第一章 无线网络技术概论.ppt

无线网络技术,无线网络的作用,网络技术快速发展，人们的需求不断提高，移动计算技术更加得到青睐。构造无处不在的计算环境，真正实现6A：任何人(anyone)在任何时候(anytime)、任何地点(anywhere)可以采用任何方式(anymeans)与其他任何人(anyother)进行任何通信(anything)。无线网络技术是实现6A梦想/移动计算/普适计算(UbiquitousComputing)的核心技术。,现状,新技术层出不穷、新名词是应接不暇从无线局域网、无线个域网、无线体域网、无线城域网到无线广域网从移动AdHoc网络到无线传感器网络、无线Mesh网络从Wi-Fi到WiMedia、WiMAX从IEEE802.11、IEEE802.15、IEEE802.16到IEEE802.20从固定宽带无线接入到移动宽带无线接入从蓝牙到红外、HomeRF，从UWB到ZigBee从GSM、GPRS、CDMA到3G、超3G、4G.技术主线？,无线网络的技术主线,从无线网络覆盖范围的角度看，有无线个域网、无线局域网、无线城域网、无线广域网和移动AdHoc网络(可以归到无线局域网范畴)从无线网络应用的角度看，有无线传感器网络、无线Mesh网络等核心技术主线：移动互联网or无线Internet,预备知识：网络体系结构参考模型OSI参考模型,TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对应关系,TCP/IP协议栈,TCP/IP模型,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,OSI七层模型,应用层,传输层,网络层,数据链路层,DOD模型,FTP、TELNET、SMTP,TCP、UDP,IP,以太网、TokenRing、FDDI,物理层-定义传输的介质规格、传输信号的表现形式、接头的类型,数据链路层-同步、查错、制定MAC方法,网络层-寻址、路由,传输层-编定序号、控制流量、查错和错误处理,会话层-通讯双方在传输前的沟通，建立传输时所遵循的规则,表示层-压缩和解压缩、加密和解密,应用层-直接提供服务给使用者,本地ISP,应用层传输层网络层链路层物理层公司网络,链路层物理层,网络层,链路层,IP与Internet简单回顾网络层,物理层区域ISP网络层链路层物理层基站,应用层传输层网络层链路层物理层IP,OSI参考模型的结构,OSI环境中的数据传输过程,OSI环境中的数据流,TCP/IP工作的特点：封装与解封装按序层层封装与层层解封装,应用层,应用数据,IP包头,传输头,应用消息（Message),数据段（DataSegment）,IP净荷,IP报文（IPPacket）,协议报文（PDU）,帧（Frame）,帧头,帧头,实际发送的数据格式,通信子网的实质,计算机网络的层次模型对应OSI模型的下面三层，包括网络层IP数据链路层LLCMAC物理层通常，从用户获取通信质量的角度考虑，网络通信把传输层纳入功能实现的范畴，以改善最终的数据传输服务质量。,无线网络逻辑结构,IEEE802.X协议模型,IEEE802.11x无线局域网协议体系,IEEE802.11x标准较为完整的协议体系,概述,本课程的学习目的了解和掌握无线计算机网络（移动互联网）的基本原理与性能特点。无线移动学习本课程的要求MAC学习方法与参考书无线移动互联网:原理、技术与应用崔勇清华出版社移动计算技术徐明清华出版社宽带无线移动通信网络刘宴兵科学出版社无线网络技术导论汪涛清华出版社,基本内容1）WLANWPANWMANMANETWSNWMNMobileIP中的MAC和Routing,Qos,TCP,security,etc.2）教材涉及内容3)教学内容顺序：按照通信子网模型自下而上MAC网络层传输层（应用层）成绩考核要素：出勤率，平时作业，实验，期末考试,注意事项:1）实验环节：三次课，给出要求，设计完成2）课程内容时间安排(总共18次课)前言：1MAC：56MobileIP:34AdHocRouting:45Qos&TCP:23,引言,无线Internet技术无线移动节点移动网络移动wirelessmobile移动通信系统VS无线网络系统的区分，融合趋势3G中的IMSWPANWLANWMANMANETWSNWMN,第一章无线网络技术基础,一、计算机网络的发展趋势,网络技术的三条主线1、Internet技术2、无线网络技术PRnetMobileInternetMobileAdHocWSN/WMN3、网络安全技术NetworkSecurity,ARPNetTCP/IPInternet,WAN/MAN/LAN,NetworkArchitecture&Protocols,二、无线网络技术的发展趋势,早期主要用于军事领域1972年美国国防部高级研究计划署DARPA的无线分组网PRnet(PacketRadionetwork，PRnet)(为AdHoc起奠基作用)20世纪60年代末的民用无线分组校园网络Alohanet(为802.11WLAN的CSMA/CA的MAC访问起重要作用)AdHoc残存性自适应网络(SurvivableAdaptiveNetwork）应用于海军的短波自适应网络HF-ITF,从是否具有基础设施角度来看，移动无线网络系统可分为两类基于基础设施VS无基础设施蜂窝移动通信AdHoc网络移动IP通信可以在任何地点，任何时刻移动节点与基站之间进行通信迅速构建的移动自组织基站与基站之间通过路由器、交换机无线移动网络转发数据分组IEEE:一种特殊的、自组织、对等式、多跳、无线移动网络,AdHoc网络是由一组带有无线通信收发设备的移动节点组成的多跳、临时和无中心的自治系统。节点具有路由和分组转发的功能，可组成任意的拓扑。可以独立工作，也可以接入移动无线网络或Internet.AdHoc网络无线传感器网络WSN无线网格网(WirelessMeshNetwork),多跳AdHoc网络,无线传感器网络WSN,无线传感网络(WSN，wirelesssensornetworks)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。,无线Mesh网络,无线Mesh网络(无线网状网络)是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络，是由移动AdHoc网络顺应人们无处不在的Internet接入需求演变而来，被形象称为无线版本的Internet。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。,发展趋势：融合1）基于基础设施为核心骨干网的无所不在的无线接入的无线网络。WPAN，WLAN，WMAN2）特定应用的自组织移动网络美军战争数据链，传感器网络应用国防科技大学,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,52,Macro-Cell,Micro-Cell,Urban,In-Building,Pico-Cell,无线通信架构GlobalSuburban,RandyKatz,WWW,Cablemodem,HomeNetwork,Gateway,VideoServer,LAN,Internet现状CoreNetworksIPbased,Internet,PSTN,OpticalNetworks,ISDN,PDN,Other,serversModem/xDSL,无线通信网络的发展,Internet,WWW,OtherServices,WAPmobilephoneHot-spot,36,论坛和标准化组织IEEE(TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers)IETF(TheInternetEngineeringTaskForce)3GPP(The3rdGenerationPartnershipProject)、3GPP2IPDR(TheInternetProtocolDetailRecord)Wi-Fi（wirelessfidelity，无线相容性认证）,三、无线网络的基本形式,1、无线局域网WLAN，IEEE802.11标准IEEE802.11无线局域网（WirelessLAN）介质访问控制子层与物理层规范。通常在建筑内和室内进行无线传输，距离一般不超过200M。其中，802.11b又称为Wi-Fi，传输峰值11Mb/s802.11a802.11b802.11g802.11n802.11e,802.11b，所谓的高速无线网络或Wi-Fi标准，1999年再度发表IEEE802.11b高速无线网络标准，在2.4GHz频段上运用DSSS技术，且由于这个衍生标准的产生，将原来无线网络的传输速度提升至11Mbps并可与以太网络（Ethernet）相媲美。802.11g，802.11b的继任者，在802.11b所使用的相同的2.4GHz频段上提供了最高54Mbps的数据传输率802.11n，802.11n是对WLAN增进有更高吞吐量，被设计来提高WLAN有效吞吐量大于100Mbit/sec和覆盖范围可达400米的IEEE标准。IEEE802.11n技术也叫做多输入，多输出（MIMO）。,无线局域网（WLAN）有线网络AP,2、无线城域网WMANIEEE802.16标准一般在室外进行无线传输，跨越不同建筑物，距离为不超过5KM。