第3章 无线网络物理结构

第三章ZigBee 无线网络技术研究ZigBee 网络的拓扑结构、网络层协议对定位系统的性能的影响。

3.1 ZigBee无线网络技术的特点ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的。

IEEE802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制（Media Access Control，MAC）层；ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。

ZigBee联盟成立于2001年8月，该联盟由Invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和QoS（服务质量）要求不高的无线通信应用场合。

ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。

与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：(1)低功耗：这是ZigBee的一个显著特点。

由于工作周期短、传输速率低，发射功率仅为lmw，以及采用了休眠机制，因此ZigBee设备功耗很低，非常省电。

据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

(2)低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。

低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

(3)时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。

这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。

无线路由器工作原理
无线路由器是一种电子设备，它通过无线技术将网络信号从有线网络中传输到无线设备上，如手机、平板电脑和笔记本电脑。

它起到将网络信号转换为无线信号的作用，使得用户可以在更大范围内使用网络。

无线路由器的工作原理是基于无线局域网（Wireless Local
Area Network, WLAN）技术。

它通过将传入的网络信号转换
成无线信号，并通过无线电波的方式传输到无线设备上。

具体来说，无线路由器由以下几个部分组成。

首先，无线路由器有一个接收器，它接收来自网络的有线信号，并将其转换为数字信号。

然后，这个数字信号被传输到传输系统中。

传输系统由一个无线电机构组成，它将数字信号转换成无线信号。

这个无线信号被射入到无线电波中，并通过天线从路由器发送出去。

无线设备，如手机或笔记本电脑，可以接收这些无线信号。

它们内置了与无线路由器兼容的接收器，并可以解码和使用这些无线信号。

当无线设备接收到无线信号后，它们将其转换成数字信号，并传递给操作系统处理。

操作系统进一步将其转换为可视化的内容，使用户能够通过设备进行访问、浏览互联网或使用其他网络服务。

需要注意的是，无线路由器的工作原理还涉及到很多技术细节，如无线频率选择、数据传输速率等。

但总体而言，它的主要功能是将有线网络信号转换为无线信号，并将其传输到无线设备上，以实现无线网络连接。

一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。

如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。

AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问接入点”，或“桥接器”。

它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。

有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。

特别是对于宽带的使用，无线保真更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。

普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。

硬件设备随着无线网络的不断兴起和发展，2010年无线网络模块的应用领域相当广泛！但是无线保真模块毕竟是一高频性质的产品，它不象普通的消费类电子产品，生产设计的时候会有一些莫名其妙的现象和问题，让一些没有高频设计经验的工程师费劲心思，有相关经验的从业人员，往往也是需要借助昂贵的设备来协助分析。

对于无线网络部分的处理，有直接把无线保真部分Layout到PCB主板上去的设计，这种设计，需要勇气和技术，因为本身模块的价格不高，主板对应的产品价格不菲，当有无线保真部分产生的问题，调试更换比较麻烦，直接报废可惜；所以很多设计都愿意采用模块化的无线保真部分，这样可以直接让Wi-Fi部分模块化，处理起来方便，而且模块可以直接拆卸，对于产品的设计风险和具体的耗损也有很大帮助。

具体的硬件设计应该和相关无线保真模块咨询时,要考虑清楚以下方面：通信接口方面：2010年基本是采用USB接口形式，PCIE和SDIO的也有少部分，PCIE的市场份额应该不大，多合一的价格昂贵，而且实用性不强，集成的很多功能都不会使用，其实也是一种浪费。

