无线网络技术复习提纲PPT课件.ppt

复习提纲 第一章 无线网络概述 分类 1 1 复习提纲 试分析和比较无线网络和有线网络 可以从传输方式 组网结构等方面进行比较 2 2 有线网络与无线网络的组网方式 无论采用哪种传输技术 无线网络的拓扑结构基本上是一样 可归结为两个基本类 无中心拓扑和有中心拓扑根据无线接入点AP的不同功用 可实现不同的组网方式点对点模式基础结构模式多AP模式无线网桥模式无线中继模式Mesh模式 3 3 点对点模式 无中心拓扑结构 由无线工作站 主机 终端 组成 用于一台无线工作站和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯 该网络无法接入到有线网络中 只能独立使用 无需AP 安全由各个客户端自行维护点对点模式中的一个节点必须能同时 看 到网络中的其他节点 否则就认为网络中断 因此对等网络只能用于少数用户的组网环境 比如4至8个用户 4 自组网络 A E D C B F 源结点 目的结点 转发结点 转发结点 转发结点 4 基础结构模式 由无线接入点AP 无线工作站以及分布式系统构成 无线接入AP用于在无线工作站和有线网络之间接收 缓存和转发数据 所有无线通信都经过AP完成 是有中心拓扑结构 AP可连接有线网络 实现无线网络和有线网络的互联 5 AP 因特网 分布系统DS 基本服务集BSSBSSID 5 多AP模式 由多个AP以及连接它们的分布式系统组成的基础架构模式网络相同SSID的无线网络间可以漫游 6 AP1 A AP2 A ESS扩展服务集SSID BSS BSS 6 无线网桥模式 利用一对无线网桥连接两个有线或者无线局域网网段 7 WB1 A WB2 A 以太网 以太网 7 无线中继模式 无线中继器用来在通信路径的中间转发数据 从而延伸系统的覆盖范围 8 AP1 A AP2 A 以太网 以太网 WB 8 Mesh结构 让网络中的每个节点都可以发送和接收信号基站和基站之间的无线互联有多条路径连在一起形成网络 网络有多条路径形成回联如果某一条路径失败 可以切换到另外一条路径上 不会造成网络中断 9 9 复习提纲 第二章 无线电频谱 特点及可用范围无线电频谱资源的价值微波传输的特殊性扩频技术工作原理 类型 区别天线及其参数 天线方向性信号损伤的多径问题 10 10 无线电频谱 特点及可用范围 无线电频谱是一种特殊的自然资源无线电频谱资源是有限的无线电频谱资源在一定时间 地区和频域内 可以被设备共享无线电频谱可以被利用但不会被消耗掉 是一种非消耗的资源无线电波有固有的传播特性 它不受行政区域 国家边界的限制无线电频谱资源极易受到污染 ITU国际电信联盟给出适宜于无线通信的波长是从长波至微波不等 即3kHz至3000GHz不等 11 11 无线电频谱资源的价值 频谱资源是运营商最重要的战略资源之一 其拥有的频谱资源的多少直接决定了其网络能够承载多少用户频谱资源为什么值钱 12 电磁波在同一频段的干扰造成了无线电频谱资源的有限性 各种无限制式对有限的频谱资源的争夺造成了它的高价值 12 微波传输的特殊性 微波是一种波长很短的无线电波具有类似光的传播特性微波在自由空间只能像光波一样沿直线传播 绕射能力很弱在传播过程中遇到不均匀介质时 将产生折射和反射现象 13 13 微波通信 地面上进行远距离微波通信需要采用 中继 方式地球是个椭球体 地面是个球面 地面上某点发出的沿直线传播的微波射束 经过一定地段后 就会离开地平线而逐渐射向远方空间 因此 在地平线以远的地点自然就接收不到微波信号了 无线电波在空间传播过程中 能量要受到损耗 频率越高 衰减越大 微波射束的能量 经过一定地段损耗后 将大为减少 14 14 微波通信 欲实现地面上A B两地间的远距离微波通信 也必须采用 接力 方式 逐段收发放大 最终到达远距离收信端 15 15 微波通信 接力 就是 中继 微波中继通信也叫微波接力通信例如 为了实现北京至上海之间的微波通信 必须在北京和上海之间设置若干个中间接力站 每个中间接力站把上一站发来的微波信号接收下来 放大等处理后 转发到下一站 如此一站接续一站 最终到达上海 或北京 收信端 16 16 扩频技术工作原理 类型 区别 复用与扩频技术的直观印象 17 17 扩频技术 扩频原始信号和比它速率高得多的扩频序列相乘 从而延展它的频带 18 18 跳频扩频 19 19 跳频技术如何实现频谱扩展 每一跳频驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频谱依照跳频图案随时间的变化 这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变 形成一个跳频带宽 由于跳频速率很快 从而在宏观上实现了频谱的扩展 20 20 21 直接序列扩频 直接序列扩频 DirectSequenceSS DSSS 用具有高码率的扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱 而接收方则用相同扩频码序列进行解扩 即把拓宽的扩频信号还原成原始信息 