计算机网络课件：无线局域网与广域网

计算机网络无线局域网与广域网欢迎来到年春季学期的计算机网络课程本课程由网络工程学院2025王明教授授课，将深入探讨无线局域网与广域网的原理、技术和应用在这个万物互联的时代，无线网络技术已经成为支撑现代社会运作的关键基础设施从智能手机到物联网设备，从家庭到移动通Wi-Fi5G信，无线技术无处不在，改变着我们的生活与工作方式本课程将带领大家全面了解无线网络的基础理论、关键技术及其实际应用，并展望未来发展趋势通过系统学习，帮助您建立无线网络技术的全景视图课程概述无线网络的基础概念探讨无线通信的基本原理、电磁波传播特性、频谱资源利用，以及无线网络的分类与特点从物理层到应用层，建立完整的无线网络知识框架无线局域网（）技术与标准WLAN详细介绍IEEE

802.11标准族的演进历程，Wi-Fi技术的关键特性，以及WLAN的组网方式、安全机制和服务质量保障深入分析最新的Wi-Fi6/6E/7技术无线广域网（）关键技术WWAN系统讲解蜂窝移动通信从1G到5G的技术演进，物联网专用广域网技术如NB-IoT和LoRa，以及卫星通信网络等广域覆盖解决方案实际应用与未来发展趋势结合真实案例，探讨无线网络在智能家居、工业控制、车联网等领域的融合应用，并展望6G、太赫兹通信等前沿技术的发展方向第一部分无线网络基础基础理论电磁波传播、频谱资源、调制解调技术网络架构网络拓扑、通信协议、接入技术挑战与对策干扰问题、安全风险、资源优化在探索无线网络技术的宏大世界之前，我们需要先建立坚实的理论基础这一部分将系统介绍无线通信的基本原理和关键概念，帮助大家理解无线网络面临的独特挑战以及对应的解决方案通过学习无线网络基础，您将能够理解为什么无线网络与有线网络有着根本的区别，以及这些差异如何影响网络的设计和实现这些基础知识将为后续深入学习具体无线网络技术奠定扎实基础无线通信技术演进年1895意大利科学家马可尼成功实现第一次无线电传输，开创了无线通信的新时代这次实验证明了电磁波可以用于远距离信息传递，为后来的无线技术发展奠定了基础年代1970夏威夷大学开发了ALOHA网络，这是第一个实用的无线数据网络系统ALOHA的随机接入协议为后来的以太网和Wi-Fi技术提供了重要思路，成为无线网络发展的里程碑年1997IEEE正式发布

802.11标准，奠定了无线局域网技术的基础框架这一标准定义了物理层和MAC层的规范，使得不同厂商的设备能够互相兼容，促进了Wi-Fi技术的广泛应用年2023全球无线连接设备数量突破300亿台，无线网络已成为人类社会的关键基础设施从智能手机到物联网设备，无线连接已经深入到人类生活的方方面面无线网络的分类无线广域网WWAN覆盖范围数公里至全球无线城域网WMAN覆盖范围数百米至数十公里无线局域网WLAN覆盖范围10-300米无线个人网WPAN覆盖范围10米内无线网络可根据不同标准进行分类按覆盖范围分为无线个人网、局域网、城域网和广域网；按使用频段分为

2.4GHz、5GHz、6GHz和毫米波等；按网络拓扑分为基础架构模式和自组织模式；按应用场景分为家庭、企业、工业和公共场所等不同类型的无线网络各有优势，适用于不同的应用环境例如，WPAN适合短距离设备互联，WLAN适合中等范围的高速接入，而WWAN则提供广域的移动连接服务了解这些分类有助于选择适合特定需求的无线技术电磁频谱与无线通信频谱资源频段ISM无线电波频率范围为，不同频3kHz-300GHz和是最常用的免许可频段

2.4GHz5GHz Wi-Fi段有不同特性全球协调频谱管理负责协调全球频谱使用规划各国设立专门机构负责频谱分配与管理ITU电磁频谱是无线通信的基础资源，不同频段具有不同的传播特性和应用场景低频信号传播距离远但带宽小，高频信号可提供更大带宽但传播距离受限频段（工业、科学和医疗）如和是无需特别许可即可使用的频段，被、蓝牙等技术广泛采用ISM

