1.2 无线网络技术

随着个人计算机与局域网的应用日趋广泛，人们渐渐觉得台式计算机与笔记本计算机以固定方式接入互联网不够方便，为了满足用户在移动状态下随时随地访问互联网的需求，无线网络与无线接入技术的研究成为热点，无线广域网、无线城域网、无线局域网与无线个人区域网、无线人体区域网技术与标准逐渐成熟，并进入实用阶段。

1.2.1 无线网络的分类

无线网络的分类如图1-3所示。

可以从传输方式、网络拓扑、网络接口、覆盖范围4个方面来认识无线网络。

1.传输方式

传输方式涉及无线网络采用的载波类型、频段与调制方式。目前，无线网络主要采用无线频段与红外频段。调制方式可以进一步分为扩展频谱方式、窄带调制方式与红外方式。

采用扩展频谱方式的无线网络一般选择ISM频段，如跳频扩频（FHSS）与直接序列扩频（DSSS）。在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展，而是将基带信号的频谱直接调制在载波上并发射出去。由于红外传输技术在视距范围内传输，不易受干扰，因此在近年得到了很大的发展，目前的智能家电控制几乎全部使用红外方式传输。在以上三种传输方式中，扩展频谱方式与红外方式不需要申请频段，而窄带调制方式需要向国家无线电管理委员会申请频段。

2.网络拓扑

无线网络的网络拓扑分为两类：有中心结构（Hub-Based）与对等结构（Peer-to-Peer）的无线网络。例如，在IEEE 802.11标准中，WLAN方式需要设置基站（即AP），移动终端采用“一跳”与“竞争”方式通过AP接入网络；而Ad hoc方式采用“对等”与“多跳”方式，以自组织方式构成移动的无线网络。

3.网络接口

无线网络中的节点接入可以选择在物理层或数据链路层（即MAC层）接入。物理层接入是用无线信道代替有线网络中的有线信道。数据链路层接入采用适合无线信道的MAC访问控制协议。数据链路层以上的网络层、传输层与应用层协议可基本保持不变或只做局部调整。

4.覆盖范围

根据覆盖范围的不同，无线网络可以分为：

· 无线广域网（Wireless Wide Area Network，WWAN）。

· 无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）。

· 无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）。

· 无线个人区域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）。

· 无线人体区域网（Wireless Body Area Network，WBAN）。

图1-4给出了不同无线网络对应的协议标准。

图1-5给出了各种无线网络技术的比较，包括各种无线网络的覆盖范围、带宽及主要的协议标准。

网络运营商通过采用各种无线网络技术，可以组成覆盖全球、随时随地为用户提供通信与接入互联网服务的移动互联网。

1.2.2 无线网络技术的研究

1.无线广域网

无线广域网主要包括两类技术：卫星通信网与移动通信网。

（1）卫星通信网

从计算机网络发展历史的讨论中可以看出，20世纪70年代初与ARPANET同期研究的无线分组网PRNET与分组卫星网SATNET实际上都属于早期的无线广域网。

由于卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽大、可进行多址通信与移动通信的优点，因此它在最近30多年得到了快速发展，并成为现代主要的通信手段之一。

商用通信卫星一般被发射到赤道上方36000km的同步轨道上。这就意味着，当地球自转时，同步卫星也以一个适当的速度沿地球自转方向绕轨道运行，地球与卫星之间可以保持相对静止。三颗这样的卫星均匀沿轨道分布，就可以覆盖整个地球表面。

20世纪90年代初，随着小卫星技术的飞速发展，出现了中、低轨道卫星移动通信的新方法。中、低轨道卫星不是同步卫星，它作为陆地移动通信系统的补充和扩展，能够与地面公用通信网有机结合，从而实现全球个人移动通信。通过低轨道卫星移动通信系统实现通信的优点是：卫星轨道高度低可以缩短传输延迟，多个卫星组成的星座可以真正覆盖全球。卫星移动通信系统将形成一个空间的通信子网，实现物理层、数据链路层与网络层的功能。当时，提出低轨道卫星方案的公司主要有8家，其中代表性的低轨道卫星移动通信系统主要有Iridium、Globalstar、Arics、Leo-Set、Coscon、Teledesic等。

