无线通信与泛在网络.doc

2章 信息论+通信系统+多址接入消息（message）是指通信系统中传输的具体对象，是信号的具体内容，是表达信息的形式；信息（information）是指消息所包含的内容；信息可以被理解为消息中包含的有意义的内容；消息中的信息量与发生概率紧密相关，消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。a=2，单位为bit，比特，简写为b；a=e，单位为nit，奈特，简写为n；a=10，单位为哈特莱，或称为十进制单位信号(signal)是消息的表现形式以及传输载体，一般表现为随时间变化的某种物理量，而消息是信号的具体内容电磁信号的时域特性与频域特性信号强度 = 10lg（ P2 / P1）P2是信号的功率；P1是参考信号的功率；当P1为1mW时，信号强度的单位就是dBmW当P1为1W时，信号强度的单位就是dBW；dbmw和dbw均用于表示功率大小的绝对值基带信号： (Baseband Signal)：信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，不适合长距离传输。高频载波：要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽调制的目的：调制技术首先是为了和信道匹配；电磁波频率要与天线尺寸相匹配；提高频率以便传播；实现信道复用；改变信号的带宽；改善系统的性能系统概念：由若干相互联系、相互作用、相互依赖的单元（事物）组合而成的，为完成某个任务的特定功能整体无线信道属于非导向传输信道，在空间或宇宙中自由直线传播方式，传播速度3*108 m/s具有折射、反射、绕射和干涉等波的特性无线信道为开放性信道，时时刻刻受到人为或自然现象的影响或干扰，传输不如有线信道稳定和可靠几个频道：8001000MHz：几个蜂窝系统使用此频段（模拟系统和第二代蜂窝）。也有一些应急通信系统（集群无线电）使用此频段1.82.0GHz：这是蜂窝通信的主要频段。目前的（第二代）蜂窝系统工作于此频段，大多数第三代系统也将工作于此频段。许多无绳系统也工作于此频段2.42.5GHz：工业、科学和医疗（ISM）频段。无绳电话、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）工作于此频段；它们与其它的许多设备（包括微波炉）分享这一频段电波的多径传播和衰落三大损耗：路径损耗、慢衰落损耗、快衰落损耗快衰落和慢衰落随着移动台的移动而产生变化，这二者构成移动通信接收信号不稳定的因素。在上世纪70年代，NormanAbrmson提出了一种有效的随机争用多址通信方式，这就是著名的ALOHA系统Roberts进而提出了一种使其系统通信量增加一倍的方法SlottedALOHA系统，即时隙式ALOHA系统RTS/CTS/DATA/ACK 四次握手机制多址技术：指区分不同用户的技术，为了让用户地址之间互不干扰，地址之间必须满足正交特性。主要解决多用户如何高效共享给定频谱资源问题（由于频谱资源稀缺性）扩频多址技术主要有两种类型：直接序列扩频多址(DSMA)和跳频多址(FHMA)。直接序列扩频多址(DSMA)也称为码分多址(CDMA)智能天线引入空分多址（SDMA）在相同时隙，相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的传播路径来区分SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如“空时码分多址”（SD-CDMA）MAC layer 定义下列的网络访问方式：随机访问(Random access): ALOHA and CSMA顺序访问(Ordered access): Token bus and Token Ring确定访问(Deterministic access): FDMA, TDMA, and CDMA组合(Combinations): TDMA-over-FDMA, TDD-CDMA, and TDMA/CSMA3章 PCF+DCF+802.11IEEE 802.11 中定义种基本服务组合（Basic Service Set,BSS）。1) 中控型基本服务组合（Infrastructure BSS），主要是由基地台（Access Point, AP）负责中控型网中所有的传输，包括同一服务区域中所有动节点之间的通讯。2) 独型基本服务组合（Independent BSS, IBSS），工作站能彼此为直接通讯，无须透过基地台协助。