供电方面：多数是用5V直接供电，有的也会利用主板设计中的电源共享，直接采用3.3V供电。

越来越多的高性价比的无线技术和可应用于更广领域的解决方案的出现，带来了无线传感网和物联网应用的激增。

无线系统制造商的目标就是提供更加灵活可靠的方案，在获得最长的电池寿命的同时尽可能扩展网络的传输距离。

很多传感器网络都是由一些简单的节点组成，这些节点收集数据并将之发送给集中器。

基于传统的方案，为改善性能需要折衷权衡考虑，而相比较而言，用于改善未来系统性能的新技术则在折衷考虑方面会有很大的不同。

传输速率和距离传输速率是系统设计中一个关键的可变因素，它将决定整个系统整体性能的很多属性。

无线传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功率共同决定，两者之间的差值我们称之为链路预算。

输出功率受限于标准规范，所以只有通过提高灵敏度来增加距离，而灵敏度又受数据速率非常重要的影响。

对所有的调制方式来说，越低的速率，接收机的带宽越窄，接收灵敏度就越高。

在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调制方式是FSK或者GFSK。

要进一步减小FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度。

虽未经检验过但可以预见，这很容易就会产生比接收机带宽更宽的频率偏差。

低成本的晶体一般只有20ppm 的精度，这将限制使用载波频率为868MHz或915MHz系统的最大数据传输速率在20kbps，灵敏度在-112dBm。

使用温补晶振可以获得更高的灵敏度，但是温补晶振的价钱将是普通晶体的三倍。

扩频调制方式在其他领域应用了很多年，但直到至今仍未使用于低成本的传感网络方案。

在等同的数据速率条件下，商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK调制方式高8-10dB的灵敏度。

升特（Semtech）公司将推出一款新的收发机，这款收发机集成了一种名为LoRa的扩频调制方式和传统的GFSK调制方式。

图1展示了在GFSK调制和LoRa扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

图1：在GFSK调制和LoRa扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

无线网络的体系结构-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII计算机系统结构论文报告课题名称: 无线网络的体系结构学院: 计算机科学与工程学院班级: 网络工程三班学号: 21姓名: 方明摘要：传统的无线接入方式，如蜂窝网、无线局域网(WLAN)面对日益增长的高速无线因特网接入需求面临许多挑战，无线网状网(WMN)作为因特网“最后一公里”接入方案，提供一种灵活而低成本的多跳通信，也将成为各种无线网络融合的主要技术。

针对这一极具发展前途的网络结构，本文主要从其结构方面进行分析研究。

关键词：无线网状网；路由；结构一.引言：无线Mesh网（WMN）又称为无线网状网、无线网格网，大约出现在20世纪90年代中期。

随着移动通信技术的发展，除无线通信网络的语音业务需求外，高速因特网接入需求也日渐增加。

传统的无线接入方式面临着接入带宽不足、服务质量得不到满足等问题，而且无线频谱资源及拓扑结构缺乏统一规划，难以适应灵活多变的使用状况。

WMN提供了一条解决无线接入网所面临问题的新途径，它可以大大增加无线系统的覆盖范围，同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性。

无线网状网是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。

图1说明了一个多跳无线网状网，其中只有中央网关G通过有线方式连接到互联网，而其他的节点（如节点S）则是通过多跳方式访问到中央网关G。

WMN中的每个节点不仅是一个客户端也是一个中继器，也就是说，它既可以从与因特网相连接的网关上获取数据，也可以将数据发送到该网关，进而与因特网相连。

无线网状网和无线自组网的主要区别在于数据传送模式[2]，如图2所示。

在WMN中，通常存在一个中央网关设备，大多数的数据不是发向该设备就是从该设备接收数据，如图2(a)所示。

在自组织网络中，数据流量可以在任意节点之间的进行传输，比如在节点S1和D1之间，如图2(b)所示。

总体来说，无线网状网的技术优势可以概括为以下5个方面；WMN可以以最小的布线工程量在大规模区域内进行快速部署，以降低基础设施和部署费用。

無線網路工科一B90505030 曾家彥B90505040 蔡瀚逸無線網路架構拓樸（Topology）：許多元件的實體（真實）或邏輯（虛擬）群集。

根據以上的定義，我們可以將拓樸看成是「許多節點（是電腦、網路印表機、伺服器等等）在互通網路上的群集」。

目前有線網路有五大網路拓樸，分別是匯流排（Bus），環狀（Ring），星型（Star），樹狀（Tree）以及網狀（Mesh）拓樸，不過在無線網路中，只有星狀和網狀兩種派的上用場。

