《无线网络原理》教学课件

无线网络原理欢迎来到《无线网络原理》课程！本课程专为计算机网络与通信工程专业本科生设计，旨在系统介绍无线网络技术的基础理论与应用在这个信息爆炸的时代，无线通信技术已成为连接世界的重要纽带从日常的连接到蜂窝移动网络，从物联网到卫星通信，无线网络无处WiFi不在，改变着我们的生活方式和工作模式本课程将带领大家深入了解无线网络的核心原理、关键技术和最新发展趋势，为你在年春季学期的学习之旅奠定坚实基础2025课程概述教学目标教材参考本课程旨在帮助学生全面掌握主要教材为《无线网络技术》现代无线网络的核心原理与应（第版），同时推荐多本国内5用技术通过系统学习，学生外经典参考书籍与最新学术论将理解无线通信基础、网络架文，帮助学生构建完整知识体构、接入技术以及典型无线网系，了解前沿发展动态络系统的工作机制，培养分析解决实际问题的能力课程安排总课时为学时，其中理论教学学时，实验教学学时理论与实483612践相结合，注重培养学生的动手能力和创新思维考核方式为期末考试（）、实验报告（）和平时表现（）70%20%10%第一章无线通信基础无线信道特征与建模电磁波传播特性探讨无线信道的统计特性和数学模无线通信系统组成学习电磁波在不同环境中的传播规型，掌握大尺度衰落和小尺度衰落无线通信发展历史深入分析现代无线通信系统的基本律，包括自由空间传播、反射、散的区别，学习各种典型信道模型及本节将带领学生回顾无线通信技术组成部分，包括发射机、接收机、射、衍射等现象，了解多径效应和其应用场景，为后续网络设计提供从马可尼的无线电报实验到现代天线系统和信道等关键环节，理解衰落机制，为理解无线信道特性奠理论支持网络的发展历程，了解重要历5G各部分的功能和工作原理，掌握系定基础史节点和技术突破，把握无线通信统整体架构发展的脉络和规律无线通信的发展历程年无线电报时代1895意大利物理学家马可尼成功进行了无线电报实验，实现了第一次无线电通信，开创了无线通信的新纪元这一突破为后续移动通信技术的发展奠定了基础年移动电话与系统1946-19911G年，第一代移动电话系统在美国圣路易斯问世随后经过数十年发展，年至19461979年间，以为代表的模拟蜂窝移动通信系统在全球陆续商用1991AMPS1G年与时代1991-20102G3G年至年，以和为代表的数字移动通信系统广泛应用年19912001GSM CDMA2G2001至年，系统（）实现了语音与数据业务的融20103G WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA合年至今普及与兴起20104G5G年至年，技术实现全球覆盖，带来了移动互联网的爆201020194G LTE/LTE-Advanced发式增长年以来，技术开始大规模商用部署，推动万物互联的新时代到20195G NR来电磁波传播特性自由空间传播电磁波在无障碍空间中的传播遵循平方反比定律，信号强度随距离增加而减弱在理想条件下，自由空间路径损耗与距离的平方成正比，与频率的平方成正比这种模型适用于卫星通信等视距传播场景反射、散射与衍射在实际环境中，电磁波会遇到建筑物、地形等障碍物，产生反射、散射和衍射现象反射发生在光滑表面，散射发生在粗糙表面，衍射则使信号能绕过障碍物传播这些现象共同导致了多径传播效应多径效应与衰落多径传播使接收端同时收到多个不同路径的信号副本，它们的相位、幅度各不相同，相互叠加可能产生建设性或破坏性干扰，导致信号强度快速波动，这就是小尺度衰落现象路径损耗模型实际无线通信系统中常用多种路径损耗模型预测信号衰减，如模型适用于宏Okumura-Hata蜂窝环境，模型适用于城市微蜂窝，而室内环境则有专门的室内传Cost231-Walfish-Ikegami播模型无线信道特性大尺度衰落小尺度衰落信道容量与均衡技术大尺度衰落由路径损耗和阴影效应共小尺度衰落是由多径传播引起的信号香农公式为无线信道容量提供了理论同构成路径损耗反映了电磁波随传快速波动，可分为频率选择性衰落和上限₂，其中为C=B·log1+SNR B播距离增加而能量减弱的规律，通常时间选择性衰落两类前者导致不同带宽，为信噪比实际系统中，SNR与距离的次方成正比频率分量经历不同衰落，后者则由于信道估计与均衡是克服信道衰落的关n移动性引起信道时变特性键技术阴影效应则是由于地形、建筑物等大型障碍物引起的信号长期波动，通常瑞利分布和莱斯分布是描述小尺度衰常用的均衡技术包括线性均衡、判决用对数正态分布描述大尺度衰落决落的常用统计模型小尺度衰落影响反馈均衡和最大似然序列估计等定了无线系统的覆盖范围系统的可靠性和传输质量技术则通过将宽带信道分割为OFDM多个窄带子信道来应对频率选择性衰落第二章无线网络体系结构七层模型与无线网络OSI无线网络的分类分析参考模型在无线网络中的应用OSI从覆盖范围、拓扑结构等多维度分类与特点异构网络整合集中式与分布式架构探讨不同无线技术的融合与互操作比较两种架构的优缺点与适用场景本章将深入探讨无线网络的体系结构，从七层模型在无线环境中的实现开始，分析无线网络特有的协议层次和接口定义我们OSI将学习无线网络的多种分类方法，理解各类网络的特点与应用场景同时，本章还将对比集中式和分布式两种主要架构的优缺点，探讨异构网络整合的关键技术与挑战无线网络分类按覆盖范围分类按拓扑结构分类按频谱使用分类无线个人区域网覆盖范围通基础设施型网络依赖中心节点（如基授权频段网络使用需获得监管机构许•WPAN••常在米以内，如蓝牙、站、接入点）协调通信可的频段，如蜂窝网络10ZigBee无线局域网覆盖范围在米自组织型网络无中心节点，各节点对免授权频段网络使用开放频段，如•WLAN100••左右，如等通信，如网络、的网络Wi-Fi Ad Hoc

