第一讲 （从计算机网络到无线网络）
同学们好，从今天开始，由我带领大家一起学习《计算机网络技术A》这门课程。首先介绍下本门课的成绩构成和课程安排，然后科普一下什么是专业认证，并介绍下本门课程的4个课程目标。
接着，开始正式授课。我知道同学们上个学期已经学习过《计算机网络原理与技术》这门课，那么同学们思考下，无线网络和计算机网络之间有什么联系吗？为什么学习了计算机网络，还要再来一个无线网络呢？实际上，无线网络是计算机网络的一个重要组成部分，上学期讲过的计算机网络主要是侧重通过线缆传输数据，但无线网络不用布线，通过电磁波传输数据，更为便捷，这是两者的一个主要区别。而我们之前学过的计算机网络中的很多理论知识，同样适用于无线网络。所以今天这次课，我们一方面是回忆复习之前讲过的计算机网络相关基础知识，另一方面介绍无线网络的发展历程、分类、应用和相关标准化组织。
下面，本章将按照（1）计算机网络技术概述、（2）计算机网络协议体系、（3）无线通信和无线网络简史、（4）无线网络分类和应用、以及（5）相关标准化和权威组织等顺序进行介绍。
（1）首先，大家回忆下，计算机网络的功能是什么？答：连接终端，资源共享。
接着介绍计算机网络发展的五个阶段：产生阶段，形成阶段，互连互通阶段，高速网络阶段，无线网络和物联网阶段。
到底什么计算机网络？计算机网络的准确定义：将地理位置不同的具独立功能的多台主机/外设/其它设备，通过通信线路连接，在网络操作系统、管理软件及通信协议管理协调下，实现资源共享和信息传递的完整系统。这里强调的有三点：1）接入网络的每台主机本身可独立工作。2）通信链路分有线和无线。有线包括双绞线、电话线、同轴电缆、光纤、电力线等。无线包括微波、红外线、激光、可见光等。3）不同类型主机通信需遵循共同规则和约定。即称为网络协议，由其来定义、协调和管理主机间的通信和操作。
介绍局域网，城域网、广域网、个域网概念。网络两大发展趋势：高速——网络带宽增长的速度比摩尔定律更快；便捷——无线网络。
计算机网络的组成：1）若干主机，为不同用户提供服务；2）通信子网，包括网络设备(交换机、路由器等)和连接彼此的通信链路；3）网络协议，事先约定的规则，用于主机间或主机和设备间通信。
计算机网络按照传输技术分为：1）点对点式网络：2）广播式网络。提问：局域网、无线网络、广域网，通常分别采用哪种网络？答：分别是广播式、广播式、点对点式。
计算机网络按照覆盖范围分为：局域网，城域网、广域网。特点是：一般距离越长，传输速率越低。
计算机网络按照拓扑结构分为：总线型、星型、环型、树状、网状等。介绍不同拓扑结构的优缺点。
计算机网络按照传输介质分为：1）有线网络可用双绞线、同轴电缆、光纤等连接。2）无线网络采用空气、水等作为传输介质，以电磁波为载体来传输数据。
（2）回忆计算机网络的体系结构。提问，网路协议的三要素是什么？答：语义、语法和定时。语义——是控制信息的具体含义；比如发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。语法——是数据和控制信息的格式或结构；定时——是事件实现顺序的详细说明。
网络体系结构：是网络各层次及对应协议的集合。回忆OSI和TCP/IP模型之间不同层的对应关系，及各层的协议和作用。
介绍无线网络协议的层次特点。无线网络作为网络技术的一个重要分支，其协议体系也分层。但是不同类型无线网络所关注的层次不同。例如：1）WLAN一般无路由问题，不涉及网络层，采用传统IP。2）鉴于共享访问介质，MAC层是许多无线网络关注重点。3）无线频谱管理的复杂性，使物理层协议成为重点。40无线自组织网络MANET存在路由问题，关注网络层。
无线网络和有线网络的技术特点存在较多不同，这就决定了二者的传输机制和协议设计不同。举例说明，当有线网络的发送方检测到丢包发生，一般认为网络拥塞，会降低发送速率。而无线网络出现丢包时，发送方可切换到空闲信道重新发送。而当发送方不了解底层网络类型时，就无法正确决定怎么处理。因此，许多无线网络需对传统网络协议进行改进。
无线网络目标：提供更便捷的通信服务，应用层协议并非重点，解决了连接可靠性，各种应用都可直接使用
（3）介绍无线通信和无线网络简史。
1901年，马可尼完成从英国西南到加拿大纽芬兰无线电通信试验。是无线网络发展中非常有代表性的一件事迹。
1920年，世界上第一个无线广播电台诞生于美国匹兹堡。
1947年，贝尔实验室提出蜂窝通信的概念。
1983年，蜂窝电话在芝加哥开通，欧洲开通数字移动电话网。
1995年，高通公司开通首个CDMA商用移动电话网络。
1997年，IEEE发布802.11无线局域网标准。
1990年代末，移动自组织网络(MANET)研究逐渐兴起。
2000年，ITU批准WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA作为3G国际标准。
2001年，IEEE发布802.16无线城域网标准。
2002年，IEEE发布802.15无线个域网标准。
2005年，ITU发布物联网报告，宣布物联网时代来临。
2007年，Apple发布iPhone手机，Google发布Android。2010年，ITU确定4G移动通信标准。
2011年，我国《物联网十二五发展规划》推动物联网技术产业。
2013年，基于TD-LTE的4G移动通信在我国开始商用，迅速得到普及。
2014年，微信和易信推出基于社交软件的免费电话。
2015年，谷歌无人驾驶汽车累计达100万英里行驶里程。
2016年，我国成功发射首颗量子科学卫星“墨子号”。
2019年，第五代移动通信(5G)在我国和其他国家陆续开始商用。
2020年，我国北斗卫星发射完毕，建成北斗三号卫星导航系统。
（4）介绍无线网络分类。
从覆盖范围上分为：1）无线个域网(WPAN)：是指通过短距离无线电，连接PC各部件，如显示器、键盘和鼠标等。例如，典型蓝牙技术，可将这些部件，或手机、相机、耳机、音箱、扫描仪、打印机等其它外设连接到PC。2）无线局域网(WLAN) 分两大类：固定基础设施的WLAN，预先建立且能覆盖一定范围的固定基站；无固定基础设施的WLAN，也称为自组织网络(Ad hoc Network)，移动自组织网络简称MANET。3）无线城域网(WMAN)，IEEE 802.16为代表。单个基站覆盖范围可达几十公里，传输速率接近无线局域网，具有移动性、高效切换等功能特点。4）无线广域网(WWAN)，蜂窝移动通信网络是地面上最大的无线广域网；而卫星通信网络也开始大量用于传输数字信息，堪称覆盖范围最大的无线广域网。
从应用目的角度分为：1）互联接入：前面介绍的WLAN、WMAN、卫星网络等，其主要应用目的是为用户访问互联网提供信息服务，属于互联接入。2）物联传感：而物联网、无线传感网、WPAN、无线体域网等，应用目的是将网络触角延伸到传统社会信息之外的自然界、环境、物体、人体等，传输更为丰富多样的信息。
介绍无线网络的常见应用。例如：电子商务：B2B、B2C、网上银行、网上办公、交互式娱乐、电子资源、远程教育、远程医疗、视频监控等等
（5）介绍电信领域的标准化组织
国际电信联盟(ITU)，最具影响。设3部门：电信标准化部(ITU-T)、无线通信部(ITU-R)、开发部(ITU-D)。成员主要是各国电信主管部门，私营电信机构、工业和科学组织、金融机构、开发机构和电信实体等也可参与活动。
国际标准化组织(ISO)是自愿、非条约性组织，包括160+成员国。已发布17000+标准，包括ISO/OSI模型。有近千个涉及各个专门领域的技术委员会。注意，在电信领域，ISO和ITU通常相互协调，避免矛盾。
IEEE：电气和电子工程师学会，一直引领电子电气、计算机、通信、自动化等领域的技术革新，是世界上最大的专业技术学会，拥有规模巨大的论文数据库Xplore 。
IEEE 802委员会：成立于1980年2月，最初工作围绕LAN数据链路层和物理层，现在承担许多无线网络技术的标准制定工作。
美国计算机协会(ACM)创立于1947年，世界上最大的科学及教育性计算机学会。专注计算机科学与技术创新发展。每年的ACM图灵奖影响力堪比诺贝尔奖，2000年度图灵奖被授予理论计算机科学家姚期智(美籍华人)。
课后作业：
请大家登录并熟悉以下网站
1）中国互联网络信息中心. http://www.cnnic.net.cn
2）国际电信联盟. https://www.itu.int
3）IEEE802委员会. http://www.ieee802.org
4）中国计算机学会官网. https://www.ccf.org.cn
5）视频—科普中国（姚期智） https://v.qq.com/x/page/v06726pc1u5.html
第2讲（无线通信和网络仿真技术1）
首先是课堂回顾。通过提问的方式，带领同学们回顾第一章讲过的重点内容。接着开始本章课程内容讲解。
本章节我们将重点学习与无线通信技术相关的一些基本概念。因为无线网络实际上是无线通信技术和网络技术相结合的产物，为了更好的理解无线网络，非常有必要学习一些与无线通信技术相关的基本概念和专业术语。
本次课的学习的知识点包括：1.无线电频谱、2.无线传输介质和方式、3.损耗与衰落、调制、4.调制、5.扩频、6.复用和多址等技术。
1）无线电频谱。首选来认识一下无线电频谱，它有什么作用呢？我们之前讲过，无线网络不用布线，它是利用大气来传递信号，传递的信号实际上就是无线电。
无线电是一种电磁波，它的频谱很宽，但是能被我们拿来通信的只有一小部分，且这一小部分是被我们全人类共享的。为了更规范合理的使用这些可用频谱，就需要专门的机构来保护和管理无线电资源。
无线电频谱的特点。1.有限性：常用的无线电频段是有限的。2.排它性：无线电频谱在一定时间/地区/频域内一旦被某个设备使用，就不能再被其他设备使用。3.复用性：虽然具有排他性，但是通过编码调制可实现复用。4.非耗尽性：可被重复利用而不会耗尽；5.传播性：不受国界和行政地域限制，但受自然环境影响。6.易干扰性：无线电频谱使用不当，会收到其他无线信号源、人为噪声的干扰。
无线电频谱的划分：国际上将频谱划分为12个频段，通常的无线电通信只使用第4~12频段。ITU规定ISM(Industrial Scientific Medical，工业科学医疗)频段，无需许可证，可免费使用。ISM频段各国规定不一：美国902-928MHz（工业频段）、2.4-2.4835GHz（科学频段）和5.725-5.850GHz（医学频段），其中2.4GHz频段为各国通用。欧洲ISM低频段为868MHz和433MHz。使用需限制发射功率(<1W)，不干扰其它频段。值的一提的是，目前许多无线网络都是工作于ISM频段。例如：我们wifi用的就是两个免费频段2.4G和5.8GHz。大家思考下，3.8GHz的电磁波，我们大家能不能用呢？
无线电管理部门：1. 美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC) 管理美国内外无线电广播、电视、电信、卫星和电缆等业务。各种无线通信和数字产品进入美国市场，都需FCC认可。2. 中国无线电管理局，是专业无线电管理部门。
无线电科普视频（5分钟）
https://v.qq.com/x/page/y3325dl5yxn.html
2）无线传输介质和方式。
不同频率的电磁波的传播路径是不一样的。根据传播途径区分的话，无线电波有三种传播方式，地波、天波和沿直线传播的波。
（1）地波通信：指的是电磁波沿地球表面附近的空间进行传播。那什么样的电磁波能够在地面上传输呢？我们知道地球表面有高低不平的山坡和房屋等障碍物，根据波的衍射特性，当波长大于或者相当于障碍物尺寸时，波就能绕到障碍物后面。地面上障碍物一般不太大，长波能很好的绕过去，中波和短波也能较好绕过去，短波和微波就不行了。所以长波、中波，中短波都可以用于地波通信，例如无线电广播。
思考：ppt中为什么说频率较低的电磁波有一定的绕射能力呢？因为频率低的话，对应的波长就长，所以，长波、中波、中短波都可以沿着地球表面传播较远距离，而短波和微波则不能。
（2）天波通信：天波指的是将信号发射到地球上空电离层，通过电离层反射来实现信号传输的一种方式。天波从电离层第一次反射落地（第一跳）的最短距离约为100公里。短波一般采用天波形式进行传播。在这种方式下，电波经过电离层与地面之间的多次反射，进行远距离通信。
（3）微波直线通信：微波通信使用的频率范围通常是3GHz-30GHz，频率很高（传输速率高），波长短，通常称为厘米波，在空中沿直线传播，不能穿透障碍物，因此微波通信的主要依靠视距通信，超过视距以后需要中继转发。
（4）卫星微波通信：是指利用人造卫星进行中转的通信方式。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用，把地球站发上来的电磁波放大后回送另一地球站。地球站是卫星系统形成的链路。由于每一颗通信卫星可俯视地球1/3的面积，所以利用在定点同步轨道上等距离分布的三颗卫星，就能同全球进行通信。
（5）红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外数据协会（IrDA）将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。红外线传输技术实际上是非常古老的通信技术，日常生活中使用的遥控器等都采用的是红外线通信。
（6）空间激光通信：空间激光通信：是指用激光束作为信息载体进行空间（包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、太空间）通信。它的特点如下：大通信容量；低功耗；体积小、重量轻；高度的保密性；建网费用低。
空间激光通信：https://haokan.baidu.com/v?pd=wisenatural&vid=15233636001568621603
