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1、1无线网络技术第 1 章 绪论1、无线网络分类 从无线网络覆盖范围看 系统内部互连/无线个域网 无线局域网 无线城域网/广域网 从无线网络的应用角度看，还可以划分出 无线传感器网络 无线 Mesh 网络 无线穿戴网络 无线体域网等，这些网络一般是基于已有的无线网络技术，针对具体的应用而构建的无线网络。 2、无线局域网的分类 第一类是有固定基础设施的：预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站，采用 802.11 标准的 WLAN。如蜂窝移动电话。 最小构件是基本服务集（BSS） ，一个 BSS 包括一个基站和若干个移动站。 第二类是无固定基础设施的：没有预先建好的固定接入点（AP） ，

2、而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成临时网络。自组织网络/移动 Ad hoc 网络。 服务范围有限，一般也不与外界的其他网络连接。3、网络协议层次设计应注意的问题 分层时应注意使每一层的功能非常明确，层数适当。 层数太少，会使每一层协议太复杂 层数太多，会在描述和综合各层功能时太过分散 标识发送方和接收方的机制 数据传输的规则单向、双向、多逻辑信道 差错控制问题 报文到达顺序问题 流量控制问题 报文的拆分、传输、重组问题 多路复用和多路解复用问题 路由选择4、协议和服务的关系 协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 服务：由下层向上层通过层间接口（服务访问点，SAP）提供的功能

3、。 协议与服务的关系： 协议是水平的，服务是垂直的 服务是某一层内完成的能够被高一层利用的功能 两个对等实体（服务用户）通过协议进行通信，目的是为上一层提供服务5、无线网络的协议模型研究的重点是什么？2第 2 章 无线传输技术基础1、相关概念（1）传输媒体可分为导向的(guided)和非导向的(unguided)两类。（2）天线发射的信号重要属性：方向性。（3）无线传输的两种基本构造类型 定向结构：发射天线将电磁波聚集成波束后发射出去，因此，发射和接收天线必须精确校准。 全向结构：发送信号沿所有方向传播，并能够被多数天线接收到。（4）通常：低频信号为全向；高频信号为定向。（5）卫星传输的最佳频

4、率范围为 1GHz10GHz 。（6）地面微波频率范围为 2GHz40GHz（7）天线有五个基本参数：方向性系数、天线效率、增益系数、辐射电阻和天线有效高度。（8）天线增益的目的是为了定向性。（9）天线增益与有效面积的关系：（10）由天线辐射出去的信号以三种方式传播： 地波(ground wave)：地波传播或多或少要沿着地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视的地平线。 天波(sky wave)：天波信号可以通过多个跳跃，在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行。 直线 LOS(line of sight) ：当要传播的信号频率在 30MHz 以上时，天波与地波的传播方式均无法工作，

5、通信必须用直线方式。 （11）两个天线（两个天线的高度分别为 h1 和 h2）之间直线传播的最大距离是2、直线传输系统中的损伤 衰减和衰减失真(attenuation and attenuation distortion) 自由空间损耗(free space loss) 噪声(noise) 大气吸收(atmospheric absorption) 多径(multi path) 折射(refraction) 3、差错补偿机制 补偿因多路径衰退所导致的差错和失真的三种手段： 1前向纠错（forward error correction ） 2自适应均衡（adaptive equalization）

6、 3分集技术（diversity technology） 前向纠错的基本做法 发送器在每一个传输的数据块中添加很多附加的冗余位，形成纠错码，作为数据位的函数进行计算。 对每一个位块（数据加上纠错码） ，接收端通过数据位计算新的纠错码，与收到的纠错码比较，以判断传输中是否出错，若出错则纠正。4、分集技术 分集技术实现的前提：每个信道的衰退都是独立事件。 分集技术是指通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的（至少是高度不相关的）多径信号来实现。即如果一条无线传播路径中经历了深度衰退，而另一条相对独立的路径中可能仍224cAfGee )(57.321Khd3包含着较强的信号，因此可以在多个信号中选择

7、两个或更多的信号进行合并，这样可以同时提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，一般可提高 20dB 到 30dB。 5、常用的分集技术类型 频率分集（扩频技术）：指在多于一个频率上传送信号，其原理是基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰退。 空间分集（天线分集）：采用多付接收天线来接收信号，然后进行合并。为保证接收信号的不相关性，要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只需波长 的一半。 时间分集：对于一个随机衰退的信号，若对其振幅进行顺序取样，对时间间隔大于相干时间的两个样点是互不相关的。6、扩频技术 跳频扩频(frequency hopping spread spec