DSSS中 原始信号中的每一位在传输信号中以多位表示 即使用扩展编码 例如说在发射端将 1 用11000100110 而将 0 用00110010110去代替 这个过程就实现了扩频 而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成 1 是00110010110就恢复成 0 这就是解扩 扩展编码能将信号扩展至更宽的频带范围上 该频带范围与使用位数成正比 21 直接序列扩频原理 22 一个周期 22 直接序列扩频原理 23 23 扩频的应用 扩频码如何区分手机1与手机2的信号 24 24 扩频的应用 手机2接收端的解扩码为W2解扩后信号变成了低频信号 只应有两个码元同一个码元内高低电平的变化会进行积分 积分的值才是最终值 25 25 什么是天线 把从导线上传下来的电流信号做为无线电波发射到空间收集无线电波并产生电信号 26 26 天线参数解析 天线参数方向性 辐射的方向增益 集中辐射的能力波束宽度 描述辐射方向与抗干扰能力极化 调整振子方向以提高增益 27 27 天线参数 方向性 发射器设备通过发射天线向空间发射电磁波 是有方向性的发射天线的作用就是将电磁能量会聚到一个很窄的方向上发射出去 形成一个电磁波束 天线的指向就是波束指向 如果天线转到某个方向上时 发现了目标回波 那么天线所指的方向就是目标所在的方向 28 28 天线的方向性 天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力 这就是天线的方向性根据方向性的不同 天线有全向和定向两种全向天线 即在水平方向图上表现为360 都均匀辐射 也就是平常所说的无方向性 在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束定向天线 在水平方向图上表现为一定角度范围辐射 也就是平常所说的有方向性 在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束全向天线会向四面八方发射信号 前后左右都可以接受到信号 定向天线就好像在天线后面罩一个碗壮的反射面 信号只能向前面传递 射向后面的信号被反射面挡住并反射到前方 加强了前面的信号强度 29 29 天线的方向性 广播电视发射天线 移动通讯基站天线等 要求在水平面内为全向方向图 而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益 见图 a 对微波中继通讯 远程雷达 射电天文 卫星接收等用途的天线 要求为笔形波束方向图 见图 b 对搜索雷达 警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束 见图 c 等 30 30 信号损伤 多径 在发送器和接收器之间产生了不止一条 而是许多条不同的路径 31 31 32 32 复习提纲 第三章 无线局域网定义 标准和组成IEEE802 11MAC设计目标可靠数据传送访问接入控制 CSMA CA原理 33 33 无线局域网定义 标准和组成 WLAN的基本元素 BSS BSS1 BSS2 STA1 STA2 STA3 STA5 STA6 STA4 AP AP 能互相进行无线通信的STA可以组成一个BSS BasicServiceSet BSS是802 11网络的基本结构Stations STA 任何的无线终端设备 34 34 DS DistributionSystem 连接多个BSS网络及有线网络 BSS2 AP BSS1 AP DS 无线局域网的组成 基本元素 DS AP1 SSID marketing SSID ServiceSetID服务集识别码 STA STA STA 无线局域网的组成 ESS BSS2 AP2 Servicesetidentify SSID1 BSS1 AP1 Servicesetidentify SSID1 DS 无线局域网的组成 ESS ExtendedServiceSet 是采用相同的SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSS AP1 AP2 BSSID1SSID SSID marketing SSID marketing ESS BSSID1SSID SSID是一个ESS的网络标识BSSID是一个BSS的标识 1208E 1208E 无线局域网的组成 38 38 IEEE802 11MAC设计目标 IEEE802 11MAC 39 39 可靠数据传送 IEEE802 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 为了更进一步地增强可靠性 可以使用四帧交换 RTS CTS 40 40 隐终端 Hiddenterminal 效应 侦听到信道 闲 可能结果不正确 由于 a 隐蔽站问题 在发送方侦听不到 A C不能互相听到 中间有障碍物 信号衰减 A C于是都发给B B处此时会产生冲突 b 信号强度衰减问题 C在发送 由于信号传输衰减 传到A处时 A听不到 