3）损耗与衰落
衰落 信号在传输中将会有部分能量转化为热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，这就是衰损。
失真：信号不同频率的分量在传输过程中受到不同程度的衰减和延迟的影响，最终使到达接收端的信号与发送端送出的初始信号在波形上有所差异，把这种传输过程中信号波形的变化称为失真。 振幅失真：由各个频率分量振幅值发生不同变化而引起的失真，是由传输设备和线路引起的衰损造成的 延迟失真：由各频率分量的传播速度不一致所造成的失真，容易造成码间串扰。
噪声：1.热噪声，2. 交调噪声，3.串扰，4.脉冲噪声
4）调制：调制是指将输入信息变换为适于信道传输的形式。为甚么要进行调制呢？
因为信号源信息通常包含直流分量和频率较低频率分量，称为基带信号。这些基带信号一般不能直接传输，需变换为一个远高于基带频率的信号，即已调信号。调制过程改变高频载波即信息载体信号的幅度、相位或频率，使其随基带信号幅度而变化。解调过程则将基带信号提取出来，接收方正确处理。
信号加载到高频上去，这个过程就是发射端的调制；在接收端将信号从高频上卸载下来就是解调。
这里想问下大家，为什么直流分量不适合传输呢？因为我们的电路中往往会有一些电容耦合的电路，这部分电路是不适合直流通过的。而频率太低的话，则波长大，若要辐射出去必须架很高的天线，(理论上是波长的一半)，所以非常困难。因此需要调制到更高的频率。
常用调制方式：模拟、数字、脉冲。
模拟调制：是指用连续变化的信号调制一个高频正弦波。调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)。
数字调制：用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制。振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。
脉冲调制：用脉冲序列作为载波。①脉幅调制(PAM)，②脉宽调制(PDM)，③脉位调制(PPM)
④脉码调制(PCM)，⑤脉频调制(PFM)。
5）扩频
扩频通信：将待传输信息的频谱通过编码是之扩大许多倍，送入信道中传输，在接收端通过解码将信息还原。由于信道中实际传输的信号比原始信号的频谱扩展了许多倍，因此称为扩频通信。特点如下：1.对各类噪声如多径失真具有免疫性。2.可隐藏/加密信号。接收方须知扩频码才可恢复原始信息。3.多个用户可独立使用同样较高带宽，几乎无干扰。
主流技术：跳频扩频和直接序列扩频。
扩频系统工作过程：1、发送方输入数据，进入信道编码器，生成模拟信号（窄带信号），然后使用扩展码进一步调制，扩展频谱宽度。2、接收方使用同一扩频码进行解扩，解扩后的信号通过解码器，最终还原为数据。
调频扩频Frequency Hopping SS，FHSS：用一定扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制，使载波频率不断跳变。特点是，1、发送方用看似随机的无线电频率序列广播信息，并以固定间隔从一频率跳至另一频率。2、接收方接收时也同步跳转频率。3、窃听者只能听到无法识别的杂音，即使试图在某一频率干扰，也只能影响有限几位信号。
直接序列扩频Direct Sequence SS，DSSS：是指用高码率的扩频码序列在发送端直接去扩展信号的频谱，接收方用相同的扩频码序列解扩，把频谱拓宽的扩频信号还原成原始信息。特点是，1、原始信号中每一位在传输中是以多个码片表示，即使用了扩展编码。2、扩展编码能将信号扩展至更宽的频带范围上，该频带范围与使用码片位数成正比。
第3讲（无线通信和网络仿真技术2）
首先是课堂回顾。带领同学们一起回顾上节课讲过的重点内容。
接着，我们继续学习第二章剩下内容。
1）首先，来了解下什么是复用和多址技术？
常用的复用方式：频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)、空分复用(SDM)等。还有极化复用和波分复用。这个计网课上介绍过，大家已经比较熟悉。常见的多址通信方式：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。思考：复用和多址的区别？
复用技术：目的是让多个信息源共同使用同一个物理资源（比如一条物理通道），并且互不干扰。多址技术：目的是用来区分不同用户的一种技术。多址的“址”在移动通信中是指用户临时占用的信道，多址就是要给用户动态分配一种地址资源——信道，当然这种分配只是临时的。两者区别：“复用针对资源，多址针对用户”。多址技术是要根据不同的“址”来区分用户；复用是要给用户一个很好的利用资源的方式。 注意：多址需要用复用来实现，但是复用不能说明多址。
简单介绍TDMA、FDMA、OFDMA、CDMA、SDMA、NOMA。让同学们自己查资料或者视频，了解什么是NOMA。
2)天线
无线通信系统的外界传播介质接口。(1) 发送方将信号通过馈线(电缆)输送到天线，以电磁波形式辐射出去。（2）接收方则由天线吸收到达的电磁波，仅接收极小一部分功率，通过馈线送至无线电接收机。（3）天线是发射和接收无线电波的重要设备。（4）天线的型号、增益、方向图、驱动功率、配置、极化等都是影响性能的因素之一。
天线的工作过程视频（3分钟）：大学学了四年，不如这个讲得清楚！看完自己就能学会制作天线了！_哔哩哔哩_bilibili
天线的分类：（1）按用途分为通信天线、电视天线、雷达天线等。（2）按工作频段分为短波天线、超短波天线、微波天线等。（3）按方向性分为全向天线、定向天线等。（4）按外形分为线状天线、面状天线等。
提问大家，知道全向天线和定向天线的区别吗？吸引大家注意。
3）MIMO多入多出，多发多收。
是指在无线通信领域使用多天线发送和接收信号的技术。MIMO技术主要应用在WiFi领域和移动通信领域，可以有效提高系统容量、覆盖范围和信噪比。通常讲的M×N MIMO是指发送端有M个天线，接收端有N个天线。
为了更好的理解MIMO的好处，我们首先来了解下SISO(Single-Input Single-Output)单发单收 。SISO是一种单输入单输出系统，发射天线和接收天线之间的路径是唯一的，传输的是1路信号。由于发射天线和接收天线之间的路径是唯一的，这样的传输系统是不可靠的，而且传输速率也会受到限制。
MIMO 技术允许多个天线同时发送和接收多个信号，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。通过空分复用和空间分集等技术，在不增加占用带宽的情况下，提高系统容量、覆盖范围和信噪比。
MIMO技术实现视频（2分钟）：你知道LTE中的MIMO技术是怎么实现的吗？让这个动画告诉你_腾讯视频 (qq.com)
第二章剩下的是关于实验平台的介绍，因为我们的实验是安排在理论课结束之后上，所以关于这部分内容我会在临近做实验时再讲
第4讲（无线局域网1）
接下来，我们开始学习第三章-无线局域网的有关知识，包括：无线局域网概述、无线局域网的组成与服务、IEEE 802.11协议体系和技术标准 、IEEE 802.11测量及工具、其它无线局域网标准、无线局域网的应用、无线局域网的仿真实验。本章节预计用两次课上完。
1）无线局域网概述
无线局域网的定义：WLAN是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，用无线传输介质代替有线介质组成的计算机局域网。WLAN的覆盖范围有限，由于数据传输范围不同，导致网络具体设计和实现方面有所区别。WLAN能在几十米到几百米范围内，支持较高的数据率，可采用微蜂窝、微微蜂窝或非蜂窝结构。
WLAN的主要硬件设备：无线网卡、无线接入点（AP）、无线网桥、无线路由器、无线网关、天线。（1）无线网卡：也叫做WLAN适配器，是无线局域网系统中最基本硬件，只要两台计算机各自拥有无线网卡，就可以实现点对点的通信，从而组成一个最小的无线局域网。
（2）无线接入点AP：类似于移动通信基站，是具有无线网络接口的网络设备，基本功能是集合无线或者有线终端，一个无线AP一般可以连接30台左右的无线网络终端或者其他的无线AP。
建议大家了解下两台电脑如何组网，视频(1分钟)。
提问：无线AP和无线路由器有什么区别？
（英文动画6分钟）【科普】无线AP和无线路由器的区别_哔哩哔哩_bilibili
（中文3分钟） 连 AP 和无线路由器有啥区别都不知道，还想搞全屋网络？_哔哩哔哩_bilibili
无线局域网的优点：1、移动性。网络和主机迁移方便。2、灵活性。安装简单，组网灵活，可将网络延伸到线缆无法达到的地方3、可伸缩性。扩展容易。4、经济性。省去布线工序，快速组完，快速投入使用，经济效益高。
无线局域网的局限性：1、可靠性。无线信道并不十分可靠。2、兼容性与共存性。与有线LAN和多种WLAN标准互相兼容；不同厂家的无线设备兼容；同一频段的不同制度或标准共存。3、带宽与系统容量。带宽通常小于有线网络。4、覆盖范围。低功率和高频段限制了覆盖范围。5、干扰。容易受外界干扰。6、安全性。不同于有线封闭信道，容易被窃听和恶意干扰。7、能耗。WLAN的多为便携设备，为延长使用时间和提高电池寿命，网络应该有节能管理功能。8、移动性。WLAN虽然支持站的移动，但是对大范围移动和高速移动的支持机制尚不完善。9、多业务与多媒体：QoS服务质量保障方面不如有线LAN。
无线局域网的分类：按照频段、业务类型、拓扑结构和应用要求。
WLAN的组成：WLAN由站、无线介质、无线接入点或基站、分布式系统等组成。
（1）站(Station, STA)：主机或终端，是WLAN基本组成单元。 一般作为客户端，是具备无线网络接口的计算机设备，通常包括终端用户设备、无线网络接口和网络软件三部分。按移动性分为：固定站、半移动站和移动站。 其中，半移动站经常改变地理位置，但是移动时不要求保持网络连接。
基本服务区(BSA)：覆盖区域范围称服务区(SA)，移动站无线收发信机及地理环境确定的通信覆盖区域称基本服务区(BSA)或小区(Cell)，是网络最小单元。基本服务集(BSS)：一个BSA内相互联系、相互通信一组主机组成基本服务集(BSS)。
独立的基本服务基(IBSS)：-不连接有线网络；-只有移动终端；-无中继功能；-网络生命短；IBSS是典型的自治方式单区网，特点是：任意站之间可直接通信而无需依赖AP转接，如图所示。由于无AP，站之间是对等、分布式或无中心的。由于IBSS网络不必预先计划，可按需随时构建，因此也称为自组织网络。
2）无线介质：是WLAN中站和AP间通信的传输介质，空气是无线电波和红外线传播的良好载体。WLAN中的无线介质由物理层标准定义。
3）分布式系统(DS)：单个BSA的覆盖区域受环境和主机收发功率的限制。为覆盖更大区域，DS能够将多个BSA互联，形成一个扩展服务区(ESA)，通过DS互连的属同一ESA的所有主机组成一个扩展服务区集(ESS)。DS（Distribution system）分布式系统是接入点间转发帧的骨干网络，因此通常就称为骨干网络。一般可以理解为以太网。
在无线局域网里，常见的无线局域网设备类型：无线网卡、无线网桥、无线天线等。（1）无线网卡：作用类似于以太网中的网卡，作为无线局域网的接口，实现与无线局域网的连接。无线网卡根据接口类型的不同，主要分为三种类型，即PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡和USB无线网卡。（2）无线网桥：是在链路层实现无线局域网互连的存储转发设备，它能够通过无线（微波）进行远距离数据传输，无线网桥有三种工作方式，点对点，点对多点，中继连接。（3）无线天线：对所接收或发送的信号进行增益（放大）。
SSID是服务集标识符，是WLAN网络的标识，用来区分不同的WLAN网络。（SSID包括BSSID和ESSID两种类型，BSSID通常不被终端用户感知，主要用于管理和维护；而ESSID就是通常我们所指的SSID。）此技术的主要功能是将一个无线局域网划分为多个子网，每个子网都需要进行不同的身份验证，提高了网络的安全性和可验证性。
BSSID：一个AP所覆盖的范围构成一个BSS（基本服务集），而BSSID（基本服务集标识符）用来标识BSS，表示AP的数据链路层的MAC地址。
无线局域网的拓扑结构：（1）根据物理拓扑分为：单区网和多区网；（2）根据逻辑拓扑分为：对等式、基础架构式和线型、星型、环型等；（3）根据控制方式分为：无中心分布式和有中心集中控制式两种；（4）根据与外网连接性分为：独立和非独立两种。
BSS是WLAN的基本构造模块，由两种基本拓扑结构或组网方式：分布对等式拓扑、基础架构集中式拓扑。
（1）独立BSS(IBSS)：典型的自治方式单区网，任意站之间可直接通信，无须依赖AP转接。站之间对等、分布式或无中心。不必预先计划，按需随时构建，自组织网络。
（2）基础架构集中式拓扑：至少要有一个AP，即BSS的中心控制站，其它站在该中心站控制下互相通信。 缺点：（1）可靠性较差，如AP故障或遭破坏，整个BSS瘫痪。（2）中心站AP复杂度较大，成本也较高。（3）某个站与另一站通信，须经源站→AP→目标站的两跳过程，由AP转接。占用链路，增加传输时延。 优点：（1）各站距离无限制，站点布局受环境限制小。（2）各站不需保持邻居关系，路由和物理层复杂度低。（3）业务量增大时网络吞吐和时延性能恶化不剧烈。AP对站点进行同步/移动/节能管理，可控性好。（4）为接入DS或骨干网提供逻辑接入点，可伸缩性较强。