Iridium系统是美国Motorola公司提出的一种利用低轨道卫星群实现全球卫星移动通信系统的建设计划，耗资约34亿美元。该系统由66颗小型智能卫星组成，这些卫星均匀有序地分布在离地面785km上空的6个轨道平面上。每颗卫星可以提供48个点波束，每个波束包含80个信道，共有3840个全双工信道。每颗卫星投射的多波束在地球表面上形成48个蜂窝区，每个蜂窝区的直径约为667km，总覆盖直径约为4000km，全球共有2150个蜂窝系统。同时，智能卫星可以利用卫星之间的通信实现空间数据交换与路由的功能。图1-6给出了典型的全球低轨道卫星通信网的示意图。

1990年6月，Iridium系统建设计划宣布启动。1992年9月，Iridium系统获得美国FCC的许可证。1998年11月，Iridium系统开始提供通信服务。但是，受到地面移动电话（如GSM系统）的挤压，加上自身昂贵的通信费用，因此Iridium系统的使用率不高。1999年8月，Iridium系统建设计划宣布失败。但是，部分在轨的Iridium通信卫星仍在为美国军方提供通信服务。尽管Iridium系统建设的商业计划失败，但是科学家还在坚持低轨道卫星通信网的理论研究。同时，Iridium系统的研究成果对于目前开展的平流层无线通信网与星际网络的研究工作仍然起到了重要的指导作用。

1963年，美国国家航空航天局（NASA）启动了深空网（Deep Space Network，DSN）的研究。1998年，NASA在DSN的基础上开始了星际互联网（Inter Planetary Internet，IPN）的研究。作为互联网的IPNSIG工作组成员，从2002年开始，NASA的研究人员一直在推进容迟网（DTN）体系结构、技术与标准的研究。

（2）移动通信网

移动通信网的设计涉及OSI参考模型的物理层、数据链路层与网络层。3G/4G/5G移动通信系统充分利用地面移动通信网、卫星通信网、光纤通信网与固定电话交换网，组成了一个覆盖全球的移动通信网，也为构成无线广域网提供了重要的技术支持。作为在全球范围内正在加快研发的新一代移动通信技术，5G的全时空、全现实、全连接技术将深刻改变人类的生产与生活，驱动人类社会进入万物互联的时代。

我国的移动通信网技术经历了“2G跟随、3G突破、4G同步”的历程，正在迎来“5G引领”的历史性跨越。我国政府高度重视5G产业发展。在2015年发布的实施制造强国战略的第一个十年行动纲领——《中国制造2025》中指出：要全面突破第五代移动通信（5G）技术；在2016年发布的《国家信息化发展战略纲要》中明确指出：5G要在2020年取得突破性进展；在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中要求：加快构建高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施，积极推进5G商用；在2017年发布的《关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的指导意见》中要求：进一步扩大和升级信息消费，力争2020年启动5G商用。

根据中国信息通信研究院发布的《5G经济社会影响白皮书》中的数据：预计到2030年，我国5G商用带动经济总产出达10.6万亿元，就业岗位超过1150万个。5G部署几乎对所有的经济部门都会产生积极的影响。

2.无线城域网与IEEE 802.16标准

IEEE 802.20是无线广域网（WWAN）的重要标准。IEEE 802.20标准研究首先由802.16工作组在2002年3月提出，并于2002年9月成立802.20工作组。IEEE 802.20标准是为了有效解决无线广域网中移动性与传输速率的矛盾问题而研究出的一种适用于高速移动环境下宽带无线接入系统的空中接口规范。

