无线网络4.ppt

1、第五章 无线网络,无线网络概述,有线局域网的优点 传输速率高 带宽大 建设方便、维护简单 可靠性和稳定性高z。 有线局域网的缺点： 在不使用有线介质和物理接口的情况下，无法实现移动设备联网和接入功能： 移动设备只能通过有线接口、在固定位置接入并使用网络。 在某些环境中，建设有线局域网成本高，施工难度大、维护不方便，有时可能无法布线。,无线网络概述,无线网络可以有效地解决设备移动接入、降低建设成本等问题。 无线网络已经被广泛地应用在零售、医疗、房地产、服务业、公共事业和工业现场等领域，向着宽带、高速和广覆盖范围方向飞速发展。 IEEE 802委员会制定了一系列的无线网络标准。 IEEE802.1

2、5是无线个域网标准； IEEE802.11是无线局域网标准； IEEE802.16是无线城域网标准； IEEE802.20是无线广域网标准。,无线局域网,无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network ）定义： 使用无线电、微波或红外线等无线传输介质，在一个小范围区域内互连设备以实现数据通信与资源共享的计算机网络系统。 无线局域网也是一种局域网，其网络功能与有线局域网基本相同。 无线局域网的优点是： 建网方便、使用简单、灵活性好； 网络建设成本低；支持网络设备移动接入； 支持移动、添加或改变网络设施； 扩展性好，通过增加接入点设备，可以方便地扩大网络规模，以支持接入

3、更多的网络设备。 无线局域网的缺点是： 网络覆盖范围受设备发射功率和频率的限制，通常只有几百米。,无线局域网,1997年，IEEE802.11无线局域网标准定义了使用红外线技术、跳频扩频FHSS和直接序列扩频DSSS技术、数据速率为1Mbps和2Mbps的无线局域网。 一系列的扩展标准被制定，定义了传输速率、物理层、数据链路层及高层协议规范。 IEEE 802.11b，数据传输速率为1、2、5.5和11Mbps； IEEE 802.11a，数据传输速率为54Mbps。 IEEE 802.11b、IEEE 802.11a和IEEE 802.11g等标准规定了物理层规范 IEEE 802.11d、

4、IEEE 802.11e、IEEE 802.11i、IEEE 802.11h和IEEE 802.11r等定义了增强型MAC层规范 IEEE 802.11f、IEEE 802.11n、IEEE 802.11p、IEEE 802.11s、IEEE 802.11t等定义了高层协议规范。,IEEE802.11 标准,定义了无线介质访问控制子层MAC和物理层PHY规范。 主要功能： 接收来自上层LLC子层或其它高层的数据，通过调用无线MCA层和无线物理层PHY的服务，把数据发出去。 接收一方执行与发送相反的操作。 IEEE802.11的特点为： 提供异步、限时发送服务； 通过分布式系统，在扩展域内连续服

5、务； 数据传输速率为1Mbps或2Mbps； 支持大部分无线网络应用； 支持多点传送服务； 支持网络管理、注册和认证服务等。 可在建筑物内部和户外区域等环境中使用。,IEEE802.11 标准,无线局域网和有线局域网的主要区别是： 电源管理比有线局域网复杂； 网络设备主要依靠电池供电 带宽比有线局域网小； 安全性比有线局域网差； 寻址和编制技术比有线局域网要复杂。 因设备是可移动的、网络是动态变化的,IEEE802.11 拓扑结构,多种类型的无线网络设备相互连接及互动构成了一个无线局域网。 IEEE802.11标准定义两种拓扑结构。 基本服务集BSS网络 提供一个无线网络覆盖区域，其覆盖范围内

6、的站点能可靠地连接在一起，但位置可自由移动；其覆盖范围之外的站点不能与BSS内的站点直接建立连接。 独立基本服务集IBSS网络 是一个独立BSS，拥有两个或两个以上的无线站点（移动式或固定式），且站点地位是平等的，站点之间直接构成无线网络。 IBSS网络的优点是建立容易、维护简单，缺点是覆盖范围小。,IEEE802.11 拓扑结构,扩展服务集ESS网络 由两个或两个以上的带有访问点AP的BSS网络组成 覆盖范围可任意大。 IEEE 802.11站点分类： 非迁移型 是指固定站点和只在BSS网络覆盖范围内移动的站点； BSS迁移型 是指可在同一ESS网络中的不同BSS网络之间移动的站点； ESS

7、迁移型 是指可在属于不同ESS网络的BSS网络之间移动的站点。,IEEE802.11 拓扑结构,在ESS网络内，通过AP使BSS网络相互连接的无线网络组件称为分布式网络系统。 AP是一个站点，提供连接到分布式网络系统的接口，连接位于各BSS网络内的站点。 IEEE 802.11标准没有定义分布式网络系统的结构与工作方式，它可以是符合802标准的网络，也可是其它的网络。,IEEE802.11 的网络体系结构,物理层有三个独立的规范： 跳频扩频 利用无线电频率从一个频率跳到另一个频率发送数据信号 定义了1Mbps数据速率，采用的是2级高斯频移动键控GFSK技术。 直接系列扩频 采用的基本无线电频率

8、为2.4GHz， 2Mbps数据传输速率，采用差动四进制相移键控DQP/SK调制技术 1Mbps数据传输速率，采用动二进制相移键控DBP/SK调制技术。 红外线规范 工作在850nm到950nm波段， 适用于小型设备和低速应用系统。,IEEE802.11 的网络体系结构,IEEE802.11 的网络体系结构,数据链路层分为媒体接入控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层。 LLC层的功能由IEEE 802.2标准定义。 MAC层提供了对无线介质PHY的访问控制功能： 寻址/编址 无线介质共享 载波监听多重访问/冲突避免（CSMA/CA）技术。 错误校验与重传 帧定义等,IEEE 802.11标准