（3）网络扩展：1、ESS(Extended service set)网络拓扑：ESA是多个BSA通过DS连接形成的扩展区域，范围达数千米。同一ESA所有站组成ESS。ESS是一种由多个BSS组成的多区网，每个BSS都有一个BSSID。2、中继或桥接型网络拓扑：两个或多个网络(LAN/WLAN)或网段可通过无线中继器、网桥或路由器等连接和扩展。若中间只经过一个设备，称单跳网络。经过多个设备，称多跳网络。
无线局域网的服务：1、STA服务：运行SAT服务的有站、AP。服务类型包括：认证、解除认证、保密。2、DSS服务（Distributed System Service,分布式系统服务）：运行DSS服务的只有AP。服务类型有：联结、重新联结、分布、集成。
认证：判断连接的用户是否是合法用户。（1）有线网可以用物理接口来授权接入，但是无线介质无精确边界。（2）因此考虑通过认证服务控制接入，所有站均可用认证获取身份。两站间未建立交互式认证则无法连接。站间认证可为链路级认证，也可为端到端或用户到用户认证。（3）802.11支持开放系统认证/共享密钥认证，可使用有线等价保密(WEP)
解除认证：欲终止已存在认证，解除认证服务。认证是连接的先决条件，因此解除认证将使站解除连接。解除认证服务可由任一连接实体唤醒。
保密：有线LAN中只有物理连接站可侦听通信。无线共享介质中任何符合标准的站均可侦听其覆盖范围内所有物理层通信。无保密通信严重影响安全性能，考虑WEP和其它安全机制。
DSS：DS提供的服务称为分布式服务DSS。在WLAN中，DSS通常由AP 提供。包括：
关联：为在DS内传输信息，对于给定站，DSS需知道接入哪个AP。这种信息由关联提供给DS，以支持BSS的切换移动。站通过AP发送数据前，先关联至AP。欲建立关联，先唤醒关联服务，提供站到DS的AP映射。任一瞬间，一个站仅和一个AP关联。
重新关联：BSS切换移动需重新关联，即当前关联从一个AP移动到另一AP。
解除关联：终止一个已有关联时会唤醒解除关联。
分布：AP之间通过无线互联。
集成：指的是AP或者无线网络与有线网络的互联。
IEEE 802.11协议标准
IEEE802.11 是IEEEE委员会制定的第一个无线局域网标准，在1997年6月颁布；802.11物理层包括两个扩频技术（调频扩频FHSS和直接序列扩频DSSS）和一个红外传播规范；无线传播的频道定义在2.4GHz的ISM频段内。802.11无线标准定义的传输速率是1Mbit/s和2Mbit/s，只能用于数据访问业务。
IEEE802.11版本没多久，就不能满足需求，在1999年，又出现了IEEE802.11b, 最主要区别是采用了CCK（补码键控）调制方法，就可以在相同的码片速度以及相同的带宽下获得 更快的传输速率，因此11b可以支持多种传输速率，最高11Mbps。
同样1999年，还推出了一个工作在5GHz的标准，称为IEEE802.11a，最高可以支持到54Mbps的速率，之所以能够达到这么高的速度，是因为采用了OFDM技术。但是与前面的802.11b不兼容的。不兼容是坏处，但是也也有好处，就是避开了2.4GHz的这个比较拥挤的信道，避开了很多干扰。
为了在2.4GHz也能实现54Mbps的速率，在2003年，IEEE委员会又发布了IEEE802.11g的标准，同样也是引入了OFDM技术，而且向后兼容802.11b。
在2009年，无线局域网又迎来了一次大的飞跃，就是通过了IEEE802.11n的标准。那么802.11n能做到什么呢？它能做到在不增加功率或者射频频段的情况下，提高WLAN的传输速率，并且扩大它的覆盖范围。为什么能够做到这些呢？因为引入了MIMO技术，通过这个技术，就能够使得数据传输速度达到300-600Mbps，这个速度的提升是一个质的提升。 IEEE 802.11n的核心技术是MIMO和OFDM技术，采用64-QAM调制方法。IEEE 802.11n与IEEE 802.11a/b/g标准兼容。
2013年 ，IEEE802.11ac，IEEE 802.11ac工作在5.0GHz频段，并将信道频宽由802.11n的20MHz和40MHz提升到了80MHz和160MHz。IEEE 802.11ac采用256-QAM调制技术，支持8路数据流，其采用多天线技术，可以在不增加传输功耗的前提下，增加数据吞吐量。IEEE 802.11ac下行支持MU-MIMO技术，可以实现同时向多个设备传送不同的数据流。在8x8 MIMO环境下，IEEE 802.11ac的理论速率可达6.93Gbps。IEEE 802.11ac和IEEE 802.11a/n兼容.
2019年，又出现了高效率无线标准（High-Efficiency Wireless，HEW）即IEEE 802.11ax，是当前最新的无线局域网标准。该标准支持2.4GHz和5GHz频段，向下兼容IEEE 802.11 a/b/g/n/ac，支持1024-QAM调制技术。802.11ax旨在进一步提高密集场景下无线局域网的部署性能，与802.11n和802.11ac相比，每个工作站的吞吐量至少提高4倍。
我们接下来对比一下这几个标准：802.11（wifi 1）是最初的一个版本、802.11b（wifi 2）、 a 和g (wifi 3)、 n(wifi 4）、 802.11ac wave1（wifi 5）、 802.11ac wave2和802.11 ax (wifi 6)等。
动画（5分钟）WiFi的前世今生_哔哩哔哩_bilibili
对于刚才看到的这些主流的802.11标准，我们刚才主要是学习了它们的物理层技术。
物理层标准：主要是定义无线协议的工作频段，调制编码方式，及最高速度的支持。 8MAC层标准：主要是做无线网路里面的一些功能，或者是一些具体协议的体现。比如说QoS是对网路做一个限速、动态调制，DFS安全加密技术、无线漫游技术以及Mesh等等技术。目的都是为我们的无线网络提供一个更高级或是更丰富的内容和应用。
从刚才那个不同WiFi标准的表格可以看到，从wifi4以后，都有使用到OFDM技术，在wifi 6里面有一个新拓展，就是OFDMA。
IEEE802.11协议栈的体系结构
与所有的局域网标准都要规定MAC子层和物理层一样，IEEE802.11规范也覆盖了无线局域网的物理层和MAC子层。
物理层：分为物理汇聚子层PLCP、物理介质相关子层PMD和物理管理子层PHY。主要任务是：实现通信双方的物理连接，以比特流的形式传输数据信息，并向数据链路层提供透明的传输服务。其中：
1物理介质相关子层（PMD）: 主要负责传输信号的调制解调与编码。
2.物理汇聚子层（PLCP）: 主要实现侦听载波和对不同物理层形成相应格式的分组。
3.物理层管理层，为不同物理层选择信道。
数据链路层：分为逻辑链路控制子层LLC、介质访问控制子层MAC和介质访问控制层管理子层。其中：
1.介质访问控制子层（MAC）: 主要控制节点的信道访问权。
2.逻辑链路控制子层（LLC）: 负责建立和释放逻辑连接，提取高层接口、差错控制、添加帧序号等。
3.介质访问控制层：负责越区切换、电源管理等。
最后，还有一个站点管理层：主要负责物理层与链路层交互。
第5讲（无线局域网2）
上节课我们已经介绍了IEEE802.11的体系结构，接下来，我们将继续学习802.11ac标准的物理层规范，IEEE802.11ac标准的MAC子层规范，以及IEEE802.11e、IEEE802.11ax等标准的技术特点。
IEEE802.11ac标准物理层规范：
接下来，我们以IEEE802.11ac，即WIFI 5为例，来具体认识下IEEE标准的物理层规范。
（ 前面已经给大家展示过，从802.11ac标准开始，我们的无线局域网速率才真正迈入千兆领域，因此它支持非常高的吞吐量，而且只支持5GHz的频段，不支持2.4GHz频段。因此，受干扰的情况很少，网络更稳定。）
1、信道的频段：首先来看下IEEE 802.11ac信道的频段：大多IEEE 802.11标准一般使用2.4GHz频段，世界通用ISM频段。包括14个载波频道，每个占用22MHz。中国允许使用1~13信道，美日略有不同。2.4GHz频段己在家庭/商业领域广泛使用，如WLAN/无线USB/蓝牙/ZigBee/微波炉等也工作在该频段，日趋拥挤，互扰日益严重。
我国于2002年开放了5.725-5.850GHz频段，IEEE 802.11ac将使用该频段。2012年我国又开放了5.150-5.350GHz频段资源用于无线接入系统，共分为8个信道，但仅限室内使用。5GHz的13个非重叠信道可支持高带宽WLAN，发挥多频点、高速率、低干扰的优势，可有效缓解无线网络拥堵。
为使工作于5GHz频段的无线系统与雷达和其他同类系统避免互扰，引入了两项关键技术：动态频率选择和发射功率控制。（1）动态频率选择机制中，当检测存在使用同一无线信道的其他设备时，AP和终端可结合当前信道状况，根据需要转到其他信道，以避免互扰，并协调对信道利用。（2）发射功率控制指所有设备发射输出须符合要求，通过降低设备无线发射功率，减少与其他通信互扰。还可用于管理设备功耗，以及限制AP与终端距离。
2、IEEE 802.11ac信道带宽：
3、调制方案P-QAM调制阶次P与每符号承载比特位数Q有关。BPSK调制中每符号承载1比特数据。64QAM中每符号承载6比特数据。调制越复杂、调制阶次越高，则每符号承载比特数越多，可实现更高速率。Q=log2P
以往标准最高使用64QAM调制，802.11ac引入256QAM。每符号可承载8比特数据，数据速率比64QAM提高33%。
4、波束赋形(Beamforming)：（1）波束赋形主要在AP中实现。AP通过与终端交互协议报文，获取信道状态信息(CSI)，相应调整天线上发送信号振幅与相位，通过波束赋形使接收端处最佳接收状态。（2）802.11n并未包含波束赋形技术，有些厂商产品中自行实现，但各自专属算法不兼容。（3）802.11ac将波束赋形技术纳入标准，采用通用波束赋形算法。
5、下行多用户MIMO：（1）MIMO中使用多天线同步传输，通过不同反射或穿透路径，到达接收端时间不一。为避免数据不一致而无法重新组合，接收端用多天线接收，利用DSP重新计算，根据时间差因素，重新组合还原数据。（2）发射天线数N、接收天线数M的MIMO系统中，假定信道为独立瑞利衰落信道，且N和M较大，可根据公式计算信道吞吐量。B是信道带宽，ρ是接收端平均信噪比。信道带宽和信噪比确定时，不增加带宽和发送功率，可增加收发天线数提高信道吞吐量。（3）802.11n最高支持4*4的MIMO，802.11ac最高支持8*8的MIMO，与LTE-A类似。
MAC子层协议对网络吞吐量、时延等性能有重要影响，需要合理选择MAC子层规范，并根据具体业务合理配置信道资源，从而提高无线信道效率、系统吞吐量和传输质量。
（1）MAC子层的首要功能是：提供可靠数据传输。通过MAC帧交换协议来保障无线介质上的数据传输可靠性。（2）MAC子层的还要能实现：共享介质访问的公平控制。通过两种访问机制来实现：基本访问机制，即分布式协调功能(DCF)；集中控制访问机制，即点协调功能(PCF)。（3）MAC子层的安全服务具体使用WEP等保护数据传输。
接下来，我们先重点了解一下这两种媒体访问控制机制：分布式协调功能DCF和点协调功能PCF，及这两种机制的工作原理。
首先我们来学习DCF：这是802.11的MAC层，这个就是MAC层的示意图，大家可以看到MAC层下面是物理层，这里包含了不同的物理层，我们列举了2.4GHz调频扩频的，2.4GHz直接序列扩频的，红外的，5G的OFDM的不同速率的等等。这上面是MAC层，MAC层分为两大功能，再上面就是逻辑链路控制层LLC子层。我们可以看到，MAC层这有两大支撑，一个是点协调式分布功能PCF, 提供以一种非竞争的服务；另一个是分布式协调功能PCF提供是竞争的服务。接下来我们会逐一的介绍DCF和PCF。
IEEE 802.11 的MAC帧格式：包括：帧头、帧体两个部分。
帧头：包括帧控制字段（Frame Control），持续时间（Duration/ID），地址字段（Address），序号控制（Sequence Control）、 服务质量（QoS Control）。
帧体（Frame Body）：信息根据帧的类型有所不同，主要封装的是上层的数据单元，长度为0-2312个字节，IEEE 802.11帧最大长度为2346个字节，FCS包含32位循环冗余码。
1.帧控制字段：是MAC帧最主要的组成部分。帧控制字段格式如图所示，包含了多个子字段，这些子字段的含义可以查阅这张表。
我们需要注意的是To Ds和From Ds这两个字段，To Ds是发往分布式系统，From Ds是来自分布式系统，所以根据To Ds和From Ds是否是0和1，我们有这四种组合。00，表示这个帧既不来自DS，也不发往DS，这个帧是我们WLAN内部发送的帧，是在BSS之内发送和接收的帧。01，表示这个是来自分布式系统的帧，而且是发往WLAN的某个无线站点的，表示的是网络到客户的数据帧。10，表示WLAN中某个客户（站）要发数据到分布式系统。11，表示这个数据既来之DS，又要到DS中去，表示我们WLAN只是一个桥接的作用，桥接我们两个分布式系统。
等会，我们还会讲到To Ds和From Ds 与地址字段配合使用。
2.Duration字段：指的是持续时间，它用于表明该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间。
3.Address地址字段：包括源地址、目的地址、传输工作站地址、接收工作站地址。
其中SA与DA必不可少，后两个只对跨BSS的通信有用，而目的地址可以为单播地址、多播地址、广播地址。
其中，这四个Address的填法不是固定的，需要和Frame control字段的To Ds、From Ds结合确定，具体如下表。第一行，address1表示目的地址，address2表示源地址，address3表示BSSID，通常使用3种地址，这是一种比较常见的表示方法。
