计算机网络ppt教程第9章
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Nankai University
802.15.4协议的特点：
• 在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps 和250kbps三种不同传输速率； • 支持星形和点到点两种网络拓扑结构； • 使用16位和64位两种地址格式，其中64位 地址是全球惟一的扩展地址； • 支持冲突避免的载波多路侦听CSMA/CA 技术； • 支持确认(ACK)机制，保证传输可靠性。
局域网
AP
AP
AP
单元
移动结点
移动结点
8
Nankai University
9.2.2 802.11的层次模型结构
MAC层支持2种访问方式： • 无争用服务 • 争用服务
无争用服务 争用服务 点协调功能PCF MAC 分布协调功能DCF（CSMA/CD） 物理层
9
Nankai University
26
Nankai University
9.4 蓝牙、ZigBee与802.15.4协议标准
9.4.1 蓝牙技术与协议 • 1999年7月， SIG公布蓝牙规范1.0版，卷 1是核心规范，卷2是协议子集； • 蓝牙技术最初的目标只是解决近距离数 字设备之间的无线连接，但是很快扩大 到无线局域网的工作领域中； • 这样的转变使标准更有应用价值，但是 也造成与IEEE 802.11标准竞争的局面。
12
Nankai University
点协调功能帧间间隔（PIFS） • 点协调功能帧间间隔的长度等于SIFS值加一个 50μs的时间片值，跳频扩频通信FHSS的PIFS 值为78μs；
分布协调功能帧间间隔（DIFS）
• 分布协调功能帧间间隔最长，它等于在PIFS值 加一个50μs的时间片值，跳频扩频通信FHSS 的DIFS值为128μs。
13
Nankai University
退避算法
• 802.11采用的是二进制指数退避算法； • 在第i次退避在22+i个时间片中随机选择一个， 如第1次退避是在8个时间片中随机选择5个时 间片，第2次退避是在16个时间片中随机选择 12个时间片； • 当一个结点使用退避算法进入争用窗口时，它 将启动一个退避计时器，按二进制指数退避算 法随机选择退避时间片的值； • 当退避计时器的时间为0时，结点开始发送； • 如果此时信道已经转入忙，则结点将退避计时 器复位后，重新进入退避争用状态。
24
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802.16宽带城域网结构
802.16
UNIVERSITY
802.16
802.16
802.16基站
802.16基站
互联网
ISP
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Nankai University
IEEE 802.16标准体系
• 802.16标准的重点是解决城市范围内建筑物之间 的数据通信问题； • 802.16标准制定了工作在2～66GHz频段的无线接 入系统的物理层与介质访问控制MAC层规范； • 按802.16标准建立的无线网络覆盖一个城市的部 分区域，它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； • 802.16标准有两个物理层标准802.16d与802.16e； 802.16d主要针对固定的无线网络部署，802.16e针 对火车、汽车等移动物体的无线通信标准问题。
11
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
帧间间隔的类型
• 短帧间间隔 • 点协调功能帧间间隔 • 分布协调功能帧间间隔 短帧间间隔（SIFS） • 短帧间间隔用于分隔属于一次对话的各帧，如 确认ACK帧； • SIFS的值与物理层相关，如红外无线IR的SIFS 值为7μs，直接序列扩频通信DSSS的SIFS值为 10μs，跳频扩频通信FHSS的SIFS值为28μs。
6
Nankai University
无线自组网与无线传感器网络、无线网状网的关系
军用/特种用途 军用 无线分组网 PRNET 军用 无线自组网 Ad hoc 无线传感器 网络WSN 民用 无线网状网 WMN
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9.2 无线局域网与802.11标准
9.2.1 无线局域网的应用领域与协议制定的过程 • 典型的无线局域网结构
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蓝牙系统的体系结构
• 蓝牙系统的基本单元是微微网（piconet）； • 每个微微网都包含一个主结点，在10米距离内 最多7个活动的从结点，以及可以多达255个静 观结点（parked node）； • 静观设备除了响应主结点的激活或指示信号之 外，不做其它任何事情； • 在同一房间中可以同时存在多个微微络，它们 可以通过一个桥结点连接起来。两个相互连接 的微微网成为一个分散网（scatternet）。
发送端 随机数 产生器 信道 调制器 调制器 随机数 产生器 接收端
输入数据
信道 编码器
信道 编码器
输出数据
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跳频扩频通信（FHSS）
跳频扩频通信的技术特点： • 将可利用的频带划分成带宽相同的多个 子信道； • 每个信道的中心频率由伪随机数发生器 的随机数决定，变化的频率值称为跳跃 系列； • 发送端与接收端采用相同的跳跃系列。
14
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9.2.4 无线局域网的物理层传输技术