802.16标准又称为WiMAX，速率为70Mb/s；其重要特性为容量比802.11大得多，可同时支持60多个T1接入的企业用户和数百个DSL速率接入的家庭用户。,802.16，IEEE802.16是指在一个用户站点和一个核心网络（例如公共电话网络、PSTN和因特网）之间定义无线通信的一组标准。它被叫做无线MAN技术，其也被品牌化为WiMAX。这个无线宽带接入标准为在DSL、电缆和其它宽带接入方法不适用或太昂贵的城域网络中提供“最后一公里”连接缺少的一个环节。,802.16a，802.16标准对原来的802.11家族规范做了一定的补充。802.16a标准是为运行于无线频率宽度在2GHz到11GHz之间的无线城域网而开发的，其数据速率高达75Mb/s，而且时延低、频谱空间使用率高。其安全性是由加密特性来实现的。802.16d是802.16的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本，在2004年下半年正式发布。802.16d对2-66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了802.16、802.16a等标准中的所有模式和主要特性。,IEEE802.16e是移动宽带无线接入的标准，该标准后向兼容IEEE802.16d。IEEE802.16e的物理层实现方式与IEEE802.16d是基本一致的，为了支持移动性，802.16e在MAC层引入了很多新的特性。IEEE802.16e具有以下基本特征：1)高速移动。802.16e可以同时支持固定(16d)和移动(16e)无线接入，其移动速率目标为车速移动(通常认为可以达到120km/h)。,2)宽带接入。系统在不同的载波带宽和调制方式下可以获得不同的接入速率。以10MHz载波带宽为例，若采用OFDM-64QAM调制方式，除去开销，则单载波带宽可以提供约30Mbit/s的有效接入速率，由蜂窝或扇区内的所有用户共享。3)城域覆盖范围。802.16e的单基站覆盖范围在几km量级，应用于城域范围。4)主要提供数据业务802.16e系统将接入基于IP协议的核心网，主要面向个人用户提供数据接入业务，也可以提供话音业务。,无线城域网（WMAN）小型商务T1/E1服务家居DSL服务企业级T1/E1服务手持设备的游牧区域,3、AdHoc网络MobileAdHocNetwork=MANET节点的位置在不断移动变化中无中心、自组织、对等网络、多跳路由、动态拓扑,46,MANET网络,4、无线传感器网络WirelessSensorNetwork,WSN一个数据采集网络，绝大部分流量是由各个传感器流向接收器节点（Sink节点），也称处理中心节点。一类特别的AdHoc网络，其与一般AdHoc网络的区别在于其多数节点常常是不移动的。,Copyright2008YANWei.Allrightsreserved.,23,传感器网络的通信体系Internet,/卫星,sink,E,D,C,BA传感器节点传感区域,任务管理节点传感网络的体系结构分类层次体系结构分簇体系结构,传感器网络节点集成有传感器模块和通信模块，其中传感器模块借助于形式多样的传感器，测量周边环境因素，获取温度、湿度、噪声、物体大小、振动、移动速度、方向等信息。应用实例：军事侦察，环境监控，卫生医疗，空间探索等,5、无线Mesh网络(WMN，WirelessMeshNetwork，又称无线网状网、无线网格网等)和无线传感器网络一样，也是一种应用性的网络技术，仍然主要是以前面介绍的各种网络技术为基础的，特别是和移动AdHoc网络技术有着非常密切的联系。为了能够实现无线通信中无处不在的通信目标，需要基于移动AdHoc网络的技术基础，开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术，WMN技术就随着这一需求而出现。,传统基站方案的无线通信系统,WMN结构示意图,6、无线个域网WPANIEEE802.15短距离无线网络覆盖范围为数米，也可称为“最后1米”的解决方案，主要用于家庭和小型办公室场合，主要技术包括红外技术、蓝牙，zigbee，超宽带等所有个人移动设备可通向外部世界的无线传输环境。蜂窝电话、汽车、笔记本、键盘、麦、鼠标、耳机。,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,6,bluetooth蓝牙是无线技术规范短程：最大传输距离10m（高能达到100m）性能中等：721Kbps动态配置：自组联网/漫游低能耗(2.5mW)：适用于手持应用模块大小：9x9mm支持语音和数据传输,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,7,bluetooth的应用蓝牙好在哪里？