MAC架构 PCF/DCF对于无线媒介的存取，IEEE 802.11 MAC 规范分布式协调功能（Distributed Coordination Function, DCF）与中枢协调功能（Point Coordination Function, PCF）种协调功能。1) 分布式协调功能（DCF）为标准CSMA/CA 的访问机制，工作站在传送资之前，会先检查无线媒介的态。当无线媒介为净空态时，工作站会延迟一段时间，在此段时间内，媒介仍为净空，工作站即可开始传送资。2) 中枢协调功能（PCF）同于分布式协调功能所提供的竞争服务，中枢协调功能提供的是免竞争服务。在中枢协调功能的机制中，必须有AP 作为中枢协调者（Point coordinator），因此只有在中控型网中才会有中枢协调功能的服务。讯标或信标(Beacon)告诉其他的无线电设备：说我在这里(Beacon 封包内会包含BSSID 讯息，支持的传输速率，此无线AP 的MAC 地址。Beacon在802.11 的省电协议里面还有一个很重要的功能是同步对时(synchronize clock) 。传输数据的封包称为讯框(Frame) DCF 用下列两机制使用共享资源：CSMA/CA 与随机后退(random backoff)算法。(CA)收到封包后须立即正面(immediately and positively)回复一ACK讯框。(于时间内)未收到ACK讯框须立即安排重传。DCF是CSMA/CA协定的必要的(mandatory)功能。在DCF协调功能下，802.11工作站(STA)有讯框要传输时须要与其他工作站竞争(contend)媒介。讯框间隔可以分为下几： 短讯框间隔（Short IFS, SIFS） 中枢协调功能讯框间隔（PCF IFS, PIFS） 分布式协调功能讯框间隔（DCF IFS, DIFS） 延长讯框间隔（Extended IFS, EIFS）802.11用正面回复(positive acknowledgement)ACK及定时器(timer)机制，来确保讯框的成功传递。PCF提供免竞争服务(contention-free services)。一工作站(STA)成为中枢协调者(Point Coordinator, PC) 一般在有AP的系统，则由AP担任PC。每一个BSS有一个中枢协调者，PC。PCF是为非必须的(optional)一项功能.1、IEEE 802.11，1997年，原始标准（2Mbit/s，播在2.4GHz）。 IEEE 802.11a，1999年，物理层补充（54Mbit/s，播在5GHz），使用OFDM技术(正交频分多路复用 )。 IEEE 802.11b，1999年，物理层补充（11Mbit/s，播在2.4GHz），可提供1、2、5.5及11Mbit/s的多重传送速度 。 IEEE 802.11e，对服务等级（Quality of Service, QoS）的支持，802.11g的设备向下与802.11b兼容。其后有些无线路由器厂商因应市场需要而在IEEE 802.11g的标准上另行开发新标准，并将理论传输速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。 IEEE 802.11g，2003年，物理层补充（54Mbit/s，播在2.4GHz）。 IEEE 802.11i，2004年，无线网络的安全方面的补充。 IEEE 802.11k，该协议规范规定了无线局域网络频谱测量规范。该规范的制订体现了无线局域网络对频谱资源智能化使用的需求。IEEE 802.11n，更高传输速率的改善，基础速率提升到72.2Mbit/s，可以使用双倍带宽40MHz，此时速率提升到150Mbit/s。支持多输入多输出技术（Multi-Input Multi-Output，MIMO），最大传输速度理论值为600Mbit/s。同时，通过使用Alamouti提出的空时分组码，该标准扩大了数据传输范围。 。 IEEE 802.11o，针对VOWLAN（Voice over WLAN）而制订，更快速的无限跨区切换，以及读取语音（voice）比数据（Data）有更高的传输优先权。 IEEE 802.11p，车用电子的无线通信协议。IEEE 802.11r: 快速 BSS切换 (FT) (2008) IEEE 802.11ac，802.11n的潜在继承者,更高传输速率的改善，当使用多基站时将无线速率提高到至少1Gbps，将单信道速率提高到至少500Mbps。使用更高的无线带宽(80MHz-160MHz)(802.11n只有40MHz),更多的MIMO流(最多8条流),更好的调制方式(QAM256)。目前是草案标准(draft)，预计正式标准于2012年晚些时间推出。Quantenna公司在2011年11月15日推出了世界上第一只采用802.11ac的无线路由器。