8、trum，FHSS)：信号用看似随机的无线电频率序列进行广播，并在固定间隔里从一个频率跳到另一个频率。接收器在接收消息时，也和发送器同步地从一个频率跳到另一个频率。 直接序列扩频(DSSS)：原始信号中的每一个位在传输信号中以多个位表示，该技术使用扩展编码。这种扩展编码将信号扩展到更宽的频带范围上，而这个频带范围与使用的位数成正比。第 3 章 无线局域网1、无线局域网的局限性(1)可靠性(Reliability) (2)带宽与系统容量(3)兼容性(Compatibility)与共存性(Coexistence)(4)覆盖范围(5)干扰(6)安全性(7)节能管理(8)多业务与多媒体(9)移动性(1

9、0)小型化、低价格2、无线局域网的需求 吞吐量(throughput) ：为了使容量最大化，媒体接入控制协议应尽可能高效地利用无线媒体。 节点数(number of nodes) ：可能需要在多个蜂窝区中支持上百个节点。 与骨干 LAN 的连接(connection to backbone LAN) 对于无线 LAN 的基础设施，可以使用控制模块相连。 对于移动用户和自组无线网络，也需提供相应的功能。 服务区域(service area) ：无线 LAN 一般的覆盖范围为直径 100m300m。 电池功率的消耗(battery power consumption) 当使用无线网卡时，要求移动节

10、点不间断地监视接入点或不停地与基站频繁握手的MAC 协议是不适当的。 因此，在不使用网络时，无线 LAN 应具有减少功率消耗的功能，如进入睡眠模式等。4 传输的安全性(transmission security) 无线 LAN 在传输中可能很容易被干扰和被窃听。 要求无线 LAN 的设计必须达到即使在噪音环境下仍有可靠的传输及应提供一些安全级别以避免被窃听。 越区切换/漫游(handoff/roaming) ：无线 LAN 中所用的 MAC 协议应使移动站点能由一个蜂窝区移到另一个蜂窝区。 无许可操作(license-free operation) ：用户更愿意购买和操作不需要对该 LAN 所

11、用频段给予安全许可的无线 LAN 产品。 动态配置(dynamic configuration) ：LAN 的 MAC 寻址和网管方面应允许动态的和自动的添加、删除，以及在不影响其他用户的情况下重定位终端系统。3、无线局域网的物理组成：站、无线介质、无线接入点、分布式系统 DS4、无线局域网的拓扑结构 从物理拓扑分类 单区网(single cell network, SCN)、多区网(multiple cell network, MCN) 从逻辑上分类 对等式、基础结构式和线型、星型、环型等 从控制方式方面分类 无中心分布式、有中心集中控制式5、基础结构 BSS 的优势（与 IBSS 相比）

12、基础结构 BSS 的覆盖范围或通信距离由 AP 确定 由于各站不需要保持邻居关系，其路由的复杂性和物理层的实现复杂度较低 AP 作为中心站，控制所有站点对网络的访问，当网络业务量增大时网络的吞吐性能和时延性能的恶化并不剧烈 可控性好：AP 可以很方便对 BSS 内的站点进行同步管理、移动管理和节能管理等 为接入 DS 或骨干网提供了一个逻辑接入点，并有较大的可伸缩性6、STA 服务包括： (1)认证(Authentication) 开放系统认证(open system authentication) 共享密钥认证(shared key authentication) (2)解除认证(Deaut

13、hentication) 它是通知型服务，不是请求型服务，不能被拒绝 (3)保密(Privacy) 有线等价保密(wired equivalent privacy, WEP)服务7、分布式系统服务包括： (1)联结(Association) 联结就是提供 STA 到 DS 的 AP 映射，它是支持 BSS 切换移动的必要条件。 在任一给定瞬间，一个 STA 仅可与一个 AP 联结，而一个 AP 通常可以在同一时间联结多个 STA。 (2)重新联结(Reassociation) 重新联结是用来完成联结从一个 AP 移动到另一个 AP 的过程（保持当前联结进行移动） 。 重新联结总是由移动 STA

14、 激活。 (3)解除联结(Disassociation) 终止一个已存在的联结。5 联结的任一部分（非 AP 的 STA 或 AP）均可唤醒解除联结服务 通知型服务，不是请求型服务，不能被拒绝 (4)分布(Distribution) 它是 WLAN STA 使用的基本服务，借助于 DSS 完成。 是由来自或发送至工作在 ESS 中的 WLAN STA 的每个数据消息唤醒。 (5)集成(Integration) 负责完成消息从 DSM 到集成 LAN 介质和地址空间的变换。 如果分布式服务确定消息的接收端为集成 LAN 的成员，则 DS 的“输出”点将是端口而非AP。8、状态变量与业务之间的关系

