无线网络接入技术及方案的分析与研究 PDF下载

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结合工程实践,介绍了无线网络的相关知识、接入认证、接入机制优化研究、泛连接和移动应用等. ；

内容简介

本书主要介绍了无线网络接入技术和新一代网络技术及方案的分析与研究。全书共8章，内容包括概述、无线网络接入认证、无线网络技术、IEEE 820.11分布式接入机制、接入机制优化研究、无线新技术与新服务、泛连接和移动应用与软件定义。本书可作为高等学校通信专业或计算机类专业的本科生和研究生的参考书，也可作为相关专业的工程技术人员的参考书。

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目录


第1章概述1
1.1大互联 /1
1.1.1大互联时代 /1
1.1.2大互联的三要素 /2
1.2大数据 /3
1.3工业4.0 /6
1.3.1工业4.0的基本概念 /6
1.3.2工业4.0的目标 /6
1.3.3CPS与传感网、嵌入式系统、物联网的区别 /9
1.4中国制造2025 /9
1.5商业WiFi /11
1.5.1商业WiFi进入场景时代 /11
1.5.2商业WiFi的未来在大数据 /12
1.6安全无线的理念 /13
1.7基本需求 /14
1.7.1基本需求分析 /14
1.7.2针对性需求 /15
1.8无线局域网 /16
1.8.1WLAN的历史 /17
1.8.2WLAN的拓扑结构 /18
1.8.3WLAN的特点 /20
1.8.4WLAN的主要应用前景 /20
1.8.5WLAN中MAC的研究 /22
1.8.6WLAN的发展趋势 /23


