物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論-第七章

1、,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論Introduction to Internet of Things第7章 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)主講：尹小燕Email：yinxy@nwu.edu.cn,Based on the course slides of 《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(shí)驗(yàn)室 中意大型遺址智能感知聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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)

2、網(wǎng)提供高速可靠廉價(jià)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(shí)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(diǎn)介紹無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素和特點(diǎn)，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(diǎn)。,本章內(nèi)容,7.1 概述：無線網(wǎng)絡(luò)7.2

3、 Wi-Fi：無線局域網(wǎng)7.3 WiMAX：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？,,無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？,,無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？,,無線網(wǎng)絡(luò)的組成元素？,7.1 概述：無線網(wǎng)絡(luò)分類,1 802.11n使用4*MIMO時(shí)速度最高為300 Mbps, 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)600Mb

4、pshttp://zh.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11#IEEE_802.11n IEEE 802.11n,7.1 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(gè)域網(wǎng),1 802.11n使用4*MIMO時(shí)速度最

5、高為300 Mbps, 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)600Mbpshttp://zh.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11#IEEE_802.11n IEEE 802.11n,7.1 概述：無線連接的特點(diǎn),信號(hào)強(qiáng)度衰減無線信號(hào)能量隨著傳輸距離增長(zhǎng)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(hào)可能會(huì)被

6、阻擋物吸收或迅速衰減。信號(hào)干擾相同無線頻段的信號(hào)會(huì)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(hào)由于阻擋物的反射和折射，到達(dá)接收端的時(shí)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(diǎn)（續(xù)）,隱藏終端（Hidden Terminal）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(shí)向B傳輸且意識(shí)不

7、到彼此之間的干擾,無線連接的特點(diǎn)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)7.2 Wi-Fi：無線局域網(wǎng)7.3 WiMAX：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(diǎn)？,7.2 Wi-Fi：無線局域網(wǎng),Wi-Fi（ Wireless Fidelity）是由Wi-Fi聯(lián)盟(Wi-Fi Alliance)所持有的一個(gè)無線網(wǎng)路通信技術(shù)品牌，目的是改善基于

8、IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。隨著IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE 802.11 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。IEEE802.11是IEEE制定的一個(gè)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)

9、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,1 802.11n使用4*MIMO時(shí)速度最高為300 Mbps, 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)600Mbpshttp://zh.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11#IEEE_802.11n IEEE 802.11n,802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展,盡管物理層使用技術(shù)差

10、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（Basic Service Set，BSS）是802.11架構(gòu)中最重要的組成部分?；灸Ｊ綗o線用戶（筆記本電腦、PDA、臺(tái)式機(jī)等）：通過與接入點(diǎn)相關(guān)聯(lián)獲取

11、上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。接入點(diǎn)（基站）：通過有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)/路由器）連入上層公共網(wǎng)絡(luò)?！盁o線路由器”是接入點(diǎn)和路由器功能的結(jié)合體。自組織模式無線用戶：每個(gè)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(gè)不同頻段的信道。接入點(diǎn)管理者會(huì)為每個(gè)接入點(diǎn)指定信道。不相互干擾的信道中間須隔4個(gè)或4個(gè)以上其他信道用戶與接入點(diǎn)關(guān)聯(lián)（基站模式）

12、：接入點(diǎn)廣播的“識(shí)別幀”（包含了接入點(diǎn)的MAC地址和服務(wù)集標(biāo)識(shí)符）用戶根據(jù)收到的“識(shí)別幀”選擇與其中一個(gè)接入點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)識(shí)別幀掃描方式：被動(dòng)掃描，接入點(diǎn)周期性廣播“識(shí)別幀”。主動(dòng)掃描，首先無線用戶主動(dòng)廣播“探測(cè)幀”，然后收到“探測(cè)幀”的接入點(diǎn)以“回應(yīng)幀”響應(yīng)，最后用戶根據(jù)“回應(yīng)幀”選擇接入點(diǎn)。,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(gè)用戶同時(shí)訪問信道CSMA：（Carrier Sense Multipl

13、e Access）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：（Collision Avoidence）沖突避免。CD：（Collision Detected）檢測(cè)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(cè)的多載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）。,沖突偵測(cè)（CD）需要全雙工（發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)也可接收數(shù)據(jù)），硬件代價(jià)過高，無線網(wǎng)卡很難同時(shí)接收（沖突探測(cè)幀）和發(fā)送無線

14、信號(hào)。無線信號(hào)的衰減特性和隱藏終端問題使沖突很難被偵測(cè)。,為什么802.11采用CSMA/CA？,CSMA/CA：信道訪問機(jī)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(jī)退避（設(shè)置計(jì)數(shù)器值）若偵測(cè)到信道空閑，減少退避數(shù)值當(dāng)退避時(shí)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ACK,RTS和CTS機(jī)制：預(yù)留信道,為了避免沖突和“隱藏終端”，發(fā)送端可以請(qǐng)求