15、（图）9、IEEE 802.11 媒体访问控制层：可靠的数据传送的保证方法 IEEE 802.11 使用帧交换协议。 当一个站点收到从另一个站点发来的数据帧时，它向源站点返回一个确认(ACK)帧。 此交换被作为一个原子单元处理，它不会被其他站点发出的传送打断。 如果因为数据帧被损坏或因为返回的 ACK 被损坏，源站点在一个短的时间周期中没有收到 ACK，它会重发该帧。 为了进一步地增强可靠性，可使用四帧交换(RTS/CTS) 首先，源站向目的站发布一个请求发送（RTS）帧，其作用是警告所有位于源站点接收范围之内的站点一个交换正在进行。 然后，目的站用一个清除发送（CTS）帧响应，其作用是警告所

16、有位于目的帧接收范围内的站点一个交换正在进行。 收到 CTS 后，源站发送数据帧，目的站以一个 ACK 响应。10、IEEE 802.11 的协议体系结构 （1）分布协调（DCF）功能 DCF 子层利用一个简单的载波监听多点接入 CSMA 算法（不包括冲突检测功能）： 如果一个站点有一个 MAC 帧要发送，它监听媒体。 如果媒体空闲，站点可以发送，否则，该站点必须等到当前发送已完成才能发送。 为确保此算法起到平滑和公平的作用，DCF 包括一套相当于优先级模式的时延，用帧间间隔6（IFS ）实现。（2）IEEE 802.11 媒体接入的控制逻辑（图）（3）点协调（PCF）功能 PCF 是一个在

17、DCF 上实现的替代接入方式。 该操作由中央轮询主机(点协调者 )的轮询组成。 点协调者在发布轮询时使用 PIFS。 由于 PIFS 小于 DIFS，所以点协调者能够获得媒体，并在发布轮询及接收响应期间，锁住所有的非同步通信，为避免这种情况，人们定义了超级帧。 （4）点协调（PCF）操作实例 一个无线网络实施点协调。 当使用 CSMA 保持接入的通信竞争时，大量带有时间敏感通信的站点被点协调者控制。 点协调者使用“圆桌” 方式向所有被轮询配置的站点发布轮询。 当点协调者发布一个轮询后，被轮询的站点使用 SIFS 作响应。 当点协调都收到响应时，它使用 PIFS 发布另一个轮询 如果在预期的响应

18、时间内没收到响应，协调者会再发布一个轮询 在实例中，点协调者将通过不断发布轮询锁住所有的非同步通信。 解决方法： 定义超帧间隔 首先，在超帧间隔的第一部分中，点协调者以圆桌方式向为轮询配置的所有站点发布轮询 然后，点协调者在超帧的剩余部分保持空闲，并允许有一个有一个非同步通信接入的竞争周期12、不同的 MAC 帧类型：控制帧、数据帧、管理帧13、WEP 算法 IEEE 802.11 定义了 WEP 算法实现安全和保密，使用 40 位的密钥利用 RC4 加密算法（流加密算法） ，其后修正为 104 位密钥。 WEP 算法的弱点主要有： 密钥大量重复使用 在一个无线网络中轻易的数据接入 该协议中缺

19、乏密钥管理14、Wi-Fi 保护接入（WPA） WPA 是一个消除了大多 IEEE 802.11 安全性问题的安全性机制集，它基于 IEEE 802.11i 的当前状态。 IEEE 802.11i 着重三个主要的安全性领域：认证、密钥管理和数据传递的保密性。 802.11i 要求使用认证服务器 (authentication server, AS)并定义了一个更为健壮的认证协议。 AS 还起到密钥分发的作用。 802.11i 体系结构的 3 个主要成分 认证(authentication)：用于定义在一个用户和一个 AS 之间进行一次交换的协议，该 AS提供相互认证并生成在一个无线链路上的客户

20、端和 AP 之间使用的临时密钥。 接入控制(access control)：强制认证功能的使用、正确地路由报文和便于密钥的交换。它能在多种认证协议上工作。 具有报文完整性的保密性(privacy with message integrity)：对 MAC 层数据进行加密，并带有一个以确保数据不被改变的报文完整性代码。 15、安全接入控制7 802.11i 使用 802.1x 标准（基于端口的网络接入控制）实现安全接入控制。 802.1x 涉及的三个实体： 申请者：对应于无线移动站点 认证者：对应于 AP 认证服务器(AS)：通常是有线网络或认证者 认证过程 申请者使用一个认证协议提出认证申请