2.4GHz5GHz Wi-Fi频谱资源是有限的自然资源，需要严格管理各国都设有专门的管理机构，如中国的工业和信息化部、美国的等国际电信联盟负责协调全球FCC ITU频谱使用，举办世界无线电通信大会，协调解决国际频谱使用冲突WRC无线通信的物理特性信号传播模型自由空间损耗计算多径效应与衰落无线信号在传播过程中遵循特定的物信号在传播过程中会衰减，自由空间实际环境中，信号会经过反射、绕射理模型，包括自由空间模型、对数距损耗可由公式计算和散射，产生多条传播路径多径效离路径损耗模型和应导致的衰落可分为快衰落和慢衰Okumura-HataLdB=

32.4+20logf+20logd模型等这些模型帮助工程师预测不落，是无线通信面临的主要挑战之同环境下的信号覆盖范围和强度一其中为频率，为距离f MHzd现代无线技术采用多种方法如分集接例如，信号在米km

2.4GHz100选择合适的传播模型对网络规划至关收、自适应均衡等来减轻多径效应的传播时，自由空间损耗约为80dB重要，可以减少实际部署中的盲点和影响重叠区域，提高网络性能无线网络的优势与挑战移动性无线网络最大的优势是提供了移动连接能力，用户可以在覆盖范围内自由移动而保持网络连接这种灵活性极大地改变了人们的工作和生活方式，使得随时随地接入互联网成为可能部署灵活无线网络无需布线，部署更加灵活快速，特别适合临时场所、历史建筑或架构复杂的环境在自然灾害后的应急通信中，无线网络能够迅速建立起通信保障安全风险无线信号在空间传播，更容易被截获，因此面临更大的安全风险除了传统的网络攻击外，还需防范无线专有的威胁，如恶意接入点、干扰攻击等信道不稳定无线信道受环境影响大，干扰源多样，信号质量波动明显有线网络可达10Gbps稳定传输，而无线网络典型速率为且易受环境影响而波动1-2Gbps第二部分无线局域网技术基础架构接入点、客户端、分布系统技术标准IEEE

802.11协议族安全机制加密、认证、访问控制实施部署规划、优化、管理无线局域网（WLAN）是目前应用最广泛的无线网络技术之一，尤其以Wi-Fi技术为代表本部分将详细介绍WLAN的技术标准、网络架构、安全机制和部署方案，帮助大家全面了解这一关键技术随着Wi-Fi6/6E/7等新一代标准的推出，WLAN性能不断提升，已经能够满足高清视频流、虚拟现实等高带宽应用的需求同时，企业级WLAN解决方案也越来越注重安全性、可靠性和可管理性，为各类组织提供强大的无线连接能力无线局域网概述米亿美元100-

300120012.3%典型覆盖范围年市场规模年复合增长率2024单个接入点的有效覆盖半径，受环境和设备影响全球无线局域网设备和服务市场总值未来五年市场预期增长速度WLAN无线局域网是在有限地理区域内提供无线连接的网络技术，最常见的实现是基于标准的技术它通过无线电波在空中传输数据，使得用IEEE

802.11Wi-Fi户能够在覆盖范围内自由移动而不失去网络连接无线局域网主要应用于家庭、办公环境、学校、医院、酒店和机场等场所，为人们提供便捷的网络接入服务随着物联网和移动办公的普及，的应WLAN用场景不断扩展，成为现代社会不可或缺的基础设施标准族IEEE

802.11早期标准1999-2003频段，最高

802.11a5GHz54Mbps频段，最高

802.11b

2.4GHz11Mbps

802.11n2009频段，最高，向后兼容

802.11g

2.4GHz54Mbps

802.11b首次引入技术，支持和双频段MIMO

2.4GHz5GHz最高可达理论速率600Mbps

802.11ac2013-2016引入信道绑定技术，支持和带宽20MHz40MHz支持最高空间流，最多条空间流Wave1433Mbps/3增加，支持最多条空间流Wave2MU-MIMO

