2.2 无线网络简介
无线网络是采用无线通信技术实现的网络，无线网络与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，无线网络利用无线电波取代网线，可以与有线网络互为备份。
2.2.1 概述
在实际应用中，无线网络既可以独立使用，也可以与有线网络互为备份。无线网络分为有基础设施网络和无基础设施网络两大类，如图2.18所示。
图2.18 无线网络的分类
有基础设施网络需要固定的设备，例如，移动通信网络，它就需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；又如，使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。
无基础设施网络又可分为移动Ad Hoc网络和无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）两类。移动Ad Hoc网络中各个无线节点可以自由、快速移动，以此通常也把无线Ad Hoc网络等同于移动Ad Hoc网络。WSN中的无线传感器节点是静止的，或者相对移动较慢。在WSN中，各个无线传感器节点可以随机部署在某个区域。各个无线传感器节点以无线自组织的方式构成多跳无线网络，节点间协同地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息。
无基础设施网络内的节点是分布式的、自组织、多跳的，常称为无线Ad Hoc网络或自组织网。无基础设施网络是由几个到上千无线节点组成的，节点间采用无线通信方式、动态组网、多跳的方式构建对等网络。在这种网络中，由于通信距离范围的有限性（几十米内），两个无法直接进行通信的节点可以借助其他节点进行分组转发。因此，每一个节点既可以采集并发送信息，同时又能完成到其他节点路由的功能。
针对实际无线组网的环境和相关特殊需求，不同技术的性能也各不相同，这就对实际的组网设备提出了较高的要求。通常，无线设备应该关注如下问题：
（1）无线网络性能要求。无线网络的标准非常多，在设备选型时，必须确定构建网络的技术标准，购置的设备必须满足这个技术标准。
（2）发射功率和接收灵敏度。无线电管理委员会规定无线设备的发射功率不能高于100 mW，通过增加发射功率来提高穿透能力、扩大无线覆盖范围将是违规行为。要提高无线设备的传输距离，接收灵敏度是一个重要指标。一般认为符合IEEE 802.11g标准的产品接收灵敏度为-85 dB，目前市面上的无线设备接收灵敏度最高可达-105 dB，每增加3 dB，无线的接收灵敏度提高一倍。
（3）兼容性。无线网络的技术标准较多，部分标准并不兼容。例如，符合IEEE 802.11b或IEEE 802.11g标准的设备，与符合IEEE 802.11a标准的设备是不兼容的，无法在同一网络中使用。虽然IEEE 802.11b和IEEE 802.11g标准可以兼容，但不同标准的设备在同一网络中使用只能以最低标准的性能来工作。因此要最大限度地发挥无线设备的性能，必须选择符合同一标准的无线设备来配套使用，这样不但可以避免兼容性问题，而且设备的性能会发挥得更加出色，解决方案也会更加完善。
（4）安全性。安全性是选择无线设备时必须要考虑的因素，无线数据很容易被截取，为此无线设备必须通过相关的安全措施来保证数据的安全性。无线产品必须提供IEEE 802.1X、MAC地址绑定、WEP、WPA、TKIP、AES等多种数据加密与安全性认证机制，以保证无线网络的安全性与保密性。对于诸如无线路由器、无线接入点AP等相关设备，必须提供防火墙等相关控制功能，以保证无线网络的可用性。
2.2.2 无线网络协议标准
网络协议是指在网络中传输、管理信息的一些规范。如同人与人之间相互交流是需要遵循一定的规则一样，计算机之间的相互通信需要共同遵守一定的规则，这些规则就称为网络协议。为各种无线设备相互通信而制定的规则称为无线网络协议标准。
电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）成立于1963年1月1日，自成立以来IEEE一直致力于推动电工技术在理论方面的发展和应用方面的进步。IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN标准委员会制定的局域网、城域网技术标准，其中最广泛使用的是无线局域网、以太网、令牌环等标准。
1.现有的IEEE 802系列标准
IEEE 802又称为LMSC（LAN /MAN Standards Committee，局域网/城域网标准委员会），致力于研究局域网、城域网的物理层和MAC层规范，对应OSI参考模型的最低两层。现有的IEEE 802系列标准如下：
● IEEE 802.1：局域网体系结构、寻址、网络互连。
● IEEE 802.2：逻辑链路控制（LLC）层的定义。
● IEEE 802.3：媒介访问控制（MAC）协议及物理层技术规范[2]。
● IEEE 802.4：令牌总线（Token-Bus）网的媒介访问控制协议及物理层技术规范。
● IEEE 802.5：令牌环（Token-Ring）网的媒介访问控制协议及物理层技术规范。
● IEEE 802.6：城域网媒介访问控制协议DQDB（Distributed Queue Dual Bus，分布式队列双总线）及物理层技术规范。
● IEEE 802.7：宽带技术咨询组，提供有关宽带连网的技术咨询。
● IEEE 802.8：光纤技术咨询组，提供有关光纤连网的技术咨询。
● IEEE 802.9：综合语音数据的局域网（IVD LAN）媒介访问控制协议及物理层技术规范。
● IEEE 802.10：网络安全技术咨询组，定义了网络互操作的认证和加密方法。
● IEEE 802.11：无线局域网（WLAN）的媒介访问控制协议及物理层技术规范的原始标准（数据传输速率为2 Mbps，工作在2.4 GHz）。