21、此时：控制信道打开，数据信道阻塞 申请者被认证通过且密钥也被提供，开始转发数据第 4 章 无线个域网1、无线个人区域网(WPAN, Wireless Personal Area Network，简称无线个域网)它是一种短距离无线通信网，它是将具有不同功能的单一设备在小范围内实现无线连接、微小网自主组网的通信技术。2、短距离无线通信技术优势 低成本、低功耗和对等通信是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。3、蓝牙 蓝牙(Blue Tooth) 技术是一种支持点对点、点对多点语音和数据业务的短距离无线通信技术。 蓝牙最基本的网络结构是采用无线方式将若干个蓝牙设备连在一起的微微网，微微网内由主设备

22、单元和从设备单元组成。 微微网内互联的设备数量没有限制，但在同一时刻只能激活 8 个设备（1 个主设备，7 个从设备） 主设备单位负责提供时钟同步信号和跳频序列。 蓝牙技术提供低成本、近距离的无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各种信息设备能够实现无缝资源共享。 蓝牙技术为避免干扰，设计了快速确认和快速跳频和数据分组更短等方案来确保链路的稳定。因为 ISM 频段对所有无线电系统都开放，因此，其中的某个频段可能成为不可预测的干扰源，如家电、无绳电话等。4、蓝牙标准文档构成 （1）核心规范(core specifications) 描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝

23、牙协议体系结构的细节。 如相关技术的互操作性、检验需求和对不同的蓝牙计时器及其相关值的定义。 （2）概要规范（profile specifications） 概要规范考虑使用蓝牙技术支持不同的应用。 每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术，以实现特定的应用模型（Usage Model） 。 概要规范包括对核心规范各方面的描述，可分为强制的、可选的和不适用的。 概要规范的目的：定义互操作性的标准，使得来源于不同厂家、声称能支持给定的应用模型的产品能一起工作。5、蓝牙核心协议（core protocol）形成五层栈 (1)无线电(radio) 确定包括频率、跳频的使用、调制模式和传输功率在内的空中

24、接口细节。 (2)基带(baseband) 考虑一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时和功率控制。8 (3)链路管理器协议(link manager protocol ，LMP) 负责在蓝牙设备和正在运行的链路管理之间建立链路。包括如认证、加密及基带分组大小的控制和协商等安全因素。 (4)逻辑链路控制和自适应协议(logical link control and adaptation protocol，L2CAP) 使高层协议适应基带层。L2CAP 提供无连接和面向连接服务。 (5)服务发现协议(service discovery protocol，SDP) 询问设备信息、服务与服务特征

25、，使得在两个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能。6、电缆替代协议 RFCOMM 它是一个基于欧洲电信标准协会 ETSI07.10 规程的串行线性仿真协议（定义了一个虚拟的串行端口） 。 RFCOMM 协议可以仿效串行电缆设置和 RS-232 串行端口的状态，用于提供串行数据传输。 该协议提供 RS232 控制和状态信号，如基带上的损坏， CTS 以及数据信号等，为上层业务（如传统的串行线缆应用）提供了传送二进制数据的能力。7、蓝牙基带规范 跳频（FH） 在 FH 模式下，总带宽被分为 79（有些国家为 23）个物理信道，每个信道的带宽为1MHz。 跃迁率为 1600 跳/秒，每条物理信道被占时间

26、持续 0.625ms（称为一个时隙） 。 物理链路 面向同步连接(synchronous connection oriented, SCO) 在涉及主设备和一个单独从设备的点对点连接间分配固定的带宽。 在规则的间隔中，主设备通过使用预留的时隙维持 SCO 链路。 预留的基本单位是两个连续的时隙(每个在各自的传输方向上) 。 主设备能支持的并行 SCO 链路高达 3 个，而从设备能支持 2 或 3 个 SCO 链路。 SCO 分组不重传。 异步无连接(asynchronous connectionless，ACL)： 主设备与微微网中所有从设备间的一条点对多点的链路。 在未预留给 SCO 链路的