按无线信道的特点，无线局域网 可以分为：
• 红外局域网
• 扩频局域网
• 窄带微波局域网
15
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红外局域网 红外传播的基本特点 • 红外无线信号是按视距方式传播的，发 送结点与接收结点之间不能有阻挡。 红外局域网的优点： • 红外线频谱很宽，可以提供高数据传输 速率； • 红外通信安全性高； • 红外局域网设备简单，易于管理。
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直接序列扩频通信（DSSS）
直接序列扩频通信的技术特点：
• 待发送的数据经过伪随机数发生器产生 的伪随机码进行异或操作，再将异或操 作结果的数据调制后发送； • 所有接收结点使用相同的频段。 • 发送端与接收端是用相同的伪随机码。
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3
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9.1 无线网络的基本概念
9.1.1 无线网络技术的分类
基于基础设施 的无线网络 无线网络城域网 WMAN 无线网络局域网 WLAN
无线网络
无线传感器网络 WSN
无基础设施 的无线网络
无线自组网 Ad hoc
无线网状网 WMN
4
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27
Nankai University
• 在蓝牙规范1.0版发表后不久，IEEE 802.15标准组决定采纳蓝牙规范作为基础 ，并开始对它进行修订； • 蓝牙规范已经有细致的规范，而且它是 针对整个系统的。从网络体系结构的角 度来看，它覆盖从物理层到应用层的全 部内容； • IEEE 802.15标准组仅对物理层和数据链 路层进行标准化，蓝牙规范的其它部分 并没有被纳入该标准。
直接序列扩频通信的工作原理示意图
a(t)
t c(t)
t d(t)
t
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9.3 无线城域网与802.16协议
宽带无线接入的基本概念 • 1999年7月， 802委员会成立一个工作组， 专门研究宽带无线城域网标准问题； • 2002年公布的 802.16标准全称是“固定带 宽无线访问系统空间接口” ； • 802.16协议标准也称为无线城域网 （WMAN ）或无线本地环路（wireless local loop）标准。
9.1.2 无线分组网与无线自组网
• 1972年在DARPA在启动ARPANET的研究计划 后， 又启动将分组交换技术移植到军用无线分 组网（PRNET）的项目； • DARPA在1983年启动残存性自适应网络（ SURAN）项目，研究如何将无线分组网技术 用于支持更大规模的网络； • 20世纪70年代末，美国海军研究实验室完成短 波自组织网络系统的研究； • 无线分组网的研究成果为无线自组网的发展奠 定良好的基础。
16
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红外局域网数据方式 • 定向光束红外传输 • 全方位红外传输 • 漫反射红外传输 典型的多种红外局域网应用系统的结构：
基站 基站
局域网
固定结点
基站
固定结点
对等通信 移动结点 移动结点
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扩频无线局域网
• 扩频通信是军事电子对抗中经常使用的一种方 法，它是以牺牲通信频带宽度为代价，提高无 线通信系统的抗干扰性与安全性； • 无线局域网主要采用跳频扩频与直接序列扩频 技术； • 扩频数字通信系统的基本结构：
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LR-WPAN网络的主要特点
• LR-WPAN网络是指在一个个人操作空间POS 内使用相同无线信道，并通过802.15.4标准通 信的一组设备的集合; • 在LR-WPAN网络中，根据设备具有的通信能 力分为2种类型：简易功能设备（RFD）和全 功能设备（FFD）; • RFD设备主要用于简单的控制应用，例如电灯 开关、被动式红外线传感器等，它需要传输的 数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多 ，可以采用非常廉价的实现方案;
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跳频扩频通信工作原理示意图
频率(f) T=400ms f8 f7 f6 f5 f4 f3 f2 f1 时间(t) t8 t7 t6 t5 t4
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t3
t2
t1
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工业、科学与医药专用ISM频段
• IEEE 802.11标准规定跳频通信使用免于申请的 2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段； • 跳频扩频通信数据传输速率为1Mbps或2Mbps； • 发送信号频率按固定的时间间隔从一个频率跳动 ，这个时间间隔称为驻留时间； • 802.11标准规定驻留时间为400ms； • 由于Ethernet最大长度为1526字节，如果发送速 率为1Mbps，发送一帧需要的时间为12.208ms， 因此在驻留时间为400ms内，可以发送大约32个 最大长度的Ethernet帧；
5