8802.11ax/be2019-2024仅工作在频段，支持和带宽5GHz80MHz160MHz引入技术，最高

802.11ax Wi-Fi6/6E OFDMA

9.6Gbps扩展到频段，提供新带宽6GHz Wi-Fi6E1200MHz支持带宽，最高

802.11be Wi-Fi7320MHz46Gbps技术演进Wi-Fi的体系结构WLAN独立基本服务集基本服务集扩展服务集IBSS BSSESS最常见的拓扑，包含由多个通过分布式系统WLAN BSS也称为Ad-Hoc模式，无需一个接入点AP和多个客户连接形成，实现更大范围的接入点，设备直接通信多端所有通信都通过中覆盖同一内的共AP ESSAP用于临时性网络，如会议室转，形成星型拓扑，便于集享相同的，支持客户SSID设备间的文件共享，结构简中管理但存在单点故障风端在不同间无缝漫游AP单但功能有限险分布式系统DS连接多个的网络基础设BSS施，通常为有线网络骨干负责不同间的数据DS BSS转发，是实现大规模WLAN部署的关键组件接入点（）技术AP单频与多频比较功率与覆盖范围AP单频仅支持一个频段，成本室内典型发射功率•AP•AP20dBm低但容量受限100mW双频同时支持和室外典型发射功率•AP

2.4GHz•AP27dBm，提高网络容量5GHz500mW三频增加第二个或功率每增加，理论覆盖范围•AP5GHz•3dBm频段，适合高密度场景增加6GHz41%实际覆盖受建筑物结构、干扰等因•素影响企业级特性AP波束成形集中能量朝特定方向发射信号•负载均衡将用户分散到不同，避免拥塞•AP频谱分析实时监测无线环境，识别干扰源•自动信道选择避开拥挤信道，提高性能•的层协议WLAN MAC载波侦听退避等待设备在发送数据前先侦听信道是否空闲若信道忙，随机退避一段时间再尝试数据传输交换RTS/CTS发送数据帧并等待确认可选的请求发送清除发送握手过程/无线局域网采用（载波侦听多路访问冲突避免）机制来协调多个设备对共享无线信道的访问与有线以太网的不同，无线网络中的CSMA/CA/CSMA/CD设备无法在发送的同时检测冲突，因此采用先听后发的策略避免冲突帧间间隔（）是中的关键元素，定义了不同类型帧之间的等待时间（短帧间间隔）用于高优先级的控制帧如；（帧间IFS CSMA/CA SIFSACK PIFSPCF间隔）用于点协调功能；（帧间间隔）用于普通数据帧；（扩展帧间间隔）用于检测到错误帧后的等待这种分层设计确保了关键控制信DIFS DCFEIFS息的优先传输无线局域网安全机制（早期）WEP使用静态密钥，存在严重安全漏洞，已被破解WPA/WPA2引入TKIP和AES加密，大幅提升安全性WPA3采用SAE认证，防御字典攻击，保护开放网络企业级认证

802.1X结合RADIUS服务器实现高强度身份验证无线网络的开放特性使其面临比有线网络更严峻的安全挑战早期的WEP协议由于采用静态密钥和RC4加密算法，存在严重漏洞，可在几分钟内被破解为解决这一问题，Wi-Fi联盟推出了WPA和WPA2标准，分别采用TKIP和AES加密，显著提高了安全性最新的WPA3标准引入了同步认证加密SAE机制，有效防御离线字典攻击，并通过OWE机会性无线加密技术为开放网络提供加密保护企业环境中，通常结合

802.1X和RADIUS服务器实现基于证书或用户名密码的高强度认证，同时配合无线入侵检测系统WIDS监控网络安全威胁在无线局域网中的实现QoS访问类别优先级典型应用AIFS CWminCWmax语音最高VoIP电话237AC_VO视频次高视频会议2715AC_VI尽力中等网页浏览3151023AC_BE背景最低文件下载7151023AC_BK无线局域网中的服务质量QoS保障是通过IEEE

