无线传感器网络技术原理及应用ppt课件 第9章.ppt
,第9章 WIFI 技 术,9.1 WIFI技术概述9.2 WIFI协议架构9.3 WIFI技术应用小结,本章目标了解WIFI技术及其标准。了解WIFI技术协议架构。了解WIFI技术应用。,学习导航,目前国内外的无线传感器网络所使用的无线通信技术大多采用Zigbee技术。但是针对于需要高速率传输的无线传感器网络，选择Zigbee技术并不是最佳的选择，而WIFI技术正好可以弥补Zigbee传输速率低的缺点。WIFI全称为Wireless Fidelity，又称IEEE802.11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11 Mb/s，另外有效距离也较长，与已有的各种IEEE802.11DSSS设备兼容。本章介绍WIFI技术的技术标准、组网方式及协议架构。,9.1 WIFI技术概述,9.1.1 概述WIFI即无线保真技术或无线相容性认证，是一种无线局域网传输的技术与规格，即IEEE所定义的无线通信标准IEEE802.11。无线局域网是有线局域网的扩展和替换，是在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。IEEE802.11标准发表于1997年，其中定义了介质访问控制层和物理层，随后，IEEE又发布了一些补充协议，包括物理层的补充协议802.11a/b/g和其他一些服务相关协议。总之，WIFI属于短距离无线技术，使用2.4G附近的频段，覆盖范围可达到几百米，多用于家庭和办公无线接入场合。,WIFI技术具有如下特点：无线电波的覆盖范围广。WIFI覆盖范围半径可达到100 m左右，可以在普通大楼中使用。WIFI传输速度快，可以达到11 Mb/s，但是传输的无线通信质量和传输的安全性能不是很好。厂商进入该领域的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店等公共场所设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。无需布线。WIFI最主要的优势在于无需布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。,9.1.2 IEEE802.11 WLAN标准IEEE WLAN标准开始于20世纪80年代中期，它是由美国联邦通信委员会(FCC)为工业、科研和医学频段的公共应用提供授权而产生。这项政策使各大公司和终端用户不需要获得FCC许可证，就可以应用无线产品，促进了WLAN技术的发展和应用。WLAN标准的第一个版本发表于1997年，即IEEE802.11，定义了介质访问控制层(MAC)和物理层。最初的版本主要用于办公室局域网和校园网，用户和用户终端的无线接入业务主要限于数据存取，速率最高达到2 Mb/s。,由于802.11在速率和传输距离上都不能满足需要，1999年，IEEE小组又相继推出两个补充版本：802.11a和802.11b。802.11a定义了一个在5GHz的ISM频段上，数据传输速率可达到54Mbit/s的物理层；802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上，但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层，成为第一个在WIFI标准下将产品推向市场的标准。1999年，工业界成立了WIFI联盟，致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。2003年6月，IEEE 802.11g规范正式批准，物理层速率提高到54 Mb/s，并提高了与IEEE802.11b设备在2.4GHz ISM频段的公用能力。,所示为IEEE802.11标准的发展，对各种版本的安全、局部灵活性，网状网络、高层数据传输速率性能改进等主要特性进行简要分析。,表9-1 IEEE802.11标准家族,续表,9.1.3 组网方式WIFI连接点的网络成员和结构如下：基本服务单元：网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成，站点可以动态地连接到基本服务单元中。分配系统：用于连接不同的基本服务单元。分配系统使用的媒介逻辑上和基本服务单元相同，但使用的媒介是截然分开的，尽管物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。