15、預(yù)留信道而不是隨機(jī)訪問，通過RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）實(shí)現(xiàn)。,發(fā)送端使用CSMA/CA向接入點(diǎn)發(fā)送RTS接入點(diǎn)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(jī)制：預(yù)留信道（續(xù)）,雖然RTS可能會(huì)沖突，但由于RTS很短，沖突概率較小。但是同時(shí)會(huì)增加傳輸延時(shí)和降低信道利用率。RTS和CTS機(jī)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

16、每次都需傳輸較長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀時(shí)。,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(gè)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)7.2 WiFi：無線局域網(wǎng)7.3 WiMAX：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(diǎn)？,7.3 WiMAX：無線城域網(wǎng),W

17、iMAX（ Worldwide Interoperability for Microwave Access ）旨在為廣闊區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)用戶提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，視線覆蓋范圍可達(dá)112.6千米，非視線覆蓋范圍可達(dá)40千米，帶寬70Mbps，WiMAX技術(shù)的帶寬足以取代傳統(tǒng)的T1型和DSL型有線連接為企業(yè)或家庭提供互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，可取代部分互聯(lián)網(wǎng)有線骨干網(wǎng)絡(luò)提供更人性化多樣化的服務(wù)。與之對(duì)應(yīng)的是一系列IEEE 802.16 協(xié)議。,8

18、02.16的發(fā)展,WiMAX架構(gòu),架構(gòu)與802.11基站模式類似基站以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接為用戶提供服務(wù)。這段被稱為“最后一英里”（Last Mile）?；局g或與上層網(wǎng)絡(luò)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接（光纖、電纜、微波）相連。稱為“回程”（Backhaul）。頻段10～66GHz（適合視線傳輸，作為回程連接載波）2～11GHz（適合非視線傳輸，用于最后一英里傳輸）,WiMAX介質(zhì)訪問控制協(xié)議,WiMAX介質(zhì)訪問控制包含了全雙工信道傳輸、點(diǎn)到多點(diǎn)傳

19、輸?shù)目蓴U(kuò)展性以及對(duì)QoS的支持等特征。全雙工信道利用WiMAX的寬頻特性提供更高效的寬帶服務(wù)。可擴(kuò)展性指單個(gè)WiMAX基站可為多個(gè)用戶同時(shí)提供服務(wù)。QoS是針對(duì)不同用戶的不同需求提供更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)流服務(wù)。時(shí)分多址轉(zhuǎn)換（TDM，Time Division Multiplex）幀提供了對(duì)上述特征的支持。,WiMAX介質(zhì)訪問控制協(xié)議（續(xù)）,傳輸幀訪問協(xié)議規(guī)定了基站和用戶交互的物理層參數(shù)（調(diào)制方式、編碼方式、糾錯(cuò)參數(shù)），服務(wù)質(zhì)量（QoS

20、）基站向用戶的下行連接子幀用戶向基站的上行連接子幀基站通過下行突發(fā)數(shù)據(jù)向用戶傳輸數(shù)據(jù)用戶使用基站為自己預(yù)留的上行時(shí)間片與基站交互,本章內(nèi)容,7.1 概述：無線網(wǎng)絡(luò)7.2 WiFi：無線局域網(wǎng)7.3 WiMAX：無線城域網(wǎng)7.4 展望：無線物聯(lián)世界無線寬帶網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中扮演了重要角色。,7.4 展望：無線物聯(lián)世界,無線寬帶技術(shù)可為家庭、校園/企業(yè)、城市甚至全球范圍內(nèi)的用戶提供泛在的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)所需的更廣泛地互聯(lián)互

21、通勢(shì)必缺少不了無線寬帶的支持。,無線物聯(lián)世界：Wi-Fi,Wi-FiWiMAX,香港電訊盈科（PCCW）在全港部署了WiFi熱點(diǎn)中國(guó)城市提出了“無線城市”的概念。WiFi是“最后一英里”傳輸?shù)闹匾M成部分。802.11n無線網(wǎng)卡工業(yè)上已經(jīng)集成在電腦主板上，傳輸速度理論值為300 Mbps,802.11n使用4*MIMO時(shí)速度最高為300 Mbps, 802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當(dāng)使用40MHz帶寬和4*MIMO時(shí)，

22、速度最高可達(dá)600Mbpshttp://zh.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11#IEEE_802.11n IEEE 802.11n,無線物聯(lián)世界：WiMAX,Wi-FiWiMAX,本章小結(jié),內(nèi)容回顧本章介紹了無線網(wǎng)絡(luò)的分類及特點(diǎn)，并以Wi-Fi和WiMAX技術(shù)為例重點(diǎn)介紹了無線寬帶網(wǎng)絡(luò)協(xié)議802.11和802.16數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和MAC層協(xié)議的特點(diǎn)和技術(shù)。重點(diǎn)掌握了解無線網(wǎng)絡(luò)按覆蓋范圍的分類