802.11e标准定义的增强分布式信道访问EDCA机制实现的EDCA将网络流量分为四个不同优先级的访问类别AC语音、视频、尽力服务和背景，每个类别对应不同的服务质量需求为确保高优先级业务获得优先传输权，EDCA机制为不同访问类别分配不同的竞争参数，包括仲裁帧间间隔AIFS、最小竞争窗口CWmin和最大竞争窗口CWmax优先级越高的访问类别，其AIFS和竞争窗口越小，从而获得更多的信道访问机会Wi-Fi多媒体WMM认证是对设备QoS能力的官方认证，确保设备能够正确实现QoS功能无线局域网组网方案家庭小型网络办公企业网络典型覆盖面积100-200平方米，通常采用单个无线路由器或网状Wi-Fi系覆盖面积从数百到数千平方米，设备密度每100平方米10-30台通常采用统设备数量一般不超过30台，带宽需求为100-500Mbps重点考虑覆盖控制器+AP架构或云管理解决方案，需要考虑访客网络隔离、安全认证和业死角消除、智能家居设备连接和家长控制功能中小户型可选择单个高性能务流量优先级办公区域AP间距一般为15-20米，会议室可能需要独立AP以路由器，大户型可考虑2-3个节点的Mesh系统应对高密度接入需求带宽规划应按照每用户5-10Mbps进行冗余设计校园大规模部署热点区域高密度覆盖覆盖面积通常达数万平方米，连接设备数可达数千甚至上万台采用分区分如会展中心、体育场馆、音乐厅等场所，用户密度可达每10平方米100人以层架构，核心区域、教学区、宿舍区和公共区域分别规划宿舍区高并发特上需采用小区域、多AP、低功率的设计思路，充分利用空间和频率复用性明显，需大容量AP；教室需考虑高密度设计；室外区域则需防水防尘每个AP限制关联用户数，通过频谱规划避免同频干扰建议使用定向天线控AP整体方案需融合有线网络架构，实现集中认证和策略控制制覆盖范围，结合实时流量监控和动态负载均衡技术，确保用户体验无线网状网（网络）Mesh网络拓扑自组织与自修复多节点互联形成网状结构无需人工干预的网络管理节点之间可多路径通信节点自动发现与连接••支持点对点与多跳传输链路中断时自动寻找替代路径••1灵活的网络拓扑动态变化新节点加入无需复杂配置••应用场景路由协议适合分散式网络需求专用的无线路由机制Mesh智能家居全屋覆盖•标准协议•HWMP IEEE

802.11s社区无线网络共享•按需距离向量路由•AODV临时活动现场网络•链路质量度量与路径选择•灾难现场应急通信•企业级解决方案WLAN控制器集中管理架构智能天线与技术无线定位与分析服务MIMO企业级通常采用控制器集中管现代企业级广泛采用智能天线和企业级不仅提供网络连接，还WLAN APWLAN理的架构，将网络控制平面和数据平技术，提高信号质量和网络容可作为位置服务和分析平台通过分MIMO面分离控制器负责全局策略制定、量智能天线可以根据客户端位置调析客户端信号强度、连接历史和移动无线资源管理和安全控制，而则专整信号方向，减少干扰并提高信号强轨迹，可以获取有价值的业务洞察AP注于无线信号传输和基本的数据转度室内导航精度可达米，应用•3-5发同时为多个用户提供于商场、医院•MU-MIMO物理控制器部署在企业数据中独立空间流•客流分析提供热力图显示人员密•心，高性能硬件设备波束成形集中能量定向发送到特度分布•虚拟控制器运行在虚拟化平台定客户端•资产追踪结合技术监控重要•RFID上，灵活扩展天线分集利用多天线接收，抵抗设备位置•云控制器基于云平台，支持远程信号衰落•管理多站点网络关键技术Wi-Fi6/6E1024-QAM更高阶调制提升25%数据传输效率着色BSS提高空间复用效率，减少相邻网络干扰升级MU-MIMO支持上行MU-MIMO，多用户同时传输数据技术OFDMA子载波资源精细分配，提高频谱利用效率目标唤醒时间TWT机制延长移动设备60%电池寿命Wi-Fi6及其扩展版本Wi-Fi6E带来了无线局域网技术的重大飞跃正交频分多址接入OFDMA是Wi-Fi6最核心的创新，它将信道划分为多个资源单元RU，允许一个传输周期内同时服务多个客户端，显著提高了多用户场景下的网络效率Wi-Fi6E扩展到6GHz频段，提供1200MHz的全新频谱资源，是