那么大家思考下，RA接收端地址和DA目的地址有什么区别呢？这里DA和SA与我们之前讲过的以太网中的目的MAC地址和源MAC地址是一样的。而接收端地址RA和发送端地址TA，表示无线网络中的AP的地址。举个例子，比如一个数据要发往DS系统，那么他的RA就是我们真正的目的地址DA。如果这个数据发往无线网络某个站，那这个接收端地址就是某个BSSID。 因为我们的主机在这个小区内的地址不是固定的，是随着移动变化的，所以先找到AP,再到具体站。
4.Sequence Control序列号控制字段：由分段号和序列号组成，用于表示同一帧中不同分段的序号，并用来过滤掉重复帧。
5. 数据字段：帧类型：分为数据帧、管理帧和控制帧3类。（1）IEEE 802.11数据帧：负责在工作站之间搬运数据，如图所示是数据帧的基本格式。数据帧的四个地址的内容与To Ds和From Ds位有关，具体用法前面讲过。（2）802.11管理帧：管理帧负责监督，主要用来加入或退出无线网络以及处理接入点之间关联的转移事宜。如图所示是管理帧的基本格式。（3） IEEE 802.11控制帧：负责区域的清空、信道的取得以及载波监听的维护，并于收到数据时予以肯定确认，借此提高工作站之间数据传输的可靠性。
下面介绍几个无线局域网的应用实例，以及AC和AP的区别，以及胖AP和瘦AP的区别。
目前比较流行的一种无线组网方式是AP+AC，不管是企业还是校园已经越来越多的采用这种组网方式。很多朋友在选购的AP时会碰到这样的问题，有胖AP, 瘦AP, 胖瘦一体AP, 那应该怎么选择呢？
我们首先回忆AP的作用：AP就是访问接入点，通过AP我们可以无线的接入网络，之前让大家对比了AP和无线路由器的区别，（1）胖AP就类似我们的无线路由器，可以单独使用，无法实现无缝漫游（2）瘦AP需要和AC控制器配合使用，瘦AP+AC控制器可以实现无线漫游，瘦AP不需要配置，AC控制器对AP进行管理，可以使得多个瘦AP的名字时一样的，这样就能是所有网络名字一样，可以实现无缝漫游功能。
大家在买AP时注意，有2.4G的，有2.4G和 5G双频的，有百兆的，有千兆的，大家在选购时根据自己家里网络情况选择。但是建议大家最好选择2.4G和5G双频的，因为2.4G的干扰会比较多，速度不是很快，虽然覆盖范围比较广，但有时太慢了，5G虽然穿墙能力弱，覆盖范围小，但是速度快很多。
4分钟搞懂AC+AP - 西瓜视频 (ixigua.com)
第6讲（无线城域网）
接下来，我们开始学习无线城域网。再介绍无线城域网之前，我们现在介绍下有关城域网的一些基本概念。
城域网基本概念：（1）城域网介于广域网和局域网之间，是一种服务于城市范围的数据通信网。（2）城域网以多业务光传送网络为基础，以光缆作为主要传输媒介，实现语音、数据、图像、多媒体等接入服务。（3）目前，制约大规模Internet接入的瓶颈仍然在城域网。很多电信运营商虽然拥有大量的带宽资源，却无法有效地解决大量用户的接入问题。（4）当前，城域网是以宽带光纤传输网为开放平台，以TCP/IP协议为基础，通过各种网络互联设备，实现语音、数据和各种增值业务。
城域网网络拓扑：城域网的结构根据网络规模不同，可分为骨干层、汇聚层和接入层。
一般情况下，骨干层和汇聚层可合为一层称为核心层，这样有利于扩大接入层的服务范围，降低宽带城域网的建设成本。
接着对着PPT简单介绍：核心网、汇聚层、接入层的作用。
无线城域网：（1）WMAN以无线方式构建城域网，提供高速互联网接入。是在WLAN的基础上提出的无线网络技术，在技术上与WLAN有许多相似之处。（2）WMAN技术是因宽带无线接入的需求而来。终端通过无线的方式以高宽带高速率接入通信系统。
这里，大家思考一个问题，wifi不是已经可以实现无线宽带接入了吗，为什么还提出无线城域网技术？
这是因为各类无线局域网技术虽然可以实现无线宽带接入，但是单站覆盖范围太小，如果要实现一个城市范围内的无线宽带接入，得需要的多少个路由器，这是非常不现实的。所以我们的WLAN技术主要用于室内的无线接入和传输，室外的话需要无线城域网技术。另外，无线城域网技术的QoS服务质量比wifi要求有更高。因此WMAN和WLAN之间除了覆盖范围、服务质量要求不同外，应用场景和技术细节上都有较大差别，后续我们会具体介绍。
简单提一下：WMAN采用波束赋形、多输入多输出、无线Mesh、正交频分多址接入等技术,改善非视距性能，更高的系统增益也提供了更强的远距离穿透阻挡物的能力。
Wimax论坛：1999年，IEEE成立了WMAN的技术工作组，也就是802.16工作组，着手相关标准的制定。802.16里面有一个工作组Wimax负责相关技术的应用和推广，并且为负责符合无线城域网标准的设备发放认证。
WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access），中文翻译为：全球微波互联接入论坛。WiMax目的是致力于制定一套基于802.16的测试规范和认证体系，使不同厂商之间的产品可以具有良好的互操作性，以积极推广和验证宽带无线接入设备的兼容性与互操作性。WiMax组织旨在对基于IEEE 802.16标准和欧洲HiperMAN标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。
结合图形讲解无线城域网的宽带接入过程。
IEEE 802.16标准包括：802.16、802.16a、802.16c、802.16d、802.16e、802.16f和802.16g等。1）其中，802.16、802.16a、802.16d属于固定无线接入空中接口标准。2）IEEE 802.16e属于移动宽带无线接入空中标准。
IEEE 802.16的发展路线主要分三个阶段：1）第一阶段，基于IEEE 802.16d 的室外固定终端作为固定网络的辅助接入手段，该阶段以企业用户为主。2）第二阶段，基于IEEE 802.16d的室内固定终端上市，向家庭用户提供接入业务，运营商的建网成本降低。3）第三阶段，基于1EEE 802.16e芯片无线终端上市，向用户提供移动宽带数据业务。
1）IEEE 802.16：是用于10-66GHz的固定宽带无线接入系统空中接口标准。由于其使用的频段较高，因此仅能应用于视距传输。
2）IEEE 802.16a：通信频段2-11GHz，可以实现非视距传输，覆盖范围最远可达50km，支持固定无线宽带接入。是第一个WiMax标准，后来成为制订802.16d标准的基础。
3）IEEE 802.16c： 使用10-66GHz频段，它是对IEEE 802.16的增补文件，详细规定了10-66GHz频段IEEE 802.16系统在实现上的一系列特性和功能。
4）IEEE 802.16d：通信频段2-11GHz，具有非非视距传输特点，是固定无线宽带接入标准，相对成熟和实用。
5）IEEE 802.16e： 工作在2-6GHz的移动性许可频段，可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统。可支持用户站以最高120km/h的速度移动。
6）IEEE 802.16f： 定义了IEEE 802.16系统MAC层和物理层的管理信息库（MIB，Management Information Base）以及相关的管理流程。
7）IEEE 802.16g：规定了标准的IEEE 802.16系统管理流程和接口，从而能够实现802.16设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。
下面还有一些比较新的IEEE802.16系列标准，不再一一讲解。
通过这个表，可以看出802.16使用的频段范围可以从2- 66GHz，既包含的需要授权的，也有无需授权。这点和wifi非常不同。
可工作在频分双工或时分双工模式
规定了两种调制方式：单载波和OFDM
802.16协议的体系结构：802.16协议和我们传统有线网络协议的区别主要体现在物理层和媒体访问子层，这是因为无线网络和有线网络的主要区别是，把有线网络数据传输转换在无线网络中传输，因此主要区别在于物理层和媒体访问子层。再往上层，实际上没什么太大区别。
IEEE 802.16系列标准中各协议的MAC层功能基本相同，差别主要在物理层。
我们再来重点看一下802.16的物理层规范。
802.16采用的通信频段从2G-66GHz，频段范围差距特别大。采用不同的通信频率对传输特性有很大的影响，比如我们采用11GHz以上频段的话，就难以实现超视距传输了，即便把基站架设在高处，也难以实现。
802.16的MAC层：MAC层由业务汇聚子层、公共部分子层和安全子层三部分组成，其中安全子层是可选的。1.业务汇聚子层：负责将业务接入点收到的外部数据转换和映射到MAC业务数据单元并传递到MAC层业务接入点。 该协议提供多个业务汇聚规范作为与外部协议的接口。2. 公共部分子层：负责将数据组成帧格式来传输和对用户接入到无线网络进行控制。3. 安全子层 ：提供用户站与基站之间的私密性，主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。
802,16（Wimax）的4种业务类型：QoS服务质量是802.16技术需要保证的，QoS对不同的业务采用不同的带宽分配机制，来提升用户体验，提升网络带宽的利用效率，因此对不同的业务进行了优先级的划分。优先级越高的业务应该尽可能得到带宽的保障。
1.主动授权业务：用于传输固定速率实时数据，带宽固定，例如VoIP业务。
2.实时轮询业务：带宽可变，视频流（因为只要提前缓冲，就不会影响观看）
3.非实时轮询业务：带宽可变，FIP
4.尽力而为业务：无质量保障。
Wimax的组网结构：IEEE 802.16协议中定义了点到多点（PMP，Point to MultiPoint）和网格（Mesh）两种结构。
1.PMP结构：是WiMax系统的基础组网结构。PMP结构以基站为核心，采用点到多点的连接方式，构建星形结构的WiMax接入网络。
2.Mesh结构：（1）采用多个基站以网状网方式扩大无线覆盖区,因此也被成为无线网状网。（2）其中，有一个基站作为业务接入点与核心网相连，其他基站通过无线链路与该业务接入点相连。
这种网络结构的特点是，除了允许客户站和基站相连，还允许客户站之间进行连接。这样的好处是，举一个例子说明，距离基站较远的站点，因为通信范围受限，无法与基站建立一个直接连接，这个时候可以借助其他的用户站，构建一条到基站的链路，从而使得网络的扩展性更强。
Wimax系统组成：系统通常由两部分组成，①WiMax发射塔，与移动通信发射塔相似，单台WiMax发射塔可覆盖面积多达数千平方公里。发射塔有线连接互联网，也可用视距微波连接另一个发射塔。②WiMax接收机，接收机和天线可以是一个小盒子或一张PCMCIA卡，可内置笔记本PC中。
流程图讲解：用户站通过用户设备，与基站建立连接，基站又通过光纤网络接入核心网。这是Wimax的系统组成
Wimax应用场景分类：1、固定：最基本业务模型，包括用户互联网接入、传输承载业务、WLAN热点回程等。2、游牧：终端可从不同接入点接入网络中，每次会话连接中终端只能站点式接入。两次不同网络接入，数据不保留。游牧式及以后应用场景支持漫游，终端电源管理。3、便携：步行连接网络，除小区切换外连接不会中断。终端可在不同基站间切换。静止时业务应用模型等效于固定和游牧式。终端切换时将经历短时中断或延迟。4、移动：无线接入时能步行、驾乘汽车。终端移动速度达60~120km/h时，传输速率下降。相邻基站间切换分组丢失控制在一定范围内，TCP/IP会话不中断，但应用层可能中断。
第7讲（无线广域网）
今天我们学习无线广域网，本章将重点学习无线广域网里面使用的各种技术标准：包括802.20技术标准，以及移动通信从1G到5G的发展历程和技术变革。
无线广域网(WWAN)概念：(1) WWAN指覆盖全国或全球范围内的无线网络，提供更大范围内的无线接入，与其它无线网络相比较，它更强调快速移动性。（2）WWAN的传输速率通常不是很高。其数据传递速率相比Wi-Fi 、WiMAX等都偏低。（3）典型的WWAN的例子：如GSM移动通信（2G）、3G 、4G 、5G、卫星通信等系统。（4）WWAN使用户能使用笔记本电脑、智能手机或其他移动设备，在蜂窝网络覆盖范围内方便的接入网络，进而访问因特网。（5）早期时候，蜂窝技术的速率速率都不高，无法提供类似无线个域网、无线局域网和无线城域网的宽带接入技术，无法满足多媒体等运用的需求。
802.20标准简介：（1）为提高移动宽带无线接入速度，IEEE 802委员会专门设立了802.20工作组，制定IEEE 802.20相关标准。（2）802.20标准 是MBWA Mobile Broadband Wireless Access ,移动宽带无线接入，也被称为Mobile-Fi。目的是为了实现在高速移动环境下的高速率数据传输，以弥补802.1x协议族在移动性方面的不足。（3）802.20标准的目标：是在高速列车行使环境下（时速达250km/h），仍能向每个用户提供高达1Mbit/s的接入速率。（4）向用户提供的服务：包括浏览网页、E-mail、没有大小限制的文件的上传和下载、流媒体、IP多播、远程信息处理、定位服务、VPN（虚拟专网）连接、即时消息和多人在线的游戏。802.20还将利用VoIP技术向用户提供话音服务。
802.20标准的发展：2020年3月，思科等提出Mobile-Fi概念；2002年7月，移动宽带无线接入研究小组从IEEE802.16工作组独立出来；2002年11月，802.20工作组正式成立；2004年11月，802.20工作组确定了其标准化时间表；2005年，初步完成前期准备和征集提案的工作；2006年6月，IEEE暂停了802.20工作组的活动；2006年11月，802.20工作组，重新开始标准的制定活动；目前，802.20标准还没得到广泛应用。