A以为听到信道闲 也发 接收站B处此时产生冲突 隐终端是指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端 41 41 暴露终端 Exposedterminal 效应 当节点B向节点A发送数据时 节点C也希望向节点D发送数据 节点C侦听信道 它将听到节点B正在发送数据 于是错误地认为它此时不能向节点D发送数据 但实际上它的发送不会影响节点A的数据接收 这就导致节点C所谓暴露终端问题的出现 暴露终端是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端 42 42 隐终端问题解决方式 节点A欲发送一数据包给节点B 首先A发送一RTS给B B发送CTS A收到CTS后发送数据 C监听到CTS 知道有节点在发送数据 A和B数据传输时间C不会发数据包 43 43 暴露终端问题解决方式 1 发送者发送RTS 2 接收者返回CTS 3 邻居节点 如果收到CTS 信道busy 则保持安静 不能传输数据 如果只收到RTS而没收到CTS 可以传输数据 44 44 接入控制 无线接入过程 45 STA 工作站 启动初始化 开始正式使用AP传送数据幀前 要经过三个阶段才能接入 1 扫描 SCAN 2 认证 Authentication 3 关联 Association 45 无线接入第一阶段 扫描 SCAN 阶段若无线站点STA设成Ad hoc模式 STA先寻找是否已有BSS 与STA所属相同的SSID 存在 如有 则参加 join 若无 则会自己创建一个BSS 等其他站来join 若无线站点STA设成Infrastructure模式 1 主动扫描方式 特点 能迅速找到 STA依次在11个信道发出ProbeRequest帧 寻找与STA所属有相同SSID的AP 若找不到有相同SSID的AP 则一直扫描下去 2 被动扫描方式 特点 找到时间较长 但STA节电 STA被动等待AP每隔一段时间定时送出的Beacon信标幀 该帧提供了AP及所在BSS相关信息 我在这里 接入控制 46 46 无线接入第二阶段 认证 Authentication 阶段当STA找到与其有相同SSID的AP 在SSID匹配的AP中 根据收到的AP信号强度 选择一个信号最强的AP 然后进入认证阶段 只有身份认证通过的站点才能进行无线接入访问 802 11提供几种认证方法 有简单有复杂 如采用802 1x EAP认证方法时大致为 STA向AP发送认证请求AP向认证服务器发送请求信息要求验证STA的身份认证服务器认证完毕后向AP返回相应信息如果STA身份不符 AP向STA返回错误信息如果STA身份相符 AP向STA返回认证响应信息 接入控制 47 47 无线接入第三阶段 关联 Association 阶段当AP向STA返回认证响应信息 身份认证获得通过后 进入关联阶段 STA向AP发送关联请求AP向STA返回关联响应至此 接入过程才完成 STA初始化完毕 可以开始向AP传送数据幀 接入控制 48 48 无线接入过程示意图 AuthenticationServer AP STA ProbeRequest ProbeResponse ProbeRequest ProbeResponse SSID 比较 AuthenticationRequest AuthenticationResponse AssociationRequest AssociationResponse 扫描 认证 关联 Y 49 49 MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据 接入控制 50 50 分布协调功能DCF 争用服务 必选项 DistributedCoordinationFunction DCF在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法 让各个站通过争用信道来获取发送权 因此DCF向上提供争用服务 点协调功能PCF 无争用服务 可选项 PointCoordinationFunction PCF使用AP集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了冲突的产生 接入控制 51 51 CSMA CA CSMA CA ACK接收方在CRC正确时立即返回ACK没有接收到ACK则在随机退让时间后重传数据帧 52 52 CSMA CA问题 53 当网络负载大时竞争窗口越小 站点选择的随机值越接近导致太多冲突当网络负载轻时竞争窗口越大 站点等待时间越长导致不必要的延迟 53 IEEE802 11优化技术 Q 无线站点监听时如何判定信道 忙 A 802 11标准规定在物理层的空中接口进行载波监听 通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值来判定是否有其他的无线站点在信道上发送数据 CSMA的基础是载波监听虚拟载波侦听VCS物理载波侦听PCS网卡在发送数据时首先对通信介质上的载波进行监听 如果发现信号强度超过一定阈值 