2.4GHz和5GHz频段总和的两倍多这一全新频段干扰少、通道宽，特别适合需要高带宽、低延迟的应用，如8K视频流、AR/VR等BSS着色技术通过为每个基本服务集分配不同的颜色标识，使设备能够更智能地判断干扰，提高空间复用效率第三部分无线广域网技术卫星通信网络低功耗广域网提供全球覆盖的无线通信服务，特别是对于偏远地区蜂窝移动网络专为物联网设计的长距离、低功耗连接技术，包括NB-新一代低轨道卫星星座正在改变卫星通信的性能和成本从1G到5G的技术演进，提供广覆盖、高移动性的无线IoT、LoRa、Sigfox等这类网络优化了电池寿命和结构，开启太空互联网时代接入服务当前5G技术正引领新一轮移动通信革命，覆盖范围，适合传感器等小数据量设备实现超高速、低延迟和海量连接无线广域网技术通过广覆盖的无线网络为移动用户和固定位置提供数据连接服务相比无线局域网，WWAN覆盖范围更大，从数公里到全球覆盖不等，能够支持高速移动中的通信需求本部分将深入探讨各类无线广域网技术的架构、性能特点和应用场景，帮助理解这些技术如何支持现代社会的移动通信和物联网应用，以及它们在未来通信网络中的发展方向无线广域网概述数百公里覆盖范围从几公里到全球覆盖，远超局域网亿80+全球连接数移动设备和物联网终端总连接数量10-100Mbps典型数据速率4G网络常见用户体验速率范围1-10ms网络延迟5G新一代移动网络的超低延迟特性无线广域网WWAN是覆盖广泛地理区域的无线网络技术，通常覆盖整个城市、地区或国家与局域网的主要区别在于覆盖范围更大、支持用户高速移动，但带宽通常较低、时延较高WWAN主要包括蜂窝移动网络、低功耗广域物联网和卫星通信网络WWAN的主要应用场景包括移动通信、远程物联网、车联网、应急通信等随着5G技术的部署和低轨道卫星星座的发展，WWAN性能正在显著提升，未来将支持更多创新应用全球已有超过80亿移动连接，WWAN已成为现代社会不可或缺的关键基础设施蜂窝移动通信技术演进模拟语音（年代）1G1980第一代蜂窝移动通信系统采用模拟技术传输语音，主要标准包括北欧的NMT和美国的AMPS提供基本的移动电话服务，但存在容量有限、安全性低等问题频段主要在800-900MHz，语音质量数字语音与短信（年代）2G1990差，无加密保护第二代移动通信采用数字技术，大幅提高系统容量和语音质量主要标准包括欧洲的GSM和美国的CDMA首次引入短信服务和低速3G移动互联网（2000年代）数据业务，数据率为