● IEEE 802.12：需求优先的媒介访问控制协议（100VG AnyLAN）。
● IEEE 802.13：未使用。
● IEEE 802.14：采用线缆调制/解调器（Cable Modem）的交互式电视媒介访问控制协议及网络层技术规范。
● IEEE 802.15：无线个域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）技术规范。
● IEEE 802.16：宽带无线连接工作组，开发2～66 GHz的无线接入系统空中接口。
● IEEE 802.17：弹性分组环（Resilient Packet Ring，RPR）工作组，制定了弹性分组环网的媒介访问控制协议及有关标准。
● IEEE 802.18：宽带无线局域网技术咨询组（Radio Regulatory）。
● IEEE 802.19：多重虚拟局域网共存（Coexistence）技术咨询组。
● IEEE 802.20：移动宽带无线接入（Mobile Broadband Wireless Access，MBWA）工作组。
● IEEE 802.21：媒介独立换手（Media Independent Handover）。
● IEEE 802.22：无线区域网（Wireless Regional Area Network）
● IEEE 802.23：紧急服务工作组（Emergency Service Work Group）
IEEE 802在无线网络领域主要有四个工作组：802.11、802.15、802.16、802.20，在每个工作组下又设置了任务组（TG）。
2.IEEE 802.11无线局域网协议标准
IEEE 802.11标准是IEEE于1997年制定的一个无线局域网（WLAN）协议的标准，工作在2.4 GHz的ISM频段，支持1 Mbps和2 Mbps的数据传输速率，主要对网络的物理层和媒介访问控制层进行了规定，其中重点是对媒介访问控制层的规定。
（1）IEEE 802.11标准。IEEE 802.11标准如表2.3所示。目前，大多数WLAN产品都符合IEEE 802.11标准。在IEEE 802.11标准中，IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g最具代表性。
表2.3 IEEE 802.11标准
（2）协议栈结构。IEEE 802.11标准主要由物理层和媒介访问控制层组成，其中物理层又可分为物理层汇聚（PLCP）子层和物理层媒介依赖（PMD）子层。IEEE 802.11标准参考模型如图2.19所示。参考模型中的各层之间、管理实体之间以及层与管理实体之间主要通过服务访问点进行访问，利用服务原语彼此建立联系。LLC层通过MAC层与对等的LLC层实体进行数据交换。本地MAC层利用下层的服务将一个媒介访问控制业务数据单元（MSDU）传给一个对等的MAC层实体，然后由该对等的MAC层实体将数据传给对等的LLC层实体。
图2.19 IEEE 802.11标准参考模型
IEEE 802.11标准规定了在MAC层中采用的两种媒介访问控制方式：分布式控制方式和中心控制方式。
3.IEEE 802.15系列标准
1998年，802.15工作组成立，专门从事无线个域网（WPAN）的标准化工作，其任务是开发一套适用于短距离无线通信的标准，通常我们称之为WPAN。WPAN和无线分布式感知/控制（WDSC）网络中的网络设备通常由不同的公司生产，所以一个统一的协议或标准显得尤其重要。
（1）IEEE 802.15标准。IEEE 802.15是WPAN标准，主要应用于小范围的无线网络。其中：
①IEEE 802.15.1标准又称为蓝牙（Bluetooth）标准，是为固定、便携以及移动设备在个人工作区范围内或进入个人工作区建立无线连接而制定的标准，工作频率为2.4 GHz。
②IEEE 802.15.2标准主要应用于公用ISM频段内无线设备的共存问题。
③IEEE 802.15.3a标准是超宽带（UWB）标准。
④IEEE 802.15.3b标准应用于高速WPAN，支持多媒体方面的应用。
⑤IEEE 802.15.4标准应用于低速率WPAN，数据传输速率为250 kbps，工作频率为2.4 GHz。
⑥IEEE 802.15.5标准主要研究如何使用无线个域网的物理层和MAC层支持网状网络，不再需要ZigBee或IP路由。网状网络在无线个域网中的应用具有很高的实践意义，它可以在不增加传输能量或不提高接收灵敏度的情况下拓展网络范围，可以通过增加迂回路由的方式来提高网络的可靠性，具有更简单的网络组成结构，可以通过减少重发的次数来提高电池的寿命。
⑦IEEE 802.15.6标准是为医疗和保健领域的应用制定的，它面向的是在人体周边构建的无线网络。例如，通过使用统一接口连接人体周围的多个传感器来监控住院患者，掌握其走路时的脂肪燃烧量。IEEE 802.15.6标准主要在人体周围使用，所以也称为BAN（Body Area Network，人体局域网），其网络拓扑结构（枢纽与各传感器节点的连接形态）仅限于星状，各节点的深度可以达到两层。BAN的传输距离最大约为2 m，传输可靠性高，严格的安全性、优先传输紧急数据等功能均为基本性能。
⑧IEEE 802.15.7标准是为无线网络可见光通信（Visible Light Communication，VLC）制定的一个标准。2011年9月，IEEE 802.15.7标准基本制定完成。可见光通信是借助光线传感器和快速切换发光设备的明暗来传输数据的。
（2）IEEE 802.15标准网络拓扑结构。与无线传感器网络技术基本一致的是802.15工作组所研究的无线个域网技术。无线个域网是针对低速率、低能耗、低成本的短距离无线通信设备之间实现信息交互的区域性连网技术，因此，无线个域网的标准化工作从一开始就纳入了传感器网络的范畴。
根据网络拓扑结构的不同，IEEE 802.15标准将无线网络分为集中式无线网络、分散式无线网络和分布式无线网络。