1.9WLAN的两个技术标准 /24
1.9.1IEEE 802.11标准 /24
1.9.2HiperLAN /25
第2章无线网络接入认证27
2.1基本概念 /27
2.1.1SSID和BSSID /27
2.1.2AP的种类 /27
2.1.3无线接入过程的三个阶段 /29
2.2接入认证 /31
2.3IEEE 802.1x认证 /32
2.4CA证书认证 /32
2.5Portal认证 /33
2.5.1Portal认证介绍 /33
2.5.2Portal认证页面 /35
2.6第三方认证 /36
2.7MAC地址认证 /36
2.8二维码审核认证 /37
2.9微信连接WiFi ； /37
2.10微信认证 /38
2.11短信认证 /40
2.12微信认证 短信认证 /40
2.13临时访客认证 /40
2.14用户免认证登录 /41
2.15Portal服务器 /41
2.16Portal客户端 /42
2.17WAPI认证 /43
2.18WAPI安全网卡认证 /43
2.19几种认证方式的比较 /44
第3章无线网络接入技术47
3.1无线局域网的技术相关标准 /47
3.1.1IEEE 802.11技术 /47
3.1.2无线局域网标准体系 /47
3.1.3IEEE 802.11 a/b/g/n协议的定义和标准 /48
3.2IEEE 802.11n /51
3.2.1IEEE 802.11n概要 /51
3.2.2IEEE 802.11n新技术 /53
3.2.3IEEE 802.11n射频增强技术 /61
3.2.4帧汇聚技术 ； /64
3.2.5后向兼容特性 /68
3.3无线行业新技术 /71
3.3.1IEEE 802.11ac Wave 2 /71
3.3.2AP 三频技术 /72
3.3.3IEEE 802.11ad /72
3.3.4WiFi 充电 /72
3.3.5WiFi 识人 /73
3.3.6IEEE 802.11ax /73
3.4无线局域网的安全问题 /74
3.4.1基本概念 /74
3.4.2安全机制及隐患 /74
3.4.3新技术研究 /77
3.5无线安全设计 /78
3.5.1频谱防护技术 /78
3.5.2频抗干扰技术 /79
3.5.3无线入侵检测系统 /79
3.5.4防ARP病毒的能力 /81
3.5.5无线攻击防护系统 /81
3.5.6IPv6环境下的安全——无线SAVI技术 /82
第4章IEEE 802.11分布式接入机制84
4.1IEEE 802.11中的MAC协议 /84
4.2DCF机制简介 /85
4.2.1Data/ACK方式 /85
4.2.2RTS/CTS/Data/ACK方式 /86
4.2.3帧间隔 /87
4.2.4二进制指数退避算法 /88
4.3PCF机制简介 /90
4.4EDCA接入机制 /91
4.4.1EDCA用户等级和接入类别 /91
4.4.2EDCA接入过程和竞争窗口范围 /92
4.5拥塞反应分析及研究现状 /93
4.6DCF 接入方式饱和吞吐率分析方法 /94
4.6.1数据包传输概率 /95
4.6.2DCF接入机制饱和吞吐率 /98
4.6.3最大饱和吞吐率 /99
4.7改进的Markov吞吐率模型 /100
4.7.1模型时间刻度 /102
4.7.2二维Markov链 /103
4.8网络时延模型 /103
4.8.1接入时延分析 /103
4.8.2接入时延的表达式 /104
4.9EDCA接入机制分析模型 /106
第5章接入机制优化研究109
5.1优化目标 /109
5.2DCF的优化算法 /110
5.2.1MACAW机制 /110
5.2.2LMILD算法 /112
5.2.3EIED算法 /112
5.2.4HBAB算法 /113
5.2.5自适应分布式接入机制 /114
5.3优化机制研究 /115
5.3.1自适应EDCF机制 /115
5.3.2快速碰撞解决机制 /116
5.3.3自适应公平EDCF机制 /118
第6章无线新技术与新服务120
6.1IEEE 802.11r/k /120
6.1.1IEEE 802.11r /120
6.1.2IEEE 802.11k /121
6.2IEEE 802.11ac Wave 2 /122
6.2.1WiFi技术发展和IEEE 802.11ac Wave 2的出现 /122
6.2.2Wave 2的核心技术： TxBF和MUMIMO /123
6.2.3Wave 2芯片 /125
6.3LiFi /125
6.3.1技术背景 /125
6.3.2基本概念 /126
6.4HotSpot 2.0 /128
6.4.1技术背景 /128
6.4.2技术简介 /128
6.4.3技术实现系统架构 /129
6.4.4接入状态机 /130
6.55G /132
6.5.1技术背景 /132
6.5.2基本概念 /132
6.5.35G无线接入的相关技术 /133
6.5.45G的发展与需求 /140
6.5.5用户看5G /140
6.5.65G的应用与运营 /142
6.5.75G的关键能力需求 /143
6.5.85G的挑战 /144
6.5.9发展趋势 /146
6.5.10技术方向分析 /147
6.5.11与WLAN技术融合 /147
6.6构建高水平WiFi /148
6.6.1规划与设计 /148
6.6.2仿真 /150
6.7会议场景无线高密部署分析与设计 /152
6.7.1组网及解决方案 /152
6.7.2AP布点勘测设计 /153
6.7.3工程部署实施 /154
6.7.4软调优化 /154
6.7.5确保WLAN信号强度 /154
6.7.6合理设计信道分布 /155
6.7.7排除有线侧的隐患 /155
6.7.8降低WLAN干扰 /156
6.7.9提升无线空口信道效能 /156
第7章泛连接157
7.1泛在物联网 /157
7.1.1什么是泛连接 /157
7.1.2泛在物联网的基本概念 /157
7.1.3泛在物联网现阶段的发展特点 /158
7.2几种解决方案的设计 /159
7.2.1WiFi 室内定位解决方案 /159
7.2.2移动定位解决方案 /159
7.2.3医疗业务解决方案 /159
7.3WLAN与医疗物联网融合下的RFID技术 /161
7.3.1RFID技术概述 /162
7.3.2医疗RFID应用 /162
7.3.3物联网AP与RFID业务融合 /164
7.3.4物联网AP方案架构 /164
7.3.5扩展性和开放性 /166
7.4构建智能家居通信系统 /166
7.5终结者解决方案 /170
参考文献173