2.4GHz5GHz Wi-Fi无线城域网覆盖范围在数千混合型网络结合上述两种特点，如无共享频谱网络采用动态频谱接入技•WMAN••米，如线网络术，如认知无线电网络WiMAX Mesh无线广域网覆盖范围可达数•WWAN十公里，如蜂窝移动网络无线个人区域网络WPAN代表技术蓝牙广泛应用于手机、耳机•Bluetooth技术特点等消费电子短距离通常覆盖范围在米以内•10低速率、低功耗，适用于传感器•ZigBee低功耗设备电池可持续工作数天至数月网络•低数据率最高支持到左右超宽带技术，提供高数据率短距离•3Mbps•UWB传输简单组网点对点或星型拓扑结构•近场通信，用于非接触式支付等场•NFC景关键指标典型应用覆盖范围通常为米智能穿戴智能手表、健康监测设备•1-10•数据率从几到不等智能家居智能照明、家电控制•Kbps3Mbps•功耗低至级别医疗监护远程病患监测系统•μW•延迟毫秒级响应时间工业传感工厂设备状态监测••无线局域网WLAN技术特点系列标准网络架构关键指标IEEE

802.11无线局域网提供中等覆盖从最初的年主要有三种网络结现代系统覆盖范围

802.111997WLAN WLAN范围和高数据率，适用于到最新的构基本服务集由一通常为米左右，数据率

802.11axWi-Fi BSS100室内和小范围室外环境和，个接入点和多个客户端组最高可达

6802.11beWi-Fi7它使用免授权频段标准不断演进，数据率从成；扩展服务集将多，支持ESS

9.6Gbps

802.11ax，提升至数十，个通过分布式系统连数十至数百用户同时接

2.4GHz/5GHz/6GHz2Mbps GbpsBSS采用机制进行媒同时改进了频谱效率、覆接；独立基本服务集入，并能提供毫秒级的延CSMA/CA体访问控制，支持移动性盖范围和多用户支持能则是无需接入点的迟性能和基础的服务质量IBSS和灵活组网力对等网络保障无线城域网WMAN广域覆盖单基站覆盖半径公里5-8高速数据传输最高支持数据率1Gbps城市级应用适用于城市公共网络建设无线城域网是覆盖范围在城市级别的无线网络技术，主要代表是标准定义的技术它填补了与之间的覆WMAN IEEE

802.16WiMAX WLANWWAN盖空白，为城市提供了高效的宽带无线接入解决方案技术采用和等先进技术，支持非视距传输，提供高达的数据传输速率其网络架构包括基站和用户终端两部分，可通过WiMAX OFDMMIMO1Gbps点对多点模式高效服务多个用户在部署策略上，既可作为固定宽带接入的替代方案，也可提供有限移动性支持尽管在部分地区被等移动通信技术所替代，在特定场景如智慧城市基础设施、应急通信系统等领域仍有重要应用价值LTE WMAN无线广域网WWAN卫星通信网络实现全球覆盖的无线通信系统蜂窝移动通信系统覆盖范围达数十公里的地面网络演进2G/3G/4G/5G从语音到超高速数据的技术发展无线广域网是覆盖范围最广的无线网络类型，主要包括蜂窝移动通信系统和卫星通信网络两大类蜂窝网络采用小区划分和频率复用技术，有效WWAN提高了频谱利用率，支持用户在广大区域内无缝移动通信蜂窝移动通信技术经历了从到的长期演进实现了模拟语音通信；开启了数字化时代；首次有效支持移动互联网；建立了全网络架1G5G1G2G3G4G IP构，大幅提升数据速率；则进一步拓展了应用场景，支持增强移动宽带、海量机器通信和超可靠低时延通信5G卫星通信网络利用空间卫星作为中继站，可覆盖地球表面任何角落，在海洋、沙漠、极地等传统网络无法覆盖的区域具有不可替代的作用新一代低轨卫星星座如正在改变卫星通信的成本和性能格局Starlink第三章多址接入技术频分多址时分多址码分多址FDMA TDMACDMA频分多址技术将可用频谱分割为多个互时分多址技术让多个用户在同一频段上码分多址利用扩频技术，为每个用户分不重叠的频道，每个用户独占一个频道按时间分时共享信道资源它提高了频配唯一的扩频码，实现在同一时间同一进行通信这种技术实现简单，用户间谱利用率，能灵活分配时隙资源，但要频段上的多用户通信它具有优异的抗干扰小，但频谱利用率较低，难以适应求严格的时间同步，且存在一定的时干扰性能和容量弹性，但技术复杂度突发业务需求延高，功率控制要求严格技术原理FDMA频谱划分将整个系统可用频带划分为多个窄带子信道，每个子信道由一个用户独占使FDMA用每个子信道之间通常设置保护频带，以避免相邻信道之间的干扰在典型的系统中，子信道带宽为FDMA10-30kHz信道滤波为了确保各用户信号互不干扰，系统在发射端和接收端都需要严格的带通滤波FDMA器这些滤波器保证了用户信号被限制在分配的频带内，同时过滤掉来自其他用户的信号干扰持续传输在系统中，一旦分配到频道，用户可以在整个通信过程中持续占用该频道这FDMA种特性使非常适合语音等持续性业务，但对于突发性数据业务效率较低，因为FDMA即使用户没有数据传输，频道仍被占用应用实例技术在模拟蜂窝系统如中得到广泛应用虽然作为单独的多址技术已FDMA1GAMPS较少使用，但的概念仍被融入现代系统中，如技术就是与FDMA OFDMAFDMA OFDM技术的结合，在和系统中发挥重要作用4G5G技术原理TDMA12时间分片时间同步将单个频道在时间维度上划分为多个重复的时隙，每个用户在分配的时隙内传输数系统要求精确的时间同步，确保各用户在正确的时隙内传输，避免相互干扰同步通TDMA TDMA据一个完整的时隙序列构成一个帧，典型的帧长度为几毫秒到几十毫秒常通过基站发送的同步信号或等外部时钟源实现TDMA GPS34突发传输应用GSM与不同，用户只在分配的时隙内传输数据，其他时间可以执行信号处理或节省是技术最成功的应用案例，它将每个频道分为个时隙，支持个用户同FDMA TDMAGSM TDMA200kHz88功耗这种突发传输模式需要更高的瞬时功率，但平均功耗可能更低时通信也被用于无绳电话和部分卫星通信系统TDMA DECT技术原理CDMA扩频技术码分离原理特性与应用CDMA的核心是扩频技术，它使用比系统中，多个用户共享同一频具有软容量特性，系统容量随CDMA CDMACDMA原始信号带宽宽得多的频谱传输信段和时间资源，依靠码序列的正交性着干扰增加而平滑下降，而非硬性限息每个用户被分配一个唯一的伪随实现信号分离理想情况下，不同用制它支持软切换，使移动终端可同机码序列扩频码，发送信息时通过与户的码序列相互正交，接收端可以准时与多个基站通信，提高了切换可靠该码序列相乘将窄带信号扩展到宽带确分离目标用户信号性信号实际系统中，由于多径传播等因素，技术在和CDMA IS-95cdmaOne扩频后的信号具有类似噪声的特性，码序列之间存在一定相关性，造成多系统中得到广泛WCDMA3G UMTS使其对其他用户几乎透明，同时具有址干扰为减轻此问题，系统应用尽管系统主要采用CDMA4G/5G较强的抗干扰和抗窃听能力接收端采用各种高级接收技术，如接收，的概念仍在多种场景RAKE OFDMACDMA使用相同的码序列恢复原始信号机和干扰消除中使用，如多用户中的空间码MIMO分多址技术原理OFDMA频域和时域资源灵活分配支持动态调度满足不同用户需求高频谱效率与抗多径能力有效利用频谱资源并克服信道衰落正交子载波多址分离基础技术原理确保用户间干扰最小化技术是与多址接入的结合，它在的基础上实现了多用户共享频谱资源将宽带信道分为多个窄带正交子载波，而则进一步OFDMA OFDM OFDMOFDMOFDMA允许这些子载波被不同用户动态分配系统可根据用户的服务需求、信道条件等因素灵活分配子载波资源在系统中，资源分配通常以资源块为单位，每个资源块包含一定数量的子载波和时间符号资源调度是系统的核心功能，通OFDMA ResourceBlock OFDMA过智能调度算法可以显著提高系统容量和用户体验特别适合频率选择性衰落信道，可以避开信道条件较差的频点，实现频率分集增益OFDMA尽管具有诸多优点，它也面临一些挑战，如对频率偏移敏感、功率放大器效率低等然而，其综合性能使它成为现代无线通信系统的主流技术，广泛应OFDMA用于、、等系统LTE5G NRWi-Fi6第四章无线局域网技术本章将深入探讨无线局域网技术，特别是标准及其实现技术我们将详细分析的发展历程、技术演进和工作原理IEEE