①集中式无线网络。网络中存在多个终端节点，它们同时与一个中心节点相连，不同终端节点之间的信息交互都必须通过中心节点来完成。在实际中，WSN就是一种典型的集中式无线网络。不同的无线传感器节点把各自的数据统一传输到中心节点（汇聚节点），然后由中心节点对数据进行集中处理。
②分散式无线网络。在分散式无线网络中，有三种类型的通信节点：AP-Master（AP）、AP-Client（UE）和Gate-Way（GW）。其中AP负责组网控制、接入控制、信道时隙资源分配、报文中继、路由等功能；UE是集中式无线网络中普通的通信节点；GW称为网关，又称为网间连接器、协议转换器。GW在传输层上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。GW既可以用于远程网络的互连，也可以用于局域网的互连。
③分布式无线网络。由分布在不同地点的节点以自组织的形式组成的对等网络称为自组织网络，网络中不存在中心节点，各个节点在网络中的地位都是一样的。网络中任意节点均至少与两条链路相连，当其中一条链路发生故障时，通信可转经其他链路完成，具有较高的可靠性。与集中式无线网络不同，由于分布式无线网络不存在中心节点，因而不会因为中心节点遭到破坏而造成整个系统的崩溃。
（3）IEEE 802.15.4标准的网络拓扑结构。IEEE 802.15.4是短距离无线通信的标准，是WSN通信协议中物理层与MAC层的一个具体实现。随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围之内通信的需求，即无线个域网。
IEEE 802.15.4是针对低速无线个域网（LR-WPAN）制定的标准，该标准把低能耗、低速率、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。IEEE 802.15.4标准的网络特征与WSN存在很多相似之处，所以许多研究机构把它作为WSN的无线通信平台。IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有以下特点：
● 在不同的载波频率下实现20 kbps、40 kbps和250 kbps三种不同的数据传输速率；
● 支持星状和点对点两种网络拓扑结构；
● 有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球唯一的扩展地址；
● 支持冲突避免的载波多路侦听技术（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）。
● 支持确认机制，可保证传输的可靠性。
IEEE 802.15.4标准在低速率的无线收发技术、电池可支撑的低功耗技术、低复杂性的组网技术等方面取得了广泛的认同。IEEE 802.15.4标准在2.4 GHz频段采用了键控（如O-QPSK）技术，MAC层提供星状、网状、簇-树的拓扑结构，节点的传输距离为10～100 m，数据传输速率为20～250 kbps。事实上，多数WSN研究开发的技术平台均基于IEEE 802.15.4标准，该标准已经成为WSN物理层和MAC层的事实标准。
在WPAN中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（Full-Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced-Function Device，RFD）。FFD之间以及FFD与RFD之间都可以通信，RFD之间不能直接通信，只能与FFD通信，或者通过一个FFD向外发送数据。这个与RFD相关联的FFD称为该RFD的协调器，RFD主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外传感器等，传输的数据量较少，传输资源和通信资源占用得不多，可用于低成本的实现方案。
在IEEE 802.15.4标准中，有一个称为PAN协调器（PAN Coordinator）的FFD，是LR-WPAN中的主控制器。PAN协调器（简称网络协调器）除了直接参与应用，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。无线信道的特性是动态变化的，节点位置或天线的微小改变、物体移动等周围环境的变化都可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围是不确定的，这就造成了LR-WPAN设备的数量以及它们之间关系的动态变化。
IEEE 802.15.4标准根据应用的需要既可以形成星状网络，也可以形成点对点网络。另外，还有一种簇-树（Cluster-Tree）网络，这种网络可以视为点对点网络结构的特殊情况。
（1）星状网络的形成。星状网络以网络协调器为中心，其他网络设备（FFD或RFD）要想加入网络或者与网络内其他设备通信都必须通过网络协调器，然后发送到指定的目标设备。网络协调器是FFD，其余的设备可以是FFD也可以是RFD。星状拓扑结构如图2.20（a）所示。
星状网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信，因此在星状网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。任何一个FFD都有可能成为网络协调器，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定。一种简单的策略是：一个FFD在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，这个FFD就可以成为这个网络中的普通设备；如果没有收到回应，或者认证不成功，这个FFD就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。当然，这里还存在一些更深入的问题：一个是网络协调器过期问题，如原有的网络协调器损坏或者能量耗尽；另一个是偶然因素造成多个网络协调器竞争问题，如移动物体的阻挡会导致一个FFD自己建立网络，当移动物体离开时，网络中将出现多个网络协调器。