前沿

前言
1. 关于本书
随着无线应用的迅猛发展，让用户能体验好的无线使用环境是电信服务提供商的一个主要出发点。无线接入技术和无线网络接入环境也在发生日新月异的变化。IEEE 802.11协议族在局域网得到广泛应用的同时，新一代网络“顺世”而生，对新技术、新方案、新环境的要求更为严格，更为系统。
虽然当前市场上介绍WLAN配置以及应用知识方面的书籍很多，给用户初步了解IEEE 802.11协议族以及WLAN运用带来了方便，但是介绍无线网络接入技术以及下一代网络方案研究方面的书籍并不多见。本书结合作者的研究编写而成，希望能给无线网络接入技术研究提供参考，为下一代网络研究的学习者提供帮助，并希望能借此和同行深入讨论研究。2. 本书内容组织
全书共分8章，分别介绍大互联相关知识、无线网络接入认证、无线网络接入技术、IEEE 820.11分布式接入机制、接入机制优化研究、无线新技术与新服务、泛连接和移动应用与软件定义等，读者可以根据自己的需要有选择地阅读。
第1章介绍在“大互联”背景下无线网络技术的特点和需求。
第2章主要介绍当前无线网络接入认证的种类、方式及优缺点。
第3章介绍无线网络接入相关技术及标准。
第4章介绍优化的分布式接入机制研究以及固定竞争窗口优化接入机制和自适应优化的分布式接入机制研究。
第5章介绍基于最优竞争窗口的分布式接入机制，并给出对应的性能分析。
第6章介绍无线新技术与新服务的相关内容、标准和方案。
第7章介绍无线网络接入技术在“泛在物联网”中的相关技术标准及方案。第8章介绍无线网络接入技术在移动应用与软件定义中的运用与要求。3. 本书特点
本书选取部分国内外期刊的研究成果，除了对传统协议进行分析研究及优化外，同时也系统分析讲述下一代网络相关的接入技术、标准、要求和方案。本书最大的特点是在调研和论证中走访了大量的研发企业，如H3C、蓝盾科技股份有限公司、轩辕网络、深信服等，具有较大的工程应用价值。4. 本书适合对象
本书适合具有一定WLAN和IEEE 802.11协议族相关基础知识的研究人员和工程开发人员使用，还可以作为高等学校通信专业或者计算机专业的本科生和研究生的参考用书。
全书由周奇编写，同时得到H3C、蓝盾科技股份有限公司、轩辕网络和深信服等企业的大力支持，在编写过程中，给出了科学的、可行的、有工程运用价值的意见及建议，在此表示衷心的感谢。
由于编者知识水平有限，书中疏漏和不足之处在所难免，恳请读者批评指正。

周奇

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第5章接入机制优化研究
5.1优化目标
MAC机制研究的主要目标包括以下几个方面。
(1) 提高系统吞吐量。相对有线网络来说，无线传输的信道带宽通常都比较小，并且由于可分配利用的频谱资源非常有限，因此如何充分有效地利用宝贵的信道资源获得尽可能多的数据传输吞吐量是MAC研究需要解决的首要问题。
(2) 保证节点之间的公平性。在共享信道条件下，网络的MAC需要解决节点之间分享信道占用的协调问题，为有数据传输需求的节点分配占用相应的信道时间分片。不仅如此，MAC还需要同时保证节点之间获取信道资源分配的公平性，避免网络中存在节点超过额度占用信道，或是节点长时间不能获得信道接入发送机会等不公平现象的发生。
(3) 增强QoS支持能力。现有WLAN已不再局限于仅仅用于满足普通数据业务通信的需要，丰富的多媒体应用发展对网络的业务承载能力提出了更高的要求。与仅要求尽力而为服务的普通数据业务不同，多媒体数据业务的传输需要有更高的质量保障，并且不同类型的业务常常有不同的传输质量要求。因此，MAC需要针对不同类型的数据业务提供满足其QoS要求的传输服务。相对有线网络来说，无线信道上的数据传输具有更多的不确定因素，如误码所致的丢失、信道衰落引起的链路容量变化等，因此在无线网络环境下提供QoS保证具有更大的挑战性。
(4) 提高通信的能量利用效率。无线网络的最大特点在于能够帮助用户摆脱线缆连接带来的束缚，提供移动过程中的不间断通信。移动节点通常采用电池供电，其能量提供非常有限。为了能够尽量延长节点的工作时间，需要MAC设计考虑在通信过程中采取适当的节能措施，提高能量的利用效率。

