn)（各向同性天線(xiàn)）：輻射模式為以天線(xiàn)為中心的球體，各方向輻射功率相同。有向天線(xiàn)：所指

7、方向的功率最大。10天線(xiàn)類(lèi)型1、偶級(jí)天線(xiàn)：半波偶極、1/4波垂直天線(xiàn)。半波偶極天線(xiàn)：由等長(zhǎng)度的兩個(gè)在同一直線(xiàn)上的導(dǎo)線(xiàn)組成，兩條導(dǎo)線(xiàn)由一個(gè)小的供電間隙分開(kāi)，天線(xiàn)長(zhǎng)度是可最有效傳輸?shù)男盘?hào)波長(zhǎng)的一半。求2.4Ghz天線(xiàn)的長(zhǎng)度，因?yàn)閏=f (c：波傳播速度,：波長(zhǎng),：頻率), =c/f=300000000m/s2.4GHz=300000000m/s2400000000Hz=0.125m11天線(xiàn)類(lèi)型偶級(jí)天線(xiàn)：半波偶極、1/4波垂直天線(xiàn)。1/4波偶極天線(xiàn)：天線(xiàn)長(zhǎng)度是可最有效傳輸?shù)男盘?hào)波長(zhǎng)的1/4，是汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電和便攜無(wú)線(xiàn)電中最常見(jiàn)的類(lèi)型。12移動(dòng)環(huán)境中的衰退-多徑傳播對(duì)于視距傳輸，衍射和散射信號(hào)不重要對(duì)于非

8、視距傳輸，衍射和散射是接收的主要手段13多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念Christian Doppler而命名的。多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀(guān)察者時(shí)頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀(guān)察者時(shí)頻率變低。當(dāng)觀(guān)察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。假設(shè)原有波源的波長(zhǎng)為，波速為c，觀(guān)察者移動(dòng)速度為v，當(dāng)觀(guān)察者走近波源時(shí)觀(guān)察到的波源頻率為(v+c)/，如果觀(guān)察者遠(yuǎn)離波源，則觀(guān)察到的波源頻率為(v-c)/。 14數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與模擬信號(hào)調(diào)幅ASK:用載波頻率的兩個(gè)不同振幅表示二個(gè)二進(jìn)制值。容易受增益變化的影響，效率較低（在語(yǔ)音線(xiàn)路上只能達(dá)到1200bps）調(diào)頻FSK:載波的頻率隨數(shù)字信號(hào)改變，而載波的幅度保持恒定?？捎孟薹飨?/p>

9、聲干擾,容易實(shí)現(xiàn)（modem）調(diào)相PSK:用載波的不同相位直接表示數(shù)字信息。15多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的關(guān)鍵把多路信號(hào)匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信號(hào)。分割信號(hào)的依據(jù)利用信號(hào)之間的差別信號(hào)頻率上的不同信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間上的不同信號(hào)碼型結(jié)構(gòu)上的不同16微波擴(kuò)頻通信技術(shù)擴(kuò)頻通信技術(shù)在1941年由好萊塢女演員Hedy Lamarr和鋼琴家George Antheil提出的。基于對(duì)魚(yú)雷控制的安全無(wú)線(xiàn)通信的思路他們申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利#2.292.387。當(dāng)時(shí)該技術(shù)并沒(méi)有引起美國(guó)軍方的重視，直到19世紀(jì)80年代才引起關(guān)注將它用于敵對(duì)環(huán)境中的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。典型應(yīng)用是GPS、3G移動(dòng)通信、WLAN

10、和Bluetooth。擴(kuò)頻技術(shù)也為提高無(wú)線(xiàn)電頻率的利用率提供幫助(無(wú)線(xiàn)電頻譜有限，昂貴的資源)；隨著CDMA技術(shù)在通訊領(lǐng)域的成功Hedy Lamarr被譽(yù)為CDMA之母。17Wi-Fi聯(lián)盟的作用1999年無(wú)線(xiàn)以太兼容性聯(lián)盟(WECA)成立，后更名無(wú)線(xiàn)聯(lián)盟(Wi-Fi )，建立了用于驗(yàn)證802.11b產(chǎn)品互操作能力的一套測(cè)試程序；2004年起，驗(yàn)證的802.11b產(chǎn)品使用名稱(chēng)是Wi-Fi。Wi-Fi認(rèn)證已擴(kuò)展到802.11g、802.11n；在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的采納和市場(chǎng)化推進(jìn)中，起到了主導(dǎo)作用。 18IEEE 802.11n2009年發(fā)布，采用了MIMO-OFDM技術(shù)進(jìn)行了物理層的擴(kuò)充，使用多個(gè)