网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，星状网络中的所有设备都用这个标识符来规定自己的属主关系。不同星状网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。如果星状网络中的两个设备需要相互通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。
在星状结构中，所有的设备都与网络协调器通信，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他的设备采用电池供电。星状网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。
（2）点对点网络的形成。点对点网络是无中心节点的网络，每个设备可以直接与其通信范围内的其他设备直接通信。这种网络允许以多跳路由的方式在任意设备之间传输数据，但必须在网络层定义相应的路由转发机制，这已超出了IEEE 802.15.4标准的内容。点对点网络因为不依赖特定的中心节点通信，资源利用更为公平。在点对点网络中，仍然需要一个网络协调器，不过该网络协调器的功能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册、媒介访问控制等基本的网络管理功能。点对点拓扑结构如图2.20（b）所示。
与星状网络不同，点对点网络中的任何两个设备只要彼此都在对方的通信范围之内，就可以直接通信。点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息、认证设备身份等功能。点对点网络可以支持Ad Hoc网络，允许通过多跳的方式在网络中传输数据。点对点网络可以构造更复杂的网络结构，适合设备分布范围广的应用，在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用前景。
（3）簇-树网络的形成。簇-树网络是点对点网络的一种特殊形式。在这种网络中，一个RFD总是作为一个叶节点连接到网络中，且仅与一个FFD相关联。簇-树网络的拓扑结构如图2.21所示。网络协调器首先将自己设为簇头（Cluster Header，CLH），并将簇标识符（CID）设置为0，作为网络中的第一个簇，同时为网络指定一个网络协调器ID。接着，网络协调器开始广播信标帧，邻近设备收到信标帧后就可以申请加入该簇。网络协调器可决定该设备能否成为簇成员，也可以指定一个设备成为邻近的新簇头，以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网络规模。过多的簇头会增加簇间信息传输的延时和通信开销。
图2.20 IEEE 802.10.4标准基本拓扑结构
图2.21 IEEE 802.15.4标准的簇-树网络
2.2.3 无线网络的分类
按覆盖范围来划分，早期的无线网络可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个域网。但近年来，随着移动通信技术的发展，远距离无线通信中的无线广域网和无线城域网已经被第二代（2G）、第三代（3G）、第四代（4G）和第五代（5G）移动通信系统所替代，相关内容详见本书4.7节。
1.无线局域网
（1）概述。无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是利用无线网络技术实现的局域网，它具备局域网和无线网络两方面的特征，即WLAN是以无线信道作为传输媒介实现的计算机局域网，它是采用射频（Radio Frequency，RF）技术、使用电磁波取代双绞线所构成的局域网络。
WLAN的传输范围为100 m左右，可用于单一建筑物或办公室之内。需要使用WLAN的场合主要包括不方便架设有线网络的环境、使用者经常需要移动位置和临时性的网络。WLAN技术可以使用户在本地创建无线连接，主要用于临时办公室、其他无法大范围布线的场所或用于增强现有的局域网，使用户可以在不同时间、在办公室的不同地方工作。WLAN的特点如下：
①WLAN中的设备众多、分布密度较高，具有灵活性和移动性。在无线信号覆盖区域内的任何一个位置的设备都可以接入WLAN。WLAN另一个优点在于其移动性，连接到WLAN的设备可以移动且能同时与网络保持连接。
②WLAN具备很强的容错能力，安装便捷。WLAN可以免去或最大限度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点就可建立覆盖整个区域的WLAN。
③WLAN中的设备之间采用自组织的通信方式，易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网，重新布线是一个成本高、费时、琐碎的过程，WLAN可以避免或减少以上情况的发生。
④故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明原因，而且检修线路的成本很高。WLAN则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。
⑤在WLAN中，设备的加入和离开没有严格的限制条件。
（2）WLAN组成结构。WLAN主要由无线网卡、无线接入点（AP）、无线网桥和客户终端等硬件设备组成，如图2.22所示。按照接口的不同，无线网卡可以分为台式机专用的PCI接口无线网卡、笔记本电脑专用的PCMICA接口无线网卡和USB无线网卡等。
图2.22 WLAN的组成示意图