出现载波 则认为其他站点正在传送信息 继续监听 54 54 虚拟载波监听 虚拟载波监听 VirtualCarrierSense 源站将它还要占用信道的时间 包括目的站发回确认帧所需时间 在其MAC帧首部字段 持续时间 中填入指示给所有其他站 其他所有站会在这段时间都停止发送数据 这样大大减少了冲突的机会 虚拟 是指其他站并没有真正监听信道 而是检测到源站发送幀中的 持续时间 才不发送数据 这种效果好像是其他站都监听了信道 当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的 持续时间 字段时 就调整自己的网络分配向量NAV NetworkAllocationVector NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输 才能使信道转入到空闲状态 55 55 IEEE802 11优化技术 Q 当一个节点的位置发生改变后 如何进行通信 A 使用移动IP机制 1 不必改变地址就可以实现不间断的通信 2 不必采用主机路由 不会造成路由表的膨胀等问题 3 可以在多种媒介之间提供移动功能 4 可以实现任意大范围内对移动性的支持 56 移动IPv4工作原理 移动检测 使用外地代理转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 57 移动检测 使用外地代理转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 58 转交地址配置 使用外地代理转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 使用外地代理转交地址 59 绑定注册 使用外地代理转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 处理注册请求和应答 60 接收 发送分组 使用外地代理转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 代理ARP和免费ARP 隧道 分组 分组 分组 分组 知道移动节点的家乡地址 61 移动检测 使用配置转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 62 移动检测 使用配置转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 63 转交地址配置 使用配置转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 通过DHCP等方式获取配置转交地址 64 绑定注册 使用配置转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 注册过程与外地代理无关 65 接收 发送分组 使用配置转交地址 家乡代理 通信对端 移动节点 外地代理 代理ARP和免费ARP 隧道 分组 分组 分组 66 三角路由问题 通过家乡地址来唯一标识移动节点 使得通信对端不需要知道移动节点的位置信息移动节点和通信对端的通信始终使用家乡地址 使得移动对于通信对端以及IP层以上的应用是透明的 但是同时也带来了三角路由问题移动节点直接向通信对端发送分组到移动节点的分组通过家乡代理转发 此外 还存在入口过滤问题 当移动到外地时 防火墙可能过滤源地址为移动节点家乡地址的分组 三角路由问题 67 移动IPv6基本工作过程 移动检测和地址自动配置 家乡代理 通信对端 移动节点 接入路由器 家乡地址 HoA转交地址 CoA 68 移动检测和地址自动配置 家乡代理 通信对端 移动节点 接入路由器 家乡地址 HoA转交地址 CoA 路由器公告 无状态地址自动配置生成CoA 69 到家乡代理绑定注册 家乡代理 通信对端 移动节点 接入路由器 家乡地址 HoA转交地址 CoA 绑定更新 BindingUpdate 绑定应答 BindingAck 绑定缓存HoACoA 绑定注册过程不需要接入路由器参与 70 和通信对端通信过程 不支持任何移动IPv6功能 家乡代理 通信对端 移动节点 IPv6 in IPv6隧道 家乡地址 HoA转交地址 CoA 分组 分组 分组 分组 这种通信模式也称为双向隧道模式 代理邻机发现 知道家乡地址 71 和通信对端通信过程 支持移动IPv6功能 家乡代理 通信对端 移动节点 绑定缓存HoACoA 家乡地址 HoA转交地址 CoA 绑定更新 绑定更新列表通信对端IPv6地址 这种通信模式也称为路由优化模式 72 和通信对端通信过程 支持移动IPv6功能 家乡代理 通信对端 移动节点 家乡地址 HoA转交地址 CoA 分组 分组 绑定更新列表通信对端IPv6地址 绑定缓存HoACoA 这种通信模式也称为路由优化模式 使用转交地址 73 移动IPv6的优势 克服三角路由的问题 提高了效率 充足的地址空间 可以保证地址的唯一性良好的安全特性 74 复习提纲 第四章 无线广域网概述GSM网络部署结构 