9、的介质访问控制子层,利用无线电或红外线介质，MAC层为LLC层提供数据通信服务。 MAC层的主要功能有： 无线介质访问控制 网络连接管理 数据验证及保密等。 IEEE 802.11标准定义了两种介质访问技术 具有冲突检测的载波监测多重访问技术（也称CSMA/CA技术） 基于优先级的无竞争访问技术。 IEEE 802.11无线局域网采用CSMA/CA技术来处理无线介质的共享问题。,（1）站点之间的帧交换过程：,在发送数据之前，发送站点通过检测工作频率载波的能量大小来检测介质是否空闲； 若信道不空闲，则继续监听； 若发现信道空闲，则等待一个分布式帧间间隔DIFS时间后，重新监听信道，若信道还是空闲

10、，则发送请求发送控制帧（RTS），否则返回继续监听。 接收到RTS控制帧，等待一个短帧间间隔SIFS时间后，接收站要向发送站发送一个清除发送控制帧（CTS），表示接收站已经准备好，可以接收数据。 发送站等待一个SIFS时间后，开始发送数据帧。 因为在协议中没有无法监测数据是否已经成功地到达接收站点，所以需要确认机制。收到数据帧后，接收站等待一个SIFS时间后，向发送站发送确认帧。,IEEE 802.11标准的介质访问控制子层,（2）那么一个站点成功获得无线介质使用权后，其它站点又该如何推迟发送数据时间呢？ 站点发送的RTS帧中包含了它需要占用通道的时间。 受影响的站点自动建立一个定时器，给出允

11、许这些站点检测通道是否空闲之前需要等待的时间。 当一个站点使用无线介质并发送RTS帧时，其它站点就启动各自的等待定时器。 （3）在发送站和接收站之间采用RTS或CTS控制帧握手期间，如果产生了冲突怎么处理呢？ 由于无线网络中没有冲突检测机制，若发送方没收到对方的CTS帧，就认为发送期间产生了冲突，执行退避策略并重启发送过程。 基于优先级的无竞争介质共享技术（PCF） PCF是一种轮询访问控制方式； AP对站点进行轮询，读取数据。,为了减少避免碰撞次数，IEEE 802.11规定站点在发送完一帧数据后，必须等待一段很短的时间才能继续发送下一帧数据。 帧与帧之间的时间被称为帧间间隔。 IEEE 8

12、02.11标准定义了时间间隔，分配多种访问优先级。 短帧间间隔（SIFS） 最短的帧间间隔，为某些帧提供最高的介质访问优先级； PCF帧间间隔（PIFS） 是工作在集中控制方式下的站点获得介质访问权的时间间隔，优先级高于分布式控制方式； DCF帧间间隔（DIFS） 是工作在分布式控制方式下的站点使用的帧间间隔； 扩展帧间间隔（EIFS） 是基于DCF的站点采用的DIFS间隔以外的时间间隔。,IEEE 802.11标准的介质访问控制子层,隐藏站问题,站点1有一个覆盖范围，范围内的站点能接收到站点1传送的信号；同样，站点3也有一个覆盖范围；站点2在站点1和站点3的交叉覆盖范围内，因此可以收到两站的

13、的信号；而站点1和站点3接收不到对方的信号。 若在站点1向站点2发送数据期间，站点3也有数据要发送给站点2。因为站点3在站点1的覆盖范围之外，无接收到站点1的传输信号，因此站点3会认为无线介质是空闲的，可以向站点2发送数据；则站点2会同时收到站点1和站点3的数据信号而无法识别数据，产生冲突。 隐藏站问题降低了无线网络的工作性能。,隐藏站问题,采用RTS和CTS控制帧，隐藏站问题可通过握手过程来解决。 来自站点1的RTS帧到达站点2，但没有到达站点3；站点2收到RTS帧后，向站点1发送CTS帧；因站点1和站点3都在站点2的覆盖范围内，站点2的CTS帧也会到达站点3；此时，站点3就知道有隐藏站点正

14、在使用无线介质，就停止传输直到该周期结束。,暴露站问题,站点2向站点1传输数据时，站点3也有数据要发送给站点4；因站点3在站点1的覆盖范围之外，站点3向站点4发送数据不会对从站点2到站点1的数据传输产生干扰；但站点3在站点2的覆盖范围之内，检测到站点2在发送数据，这样站点3不能发送数据，从而浪费了站点3和站点4之间的通道能力。 在暴露站问题中，使用RTS和CTS控制帧无法解决，只能等到站点2把数据发送完为止。,IEEE802.11的MAC帧结构,顺序控制、帧实体、地址2、地址3和地址4等字段只出现在某些类型的帧中。,IEEE802.11的MAC帧结构,（1）帧控制字段：携带站点之间的控制信息，

15、两个字节 协议版本字段：2比特，只用“00”值，其它值做为保留。 帧类型和子类型字段： 帧类型字段长度为2比特，子类型字段长度为4比特；二者共同决定帧的功能。 帧类型有三种，分别是控制帧、数据帧和管理帧； 每种帧类型又定义了若干子类型。,常用的帧类型和子类型,IEEE802.11的MAC帧结构,To DS字段：长度为1比特；数据帧中值为1，表示是发给DS；其它类型帧中值为0。 From DS字段：长度为1比特；数据帧中值为1，表示从DS中发出；其它类型帧中值为0。 To DS和From DS有四种比特组合 “00”表示在同一个IBSS中，从一个工作站直接传输到另一个工作站的所有数据帧、管理帧和