802.11WLAN从网络架构的基本模式到层协议的工作机制，从物理层调制技术到最新的多天线技术，全面掌握现代系统的设计原理与技MAC WLAN术特点通过本章学习，学生将理解无线局域网作为目前最普及的无线接入技术之一，如何实现高速、可靠的无线连接，以及面临的技术挑战与解决方案同时，了解从初代标准到最新的技术创新，为后续学习更高级无线网络技术打下基础

802.

11802.11axWi-Fi6标准演进IEEE

802.11初代标准1997首个标准发布，工作在频段，支持和数据IEEE

802.

112.4GHz1Mbps2Mbps率，采用和两种物理层技术这一标准奠定了的基础架FHSS DSSSWLAN构，但速率有限高速扩展1999-2003提升下速率至；首次使用

802.11b

19992.4GHz11Mbps

802.11a19995GHz频段和技术，实现；将引入，兼OFDM54Mbps

802.11g2003OFDM

2.4GHz时代MIMO2009容的同时达到b54Mbps引入多输入多输出、信道绑定和帧聚合技术，支持和

802.11n MIMO

2.4GHz双频段，最高数据率提升至，显著改善了覆盖范围和可靠性5GHz600Mbps千兆级WLAN2014-2021引入宽信道、高阶调制和，速率达；

802.11ac2014MU-MIMO

6.9Gbps通过和空间复用进一步提升效率，特别是高密度场景

802.11ax2021OFDMA性能，最高支持

9.6Gbps网络架构WLAN基本服务集扩展服务集独立基本服务集BSS ESSIBSS是的基本构建单元，将多个通过分布式系统也称为模式，是无BSS WLANESS BSSIBSS Ad Hoc由一个接入点和多个关联的连接起来，形成更大的网络需的对等网络所有站点直接AP DSAP客户端组成充当中央控制覆盖各的通常连接到同相互通信，适合临时快速建立的AP BSSAP器，负责协调所有通信，提供与一有线网络骨干，实现漫游功小型网络缺乏中央协调，IBSS有线网络的连接所有客户端通能使用相同的，客户功能受限，但部署简单，适用于ESS SSID过相互通信，形成星型拓扑结端可在不同之间无缝切换，保会议室、应急场合等特定情境AP AP构持网络连接网格BSS网格是标准BSSMBSS

