无线接入技术

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一、无线网络接入技术

二、WiFi技术

三、蓝牙技术

四、ZigBee技术

五、NB-IOT技术

六、LoRa/LoRaWAN技术

七、 Link WAN平台

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一、无线网络接入技术

1.概念：通过无线介质将用户终端与网络节点连接起来，以实现用户与网络间的信息传递。
2.类型：WiFi，ZigBee，LoRa
3.组成：无线网络用户、基站、无线连接、自组网
4.特点：
•信号强度衰减--无线信号能量随着传输距离增长而减弱。
•非视线传输---若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡，则称其为非视线传输。无线信号可能会被阻挡物吸收或迅速衰减。
•信号干扰---相同无线频段的信号会相互干扰，例如2.4GHz。外部环境的电磁噪声，例如微波炉、汽车、高压电线。
•多径传播---无线信号由于阻挡物的反射和折射，到达接收端的时间可能略微不同。
•隐藏终端（Hidden Terminal）问题
                C，B之间可通讯
                A，C之间不可通讯
                A，C可能同时向B传输且意识不到彼此之间的干扰
 

二、WiFi技术

1.概念：WiFi是一个国际无线局域网（WLAN）标准，全称为Wireless Fidelity，又称IEEE802.11b标准。WiFi最早是基于IEEE802.11协议，发表于1997年，定义了WLAN的MAC层和物理层标准。继802.11协议之后，相继有众多版本被推出，最典型的是IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、  IEEE802.11n、802.11ac 、802.11ax

IEEE 802.11协议	发布时间	频宽 （GHz）	最大带宽（Mbps）	调制模式
IEEE 802.11-1997	1997.6	2.4~2.485	2	DSSS (直接序列扩频)
IEEE 802.11a	1999.9	5.1~5.8	54	OFDM (正交频分复用技术)
IEEE 802.11b	1999.9	2.4~2.485	11	DSSS
IEEE 802.11g	2003.6	2.4~2.485	54	DSSS或OFDM
IEEE 802.11n	2009.10	2.4~2.485或5.1~5.8	100	OFDM
IEEE 802.11ac	2014.1	5.1~5.8	866.7	OFDM

2.系统组成
1)  网络拓扑结构
基础网---基于AP（无线接入点）组建的基础无线网络

自组网---仅由两个及以上STA组成，网络中不存在AP

 2）协议架构

 3.WiFi信道

•2.4GHz频段由于使用ISM频段，干扰较多。
•目前很多WiFi设备开始使用5.8GHz附近（5.725~5.850GHz）的频带，可用带宽为125MHz。
•该频段共划分为5个信道，每个信道宽度为20MHz，每个信道与相邻信道都不发生重叠，因而干扰较小。
•缺点：5.8GHz频率较高，在空间传输时衰减较为严重。如果距离稍远，性能会严重降低。

常用的一种2.4GHz信道划分如下：

802.11介质访问控制协议：
介质访问控制协议的目的：避免多个用户同时访问信道
CSMA（Carrier Sense Multiple Access）：用户在发送数据之前先监听信道，信道占用则不发送数据。
CA（Collision Avoidence）：冲突避免，要求建立数据链路层确认/重传机制以避免冲突。
CD（Collision Detected）：冲突检测。

802.11采用带冲突避免的载波监听多路访问协议（CSMA/CA），而以太网采用带冲突检测的多载波监听多路访问协议（CSMA/CD）。

CSMA/CA：信道访问机制
传输端：
•空闲信道
        若等待DIFS（分布式帧间间隙）后信道仍空闲，开始传输数据。
•繁忙信道
        ü随机退避
        ü若侦测到信道空闲，减少退避数值
        ü当退避时间结束后开始发送
        ü若没有收到ACK，增大退避间隔
接收端：
•接收到数据
        ü等待SIFS后发送ACK

RTS和CTS机制：预留通道
•为了避免冲突和“隐藏终端”，发送端可以请求预留信道而不是随机访问，通过RTS（Request to Send请求发送帧）和CTS（Clear to Send清除发送帧）实现。
•发送端
        •使用CSMA/CA向接入点发送RTS
•接入点
        •广播CTS
•接收到CTS的用户
        •RTS发送者发送数据
        •其它用户延后其发送

802.11数据帧结构

•三个地址域（地址1-3）在无线基本服务组和上层网络数据交换中起了至关重要的作用，用于802.11数据帧和以太网数据帧格式中地址域的转换。

WiFi网络安全机制：
•与有线网络不同，理论上无线电波范围内的任何一个站点都可以监听并登录无线网络，所有发送或接收的数据、都有可能被截取。
•为了使授权站点可以访问网络而非法用户无法截取网络通信，无线网络安全就显得至关重要。
•安全性主要包括两大部分
        访问控制（保证只有授权用户保证才能访问敏感数据）
        加密（只有正确的接收方才能理解数据）
•用户接入过程
        1. 发现可用网络
                        通过无线扫描的方式，可以发现可用网络无线扫描有主动扫描和被动扫描两种方式
                        主动扫描：速度快
                        被动扫描：耗时长，但STA节电
        2. 选择网络
                        当STA找到与其具有相同SSID的AP，在SSID匹配的AP中，选择一个网络，然后进入认证阶段。一般选择信号最强的AP或最近使用过的。
        3. 认证
        4. 关联