16、控制帧； “10”表示发往DS的数据帧； “01”表示从DS输出的数据帧； “11”表示从一个AP发到另外一个AP的无线WDS帧。 分段标志字段： 长度为1比特； 在数据帧和管理帧中值为1，表示来自同一个MSDU数据的其他分段放在后续帧中； 其它类型帧中值为0。,IEEE802.11的MAC帧结构,重传标记字段： 长度为1比特，在数据帧和管理帧中值为1，表示一个重传帧；其它类型帧中值设为0。 功率管理字段： 长度为1比特；表示在成功完成本次帧交换之后的功率管理模式； 值为“1”表示工作站将工作于节能模式，之后的通信中不能再使用； 值为“0”表示工作站将工作于活动模式，可继续通信。 更多数据字段

17、： 长度为1比特，向处于节能模式的工作站说明需要为某个工作站缓存多个MAC数据帧或控制帧。 WEB控制字段： 长度为1比特；值“1”表示数据采用WEB加密算法进行了处理；非数据帧和管理帧中值为“0”；,IEEE802.11的MAC帧结构,（2）持续时间/ID：长度为2个字节 在节能轮询子类控制帧中，携带发送工作站的关联识别码AID，最高2位比特为1，取值范围为12007； 其它类型帧中，包含一个帧持续时间数值。 （4）顺序控制字段：长度为两个字节； 包括12个比特的帧序列号和4个比特的分段序列号；低位为分段序列号； 帧序列号用来表示一个数据帧或管理帧的帧序列号，每帧被分配一个序列号，分段后的每

18、个子帧具有相同的帧序列号； 分段序号字段表示数据在原始数据中的位置； （5）数据字段：携带数据或管理信息；数据长度可变；最小是0，最大为2312字节。 （6）FCS帧校验字段：采用32位CRC校验码，生成多项式为:,IEEE802.11的MAC帧结构,（3）地址字段： 有四个地址字段，分别表示基本服务集识别码BSSID、源地址、目的地址、发送帧的AP地址和接收帧的AP地址等，用BSSID、SA、DA和RA表示。 某些帧只含一部分地址字段。 地址字段的类型由To DS字段和From DS字段定义。 每个地址字段是一个48比特的地址，按照IEEE标准定义；可分为单播地址、组播地址两大类，组播地址又

19、分为多播地址和广播地址两类；MAC地址的分配与IEEE802地址类似。 基本服务集识别码BSSID长度为48比特，格式与802 MAC地址相同；该字段为每个BSS指定唯一的地址；在基础性BSS中，该字段是当前站点使用的MAC地址；在IBSS中，该字段表示受本地管理的IEEE MAC地址。 目的地址DA可以是IEEE单播地址或多播地址；源地址SA只能是IEEE单播地址；接收地址可以是IEEE单播地址或多播地址；接收地址RA只能是IEEE单播地址。,IEEE802.11的MAC帧类型,（1）管理帧：负责在工作站和AP之间建立初始通信，提供连接和认证等服务 分类： 信标帧、业务声明指示信息帧、分离帧

20、、连接请求帧、连接响应帧、再次连接请求帧 再次连接响应帧、轮询请求帧、轮询响应帧、认证帧、解除认证帧等。 帧数据由固定字段和数据单元两部分组成； 固定字段包括：认证算法标识码、认证交换顺序号、信标间隔、容量信息、当前访问点AP地址、收听间隙、原因代码、连接识别码AID、状态代码、时间戳等。,IEEE802.11的MAC帧类型,数据单元字段 由1个字节的数据单元识别码、1个字节的长度字段和可变长度的特定数据单元字段组成。 每个数据单元具有一个唯一的单元识别码，长度字段指示数据字段长度。 数据单元包括： 认证算法号、认证处理序列号、信标间隔、能力信息、当前AP地址、监听间隔、原因代码 连接标识、状

21、态码、时间戳、服务组标识、支持速率、跳频参数设置、直接序列扩频参数设置、无竞争参数设置、独立基本服务组参数设置等。,IEEE802.11的MAC帧类型,控制帧：当工作站与接入点之间建立连接和认证之后，控制帧为数据发送提供辅助功能。 控制帧有六种类型， 请求发送帧RTS 允许发送帧CTS 应答帧ACK 节能轮询控制帧PS-Poll 无竞争结束控制帧CF-End 带确认信息的无竞争结束控制帧CF-End+ACK。,IEEE802.11的MAC帧类型,（3）数据帧： 携带有效数据信息，提交给LLC层； 数据帧从LLC层接收特定信息、监督和无编号的帧。 包括帧控制、持续时间、4个地址、顺序控制、帧数据

22、和帧校验等字段。,IEEE802.11的MAC帧类型,数据帧地址字段内容取决于“To DS”和“From DS”两个比特的取值。 IEEE802.11使用2组共8种数据子类型。 第一组有数据的子类帧 简单数据帧； 无竞争应答认可数据帧； 无竞争查询信息数据帧； 无竞争应答认可无竞争查询数据帧。 第二组是没有数据的子类帧 空数据帧； 无数据无竞争应答认可帧； 无数据无竞争查询帧； 无数据无竞争应答认可无竞争查询帧。 第一组携带数据，第二组不能携带数据。 数据帧长度可变，最短是29字节，最长是2346字节。,IEEE802.11的物理层,物理层分类 物理层管理层： 为物理层提供管理功能； 物理层收

23、敛过程子层PLCP 通过服务访问点PHY-SAP与MAC层进行通信，接收来MAC层的数据，或从无线介质接收帧并传递给MAC层； PMD层 通过无线介质实现物理层数据发送和接收，提供调制和解调功能。,IEEE802.11的物理层,物理层通过一系列原语为MAC层传输服务。 物理层的载波监听工作是通过PMD检查介质状态来完成的，包括信号探测和信道评价功能。 IEEE 802.11标准定义了三种物理层标准 （1）跳频扩频FHSS物理层 FHSS技术的优点是成本低、功耗小、抗干扰能力强、传输电压低、集成能力强等。 FHSS物理层收敛过程的数据单元（也称PLCP帧）格式如图所示。,IEEE802.11的物