9.6-64kbpsGSM的全球漫游能力促进了移动通信的大规模普及第三代移动通信系统实现了真正的移动互联网接入，数据速率可达384kbps-2Mbps主要标准包括WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA3G网络支持视频通话、移动电视和高速网页浏览等多媒4G高速数据（2010年代）体应用，开创了智能手机时代第四代移动通信全面采用IP架构和OFDM技术，峰值速率可达100Mbps-1GbpsLTE和LTE-Advanced成为全球统一标准，大5G超高速、低延迟（2020年代）5幅提升了网络容量和用户体验4G网络支持高清视频流、云计算应用和丰富的移动互联网服务第五代移动通信系统引入新空口技术和网络切片架构，峰值速率达到10-20Gbps，时延低至1ms5G网络不仅提供增强移动宽带，还支持海量物联网和超可靠低延迟通信，赋能垂直行业数字化转型网络架构与特性5G新空口（）技术毫米波频段应用网络切片技术NR5G新空口采用灵活的帧结5G首次在移动通信中大规5G网络切片允许在同一物构和先进的调制编码方案，模应用24-100GHz毫米波理基础设施上创建多个虚拟支持从低频到毫米波的广泛频段，提供高达数GHz的带网络，每个切片拥有独立的频谱相比4G，其频谱效宽资源毫米波具有超大容资源和服务质量保证通过率提高了3-4倍，引入极化量但传播距离短、穿透能力网络切片，运营商可以根据码和LDPC码等新型信道编弱的特点，需要高密度小基不同行业和应用的需求提供码技术，并支持大规模站部署和波束赋形技术，主定制化网络服务，例如为自MIMO和波束赋形等高级天要用于热点区域的超高速接动驾驶提供低延迟切片，为线技术入视频流提供大带宽切片边缘计算整合5G网络与多接入边缘计算MEC紧密结合，将计算资源下沉到网络边缘，靠近用户和数据源这种架构大幅降低了端到端延迟，提高了数据处理效率，为AR/VR、工业控制、智慧城市等对实时性要求高的应用提供关键支持关键性能指标5G超密集组网（）UDN小基站技术与部署超密集组网主要依靠大量小型化基站实现，包括微基站、皮基站和飞基站等多种形态这些小基站覆盖半径一般在10-200米之间，发射功率为20-30dBm，可灵活部署在建筑物内外、路灯杆、公交站等多种场所相比宏基站，小基站成本更低、部署更灵活，但需解决回传、供电和维护等挑战异构网络协调超密集组网中，宏基站与不同类型小基站共存形成异构网络，需要有效协调以优化整体性能关键协调技术包括增强型小区间干扰协调eICIC、协作多点传输接收CoMP和双连接技术DC这些技术通过动态资源分配和小区间协作，减少干扰并提高边缘用户体验负载均衡与用户分流在密集部署场景中，网络负载分布极不均衡，需要智能负载均衡机制基于信号强度、小区负载和服务质量的用户关联算法可实现流量分流优化此外，多连接技术允许用户同时连接多个接入点，根据业务需求和网络状况动态分配流量，提高资源利用效率和用户体验干扰管理与协调超密集部署中，同频干扰成为性能瓶颈先进的干扰管理技术如动态频谱分配、协调波束赋形和空间复用技术是提高系统容量的关键人工智能赋能的干扰感知与预测算法可实现自适应干扰协调，大幅提升频谱效率在城市热点区域，合理的干扰管理可使系统容量提高3-5倍窄带物联网（）NB-IoT技术特点与架构覆盖增强与低功耗应用场景是为物联网设计的低功耗广域网技的一大技术突破是实现了的覆最适合数据量小、传输频率低、对NB-IoT NB-IoT20dB NB-IoT术，基于蜂窝网络架构，可部署在现有盖增益，相当于穿透能力提高倍，可深时延不敏感的应用场景，典型应用包括LTE100网络频谱中，支持三种部署模式独立部入地下室、管道等传统蜂窝网络难以覆盖的智慧城市智能抄表、街道照明控制、•署、保护带部署和带内部署区域垃圾桶监测采用窄带传输，单载波调超低功耗设计使设备电池寿命可达NB-IoT180kHz NB-IoT智能农业土壤湿度监测、灌溉控制、•制，大幅简化了终端和网络复杂度它使用年以上关键省电技术包括10畜牧跟踪专门优化的协议栈，移除了许多传统蜂窝网工业监控设备状态监测、资产追踪、扩展不连续接收延长休眠周期••eDRX络的复杂功能，如切换、测量报告等，以便环境监测最大限度地降低设备成本和功耗智能家居烟雾探测器、水浸传感器、省电模式保持注册状态但不接••PSM安防设备收网络寻呼简化的协议栈减少信令开销•中国已建成全球最大的网络，连接NB-IoT数超过亿1技术比较LPWAN特性LoRa SigfoxNB-IoT LTE-M频谱类型非授权非授权授权授权覆盖范围5-10公里10-50公里1-10公里1-5公里数据速率

