软考第五章 无线通信网

无线通信网

无线通信网包括面向语音通信的移动电话系统以及面向数据传输的无线局域网和无线广域网。

WiFI底层是如何传输数据的呢

1.移动通信

1.1 蜂窝通信系统

1980年中期，欧洲和日本都建立了第一代蜂窝移动电话系统。蜂窝网络把一个地理区域划分成若干个称为蜂窝的小区。在一个小区内可以用一组频率提供一组用户进行通话，相邻小区不能使用相同的通信频率。当用户移动到一个小区的边沿时，电话信号的衰减程度提醒相邻的基站进行切换操作，自动切换到另一个小区的频段进行通话。

1.2 第二代移动通信系统

全球移动通信系统GSM

有124对单工信道，每一个信道采用时分多路（TDMA）方式，可支持8个用户会话。为同一用户指定的上行和下行链路之间相差3个时槽，这是因为终端设备不能同时发送和接收，需要留出一定时间在上下行信道之间进行切换。

码分多址技术

码分多址（CDMA）是一种扩频多址数字通信技术，通过独特的代码序列建立信道。在CDMA系统中，对不同的用户分配了不同的码片序列，使得彼此不会造成干扰。用户得到的码片序列由+1和-1组成，每个序列与本身进行点积得到+1，与补码进行点积得到-1，一个码片序列与不同的码片序列点积得到0。

在码分多址通信系统中，不同用户传输的信号不是用频率或时隙来区分，而是使用不同的码片序列来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出预定的码型信号。

1.3 第三代移动通信系统

6个3G标准：

• IMT-DS：频分双工
• IMT-MC：频分双工
• IMT-TC：中国提出，时分双工
• IMT-SC：是一种2.75G技术
• IMT-FT
• WiMAX,被称为IMT-2000 OFDMA TDD WMAN，即无线城域网技术

第三代数字蜂窝通信系统提供第二代蜂窝通信系统提供的所有业务类型，并支持移动多媒体业务。

2.无线局域网

2.1 WLAN的基本概念

无线局域网技术分为两大阵营：IEEE 802.11标准体系和欧洲邮电委员会制定的HIPERLAN标准体系。

IEEE 802.11定义了两种无线网络拓扑结构，一种是基础设施网络，另一种是特殊网络。

• 在基础设施网络中，无线终端通过接入点（AP）访问骨干网设备。接入点如同一个网桥，它负责在802.11和802.3MAC协议之间转换。一个接入点覆盖的区域叫做一个基本服务区（BSA），接入点控制的所有终端组成一个基本服务集（BSS）。把多个基本服务集互相连接就形成了分布式系统（DS）。DS支持的所有服务叫做扩展服务集（ESS），它由两个以上BSS组成。

  

• AdHoc网络是一种点对点连接，不需要有线网络和接入点的支持，终端设备之间通过无线网卡可以直接通信，这种拓扑结构适合在移动情况下快速部署网络。

2.2 WLAN通信技术

红外通信（IR）

红外线通信技术可以用来建立WLAN。IR通信相对于无线电微波通信有一些重要的优点，首先红外线频谱是无限的，因此有可能提供极高的数据速率。其次红外线频谱在世界范围内不受管制，而有些微波频谱需要申请许可证。另外，红外线可以用天花板反射来覆盖整个房间，红外线不会穿透墙壁，因此可以互不干扰的工作。设备相对简单便宜。

IR通信分为：

• 定向红外光束：可用于点对点链路，传输范围取决于发射的强度和光束集中的程度。
• 全方向广播红外线：全向广播网络包含一个基站，典型情况下基站置于天花板上，基站上的发射器向各个方向广播信号。
• 漫反射红外线：所有发射器都集中瞄准天花板上的一点。红外线射到天花板上后被全方位地漫反射回来，并被房间内所有的接收器接收。

扩展频谱通信

扩展频谱通信技术起源于军事通信网络，其主要想法是将信号散布到更宽的带宽上以减少发生阻塞和干扰的机会。

扩频方式有：

• 频率跳动扩展频谱（FHSS）
• 直接序列扩展频谱（DSSS）

窄带微波通信

窄带微波是指使用微波无线电频带进行数据传输，其带宽刚好能容纳传输信号。以前所有的窄带微波无线网产品都需要申请许可证，现在已经出现了在ISM频带内的窄带微波无线网产品。

Radio LAN是一种对等配置的网络。

2.3 IEEE 802.11体系结构

• 数据链路层：
  • MAC层：
    • MAC子层：访问控制和分组拆装
    • MAC管理子层：ESS漫游、电源管理和登记过程中的关联管理
  • LLC层
• 物理层
  • 物理层会聚协议（PLCP）：进行载波监听和物理层分组的建立
  • 物理介质相关子层（PMD）：传输信号的调制和编码
  • PHY管理子层：选择物理信道和调谐。