24、理层,SYNC字段： 长度为10个字节，由“0”和“1”交替组成，用于接收方时钟同步。 帧起始符SFD字段： 2字节；表示一帧数据的开始，通常为比特序列“0000110010111101”。 长度PLW字段： 说明PSDU的长度，以字节为单位；长度为12比特。 PSF字段： 4个比特；说明漂白数据部分的数据速率。 “000”代表1.0Mbps；“001”代表1.5Mbps；“010”代表2.0Mbps；“011”代表2.5Mbps；“100”代表3.0Mbps；“101”代表3.5Mbps；“110”代表4.0Mbps；“111”代表4.5Mbps。 校验和字段： 2个字节；采用16位的CRC

25、冗余码；物理层只检查头部错误，不检查PSDU中是否存在错误。 漂白数据字段： PSDU的长度在04095之间；发送之前先对PSDU进行漂白。,IEEE802.11的物理层,FHSS的物理介质依赖子层（PMD）： 位于PLCP层之下； PMD层实现PPDU的发送和接收；直接与无线介质接口，为传送帧提供FHSS调制和解调服务。 PLCP层通过服务原语来调用PMD层的传输服务，指挥PMD层何时发送数据、改变信道、从PMD接收数据等。 FHSS PMD功能： 将二进制的PPDU数据转换为适合发送的无线电信号。 FHSS PMD通过跳频技术和频移键调控技术相结合来实现。,IEEE802.11的物理层,跳

26、频功能： 在2.4GHz的ISM频带，IEEE 802.11定义了一系列信道。信道的个数与地理位置有关。 北美和多数欧洲国家使用的信道个数为79，日本使用的信道个数为23。 北美和大多数欧洲国家使用2.4022.480GHz之间的频带，日本使用2.4732.495GHz之间的频带。 每个信道的频带宽度为1MHz。 基于FHSS的PMD通过在信道之间跳跃的方式来发送PPDU，依据一伪随机跳频序列将信号平均地分布在操作频带上。 跳频序列在AP中设置完成后，工作站会自动与跳频序列同步。 IEEE 802.11标准定义了一些跳频序列，欧洲和北美国家使用78个序列，日本使用12个序列。 IEEE 802

27、.11标准定义了三个独立的跳频组，每组都包含许多个互不干扰的跳频序列。,IEEE802.11的物理层,FHSS 频率调制功能： FHSS PMD可以1Mbps或2Mbps数据速率发送数据，不同数据速率采用不同的调制技术。 1Mbps数据速率采用二级频移键控GFSK调制技术，使用不同频率的载波表示不同的二进制符号。 2Mbps数据速率采用四级频移键控GFSK调制技术，使用不同频率的载波表示不同的二进制符号组合。,IEEE802.11的物理层,（2）直接序列扩频DSSS物理层 优点是数据速率高、发送距离远。 缺点是成本高、功耗大、物理层集成能力低。 DSSS的PLCP子层帧格式如图所示。,IEEE

28、802.11的物理层,SYNC字段： 长度为16字节；由“0”和“1”交替组成，用于接收方时钟同步。 帧起始符SFD： 长度为2字节；表示一帧数据的开始，通常为比特序列“1111001110100000”。 信号字段： 长度为1个字节；保留，未用。 长度字段： 长度为2个字节；表示发送数据所需要的微秒数。 帧校验序列： 长度为1个字节；含义与FHSS相同。 数据MPDU字段： 长度可变；上层来的有效数据。,IEEE802.11的物理层,DSSS物理层的PMD子层功能为： 实现PPDU的发送与接收； 直接与无线介质接口，提供DSSS调制和解调。 PLCP层通过服务原语来调用PMD层的传输服务，指

29、挥PMD层何时发送数据、改变信道、从PMD接收数据等。 DSSS PMD的操作： 将二进制数据转换成适合发送的无线电信号； 将要发送的信息用伪噪声码扩展到一个很宽的频带上去，扩展后的信号表现形式就如同噪声一样信号； 扩展的频带越宽，信号的功率就越低；与FHSS一样，DSSS的物理层依据世界地理区域来调整权限，工作在2.4GHz2.4835GHz频带； DSSS最多可工作在14个不同的频率上。 DSSS PMD 包括扩频技术和调频技术。,IEEE802.11的物理层,扩频技术： 先扩展基带数据； 然后将扩展后的数据调制到一个特定的频率上。 发送器通过二进制加法器将PPDU和伪噪声PN码组合起来，

30、达到扩展PPDU的目的，输出的DSSS信号速率比原始信号更高。 调制器将基带信号转换成基于信道发送操作频率的模拟信号。 调频技术： 将扩展后的PPDU和一个处于发送频率的载波组合来； DSSS PMD 利用不同的调制模式来发送PPDU，调制模式由数据速率决定。 对于1Mbps的数据速率，PMD采用二进制相移键控DBPSK调制技术。 对于2Mbps的数据速率，PMD采用差动积分相移键控DQPSK调制技术。,IEEE802.11的物理层,（3）红外线IR物理层 主要优点是成本低、防窃听性能好、没有频率限制等 缺点是抗干扰性差、传播距离短等。 红外物理层的PLCP子层帧格式如图所示。,IEEE802

