第1章-第1讲 无线网络技术概述

1.1无线网络技术概述网络技术快速发展，人们的需求不断提高，移动计算技术更加得到青睐。无线网络的优越性：可移动性，低成本，特殊环境应用可移动性：工作终端的移动，整个网络的移动低成本：不需无线介质，不需假设，不需维护特殊环境应用：移动办公，紧急救灾，跨越障碍，建筑保护无线网络技术是实现6A梦想/移动计算/普适计算(UbiquitousComputing)的核心技术。无线技术：无线网络、无线设备、无线标准和无线网络安全引言一、无线网络无线网络是无线设备之间以及无线设备与有线网络之间的一种网络结构。新技术层出不穷、新名词是应接不暇从无线局域网、无线个域网、无线体域网、无线城域网到无线广域网从移动AdHoc网络到无线传感器网络、无线Mesh网络从Wi-Fi到WiMedia、WiMAX从IEEE802.11、IEEE802.15、IEEE802.16到IEEE802.20从固定宽带无线接入到移动宽带无线接入从蓝牙到红外、HomeRF，从UWB到ZigBee、CDMA到3G、超3G、4G......无线网络的分类（技术主流）从无线网络覆盖范围的角度看，有无线个域网、无线局域网、无线城域网、无线广域网和移动AdHoc网络(可以归到无线局域网范畴)从无线网络应用的角度看，有无线传感器网络、无线Mesh网络等*无线个人网主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访问本地外围设备，如打印机等。目前主要技术包括蓝牙（Bluetooth）和红外（IrDA）。*无线局域网主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。目前主要技术为802.11系列。*无线城域网无线城域网主要是通过移动电话或者车载装置进行的移动通信，可以覆盖城市中的大部分地区。代表技术是2002年提出的IEEE802.20。无线广域网主要通过移动通信卫星进行数据通信的网络，其覆盖范围最大，可以是一个国家或者全球。目前全球的无线广域网主要采用两大技术――分别是GSM及CDMA技术，预计将来这两套技术仍将以平行的步调发展，逐步向3G、超3G技术过渡，可以达到384k~2Mbps。无线网络应用方案PAN(PersonalAreaNetwork)LAN(LocalAreaNetwork)WAN(WideAreaNetwork)MAN(MetropolitanAreaNetwork)PANLANMANWAN蓝牙端到端小1Mbps802.11a,11b,11gGB156929.11企业网络中2–54+Mbps802.16无线城市中-大22+MbpsGSM,GPRS,CDMA,2.5–3G移动电话大10–384Kbps标准传输速率覆盖区域应用1、移动AdHoc网络移动AdHoc网络由一组无线移动节点组成，是一种不需要依靠现有固定通信网络基础设施的、能够迅速展开使用的网络体系，所需人工干预最少，是没有任何中心实体、自组织、自愈的网络。各个网络节点相互协作、通过无线链路进行通信、交换信息，实现信息和服务的共享。网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和离开网络，而常常不需要事先示警或通知，而且不会破坏网络中其他节点的通信。从应用角度来分类单跳AdHoc通信的—个例子多跳AdHoc通信的一个例子2、无线传感器网络的体系结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器网络体系结构传感器节点结构传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。3、无线Mesh网络WMN的出现是应用需求直接推动的结果。传统的基于基站方案的无线通信系统是通过“最后一公里”的无线接入，无法适应业务需求的增长。蜂窝移动通信系统的出现，大大缓解了用户业务与系统资源之间的矛盾。但只适用于人口稠密、有永久用户业务需求的地区。移动AdHoc网络技术一直在悄悄地与蜂窝移动通信技术平行发展；但在相当长的一段时期内并没有在民用通信领域得到很好的应用。无线局域网有效延伸了因特网的覆盖范围，但是商业化进程在很多地区并不成功。技术上也无法做到像蜂窝网络一样无处不在的信号覆盖。WMN技术应运而生为了能够实现无线通信中无处不在的通信目标，需要基于移动AdHoc网络的技术基础，开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术，WMN技术就随着这一需求而出现。移动AdHoc网络和WMN技术的发展始终与一些成熟的技术与标准(如WLAN、WiMAX)，从而构成大规模的可伸缩性无线网络。下一代无线网络(或4G无线网络)不再是一种全新的单一结构的网络技术，而是多种无线网络技术的融合，是一种多级网络形态。传统基站方案的无线通信系统WMN结构示意图WMN与移动AdHoc网络、WLAN和WBAN的关系示意图移动AdHoc网络向无线Mesh网络的演进移动AdHoc网络和WMN技术的发展始终与一些成熟的技术与标准(如WLAN、WiMAX)，从而构成大规模的可伸缩性无线网络下一代无线网络(或4G无线网络)不再是一种全新的单一结构的网络技术，而是多种无线网络技术的融合，是一种多级网络形态。二、无线设备与无线技术标准为了能够统一各商家的无线网络设备，推动无线网络的快速发展，国际化标准组织开始考虑制定无线网络技术标准，用于规范网络的介质访问控制和物理层，如规范工作频率、带宽、速率、调频技术等。主要有两大体系，一为IEEE802.11系列标准，而另一个为欧洲指定的HiperLAn系列标准。