IEEE 802.20模型覆盖OSI参考模型的物理层与数据链路层。IEEE 802.20标准在设计理念上采用基于数据分组的纯IP结构，能适应互联网的突发性数据业务，其性能优于3G技术。但是，从技术的角度看，IEEE 802.20是对3G和IEEE 802.16e标准的补充。至于IEEE 802.20标准是否能取代二者的地位，前景并不明朗。从经济可行性角度考虑，移动运营商已经在移动通信系统3G/4G/5G中投入巨资购买牌照、部署网络，不可能放弃已有投资而重新部署新的网络。从目前的实际情况看，IEEE 802.20标准本身仍有待完善，而且没有形成产品市场与产业链，很难判定它在未来移动通信网市场中的位置。这也是造成IEEE 802.20标准与技术发展缓慢的主要原因。

由于在城市的一些大楼和分散的社区里铺设电缆与光纤的费用往往高于建设无线通信设施的费用，因此人们开始研究如何在市区范围的高楼之间利用无线通信手段解决局域网之间，以及固定或移动的个人计算机接入互联网的问题。1999年7月，IEEE 802委员会成立了一个工作组，专门研究宽带无线城域网（WMAN）的标准。2002年，该工作组发布了IEEE 802.16宽带无线城域网（WiMAX）标准，目前讨论的无线城域网一般是指WiMAX。图1-7给出了WiMAX的概念与结构示意图。

按照IEEE 802.16标准建设的无线网络需要在每个建筑物上建立基站。基站之间采用全双工、宽带通信方式工作，以便满足固定节点以及火车、汽车等移动物体的无线通信需求。2011年4月，IEEE通过了802.16m标准，它是为下一代无线城域网而设计的。IEEE 802.16m标准可在固定的基站之间提供1Gbit/s的数据传输速率，为移动用户提供100Mbit/s的数据传输速率。

3.无线局域网与Wi-Fi

（1）无线局域网（WLAN）的基本概念

我们在学校、机场、车站、商场、咖啡厅等很多场合随处可见“Wi-Fi”标记，这也从一个方面说明了Wi-Fi技术的普及程度和重要性。了解Wi-Fi技术的概念、特点与应用时，需要注意以下几个问题。

1）无线局域网以微波、激光与红外等无线载波作为传输介质，取代了传统局域网中的同轴电缆、双绞线与光纤，实现了移动节点的物理层与数据链路层功能。无线局域网（WLAN）是实现移动计算的关键技术之一，其技术与标准的发展速度相当快。IEEE 802委员会成立了802.11工作组专门从事无线局域网的研究，并于1997年公布了IEEE 802.11标准。与IEEE 802.11标准几乎同时研究与发布的是欧洲电信标准协会（ETSI）的宽带无线接入网HiperLAN标准。尽管HiperLAN具有很好的性能，并且与3G系统兼容，但是由于技术复杂、造价较高，因此在无线局域网市场上的占有率远落后于IEEE 802.11。

2）无线局域网术语Wi-Fi（Wireless Fidelity）有“无线相容性认证”的意义。业界组成了Wi-Fi联盟来推动无线局域网技术的应用，该联盟最初的名字是Wireless Ethernet Compatibility Alliance（WECA），2002年10月正式更名为Wi-Fi Alliance。联盟成员希望通过业界自发的组织来推动无线网络标准的应用，因此经常有人将802.11无线局域网简称为“Wi-Fi”或“WiFi”。

3）Wi-Fi的无线相容性体现在能够将计算机、移动终端（如PDA、智能手机、可穿戴设备、物联网移动终端）以无线局域网方式互联起来。Wi-Fi联盟也致力于解决符合IEEE 802.11标准的产品生产和设备兼容性问题，它推动了IEEE 802.11标准制定与产业化。Wi-Fi联盟制定的标准草案在IEEE批准后成为无线局域网国际标准。