31、.11的物理层,SYNC字段： 由时隙交替出现的脉冲组成，用于接收方时钟同步。 帧起始符SFD字段： 表示一帧数据的开始，一般为“1001”。 数据率字段： 说明发送帧的数据速率。 DC级别调节字段： 使接收工作站能够稳定信号的DC级别。 长度字段： 发送数据所需要的时间，以“微秒”为单位。 帧校验序列： 同FHSS一致。 PSDU字段： 上层来的有效数据，长度在02500字节之间。,IEEE802.11的物理层,红外物理层的PMD功能： 将二进制的PPDU转换成适合发送的红外线信号。 IEEE802.11红外物理层采用间接发送方式。 通常红外物理层只能工作在室内。 红外物理层工作在850nm

32、950nm波段； 设备最大发射功率为2W； 红外线系统没有频率限制。 红外PMD可以1Mbps或2Mbps的速率发送二进制数据，不同速率采用的调制技术不同。 红外PMD采用16-脉冲定位调制PPM法，通过改变脉冲的位置来表示不同的二进制符号，脉冲位置的变化包含了信号的内容信息。,IEEE802.11系列的其他标准,IEEE802.11a标准： 工作在5GHz频段；物理层采用正交频分复用调制技术OFDM，而不是DSSS技术；数据传输速率可达54Mbps； IEEE802.11b标准： 工作在2.4GHz频段；物理层只采用DSSS技术；数据传输速率为5.5Mbps和11Mbps，向下兼容802.1

33、1标准的DSSS标准，支持12Mbps；是Wi-Fi系统标准。 IEEE802.11g标准： 使用2.4GHz的频段；物理层采用正交频分复用调制技术OFDM；数据传输速率可达20Mbps。,IEEE802.11系列的其他标准,IEEE802.11i标准： 增强无线局域网的数据加密和认证性能，定义了健壮安全网络的概念，并针对802.1x中WEB加密机制的各种缺陷做了多方面改进。 IEEE802.11n标准： 提高无线局域网的传输性能，争取达到100Mbps的理论带宽，最高速率可达320Mbps；支持语音和视频应用。 IEEE802.11r和802.11f标准： 支持工作站STA的移动性和漫游性能

34、。 IEEE802.11s标准： 支持MESH（无线多跳网状网技术）组网方式，研究支持无线分布式系统协议，突破传统AP功能上的限制。,无线个域网,无线个域网（WPAN）是一种新兴的计算机网络，提供“最后50米”范围内的网络接入。 WPAN是指能在移动式设备和网络设备之间实现短距离无线连接并通信的计算机网络。 WPAN网络是专为活动范围小、业务类型多、需无线连接的网络通信提出的无线计算机网络技术 可有效地解决“最后几米电缆”的替代问题，将无线联网扩展到终端设备。 一个WAPN网络应包括4个方面的组件，分别是应用软件、网络协议、设备和无线电传输介质。,无线个域网,根据传输速率不同，WPAN技术分为

35、低速LR-WPAN技术、高速WPAN技术和超高速WPAN技术三大类。 低速WPAN技术： 由IEEE802.14.4标准定义； 用于近距无线联网； 特点是结构简单、数据速率较低、通信距离近、功耗低等； 适用于工业监控、办公自动化、智能家居、库存管理、人机接口装置以及无线传感器网络等领域。 高速WPAN技术： 由IEEE802.15.3标准定义； 数据传输速率可达55Mbps以上； 是一个为多媒体设备制定的网络规范，用于传输多媒体、视频流和音频流等文件。 超高速WPAN技术： 由IEEE802.15.3a标准定义； 分为超高速型和超带宽（UWB）型两大类； 数据传输速率可达110480Mbps；

36、 采用3.110.6GHz的非特许频段； 辐射功率低，不同频段的辐射功率也不同。,无线个域网,按照实现技术不同，WPAN网络可分为： IrDA红外线WPAN； HomeRF技术WPAN； 蓝牙技术WPAN； 超带宽UWB技术WPAN； ZigBee技术WPAN； Z-Wave技术WPAN； RFID技术WPAN； NFC技术WPAN等。,无线个域网,IEEE制定的IEEE 802.15系列标准是最权威的无线WPAN标准。IEEE802.15工作组下设7个任务组。 TG1任务组:制定802.15.1标准，定义基于蓝牙技术V1.x版本、数据速率为1Mbps的WPAN标准； TG2任务组:制定802

37、.15.2标准，在公用ISM频段内，负责建模和处理WPAN与WLAN无线设备的共存问题； TG3任务组:制定802.15.3标准，开发速率高于20Mbps的高速多媒体和数字图像应用，原始速率定为55Mbps； TG4任务组:制定802.15.4标准，也称ZigBee技术，负责低功耗、低速率的WPAN标准制定，定位于低传输速率的无线网络应用； TG5任务组:制定802.15.5标准，研究无线网状网WMN技术在WPAN中的应用； TG6任务组;研究国家医疗管理机构批准的人体内部无线通信技术 SGrfid任务组:研究RFID技术在WPAN中的应用。,蓝牙个域网技术,蓝牙是无线数据和语音传输的开放式标

38、准，用于将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统设备、智能家电等采用无线方式连接起来，以实现数据通信和资源共享。 蓝牙设备的传输距离为10cm10m，增大功率可达100m； 采用2.4GHz的ISM频段，大多数国家为24002483.5MHz，使用79个频道，间隔为1MHz； 采用时分双工方式，调制方式为GFSK，TDMA的时隙大小为0.625s； 基带数据传输速率为1Mbps；采用调频、跳频技术； 使用前向纠错编码、ARQ、TDD和基带协议； 蓝牙支持64kbps的实时语音传输和数据传输，语音编码为CVSD； 发射功率有1mw、2.5mw和100mw 3个等级； 使用48bit的