没有线缆连接时!个域网(PAN)使得一组个人设备协同工作位置感知服务(例如：漫游)仅在有限范围内并且需要时访问额外资源充当进入Internet的桥梁构建居家网络运动中组网,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,8,整洁办公空间,需要电池供给能量,连接计算机以及其他外部设备,802.11,802.11,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,9,支持自组织网络,临时性,不需要适配器,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,10,充当访问Internet的接入点蜂窝架构,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,11,PDACellPhone,CordlessPhoneBaseStation,xDSLAccessPoint,InkjetPrinter,HomeAudioSystem,构建居家网络环境DigitalCameraComputerScanner,MP3Player,12,PayPhone&AccessPoint,HotelPhone&AccessPointCopyright2009YANWei.Allrightsreserved.,Headset,MP3Player,运动中的连接CarAudioSystemPDACellPhone,Laptop,室,室内,GSM,IS-D95,-AMPS,外,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,53,Mobility,Mbps,1,10,100,0,1,Wideband,CellularW-LAN,Bluetooth,LAN,LAN热点高速率,WAN覆盖范围广,PAN连通性,替代线缆,无线通信技术,Media,Media,TV/Radio/,TV/Radio/,Personal,Personal,services,services,Mobility,Mobility,Highspeed,Highspeed,Services,Services,Internet,Internet,/ERP,/ERP,Email,E-mail,Elearning,E-learning,Ecommerce,E-commerce,Computer,Computer,Mobility,57,Services移动VoIP宽带数据电路交换过渡到分组交换Telecommunication,数据分发,广播和出版,娱乐,多媒体信息,访问,访问内联网,IPMobilityWideband,无线InternetInternet与移动集成,四、无线网络的关键问题异构网络的互联互通支持不同网络接入技术不同路由机制的融合支持组播技术服务质量（跨层次的问题）应用程序的无缝运行网络性能的保障（带宽、延迟和吞吐量）安全性（跨层次的问题）无线传输介质的安全性用户鉴别认证信息传输的加密,无线网络的关键问题异构网络的互联互通（1/2）软件系统的融合互联技术（IP路由、adhoc路由、其他网络的路由机制）Addressing模式（IP地址、手机号码、adhoc网络节点标识）定位（IP网络的层次路由、adhoc网络的平面路由、传统移动网络）组播（不同网络整合之后的组播机制）垂直和水平无缝切换,Copyright2009YANWei.Allrightsreserved.,69,campus-basedin-house,垂直切换,metropolitanarea水平切换,垂直和水平无缝切换具有不同传输特性的异构的固定/移动网络的集成,这个问题既涉及到网络,的互联互通，还涉及到,regional切换时的服务质量。,70,无线网络的关键问题异构网络的互联互通（2/2）传输介质接入技术的多样性WPAN（IEEE802.15x、Zigbee、UWB）WLAN（IEEE802.11x、HiperLAN、DSRC）WMAN（IEEE802.16x、IEEE802.20）WWAN（4G）,2005/6年更多的Hotspot802.11&GPRS&3G集成在单个设备中,2007年802.16a,802.16e(Wi-Max)802.20(Mobile-Fi)4G&MobileIP,无线网络的关键问题服务质量(1/3)应用程序的无缝运行垂直和水平无