4）IEEE 802.11标准的MAC层支持两种无线信道访问控制方式。一种访问控制方式需要架设无线局域网基础设施，即无线基站——接入点（Access Point，AP），这就是我们在学校、机场、车站、商场、咖啡厅使用的Wi-Fi工作方式。另一种访问控制方式是不需要架设无线局域网基础设施，所有节点以无线自组网方式工作。一般在不特别说明的情况下，Wi-Fi是指第一种方式，即基于基础设施的无线局域网。两种方式的最大区别是无线局域网中的所有节点都通过AP以“一跳”方式通信，而无线自组网中的节点之间一般需要采用对等、自组织与多跳方式通信。

5）从1999年到2006年是Wi-Fi技术发展最快的时期，共有几十项IEEE 802.11协议标准（如IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11n等）颁布，涉及不同无线频段、不同速率、不同组网方式与不同安全认证方式的Wi-Fi技术。

6）在5G时代，Wi-Fi与5G技术之间不但不矛盾，而且会出现协同发展的局面。例如，在2019年10月的华为5G终端及全场景新品发布会上，发布了一款5G随行Wi-Fi设备。该设备可以将5G信号随时随地转换为Wi-Fi接入点，使得非5G的手机、平板电脑等终端在高铁等高速移动场景中能接收到更稳定的信号，享受到与5G相差不多的传输速率。由于Wi-Fi使用的是ISM频段，无须付费，因此它与5G具有互补关系。可以预见，在5G时代，Wi-Fi流量和用户数非但不会降低，反而会有小幅度的提升。

（2）无线局域网的应用

无线局域网可以作为传统局域网的扩充，也可以用于漫游访问、建筑物之间的互连等。图1-8给出了Wi-Fi标志与应用场景。目前，很多大学都在一些没有预先布设局域网接口的教室、图书馆，以及校园内的公共空间安装了无线局域网的接入点。学生们可以在校园中的任意位置随时随地使用笔记本计算机、智能手机、iPad、PDA查阅校园网中的教学文档、检索图书馆的文献资料、提交作业、发送和接收电子邮件，以及访问We b网站。目前，Wi-Fi已经广泛应用于办公楼、家庭、咖啡厅、商场、火车站、候机楼等场所，甚至用于火车、飞机等交通工具。

4.无线个人区域网

无线个人区域网技术、标准与应用是当前网络技术研究的热点之一。尽管IEEE希望将802.15.4推荐为近距离范围内移动办公设备之间的低速互连标准，但是业界已经存在两个有影响力的无线个人区域网技术与协议，即蓝牙技术和ZigBee技术。

（1）蓝牙技术与标准

1994年，Ericsson公司看好移动电话与无线耳机的连接，以及笔记本计算机与鼠标、键盘、打印机、投影仪的无线连接技术与市场前景，对近距离的无线连接产生了浓厚的兴趣。Ericsson公司与IBM、Intel、Nokia和Toshiba等公司发起开发一个短距离、低功耗、低成本通信标准和技术的倡议，并将它命名为“蓝牙”（Bluetooth）无线通信技术。蓝牙通信技术可以解决各种智能设备（例如，笔记本计算机、键盘、鼠标、智能手机、PDA、数码相机、摄像机、耳机）之间的无线通信问题。

蓝牙通信采用不需要专门申请的工业、科学与医学（ISM）频段。工作频率在2.4GHz时，数据传输速率最高为1Mbit/s，通信距离一般为10cm～10m，支持点对点、点对多点的通信。目前，采用蓝牙技术开发的键盘、鼠标、耳机、投影仪（笔）、音箱等设备已经广泛使用（如图1-9所示）。

大多数无线网络通信协议不涉及应用层的问题。IEEE 802.3与IEEE 802.11是根据计算机网络体系结构的思想而设计的，仅解决物理层与数据链路层的问题，并不涉及高层协议。蓝牙技术的设计思路则不一样。蓝牙规范1.0规定了13种应用所需的专门协议集。由于蓝牙系统的工作范围不大，从网络层到传输层都必须设计得足够简单，有可能在一个通信协议的设计中考虑支持某种应用。但是，这种做法会导致协议过于庞大与复杂，蓝牙规范1.0也因此而长达1500页。

