第7章无线宽带网络

第7章无线宽带网络内容提要无线宽带技术覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。本章将以Wi-Fi和WiMAX为例讨论无线宽带技术。内容回顾•第6章介绍了互联网的基础知识•互联网的基本元素和常见接入方式•互联网的分层体系结构•应用层、传输层和网络层的常见协议•本章重点介绍无线网络的组成元素和特点，着重以IEEE802.11和IEEE802.16为例介绍无线局域网技术和无线城域网技术两种无线宽带网络技术的架构和特点。本章内容7.1概述：无线网络7.2Wi-Fi：无线局域网7.3WiMAX：无线城域网7.4展望：无线物联世界无线网络的基本元素有哪些？无线宽带网络包含哪几种无线网络？无线网络的组成元素？公共基础网络无线网络用户r手机，PDA，传感器，……r可无线通信。r可获取有效信息。无线网络的组成元素？公共基础网络基站r将用户与公共基础网络相连的设备。蜂窝塔（CellTower）WiFi接入点（AccessPoint）r根据不同协议，覆盖范围及传输速率不同。无线网络的组成元素？公共基础网络无线连接r用户与基站、用户与用户或基站与基站之间的数据传输通路。r以无线电波、光波为载体。r支持多种多样的传输速率和传输距离。无线网络的组成元素？自组网r无须基站。用户之间通过自组织的方式形成自组网（Ad-hocNetwork）。r地址指派、路由选择等功能由用户自身完成。7.1概述：无线网络分类7.1概述：无线网络→无线宽带网络传统宽带网络定义：带宽超过1.54Mbps（T1网络带宽）的网络可称为宽带网络。根据无线网络分类，则无线宽带网络包括：•Wi-Fi：无线局域网•WiMAX：无线城域网•3G：无线广域网•UWB：超宽带无线个域网7.1概述：无线连接的特点•信号强度衰减无线信号能量随着传输距离增长而减弱。•非视线传输若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则称其为非视线传输。无线信号可能会被阻挡物吸收或迅速衰减。•信号干扰相同无线频段的信号会相互干扰，例如2.4GHz。外部环境的电磁噪声，例如微波炉、汽车、高压电线。•多径传播无线信号由于阻挡物的反射和折射，到达接收端的时间可能略微不同。无线宽带网络和有线宽带网络的主要区别在于数据链路层和物理层。7.1概述：无线连接的特点（续）隐藏终端（HiddenTerminal）问题A，B之间可通讯C，B之间可通讯A，C之间不可通讯A，C可能同时向B传输且意识不到彼此之间的干扰ABC无线连接的特点导致的有线信道中不存在的问题：本章内容7.1概述：无线网络7.2Wi-Fi：无线局域网7.3WiMAX：无线城域网7.4展望：无线物联世界IEEE802.11的架构如何？物理层和数据链路层技术有哪些特点？7.2Wi-Fi：无线局域网Wi-Fi（WirelessFidelity）是由Wi-Fi联盟(Wi-FiAlliance)所持有的一个无线网路通信技术品牌，目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。随着IEEE802.11a及IEEE802.11g等标准的出现，现在IEEE802.11这个标准已被统称作Wi-Fi。IEEE802.11是IEEE制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组相继推出了一系列802.11标准。不同802.11协议的差异主要体现在使用频段，调制模式和信道差分等物理层技术上。802.11无线局域网的发展802.11无线局域网的发展尽管物理层使用技术差异很大，一系列IEEE802.11协议的上层架构和链路访问协议是相同的。如MAC层都使用带冲突预防的载波监听多路访问（CSMA/CA）技术，数据链路层数据帧结构相同以及都支持基站和自组织两种组网模式。下面逐一介绍这些共性。802.11架构路由器基本服务组BSS1基本服务组BSS2上层网络（因特网等）接入点AccessPoint掌上电脑PDA笔记本电脑台式机802.11架构：组成部分基本服务组（BasicServiceSet，BSS）是802.11架构中最重要的组成部分。•基站模式无线用户（笔记本电脑、PDA、台式机等）：通过与接入点相关联获取上层网络数据。接入点（基站）：通过有线网络设备（交换机/路由器）连入上层公共网络。“无线路由器”是接入点和路由器功能的结合体。•自组织模式无线用户：每个无线网络用户既是数据交互的终端也是数据传输过程中的路由。802.11架构：信道、关联及扫描•信道：802.11b/g：将85MHz的频宽分为11个不同频段的信道。接入点管理者会为每个接入点指定信道。不相互干扰的信道中间须隔4个或4个以上其他信道•用户与接入点关联（基站模式）：接入点广播的“识别帧”（包含了接入点的MAC地址和服务集表示符）用户根据收到的“识别帧”选择与其中一个接入点建立关联•识别帧扫描方式：被动扫描，接入点周期性广播“识别帧”。主动扫描，首先无线用户主动广播“探测帧”，然后收到“探测帧”的接入点以“回应帧”响应，最后用户根据“回应帧”选择接入点。802.11介质访问控制协议介质访问控制协议的目的：避免多个用户同时访问信道CSMA：（CarrierSenseMultipleAccess）用户在发送数据之前先监听信道，信道占用则不发送数据。CA：（CollisionAvoidence）要求建立数据链路层确认/重传机制以避免冲突。CD：（CollisionDetected）检测冲突。802.11采用带冲突避免的载波监听多路访问协议（CSMA/CA)，而以太网采用带冲突检测的多载波监听多路访问协议（CSMA/CD）。无线局域网却不能简单地搬用CSMA/CD协议。•冲突侦测（CD）需要全双工（发送数据同时也可接受数据），硬件代价过高，无线网卡很难同时接收（冲突探测帧）和发送无线信号。•无线信号的衰减特性和隐藏终端问题使冲突很难被侦测。为什么802.11采用CSMA/CA？载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD•CSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。