无线AP不仅包含单纯的接入点，也是无线路由器、无线网关等设备的统称，无线AP能够将各个无线终端连接起来，提供无线终端对有线局域网以及有线局域网对无线终端的访问。在访问接入点覆盖范围内的终端可以通过无线AP进行相互通信。无线网桥是为使用无线进行远距离传输的点对点网络间互连而设计的，它是一种在链路层实现局域网互连的存储转发设备。无线网桥可以用于连接两个或多个独立的网络段，这些独立的网络段通常位于不同的建筑内，相距几百米到几十千米，可用于固定数字设备之间的远距离、高速无线组网。
基于IEEE 802.11标准的WLAN允许在局域网络环境中使用免授权的ISM频段中的2.4 GHz或5 GHz进行无线连接。WLAN广泛应用于从家庭到企业再到互联网的接入。
（3）WLAN的应用。
①简单的家庭WLAN应用。家庭WLAN可以提供较多的功能，如保护家庭网络远离外界的入侵；允许共享一个ISP（互联网服务提供商）的单一IP地址；可为4台计算机提供有线以太网服务；也可以和另一个以太网交换机或集线器进行扩展等功能。例如，目前基于5.8 GHz的、符合IEEE 802.11ac标准的Wi-Fi，理论上能够提供最少1 Gbps的带宽进行多站式无线局域网通信，或最少500 Mbps带宽的单一连线通信。
②小型WLAN的桥接应用。无线网桥可以在建筑物之间进行无线通信，操作距离可以超过15 km，普通无线网桥的数据传输速率为5～30 Mbps，而光纤网桥的数据传输速率为100～1000 Mbps。小型WLAN的连接示意图如图2.23所示。
图2.23 小型WLAN的连接示意图
③中型WLAN的桥接应用。中型WLAN通常简单地向所有需要无线覆盖的设施提供多个接入点，这种方法的成本低，但如果接入点的数量超过一定限度就变得难以管理。中型WLAN允许设备在接入点之间漫游，因为它们配置在相同的以太网中。从管理的角度看，每个接入点以及连接到它的接口都是被分开管理的。中型WLAN的连接示意图如图2.24所示。
图2.24 中型WLAN的连接示意图
④大型WLAN的桥接应用。交换无线局域网是WLAN的新的形式，其接入点由几个中心化的无线控制器进行控制，数据通过无线控制器进行传输和管理。这种情况下的接入点具有更简单的设计，可以简化复杂的操作系统，将复杂的逻辑嵌入无线控制器中。接入点通常没有物理连接到无线控制器，但是它们在逻辑上通过无线控制器进行交换和路由。交换无线局域网支持多个虚拟局域网（VLAN），数据以某种形式封装在“隧道”中，即使设备处在不同的子网中，从接入点到无线控制器也有一个直接的逻辑连接。大型WLAN的连接结构示意图如图2.25所示。
图2.25 大型WLAN的连接示意图
⑤应用案例。图2.26是智能社区系统组成示意图，它是融合了无线传感器网络（WSN）的一个社区局域网。智能社区系统利用现代无线通信技术、传感技术、射频识别技术（RFID）、信息处理控制技术、多媒体技术和网络系统，将各个分离的设备（如基站、个人计算机、智能终端），功能（如识别、数据传输）和信息（如环境检测量）等集成到相互关联、统一和协调的物联网系统中，从而实现社区内各种信息的采集、处理、传输、显示和高度集成共享，实现社区集中、高效、便利的管理，实现各种电气设备和安防设备的自动化、智能化监控，实现社区生活与工作的安全、舒适、高效。
图2.26 智能社区系统组成示意图
在实际应用中，WLAN的接入方式很简单，例如家庭WLAN，只需要一个无线接入设备（如路由器）、一个具备无线功能的计算机或终端（手机或平板电脑）。WLAN接入的具体操作如下：使用路由器将热点或有线网络接入家庭，按照互联网服务提供商（ISP）提供的说明书进行路由配置，配置好后在家中覆盖范围内（WLAN稳定的覆盖范围在20～50 m之间）放置接收终端，打开终端的无线功能，输入ISP给定的用户名和密码即可接入WLAN。WLAN的典型应用场景有大楼之间、餐饮及零售、医疗、企业、仓储管理、货柜集散场、监视系统、展示会场等。
2.无线个域网
无线个域网（WPAN）是一种覆盖范围相对较小的无线网络。在网络构成上，WPAN位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接。WPAN可以把属于个人使用的电子设备通过无线通信技术连接起来实现自组网络，不需要使用无线AP。
WPAN的出现比WSN早，通常定义为提供个人及消费类电子设备之间进行互连的短距离专用无线网络。WPAN专注于便携式移动设备（如个人计算机及其外围设备、PDA、手机、数码产品等消费类电子设备）之间的双向通信，其典型覆盖范围一般在l0 m以内，必须运行于免许可的无线频段。
WPAN实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低成本的电缆替代技术。WPAN工作在免许可的2.4 GHz的ISM频段。WPAN设备具有成本低、体积小、易操作和能耗低等优点。目前，两个主要的WPAN技术是蓝牙（Bluetooth）和红外。为规范WPAN的发展，IEEE已为WPAN成立了802.15工作组，此工作组正在发展基于Bluetooth技术的WPAN标准。
①低速WPAN。低速WPAN主要用于工业监控、办公自动化与控制等领域，其数据传输速率是2～250 kbps。低速WPAN的标准是IEEE 802.15.4，最新修订的标准是IEEE 802.15.4-2006。
ZigBee技术主要用于低速WPAN中的各种电子设备（固定的或移动的）之间的无线通信，其主要特点是通信距离短（10～80 m）、数据传输速率低、成本低。
②高速WPAN。高速WPAN用于在便携式多媒体装置之间传输数据，支持11～55 Mbps的数据传输速率，使用的标准是IEEE 802.15.3。IEEE 802.15.3a标准还提出了更高数据传输速率的物理层标准的超高速WPAN，它使用UWB（Ultra Wideband，超宽带）脉冲无线电技术。UWB工作在3.1～10.6 GHz的微波频段，具有非常高的信道带宽。超宽带信号的带宽应超过信号中心频率的25%以上，或信号的绝对带宽超过500 MHz。超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，可支持100～400 Mbps的数据传输速率，常用于小范围内高速传输图像或多媒体视频文件。