802.11s引入的新型架构，支持之间形AP成无线网络各通过无Mesh AP线链路互联，实现多跳通信，减少有线回程需求这种架构提高了部署灵活性和网络韧性，适合覆盖广泛区域协议WLAN MAC分布式协调功能DCF是的基本接入方法，基于机制在发送数据前，站点先DCF WLANCSMA/CA监听信道；若空闲，等待后进入退避流程；若忙，等待直到信道空闲退DIFS避计时器随机选择值，避免冲突接收方成功接收后发送确认还可ACK DCF选使用机制解决隐藏终端问题RTS/CTS点协调功能PCF是一种可选的集中式控制机制，由定期发送信标帧开始无竞争期，PCF AP然后轮询各站点是否有数据发送与交替工作，保证向后兼容PCF DCF可提供确定性访问，适合实时业务，但实际部署较少，因为实现复杂PCF且效率问题混合协调功能HCF是引入的增强机制，包括和两部分HCF

802.11e QoSEDCA HCCA基于，为不同优先级流量提供不同参数；EDCA DCFAIFS,CW,TXOP基于，但提供更精细的服务参数和调度机制使HCCA PCFHCF WLAN能够支持语音、视频等对延迟敏感的应用物理层技术WLAN技术技术DSSS OFDM直接序列扩频技术在早期和标准中使用它通过伪随正交频分复用从开始广泛应用它将高速数据流分割为多DSSS

802.

11802.11b OFDM

802.11a/g机码序列扩展数据信号带宽，提高抗干扰能力扩频过程使信号能量分散在个低速子流，在不同子载波上并行传输子载波间正交设计消除了干扰，同较宽频带，减轻了窄带干扰和多径衰落影响虽然抗干扰性好，但频谱效率时保持高频谱效率特别适合抵抗频率选择性衰落和多径传播，是现OFDM较低代的基础技术WLAN技术与MIMO MU-MIMO OFDMA多输入多输出技术自引入，通过多天线同时发送和接收提高多用户允许同时向多个用户发送数据，而则实MIMO

802.11n MIMOMU-MIMO APOFDMA数据率和可靠性它利用空间多路复用传输多个数据流，显著增加信道容现子载波级别的多用户资源分配这两项技术在中结合使用，大幅

802.11ax量波束赋形技术则通过控制多天线信号相位，将能量集中在期望方向，提提升了高密度场景下的系统效率，使每个用户获得更一致的服务体验高信号质量和覆盖范围第五章蜂窝移动通信网络蜂窝网络基本概念本节将介绍蜂窝网络的基本设计理念，包括小区划分、频率复用和容量规划等核心概念我们将分析蜂窝结构如何有效提高频谱利用率，不同类型小区的特点与适用场景，以及解决干扰问题的关键技术移动通信系统演进从到的技术演进路径展示了移动通信从简单语音到全面数据业务的发展历程每一代技1G5G术都有其独特特点和创新点，我们将分析这一演进过程中的技术突破和市场驱动因素网络架构与功能实体现代蜂窝网络由复杂的功能实体组成，形成层次化的网络架构我们将详细介绍和4G LTE5G的网络架构，分析各功能实体的作用和相互关系，理解控制面和用户面分离的设计思想NR移动性管理移动性是蜂窝网络的核心特性，有效的移动性管理确保用户在移动过程中保持服务连续性我们将学习小区选择、切换、位置更新等关键技术，理解如何在确保服务质量的同时优化网络资源利用蜂窝网络基本概念蜂窝结构与频率复用小区类型与层级结构多小区协调技术蜂窝网络将覆盖区域划分为六边形小根据覆盖范围和部署环境，蜂窝网络为了提高系统性能，现代蜂窝网络引区，每个小区由一个基站服务相邻中的小区可分为宏蜂窝、微蜂窝和皮入了多种小区协调技术协调多点传小区使用不同频率以避免干扰，而相蜂窝宏蜂窝覆盖范围大，输接收允许多个基站协同为1-30km/CoMP距足够远的小区可重复使用相同频适合广域覆盖；微蜂窝覆盖范围中等一个用户服务，减少小区边缘干扰，率，形成频率复用模式，适合城区高容量需求；提高边缘用户性能100m-1km皮蜂窝覆盖最小，用于室内10-100m常见的频率复用因子包括、、等，增强型小区间干扰协调通过时347eICIC或热点区域复用因子越小，频谱利用率越高，但域、频域或功率域的资源协调，减轻同频干扰风险也越大现代系统如多层次蜂窝网络将不同类型小区叠加宏小区与小小区之间的干扰载波聚采用频率复用因子为的设计，通部署，优化覆盖和容量，满足不同场合技术则允许跨多个频带聚合资LTE1CA过先进干扰管理技术控制干扰景需求网络中的异构网络源，提高峰值数据率和频谱利用效5G正是基于这一概念设计率HetNet移动通信系统演进模拟语音1G世纪年代，第一代移动通信系统、等采用模拟调制技术，仅提供语音服务，安全性低，频谱效率差然而，它首次实现了大规模移动电话服务，2080AMPS TACS开创了移动通信时代数字化转型2G世纪年代，、等技术实现了数字化，带来更好的语音质量、更高安全性和初步的数据服务、数据和进2090GSM CDMA2G SMS