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9.1.3 无线自组网与无线传感器网络
• IEEE将无线自组网网络定义为一种特殊 的自组织、对等式、多跳、无线移动网络 ，称为移动无线自组网络（MANET）；
• 无线自组网技术向两个方向发展的趋势已 经明晰：一个方向是向军事和特定行业发 展和应用的无线传感器网络；另一个方向 是向民用的接入网领域发展的无线网状网 。
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由两个微微网组成的分散网结构
微微网1 微微网2 S S M S S S S M S S S
活动的从结点
作为桥的从结点
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静观状态的从结点
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9.4.2 无线个人区域网与IEEE 802.15.4标准
无线个人区域网的基本概念 • 用无线方法连接人们自身附近几米范围 内的手机、便携式计算机和移动办公设 备的网络叫做个人区域网络（PAN）或 无线个人区域网络（WPAN）； • IEEE 802.15.4标准是低速无线个人区域 网络（LR-WPAN）不同设备之间低速互 连的标准。
9.2.3 802.11的CSMA/CA基本工作原理
• 802.11结点发送数据帧的过程
源结点 目的结点 其它结点 …… DIFS
Data 信道忙 SIFS ACK
t
10
t
t
t
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CSMA/CA冲突避免的工作原理
DIFS PIFS 源结点 信道空闲 SIFS 发送第1帧 t SIFS 有帧要发送 目的结点 ACK帧 t DIFS PIFS 其它结点 NAV（信道忙） 推迟发送 有帧要发送 SIFS 等待重发 争用窗口 发送下一帧 t
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计算机网络技术教程
—自顶向下的分析与设计方法
吴功宜 吴英
编著
1
Nankai University
第9章 无线网络技术 的研究、应用与发展
2
Nankai University
主要内容
本章回答的主要问题是： ·无线网络技术是如何发展的？ ·无线局域网与802.11标准的基本内容是什么？ ·无线城域网与802.16协议的基本内容是什么？ ·蓝牙、无线个人区域网与802.15协议的基本内容是什么？ ·无线自组网的主要特点是什么？ ·无线传感器网络的主要特点是什么？ ·无线网状网的主要特点是什么？
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802.15.4协议的特点：
• 在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps 和250kbps三种不同传输速率； • 支持星形和点到点两种网络拓扑结构； • 使用16位和64位两种地址格式，其中64位 地址是全球惟一的扩展地址； • 支持冲突避免的载波多路侦听CSMA/CA 技术； • 支持确认(ACK)机制，保证传输可靠性。
局域网
AP
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单元
移动结点
移动结点
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9.2.2 802.11的层次模型结构
MAC层支持2种访问方式： • 无争用服务 • 争用服务
无争用服务 争用服务 点协调功能PCF MAC 分布协调功能DCF（CSMA/CD） 物理层
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9.4 蓝牙、ZigBee与802.15.4协议标准
9.4.1 蓝牙技术与协议 • 1999年7月， SIG公布蓝牙规范1.0版，卷 1是核心规范，卷2是协议子集； • 蓝牙技术最初的目标只是解决近距离数 字设备之间的无线连接，但是很快扩大 到无线局域网的工作领域中； • 这样的转变使标准更有应用价值，但是 也造成与IEEE 802.11标准竞争的局面。
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点协调功能帧间间隔（PIFS） • 点协调功能帧间间隔的长度等于SIFS值加一个 50μs的时间片值，跳频扩频通信FHSS的PIFS 值为78μs；
分布协调功能帧间间隔（DIFS）
• 分布协调功能帧间间隔最长，它等于在PIFS值 加一个50μs的时间片值，跳频扩频通信FHSS 的DIFS值为128μs。
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退避算法
• 802.11采用的是二进制指数退避算法； • 在第i次退避在22+i个时间片中随机选择一个， 如第1次退避是在8个时间片中随机选择5个时 间片，第2次退避是在16个时间片中随机选择 12个时间片； • 当一个结点使用退避算法进入争用窗口时，它 将启动一个退避计时器，按二进制指数退避算 法随机选择退避时间片的值； • 当退避计时器的时间为0时，结点开始发送； • 如果此时信道已经转入忙，则结点将退避计时 器复位后，重新进入退避争用状态。
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802.16宽带城域网结构
802.16
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802.16