2.2.4 无线网络中的硬件接口设备
在无线网络中，常见的设备有无线网卡、无线接入点（Access Point，AP）、无线路由器、无线网桥、无线网关和无线天线等。
1.无线网卡
无线网卡的功能跟普通计算机的网卡一样，是用来连接局域网的。无线网卡是一个信号收发的设备，所有的无线网卡只能局限在WLAN的范围内。简单地讲，无线网卡就是不通过有线连接，采用无线信号进行连接的网卡。目前市场上的无线网卡根据用途和需求可分为PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡、USB接口无线网卡、MiniPCI无线网卡、CF卡无线网卡等类型。其中PCMCIA无线网卡和MiniPCI无线网卡仅适用于笔记本电脑，支持热插拔；PCI无线网卡适用于普通的台式计算机；USB接口无线网卡同时适用于笔记本电脑和台式计算机，支持热插拔；CF卡无线网卡适用于掌上电脑（PDA）。典型的无线路由器和无线网卡如图2.27所示。
图2.27 典型路由器和无线网卡实例
基于无线网卡应用的标准如下：
● IEEE 802.11a：使用5.8 GHz的频段，数据传输速率为54 Mbps，与IEEE 802.11b标准不兼容。
● IEEE 802.11b：使用2.4 GHz的频段，数据传输速率为11 Mbps。
● IEEE 802.11g：使用2.4 GHz的频段，数据传输速率为54 Mbps，向下兼容IEEE 802.11 b标准。
● IEEE 802.11n：使用2.4 GHz的频段，IEEE 802.11n标准可向下兼容，数据传输速率为300 Mbps以上。
● IEEE 802.11ac：使用5.8 GHz的频段，数据传输速率为1 Gbps，该标准是IEEE 802.11a标准的继承者。
2.无线接入点（AP）
无线AP就是无线局域网的接入点、无线网关，其主要功能是提供无线工作站对有线局域网的访问，以及有线局域网对无线工作站的访问。在无线AP覆盖范围内，无线工作站可以通过无线AP进行通信，相当于有线网络中的集线器。通俗地讲，无线AP是无线网络和有线网络之间沟通的“桥梁”。无线AP是移动设备进入有线网络的接入点，主要用于家庭宽带、大楼内部以及园区内部，目前主要的标准为IEEE 802.11。一般无线AP的最大覆盖范围可达300 m，数据传输速率高达1 Gbps。大多数的无线AP都支持多用户接入、数据加密、多速率发送等功能。在家庭和办公室内，一个无线AP可实现所有计算机的无线接入。无线AP的应用示意图如图2.28所示。
图2.28 无线AP的应用示意图
由于无线AP的覆盖范围是一个向外扩散的圆形区域，因此应当尽量把无线AP放置在无线网络的中心位置，而且终端与无线AP的直线距离最好不要超过30 m，以免因无线信号衰减过多而导致通信失败。
无线AP在无线网络中扮演着集线器的角色，相当于无线网络信号的发射“基站”，必须选择好安装位置才能不影响整个无线信号的稳定传输。无线信号在传输的过程中遇到障碍物，其强度就会衰减。特别是在遇到金属障碍物时，无线信号强度的衰减幅度会更大。为了避免无线信号遭受到外来障碍物的干扰，在安装无线AP时尽量将其安装得高一些，或者在障碍物的顶部再增加一个通信中继点，也可以利用铁塔来增加无线AP的室外天线高度，这样就能有效地消除终端与无线AP之间移动的或固定的障碍物，从而确保无线AP的信号覆盖范围足够大，无线网络的整体通信性能就会大大得到提升。
3.无线路由器
无线路由器是无线AP与宽带路由器的结合，它集成了无线AP的接入功能和路由器的的路径选择功能。借助于无线路由器，可以实现互联网和小区宽带等的无线共享接入。无线路由器通常拥有一个或多个以太网接口，无线路由器连接示意图如图2.29所示。如果在家庭中使用安装了双绞线网卡的计算机，可以选择多接口无线路由器，实现无线网络与有线网络的连接。在选择无线路由器时，要关注如下几个问题：
图2.29 无线路由器连接示意图
（1）根据实际需要选择无线路由器，不同的无线路由器的接入速度不同，价格上也有差异。
（2）无线设备通常用发射功率来衡量发射机的性能，发射功率的度量单位通常为dBm或mW，随着发射功率的增大，传输距离也会增大。
（3）无线路由器的天线增益越大，信号的收发性能就越好。目前市场上产品的增益多以2 dB和5 dB产品为主。
借助无线路由器可实现家庭无线网络中的互联网连接，实现ADSL和小区宽带的无线共享接入。另外，无线路由器可以把通过它进行无线连接或有线连接的终端分配到一个子网中，这样子网内的各种设备就可以非常方便地交换数据。也就是说，无线路由器就是无线AP、路由功能和交换机的集合体，支持通过有线组成同一子网。无线AP相当于一个无线交换机，连接在有线交换机或路由器上，可以为与无线AP连接的无线网卡从路由器那里分配IP（Internet Protocol，网际协议）地址。
无线路由器可以把两个不同物理位置、不方便布线的设备连接到同一局域网，还可以起到放大信号的作用，也可以把多个无线路由器连接到一起，以扩大信号的覆盖范围。
4.无线网桥
无线网桥用于连接两个或多个独立的网络，这些独立的网络通常位于不同的建筑内，相距可达几百米到几十千米。无线网桥广泛应用在不同建筑物间的互连。同时，根据协议不同，无线网桥又可以分为采用2.4 GHz频段的IEEE 802.11b、IEEE 802.11g和IEEE 802.11n标准的无线网桥，以及采用5.8 GHz频段的IEEE 802.11ac和IEEE 802.11n标准的无线网桥。采用IEEE 802.11n标准的无线网桥，其数据传输速率可达到300 Mbps以上。无线网桥有点对点、点对多点和中继桥接三种工作方式，特别适合城市中的远距离通信。点对多点无线网桥连接如图2.30所示。