5.2DCF的优化算法
DCF机制是使用最广泛的介质接入控制协议之一，一些模型分析了竞争窗口和退避策略对于吞吐量性能的影响。和Data/ACK接入过程相比较，数据包长度对RTS/CTS/Data/ACK接入过程的网络性能影响更小。Cali等人在文献中进一步证实：在比较重的负载状态下，碰撞概率随着节点个数增加而增大，因此网络中大的活动节点个数是导致吞吐量性能低于分析数值的主要因素。在这种情况下，和网络状态无关的竞争窗口调整规则会导致碰撞概率的增加，因为节点需要经历多次的碰撞后才能达到一个最优的竞争窗口并完成数据传输。部分文献进一步分析了碰撞概率、数据传输尝试概率和竞争窗口之间的关系。分析表明，不合理的竞争窗口调整规则所导致的碰撞概率是DCF机制中吞吐量性能下降的主要原因。
随着WLAN应用场合的普及和无线用户数量的增多，如何优化用户的接入机制，解决由于用户增加导致的网络性能下降的问题以及根据用户优先等级分配可用资源的问题，成为当前无线通信领域的研究热点。
针对基于竞争的接入机制(DCF机制和EDCA机制），现有的优化算法可以按照接入过程以及接入参数调整分为两大类：
(1) 对接入过程的优化。针对设备物理技术条件(多信道或者复杂天线等)修改基本的接入过程，优化并制定特定的接入机制，从而可以获得较好的网络性能。
(2) 对接入参数调整的优化。这种方式也是最常见的优化方式。其中，竞争窗口是最直接的接入参数，也是每种优化机制最终所必须确定的，因此，可以作为划分接入参数优化机制的一个重要依据。部分文献给出优化分类方法以及优化目标和设计法则，根据竞争窗口的不同调整规则，现有的优化机制无论是针对DCF机制或者EDCA机制的优化，都可以分为两类：第一类是固定竞争窗口范围的优化接入机制(简称固定窗口机制)；第二类是自适应调整竞争窗口范围的优化接入机制(简称自适应调整机制)。
以下分别针对固定窗口机制以及自适应调整机制两种类型介绍相关的优化算法。大体思路是针对竞争激烈的网络环境，以一种较慢的速度降低节点数目，减少竞争窗口，快速增大竞争窗口，以一种较慢的速度降低窗口的尺寸。
5.2.1MACAW机制
基于竞争的MAC接入协议由于节点接入信道的随机性，数据传输过程中的碰撞不可避免。因此合适的退避算法可以减少碰撞概率，同时，退避算法通过调整节点发送数据包前的等待时间，能有效解决碰撞问题。节点的随机等待时延计算依赖于退避时间计数器，该等待时延应该体现介质竞争等级情况。
为了提高吞吐率以及一个更“公平”的数据流吞吐率指配，退避算法需要准确反映当前信道的竞争等级。在标准协议的BEB算法中，当数据传输发生碰撞的时候，节点倍数增加竞争窗口直至最大数值。当节点成功完成一次数据传输后，则重置竞争窗口为最小数值。这种方式不能提供足够的公平性性能。
每个节点仅根据自身数据传输经验进行单独的拥塞计算，并没有和其他节点共享拥塞信息，这会导致不同节点对当前网络拥塞状态有不同的了解信息。在帧的头部增加一个包含当前退避时间计数器的字段，其他节点接收到该信息帧后，可调整自身的退避时间计数器数值。BEB算法快速地调整退避时间计数器，当节点探测到数据包传输发生碰撞时，会迅速增加竞争窗口数值。当节点成功发送数据包后，节点立即将退避时间计数器数值重置到最小数值，这会导致退避时间计数器较大的变化范围。
MILD(Multiplicative Increase and Linear Decrease)算法提出一种新的调整竞争窗口方法，当节点传输数据发生碰撞时，退避时间计数器以一个倍数因子(1.5)增长，当节点成功进行了数据传输时，则退避时间计数器递减一个单位。Finc(x)=min［1.5x,CWmax］碰撞
Fdec(x)=max［x－1,CWmin］成功(51)MILD算法提供了合理的、比较快速的竞争窗口增大方式，同时，当网络中竞争比较激烈的时候，通过慢速递减竞争窗口的方式有效解决了BEB算法中需要重复增长竞争窗口的问题。