802.20采用纯IP体系结构，从网络到终端均使用基于IP的协议通信。（2）组成主要包括：IP核心网、含高速路由器的基站、网络调度器、鉴权、认证和计费（AAA）服务、及支持各种应用的终端设备等
IEEE802.20系统的预期技术指标：IEEE802.20使用的频段范围是3.5GHz以下。采用FDD和TDD的复用技术，目标移动速率为250km/h，小区范围通常是15km，采用的安全模式是AES，信道带宽最高为5MHz，最高用户上行峰值速率>1.2Mbps，最高用户下行峰值速率>16Mbps, 移动终端速率120km/h，支持一个车速的移动速率。
现有的全球主要无线通信标准：按照通信范围分为：第一种是范围小于10m的，对应无线个域网覆盖范围，里面用到的技术有：802.15蓝牙技术，802.13.3超宽带技术，欧洲标准HiperPan。第二种是10米到100米之间的，也就是局域网覆盖范围，主要包括之前讲过的802.11系列标准和Hiper Lan标准。第三种是100米到20km之间的，覆盖范围既包括城域网又包含广域网，里面采用的技术标准有上次课讲过的802.16系列标准，还有欧洲标准Hiper Mann，以及接下来我们要讲的蜂窝移动通信中用到的3G标准。
接下来，我们来讲一下，802.20标准与802.16e标准，以及3G标准之间的区别。
（1）802.16e技术，我们上节课介绍过可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，它是为移动性要求不高的用户提供高速、有效的对称数据传输。802.20在保持较高数据传输速率的同时，能够满足用户更高的移动性要求。3G的数据传输速率比较低，但能够满足用户的全球移动性要求。（2）802.20的业务定位同Beyond3G相似。它的空中接口专门针对传送IP而设计，从而具有很高的频谱利用率，非常适应分组数据业务突发性的特点。
蜂窝通信网络：也就是现在我们手机通信使用的网络。
（1）蜂窝通信系统将地理区域分割成许多蜂窝单元(小区)，小区半径视用户分布密度在1-10km不等，每个小区由一个小功率发射基站为本小区用户服务。（2）每一小区使用同一信道频率，相邻小区使用不同频率，相距较远的若干不相邻小区可复用同一频率(信号衰减消除了可能的冲突)。（3）图中多个A为同频小区。若干相邻小区组成一个无线区群，一个典型区群中包含4/7/12个小区，若干个相邻的无线区群构成一个服务区。
蜂窝通信服务覆盖范围：(1)带状：如在公路、铁路、沿江、沿海等地域，基站使用定向天线，许多细长的小区横向排列覆盖整个服务区。 (2)面状：一般陆地平面，若地形地貌相同或接近，基站采用全向天线，一个小区覆盖范围可看作一个圆。考虑到相邻小区范围重叠，一个小区有效覆盖可看作是一个圆的内接六边形。由于地形地貌起伏和遮挡环境等实际影响，小区无线覆盖往往是一个不规则的多边形。
接下来，我们介绍蜂窝移动通信从1G时代到5G时代的发展。
1G时代：世界上最早的民用移动通信电话是由摩托罗拉公司发明。在1968年的消费电子展上，最吸引眼球的是由它推出的第一代商用移动电话的原型，当时一部这样的电话售价2000美元，重达9公斤。 但是几年后，当开始在世面上销售时，它就降到了不到3公斤，售价还是很贵。当然设备要实现通信，还需要让她们都遵守一套大家都认可的信息编码规范，这就是标准。早期的移动通信中，标准是以摩托罗拉为主制定的，我们后来称为1G。
2G时代：进入上个世纪80年代，诺基亚等公司就开始研制新一代的移动通信设备，并且提出新的移动通信标准，它们在1991年开始投入使用，为了区分，我们称之为2G。
那么1G和2G有什么区别呢？（1）从技术上讲，1G是模拟电路，2G是数字电路。（2）从外观上看，2G手机比1G小很多，更省电，而且收发短信方便。
为什么2G的手机小呢？ 因为数字电路可以把更多的数字芯片集成起来，用一个专用芯片取代了过去上百个芯片。而在摩尔定律的影响下，这种技术的叠加效用更明显，手机越做越小。于是2G取代1G就成为了历史的必然，诺基亚是那个时代的领航者。
GSM(Global System for Mobile Communication, 全球移动通信系统)是2G蜂窝通信的代表技术，相比模拟移动通信，具以下特点：由若干子系统组成，与PSTN等公用通信网互连互通；提供跨国界自动漫游功能，移动用户可进入GSM系统而与国别无关；除话音业务外，还开放各种承载业务、补充业务等；加密和鉴权功能，确保通信保密和网络安全；
组网结构灵活方便，频率复用率高，交换机的话务承载能力较强；抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高；终端手机向更小、轻巧和增强功能趋势发展。
美国高通公司最早提出了窄带CDMA(CDMA IS95)技术，CDMA采用更先进的无线扩频技术，提高了移动通信容量和品质，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可减少投资和降低运营成本。CDMA在2G的全球市场占有率仅次于GSM。CDMA为3G技术的提出打好了基础。
3G时代：接下来从2G到3G又发生了什么呢？我们大家可能都知道，2G手机只能打电话发短信，上网很困难。3G的通信标准将信息传输率提高了一个数量级，这是一个飞跃，它使得移动互联网得以实现，从此手机打电话的功能降到了次要的位置，而数据通信，也就是上网，成为了主要功能。
但是，从1G到3G都存在一个大问题，就是上网用的移动通信网络和原有打电话用的通信网虽然能够彼此融合，但是却彼此独立。今天的人回头来看这件事觉得有点荒唐，但是如果我们了解了当时移动通信和以AT&T为代表的传统电信公司多么的水火不容，就不难理解了。
由于移动通信网络是独立的，就无法受益于网络技术的快速进步。2G和3G时代用手机打一个电话实际经过的物理路径很长。其中的原理细节请看下图2G、3G时代移动通信网络的原理示意图。
（1）一方面基站与基站之间的通信效率不高，使得上网速度快不起来；(2)另一方面，由于2G时代为了适合当时移动通信的特点，手机端到端的通信要经过好几级的转发。手机信号送到基站后，要经过基带单元（BBU）、无线网络控制器（RNC）,才能到核心网，然后再从核心网到RNC、BBU，最后送达基站，基站再与接收者通信。（3）因此，由于3G的系统是半吊子的，虽然标称网速很高，但是实际网速并不快。于是后来出现了4G。
3G标准：ITU在2000年确定WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大技术标准。
（1）WCDMA的支持者主要是欧洲厂商，包括爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、NTT等。系统能架设在GSM网络上，在GSM普及地区具有优势。（2）CDMA2000由高通公司主导，是从窄带CDMA标准发展而来，可从原有的CDMA直接升级，建设成本相对低廉。（3）TD-SCDMA由我国主导，原邮电部电信科学技术研究院提出。
4G时代：4G有什么革命性的进步呢？
（1）有人说网速快。但这是结果，不是原因。4G一方面使用了扁平的网路结构，减少了端到端通信时信息转发的次数，同时增加了基站之间光纤的带宽。（2）更重要的是，它同时利用了互联网和电信网络的技术进步，这两种技术的融合才使得4G的速度比3G快很多。你可以认为，到了4G，电信的网络已经统一，但是它和互联网还没完全统一，你先记住这个事实。
4G技术：LTE-Advanced 和WirelessMAN-Advanced为4G标准。（1）LTE是3G的演进，要求4G传输峰值速率达100Mbps或更高。改进并增强了3G的空中接入，分为FDD(频分双工)和TDD(时分双工)两种制式。（2）FDD-LTE在国际上应用广泛，而TDD-LTE(TD-LTE)则在我国占主导。
中国移动主推TD-LTE，占用频段为1880-1900、2320-2370和2575-2635MHz，共130MHz。中国联通和中国电信同时支持TD-LTE和FDD-LTE，前者获批使用1755-1765、1850-1860、2300-2320和2555-2575MHz，后者获批使用1765-1780、1860-1875、2370-2390和2635-2655MHz。
为什么4G已经网速很快了，还要提出5G呢？因为虽然在4G时代从理论上讲移动通信的网速已经很快。但是，如果很多人同时上网，它不仅不够快，甚至连不进去。比如人多的大型活动现场，你会发现想传一张照片非常困难，能否成功发出去全靠运气。这是因为一方面总的网速不够快，另一方面很多人同时和基站通信，基站成为了瓶颈。正常情况下，4G对于我们目前的上网需求绝大部分时候足够了，但是在未来我们有很多智能设备，它们也要同时上网，就会出现像前面说的那种“拥堵”问题。
那怎么解决这个问题呢？（1）有人会想到继续增加带宽。这是自然而然合理的想法，在4G基础上增加2-3倍的带宽并非难事，但是想增加1-2个数量级就办不到了。（2）一方面要求基站的功率增加很多，这在城市里完全不可行，因为基站周围会因为电磁波辐射太强而不安全。（3）另一方面，要想增加带宽，就要增加通信的频率范围，也就是增加无线电波的频率。而电磁波频率越高，它绕过障碍物的能力越差。比如高到可见光的频率，一张纸就可以挡住它。 那怎么解决呢？最简单的方法就是在提高通信频率的同时，把基站建的非常密集，这样在你附近就有基站，它不会被建筑物阻拦。
5G时代：基于上述想法，5G的概念就被提出来了。
5G是如何通信的呢？（1）如果我们说4G是一公里的范围建一个基站，负责这方圆一公里的手机和基站的通信，那么5G则是在百米的范围内建基站（基站平均距离在200-300米左右），负责半径为一百多米范围的通信。
手机和基站的距离缩短，会带来什么好处呢？会带来三大好处：1）建筑物干扰的问题得到解决，这个显而易见。2）更少的人分享带宽。假定方圆一公里是1万人，那么方圆百米就会下降到100人，这样每个人能分配到的带宽可以增加两个数量级。3）由于基站通信范围从1公里降低到100米，功率可以降低两个数量级，这样，在基站周围的电磁波辐射也大大降低，我们的生活环境反而变得安全了。
当5G的基站密集到两三百米甚至不到一百米一个的时候，我们家里是否还需要装WI-FI呢？或许不需要了，Wi-Fi或许会消失，或者会退居次要的地位，这样，就将互联网和通信网络融合成一个网络了，这无疑将是一次通信的革命。
总结1-5G：从1G-2G，是从模拟电路到数字电路，由于采用了专用集成电路，单位能量传输和处理信息的能力提高了两个数量级。从2G-3G，实现了从语音通信到数据通信的飞跃。从3G-4G，实现了移动通信网络和传统电信网络的融合，将云计算等互联网技术用于移动通信，使得不同区域之间的流量能够动态平衡，大大的提高了带宽使用率。从4G-5G，可以实现移动互联网和有线互联网的彻底融合。这样万物互联才会成为可能。需要指出的是，由于网络基站的密度非常高，每一个基站的功率非常小，因此单位能耗传递信息的效率会进一步大幅度提高。
穿插视频：5G最终会给人类带来“奇迹”，你可以不信，但不可以不知道,科技,移动互联网,好看视频 (baidu.com) （10分钟）
5G技术概述：5G是4G的进一步演进，定义了增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)和超可靠低时延通信(uRLLC)三大应用场景。（1）eMBB面向高带宽移动互联网应用，相比LTE-A，其峰值速率提高10倍以上，控制面时延、频谱效率、单位区域数据流量和移动速度等指标也有数倍提升。（2）mMTC面向智慧城市的大规模万物互联应用，连接密度比LTE-A提升几十倍，可达每平方千米上百万设备。（3）uRLLC面向虚拟现实(VR)/增强现实(AR)、车联网和工业4.0等时间敏感应用，用户时延甚至低至0.5ms。
5G基站分为四类：宏基站(Macro Cell)、微基站(Micro Cell)、皮基站(Pico Cell)和飞基站(Femto Cell)。
5G关键技术：网络功能虚拟化(NFV)、软件定义网络(SDN)、移动边缘计算(MEC)、云无线接入网(C-RAN)、软件定义无线电(SDR)、认知无线电(CR)、小小区(Small Cells)、自组织网络(SON)、设备间直接(D2D)通信、大规模多入多出(M-MIMO)、毫米波、波形和多址接入、信道编码、带内全双工无线电、载波聚合、双连接、低时延、低功耗广域物联网。
Wifi6和5G性能对比（对着PPT中表格讲解）
5G广泛应用（对着PPT讲解）
第8讲（无线自组织网络1）
无线自组织网络（Ad hoc network）：（1）又称为无线对等网，是由若干个无线终端构成的一个临时性、无中心的网络，网络中不需要任何基础设施。Ad Hoc是拉丁语：For this /For this purpose only.强调这种网络是为某一特殊目的而建的。特殊性就体现在（2）Ad hoc网络的应用场景：是在移动条件下，没有基础设施的支持的环境中，要求节点之间通过自组织的方式构建网络。（3）Ad Hoc网络源于军事通信的需要，要求在战场环境下无线组网。前身是分组无线网(Packet Radio Network) 。
Ad Hoc网络背景：我们知道最早的无线网络是ALOHA，然后到了1972年的时候，又提出了PRNET网络，是在战场环境下的无线组网，后来要求这个网络不仅以无线方式组网，还要有一定的抗毁能力和一定生存能力，应具备一定的自适应性，就是SURAN, survivable adaptive network，后来1994年又提出了GloMo网络，满足军事需求的高抗毁移动信息网络，并最后演化成了MANET的概念。MANENT是移动无线自组织网络、
