物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論-第七章

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論IntroductiontoInternetofThings第7章無線寬帶網(wǎng)絡(luò)主講：尹小燕Email：yinxy@Basedonthecourseslidesof《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》，劉云浩編著，科學(xué)出版社西北大學(xué)/信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/網(wǎng)絡(luò)與信息安全實驗室中意大型遺址智能感知聯(lián)合實驗室/2012年8月1日內(nèi)容提要無線寬帶技術(shù)覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯(lián)網(wǎng)提供高速可靠廉價且不受接入設(shè)備位置限制的互聯(lián)手段。本章將以Wi-Fi和WiMAX為例討論無線寬帶技術(shù)。內(nèi)容回顧第6章介紹了互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)知識互聯(lián)網(wǎng)的基本元素和常見接入方式互聯(lián)網(wǎng)的分層體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的常見協(xié)議本章重點介紹無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素和特點，著重以IEEE802.11和IEEE802.16為例介紹無線局域網(wǎng)技術(shù)和無線城域網(wǎng)技術(shù)兩種無線寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的架構(gòu)和特點。本章內(nèi)容7.1

概述：無線網(wǎng)絡(luò)7.2Wi-Fi：無線局域網(wǎng)7.3WiMAX：無線城域網(wǎng)7.4展望：無線物聯(lián)世界無線網(wǎng)絡(luò)的基本元素有哪些？無線寬帶網(wǎng)絡(luò)包含哪幾種無線網(wǎng)絡(luò)？無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)用戶手機，PDA，傳感器，……可無線通信?？色@取有效信息。無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

基站將用戶與公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備。蜂窩塔（CellTower）WiFi接入點（AccessPoint）根據(jù)不同協(xié)議，覆蓋范圍及傳輸速率不同。無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)

