物聯(lián)網(wǎng)導論-第七章

1、,物聯(lián)網(wǎng)技術導論Introduction to Internet of Things第7章 無線寬帶網(wǎng)絡主講：尹小燕Email：yinxy@nwu.edu.cn,Based on the course slides of 《物聯(lián)網(wǎng)導論》，劉云浩編著，科學出版社,西北大學/ 信息科學與技術學院/網(wǎng)絡與信息安全實驗室 中意大型遺址智能感知聯(lián)合實驗室/2012年8月1日,內容提要,無線寬帶技術覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯(lián)

2、網(wǎng)提供高速可靠廉價且不受接入設備位置限制的互聯(lián)手段。本章將以Wi-Fi和WiMAX為例討論無線寬帶技術。,內容回顧,第6章介紹了互聯(lián)網(wǎng)的基礎知識互聯(lián)網(wǎng)的基本元素和常見接入方式互聯(lián)網(wǎng)的分層體系結構應用層、傳輸層和網(wǎng)絡層的常見協(xié)議本章重點介紹無線網(wǎng)絡的組成元素和特點，著重以IEEE802.11和IEEE802.16為例介紹無線局域網(wǎng)技術和無線城域網(wǎng)技術兩種無線寬帶網(wǎng)絡技術的架構和特點。,本章內容,7.1 概述：無線網(wǎng)絡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)絡的基本元素有哪些？無線寬帶網(wǎng)絡包含哪幾種無線網(wǎng)絡？,無線網(wǎng)絡的組成元素？,,無線網(wǎng)絡的組成元素？,,無線網(wǎng)絡的組成元素？,,無線網(wǎng)絡的組成元素？,7.1 概述：無線網(wǎng)絡分類,1 802.11n使用4*MIMO時速度最高為300 Mbps, 802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當使用40MHz帶寬和4*MIMO時，速度最高可達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→無線寬帶網(wǎng)絡,傳統(tǒng)寬帶網(wǎng)絡定義：帶寬超過1.54Mbps（T1網(wǎng)絡帶寬）的網(wǎng)絡可稱為寬帶網(wǎng)絡。根據(jù)無線網(wǎng)絡分類，則無線寬帶網(wǎng)絡包括：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),1 802.11n使用4*MIMO時速度最

5、高為300 Mbps, 802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當使用40MHz帶寬和4*MIMO時，速度最高可達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,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

6、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，到達接收端的時間可能略微不同。,無線寬帶網(wǎng)絡和有線寬帶網(wǎng)絡的主要區(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（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可能同時向B傳輸且意識不

7、到彼此之間的干擾,無線連接的特點導致的有線信道中不存在的問題：,本章內容,7.1 概述：無線網(wǎng)絡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的架構如何？物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術有哪些特點？,7.2 Wi-Fi：無線局域網(wǎng),Wi-Fi（ Wireless Fidelity）是由Wi-Fi聯(lián)盟(Wi-Fi Alliance)所持有的一個無線網(wǎng)路通信技術品牌，目的是改善基于

8、IEEE 802.11標準的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。隨著IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等標準的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE 802.11 這個標準已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。IEEE802.11是IEEE制定的一個無線局域網(wǎng)標準，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標準。不同802.11協(xié)議的差異主要體現(xiàn)

9、在使用頻段，調制模式和信道差分等物理層技術上。,802.11無線局域網(wǎng)的發(fā)展,1 802.11n使用4*MIMO時速度最高為300 Mbps, 802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當使用40MHz帶寬和4*MIMO時，速度最高可達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差

10、異很大，一系列IEEE802.11協(xié)議的上層架構和鏈路訪問協(xié)議是相同的。如MAC層都使用帶沖突預防的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CA）技術，數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結構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,802.11架構：組成部分,基本服務組（Basic Service Set，BSS）是802.11架構中最重要的組成部分?；灸Ｊ綗o線用戶（筆記本電腦、PDA、臺式機等）：通過與接入點相關聯(lián)獲取

11、上層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。接入點（基站）：通過有線網(wǎng)絡設備（交換機/路由器）連入上層公共網(wǎng)絡?！盁o線路由器”是接入點和路由器功能的結合體。自組織模式無線用戶：每個無線網(wǎng)絡用戶既是數(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：信道、關聯(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聯(lián)（基站模式）

12、：接入點廣播的“識別幀”（包含了接入點的MAC地址和服務集標識符）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“回應幀”響應，最后用戶根據(jù)“回應幀”選擇接入點。,802.11介質訪問控制協(xié)議,介質訪問控制協(xié)議的目的：避免多個用戶同時訪問信道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

14、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（設置計數(shù)器值）若偵測到信道空閑，減少退避數(shù)值當退避時間結束后開始發(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機制：預留信道,為了避免沖突和“隱藏終端”，發(fā)送端可以請求

15、預留信道而不是隨機訪問，通過RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）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)絡用戶

16、每次都需傳輸較長數(shù)據(jù)幀時。,802.11數(shù)據(jù)幀結構,802.11數(shù)據(jù)幀結構（續(xù)）,三個地址域（地址1-3）在無線基本服務組和上層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換中起了至關重要的作用，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換。,本章內容,7.1 概述：無線網(wǎng)絡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技術架構如何？物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術有哪些特點？,7.3 WiMAX：無線城域網(wǎng),W

17、iMAX（ Worldwide Interoperability for Microwave Access ）旨在為廣闊區(qū)域內的無線網(wǎng)絡用戶提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，視線覆蓋范圍可達112.6千米，非視線覆蓋范圍可達40千米，帶寬70Mbps，WiMAX技術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，可取代部分互聯(lián)網(wǎng)有線骨干網(wǎng)絡提供更人性化多樣化的服務。與之對應的是一系列IEEE 802.16 協(xié)議。,8

18、02.16的發(fā)展,WiMAX架構,架構與802.11基站模式類似基站以點對多點連接為用戶提供服務。這段被稱為“最后一英里”（Last Mile）?；局g或與上層網(wǎng)絡以點對點連接（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介質訪問控制協(xié)議,WiMAX介質訪問控制包含了全雙工信道傳輸、點到多點傳

19、輸?shù)目蓴U展性以及對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?？蓴U展性指單個WiMAX基站可為多個用戶同時提供服務。QoS是針對不同用戶的不同需求提供更優(yōu)質的數(shù)據(jù)流服務。時分多址轉換（TDM，Time Division Multiplex）幀提供了對上述特征的支持。,WiMAX介質訪問控制協(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)（調制方式、編碼方式、糾錯參數(shù)），服務質量（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留的上行時間片與基站交互,本章內容,7.1 概述：無線網(wǎng)絡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)絡在網(wǎng)絡互聯(lián)中扮演了重要角色。,7.4 展望：無線物聯(lián)世界,無線寬帶技術可為家庭、校園/企業(yè)、城市甚至全球范圍內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熱點中國城市提出了“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時速度最高為300 Mbps, 802.11n也支持雙倍帶寬(40MHz),當使用40MHz帶寬和4*MIMO時，

22、速度最高可達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,內容回顧本章介紹了無線網(wǎng)絡的分類及特點，并以Wi-Fi和WiMAX技術為例重點介紹了無線寬帶網(wǎng)絡協(xié)議802.11和802.16數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結構和MAC層協(xié)議的特點和技術。重點掌握了解無線網(wǎng)絡按覆蓋范圍的分類