11、發(fā)射和接收天線(xiàn)來(lái)允許更高的數(shù)據(jù)傳輸率;支持在標(biāo)準(zhǔn)帶寬(20MHz)上的速率包括有 ：7.2, 14.4, 21.7, 28.9, 43.3, 57.8, 65, 72.2Mbps 。使用2*MIMO時(shí)速度最高為300Mbps。 802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當(dāng)使用40MHz帶寬和4*MIMO時(shí)，速度最高可達(dá)600Mbps;信道頻段： 2.4GHz或5GHz兼容性：全面兼容802.11a/b/g192.4GHz/5GHz雙頻帶20可靠的數(shù)據(jù)傳遞IEEE 802.11使用幀交換協(xié)議。噪聲、干擾會(huì)導(dǎo)致丟幀。傳統(tǒng)TCP丟幀處理能力弱。措施：當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)收到從另一個(gè)站點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀時(shí)，它向源

12、站點(diǎn)返回一個(gè)確認(rèn)(ACK)幀。如果因?yàn)閿?shù)據(jù)幀被損壞或因?yàn)榉祷氐腁CK被損壞，源站點(diǎn)在一個(gè)短的時(shí)間周期中沒(méi)有收到ACK，它會(huì)重發(fā)該幀。21DCF分布協(xié)調(diào)功能DCF利用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)機(jī)制:載波偵聽(tīng)（CSMA）如果介質(zhì)為空，則節(jié)點(diǎn)傳輸幀；如果介質(zhì)為忙，則等待直到當(dāng)前傳輸完全結(jié)束。沖突避免（Collision Avoidance）隨機(jī)后退算法優(yōu)先級(jí)確認(rèn)協(xié)議IFS:InterFrame Space幀間間隔22DCF分布協(xié)調(diào)功能23指數(shù)后退算法(Backoff)當(dāng)空閑時(shí)間 IFS，立即傳輸當(dāng)介質(zhì)

13、忙，延遲直到當(dāng)前傳輸結(jié)束+ IFS時(shí)間開(kāi)始隨機(jī)后退過(guò)程選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)( 0, Cwindow)使用偵聽(tīng)傳輸線(xiàn)路是否變忙變忙：計(jì)時(shí)器停止，線(xiàn)路空閑后恢復(fù)后退過(guò)程；未變忙：發(fā)送數(shù)據(jù)；使用后退過(guò)程延遲發(fā)送的目的在于避免多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)傳輸引起的沖突。24指數(shù)后退算法(Backoff)-競(jìng)爭(zhēng)窗口當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大時(shí)競(jìng)爭(zhēng)窗口越小，節(jié)點(diǎn)選擇的隨機(jī)值越接近。導(dǎo)致太多的沖突當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)競(jìng)爭(zhēng)窗口越大，節(jié)點(diǎn)等待時(shí)間越長(zhǎng)。導(dǎo)致不必要的延遲指數(shù)后退算法：競(jìng)爭(zhēng)窗口初始化為某個(gè)最小值，發(fā)生沖突時(shí)加大窗口。直到達(dá)到最大值。25802.11的時(shí)序間隔802.11MAC協(xié)議定義了5類(lèi)時(shí)序間隔：兩種由物理層決定：短幀空間(SIFS)和時(shí)

14、隙 (slot time)?；谝陨蟽煞N基本的時(shí)序間隔：優(yōu)先級(jí)幀間空間(PIFS)、分散幀間空間(DIFS)和擴(kuò)展幀間空間(EIFS)。 SIFS是最短的時(shí)序間隔，其次為時(shí)隙。時(shí)隙可視為MAC協(xié)議操作的時(shí)間單元，對(duì)于 802.11b網(wǎng)絡(luò)，SIFS和時(shí)隙分別為10和20s。PIFS等于SIFS加1個(gè)時(shí)隙，而DIFS等于SIFS加2個(gè)時(shí)隙。EIFS比上述4類(lèi)時(shí)序間隔都長(zhǎng)得多，通常在當(dāng)收到的數(shù)據(jù)幀出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)才使用。26優(yōu)先級(jí)控制等待時(shí)間的參數(shù) 用不同幀間隔定義優(yōu)先級(jí)SIFS (Short IFS)PIFS (PCF IFS)DIFS (DCF IFS)27核心協(xié)議(core protocol)形成五