無線連接用戶與基站、用戶與用戶或基站與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸通路。以無線電波、光波為載體。支持多種多樣的傳輸速率和傳輸距離。無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？自組網(wǎng)無須基站。用戶之間通過自組織的方式形成自組網(wǎng)（Ad-hocNetwork）。地址指派、路由選擇等功能由用戶自身完成。7.1概述：無線網(wǎng)絡(luò)分類1802.11n使用4*MIMO時速度最高為300Mbps,802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當(dāng)使用40MHz帶寬和4*MIMO時，速度最高可達(dá)600Mbps/wiki/IEEE_802.11#IEEE_802.11nIEEE802.11n7.1概述：無線網(wǎng)絡(luò)→無線寬帶網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)寬帶網(wǎng)絡(luò)定義：帶寬超過1.54Mbps（T1網(wǎng)絡(luò)帶寬）的網(wǎng)絡(luò)可稱為寬帶網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)分類，則無線寬帶網(wǎng)絡(luò)包括：Wi-Fi：無線局域網(wǎng)WiMAX：無線城域網(wǎng)3G：無線廣域網(wǎng)UWB：超寬帶無線個域網(wǎng)1802.11n使用4*MIMO時速度最高為300Mbps,802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當(dāng)使用40MHz帶寬和4*MIMO時，速度最高可達(dá)600Mbps/wiki/IEEE_802.11#IEEE_802.11nIEEE802.11n7.1概述：無線連接的特點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(fā)送者與接收者之間的路徑部分被阻擋，則稱其為非視線傳輸。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會相互干擾，例如2.4GHz。外部環(huán)境的電磁噪聲，例如微波爐、汽車、高壓電線。多徑傳播無線信號由于阻擋物的反射和折射，到達(dá)接收端的時間可能略微不同。無線寬帶網(wǎng)絡(luò)和有線寬帶網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。7.1概述：無線連接的特點（續(xù)）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ABC無線連接的特點導(dǎo)致的有線信道中不存在的問題：本章內(nèi)容7.1概述：無線網(wǎng)絡(luò)7.2Wi-Fi：無線局域網(wǎng)7.3WiMAX：無線城域網(wǎng)7.4展望：無線物聯(lián)世界IEEE802.11的架構(gòu)如何？物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)有哪些特點？7.2Wi-Fi：無線局域網(wǎng)Wi-Fi（WirelessFidelity）是由Wi-Fi聯(lián)盟(Wi-FiAlliance)所持有的一個無線網(wǎng)路通信技術(shù)品牌，目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。隨著IEEE802.11a及IEEE802.11g等標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE802.11這個標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。IEEE802.11是IEEE制定的一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入。由于802.11在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，IEEE小組相繼推出了一系列802.11標(biāo)準(zhǔn)。不同802.11協(xié)議的差異主要體現(xiàn)在使用頻段，調(diào)制模式和信道差分等物理層技術(shù)上。802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展1802.11n使用4*MIMO時速度最高為300Mbps,802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當(dāng)使用40MHz帶寬和4*MIMO時，速度最高可達(dá)600Mbps/wiki/IEEE_802.11#IEEE_802.11nIEEE802.11n802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展盡管物理層使用技術(shù)差異很大，一系列IEEE802.11協(xié)議的上層架構(gòu)和鏈路訪問協(xié)議是相同的。如MAC層都使用帶沖突預(yù)防的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CA）技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)相同以及都支持基站和自組織兩種組網(wǎng)模式。下面逐一介紹這些共性。802.11架構(gòu)802.11架構(gòu)：組成部分基本服務(wù)組（BasicServiceSet，BSS）是802.11架構(gòu)中最重要的組成部分。基站模式無線用戶（筆記本電腦、PDA、臺式機等）：通過與接入點相關(guān)聯(lián)獲取上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。接入點（基站）：通過有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機/路由器）連入上層公共網(wǎng)絡(luò)?！盁o線路由器”是接入點和路由器功能的結(jié)合體。自組織模式無線用戶：每個無線網(wǎng)絡(luò)用戶既是數(shù)據(jù)交互的終端也是數(shù)據(jù)傳輸過程中的路由。802.11架構(gòu)：信道、關(guān)聯(lián)及掃描信道：802.11b/g：將85MHz的頻寬分為11個不同頻段的信道。接入點管理者會為每個接入點指定信道。不相互干擾的信道中間須隔4個或4個以上其他信道用戶與接入點關(guān)聯(lián)（基站模式）：接入點廣播的“識別幀”（包含了接入點的MAC地址和服務(wù)集標(biāo)識符）用戶根據(jù)收到的“識別幀”選擇與其中一個接入點建立關(guān)聯(lián)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，首先無線用戶主動廣播“探測幀”，然后收到“探測幀”的接入點以“回應(yīng)幀”響應(yīng)，最后用戶根據(jù)“回應(yīng)幀”選擇接入點。802.11介質(zhì)訪問控制協(xié)議介質(zhì)訪問控制協(xié)議的目的：避免多個用戶同時訪問信道CSMA：（CarrierSenseMultipleAccess）用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道，信道占用則不發(fā)送數(shù)據(jù)。CA：（CollisionAvoidence）沖突避免。CD：（CollisionDetected）檢測沖突。802.11采用帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CA)，而以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的多載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）。沖突偵測（CD）需要全雙工（發(fā)送數(shù)據(jù)同時也可接收數(shù)據(jù)），硬件代價過高，無線網(wǎng)卡很難同時接收（沖突探測幀）和發(fā)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。為什么802.11采用CSMA/CA？CSMA/CA：信道訪問機制傳輸端：空閑信道若等待DIFS后信道仍空閑，開始傳輸數(shù)據(jù)。繁忙信道隨機退避（設(shè)置計數(shù)器值）若偵測到信道空閑，減少退避數(shù)值當(dāng)退避時間結(jié)束后開始發(fā)送若沒有收到ACK，增大退避間隔接收端：接收到數(shù)據(jù)等待SIFS后發(fā)送ACKRTS和CTS機制：預(yù)留信道為了避免沖突和“隱藏終端”，發(fā)送端可以請求預(yù)留信道而不是隨機訪問，通過RTS（RequesttoSend）和CTS（CleartoSend）實現(xiàn)。發(fā)送端使用CSMA/CA向接入點發(fā)送RTS接入點廣播CTS接收到CTS的用戶RTS發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)其它用戶延后其發(fā)送RTS和CTS機制：預(yù)留信道（續(xù)）雖然RTS可能會沖突，但由于RTS很短，沖突概率較小。但是同時會增加傳輸延時和降低信道利用率。RTS和CTS機制適用于沖突發(fā)生概率較高的情境中，如無線網(wǎng)絡(luò)用戶每次都需傳輸較長數(shù)據(jù)幀時。接入點ABRTS(A)RTS(B)RTS(A)CTS(A)CTS(A)數(shù)據(jù)(A)ACK(A)ACK(A)RTS沖突延后時間802.11數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)802.11數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（續(xù)）三個地址域（地址1-3）在無線基本服務(wù)組和上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中起了至關(guān)重要的作用，用于802.11數(shù)據(jù)幀和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式中地址域的轉(zhuǎn)換。本章內(nèi)容7.1概述：無線網(wǎng)絡(luò)7.2WiFi：無線局域網(wǎng)7.3WiMAX：無線城域網(wǎng)7.4展望：無線物聯(lián)世界WiMAX技術(shù)架構(gòu)如何？物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)有哪些特點？7.3WiMAX：無線城域網(wǎng)WiMAX（Worldwid