Aloha：世界上最早的无线电计算机通信网,科技,互联网,好看视频 (baidu.com)
Ad Hoc网络的典型应用：我们来看这张图，这是一个典型的Ad Hoc网络应用场景，在战场环境下，有各种各样类型的节点。有车辆有人员。这些节点很明显会处于一个运动的状态。或者移动的状态。因为战斗中会有人员伤亡，会有一些新的增援部队的加入，这就意味着会有节点加入退出。这就要求我们必须以无线的方式构建网络，才能适应移动性的这样的一个需求。第二，网络的拓扑结构会动态的发生变化。因为有节点的加入和退出，所以要求网络能够不经过复杂的配置就能以自组织的方式来建立这样的网络。并且保证网络的连通性。并且路由协议可以自动的做出调整。
注意：Ad Hoc网络并不是一种具体的网络技术，而是对某种类型的网络的一个统称。这种网络具备移动性、自组织、节点之间的地位是对等的等特点。在Wi-Fi环境中，所以我们将两台笔记本不经过路由器直接建立一个连接，就构成一个对等式的网络拓扑结构。所以Ad Hoc只是一种类型的网络的统称。并没有约束或者限定要使用哪一种技术。
MANENT(移动Ad Hoc网络)：Ad Hoc网络由若干个无线终端构成一个临时性的、无中心的网络，网络中亦不需要任何基础设施。移动Ad Hoc网络MANET(又称移动多跳网或移动对等网)是一种特殊的在不借助任何中间网络设备的情况下，可在有限范围内实现多个移动终端临时互联互通的网络。(1) 在MANET中，每个节点既可作为主机，也可作为中间路由设备。（2）节点作为主机，可运行相关应用程序，以获取或处理数据。（3）节点作为路由器，需运行相关路由协议，进行路由发现、路由维护等常见操作，对收到并非发给自身的分组予以转发。
从图中可以看出，这个是由节点A、B、C共同构建的一个简单MANENT网络，C不在A的信号覆盖范围内，A也不在C的信号覆盖范围内。如果A和C要交换信息，就需要B为它们转发分组，B就充当路由器的角色。
MANENT的特点：（1）拓扑结构动态变化。无固定通信设施，网络节点随机移动，（2）资源有限。节点能量和网络带宽有限，但组网灵活，网络构建和扩展无需依赖任何预设的基础设施或设备。（3） 多跳通信。实现不同覆盖网络间的源与目标间通信，二者距离超过无线信号覆盖范围，则需中间节点转发数据，称多跳路由。（4）安全性较低。无线信道易受窃听、篡改、伪造等攻击威胁 。
MANENT拓扑结构可分两种：对等式结构(平面结构)和分级结构。
（1）对等式网络的特点：所有节点地位相同，在网络控制、路由选择和流量管理上都是平等的。结构简单，所有节点地位平等，无需任何的结构维护过程。源节点和目的节点之间通常存在多条路径。网络比较健壮，鲁棒性，抗毁性都比较强。
对等式网络的缺点：（1）网络规模受限，可扩展性较差。这种结构当中，一个节点需要知道到达其它所有节点的路由，由于网络拓扑是动态的，维护自己到其它节点的所有路径，这个开销非常大，特别是当节点数量比较多时，这个会占用大量的带宽，所以这种结构可扩充性比较差，只适合中小规模的网络。（2）在大规模Ad Hoc网络中，从源节点到目的节点的路径变得很长，时延很大，在一些对时间要求严格的场合，这种时延是不能接受的。
（2）在分级结构网络中，一个MANET被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。所有簇头构成高一级的网络。两个不同簇中的簇成员之间通信需要经过各自的簇头进行转发。对于规模非常大的网络，还可以对簇头构成高一级的网络再次进行分簇，形成更高一级的网络。
分级结构网络分：单频分级和多频分级。1）单频分级中所有节点使用同一频率通信，需要网关节点支持。2）多频分级网络中，不同级采用不同通信频率。低级节点的通信范围小，高级节点的通信覆盖范围大。
分级结构的优点：1）在分级结构中，只有簇头节点才存储其他簇的路由信息。通过分簇减少了网络规模扩大对路由开销增加的影响。2）分级结构通过增加簇的个数和级数可有效提高整个网络的容量，增强网络的可扩展性。
然而分级结构也存在一些限制。1）首先，维护分级结构所需要的分簇算法，簇头选择算法，簇头维护算法通常较为复杂，增加了计算的复杂性。2）其次，簇内节点与簇外节点通信时必须经过簇头，而这样所得到的路由，有时并不是最佳路由，3）第三，就节点负荷而言，，簇头节点的负担较重，可能成为网络的瓶颈。
MANENT的协议层次：通用Ad Hoc网络协议（或者说MANENT协议）模型划分为物理层、数据链路层、网络层运输层和应用层五层。对于具体的应用场合，该协议模型可以简化，去掉不必要的功能模块或添加新的模块，并根据系统和应用要求作进一步的细化。
各层功能：
1）应用层，提供面向用户的各种应用服务，包括严格时延和丢包率要求的实时应用(紧急控制信息)、RTP/RTCP音视频应用、无QoS的数据包业务。
2）传输层，可靠端到端服务，隔离上层与通信子网，寻址、复用、流控、按序交付、重传控制、拥塞控制
3）网络层，邻居发现、分组路由、拥塞控制、网络互联等
数据链路层，MAC子层和LLC子层，CSMA/CA、RTS/CTS
4）物理层，根据实际应用需要，通信频段、良好收发信功能、多频段、多模式的无线传输方式
MANENT路由协议概述：（1）在MANENT中，节点除保持连通性之外，也能执行路由。但移动环境网络拓扑是动态变化，导致路由动态变化，使得MANENT路由较为复杂。（2）一个好的路由方案应具备：分散性、自组织、自修复等特点，并对无线频谱带宽限制有适应性，能利用多跳属性更好负载均衡。（3）在MANENT中，无特定中心节点进行路由决策，节点在路由失效时能自修复和调整，自修复过程中，快速克服路由失败带来的负面影响，提高网络容错能力。（4）无线频谱和信道容量有限使带宽资源稀缺，介质共享使网络存在冲突和竞争，限制网络性能。传输信道分配非常重要，具体到路由即如何保证传输有效性，较少冲突，降低路由信息代价。（5）功率感知是关键，节点尽可能降低能耗延长网络寿命。
MANENT路由协议分类：在整个研究领域，对Ad Hoc路由协议的研究非常多。Ad Hoc的路由协议大致可以分为主动式路由协议、被动式路由协议以及混合式路由协议。
1. 主动(表驱动)路由：在这种路由协议中，每个节点维护一张包含到达其它节点的路由信息的路由表。每个节点与其它节点交换信息，根据信息构建本节点路由表；节点间定期交换路由更新信息，维护更新路由表；节点查找自身路由表来确定从源到目标的路由。
特点：这种路由协议的时延较小，但需较大系统开销。即使没有数据流量通过这些路由，仍需连续不断维护路由。
2. 被动路由：又称为按需路由协议，是一种当需要发送数据时才查找路由的路由算法。在这种路由协议中，节点不需要维护及时准确的路由信息，当向目的节点发送报文时，源节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由。
特点：路由协议的开销小，但是传输时延较大。路由发现过程频繁，但和主动路由算法相比，路由消息控制开销更少。具更好可扩展性。节点每次路由发现，增加整体时延。
3. 混合路由：开始建立路由时执行主动方法，然后通过被动洪泛为之后激活的节点提供服务。
特点：减少了主动路由协议的控制开销，缩短了被动路由协议的发现时延。是自适应路由的一个子集，主动/被动路由分配根据网络即时特征有选择进行。混合路由协议能在分层网络架构中实现，网络性能取决于各层中主动/被动协议分布，结合了主动/被动路由优点。
DSDV(Destination Sequenced Distance Vector)路由协议：
基于Bellman Ford算法，是距离向量协议的改进；路由表通过序列号区分路由的新旧；
快速反应拓扑变化；
延迟了对不稳定路由节点的广播通告；
不能适应快速变化的网络；
资源开销可能被浪费；
多数路由信息可能从未使用；
源和目标之间只提供一条不支持单向连接的路由
（1）路由表项包括：目标地址、到达目标节点的度量值(最小跳数)、去往目标节点的下一跳、目标节点相关序列号；（2）使用两类更新报文：完全转存(通告全部信息)、递增更新(仅通告更新信息)；（3）路由选择依据为序列号或度量值；节点对比更新信息和节点的路由表，选择序列号大的路由信息，保证到达目标节点的路由信息最新。序列号相等，选择度量值最佳(如最少跳数)的路由信息。
第9讲（无线自组织网络2）
首先回顾常见的三类MANET路由协议，以及目标序列距离向量DSDV的工作过程，然后开始介绍本次课主要学习内容。
首先继续学习另外一种比较典型的路由协议，自组织按需距离向量（Ad hoc On-demand Distance Vector, AODV）。
自组织按需距离向量(AODV)：是应用广泛的按需路由协议之一，包括路由请求、路由响应和路由维护3个过程，依赖RREQ(路由请求)、RREP(路由响应)、RERR(路由错误)及HELLO共4类报文。 各节点维护路由表，分别对不同报文进行处理，维护路由信息的正确有效。
(1)路由请求过程：① 源节点向目标节点发送数据时，先在路由表中查找去往目标的路由表条目，如找到则选用该路由进行传输；否则构造RREQ报文并广播寻找去往目标的路由。② 其它节点收到该RREQ后，先判断自身是否目标节点，若是则生成RREP报文并沿反向路径返回给请求节点。③ 否则查找路由表以确定自身是否有去往目标节点的有效路由条目，有则向反向邻节点返回RREP，无则继续广播RREQ。
(2)路由响应过程：①节点收到RREQ，发现自身为目标节点或自身路由表中有去往目标的有效路由，则产生RREP并沿反向路径返回给请求节点。②上游节点收到RREP后，先建立到目标节点路由，并查看自身是否为请求节点，若是则停止转发，否则继续转发。
(3)路由维护过程：① 路由中断时，节点先启动本地路由修复，若无效，则向相关邻节点发送RERR，告知路由中断。②此外，路由缓存计时器会周期性把超时的路由条目从路由表中删除，邻居节点计时器也会周期性广播HELLO报文检测邻节点的连通性，及时清除中断路由。
接下来，我们通过这样一个例子，来深入理解一下AODV路由协议的工作原理。这里假设节点A要向G发送数据，AODV路由协议会帮助其一步步进行路由发现。(1) 首先，A创建一个路由请求报文RREQ，并广播给所有邻居节点，（2）如果B收到来自A的RREQ，会建立到A的反向路径。此时，如果B没有到G的网络，则将该RREQ广播给自己邻居。（3）B的所有相邻节点都会继续转发RREQ，直到某个节点有到G的有效路径，或者直接临接G。
通过刚才的过程可以发现，AODV路由协议具有以下特点：1）基于传统距离向量路由机制，算法简单清晰。2）使用目标序列号防止循环发生，解决了无穷计数问题，易于编程实现。3）支持中间主机回答，能使源主机快速获得路由，但可能会有过时路由。4）周期性广播报文，需要消耗一定的能量和网络带宽。
MANET的IP地址分配：在MANET网络中，如何为新加入的节点分配IP地址，也是需要重点考虑的问题。下面介绍三种MANET中常见的三种IP地址分配技术。
1）基于伙伴系统的分布式动态地址分配协议。这个是通过IP地址池为节点分配IP地址。最初，整个网络仅有一个节点A，该节点拥有整个IP地址池，当某个无地址的节点B加入网络后，它向节点A申请IP地址。A接受申请后，会将IP地址池的一半分配给B，B可将收到的地址中的首个地址作为自身地址，同时将最新的IP地址表回复个A。此时A和B互称为伙伴。
2）改进的DHCP 协议：为每部分网络选择一个领导。它扮演DHCP服务器的角色，为新加入的节点分配地址。领导拥有一个所有已被分配的IP地址的列表。
3）基于硬件地址的IP地址分配。采用硬件MAC地址的已知网络前缀和后缀组成相应的IP地址。
无线网状网(Wireless Mesh Network, WMN)：（1）是一种从MANET中发展起来的新型网络技术，也是一种动态、自组织、自配置的多跳宽带无线网络。（2）相比MANET，WMN利用位置相对固定的无线路由器，将多种网络进行互联，并接入高速骨干网。（3）WMN已被纳入到802.11s、802.16等标准中。
WMN的组成：由客户节点、路由器节点和网关节点组成。（1）客户节点可分为普通WLAN客户节点和具有路由与信息转发功能的客户节点两类。（2）WMN路由器与传统无线路由器相比在很多方面都有所增强，包括提升多跳环境下的路由功能、MAC协议、多无线接口等。（3）网关节点通过有线宽带连接因特网。
这个图是WMN的结构，（1）在传统的WLAN中，每个终端均通过一条连接AP的无线链路来访问网络，用户互相通信须先访问固定AP，这种结构称为单跳网络。（2）而在WMN中，任何无线节点都可同时作为AP和路由器，每个节点都可发送和接收信号，与一个或多个对等节点直接通信。
WMN结构的优点：1）如果最近的AP因流量过大而拥塞，数据包可自动重新路由到一个流量较小邻节点传输。数据包还可根据网络情况，继续路由到与之最近的下一节点传输，直至到达最终目标。此种方式即为多跳访问。2）与传统有线网络相比，WMN无需在节点间布线，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。3）如需添加新设备，简单接上电源即可，可自动配置并确定最佳多跳传输路径。
无线网状网的优势：①快速部署和易于安装，②健壮性，③结构灵活，④高带宽，⑤低干扰。
Ad Hoc网络的应用：独立Ad Hoc网络可以从规模上分为：大型Ad Hoc独立网络、小型Ad Hoc独立网络。
大型Ad Hoc独立网络：（1）包括成百上千个节点，其直接商业价值尚不明显。适于某些特定场合，用非常少的数据传输重要信息，如战场传达命令和在高速公路上通知其它车辆关于交通堵塞的情况等。（2）大规模Ad Hoc网络并不适合传输大量信息，因为会产生高风险、高成本、低效率等问题。