关键技术WCDMA网络部署结构 关键技术 75 75 无线广域网 76 76 无线广域网 77 77 无线广域网 图1和图2 各种技术标准的数据传输速率与移动速度 覆盖范围之间的关系 3G可以提供广覆盖 高移动性和中等数据传输速率 MBWA可以提供广覆盖 高移动性和高数据传输速率 WiMAX可以提供城域覆盖和高数据传输速率 WiFi可以提供热点覆盖 低移动性和高数据传输速率 WPAN可以提供超近距离的无线高速率连接 WiFi WiMAX MBWA和3G是互补的 竞争关系 共存关系 78 78 IEEE802 20技术标准 提供高速率数据传输 MIMO技术支持高速移动 降低多径引发的衰落OFDM支持高速移动 切换 79 OFDM的基本过程将高速的串行信号通过串并转换变成了低速的并行信号将N列并行信号调制到N个正交的子载波中 79 IEEE802 20协议 纯IP架构移动终端是IP主机 而基站也是所谓的 IP基站 它扮演着类似于有线接入网络中的接入路由器的角色 IP基站一方面利用空中接口与移动终端相连接 另一方面通过有线链路与移动核心IP网络相连 从有线链路这一侧看 IP基站与普通的接入路由器没有本质区别 80 80 GSM 全球移动通信系统GlobalSystemforMobileCommunication 81 81 GSM的时隙与TDMA帧 频域200kHz时域0 577ms7个时隙 1 7号时隙 用来承载业务 1个时隙 0号时隙 管理控制系统 82 82 WCDMA 宽带码分多址WidebandCodeDivisionMultipleAccess 83 83 WCDMA的技术 WCDMA相对GSM 空中接口的变革GSM WCDMA空中接口FDMA TDMA CDMAGSM25MHz切成200kHz时间切成8块WCDMA扩频码区别用户正交扩频因子OVSF当一个用户选取扩频码时 只要这个扩频码的上一级码树上没有码子被占用 下一级也没有码子被占用就可以使用 84 84 复习提纲 第五章 移动Adhoc网络的定义MANET体系结构MANET路由协议 85 85 86 Adhoc网络体系结构 单机单天线 单机多天线 Transceiver 86 87 Adhoc网络体系结构 续 87 Adhoc网络体系结构 续 88 88 89 平面结构的优缺点 优点简单所有节点能力相同健壮性 鲁棒性 只要存在路径就能通信相对安全节点覆盖范围较小缺点路由开销大可扩展性差 89 90 层次结构的优缺点 优点簇的普通成员 regularmember 功能简单路由信息本地化易于节点定位可扩展性好缺点簇头需要 动态 选择所有数据传输都通过簇头簇头是性能瓶颈耗电量大 负载重 90 91 MANET路由协议分类 平面路由无需建立具有特殊簇头功能节点的层次结构 不划分区域以及所谓的区内 外不同路由所有的节点在路由机制中地位平等寻址方式是平面的层次路由节点功能不同寻址方式是分层进行的地理信息辅助路由利用地理信息进行路由选择根据节点的地理位置信息进行转发 91 92 92 93 按需 on demand 路由 反应式 reactive 路由在源端需要时候通过路由发现过程来确定路由控制信息采用泛洪方式路由发现延迟大路由开销低两种实现技术源路由 报文头携带完整的路由信息 逐跳 hop by hop 路由典型协议 DSR AODV 93 94 表驱动 tabledriven 路由协议 先应式 proactive 路由传统的分布式最短路径路由协议链路状态或者距离向量协议所有节点连续更新 可达 信息每个节点维护到网络中所有节点的路由所有路由都已经存在并且随时可用无初始路由请求延迟协议开销非常高典型协议 DSDV 94 复习提纲 第六章 无线传感器网络与传统无线网络的区别无线传感器网络的节点结构 网络体系结构无线传感器网络的数据分发过程 定向扩散协议 95 95 无线传感器网络的特点易于部署随机部署在感兴趣的地方而无需事先规划降低安装成本和增加部署灵活性范围扩展许多分布的小型无线传感器覆盖的范围超过一个有线传感器的覆盖范围容错能力单个传感节点的故障不会影响网络的性能 临近节点感测的数据类似 移动性节点可进行重新分布以便分布均匀 相对adhoc节点的移动速度慢 96 96 97 97 98 98 节点结构 数据采集模块 传感器 ADC 微处理器 存储器 数据及信号处理模块 基带处理 射频模块 无线射频模块 电源模块 图3 节点硬件结构示意图 99 99 BS 层次体系特点 由一个强大的基站和围 着它的一系列传感节点组成 与 跳数相同的节点位于同一 层次 2 hoplayer1 hoplayer 层次网络结构3 hoplayer 100 100 分簇网络结构分簇体系特点传感节点组成一个cluster每个cluster由一个head控制每个节点与各自head交换信息Head与BS交换信息BS与有线网络连接 head head head 任何消息发送到BS至多2跳 101 101 Source产生数据的节点 Sink对某个事件感兴趣并寻找有关该事件信息的节点Event传感器感知到的信息Interest节点对某类感兴趣数据或者事件的描