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802.16基站
802.16基站
互联网
ISP
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IEEE 802.16标准体系
• 802.16标准的重点是解决城市范围内建筑物之间 的数据通信问题； • 802.16标准制定了工作在2～66GHz频段的无线接 入系统的物理层与介质访问控制MAC层规范； • 按802.16标准建立的无线网络覆盖一个城市的部 分区域，它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； • 802.16标准有两个物理层标准802.16d与802.16e； 802.16d主要针对固定的无线网络部署，802.16e针 对火车、汽车等移动物体的无线通信标准问题。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
帧间间隔的类型
• 短帧间间隔 • 点协调功能帧间间隔 • 分布协调功能帧间间隔 短帧间间隔（SIFS） • 短帧间间隔用于分隔属于一次对话的各帧，如 确认ACK帧； • SIFS的值与物理层相关，如红外无线IR的SIFS 值为7μs，直接序列扩频通信DSSS的SIFS值为 10μs，跳频扩频通信FHSS的SIFS值为28μs。
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无线自组网与无线传感器网络、无线网状网的关系
军用/特种用途 军用 无线分组网 PRNET 军用 无线自组网 Ad hoc 无线传感器 网络WSN 民用 无线网状网 WMN
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9.2 无线局域网与802.11标准
9.2.1 无线局域网的应用领域与协议制定的过程 • 典型的无线局域网结构
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蓝牙系统的体系结构
• 蓝牙系统的基本单元是微微网（piconet）； • 每个微微网都包含一个主结点，在10米距离内 最多7个活动的从结点，以及可以多达255个静 观结点（parked node）； • 静观设备除了响应主结点的激活或指示信号之 外，不做其它任何事情； • 在同一房间中可以同时存在多个微微络，它们 可以通过一个桥结点连接起来。两个相互连接 的微微网成为一个分散网（scatternet）。
发送端 随机数 产生器 信道 调制器 调制器 随机数 产生器 接收端
输入数据
信道 编码器
信道 编码器
输出数据
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跳频扩频通信（FHSS）
跳频扩频通信的技术特点： • 将可利用的频带划分成带宽相同的多个 子信道； • 每个信道的中心频率由伪随机数发生器 的随机数决定，变化的频率值称为跳跃 系列； • 发送端与接收端采用相同的跳跃系列。
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9.2.4 无线局域网的物理层传输技术
按无线信道的特点，无线局域网 可以分为：
• 红外局域网
• 扩频局域网
• 窄带微波局域网
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红外局域网 红外传播的基本特点 • 红外无线信号是按视距方式传播的，发 送结点与接收结点之间不能有阻挡。 红外局域网的优点： • 红外线频谱很宽，可以提供高数据传输 速率； • 红外通信安全性高； • 红外局域网设备简单，易于管理。
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直接序列扩频通信（DSSS）
直接序列扩频通信的技术特点：
• 待发送的数据经过伪随机数发生器产生 的伪随机码进行异或操作，再将异或操 作结果的数据调制后发送； • 所有接收结点使用相同的频段。 • 发送端与接收端是用相同的伪随机码。
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Nankai University
9.1 无线网络的基本概念
9.1.1 无线网络技术的分类
基于基础设施 的无线网络 无线网络城域网 WMAN 无线网络局域网 WLAN
无线网络
无线传感器网络 WSN
无基础设施 的无线网络
无线自组网 Ad hoc
无线网状网 WMN
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Nankai University
• 在蓝牙规范1.0版发表后不久，IEEE 802.15标准组决定采纳蓝牙规范作为基础 ，并开始对它进行修订； • 蓝牙规范已经有细致的规范，而且它是 针对整个系统的。从网络体系结构的角 度来看，它覆盖从物理层到应用层的全 部内容； • IEEE 802.15标准组仅对物理层和数据链 路层进行标准化，蓝牙规范的其它部分 并没有被纳入该标准。
直接序列扩频通信的工作原理示意图
a(t)
t c(t)
t d(t)
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9.3 无线城域网与802.16协议
宽带无线接入的基本概念 • 1999年7月， 802委员会成立一个工作组， 专门研究宽带无线城域网标准问题； • 2002年公布的 802.16标准全称是“固定带 宽无线访问系统空间接口” ； • 802.16协议标准也称为无线城域网 （WMAN ）或无线本地环路（wireless local loop）标准。