•“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。•“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。•总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。碰撞检测•“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。•当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。•当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。•所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。检测到碰撞后•在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。•每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。A的作用范围无线局域网的特殊问题C的作用范围ABCD当A和C检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hiddenstationproblem)B的作用范围无线局域网的特殊问题C的作用范围ADCB？B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题(exposedstationproblem)CSMA/CA协议•无线局域网不能使用CSMA/CD，而只能使用改进的CSMA协议。•改进的办法是将CSMA增加一个碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。•802.11就使用CSMA/CA协议。而在使用CSMA/CA的同时还增加使用确认机制。CSMA/CA：信道访问机制传输端接收端其它终端DIFS数据SIFS监听到信道繁忙不进行数据传输ACK传输端：•空闲信道若等待DIFS后信道仍空闲，开始传输数据。•繁忙信道随机退避若侦测到信道空闲，减少退避数值当退避时间结束后开始发送若没有收到ACK，增大退避间隔接收端：•接收到数据等待SIFS后发送ACKRTS和CTS机制：预留信道传输端其它终端DIFSSIFS信道被接入点为传输端保留RTSCTSSIFS数据SIFSACK接入点为了避免冲突和“隐藏终端”，发送端可以请求预留信道而不是随机访问，通过RTS（RequesttoSend）和CTS（CleartoSend）实现。•发送端使用CSMA/CA向接入点发送RTS•接入点广播CTS•接收到CTS的用户RTS发送者发送数据其它用户延后其发送A的作用范围B的作用范围2.对信道进行预约•802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。ACBDERTSRTS源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS(RequestToSend)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。A的作用范围B的作用范围2.对信道进行预约•802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站B就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS(ClearToSend)，它包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧中将此持续时间复制到CTS帧中）。A收到CTS帧后就可发送其数据帧。RTS和CTS机制：预留信道（续）•虽然RTS可能会冲突，但由于RTS很短，冲突概率较小。但是同时会增加传输延时和降低信道利用率。•RTS和CTS机制适用于冲突发生概率较高的情境中，如无线网络用户每次都需传输较长数据帧时。接入点AB数据(A)RTS冲突延后时间虚拟载波监听•虚拟载波监听(VirtualCarrierSense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。•“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。这种效果好像是其他站都监听了信道。•所谓“源站的通知”就是源站在其MAC帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。网络分配向量•当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV(NetworkAllocationVector)。•NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。802.11数据帧结构802.11数据帧结构（续）三个地址域（地址1-3）在无线基本服务组和上层网络数据交换中起了至关重要的作用，用于802.11数据帧和以太网数据帧格式中地址域的转换。本章内容7.1概述：无线网络7.2WiFi：无线局域网7.3WiMAX：无线城域网7.4展望：无线物联世界WiMAX技术架构如何？物理层和数据链路层技术有哪些特点？7.3WiMAX：无线城域网WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess）旨在为广阔区域内的无线网络用户提供高速无线数据传输业务，视线覆盖范围可达112.6千米，非视线覆盖范围可达40千米，带宽70Mbps，WiMAX技术的带宽足以取代传统的T1型和DSL型有线连接为企业或家庭提供互联网接入业务，可取代部分互联网有线骨干网络提供更人性化多样化的服务。与之对应的是一系列IEEE802.11协议。802.16的发展WiMAX架构•架构与802.11基站模式类似基站以点对多点连接为用户提供服务。这段被称为“最后一英里