9.6kbps

2.5GGPRS

2.75GEDGE一步提升了数据能力多媒体时代3G世纪初，、、等技术将数据速率提升到数百至数，首次有效支持移动互联网和视频通话等多媒体应用，开启了移动21WCDMA CDMA2000TD-SCDMA3G kbpsMbps数据业务爆发的前奏移动宽带4G年代，和建立全网络架构，峰值速率达数百至，支持高清视频流、在线游戏等高带宽应用，推动了智能手机和移动应用生态2010LTE LTE-Advanced IPMbps1Gbps的繁荣万物互联5G年始，技术扩展了三大应用场景增强移动宽带、海量机器通信和超可靠低时延通信，支持从高速率到百万设备20195G NReMBB mMTCURLLC10Gbps/km²连接密度的多样化需求网络架构4G LTE演进分组核心网关键网元功能EPC全架构，高效处理数据业务移动性管理与安全控制•IP•MME平面化架构特点支持与非网络互通用户面数据转发与锚点•3GPP•S-GW提供保障和移动性管理连接外部网络，分配基站直接连接核心网，减少节点层•QoS•P-GW IP•无线接入网E-UTRAN级控制面与用户面功能分离用户数据库，认证中心••HSS由演进型基站组成•eNodeB控制面和用户面分离，提高扩展性•负责无线资源管理•eNodeB支持接口实现基站间通信分布式架构，降低网络延迟•X2•通过接口与核心网连接简化网络结构，提高可靠性•S1•网络架构5G NR12服务化核心网接入网5GC NG-RAN核心网采用服务化架构，将网络功能实现为微服务，通过标准化接口交互这种设新一代无线接入网包含两种节点基站和升级的基站支持5G SBAgNB5Gng-eNB4GgNB5G计提高了灵活性和可扩展性，支持网络功能的独立升级和部署，加速了新业务引入空口，提供更高带宽和更低时延与通过接口连接，基站间通过接NR NG-RAN5GC NGXn口互联34关键网元功能网络切片技术接入和移动性管理功能负责注册、连接和移动性管理；会话管理功能处理引入网络切片概念，在共享物理基础设施上创建多个虚拟端到端网络，每个切片针对特AMFSMFPDU5G会话建立和控制；用户面功能负责数据包路由、实施和流量监测等用户面处定业务类型优化通过网络切片选择功能和切片差异化配置，满足不同行业多样化QoS UPFQoS NSSF理需求移动性管理移动性管理是蜂窝网络的核心功能，确保用户在移动过程中保持业务连续性小区选择与重选机制使终端在空闲状态下选择最佳服务小区选择过程基于信号质量、小区优先级等多种因素，遵循网络定义的规则，并通过周期性测量不断优化切换技术处理终端在活动状态下的小区变更现代蜂窝网络支持多种切换类型，如硬切换、软切换和更高级的协作切换切Handover MIMO换决策基于测量报告、负载均衡和服务质量需求，可配置参数包括切换门限、迟滞参数和时间触发器等位置更新与寻呼机制跟踪空闲状态终端位置网络将覆盖区域划分为位置区或跟踪区，终端根据网络配置定期或在跨区移动时更新位置信息当有下行数据到达时，网络通过寻呼程序在终端最后注册的区域寻找目标设备，建立连接第六章无线网络Ad Hoc网络概述Ad Hoc本节将介绍网络的基本概念和特性，包括自组织、自配置和多跳通信等核心Ad Hoc特点我们将分析这种无需固定基础设施的网络如何快速部署，以及其面临的技术挑战，如拓扑动态变化和资源受限等问题节点结构与拓扑控制我们将研究网络中节点的硬件与软件构成，以及如何通过拓扑控制算法优Ad Hoc化网络结构，提高通信效率和网络寿命这包括功率控制、簇形成和骨干网构建等关键技术路由协议网络中的路由是一个核心挑战，我们将详细分析各类路由协议的设计Ad Hoc思路和工作原理，包括表驱动路由、按需路由、混合路由和地理位置路由等，比较它们的优缺点和适用场景无线网络Mesh作为网络的一个重要分支，无线网络结合了自组织特性和基Ad HocMesh础设施支持我们将学习其网络架构、协议标准和典型应用，理解它如何解决传统网络的局限性Ad Hoc网络概述Ad Hoc应用灵活性适应多样化特殊应用场景多跳通信节点间协作转发扩大覆盖范围自组织自配置无需固定基础设施即可快速组网无线网络是一种无需固定基础设施支持的分布式网络，各节点通过无线链路直接通信，并协作完成数据转发一词源自拉丁语，意为Ad HocAd Hoc为特定目的而设，反映了这类网络的临时性和目标导向特性网络最显著的特点是自组织和自配置能力节点可以在没有中心控制的情况下，自主发现邻居、建立连接、形成路由当某个节点加入或离开网Ad Hoc络时，其他节点能够自动调整拓扑结构，保持网络连通性这种特性使网络特别适合在基础设施不可用或被破坏的场景下应用Ad Hoc然而，网络也面临诸多技术挑战拓扑频繁变化增加了路由维护难度；节点通常资源受限计算能力、电池容量、通信带宽；多跳通信导致端到端Ad Hoc延迟增加和吞吐量下降；分布式特性使网络安全和保障更加复杂这些挑战也是当前研究的重点方向QoS网络应用场景Ad Hoc军事战术通信军事环境是网络最早的应用领域在战场上，固定通信基础设施可能不存在或已被破坏，而且需要快速部署、高安全性和抗干扰能力网络使军事单位能够在Ad HocAd Hoc恶劣环境中建立自组织通信网络，支持实时情报共享和指挥控制应急救灾通信自然灾害地震、洪水、飓风后，常规通信基础设施往往遭到严重破坏此时，救援团队可利用网络快速建立临时通信系统，协调救援行动，传输灾情信息这种应Ad Hoc用要求网络具备快速部署、高可靠性和与异构网络的互操作能力车联网VANET车辆网络是一种特殊形式，车辆作为移动节点构成动态网络它支持车车通信和车路通信，可用于交通安全预警、路况共享和协同驾驶AdHocVANET V2V V2I VANET面临高速移动、快速拓扑变化和严格延迟要求等独特挑战网络路由协议AdHoc表驱动路由协议按需路由协议混合与地理位置路由表驱动主动式路由协议如和按需反应式路由协议如和混合路由协议如结合了表驱动和DSDVAODV ZRP，要求节点维护完整的网络拓扑，只在需要发送数据时才启动路按需路由的优点，在本地区域内使用WRP DSR信息和路由表节点周期性交换路由由发现过程节点通过洪泛路由请求主动式路由，区域间使用反应式路更新信息，确保路由表的及时更新来寻找目标节点，建立临时路由路由地理位置路由如则利用节点GPSR径位置信息进行路由决策，无需维护完这类协议的优点是路由发现延迟低，整路由表数据包可以立即发送；缺点是控制开这类协议的优点是控制开销低，适应销大，特别是在大型网络或高移动性拓扑变化能力强；缺点是初次通信存这些协议针对特定场景进行了优化场景中它们更适合小型、相对静态在路由发现延迟，且可能面临洪泛风平衡了延迟和开销，适合层次化ZRP的网络环境暴问题它们更适合中大型、移动性网络；在高移动性环境中表现出GPSR较高的网络环境色，但依赖准确的位置信息和适当的地理分布无线网络Mesh网络架构与特点标准Mesh IEEE