39、设备识别码。,蓝牙个域网技术,牙技术的特点： 可被集成到任何的数字设备中； 全球范围内适用； 采用电路交换和分组交换技术，可同时传输语音和数据； 支持异步数据信道、三路语音信道、异步数据和同步语音同时传输的信道； 每个语音信道采用64kbps，语音信号采用PCM技术或连续可变斜率增量调制CVSD技术； 对于数据信道，若采用非对称数据传输方式，则单向最大传输速率为721kbps，反向最大传输速率为57.6kbps，若采用对称数据传输方式，则速率最高为342.6kbps；,蓝牙个域网技术,牙技术的特点： 抗干扰能力强，采用跳频技术，不会受到微波炉、WPAN或HomeRF等产品的干扰； 低成本、功耗

40、小，具有多种工作模式。 定义了两种数据链路类型 异步无连接链路ACL ACL链路支持对称、非对称、分组交换、和多点连接，主要用来传输数据； 面向同步连接链路SCO SCO链路支持对称、电路交换和点到点的连接，主要用来传输语音；,蓝牙标准系列,为了规范蓝牙技术的使用，一系列的蓝牙标准被制定出来，分别是1.0、1.1、1.2、2.0、2.1，最新的版本是2.1+EDR标准。 （1）蓝牙1.0标准 1977年7月，蓝牙技术规范1.0版本发布。蓝牙技术的系统结构分为底层硬件模块、中间协议层和高层应用。 底层硬件包括无线跳频（RF）、基带（BB）和链路管理（LM）等模块；无线跳频RF模块采用无需授权的2

41、.4GHZ ISM频段微波，实现比特数据流的过滤和传输，并定义了蓝牙收发器需要满足的条件；基带模块负责跳频以及蓝牙数据的传输；链路管理模块负责建立和拆除链路，进行安全控制。 中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议、服务发现协议、串口仿真协议和电话通信协议等；逻辑链路控制和适应协议完成数据拆装、控制服务质量和复用协议等功能，是其它各层协议的基础；服务发现协议层为上层应用程序提供一种机制，用于发现网络中可用的服务及其特性；串口仿真协议层具有9针RS232串口的功能；电话通信协议层提供蓝牙设备之间语音和数据通信的呼叫控制指令。 主机接口层（HCI）是蓝牙协议中软硬之间的接口，提供一个调用基带、链路管理

42、、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。通信时，HCI以上的软件协议实体运行在主机中，而HCI以下的功能由蓝牙设备完成。 高层应用包括拨号网络、耳机、局域网访问、文件传输等，各自对应一种应用模式；应用程序通过对应的应用模式实现无线通信,蓝牙标准系列,（2）蓝牙1.1标准 蓝牙1.1标准对1.0标准的缺点进行了改进和扩展，增加了安全措施及验证。蓝牙设备之间的通信都要进行加密；两个设备连接的时候，要进行身份验证。主从设备必须使用相同的频率，而各个国家有各自不同的标准，有的使用79个信道，有的使用23个信道，因此必须统一；对数据格式进行规范以保证其兼容性。 （3）蓝牙1.2标准 增加了自适应跳频技术

43、，自动选择合适频段，以减少与其它无线电产品之间的干扰；采用延伸同步连接导向信道技术，提供具高度QoS的音频信号传输服务，满足更高阶语音和音频产品的应用需求。采用快速连接技术，缩短了连接时间；与1.1版本兼容。 （4）蓝牙2.0标准 蓝牙2.0标准提高了数据传输速率，降低了功耗；提高了设备进行多任务处理或同时连接多个蓝牙设备的能力；可传输大容量数据文件。蓝牙2.0标准的主要特点为：数据传输速度更快；通过减少工作负载循环降低能耗；带宽的增加简化了多种连接模式；兼容以往的蓝牙标准；改善了误码率。 （5）蓝牙2.1标准 改善了设备使用的流程，提供了更佳的省电效果,蓝牙技术协议,（1）蓝牙技术协议采用分

44、层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接建立和释放、链路控制、数据拆装、业务质量QoS、复用和分用等功能； 自下而上，可分为传输协议层、中间件协议层和应用层等三个层次。,蓝牙技术协议,传输协议层的主要功能为： 使蓝牙设备能确认彼此应用协议组的相互位置； 创建、配置和管理物理以及逻辑链路，高层协议和中间协议可使用这些链路为网络应用提供数据传输服务。 传输协议包括 射频 基带 链路管理协议、 逻辑链路控制 自适应协议 主机控制器协议等。,蓝牙基带技术：, 发送数据时 基带部分将来自高层协议的数据进行信道编码，向下传给射频进行发送； 接收数据时，射频将经过调解恢复的空中数据上传给基

45、带，基带再对数据进行信道解码，传给高层。 基带分组编码时，射频先发送最低有效位比特； 基带控制器会认为来自高层协议的第一个比特是最低有效位比特。,蓝牙基带技术：, 蓝牙设备编址： 遵循IEEE802标准，长度为48位； NAP和UAP共同构成了设备机构的唯一标识符，由SIG的地址管理机构分配给蓝牙设备制造商。 LAP是蓝牙制造商分配的产品编号。 NAP是无效地址部分，UAP是高地址，LAP是低地址。, 蓝牙技术的网络拓扑结构：,微微网： 无连接的多个蓝牙设备相互靠近时，若有1个设备主动向其它设备发起连接，它们之间就形成了一个微微网； 主动发起连接的设备称为主设备，被连接的设备称为从设备； 最小

