第4章网络层技术

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1、物联网工程技术第4章 网络层技术,武汉理工大学物联网工程系 2011.9,第4章 网络层技术,4.1 WiFi技术 4.2 无线Mesh网络 4.3 电力线通信技术,4.1 WiFi技术,4.1.1 WiFi简介 Wi-Fi全称Wireless Fidelity（无线保真，又称IEEE 802.11b标准）是由一个名为“无线以太网相容联盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA）的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”，是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所持有。 Wi-Fi是一种短程无线传

2、输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号，是一种可以将个人计算机、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。随著技术的发展，以及IEEE 802.11a及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11这个标准已被统称作Wi-Fi。 常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wi-Fi连接方式进行连网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为“热点”。,4.1.2 WiFi协议,1. IEEE 802.11系列协议 作为全球公认的局域网权威，IEEE 802工作组建立的标准在局域网领域内独领

3、风骚，这些协议包括了802.3以太网协议、802.5令牌环协议、802.3z快速以太网协议。在1997年，经过了7年的工作以后，IEEE发布了802.11协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。 IEEE 802.11定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以自由直接（ad hoc）的方式进行，也可以在基站（Base Station，BS）或者访问点（Access Point，AP）的协调下进行。 系列协议主要有： 802.11a，

4、 802.11b， 802.11e， 802.11g， 802.11h， 802.11i， 802.11n， 802.11p， 802.11s。,4.1.2 WiFi协议,2. IEEE 802.11的分层结构 802.11定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常是通过一台PC机器加上一块无线网络接口卡构成的，另一个称为无线接入点(Access Point)，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。 (1)802.11物理层 在802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范。 扩散频谱技术保证了802.11的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐量，这项技术还可802.

5、11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS（Frequency hopping spread spectrum，跳频扩频）和DSSS（Direct sequence spread spectrum，直接序列扩频）技术，FHSS和DSSS技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术的设备没有互操作性。以保证同其他使用同一频段的设备不互相影响。,4.1.2 WiFi协议,2. IEEE 802.11的分层结构 (2)802.11b的增强物理层 目前广泛应用的WiFi技术就是指802.11b技术，802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协议的物理

6、层增加了两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为了实现这个目标，DSSS被选作该标准的唯一的物理层传输技术，这个决定使得802.11b可以和802.11DSSS系统互操作。 最初802.11的DSSS标准使用11位的chipping-Barker序列-来将数据编码并发送，每一个11位的chipping代表一个一位的数字信号1或者0，这个序列被转化成波形（称为一个Symbol），然后在空气中传播，这些Symbol以1MSps的速度进行传送，传送的机制称为BPSK（Binary Phase Shifting Keying，二进制相移键控）。,4.1.2 WiFi协议,2. IEEE 802.

7、11的分层结构 (2)802.11b的增强物理层 在2Mbps的传送速率中，使用了一种更加复杂的传送方式称为QPSK（Quadrature Phase Shifting Keying，正交相移键控），QPSK中的数据传输率是BPSK的两倍，以此提高无线传输的带宽。 802.11b标准抛弃了原有的11位Barker序列技术，采用了CCK（Complementary Code Keying，补码键控）技术。 5.5Mbps使用CCK串来携带4位的数字信息，11Mbps的速率使用CCK串来携带8位的数字信息。两个速率的传送都利用QPSK作为调制的手段，不过信号的调制速率为1.375MSps，这也是8

8、02.11b获得高速的机理。 为了支持在有噪音的环境下能够获得较好的传输速率，802.11b采用了动态速率调节技术，允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构 (3)802.11n物理层 MIMO MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）是802.11n物理层的核心技术，指的是一个系统采用多个天线进行无线信号的收发。 MIMO主要有下面两个优点： 提高吞吐：通过多条通道，并发传递多条空间流，可以成倍提高系统吞吐量。 提高无线链路的健壮性和改善SNR(信噪比)。 MI

9、MO-OFDM OFDM(正交频分复用)调制技术是将一个物理信道划分为多个子载体(sub-carrier)，将高速率的数据流调制成多个较低速率的子数据流，通过这些子载体进行通信，从而减少ISI机会，提高物理层吞吐。到了802.11n时代，OFDM将MIMO支持的子载体从52个提高到56个。所以802.11n MIMO将物理速率从传统的54Mbps提高到了58.5 Mbps（即54乘52除以48）。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构 (3)802.11n物理层 FEC(Forward Error Correction) 按照无线通信的基本原理，为了使信息适合在无线信