1998年5月，Ericsson、Intel、IBM、Nokia、Toshiba等公司发起成立蓝牙技术联盟（SIG）。目前，SIG有1800多个成员，包括消费类电子产品制造商、芯片制造商、电信设备制造商等。SIG的主要任务是推广蓝牙技术。目前，蓝牙技术已出现了很多版本，传输速率高达480Mbit/s、传输距离可达到几十米。

（2）ZigBee技术与标准

ZigBee是一种面向自动控制的低速、低功耗、低价格的无线网络技术，目前已经有一些物联网系统应用了ZigBee技术。

ZigBee协议标准的第1版于2004年完成，第2版于2006年颁布。ZigBee设备的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电，在不更换电池情况下，能够工作几个月甚至几年。同时，ZigBee网络的节点数量、覆盖规模比蓝牙技术支持的网络大得多。ZigBee无线设备工作在公共频道，在2.4GHz时传输速率为250kbit/s，在915MHz时传输速率为40kbit/s。ZigBee的传输距离为10～75m。

芯片制造商、OEM厂商、应用系统开发商与无线传感器网开发商共同成立了ZigBee联盟。ZigBee联盟是一个国际性的非营利技术团体，任务是开发和推广ZigBee标准与技术。ZigBee适用于数据采集与控制节点多、数据传输量不大、覆盖范围广、造价低的应用领域，在家庭网络、安全监控、医疗保健、工业控制、无线读表、智能玩具、智能农业等方面展现出广阔的应用前景。

5.无线人体区域网

在近距离无线通信领域，虽然已经存在个人区域网（PAN）的概念，但是针对医疗及保健等仅限人体周边更短传输距离的应用有其特殊性。随着物联网在医疗健康、疾病监控和预防中的应用越来越广泛，可穿戴设备与植入人体内的生物传感器组成的无线人体传感器网（Wireless Body Sensor Network，WBSN）成为无线传感器网的研究热点。无线人体传感器网也称为生物医疗传感器网（Biomedical Sensor Network，BSN）或无线人体区域传感器网（Wireless Body Area Sensor Network，WBASN）。无线人体区域传感器网也经常简写为体域网（Body Area Network，BAN）或无线人体区域网（WBAN）。2012年，IEEE正式批准了无线体域网标准IEEE 802.15.6。

WBSN的研究希望为健康医疗监控应用提供一个集成硬件、软件的无线通信平台，特别强调适应可穿戴与可植入的生物传感器的尺寸，以及低功耗的无线通信要求。

2007年，IEEE的802.15工作组TG6开始了无线人体区域网及通信标准的研究，经过约5年时间完成了标准制定工作。IEEE 802.15.6标准的最大传输速率为10Mbit/s、最长传输距离为1m。

IEEE 802.15.6除了可以应用于医疗保健与疾病控制领域，还可以用于日常生活中便携播放器与无线耳机等人体身边便携式装置之间的通信，以及消防、探险、军事等特殊场合。图1-10给出了WBSN的概念与应用场景。

目前，在IEEE 802.15.6基础上开展的研究主要集中在以下方面：WBSN中的情景感知和周围环境感知；WBSN可穿戴性、可扩展性和资源优化；基于多种通信方式构建混合式WBSN；移动WBSN中的跟踪和能量感知MAC算法；从低能耗和通信角度构建新型WBSN架构；WBSN中的数据融合技术；WBSN对人体活动的监控；WBSN的自适应性、可调节性与可靠性；中间件、信号处理算法、健康及活动监控。 JUl8ACKPn2lQm7KZ09TTVw2y2bS0vKvitTBZbNfeyjHJLTm+83+j5kNd/vlhEiiE