15、層棧(1)無(wú)線(xiàn)電(radio)：確定包括頻率、跳頻的使用、調(diào)制模式和傳輸功率在內(nèi)的空中接口細(xì)節(jié)。(2)基帶(baseband)：考慮一個(gè)微微網(wǎng)中的連接建立、尋址、分組格式、計(jì)時(shí)和功率控制。(3)鏈路管理器協(xié)議(link manager protocol，LMP)：負(fù)責(zé)在藍(lán)牙設(shè)備和正在運(yùn)行的鏈路管理之間建立鏈路。這包括諸如認(rèn)證、加密及基帶分組大小的控制和協(xié)商等安全因素。(4)邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議(logical link control and adaptation protocol，L2CAP)：使高層協(xié)議適應(yīng)基帶層。L2CAP提供無(wú)連接和面向連接服務(wù)。(5)服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(service

16、discovery protocol，SDP)：詢(xún)問(wèn)設(shè)備信息、服務(wù)與服務(wù)特征，使得在兩個(gè)或多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間建立連接成為可能。28藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Core規(guī)范：描述了物理層、數(shù)據(jù)鏈路控制以及管理功能；Profile規(guī)范：規(guī)定了與傳統(tǒng)/新應(yīng)用相適配的協(xié)議和功能。29MANET節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主機(jī)：面向移動(dòng)用戶(hù)，完成數(shù)據(jù)處理等功能。路由器：負(fù)責(zé)路由選擇、轉(zhuǎn)發(fā)用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)功能。無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置：完成數(shù)據(jù)傳輸功能。AD Hoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題：如何發(fā)現(xiàn)、收集和使用拓?fù)湫畔⑿纬珊侠淼木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。30MANET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)（完全分布式）所有節(jié)點(diǎn)的地位平等層次結(jié)構(gòu)（分層分布式）網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇（cluster）一個(gè)簇頭和多

17、個(gè)簇成員組成簇頭可形成更高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)31MANET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單：所有節(jié)點(diǎn)能力相同，如：網(wǎng)絡(luò)控制、路由選擇、流量管理；健壯：只要存在一條路徑就能通信；相對(duì)安全：節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍較小。平面結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)路由開(kāi)銷(xiāo)大：節(jié)點(diǎn)數(shù)目多移動(dòng)性強(qiáng)的環(huán)境下，維持網(wǎng)絡(luò)最新拓?fù)涞目刂崎_(kāi)銷(xiāo)大；可擴(kuò)充性差：節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多系統(tǒng)效能會(huì)大大降低。32MANET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：Cluster成員功能簡(jiǎn)單；路由信息局部化，減少路由協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)；節(jié)點(diǎn)定位簡(jiǎn)單；可擴(kuò)展性好；抗毀性好。層次結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)Cluster頭需要選擇；所有傳輸都通過(guò)頭，路由不一定最短；Cluster頭是瓶頸。與有線(xiàn)網(wǎng)區(qū)別：簇頭也是從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生

18、，而非專(zhuān)用。33移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層在移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、無(wú)線(xiàn)信道脆弱、缺乏中心協(xié)調(diào)機(jī)制是在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)必須仔細(xì)考慮的問(wèn)題。 目前有以下三類(lèi)：競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議(Contention Protocol)；分配協(xié)議(Allocation Protocol )；混合協(xié)議(Hybrid Protocol)(競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議和分配協(xié)議的組合協(xié)議)。 34移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議(Contention Protocol)：使用直接競(jìng)爭(zhēng)來(lái)決定信道訪(fǎng)問(wèn)權(quán)，通過(guò)重傳機(jī)制解決碰撞問(wèn)題；目前有以下四種協(xié)議：1ALOHA協(xié)議；2載波偵聽(tīng)多址訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(CSMA)；3基于控制分組握手的訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議；4. 忙音類(lèi)多址訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議。35移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層基于控制分組握手的訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議:(1)多址訪(fǎng)問(wèn)與碰撞回避(MACA)協(xié)議:發(fā)送數(shù)據(jù)前先向接收者發(fā)送RTS幀，幀中包含將要發(fā)送的分組的長(zhǎng)度；接收者收到RTS后，回送CTS幀，并將長(zhǎng)