46、的微微网只拥有一个主设备和1个从设备； 1个主设备最多可同时与7个从设备进行通信，这些从设备称为激活从设备； 一个微微网有1个主设备、多个激活从设备和多个休眠从设备组成，信道参数是由主设备控制；, 蓝牙技术的网络拓扑结构：,散射网： 由多个微微网在时空上相互重叠组成的覆盖范围更大的蓝牙网络； 各微微网之间有互联的设备； 每个微微网只有1个主设备，其从设备可以采用时分复用机制加入不同的微微网，即和不同的主设备通信； 每个微微网都有自己的跳频序列，彼此并不同步，无同频干扰。,蓝牙技术协议, 蓝牙网络时钟同步技术： 每个蓝牙设备都有一个独立运行的内部时钟，称为本地时钟； 微微网中的定时和跳频选择由主

47、设备决定； 建立微微网时，主设备的本地时钟传送给从设备，每个从设备在本地时钟加一个偏移量，实现与主设备的同步。 （2）蓝牙物理链路 异步无连接链路ACL 同步面向连接链路SCO。,蓝牙技术协议, ACL链路： 微微网主设备与从设备之间的同步或异步数据分组交换链路； 用于对时间要求不不高的数据通信应用； 以分组交换方式传输数据；支持同步或异步应用； 1对主从设备之间只能创建1条ACL链路； 可靠性由分组重传来保证； 双向对称传输数据时，ACL链路数据速率为433.9kbps； 双向非对称传输数据时，正向数据速率可达723.2kbps，反向数据速率为57.6kbps。 通信过程： 主设备在一个AC

48、L时隙内发送命令分组； 从设备在下一个ACL时隙内发送应答分组； 如果地址不是自己或解析失败则不响应。 允许以广播方式发送数据，设备可接收数据但不响应。,蓝牙技术协议, SOC链路： 由主设备维护、点对点、对称的同步数据交换链路； 用于对时间要求高的数据通信应用，如语音传输； 数据在主设备预留的SOC时隙内传输，可认为是电路交换方式； SOC分组不执行重传操作，用于实时性强的数据传输业务； 只有建立了ACL链路后才能创建SOC链路； 一个微微网中，从设备和主设备最多可以建立三条SOC链路，每条SOC链路的数据速率都是64kbps。 收发过程： 主设备在一个预留的主-从SOC时隙内发送命令分组；

49、 从设备在下一个SOC时隙内发送应答分组； 即使地址解析失败也可在预留SOC时隙内返回SOC分组,蓝牙技术协议,（2）蓝牙基带分组的格式： 包含接入码、分组头和有效载荷三个字段。 其中分组头和有效载荷可为0。,蓝牙技术协议, 接入码 用于同步、直流载频泄漏偏置补偿和标识； 接入码由引导码、同步字和可选尾码3个字段组成； 每个分组都以接入码字段开始，若其后还有分组头则接入码长度为72bit，否则为68bit。 分组头格式：包括6个字段，共18bit,蓝牙技术协议,AM_ADDR： 3bit；表示微微网中激活从设备的地址；可同时有7个激活从设备；从设备退出激活状态时，该地址被回收，主设备可重新把该

50、地址分配给其它新激活设备。 TYPE： 4bit；表示分组的类型；共有16种分组类型，指明了分组以何种链路类型发送与以何种分组类型接收、分组占用的时隙数目等。 FLOW： 1bit；分组流量控制标志；只对ACL数据分组有效，可以暂停ACL数据分组的传输。 ARQN： 1bit；无编号自动请求重发；蓝牙使用“背回”技术的ARQ协议。 SEQN： 1bit；序列编号；提供了一种防止分组重传的机制； HEC： 分组头错误校验码，用于校验分组头的信息完整性。,蓝牙技术协议,分组分类 链路控制分组 ACL链路分组 SOC链路分组 公用分组等。 ACL分组 在异步无连接链路上传输，用于传输用户数据和控制信

51、息； SOC分组 用于同步语音链路，不含CRC校验且从不重传，分为纯语音信息分组、语音/数据混合分组。,蓝牙技术协议, 有效载荷： 有效语音载荷 语音载荷长度固定，分别为240bit的HV分组和80bit的DV分组，没有分组头和校验； 有效数据载荷 由有效载荷头、有效载荷实体及16位CRC校验码三个字段组成，有效载荷头占1个字节（单时隙分组）或两个字节（双时隙分组）。,蓝牙技术协议,（3）蓝牙基带纠错机制： 1/3比例FEC 2/3比例FEC ARQ 接收方不但可检查错误，还可纠正错误，减少了重传的次数。 （4）蓝牙基带定义了5种逻辑信道： 链路控制信道LC用于携带ARQ、流量控制和有效载荷特

52、征等低层LC信息； 链路管理LM信道用于携带主从设备之间的LM信息； 用户异步数据信道UA和用户等时数据UI信道用来携带L2CAP透明的异步数据； 用户同步数据信道US用来携带透明的同步用户数据。,蓝牙技术协议,（5）蓝牙基带收发规则： 包括发送规则、接收规则和流量控制规则； 对于ACL链路和SCO链路，发送和接收都有各自的特定规则； 数据通过射频发送之前，对分组头必须进行HEC保护、数据加扰、和FEC编码等操作，以提高通信的可靠性和安全性，接收端进行相反的检查； 数据加扰使得分组比特序列随机化，可降低直流DC偏移； 有效载荷的处理过程取决于分组的类型，发送方对有效载荷进行CRC校验、数据加密

53、、数据加扰和数据编码以后发出，接收方执行相反的操作。 （6）蓝牙基带信道控制和网络控制： 链路控制器状态： 主要状态是待机和连接 7个子状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主设备响应、从设备响应和查询响应等； 子状态是临时过渡状态。,蓝牙技术协议, 连接状态： 连接建立后，数据分组可双向传输的状态； 初始阶段通过发送轮询分组来验证从设备是否已切换到主设备的时钟和频率上，从设备可用任意类型分组应答； 若在一段时间内没收到应答，则主设备回到寻呼和寻呼扫描状态；使用断开或复位指令可离开连接状态； 连接状态的设备可处于激活、呼吸、保持和休眠模式中的任意模式。 接入过程： 建立一个新的连接时，必须使用