802.11s无线网络是网络的一种演进，结合了自组织特性和部分是专为无线网络设计的标准，它在层扩展了Mesh AdHoc IEEE

802.11s MeshMAC基础设施支持典型的网络包含三类节点路由器形成网功能，支持多跳无线通信标准定义了节点发现、安全认Mesh MeshMesh Mesh络骨干、接入点提供客户端接入和客户端其特点是高证、链路管理和路径选择等机制允许普通设备透明接MeshMesh

802.11s Wi-Fi可靠性多路径冗余、良好可扩展性和部署灵活性入网络，简化了部署和使用Mesh混合无线协议智慧城市应用Mesh HWMP是默认的路由协议，融合了表驱动和按需路由的特点无线网络在智慧城市建设中发挥重要作用，可用于公共覆HWMP

802.11s MeshWi-Fi它基于和树状路由结合，支持两种模式反应式模式处理临时盖、视频监控回传、环境监测和智能交通系统等其优势在于部署成AODV通信，主动式模式优化与根节点通信使用空中时间本低减少有线回程、覆盖灵活适应复杂地形和高可靠性自愈能HWMP Airtime作为路径选择度量，考虑链路速率和错误率力，特别适合大范围、分散式的城市感知与控制应用第七章无线传感器网络无线传感器网络概述了解的基本概念、特点和应用场景，分析其与普通网络的WSN AdHoc区别，以及面临的独特挑战和设计考量网络架构与节点组成研究的层次架构、拓扑结构以及传感器节点的硬件组成，包括传WSN感单元、处理单元、通信单元和电源单元的设计与集成层设计与能量管理MAC探讨中的媒体访问控制机制，特别是如何通过占空比控制、休眠WSN调度等技术延长网络生命周期，平衡能效与性能数据汇聚技术学习中的数据处理策略，如何通过节点内和网络内的数据融合、WSN压缩和过滤，减少传输量，提高信息价值和网络效率无线传感器网络概述网络定义与特点技术挑战由大量微型传感器节点组成的分布式自能量受限节点通常依靠电池供电，能••组织网络量有限节点集成感知、计算和通信功能，资源可靠性无线环境干扰、节点故障影响••严重受限数据传输通过多跳协作方式将感知数据传输至汇可扩展性支持大规模节点部署和动态••聚节点加入退出/网络拓扑可能静态或动态，密度通常较安全性开放环境下的数据机密性和完••高整性保护应用驱动型设计，针对特定任务优化异构性不同能力和功能节点的协调工••作典型应用领域环境监测森林火灾预警、水质监测、生态研究•工业监控设备状态监测、安全监控、能耗管理•医疗健康患者监护、老人照护、药物管理•智慧农业土壤湿度监测、精准灌溉、病虫害监测•军事应用边界监视、战场监测、目标跟踪•传感器节点硬件架构传感单元处理单元负责物理参数的感知与转换负责数据处理和控制功能••包括各类传感器和模数转换器通常采用低功耗微控制器••常见传感器温湿度、光照、加速度、包含处理器、存储器和操作系统••气体常用、、•MCU ATmega128MSP430决定节点的基本感知能力和精度系列•ARM Cortex-M电源单元通信单元提供节点能量供应•负责无线数据收发•典型方案电池供电电池、锂•AA/AAA通常采用低功耗射频收发器•电池常用无线技术、、•IEEE

802.

15.4BLE新兴技术能量采集太阳能、振动•LoRa能、温差能是节点能耗的主要来源•电源管理电路优化能量使用•传感器网络协议MAC数据汇聚技术数据中心汇聚所有原始数据直接传输至基站处理层次型汇聚沿树形路由逐级聚合数据基于簇的汇聚簇内数据先汇总至簇头节点压缩感知技术利用信号稀疏性减少采样传输数据汇聚是无线传感器网络中减少数据传输量、延长网络寿命的关键技术它通过在数据传输路径上进行处理、融合和压缩，消除冗余信息，提取有用数据，显著降低通信开销，同时提高信息质量在层次型汇聚方案中，数据沿树形路由向根节点基站传输，中间节点执行聚合操作，如平均值、最大最小值、方差计算等这种方法传输量递减，但对路由结构依赖性强基于/簇的汇聚将网络划分为多个簇，普通节点将数据发送给簇头，簇头执行局部聚合后再发送至基站，平衡了能耗分布压缩感知技术是近年来的重要创新，它利用自然信号的稀疏性特征，通过少量随机测量恢复完整信号在设计数据汇聚方案时，需要权衡能效与实时性、精确度和可靠性等因素，针对具体应用需求选择合适的技术组合未来研究方向包括面向大数据的汇聚算法、边缘计算与雾计算在中的应用等WSN第八章无线网络安全无线网络安全威胁安全服务与机制安全协议WLAN本节将分析无线网络面临我们将学习无线网络中的本节深入研究安全WLAN的各类安全威胁，包括被核心安全服务机密性、完标准的演进，从早期的动攻击窃听、流量分析和整性、认证、可用性以及到现代的，分WEP WPA3主动攻击伪装、重放、消实现这些服务的安全机析各协议的工作原理、安息修改，以及特定于无线制，包括加密算法、消息全强度和潜在漏洞，理解环境的攻击形式，如干认证码、数字签名和访问无线局域网安全设计的最扰、欺骗和攻击等控制等基础技术佳实践DoS无线接入认证我们将详细讨论无线网络的接入控制和用户认证技术，特别是架