,站点：网络最基本的组成部分，指任何采用IEEE802.11 MAC层和物理层协议的设备。接入点：在一组站点和分布式系统之间提供接口的站点。接入点既有普通站点身份，又有接入到分配系统的功能。扩展服务单元：由分配系统和基本服务单元组合而成。这种组合是逻辑上的组合。不同的基本服务单元有可能在地理位置上相距较远。分配系统也可以使用各种各样的技术。,IEEE802.11只负责在站点使用的无线的媒介上寻址。分配系统和其他局域网的寻址不属于无线局域网的范围。IEEE802.11标准定义了两种基本服务单元：Ad hoc模式和固定模式。,图9-1 Ad hoc模式拓扑结构,1. Ad hoc模式若两个或两个以上的IEEE802.11站点直接相互通信而不依靠接入点或有线网络，则形成Ad hoc网络。Ad hoc模式也称为对等模式，允许一组具有无线功能的计算机或移动设备之间为数据共享而迅速建立起无线连接，如图9-1所示。Ad hoc模式中的基本业务区称为独立基本业务区，在同一独立基本业务区下所有站点广播相同的信标帧，使用随机生成的基本服务组ID。,2. 固定模式固定模式为站点与接入通信取代站点间直接通信。例如：家庭WLAN有一个接入点及多个通过以太网集成器或交换机连接的有线设备，如图9-2所示。,图9-2 固定结构模式拓扑结构,每个移动设备既是普通的站点，又是接入点。在基本服务组内站点间通过接入点实现通信，即使两个站点位于相同的单元中。在简单的网络中，采用这种在单元内先从发送站点到接入点、再从接入点到目的站点的通信方式似乎是没必要的，但当接收站处于待机模式、临时不在通信范围内以及切断时，接入点可以缓存数据。这是基本服务组和独立基本服务组相比优势所在。在固定结构模式中接入点还可以承担广播信标帧的任务。,接入点连接到分布式系统，分布式系统通常是有线网络，接入点也可以作为连接到其他无线网络单元的无线网桥，此时，含有一个接入点的单元即为一个基本服务组。在一个局域网中的两个或多个这样的单元构成了扩展业务组。,IEEE802.11标准规范定义了一个通用的媒体访问层(MAC)，提供了支持基于802.11无线网络操作的多种功能。9.2.1 802.11规范,9.2 WIFI协议架构,图9-3 IEEE802.11逻辑结构,IEEE802.11标准规范逻辑结构包括了无线局域网的物理层和媒体访问控制层(MAC)。逻辑链路控制层(LLC)由IEEE802.2规范定义，也用于以太网IEEE802.3中。逻辑链路控制层为网络层和高层协议提供链路，如图9-3所示。每个IEEE802.11站点都由MAC层实现，通过MAC层站点可以建立网络或接入已存在的网络，并传送给逻辑链路控制层数据。以上使用了两种服务：站点服务和分布式系统服务，并通过通信站点MAC层之间的各种管理、控制、数据帧的传输来实现站点服务和系统服务。在使用站点服务和系统服务之前，MAC首先需要接入到基本服务组内的无线传输媒体，同时多站点也竞争加入接入传输媒体。,9.2.2 无线媒体接入由于无线电收发信机不能在既发送又接收的同时还监听其他站点的发射，所以无线网络站点无法检测到自己的发射和其他站点发射的冲突，导致了无线网络中多个发射站点的共享媒体接入的实现比有线网络复杂。IEEE802.11标准定义了一些MAC层协调功能来调节多个站点的媒体接入，可选择点协调功能和分布式协调功能两种模式。点协调功能可以在时间要求严格的情况下为站点提供无竞争的媒体接入。,分布式协调功能可对基于接入竞争采取带有冲突避免的载波检测多路访问(CSMA/CA)机制。这两种模式可以在时间上交替使用，即一个点协调功能的无竞争周期后面紧跟一个分布式协调的竞争周期。分布式协调功能使用的媒体接入方法是载波监听/冲突避免(CSMA/CA)，如图9-4所示。,图9-4 IEEE802.11 CSMA/CA,在这种方式下，要发送数据的站点首先检测信道是否繁忙，如果信道正在被使用就继续检测信道，直至信道空闲。一旦信道空闲，站点就再等一个设定的时间即分布式帧间间隙(对于IEEE802.11b网络，这个时间为50 s)，如果站点在分布式帧间间隙结束前没有监听到其他站点发送数据，首先应将时间分为多个时隙单元，然后选择一个以时隙为单元的随机退避时间，继续检测信道。,CSMA/CA是一种简单的媒体接入协议，由于发送数据包的同时不能检测到信道上有无冲突，因而只能尽量避免冲突。当存在干扰时，站点会不停地退避来避免或等待信道空闲，网络的吞吐量会严重下降，也没有服务质量的保证。