①物理层

IEEE802.11定义了3种PLCP帧格式来对应三种不同的PMD子层通信技术 ：

• 对应于FHSS（频率跳动扩展频谱）
• 对应于DSSS（直接序列扩展频谱）
• 对应于DFIR（漫反射红外线）

②MAC子层

MAC子层的功能是提供访问控制机制，它定义了三种访问控制机制：

• CSMA/CD协议：载波监听多路访问/冲突避免协议。在无线网络中很难进行冲突检测。802.11定义了一个帧间隔（IFS）时间，还定义了一个后退计数器，它的初始值是随机设置的，递减计数直到0。

  1. 如果一个站有数据要发送并且信道忙，则产生一个随机数设置自己的后退计数器并坚持监听
  2. 听到信道空闲后等待IFS时间，然后开始计数，最先计数完的站开始发送
  3. 其他站在听到有新的站开始发送后暂停计数，在新的站发送完成后再等待一个IFS时间继续计数，直到计数完成开始发送。

• 分布式协调功能（DCF）：DCF使用的媒体接入方法是CSMA/CA。在这种方式下，要发送数据的节点监听到信道正在被使用时就等待，直到信道空闲。一旦媒体空闲，节点就再等待一个设定的时间DIFS。如果在DIFS结束前没有监听到其他节点的发送，则计算一个随机退避时间，若退避时间接收后媒体仍然空闲则开始发送数据。退避时间是随机的，故如果有多个节点在等待时，他们不会在同一时间重新发送，而有一个具有较短退避时间的节点能够开始发送数据。

  DCF包括两种介质访问模式：基本访问模式和可选的RTS/CTS（(Request To Send／Clear To Send）访问模式。

  IEEE802.11协议中，有一个可设置的参数，这个参数叫RTS阈值，如果要传送的帧的大小比这个RTS阈值高，就会启动RTS/CTS机制，即使用RTS/CTS/DATA/ACK的传送方式；如果帧的大小比这个RTS阈值低，则只会使用DATA/ACK的传输方式。在RTS/CTS/DATA/ACK的传送方式下，其他终端发现RTS/CTS后就设置一个NAV信号，说明信道忙，所有终端不得争用信道。

  

• 点协调功能（PCF）：PCF是在DCF之上实现的一个可选功能，所谓点协调就是由AP集中轮询所有终端，为其提供无竞争的服务。

③MAC管理

MAC管理子层的功能是实现等级过程、ESS漫游、安全管理和电源管理等功能。

1. 登记过程：为了得到WLAN提供的服务，终端在进入WLAN区域时，必须进行同步搜索以定位AP，并获取相关信息。同步方式有主动扫描和被动扫描两种。终端定位了AP并获得了同步信息后就开始了认证过程，认证过程包括AP对工作站身份的确认和共享密钥的认证等。认证过程结束后就开始关联过程，关联过程包括终端和AP交换信息，在DS中建立终端和AP的映射关系，DS将根据该映射关系来实现相同BSS及不同BSS间的信息传送。关联过程结束后，工作站就能得到BSS提供的服务了。
2. 移动方式：IEEE802.11定义了3种移动方式：无转移方式或在BSA内部移动、在一个ESS内部的多个BSS之间移动、在ESS之间移动。当一个终端逐渐远离AP时，将启动扫描功能重新定位新AP，并发送连接请求，新AP将请求通知DS，DS更改该工作站与AP的映射关系。
3. 安全管理：IEEE802.11提供了有线等效保密（WEP）技术，又称无线加密协议。
4. 电源管理：允许空闲站处于睡眠状态

2.4 移动Ad Hoc网络

Ad Hoc网络是由无线移动节点组成的对等网，无须网络基础设施的支持，能够根据通信环境的变化实现动态重构。在这种网络中，每一个节点既是主机，又是路由器，它们之间互相转发分组，形成一种自组织的MANET。在战争网络、传感器网络、灾难现场等方面有广泛的应用。

无线移动自组织网络中有一种特殊的现象，就是隐蔽站和暴露站的问题。

C检测不到A向B发送的数据，隐蔽站问题：

B检测到了C向D发送的数据，暂缓发送过程，实际上并不影响。暴露站问题：

由于其特殊性，传统有线网络的路由协议不能直接应用于MANET。需要开发特定的MANET路由规范：

• DSDV协议：DSDV路由协议
• AODV协议：AODV路由协议详解

2.5 IEEE802.11的新进展

WLAN的安全

• SSID访问控制
• 物理地址过滤
• 有线等效保密
• WPA/WPA2

WLAN的传输速率

• 正交频分复用
• 多出多入技术
• 智能天线技术

3.无线个人网

IEEE802.15工作组负责制定无线个人网（WPAN）技术规范，这是一种小范围的无线通信系统，覆盖半径10m左右。

• 蓝牙技术
• ZigBee技术