图2.30 点对多点无线网桥连接
无线网桥通常是用于室外，主要用于连接两个网络。无线网桥功率大，传输距离远（最大可达约50 km），抗干扰能力强等，不自带天线，一般配备抛物面天线实现长距离的点对点连接。
5.无线网关
网关又称为网间连接器，用于在传输层上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，可实现两个或两个以上高层协议不同的网络互连。网关的功能类似于路由器设备，不同的是连接的网络层次。网关既可用于远距离网络互连，也可用于局域网互连，是一种充当协议转换角色的设备。
无线网关是指集成有简单路由功能的无线AP，无线网关既可以通过不同设置可完成无线网桥和无线路由器的功能，也可以直接连接外部网络（如WAN）。无线网关一般具有一个10 Mbps或10/100 Mbps的广域网（WAN）接口、多个（4～8）10/100 Mbps的局域网（LAN）接口、一个支持IEEE 802.11b、IEEE 802.11g或IEEE 802.11n标准的无线局域网接入点可实现网络地址转换功能（NAT），用于多用户的互联网共享接入。无线网关如图2.31所示。
图2.31 无线网关
6.无线天线
无线天线用于扩展无线网络的覆盖范围。当计算机与无线AP或其他计算机相距较远时，随着信号的减弱，数据传输速率会明显下降，甚至无法实现与无线AP或其他计算机之间通信，此时就必须借助无线天线对所接收或发送的信号进行放大。
无线天线有多种类型，可分为室内无线天线和室外无线天线。室内无线天线的优点是方便灵活，缺点是增益小，传输距离短。室外无线天线的优点是传输距离远，比较适合远距离传输。
（1）室内无线天线。
①室内全向天线。室内全向天线适合无线路由、无线AP等需要广泛覆盖信号的设备。室内全向天线可以将信号均匀分布在中心点周围360°的全方位区域，适用于距离较近、分布范围广，且数量较多的情况。室内全向天线如图2.32所示。
②室内定向天线。室内定向天线的能量聚集能力最强，信号的方向指向性也很好。在使用室内定向天线时应将其指向方向与接收设备的角度方位对准。室内定向天线如图2.33所示。
（2）室外无线天线。室外无线天线的发射功率较大，种类也比较多。常用的室外无线天线有室外定向双极化扇区天线和室外圆极化无线双频天线，如图2.34所示。
图2.32 室内全向天线
图2.33 室内定向天线
图2.34 室外无线天线
2.2.5 Ad Hoc网络简介
1.概述
Ad Hoc网络是一种自组织对等多跳移动通信网络，Ad Hoc网络中所有节点的地位都是平等的，无须设置中心节点。Ad Hoc网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发功能。与普通的移动网络和固定网络相比，Ad Hoc网络具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点。
Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，在Ad Hoc网络中，当两个节点在彼此的通信范围内时，就可以直接通信。但是由于节点的通信范围有限，如果两个相距较远的节点要进行通信，则需要通过它们之间的其他节点的转发才能实现。因此在Ad Hoc网络中，节点同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad Hoc网络中，节点的通信距离有限，路由一般都由多跳组成，数据通过多个节点的转发才能到达目的地，因此Ad Hoc网络也称为多跳无线网络。
Ad Hoc网络可以看成移动通信和计算机网络的结合，采用了计算机网络中的分组交换机制。作为一种新的组网方式，Ad Hoc网络具有以下特点：
（1）网络的独立性。Ad Hoc网络和常规通信网络的最大区别就是，Ad Hoc网络在任何时刻、任何地点不需要有线基础设施的支持，就可以快速构建起一个移动通信网络。Ad Hoc网络的建立不依赖于现有的有线基础设施，具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等。
（2）动态变化的网络拓扑结构。在Ad Hoc网络中，节点可以在网中移动，节点的移动会导致节点之间的通信链路增加或消失，使节点之间的关系不断发生变化。在Ad Hoc网络中，节点可能同时还是路由器，因此节点的移动会使网络拓扑结构发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言，其网络拓扑结构则相对比较稳定。
（3）无线信道带宽有限。由于Ad Hoc网络没有有线基础设施的支持，因此节点之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它提供的带宽相对于有线信道而言要小得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪声、干扰等多种因素，节点可得到的实际带宽远远小于理论带宽。
（4）节点能量有限。在Ad Hoc网络中，节点的能量主要由电池提供，具有能量有限的特点。
（5）网络的分布式特性。Ad Hoc网络没有中心节点，节点通过分布式协议互连。一旦网络中的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作。
（6）生存时间短。Ad Hoc网络主要用于临时通信，相对于有线网络，它的生存时间一般比较短。
（7）有限的物理安全。移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全的攻击，易遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。部分现有的链路安全技术已应用于无线网络，用于减小物理安全攻击。另外，Ad Hoc网络的分布式特性，使其相对于集中式网络而言具有一定的抗毁性。