Broadcom公司于2012年1月5日也发布了它的第一支支持802.11ac的芯片。 IEEE 802.11ad: Very High Throughput 60GHz (December 2012) 。45章1、个人移动性：一个用户在包括固定网络和移动网络在内的整个网络系统中，移动到任何地理位置，使用唯一的ID号，使用任何终端接入网络, 并得到网络业务服务的能力，该能力包括对其所使用终端的定位及相关路由、计费等2、 终端移动性是指一个终端从不同位置或移动接入网络识别并定位该终端的能力。3、 移动计算3种定义：（1）利用移动终端通过无线和固定网络与远程服务器交换数据的分布计算环境称其为移动计算。 （2）移动计算是指使人们能够在任何时间和任何地点进行工作的技术和设备移动计算的关键是确保人们不论在任何地方、任何时间都可以工作，能够为他们提供一个无处不在的移动计算环境 （3）移动计算指“网络中在一个节点开始的计算可移动到其它节点继续执行”的方法.4、 移动终端的多样性： 庞大: 轮船、飞机、汽车、坦克等 微小：手表、手机等 明显的：手机、笔记本电脑 不明显的：嵌入式传感器5、 存在两种意义上的移动： 代码的移动和设备的移动6、 两种移动的共同点：（1）在移动环境访问数据或者进行信息处理；（2）用户能够“在任何时间和任何地点” 进行信息访问或/和处理。7、 移动计算 分布计算技术移动通信数据库技术。8、 移动计算的三个要素：移动终端 ，无线通信，信息交互。9、 计算模型的四个阶段：集中计算 （Centralized computing），分布式计算 （Distributed computing），移动计算 （Mobile computing）， 普适计算 （Ubiquitous/Pervasive Computing）。10、 移动计算的基本特点： （1）有限的带宽蜂窝通信系统波特率9.6Kbps，IMT-2000 144 Kbps到EDGE 300Kbps，远远低于固定网络中的铜缆或光纤通信的速率。 （2）移动性必须适应不同地点的连接请求，并且经常在移动时要求保持连接；在不同服务器覆盖范围之间移动，越区切换比较常见。可靠性由于其便携性和工作环境，可靠性更低，更容易受到干扰而出现网络故障。可能长时间地域网络断接，一些假设条件不同于传统的分布系统。移动计算装置也有一些潜在的不安全因素，如碰撞、磁场干扰、易于遗失和失窃等。 （3）安全性：与位置相关应用程序可能与位置相关，移动导致位置的不断变换。 （4）有限的电源能力通过蓄电池供电，但容量非常有限，一般只能维持25个小时，而计算密集型程序能源耗更大。 （5）频繁断接性移动计算机在移动过程中，一般不采用保持持续联网的工作方式，而是主动/被动地间歇性入网、断接和重接，甚至越区切换。 （6）非对称性包括通信与资源安全乃至QoS的非对称性，访问的是地理上分布的异构节点。由于电源能力的限制，移动设备上的资源与功能有限。（7）复杂性为支持移动性必须加入更多的功能并最终达到网络负载均衡；移动性也必然要求跨软硬件平台的兼容性。12、移动计算应用需求：（1）、军事需求：数字化移动通信与指挥未来战场关键技术。基于Ad hoc网络结构，融感知、追踪、通信、指挥等于一体的战术互联网。（2）、国防需求：数字化战场移动指挥（3）、商业应用：来越多的手机都会支持无线网，商场只要在适当地点安装AP，顾客进入商场网络覆盖区域后用手持无线设备便可自动连通商场网页浏览商场信息，超市更可在购物车上安装PSA(个人购物助理)方便顾客购物13、应用前景： （1）移动办公：交警查询违章车辆记录并进行处罚，巡警核对网上追逃信息，公司老板随时批阅文件，警力定位与合理调度。 （2）移动电子商务：手机支付，手机测量，手机门票 （3）移动休闲与娱乐：移动手机电视，移动图书馆，移动在线游戏 （4）军事应用：数字士兵，移动战术网络，协同攻击系统 （5）其他应用：抢险救灾，野外探险，位置查询自组网技术通信发展趋势：无线/移动、IP移动互联网的组成方式：移动终端式、移动路由式自组网的基本概念：1）一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的、临时性 自创建（Self-Creating)、自组织(Self-Organizing)、自管理（Self-Administering)系统。2）不依赖预设的基础设施而临时组建。3）移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。可独立工作，也可与Internet或蜂窝无线网络连接。