星型拓樸（star topology）是目前最常見的一種，這種架構包含一個通訊用的中央電腦或是存取點（Access Point，AP）。

資料封包由來源節點發出後，由中央電腦接收，並且轉送到正確的無線網路目標節點。

這台中央電腦，可以用來當作與有線LAN的通訊橋樑，並且用來存取其他有線客戶端、網際網路或是其他網路設備等等。

在我們稍後介紹的產品中，Compex SoftBridge程式就扮演著「軟體橋接器（Bridge）」的角色，讓您不需要使用特殊的硬體或AP就可以和有線客戶端與服務做溝通。

藉著這套軟體，任何有接上有線網路，並且還配備一塊無線網路卡（Network Interface Card，NIC）的電腦都可以擔任橋接器的任務。

網狀拓樸（mesh topology）和星型拓樸有些不一樣，主要是網狀拓樸並沒有中央電腦。

每個節點都散佈在其他電腦可以自由溝通的位置上。

網路安全與私密性無線網路比起有線網路來說，本來就比較不安全。

因為無線網路卡使用空氣作為資料傳輸介質，對越權存取和竊聽的行為也比較不容易防備。

對一個網路竊聽專家而言，他們在面對有線網路時，通常得要有高度的警覺性與相當程度的知識。

不過由於無線網路不需要用到實體連接，要滲透進去其實很容易。

他們只需要一片無線網路卡，和一些無線網路的漏洞與弱點知識就夠了。

為了防堵這些自稱駭客的攻擊，標準規格中也制定了稱為有線安全等級協定（wired equivalency protocol，WEP）的事項。

无线网络原理科技的飞速发展，信息时代的网络互联已不再是简单地将计算机以物理的方式连接起来，取而代之的是合理地规划及设计整个网络体系、充分利用现有的各种资源，建立遵循标准的高效可靠、同时具备扩充性的网络系统。

无线网络的诸多特性，正好符合了这一需求。

一般而言，凡采用无线传输的计算机网络都可称为无线网。

从WLAN到蓝牙、从红外线到移动通信，所有的这一切都是无线网络的应用典范。

就本文的主角——WLAN而言，从其定义上可以看到，它是一种能让计算机在无线基站覆盖范围内的任何地点(包括户内户外)发送、接收数据的局域网形式，说得通俗点，就是局域网的无线连接形式。

接着，让我们来认识一下Wi-Fi。

就目前的情况来看，Wi-Fi已被公认为WLAN的代名词。

但要注意的是，这二者之间有着根本的差异：Wi-Fi是一种无线局域网产品的认证标准;而WLAN则是无线局域网的技术标准，二者都保持着同步更新的状态。

Wi-Fi的英文全称为“Wireless Fidelity”，即“无线相容性认证”。

之所以说它是一种认证标准，是因为它并不是只针对某一WLAN规范的技术标准。

例如，IEEE 802.11b是较早出台的无线局域网技术标准，因此当时人们就把IEEE 802.11b标准等同于Wi-Fi。

但随着无线技术标准的多样化，Wi-Fi的内涵也就相应地发生了变化，因为它针对的是整个WLAN领域。

由于无线技术标准的多样化出现，所使频段和调频方式的不尽相同，造成了各种标准的无线网络设备互不兼容，这就给无线接入技术的发展带来了相当大的不确定因素。

为此。

1999年8月组建的WECA(无线以太网兼容性联盟)推出了Wi-Fi标准，以此来统一和规范整个无线网络市场的产品认证。

只有通过了WECA认证，厂家生产的无线产品才能使用Wi-Fi认证商标，有了Wi-Fi认证，一切兼容性问题就变得简单起来。

用户只需认准Wi-Fi标签，便可保证他们所购买的无线AP、无线网卡等无线周边设备能够很好地协同工作。