在该算法中，存在两个问题：一是采用节点自身传输状态作为一个参数去衡量网络模型的拥塞程度，不足以反映信道真实状态；二是算法在信息帧头部设置字段保留节点的退避时间计数器，该数值会在不同区域传播，而不同区域的网络拥塞程度是不一样的，因而不能确保退避时间计数器能准确反映网络中的拥塞等级。
MACAW机制基于以下四点关键因素：
(1) 对应的拥塞发生在接收端，而不是在发送端。
(2) 拥塞不是均匀的现象。拥塞的级别随着潜在接收端的地理位置而变化。
(3) 感知拥塞等级应该是全部节点的共同目标。
(4) MAC协议应该传播竞争时间片段的同步信息，从而使所有的节点能更有效地参与信道竞争。
5.2.2LMILD算法
下面介绍一种新的退避算法——线性/倍数增加和线性减少(Linear/Multiplicative Increase and Linear Decrease，LMILD)。在LMILD方案中，发生碰撞的节点倍数增加竞争窗口，而其他监听到信道发生碰撞的节点则线性增加竞争窗口。如果信道中成功完成一次数据传输，则所有节点线性递减竞争窗口。
LMILD算法和MILD算法的区别在于： LMILD算法采用了一个新的信息段(监听碰撞)。在LMILD方案中，发生碰撞的节点倍数增加了竞争窗口，同时，其他监听到信道中碰撞的节点则线性增加竞争窗口。
该方案思路启发点在于：在无线通信中，节点不能在发送的同时判断是否发生了碰撞，而其他节点则可以判断信道中数据包传输的碰撞状态。CW←min(mC·CW,CWmax)碰撞
CW←min(lC CW,CWmax)监听碰撞
CW←min(CW－lS,CWmin)成功(52)如果节点通过传输RTS帧判断发生了碰撞，则增加mC倍竞争窗口，其他监听到碰撞的节点线性增加lC个时隙单元。当RTS帧成功传输，则所有的节点(包括发送节点、接收节点和邻节点)均线性减少竞争窗口lS个单元。mC和lC控制了节点增加竞争窗口的速度。lS允许节点降低竞争窗口的幅度。LMILD方案的目标是动态保持所有节点的竞争窗口接近最优竞争窗口数值。
增加lC不会大幅提高LMILD方案的吞吐量。当lC太大的时候，会导致部分节点很难接入信道，这是因为监听到碰撞导致竞争窗口增长过快。
5.2.3EIED算法
指数增加/递减退避算法(Exponential Increase Exponential Decrease，EIED)针对节点传输数据成功以及发生碰撞的情况，分别以指数方式递减或者增加竞争窗口的尺寸。通过这种方式来达到优化IEEE 802.11 DCF性能的目的。
在EIED算法中，如果在传输数据包的时候发生了碰撞，节点则以退避因子rI增大竞争窗口的尺寸。如果节点成功完成一次数据包传输，竞争窗口则以退避因子rD减少窗口尺寸。CW=minrI·CW,CWmax碰撞
CW=maxCW/rD,CWmin成功(53)EIED算法的性能主要决定于退避因子rI和rD数值的选择。针对网络中活动节点个数分别为51 040和60的情况，以及泊松分布数据包到达速率10～160包/秒。其中，每个包长为1024字节。算法分析比较了四组退避因子： ①rI=2,rD=21/8； ②rI=2,rD=21/4； ③rI=rD=22； ④rI=rD=2。
综合仿真结果显示，当数据包达到速率比较低(近似小于80包/秒)时，和标准协议BEB算法相比较，EIED算法并没有体现更大优势。当网络中节点个数增加的时候(N=60)，BEB算法的吞吐率只能达到EIED算法的2/3。和BEB算法比较网络时延性能，EIED算法有更小的数值。BEB算法网络时延性能较差，主要是因为BEB算法会导致比较大的数据包碰撞，进而引起数据包的多次重传，增加了网络时延。