自组网的特点：不需要基础设施的支持（Infrastructure） 自组织性和自管理性（Self-organizing and Self-managing） 移动性（Mobility）网络拓扑结构的动态变化自组网的局限性：无法保证始终提供可靠的网络连通性 自组网技术目前尚处在研究阶段 ，最终能否为用户接受而应用到通讯市场还不太明朗 自组网的扩展性还有待于进一步探讨 由于数据的多跳转发而带来传输延迟还很大 网络的服务质量（Qos）还很难保障 存在安全感隐患14、 所谓iBeacon技术指的是透过使用低功耗蓝牙技术（Bluetooth Low Energy，也就是Bluetooth 4.0或者Bluetooth Smart），iBeacon基站便可以自动创建一个信号区域，当装置进入该区域时，相应的app程序便会提示用户是否需要接入这个信号网络。透过能够放置在任何物体中的小型无线传感器和低功耗蓝牙技术，用户便能使用智能型装置来传输数据。（苹果）15、 蓝牙的三个主要应用领域： （1）数据与语音存取点(access points)：实时语音与数据传输 （2）缆线(Cable)替代10m：消除任何通讯装置间的缆线连接 （3）随意网(Ad hoc networking)：具有蓝牙无线电(radio)的装置；只要在另一个蓝牙装置进入通讯范围内就可迅速连结成网微网，piconet。16、 在牙中，形成网的基本单位是微网（Piconet），一个微网内的装置目最多为八个，其中包含至少一个主装置（Master device），以及一至七个的从装置（Slave device）。在一个微网中，基本的网架构是星，其形态是各个从装置都会和一个主装置接。几个微网间有共享的装置，则由这些微网形成的网称为分散网（Scatter net）蓝牙装置使用分时双工(TDD)*作传输。piconet是主从式使用TDD方式交互传输。主装置是使用偶数时槽做传输，而从装置是使用奇数时槽做传输。微网新增从属(slaves)时的七个暂时的(Interim)子状态1.询问(Inquiry)主装置发出询问，找寻范围内装置的身份2.询问扫瞄(Inquiry scan) 装置倾听询问3.询问响应(Inquiry response) 发出询问的装置收到询问响应4.传呼(Page)主装置发出传呼(page)(由主装置启动)5.传呼扫瞄(Page scan) 装置倾听是否有属自己DAC device access code的传呼(page)6.主装置响应(Master response)主装置的装置收到一个由从属装置发出的传呼回应(从属装置响应)7.从属装置响应(Slave response) 从属装置响应来自于主机的传呼(Page)联机后从装置有四种模式可以选择：主动模式：主装置和从装置传递资的一般模式，在这个模式下，主装置要定期地传送同步讯息维持与其他从装置的同步。监听模式：从装置只有在某些特定的时槽时才醒监听主装置的讯号，但仍然保有和主装置同样的跳频序。保持模式：从装置进入保持模式以后将支持异步无定向的传输，但仍可加入其他微网，进上述与主装置线的传输。休眠模式：从装置与任何微网内的传输，但仍是微网的一员，而且与微网仍保持同步。牙的无线电层（Bluetooth radio layer）使用免执照的ISM 频带。使用的频范围为2.400至2.4825GHz，并且将这段范围分成79个，每个带宽为1MHz 的频道。采纳FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)，将时间切成一段一段的时槽；每换一时槽即换一频道。每一个时槽的长度为625s 其跳频速率为1600(=1000000微秒/625微秒) hops/sec。牙调变方式采用高斯频移键控（Gaussian Frequency Shift Keying, GFSK）调变。蓝牙中跳频目的：提供了抵抗干扰与多重路径效应*提供给在不同微网内装置co-located的多重存取形式17、牙中使用二种错误检查机制，分别是比1/3 的错误校正码（1/3 Rate forward error correction）、比2/3 的错误校正码（2/3 Rate forward error correction），并且以自动重送请求（Automatic Repeat reQuest, ARQ）确保资能在发生错误时能够再次被传输。比1/3 的错误校正码是将同样的资传送三份，再用多投票（Majority voting）的方法决定每个位正确的值。比2/3 的错误校正码是用汉明码（Hamming code）的概，可以校正单一的位错误，或是检查出个位错误的情形。18、自动重送请求 (ARQ) 方案：错误侦测(Error detection) 目的地侦测到错误CRC、丢弃有错的封包。正回复(Positive acknowledgment) 当目的地成功收到无误的封包时，回传一个正回复。时间到(timeout)后重传在一个预先决定的时间内(timeout)没有收到回复，则来源端(source)重传封包。