9.1.2 无线分组网与无线自组网
• 1972年在DARPA在启动ARPANET的研究计划 后， 又启动将分组交换技术移植到军用无线分 组网（PRNET）的项目； • DARPA在1983年启动残存性自适应网络（ SURAN）项目，研究如何将无线分组网技术 用于支持更大规模的网络； • 20世纪70年代末，美国海军研究实验室完成短 波自组织网络系统的研究； • 无线分组网的研究成果为无线自组网的发展奠 定良好的基础。
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红外局域网数据方式 • 定向光束红外传输 • 全方位红外传输 • 漫反射红外传输 典型的多种红外局域网应用系统的结构：
基站 基站
局域网
固定结点
基站
固定结点
对等通信 移动结点 移动结点
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扩频无线局域网
• 扩频通信是军事电子对抗中经常使用的一种方 法，它是以牺牲通信频带宽度为代价，提高无 线通信系统的抗干扰性与安全性； • 无线局域网主要采用跳频扩频与直接序列扩频 技术； • 扩频数字通信系统的基本结构：
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LR-WPAN网络的主要特点
• LR-WPAN网络是指在一个个人操作空间POS 内使用相同无线信道，并通过802.15.4标准通 信的一组设备的集合; • 在LR-WPAN网络中，根据设备具有的通信能 力分为2种类型：简易功能设备（RFD）和全 功能设备（FFD）; • RFD设备主要用于简单的控制应用，例如电灯 开关、被动式红外线传感器等，它需要传输的 数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多 ，可以采用非常廉价的实现方案;
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跳频扩频通信工作原理示意图
频率(f) T=400ms f8 f7 f6 f5 f4 f3 f2 f1 时间(t) t8 t7 t6 t5 t4
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工业、科学与医药专用ISM频段
• IEEE 802.11标准规定跳频通信使用免于申请的 2.4GHz的工业、科学与医药专用的ISM频段； • 跳频扩频通信数据传输速率为1Mbps或2Mbps； • 发送信号频率按固定的时间间隔从一个频率跳动 ，这个时间间隔称为驻留时间； • 802.11标准规定驻留时间为400ms； • 由于Ethernet最大长度为1526字节，如果发送速 率为1Mbps，发送一帧需要的时间为12.208ms， 因此在驻留时间为400ms内，可以发送大约32个 最大长度的Ethernet帧；
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9.1.3 无线自组网与无线传感器网络
• IEEE将无线自组网网络定义为一种特殊 的自组织、对等式、多跳、无线移动网络 ，称为移动无线自组网络（MANET）；
• 无线自组网技术向两个方向发展的趋势已 经明晰：一个方向是向军事和特定行业发 展和应用的无线传感器网络；另一个方向 是向民用的接入网领域发展的无线网状网 。
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由两个微微网组成的分散网结构
微微网1 微微网2 S S M S S S S M S S S
活动的从结点
作为桥的从结点
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静观状态的从结点
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9.4.2 无线个人区域网与IEEE 802.15.4标准
无线个人区域网的基本概念 • 用无线方法连接人们自身附近几米范围 内的手机、便携式计算机和移动办公设 备的网络叫做个人区域网络（PAN）或 无线个人区域网络（WPAN）； • IEEE 802.15.4标准是低速无线个人区域 网络（LR-WPAN）不同设备之间低速互 连的标准。
9.2.3 802.11的CSMA/CA基本工作原理
• 802.11结点发送数据帧的过程
源结点 目的结点 其它结点 …… DIFS
Data 信道忙 SIFS ACK
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CSMA/CA冲突避免的工作原理
DIFS PIFS 源结点 信道空闲 SIFS 发送第1帧 t SIFS 有帧要发送 目的结点 ACK帧 t DIFS PIFS 其它结点 NAV（信道忙） 推迟发送 有帧要发送 SIFS 等待重发 争用窗口 发送下一帧 t
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计算机网络技术教程
—自顶向下的分析与设计方法
吴功宜 吴英
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第9章 无线网络技术 的研究、应用与发展
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主要内容
本章回答的主要问题是： ·无线网络技术是如何发展的？ ·无线局域网与802.11标准的基本内容是什么？ ·无线城域网与802.16协议的基本内容是什么？ ·蓝牙、无线个人区域网与802.15协议的基本内容是什么？ ·无线自组网的主要特点是什么？ ·无线传感器网络的主要特点是什么？ ·无线网状网的主要特点是什么？