小型Ad Hoc独立网络：具明显商业价值，应用环境包括家庭、商务会议区、医院等。（1）家庭环境中Ad Hoc网络，所有家电如电脑/电话/厨房家电/安保系统等连接成网络，方便交流，资源共享。（2）802.11、蓝牙等WLAN技术为Ad Hoc提供技术支持。
第10讲 （无线个域网1）
同学们好，本章内容我们将会学习另外一种无线网络，无线个域网。首先我会介绍无线个域网的基本概念和相关标准，然后会具体介绍常见6种无线个域网技术，包括：蓝牙，Zigbee，IrDA、HomeRF、超宽带UWB，以及无线USB技术。
无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）概念：指的是在便携式通信设备之间进行短距离自组连接的网络（自组连接指定是无需复杂配置即可自动连接）。WPAN位于整个网络链的末端，用于解决同一地点终端与终端间的连接。WPAN的覆盖范围一般在10m半径以内，在WPAN中设备可以承担主控功能，又可以承担被控功能，设备可以很容易地加入或者离开现有网络。WPAN主要用于短距离内无线通信，以减少各种传输线缆的使用。
IEEE 802.15标准：（1）无线个域网中的不同技术标准的名称都是以802.15开头。(2) IEEE802.15是IEEE 802成立的专门从事WPAN标准化的工作组，成立于2002年，它主要是实现以设备为中心半径10m范围内的高效、节能、无线通信方法。（3）按照数据传输速率的不同，WPAN分为高速个域网（HR-WPAN，High-Rate WPAN）和低速个域网（LR-WPAN，Low-Rate WPAN）。
IEEE 802.15工作组致力于WPAN的标准化，当前IEEE 802.15主要分为5个工作组，
（1）IEEE 802.15.1工作组；（2）IEEE 802.15.2工作组；（3）IEEE 802.15.3工作组；（4）IEEE 802.15.4工作组；（5）IEEE 802.15.5工作组。分别制定适合不同应用的标准，这些标准在传输速率、功耗和支持服务等方面存在差异。IEEE 802.15协议体系结构如图8-1所示。可以看到各种IEEE 802.15标准的主要区别在其物理层和MAC层。
其中，（1）802.15.1是以既有蓝牙标准为基础，制定蓝牙无线通信规范的一个正式标准，来开发能够相互兼容的蓝牙芯片、网络和产品，定义了物理层和介MAC层规范。这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、掌上电脑PDA等设备的短距离通信。定义了物理层和介MAC层规范。（2）802.15.2工作组主要是为解决WLAN 802.11和WPAN 802.15共存的问题，即为所有工作在2.4GHz频带上的无线应用建立一个标准，确保工作在同一个区域的WPAN和WLAN设备共存。802.15.2实际上是一个策略建议，推荐了一系列解决WPAN与WLAN互扰的技术策略和方案。（3）802.15.3研究高传输速率无线个人域网络标准。该标准主要考虑无线个人域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。包括无线MAC层和物理层规范。 802.15.3a的目标是提供比802.15.3更高的数据率，主要研究110Mbps以上速率的图像和多媒体数据的传输。（4）IEEE 802.15.4主要针对低速WPAN，把低功耗、低速率、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。典型的就是zigBee技术。注意，低速WPAN常作为WSN的通信标准。具体包括物理层和MAC层两个规范。IEEE 802.15.4定义了里两个物理层标准，分别868/915MHz、2.4GHz的物理层，数据传输率分别为：20kbps/40kbps和250kbps。（5）IEEE 802.15.5定义了WPAN设备能够互操作，稳定和可扩展无线网状网络（mesh 网络）。
接下来，我们看这幅图，对比一下三种无线个域网技术（包括蓝牙，zigbee，超宽带技术）和802.11之间的区别，从传输范围，传输速率的角度对比。非常明显看出，我们三种无线个域网技术的传输范围均明显小于无线局域网，但是传输速率，无线超宽带具有很明显优势。
下面，我们来学习第一个无线个域网技术—蓝牙。首先来了解一下蓝牙技术是什么？ 蓝牙（Bluetooth）是一种替代线缆的短距离无线通信技术，它规定了通用无线传输接口与操作控制软件的公开标准。其主要基于IEEE 802.15.1标准。Bluetooth最早于1998年，由爱立信公司的工程师J.Haartsen博士和S.Mattisson博士开发。Bluetooth采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信，采用时分双工传输方案。
蓝牙由来：蓝牙实际是一位丹麦国王的名字，据说这位国王因为太喜欢吃蓝莓，把牙齿都染成了蓝色，被人称为蓝牙。爱立信选择蓝牙命名这项技术，是希望蓝牙能像这位丹麦国王统一丹麦和挪威一样，统一移动通信世界。
就目前来看，支持Bluetooth的设备越来越多，蓝牙不需任何电缆、不需更改配置、不需进行故障诊断即可建立连接，因此具有很强的移植性，可用于多种通信场合，如WAP（Wireless Application Protocol，无线应用协议）、GSM（Global System of Mobile communication，全球移动通信系统）、DECT（Digital Enhanced Cordless Telecommunications，数字增强无绳通信）等，引入身份识别后Bluetooth可以灵活地实现漫游。
蓝牙的基本性能参数和采用的技术：
（1）蓝牙基本性能参数：1、Bluetooth的传输范围大约为10米左右，具有79个1MHz带宽的信道。由于使用比较高的跳频速率，使蓝牙具有较高的抗干扰能力。在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721kbps。 2、Bluetooth的传输功率范围从1mW到100mW，传输功率大小取决于系统的需求和设计，要达到100mW以上，要求在射频前端加上功率放大器。蓝牙采用GFSK（Gaussian Frequency Shift Keying，高斯频移键控）调制方式，语音的传输采用CVSD（Continuous Variable Slope Delta-Modulation，连续可变斜率增量调制）技术。
（2）跳频技术。① Bluetooth工作的频段是全球通用的ISM频段，频带大约在2.402-2.480GHz。该频段对所有无线电系统免费开放，因此，Bluetooth在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源，例如手机、无绳电话、微波炉等。这使得Bluetooth的传送错误率远远高于实际应用水平，② 采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。Bluetooth采用跳频扩频技术（FHSS），通过伪随机码的调制，使载波工作的中心频率不断跳跃改变，而噪音和干扰信号的中心频率却不会改变。这样，只要收、发信机之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码，就可以达到同步，排除噪音和其它干扰信号。
（3）纠错技术。① 蓝牙技术使用了1/3比例前向纠错码（1/3 FEC）、2/3比例前向纠错码（2/3 FEC）和用于数据的自动请求重传（ARQ，Automatic Repeat Request）三种纠错方案。 ② 1/3 FEC是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3 FEC是一种采用（15，10）的精简海明码表示方法，用于部分分组。纠错码，按照纠错码所占位数的多少，可以分为1/3、2/3比例的前向纠错，很明显纠错码占的比例越多，纠错能力越强，但是频谱效率越低，因为真正用来传输有效数据的比例越少。③ 使用ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无差错后，才向发送端返回确认信息。否则，返回一个错误信息。
（4）安全性 ① Bluetooth的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然跳频技术已经提供了一定的安全保障，但是仍然需要数据链路层和应用层的安全管理。② 在数据链路层中，Bluetooth使用认证、加密和密钥管理等功能进行安全控制。在应用层中，用户可以使用个人标识码（PIN，Personal Identification Number）来进行单双向认证。
蓝牙版本：蓝牙当前包括1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0等多个版本。
其中：
蓝牙1.0版本定义了蓝牙的基本功能，目的是取代现有的计算机、打印机、传真机和移动电话等设备上的有线接口。
蓝牙3.0根据IEEE 802.11适配层协议应用了Wi-Fi技术，极大提高了传输速度。蓝牙 3.0设备将能通过Wi-Fi连接到其它设备进行数据传输。
蓝牙4.0是蓝牙3.0的升级，其最重要的特性是省电，它具备极低的运行和待机功耗。此外，低成本和跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、100米以上超长距离、AES-128加密等也是蓝牙4.0的主要特色。
蓝牙4.1开始全面支持物联网技术（IoT，Internet of Things），在该版本中，蓝牙设备可以同时作为发射方和接收方，并且可以连接到多个设备上。
蓝牙4.2支持基于IPv6协议的低功耗无线个人局域网技术，即6LoWPAN(IPv6 Low-speed wireless Personal Area Network)。
2016年6月，蓝牙技术联盟在华盛顿发布了蓝牙5.0。蓝牙5.0是针对物联网、智能家电、穿戴装置规范所订定的技术规范。蓝牙5.0是当前最新的蓝牙技术标准，其有效传输距离理论上可达300米，传输速度将是为2Mbps。
此外，蓝牙可以按照不同的功率级进行划分。通常蓝牙有3个功率级，分别是Class1、Class2和Class3。Class1的功率电平为100mW（20dBm），Class 1用在大功率远距离的蓝牙设备上，成本高和耗电量大，通常情况下Class 1通信距离可达100米左右。Class2的功率电平为2.5mW（4dBm），有效范围为20m，是蓝牙耳机的常用功率等级。Class3的功率电平为1mW（0dBm），有效范围为10m。
蓝牙协议体系结构：
蓝牙标准由两部分组成：（1）核心规范 –描述了蓝牙协议各层的功能和详细定义，包括无线接口、数据链路控制，以及互操作和其他管理功能.（2）特性规范 -指明了蓝牙技术支持的各种应用。
一、蓝牙的核心协议包括：
1、蓝牙无线电层：是蓝牙技术规范定义中的最底层。虽然不是一个协议，但是定义了蓝牙收发信机设备的需求和操作，发送和接收2.4GHz ISM频段上的射频信号。////描述空中接口，包括调频的使用，调制模式和传输功耗。
2、基带：是蓝牙技术规范的物理层协议，负责管理物理信道，并提供到其他通信服务的链路。
3、链路管理协议（LMP）：负责蓝牙设备之间 链路建立，链路认证，链路配置，以及发现其他蓝牙设备。
4、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）：将上层协议适配到基带（baseband）层，提供有连接和无连接两种服务。
5、服务发现协议（service discovery protocol,SDP）：当便携设备进入或退出彼此服务范围时，蓝牙需要SDP来识别和管理便携设备上的可用服务。
二、电缆替代协议：RFCOMM；是蓝牙规范定义的线缆替代协议。建立一个虚拟串口，通过它可以使用标准串口协议进行PF通信。
三、电话传送控制协议：二进制电话控制协议 （TCS-BIN）用于在蓝牙设备之间建立语音和数据链路的面向比特的昔人已； AT命令集电话控制协议控制多用户模式下移动电话和调制解调器的AT命令集。
四、选用协议：由其他协议组织定义，融合到蓝牙协议体系中。比如，点对点协议PPP，是互联网标准协议，支持点对点链路上IP数据包传输）、UDP/TCP/IP（TCP/IP协议栈的基础协议，为了与互联网相连接的设备进行通信）、对象交换协议（OBEX）、无线应用协议（WAP，是一个安全协议，使用户能在无线设备上显示网络信息）、vCard、vCal、IrMC、WAE。
总结：绝大部分蓝牙设备都需要核心协议（加上无线部分），而其他协议则根据应用的需要而定。总之，电缆替代协议、电话控制协议、和被接纳的协议，在核心协议基础上构成了面向应用的协议。
蓝牙网络的拓扑结构：（1）蓝牙采用一种灵活的无基站组网方式，使得一个蓝牙设备可与其它7个蓝牙设备相连接。蓝牙系统的网络结构的拓扑结构有微微网（Piconet）和散射网（Scatternet）2种形式。
（1）微微网：微微网是通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，微微网（Piconet）由一个主设备（Master）和若干个从设备（Slave）组成，且从设备最多为7台。从设备之间不能直接通信，从设备只能和主设备之间通信，且仅能在主设备授权的时间片内限时通信。
蓝牙采用Ad Hoc组网方式，如图8-5所示是一个微微网的基本结构。其中主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列（确定信道），从设备单元一般是受控同步的设备单元，受主设备单元控制。