802.1X/EAP构及其在企业级无线网络中的应用，以及证书管理和服务器的配置与维AAA护无线网络安全威胁被动攻击被动攻击是指攻击者不干扰网络正常运行，而是试图获取有价值信息的行为在无线环境中，由于传输媒介的开放性，被动攻击尤为容易窃听是最常见形式，攻击者使用无线嗅探工具捕获空中传输的数据流量分析则通过观察通信模式、频率和数据量，即使数据已加密，也能推断出敏感信息主动攻击主动攻击直接干扰网络运行或修改传输数据伪装攻击中，攻击者冒充合法用户或设备；重放攻击通过捕获并重新发送有效数据包实现非法操作；消息修改攻击则拦截并更改传输中的数据内容这些攻击可能导致未授权访问、数据篡改或服务中断，对网络完整性构成严重威胁拒绝服务攻击拒绝服务攻击旨在使网络资源无法为合法用户提供服务在无线网络中，物理层干扰可通过发射DoS干扰信号阻断特定频段；洪泛攻击则发送大量伪造帧消耗网络资源；去认证攻击通过伪造管理帧强制断开用户连接这些攻击利用无线媒介共享特性，往往难以完全防御特殊攻击无线网络还面临一些特殊攻击形式中间人攻击中，攻击者位于通信双方之间，可拦截和修改所有通信内容；恶意接入点通过模拟合法诱骗用户连接；攻击中，单个物理设备伪装成多个虚拟身AP Sybil份，干扰路由或资源分配机制这些攻击通常结合多种技术，检测和防御难度较大安全协议演进WLANWEP1997WPA22004有线等效保密是最早的安全协议，使用流密码和实现了标准，最大改进是采用加密和WEP WLANRC4WPA2IEEE

802.11i AESCCMP位初始化向量它采用静态密钥，缺乏密钥管理机制，且存在严协议替代，大幅提升安全强度它保留了的两种认24RC4/TKIP WPA重加密漏洞，使攻击者能在短时间内破解密钥虽然实现简单，但证模式，增强了密钥派生机制长期被视为安全标准，但WPA2安全性极低，已完全不推荐使用年发现的漏洞显示其仍有缺陷2017KRACKWPA2003WPA32018保护接入作为的临时替代方案，引入了时间密钥完进一步加强安全性，个人模式引入同步认证与密钥建立Wi-Fi WPAWEP WPA3SAE整性协议，实现动态密钥分配，增加了消息完整性检查替代易受字典攻击的；企业模式要求位安全级别；增加了前TKIP PSK192支持企业模式认证和个人模式，显著提向保密特性；开放网络模式下提供加密，保护非认证连接MIC WPA

802.1XPSK OWE高了安全性，但仍使用算法，存在一定漏洞解决了多个的安全问题，但普及率尚低RC4WPA3WPA2无线接入认证架构认证方法服务与证书管理

802.1X/EAP EAPAAA是一种端口基础认证标准，在是最安全的方法，基于双向认证、授权和计费服务是企业无

802.1X EAP-TLS AAA无线网络中广泛应用于企业级安全解证书认证，但要求客户端和服务器都线安全的核心协议是最常RADIUS决方案它定义了三个主要角色请部署证书，管理复杂和用的协议，支持多种方法，PEAP EAP-AAA EAP求者客户端、认证者接入点和认证创建加密隧道保护内部认证，通能与目录服务如集TTLSActive Directory服务器通常是服务器常只需服务器证书，客户端使用密码成，实现集中用户管理RADIUS认证，平衡了安全性和易用性认证过程基于可扩展认证协议，EAP是一个认证框架，支持多种认证轻量级是思科专有方案，基于证书的认证需要有效的公钥EAP EAPLEAPPKI方法在典型流程中，客户端尝试连配置简单但存在安全缺陷选择基础设施，包括证书颁发机构、EAPCA接时，只允许流量通过，直到方法时需考虑安全需求、部署复杂度证书吊销列表和证书生命周期管AP EAPCRL完成认证认证成功后，系统生成加和设备兼容性，企业环境通常推荐理良好的证书管理实践包括适当的密密钥用于保护后续通信或有效期设置、安全密钥存储和定期轮EAP-TLS PEAP/MS-CHAPv2换，对维持高安全性至关重要第九章无线网络QoS本章将深入探讨无线网络中的服务质量保障机制随着无线网络应用日益多样化，不同业务对网络性能的要求也各不相同语音QoS和视频等实时业务对延迟和抖动敏感，而文件传输则更关注吞吐量如何在共享且不可靠的无线信道上为不同业务提供差异化服务，是无线网络研究的核心问题QoS我们将首先介绍的基本概念和关键参数，然后分别研究和蜂窝网络中的机制，包括标准和架QoS WLANQoS IEEE

802.11e3GPP QoS构最后，我们将探讨跨层优化技术如何突破传统协议栈的限制，综合考虑多层因素，实现更高效的保障通过本章学习，学生QoS将掌握无线网络的理论基础和实现技术，为设计高质量无线网络应用打下基础QoS关键参数QoS标准IEEE