54、查询和寻呼过程； 查询过程使用IAC，用于发现在设备覆盖区域内的设备、设备地址和时钟； 连接过程使用DAC，建立连接的设备将处理寻呼过程，成为主设备。,蓝牙技术协议,（7）蓝牙无线层： 也称RF层； 处理空中接口数据的发送和接收，包括载波产生、载波调制、发射功率控制等； 定义蓝牙无线收发器的技术指标和参数，如工作频率、带宽等；完成频率合成、比特到符号的转换和过滤、符号收发等工作； 蓝牙设备工作在2.4GHz频段； 采用跳频扩频（FHSS）技术来减少其它设备产生的干扰； 跳频速率为1600跳/s，每个频点持续625s，在79个1MHz的信道中按照伪随机序列方式跳频； 采用时分双工方式接收和发送数

55、据，采用高斯频移键控GFSK作为调制方式； 发射器的功率有三个等级，分别是1mw、2.5mw和100mw。,蓝牙技术协议,（8）蓝牙基带层： 位于无线层之上； 定义了蓝牙设备之间通信的主要操作，包括编码/解码、跳频频率的生成和选择； 跳频选择过程通常由频率选择模块来完成，决定主从设备在某一时刻使用的频率、使用79个跳频频点的哪一个； 对于一个给定国家，时钟输入决定了使用的频率以及如何使用这个频率； 跳频序列选择是通过地址输入来决定的； 定义了各蓝牙设备之间的物理射频连接、形成微微网的技术问题等。 蓝牙基带层和链路控制器层的主要功能： 微微网及设备的控制（连接建立、跳频序列选择和同步） 数据处理

56、（数据转换、数据压缩、数据打包/解包） 操作方式控制等（功率模式和安全算法） 媒体访问功能（分组类型及处理、链路类型）。,蓝牙技术协议,（9） 蓝牙基带功率管理： 定义了一些低功耗模式和运行模式。 （10） 蓝牙基带链路监控： 主从双方设备都使用链路监控定时器；每收到一个分组时，定时器复位； 若超时则断开链路，重新建立连接。 （11）蓝牙主机控制器接口协议HCI： 在蓝牙主机-主机控制器应用模式中，HCI是蓝牙模块和主机间的软硬件接口； 定义了控制器基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件功能的指令分组格式和进行数据通信的数据分组格式。,蓝牙技术协议, 蓝牙技术集成到数字设备中的方式 单

57、微控制器方式： 蓝牙低层传输协议（包括射频、基带与链路控制器、链路管理器）与高层传输协议（包括逻辑链路控制和适配协议、服务发现协议、串口仿真协议、网络封装协议等），以及用户应用程序都集成到一个模块中，由1个微处理器来完成。 双微控制器方式： 蓝牙协议与用户应用程序分别由主控制器和主机来实现；低层传输协议一般由蓝牙硬件模块实现，模块内部的嵌入式微处理器称为主机控制器，高层传输协议和用户应用程序在个人计算机等设备中运行，称为主机；主机和主机控制器间通过标准的物理总线接口（如串行总线、USB、RS232等）连接。,蓝牙技术协议,在主机-主机控制器连接模型中，HCI提供了一个控制基带与链路控制器、链路

58、管理器、状态寄存器等硬件的统一接口； 当主机和主机控制器通信时，HCI层以上的协议在主机中运行，而HCI层以下的协议由蓝牙主机控制器来完成，二者之间通过HCI来进行通信； HCI存在于主机和主机控制器中，具有相同的接口规范。 HCI的数据分组： 主机与主机控制器通过HCI收发分组的方式来实现数据交换； 通过指令应答的方式实现控制，主机发指令分组，主机控制器执行完毕后，通常会返回一个响应分组，携带指令完成信息。 HCI的分组类型 指令分组 指令分组只从主机发向主机控制器 事件分组 事件分组只从主机控制器发向主机，用于说明指令执行情况 数据分组 数据分组则在主机和主机控制器之间双向传输。,蓝牙技术

59、协议,指令分组是主机发向主机控制器的指令 链路控制指令、链路策略指令、主机控制与基带指令、信息参数指令、状态参数指令和测试指令； 主机控制器在建立和保持微微网或散射网时，通过链路控制指令来控制与其相连的蓝牙设备的连接 链路策略指令为主机控制器提供了如何管理微微网链路的方法； 主机控制器与基带指令提供了识别、控制各种蓝牙硬件的能力； 信息参数是蓝牙硬件制造商固化在蓝牙芯片中的只读信息； 测试指令用于测试蓝牙硬件的功能和设置测试条件。 事件分组是主机控制器向主机报告各种事件的分组 包括通用事件、测试事件、出错事件。 数据分组分为异步无连接数据分组和同步面向连接数据分组两种。 HCI 传输层： 蓝牙主机控制器之间相连的物理接口； 常用的有USB、串行端口RS232、异步收发器UART、PCMCIA卡等。 HCI 通信过程： 包括初始化、HCI流量控制设置、查询、建立连接、进行数据通信和断开连接等6个过程。,蓝牙技术协议,（12）蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP L2CAP层位于基带层之上，将基带层的数据分组转换为便于高层应用的数据分组格式，提供协议复用功能； L2CAP层屏蔽了低层传输协议的具体实现，为主、从设备提供对等的通信服务。 L2CAP层只支持ACL数据传输，不支持SCO数据传输； 数据单元最大为64kb； 不提供信道可靠性和数据完整性保证机制。 L2CAP层的主