•认证和加密
        •认证是STA向AP证明其身份的过程
        •只有通过身份认证的站点才能进行无线接入访问
        •认证可以通过MAC地址进行，也可以通过用户名/口令进行
        •认证有开放系统认证和共享密钥认证两种
        •STA和AP均可通过解除认证来终结认证关系
                 •开放系统认证（Open-system authentication）：
                        •允许任何用户接入到无线网络中来
                        •等同于不需要认证，没有任何安全防护能力
                        •所有请求认证的STA都会通过认证

                •共享密钥认证（shared-key authentication）：
                        a) STA向AP发送认证请求
                        b) AP随机产生一个challenge包（即一个字符串）发送给STA
                        c) STA将接收到的字符串拷贝到新的消息中，用密钥加密后再发送给AP
                        d) AP接收到该消息后，用密钥将该消息解密，然后对解密后的字符串和最初给STA的字符串进行比较。相同则通过认证，不相同则认证失败。

WiFi的网络安全机制有认证和加密机制两种
•目前典型的认证和加密机制包括：
        •Open System：完全不认证也不加密，任何人都可以连到无线基地台
使用网络。
        •WPA： (WiFi Protected Access) ：WiFi保护访问
                        •WiFi商业联盟在IEEE802.11i草案基础上制定的一项无线局域网安全技术,目的在于替代传统的WEP安全技术，分为家用的WPA-PSK与企业用的WPA-Enterprise版本
                        •WPA-PSK使用临时密钥完整性协议(Temporal Key Integrity Protocol，TKIP)加密技术，很大程度上解决了WEP加密所隐藏的安全问题。
        •WPA2：•WPA2是WPA的加强版
                        •采用高级加密协议(Advanced Encryption Standard，AES)
                        •比WPA更难被破解，更安全
        •WPS：(Wired Equivalent Privacy)：有线等效加密
                        •最基本的加密技术
                        •使用RC4算法保证数据的保密性
                        •有64位密钥和128位密钥两种加密方式
                        •存在固有的缺陷：网络上每个客户或者计算机都使用了相同的保密字，网络偷听者能刺探到你的密钥，偷走数据并在网络上造成混乱
        •MAC地址过滤
        •WEP有线等效加密
        •SNMP协议

•关联
        如果用户想通过AP接入无线网络，必须同特定的AP关联。
                a)当用户通过网络名称选择指定网络并通过AP认证后，就可以向AP发送关联请求帧。
                b)AP将用户信息添加到数据库，向用户回复关联响应，此过程也常被称为注册。
                c)关联建立后，便可以传输数据。

用户每次只可以关联到一个AP上，关联总是由用户发起。

•关联：STA和一个AP建立关联后，后续的数据传输只能在两者之间进行。
•再关联：STA在从一个老的AP移动到新的AP时通过再关联和新的AP建立关联，再关联前必须经历认证过程。
•去关联：STA和AP均可以通过去关联和AP解除关联关系。
 
当STA扫描到信号更强的信的AP时，需先和原来的AP去关联，在才能和新的AP建立关联。

三、蓝牙技术

1.概述：
1）  技术规范

每个规范版本按通信距离可再分为Class1和Class2：
        •Class1：传输功率高、传输距离远，但成本高、耗电量大，不适合作为个人通信产品，多用于部分商业特殊应用场合，通信距离大约在80m~100m之间。
        •Class2：目前最流行的制式，通信距离大约在8~30m之间，视产品的设计而定，多用于手机、蓝牙耳机、蓝牙适配器等个人通信产品，耗电量和体积较小，方便携带。
 

 2）基本概念：
•主/从设备：蓝牙通常采用点对点的配对连接方式，主动提出通信要求的设备是主设备（主机），被动进行通信的设备为从设备（从机）。
•蓝牙设备状态：蓝牙设备有待机和连接两种主要状态，处于连接状态的蓝牙设备可有激活、保持、呼吸和休眠4种状态。
•对等网络Ad-hoc：蓝牙设备在规定的范围和数量限制下，可以自动建立相互之间的联系。由于网络中的每台设备在物理上都是完全相同的，因此又称为对等网。
•跳频扩频技术（FHSS）： 只有匹配接收机知道发射机的跳频方式，可以有效排除噪音和其他干扰信号，正确地接收数据。
•时隙：蓝牙采用跳频扩频技术，跳频频率为1600跳/秒，即每个跳频点上停留的时间为625 us，这625us就是蓝牙的一个时隙。
•蓝牙时钟：蓝牙时钟是蓝牙设备内部的系统时钟

3）蓝牙的目标
•在所有移动设备之间以及任何小范围内的各种信息传输设备、各种电器设备之间建立起无线连接。
        Ø统一各类电话
        Ø无线电缆工作环境
        Ø流动办公室
        Ø外设与主机无线连接
        Ø电子商务

2.蓝牙协议体系
蓝牙协议采用分层结构，遵循开放系统互联（OSI，Open System Interconnection）
参考模型：

 

3.蓝牙优势
主要有低成本，低功耗，实现小尺寸，点对点连接，语音与数据混合传输以及高抗干扰能力等。
具体以下几个方面：
开放性优势：支持企业多、协议公开无偿使用
成本优势：无需基站
便携式优势：体积小，功耗较小
频带优势：使用了跳频扩频技术
安全性优势：抗干扰能力强、保密性好

4.蓝牙状态
蓝牙设备主要运行在待机和连接两种状态。
•从待机到连接状态，要经历7个子状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主响应、从响应、查询响应。
•蓝牙设备默认的工作状态：待机
•一旦设备被唤醒，便处于连接状态，将在预先设定的32个跳频频率上接听信息。
•连接：

状态	描述
激活 （Active）	该模式下，主单元和从单元通过侦听、发送或者接收数据包而主动参与信道操作。主单元和从单元相互保持同步。

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