2.散射网：一个微微网最多只能有7个从设备同时处于通信状态。为了能容纳更多的装置，并且扩大网络通信范围，多个微微网互连在一起，就构成了蓝牙自组织网，即散射网（Scatternet），如图8-6。 一个微微网中的设备可以作为另一个微微网中的主设备或从属设备存在。
ZigBee技术与蓝牙区别： 讲ZigBee之前，我们首先简单对比下 Zigbee和蓝牙的区别。和蓝牙相比，（1 ）zigbee技术可容纳的网络节点比蓝牙多的多，最多可以容纳65535个，而蓝牙最多只能有7个从设备，（2）ZigBee的功耗比蓝牙低很多，（3）应用范围不同，zigbee主要应用于各类数据采集当中，特别是各类传感器当中，蓝牙主要用于消费级的电子产品之间的语音和文件传输。这是他们的区别。
Zigbee技术：是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低功耗的无线网络技术。Zigbee的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。关于Zigbee的详细信息可以登录其官方站点“http：//www.Zigbee.org/”查询。Zigbee具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全、工作频段灵活等诸多优点，它的发展空间仍具有相当大的潜力。
Zigbee名称的来源：紫蜂协议，来自蜜蜂的8字舞。蜜蜂 (Bee) 是靠飞翔和“嗡嗡”(zig) 地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。
ZigBee技术的特点：Zigbee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点：
（1）低功耗：待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月。
（2）低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。
（3）低速率：ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
（4）近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
（5）短时延：ZigBee的响应速度快，从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。而蓝牙需要3～10s，WiFi 需要3 s。
（6）高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
（7）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
（8）免执照频段：使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国), 868MHz(欧洲), 2.4GHz(全球) 。
第11讲 （无线个域网2）
大家好，上节课我们重点讲了无线个域网里面的蓝牙技术，并最后让大家比较了蓝牙技术和wifi的区别，今天我会简单介绍另外几种无线个域网中的技术，包括ZigBee，红外通信，家庭射频，传宽带，以及无线USB，需要掌握他们的应用场景和特点。
首先来讲大家生活中经常接触到ZigBee技术。相比wifi和蓝牙，Zigbee的传输速率是最低的，当然它所需要的能量消耗以及费用、技术复杂度方面也是最低的，传输距离是10米-100米，这个距离就非常适合在工业控制上。而蓝牙技术，的传输距离，对于工业控制来说太短，而wifi技术对于工业控制来说太贵，另外wifi的传输速率快，在很多工业控制上，显得大材小用。
Zigbee的网络拓扑：如图8-7所示是一个Zigbee无线网络的基本拓扑结构。Zigbee无线网络中一般包含基站、中继站和终端三种类型的设备。Zigbee基站用户实现信息数据的发送和接受。Zigbee中继站用于实现无线信号的远距离中继过程。中继站可以直接连接到Zigbee终端。它是连接Zigbee基站和Zigbee终端之间的桥梁设备。
Zigbee的网络设备：在Zigbee网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为：网络协调器（NC，Network Coordinator），全能设备（FFD，Full Function Device），精简功能设备（RFD，Reduced Function Device）。
（1）网络协调器：就是网络的中心节点。在一个网络中有且只能有一个协调器，它在网络中起了网络搭建和网络维护的功能，是整个网络的中心枢纽，是等级最高的父节点。
（2）全功能设备FFD：也就是网络中的路由器或中继。在网络中可以充当父节点，也可以充当子节点，有信息转发和辅助协调器维护网络的功能。
（3）精简功能设备RFD：也就是网络中的终端节点，是子节点设备，只能与其父节点进行通信，如果两个终端之间需要进行通信时，必须经过父节点进行多跳或者单跳通信。是网络中数量最多的节点，也是低功耗的网络设备。
ZigBee的网络拓扑：Zigbee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其它节点、路由查找以及传送数据等功能。Zigbee网络根据应用的需要可以组成星型网络、网状网络和簇状网络三种拓扑结构。
（1）星型拓扑： 最简单的一种拓扑形式，他包含一个协调者节点和一系列的终端节点。每一个终端节点只能和协调者节点进行通讯。如果需要在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调者节点进行信息的转发。 看这个图中，紫色的就是中心节点，一个网络只有一个，深蓝色的是全功能节点，也就是路由器，浅蓝色就是精简功能节点，也就是终端节点。
（2）簇状拓扑：簇状网络结构中实现的是多个设备构建的树形结构。树形拓扑中包括一个协调器以及一系列的路由器和终端节点。协调器连接一系列的路由器和终端，他的子节点的路由器也可以连接一系列的路由器和终端. 这样可以重复多个层级。
（3）网状拓扑：网状拓扑包含一个协调器和一系列的路由器和终端。这种网络拓扑形式和树形拓扑相同；但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味这一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。
总结：簇状网络和网状网络都可以扩展网路范围。而相比于簇状网络，mesh网络有一个好处是，每个节点有多个邻居节点，如果某一个节点失效，依旧可以保证网络的连通性。
ZigBee和IEEE802.15.4区别：前面我们一直在混用的一个概念就是802.15.4和ZIgBee，两者实际是有区别的，区别是ZigBee在802.15.4的基础上进一步定义了网络层，应用支持子层，以及应用层的入口地址，类似于端口号，在zigbee种一个设备最多允许240个应用。
ZigBee物理信道：ZigBee工作在ISM频段上,我们前面已经多次讲过，ISM频段是无需申请的公共频段，大量的无线设备采用这个频段，如：无线wifi网（802.11）蓝牙，2.4G无线通讯等，为了避免相互干扰，在同一区域内，应避免选择同频的其他无线通信技术。部分zigbee模块生产厂商，为避免同频干扰，增加了扩展频段。因此需要注意，如果在通信范围内存在其他2.4GHz无线通信技术，应考虑选择具有扩展频段的zigbee模块。
下面，对着PPT图片，介绍几种ZigBee的应用场景。
IrDA：Infrared data association，是红外线数据标准。（1）红外技术是一种利用红外线进行点对点直线通信的技术。红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光。由于波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通信的场合，进行点对点的直线数据传输。（2）红外线的应用极其广泛，可以应用于医学、生物学、电子、通信等各个行业，最典型的应用就是遥控器。（3）使用红外线优点：成本低、传播范围和方向激励可以控制、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等。
当前红外数据通信有如下3个标准： （1）IrDA1.0—— SIR（Serial InfraRed），串行红外协议，它是一种异步半双工红外通信方式，最高通信速率只有115.2Kbps。（2）IrDA1.1—Fast InfraRed，简称为FIR，快速红外协议。FIR最高通信速率可达到4Mbps，支持SIR低速通信，也支持FIR。（3）VFIR——（Very Fast Infrared），通信速率高达16Mbps，作为IrDA1.1标准补充。
IrDA技术的软件和硬件技术都已经比较成熟，主要的技术优势如下：（1）无需专门申请特定频率的使用执照。（2）具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。（3）传输速率已经从4Mbps上升为16Mbps。在接收的角度方面，也由传统的30°扩展到120°。由于采用点到点的连接，因此数据传输所受的干扰较少。
Home RF：即家庭射频，是由HomeRF工作组开发的开放性行业标准，目的是在家庭范围内，使计算机与其它电子设备之间实现无线通信。（1）HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进，基于共享无线接入协议（Shared Wireless Access Protocol，SWAP）。（2）在进行数据通信时它采用IEEE 802.11的CSMA/CA，CSMA/CA适合于传送高速分组数据。（3）特点是安全可靠、成本低廉、简单易行。
超宽带技术：（UWB，Ultra Wideband）是一种低耗电的高速无线个域网通信技术，适合需要高质量服务的无线通信应用。比如在无线个域网中实现：快速传输照片、文件、视频等，实现掌上电脑、手机、PC、外设间数据同步、装载游戏、音视频文件快速传输。
（1）什么样的带宽才称为超宽带，这里有一个判定标准，只要一个信号在-10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，就是超宽带信号。
（2）根据这个公式可以看出，一个信号是否是UWB信号跟中心频率有很大关系。若信号A与信号B带宽相同，但A的中心频率远高于B的中心频率，则A的分数带宽很小，A就不属于UWB信号。
UWB的两个技术标准：在IEEE系列标准中，有两个标准是与UWB技术相关的，分别是IEEE 802.15.3（高速UWB）和IEEE 802.15.4（低速UWB）。近年来，高速UWB IEEE 802.15.3a技术受到了人们广泛的关注
UWB技术的特点：信道容量大 、共存性能好、衰落较少、定位精确、保密性、低成本和低功耗
WUSB（The Wireless Universal Serial Bus）：即无线USB，它是一种高带宽的短距离无线通信技术。Wireless无线传输技术是基于超宽带（Ultra-WideBand）的无线广播技术。（1）它能在3米内以480Mbps进行传输，能在10米内以110Mbps进行传输，工作频率在3.1GHz至10.6GHz之间。（2）继承了传统有线USB 2.0标准所具有的高速率优势，同时免除了有线USB需要线缆连接所带来的麻烦。（3）无线USB促进组织（Wireless USB Promoter Group）是无线USB标准的制定机构。所制定的无线USB标准只涉及到较高层次协议规范的制定。（4）物理层和MAC层则采用UWB无线标准。（5）无线USB技术应用：用无线取代有线接口，实现数字家庭，比如个人电脑 无线连接打印机/鼠标/键盘/扫描仪/移动硬盘/DV等。
接下来，对着PPT图片，简单介绍一下无线个域网的应用实例。
本章小节：本章主要介绍常见的无线个域网的技术，主要内容包括无线个域网的基本概念，IEEE 802.15标准及IEEE 802.15.4协议体系。蓝牙技术的版本，协议体系结构，蓝牙的拓扑结构，蓝牙的工作模式和相关设备。Zigbee的协议结构，Zigbee的网络拓扑及逻辑设备，Zigbee的技术特点。6LoWPAN的基本网络结构，6LoWPAN的协议栈。IrDA和HomeRF，超宽带UWB技术，WUSB等。最后介绍基于蓝牙的无线个域网组网过程。通过本章学习，要求读者掌握无线个域网的基本概念，掌握蓝牙的协议体系结构及其组网模式和组网过程，掌握Zigbee技术的相关工作原理及特点。了解IrDA和HomeRF，超宽带UWB技术，WUSB等相关的无线个域网通信技术。
蓝牙官网. https://www.bluetooth.com
第12-13讲 （学生分组讨论报告）
要求：全体学生都要参与，每组7-8名学生，每组选一个话题，分工查阅资料并准备PPT汇报，查阅的资料中要有最近两年的英文文献；每组汇报时长在15-20分钟之间；提交小组讨论记录、PPT等资料。
讨论话题如下：
IEEE 802.11ax (wifi 6)标准的技术特点
HiperLan无线局域网技术，重点介绍HiperLan2的协议栈结构和特点等内容
蜂窝移动通信网，重点介绍5G技术和6G技术。
4、对比无线局域网、无线城域网和无线广域网技术的区别。
5、蓝牙技术
6、Zigbee技术
7、超宽带技术UWB
8、无线网络安全