因为所有的站点都要竞争接入，所以CSMA/CA是基于竞争的协议。,9.2.3 物理层1997年完成并公布的IEEE802.11标准的最初版本支持3种可选的物理层：调频序列扩频、直接序列扩频和红外物理层。这三种物理层支持的数据速率为1 Mb/s和2 Mb/s。调频序列扩频：规定了2.44 GHz为中心、间隔为1 MHz的78个调频信道，这些调频信道26个为一组，被分成3组，最大跳跃速率为2.5跳/s，由物理层管理子层决定选用哪一组。调频序列扩频采用两级和四级高斯频移键控(GFSK)，分别实现速率1 Mb/s和2 Mb/s。,直接序列扩频(工作在2.4 G)：将工作的频段分为11个信道，信道相互覆盖且频率间隔是5 MHz。直接序列扩频序列采用差分二进制相移键控和四相差分键控，分别实现数据速率1 Mb/s和2 Mb/s。红外物理层：规定工作波长为800900 nm，与IrDA的红外线收发器阵列不同，红外物理层采用漫射的传播模式。通过天花板反射红外线波束实现站点之间的连接，根据天花板的高度不同，连接范围大概为1020 m。红外物理层采用16-PPM和4-PPM脉冲调制(PPM)，分别实现数据速率1 Mb/s和2 Mb/s。,IEEE802.11标准的物理层标准主要有IEEE802.11b、IEEE802.11a和IEEE802.11g，这些标准分别定义了不同的物理层传输方式、调制方式。IEEE802.11标准的扩充版本集中在IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g和IEEE802.11n。,无线局域网的应用范围广泛，室内应用包括大型办公室、车间、酒店宾馆、智能仓库等；室外应用包括城市建筑物群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化等。下面介绍几种典型的行业引用。,9.3 WIFI技术应用,1. 交通运输交通运输行业的重要特征之一就是流动性，包括行业中的承运管理方、承运的工具、流动的货物、流动的旅客等。迅速流动的特征及对象是无线网络产品主要针对的市场，因为无线网络解决方案具有构建迅速、使用自由的重要特征，这些特征是任何基于线缆的网络产品无法比拟的。例如在空旷的码头、机场等场合，利用无线网络产品可以在不依赖环境的情况下构建局域网络。无线网络不仅可以用于交通运输行业的生产和管理，而且还可以为网络时代的交通运输环境提供信息增值服务。在交通运输行业，无线网络产品至少可以在以下的应用中体现出其特点：,实时远程交通报告分析。车队指挥及控制，用于城市公交、学校班车、租车服务、机场车辆服务。无线安全监控，包括码头、航道、道路和机场。具有空间自由的停车管理系统。航空行李及货物控制。实时旅客信息发布。移动售票服务。机场旅客Internet访问无线接入服务。,2. 医疗行业无线网络产品的自由和便捷是对医疗行业最具有吸引力的特点。任何密集的网络线缆都无法满足医疗行业环境及业务特征的需求，突发、移动、清洁、便利等特性是用于医疗行业的计算机网络必须具有的性能。但是直到无线网络产品的出现，并没有一种性能价格比优秀的网络组网方案能够满足医疗卫生行业的需求。摆脱了网络线揽束缚的无线网络产品为医疗卫生行业的应用提供了较好的解决方案，具体表现如下：,病房看护监控。生理支持系统及监护。支持系统供给及资源管理。急救系统监控。灾情救援支持。,3. 教育行业教育行业是多媒体网络技术应用的一个较大的场合。从幼儿园到高等学校，校园网络已经成为大多数校园的必要设施。无论对于一个已经拥有宽带的校园网络，或者是一个还未建设校园网络的教育单位，无线网络技术是一个可以发挥优势的新事物。利用无线网络技术和产品，可以迅速建立校园网络，以满足学生和教师的任意联网需要。对于较为完善的校园信息系统，通过无线网络可以使得访问网上教育资源变得自由和轻松，无论在教室、宿舍、学术交流中心，甚至是草坪，无线网络都将覆盖校园的任何地方。在教育行业，WIFI技术具有如下典型的应用：,迅速建立小型或中型的校区网络，投资较少。为已建成的校园网络增加网络覆盖面，使网络覆盖整个校区。学生宿舍网络接入系统。校园活动需要的临时性网络，如招生活动、学术交流中心。任意地点访问教育网络资源，包括教室、会议中心，甚至户外。,通过本章的学习，学生应该掌握：WIFI即无线保真技术或无线相容性认证，是一种无线局域网传输的技术与规格。IEEE802.11标准规范定义了一个通用的媒体访问层(MAC)，提供了支持基于802.11无线网络操作的多种功能。,小结,