负回复(Negative acknowledgment)与重传对于一个被侦测出有错误的封包，目的地回传一个负回复要求来源端重传此封包。6章普适计算+泛在网集中计算分布式计算移动计算(无线通信技术推动)普适计算普适计算: 无所不在的、随时随地可以展开计算或数据处理的一种方式普适计算最重要的两个性质：（1.Availability （随处可用性） 无论用户何时在何处，处于何种环境，总有一致的分布计算平台可供使用（2.Invisibility（不可见性） 计算过程已经隐藏在各种各样的信息设备中，车载、便携、嵌入式、甚至是可穿戴计算机中需要指出的是不可见性包含可见性泛在网基本特征：无所不在，无所不包，无所不能，4A化的通信模式（Anytime，Anywhere，Anyone，Anything）泛在网三层结构：应用层、网络层、感知层泛在网的发展趋势：协同化、泛在化泛在网发展的两个阶段：泛在物联阶段、泛在协同阶段7章 ZigBeeZigBee是一种短距离无线通信标准，具有低成本、低耗电、双向传输、高可靠度及感应网络功能等特性，容易整合个人无线数字环境并应用于多样的产品，其监控角色高于通讯功能，朝着开放的方向发展制订标准规范。ZigBee技术主要是由IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，分别制订硬件与软件标准。2006年，ZigBee Alliance催生ZigBee 2006(V1.1)规范。2007年01月11日，TI宣布其Z-Stack已通过认证，成为业界第一套符合 ZigBee 2006 标准的兼容平台。ZigBee开放活动(Open House)将移师北京。IEEE 802.15.4小组主导实体(PHY)层、媒体访问控制(MAC)层、数据链结层，以及传输过程中的数据加密机制等发展。ZigBee Alliance主导软件标准，并共同针对ZigBee Protocol Stack的发展进行研议，未来还能依系统客户的需求，为不同应用修正其所需之应用界面。ZigBee芯片架构主要是由PHY Layer负责接收处理射频讯号， MAC Layer负责处理封包。DSSS直序展频技术，频段有三，共27频道：ZigBee传输速率介于20kbps250kbps之间，并随着传输距离的延长而减慢。ZigBee媒体访问控制层支持全功能(Full Function Device, FFD)及精简功能(Reduced Function Device, RFD)两类的装置。FFD可支持任何网络拓朴架构，可担任网络协调者(PAN coordinator)，并可与所有其他装置通信。RFD只存在于星型拓朴中，只能与网络协调者通话，且不能成为网络协调者，其好处是易于实现 。两种传输模式同步模式(Beacon Mode)-特别的规格。异步模式(Non-Beacon Mode)-直接使用类似于IEEE 802.11之载频侦测 (Carruer Sense Multiple Access-Collision Avoidance, CSMA-CA)的协议，避免传输碰撞。所谓CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若是产生碰撞，则稍后重新再传。ZigBee 技术实际应用：芝加哥消防署-商业建筑感应定位系统、意大利电信- Z-SIM、Philips-ZigBee灯光系统EQUOS、ZigBee系统级芯片集成到手机、家庭自动化、工业工厂监控 、动物监控RFID、商业灯光控制、ZigBee房间能源管理、ZigBee高级读表平台、DSSS为目前展频系统最常用的技术，主要是因为容易使用及较高的速度，拥有的处理增益可以让通讯系统抑制干扰信号和相邻信道的信号，如此一来，降低了通讯系统对信道滤波器的需求，降低了实现成本。DSSS让传送及接收者都使用22MHz的带宽，此带宽让设备得以支持比跳频技术(Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS)较高的11Mbps速度。DSSS技术为了克服多路径(Multipath)现象所造成的讯号延迟扩散(Delay Spread)，将数据信号以较高速度的Bit顺序作传送，称为碎码(Chipping Code)或处理增益(Processing Gain)。ZigBee地址分配skip公式：ZigBee网络层概述如下：8章 无线随意网络广播问题广播(Broadcast)的目的是要将一讯息告知网络所有的节点。广播对无线随意网络(MANET)造成的严重问题有：冗余传输、封包碰撞*和媒介竞争等。广播一封包不需使用：随机后退机制、RTS/CTS交换机制与碰撞检查-容