27、时隙中，主设备能与任一以单时隙为基础的从设备交换分组，包括已在 SCO 链路上的从设备。 只有单独的 ACL 链路可以存在。 大多数 ACL 分组使用分组重传。 SCO 和 ACL 的区别 SCO 链路主要用于交换要求保证速率但不要求保证传送的、时间弹性低的数据。它通过预留特定数量的时隙来保证数据的速率。如音频数据（对丢失数据有较强的容忍性） 。 ACL 链路提供一个分组交换的连接格式，没有预留带宽，传送通过检错和重传得以保证。仅当从设备在先前的主-从时隙中被寻址到时，它才被允许在主- 从时隙中返回一个 ACL 分组。 分组 接入码：3 种类型的接入码 信道接入码(CAC)：标识一个微微网 设

28、备接入码(DAC)：用于寻呼及其接下来的响应 询问接入码(IAC) ：用于询问9 信道控制 链路（信道）控制器状态 维持(standy)：又称待机，默认状态。低功率状态，只有一个本地时钟在工作。 连接(connection)：设备作为主站或从站连到微微网。 链路控制器还有 7 个子状态：子状态是中间的临时过渡状态 从一个状态转移到另一个状态，可以执行蓝牙链路控制器指令，也可以使用链路控制器内部的信号。 蓝牙链路控制器的状态转换图 连接状态的设备的 4 个操作模式：激活模式（活跃模式） 、呼吸模式（侦测模式） 、保持模式、休眠模式（置停模式） 接入过程：查询过程、查询响应过程、寻呼过程、寻呼响应

29、过程 查询过程（1）蓝牙设备通过查询来发现通信范围内的其他蓝牙设备。查询消息不包括查询设备的任何信息，但可以指定 GIAC（通用查询接入码）和 DIAC（专用查询接入码）两种查询方式。（2）一个设备如果要发现其他设备时，进入查询状态，该状态下的设备连续在不同频点发送查询消息。（3）一个设备为了使自己能被发现，需周期性地进入查询扫描状态，以便响应查询消息，设备不一定必须响应查询消息，查询响应是可选的。 查询响应过程：查询响应过程是从设备响应查询的操作。（1）主设备的操作使用查询接入码（自身时钟）发送一个查询消息；在发送查询消息期间监听从设备的响应。（2）从设备的操作使用 FHS 分组（跳频分组）

30、响应，响应分组包括从设备的设备地址、本地时钟和其他从设备信息。从设备收到第一个查询消息后就从查询扫描状态进入到查询响应状态，并向主设备返回一个 FHS 响应。 寻呼过程：主设备使用寻呼发起一个主从连接，通过在不同的跳频点上重复发送从设备 DAC 来捕获从设备，从设备在寻呼扫描状态被唤醒，接收寻呼。 寻呼响应过程（1）从设备成功地收到寻呼消息时，主从设备之间有一个粗略的跳频同步过程，主从设备进入一个响应过程交换关键消息。（2）寻呼响应过程如下：第一步：当主设备处于寻呼状态，从设备在寻呼扫描状态时，若主设备发送的寻呼消息到达从设备，一旦从设备确定是自己的 DAC 时，进入第二步；第二步：从设备响应

31、，主设备得到从设备的响应后，进入第三步；第三步：主设备响应。进行数据传输，不再进行寻呼响应跳频选择。（3）对微微网中的连接，最重要的是主从设备时钟同步并使用相同的 CAC（信道接入码）和跳频序列。 蓝牙链路管理器（LMP）规范 LMP 提供的安全服务 LMP 使用管理认证、加密和密钥分散机制支持不同的安全服务。 蓝牙逻辑链路控制和自适应协议10 L2CAP(logical link control and adaptation protocol，逻辑链路控制和自适应协议)在共享媒介网络的实体间提供一个链路层协议。 L2CAP 为流和差错控制提供大量服务，它依赖于更低层(基带层)。 L2CAP

32、使用 ACL 链路，它不支持 SCO 链路。 L2CAP 信道 无连接(connectionless)信道：支持无连接服务。每个信道是单向的，该信道类型一般用于主站向多个从站广播。 面向连接(connection-oriented) 信道：支持面向连接的服务。每个信道是双向的(全双工)。每个方向中定义一个服务质量(quality of service，QoS)的流规范。 信令(signaling) 信道：提供 L2CAP 实体间信令报文的交换。8、ZigBee ZigBee 是新兴的短距离、低速率的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。 使用 2.4GHz 波段，采用跳频技术。 ZigBee 可与 254 个节点联网。 它可以在数千个微小的传感器之间相互协调（以接力的方式）实现通信。 ZigBee 基础是 IEEE 802.15.4。