802.11e42接入类别接入机制定义了四个接入类别语音增强型分布式信道接入是的核IEEE

802.11e ACEDCA

802.11e、视频、尽力服务和心机制，它通过为不同分配不同的竞争参数AC_VO AC_VI AC_BE AC背景，优先级依次降低每个拥有来实现优先级区分这些参数包括仲裁帧间间AC_BK AC独立的传输队列和竞争参数，实现了业务级别隔、竞争窗口和传输AIFS CWmin/CWmax的差异化服务机会限制TXOP1参数配置QoS高优先级业务如语音分配较短的和较小AIFS的竞争窗口，增加获取信道的机会；同时通过限制控制传输持续时间，确保其他有TXOP AC机会访问信道这些参数可通过参数集元QoS素在网络中广播架构3GPP QoS网络切片与结合QoS面向不同垂直行业的端到端优化服务流与映射QoS5QI细粒度业务识别与差异化处理参数集与策略控制QoS系统级资源分配与业务保障基础网络引入了流概念，作为处理的最小粒度单元每个流由唯一标识，并与特定特征相关联5G QoS QoS FlowQoSQoSQFIQoS FlowIdentifier QoS5G标识符定义了一组标准化的特征，包括资源类型非、优先级、丢包率、延迟预算等参数QoS5QI QoSGBR/GBR架构支持更精细的业务识别和处理能力例如，对于关键业务，可分配保证比特率资源，确保最低带宽；而普通业务使用非方式，共享5G QoSGBR GBR剩余资源系统还引入了流量优先级、抢占功能和反射性等新特性，增强了资源管理灵活性QoS网络切片是的重要创新，它允许在共享物理基础设施上创建多个虚拟网络，每个切片针对特定业务场景优化如切片侧重高带宽，5G QoSeMBB URLLC切片保障低延迟，切片支持大量连接机制在切片内运作，确保资源有效利用，同时满足不同切片的服务级别协议要求mMTC QoSSLA第十章无线网络前沿技术毫米波通信大规模MIMO超高频段大带宽传输技术多天线协同提升频谱效率智能无线网络边缘计算人工智能驱动的自优化网络网络边缘智能处理降低延迟本章将探索无线网络领域的前沿技术，这些创新正在重塑未来通信系统的面貌毫米波通信利用以上的高频段，提供巨大带宽和数据率，但面临传播损耗大、穿透能力弱等24GHz挑战，需要先进的波束赋形技术克服大规模技术通过部署数十甚至上百个天线单元，利用空间自由度显著提升频谱和能量效率它能同时服务多个用户，提高小区容量，但信道估计复杂度和硬件实现是主要挑MIMO战边缘计算将计算资源下沉至网络边缘，减少数据传输量和延迟，为时延敏感应用提供更好支持人工智能和机器学习正在无线网络各层面发挥重要作用，从资源分配、干扰管理到网络运维和安全防护智能无线网络能够感知环境、自主学习并动态调整参数，实现更高效的自组织、自优化和自修复这些技术相互融合，共同构建更高效、灵活的未来网络基础设施毫米波通信丰富频谱资源毫米波通信利用至的高频段，这些频段拥有大量未被充分利用的频谱资源相比传统微波频段，毫米波可提供数的连续带宽，支持超高速数据传输24GHz100GHz GHz5G已采用、等毫米波频段，而未来通信系统将进一步拓展至更高频段NR28GHz39GHz波束赋形技术由于毫米波信号传播损耗大，波束赋形成为克服这一挑战的关键技术通过大规模天线阵列和相控阵技术，系统可形成高增益、窄波束的定向信号，显著提高覆盖距离和信号质量波束跟踪算法则确保移动场景下的连续覆盖，及时调整波束方向适应用户移动应用场景毫米波通信特别适合高密度短距离应用场景室内环境中，它可支持超高速无线局域网、虚拟现实增强现实等大带宽应用；在热点区域，毫米波小基站能提供级容量增/Gbps强；点对点回传链路则利用高方向性实现高效无线回程然而，对于广域覆盖，毫米波仍需与低频段协同部署大规模MIMO基本原理技术优势实现挑战大规模是指在基站侧部署远超大规模系统具有多方面优势大规模面临多项技术挑战信MIMO MIMOMIMO用户数量的天线单元数十至数百个，首先，通过波束赋形增益提高信号强道估计复杂度随天线数增加而增长，通过空间复用技术同时服务多个用度，扩大覆盖范围；其次，空间多路尤其在系统中利用信道互易性至TDD户这一技术基于信道正交性和波束复用大幅提升小区容量；第三，空间关重要；导频污染问题限制了多小区赋形原理，利用丰富的空间自由度实分集增强系统可靠性；第四，干扰抑场景性能；高精度相位同步对于相干现频谱效率的几何级提升制能力强，提高小区边缘性能波束赋形不可或缺从信息论角度看，大规模可显此外，当天线数量足够多时，系统表硬件实现是另一大挑战，包括紧凑天MIMO著提高信道容量上限理想情况下，现出信道硬化现象，小尺度衰落效线阵列设计、低成本链路、高效功RF系统容量随天线数量线性增长同应减弱，链路变得更加稳定系统还率放大器等实际部署中，和64T64R时，用空间换功率的特性使能量效具有较强的抗干扰能力，可有效抑制配置已在系统中使用，128T128R5G率也得到大幅提升，有助于降低网络未知干扰和刻意干扰未来将向更大规模发展，并与分布式能耗、智能表面等技术融合MIMO总结与展望关键技术回顾本课程系统介绍了无线网络的基础理论与关键技术，从物理层的电磁波传播、信道特性，到链路层的多址接入、协议，再到网络层的路由协议和网络架构我们探讨了从MAC到的不同类型无线网络，分析了各自的技术特点和应用场景WPAN WWAN产业应用与发展趋势无线网络技术已深入各行各业，推动智能手机、物联网、工业互联网、车联网等领域的创新发展未来发展趋势包括网络虚拟化与软件定义技术深化；人工智能与无线网络深度融合；超密集组网提升容量；天地一体化网络扩展覆盖；绿色低碳成为设计重点愿景与研究方向6G展望未来，将进一步扩展通信边界，实现从万物互联到万物智联的飞跃研究热点6G包括太赫兹通信突破频谱瓶颈；轨道角动量复用拓展新维度；集成感知与通信实现资源共享；全息通信与数字孪生；量子通信提供无条件安全；新型网络架构支持智能化自治网络课程知识体系总结通过本课程学习，我们构建了完整的无线网络知识体系，将理论基础、技术原理、协议标准和应用实践有机结合这些知识为理解当前无线通信系统、参与未来网络研发和创新提供了坚实基础希望同学们能够在此基础上，持续关注技术发展，不断拓展专业视野。