2.Ad Hoc网络的体系和结构
从物理结构来看，Ad Hoc网络的节点可以分为单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台四种类型。手持设备一般采用单主机单电台类型，对于复杂的设备，如车载电台，一个节点可能包括通信车内的多个主机。多电台不仅可以用来构建叠加的网络，还可作为网关来连接多个Ad Hoc网络。
Ad Hoc网络中的节点不仅具备普通移动终端的功能，还具有报文转发的功能，即具备路由器的功能。就完成的功能而言，可以将节点分为主机、路由器和电台三部分。主机部分完成普通移动终端的功能，包括人机接口、数据处理等应用软件；路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发功能；电台部分为信息传输提供无线信道支持。
（1）Ad Hoc网络结构。Ad Hoc网络结构可分为完全分布式结构和分层分布式结构。完全分布式结构也称为平面结构或对等式结构，其结构简单，所有的节点在网络控制、路由选择和流量管理上都是平等的，健壮性高。但存在管理和控制的开销太大、难以扩充等缺陷，这种结构通常用于中、小型Ad Hoc网络。
分层分布式结构也称为分级结构。在分级结构中，网络被划分为簇，将整个Ad Hoc网络分为若干簇（Cluster），每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。
在分级结构中，簇头负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以根据算法自动产生。分级结构的网络又可以分为单频分级网络和多频分级网络两种。在单频分级网络中，所有节点使用同一个频率进行通信。为了实现簇头之间的通信，需要网关（同时属于两个簇的节点）的支持。而在多频分级网络中，不同级的网络采用不同的通信频率，低级的网络节点的通信距离较小，而高级的网络节点要覆盖较大的范围。高级的网络节点同时处于多个级的网络中，有多个频率，通过不同的频率实现不同级网络的通信。当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当网络的规模较大时，应采用分级结构。
（2）Ad Hoc网络体系。与普通网络相比，Ad Hoc网络的带宽和节点的能量比较紧缺，而节点的处理能力和存储空间相对比较充足，因此，应该尽量通过增加协议栈各层间的垂直交互来减少协议栈对等实体间的水平方向通信。
①分层体系结构。
● 物理层：负责频率的选择、无线信号检测、调制/解调、信道加/解密、信号发送和接收，以及确定采用何种无线扩频技术（如直接序列扩频、跳频扩频等）等工作。
● 数据链路层：可以细分为媒介访问控制层（MAC层，控制节点对共享无线信道的访问机制，如CDMA、轮询机制等）和逻辑链路控制层（LLC层，负责数据流的复用、数据帧检测、分组确认、优先级排队、差错控制和流量控制等）。
● 网络层：主要完成网络路由表的生成、维护，以及数据包的转发等功能。
● 传输层：向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网（最低三层）的细节相隔离，并根据网络层的特性来高效地利用网络资源。
● 应用层：提供面向用户的各种应用服务。
②跨层设计方法。为了高效地利用网络带宽和降低能耗，通常要求通信协议能适应不同的信道，充分利用动态变化的信道来提高各种应用的服务质量。考虑到网络的灵活性和性能之间的矛盾，要求Ad Hoc网络的协议栈尽量利用各层之间的相关性（主要包括各层的自适应性、通用系统约束和应用要求等），使其尽量集中在一个综合的分级框架中。跨层设计要求每层根据自身所需要的服务以及其他层反馈的信息等做出合理的反应，以达到自适应的要求。在目前的研究中，跨层设计已经成为主要的设计方案。
③分簇机制。对Ad Hoc网络进行分簇处理时，主要考虑的因素有节点数、移动性、发射功率、能耗、地理位置、簇头负载以及簇的稳定度和尺寸等，对分簇算法的评估主要有簇头数、网关数、节点重新加入簇的频率、簇头重新选举的频率、节点充当簇头的公平性指数（HFI）和网络负载平衡因子（LBF，定义为簇内成员节点数方差的倒数，值越小平衡性就越好）等指标。
3.Ad Hoc网络的应用
Ad Hoc网络的应用范围很广，总体上来说，主要用于以下场合：
（1）没有有线基础设施的地方。
（2）需要分布式特性的网络通信环境。
（3）现有有线基础设施不足，需要临时快速建立一个通信网络。
（4）作为生存性较强的后备网络。
4.WSN与Ad Hoc网络的区别
之所以强调两者的区别，是因为这两种网络都是典型的无线自组织多跳网络，从某种意义上来说，可以认为WSN源自Ad Hoc网络。
WSN与Ad Hoc网络的主要区别体现在如下几个方面：
①移动性。Ad Hoc网络是移动通信网络，主要用于支持手持式的移动设备，如个人数字处理（Personal Digital Assistant，PDA）等设备的无线连接。因此，对于Ad Hoc网络来说，必须能够很好地处理这些可移动节点间的组网问题。而WSN中的无线传感器节点虽然也可以移动，但这并非其主要的设计目的。因为在一般情况下，无线传感器节点在部署后几乎不移动，或很少移动。
②能量问题。WSN的设计初衷是解决在野外恶劣环境下工作的能量补给困难的问题，因此能量的利用效率往往关系到整个网络的寿命，是十分关键的问题。而Ad Hoc网络虽然也要考虑能量问题，但是并非关键问题。
③网络规模。WSN的应用往往是大型网络，具有大量的无线传感器节点，可能会比Ad Hoc网络高出若干数量级，因此，WSN一般情况下并不支持识别码。
④通信方式。WSN采用的是广播式的通信方式，而Ad Hoc网络一般采用点对点的通信方式。
⑤WSN中的无线传感器节点由于能量有限或者工作于野外恶劣环境下，经常失效，这会导致其网络拓扑结构频繁变化，而Ad Hoc网络则基本不需要考虑这一问题。