1、IEEE802.11的无线局域网标准802.11a802.11b802.11g标准确立日期1999．91999．9仍在开发工作频段5.150-5.350GHz5.470-5.850GHz2.400-2.483GHz2.400-2.483GHz频宽580MHz83.5MHz83.5MHz互不重迭频道数量13（U.S）19（Europe）33数据速率6，9，12，18，24，36，48，54Mbps1，2，5.5，11Mbps6，9，12，18，24，36，48，54MbpsUDP数据吞量30.9Mbps7.1Mbps16.4Mbps2、802.16标准进程无线城域网技术是因宽带无线接入(BWA)的需求而来1999年，IEEE802局域网(LAN)/城域网(MAN)成立了802.16工作组来专门研究宽带无线接入标准。IEEE802.16.1负责制定频率范围在10~66GHz的无线接口标准IEEE802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准IEEE802.16.3负责制定频率范围在2~11GHz之间无线接口标准WiMAX论坛成立，在全球范围内推广802.16协议。IEEE802.16d协议IEEE802.16d是目前所有标准中相对比较成熟并且最具实用性的一个版本。IEEE802.16协议中定义了两种网络结构：点到多点(PMP)结构和网格(Mesh)结构。802.16系统的移动性IEEE802.16e是基于IEEE802.16d标准的，能够后向兼容IEEE802.16d的功能为了支持移动性，其工作频段为2~66GHz，支持车速移动(通常认为是120km/h)。在物理层技术方面，802.16e除了支持单载波方式、OFDM方式、OFDMA方式以外，还对OFDMA方式进行了扩展。3、802.20标准进展IEEE802.20技术也被称之为Mobile-Fi。最初由IEEE802.16工作组于2002年3月提出的。2002年9月，IEEE802.20工作组正式成立。IEEE标准协会(IEEE-SA)标准委员会2006年6月15日宣布，暂停IEEE802.20工作组的一切活动(发布资料和PDF格式文档)。2006年11月13日，IEEE802.20工作组在美国德克萨斯州达拉斯召开了全体会议(PlenaryMeeting)，重新开始了标准制定活动。尽管举步为艰，但是我们认为IEEE802.20应该是前途光明，因为需求永远是拉动技术进步的最大动力。802.20技术特性在物理层技术上，以OFDM和MIMO为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，大大提高了系统的频谱效率在设计理念上，基于分组数据的纯IP架构应对突发性数据业务的性能也优于现有的3G技术，与3.5G(HSDPA、EV-DO)性能相当。另外，在实现、部署成本上也具有较大的优势。IEEE802.20秉承了IEEE802协议族的纯IP架构。纯IP架构，与3GPP和3GPP2所提出的全IP概念有所不同——前者是核心网和无线接入网都基于IP传输，而后者仅仅实现了核心网的IP化。设计架构的差异使802.20与其它3G技术相比具有明显的优势。系统性能指标参数目标值移动性最高达250km/h频谱效率1bit/s/Hz/cell工作频率3.5GHz的许可频段单小区覆盖半径15km(广域网)带宽1.25MHz5MHz用户峰值速率(下行)1Mb/s4Mb/s用户峰值速率(上行)300kb/s1.2Mb/s单小区峰值速率(下行)4Mb/s16Mb/s单小区峰值速率(上行)800kb/s3.2Mb/s双工方式FDD和TDDMAC帧往返时延(RTT)10ms安全模式AES(高级加密标准)802.20与其它技术间的关系与802.11、802.16间的关系上述标准主要是针对牧游式的无线接入，提供步行速率的移动性。802.20的目标市场定位于无线广域网，强调它对高速移动性的支持。三种技术存在很强的互补性。若将它们混合组网，取长补短，将是一种非常好的全网覆盖解决方案。IEEE802.20与3G技术的对比IEEE802.203G目标市场1．高移动性、高吞吐量数据应用2．对称数据服务3．对数据服务时延敏感度要求高4．全球移动和漫游1．高移动性、语音业务和低速率数据应用2．非对称数据服务3．对数据服务时延敏感度要求低4．全球移动和漫游技术特点1．全新的空中接口(物理层和MAC层)2．属于广域网技术3．以OFDM、MIMO为物理层核心技术4．工作于3.5GHz以下的许可频段5．典型信道带宽小于5MHz6．纯IP架构7．主要针对移动多媒体应用8．高效的上下行数据传输效率9．低时延架构1．基于GSM或IS-41的演进，已有较成熟的空中接口(WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA)2．属于广域网技术3．以CDMA为物理层核心技术4．工作于2.7GHz以下的许可频段5．典型信道带宽小于5MHz6．以基于电路交换的架构为主7．主要针对移动语音业务8．数据传输效率下行一般，上行较低9．高时延架构三、无线网络安全问题随着无线网络技术及其应用的迅速发展，网络通信的安全问题成为制约其发展的一个主要因素。与传统有线网络相比，无线网络的安全问题主要体现在以下几个方面:1）信道开放，无法阻止攻击者的非法接入、窃听、篡改及内容转发；2）环境开放，无线网络使用电磁波作为传输媒介，因此在任何有效覆盖范围内，任何无线客户端都可以接受到信息，而且容易受到信号干扰；3）资源的有限性，无线设备往往是在存储能力、计算能力、带宽和电源供电有限的，这使得在有线环境下的许多安全方案和技术不能直接应用到无线环境下。