10、道这样不可靠的媒介中传递，发射端将把信息进行编码并携带冗余信息，以提高系统的纠错能力，使接收端能够恢复原始信息。802.11n所采用的QAM-64的编码机制可以将编码率（有效信息和整个编码的比率）从3/4 提高到5/6。所以，对于一条空间流，在MIMO-OFDM基础之上，物理速率从58.5提高到了65Mbps（即58.5乘5/6除以3/4）。 Short Guard Interval(GI) 由于多径效应的影响，信息符号(Information Symbol)将通过多条路径传递，可能会发生彼此碰撞，导致ISI干扰。为此，802.11a/g标准要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号之间存在80

11、0 ns的时间间隔，这个间隔被称为GI。802.11n仍然默认使用800 ns GI。当多径效应不是很严重时，用户可以将该间隔配置为400，对于一条空间流，可以将吞吐提高近10，即从65Mbps提高到72.2 Mbps。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构 (3)802.11n物理层 40MHz绑定技术 对于无线技术，提高所用频谱的宽度，可以最为直接地提高吞吐。传统802.11a/g使用的频宽是20MHz，而802.11n支持将相邻两个频宽绑定为40MHz来使用，所以可以最直接地提高吞吐。 MCS(Modulation Coding Scheme) 在802.11a

12、/b/g时代，配置AP工作的速率非常简单，只要指定特定radio类型(802.11a/b/g)所使用的速率集，速率范围从1Mbps到54Mbps，一共有12种可能的物理速率。 到了802.11n时代，由于物理速率依赖于调制方法、编码率、空间流数量、是否40MHz绑定等多个因素。这些影响吞吐的因素组合在一起，将产生非常多的物理速率供选择使用。对于AP，MCS普遍支持的范围为015。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构 (3)802.11n物理层 MRC(Maximal-Ratio Combining) MRC和吞吐提高没有任何关系，它的目的是改善接收端的信号质量。 基

13、本原理是：对于来自发射端的同一个信号，由于在接收端使用多天线接收，那么这个信号将经过多条路径（多个天线）被接收端所接收。多个路径质量同时差的几率非常小，一般地，总有一条路径的信号较好。那么在接收端可以使用某种算法，对这些各接收路径上的信号进行加权汇总（显然，信号最好的路径分配最高的权重），实现接收端的信号改善。当多条路径上信号都不太好时，仍然通过MRC技术获得较好的接收信号。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构 (4)802.11的MAC技术 802.11的MAC虽然与802.3协议的MAC非常相似，都是采用共享媒体以支持多个用户的通信，但802.11的MAC并没有

14、直接采用802.3的CSMA/CD协议。而采用了新的协议CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，带冲突避免的载波侦听多路访问）或者DCF（Distributed Coordination Function，分布式协调功能）。这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。 CSMA/CA利用ACK（确认）信号来避免冲突的发生。 802.11在MAC层上引入了一个新的RTS/CTS(Request/Clear to Send)选项，当这个选项打开后，一个发送工作站

15、传送一个RTS信号，随后等待访问接入点回送RTS信号。它解决了无线MAC层的“隐藏节点”问题。 802.11MAC子层提供了另外两个强大的功能：CRC校验和包分片。包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构 (4)802.11的MAC技术 MAC帧结构（如下图所示）： 帧头：包括了帧控制域、持续时间/ID域、地址域以及顺序控制域； 数据：来自上层的被封装的数据，字节长度02132不等； 帧校验域：32位循环冗余校验。,4.1.2 W

16、iFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构 (5)802.11n的MAC技术 帧聚合 帧聚合技术包含针对MSDU（MAC服务数据单元）的聚合（A-MSDU）和针对MPDU的聚合（A-MPDU）。 A-MSDU技术是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷，这里的MSDU可以认为是Ethernet报文。通常，当AP或无线客户端从协议栈收到报文（MSDU）时，会打上Ethernet报文头，称作A-MSDU Subframe，在通过射频口发送出去前，需要将其转换成802.11报文格式。而A-MDSU技术旨在将若干个A-MSDU Subframe聚合到一起，并封装为一个802.11报文进行发送，减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。,4.1.2 WiFi协议,2.IEEE 802.11的分层结构 (5)802.11n的MAC技术 帧聚合 与A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，这里的MPDU是指经过802.11封装过的数据帧。通过一次性发送若干个MPDU，减少了发送每个802.11报文所需的PLCP Preamble，PLCP