0.3-50kbps100bps20-250kbps1Mbps电池寿命5-10年8-10年10年+5-10年移动性支持有限有限有限良好双向通信完全支持有限支持支持低功耗广域网LPWAN技术为物联网提供了远距离、低功耗的连接解决方案LoRa采用扩频技术，在非授权频段运行，具有较好的抗干扰能力和通信距离，适合自建网络Sigfox使用超窄带技术，数据率极低但覆盖范围极广，单个基站可覆盖数十公里，非常适合简单的传感器数据传输基于蜂窝网络的NB-IoT和LTE-M在授权频段运行，安全性和可靠性更高NB-IoT专注于静态、低数据量场景，而LTE-M支持更高数据率和移动性，甚至可支持语音服务选择合适的LPWAN技术需要综合考虑覆盖需求、带宽要求、功耗限制、安全级别和部署成本等因素不同应用场景可能需要不同的技术解决方案卫星通信网络地球同步轨道中轨道GEO MEO高度约36,000公里，轨道周期与地球自转同步高度约8,000-20,000公里，覆盖范围广卫星互联网低轨道4LEO提供全球覆盖的宽带接入服务高度约500-2,000公里，延迟低但需多颗卫星卫星通信网络是无线广域网的重要组成部分，可提供全球范围的通信覆盖，特别是对于海洋、沙漠、极地等传统地面网络难以覆盖的区域地球同步轨道GEO卫星固定在赤道上空，一颗卫星可覆盖近三分之一的地球表面，但信号传输延迟高达250毫秒，主要用于广播电视和固定通信近年来，低轨道LEO卫星星座成为热点，如SpaceX的Starlink和Amazon的Kuiper项目这些系统由数百至数千颗卫星组成，在500-2000公里的低轨道运行，具有延迟低20-40毫秒、覆盖全球的特点Starlink已发射超过4,000颗卫星，提供最高500Mbps的互联网服务，正在改变全球通信格局，但也面临空间拥挤、光污染和频谱协调等挑战第四部分无线网络规划与优化需求分析明确覆盖范围与业务需求网络规划站点选择与参数配置网络部署设备安装与系统集成优化评估性能测试与持续改进无线网络的规划与优化是确保网络性能和用户体验的关键环节本部分将介绍无线网络从规划设计到部署优化的完整流程，包括需求分析、站点规划、性能指标、测试方法和故障排除等关键内容随着无线网络应用场景的多样化和复杂化，网络规划与优化面临越来越高的要求通过科学的规划方法和先进的优化技术，可以实现覆盖范围、网络容量和服务质量的最佳平衡，为用户提供高质量的无线通信服务，同时控制部署和运营成本无线网络规划流程需求分析与场地勘察无线网络规划的第一步是明确需求和勘察场地需要确定覆盖区域范围、用户密度、业务类型和容量需求等关键参数场地勘察应记录建筑物结构、材料、障碍物分布和环境干扰源，为后续规划提供基础数据此阶段产出的需求文档和场地报告是整个规划过程的基石容量规划与覆盖设计基于需求分析，进行容量和覆盖设计容量规划需考虑并发用户数、人均带宽和业务模型；覆盖设计则基于信号传播模型，计算所需的节点数量和位置在高密度区域，容量通常成为主要限制因素，需要更多的节点分担负载；而在低密度区域，覆盖往往是主要考虑因素频率规划与信道分配频率规划是无线网络设计的核心环节，目标是最大化频谱利用效率同时最小化干扰需要合理分配可用频段和信道，考虑信道复用距离、相邻信道干扰和共存系统影响在WLAN规划中，

2.4GHz频段通常使用

1、

6、11三个非重叠信道；5GHz频段可用信道更多，规划更为灵活设备选型与布置根据网络需求选择合适的硬件设备，包括接入点、天线、控制器和交换机等需考虑设备性能指标、功能特性、可靠性和成本效益设备布置须考虑安装位置的可行性、电源供应、网络回传和物理安全等因素企业级部署通常需要制定详细的安装规范和工程实施指南站点规划与天线配置宏站、微站与皮基站•宏站覆盖半径1-30公里，发射功率43-48dBm•微站覆盖半径200-2000米，发射功率33-38dBm•皮基站覆盖半径10-200米，发射功率23-30dBm•飞基站临时或移动场景，基于无人机或气球平台定向与全向天线选择•全向天线360°辐射，增益2-8dBi，适合中心覆盖•扇区天线60-120°覆盖，增益8-18dBi，用于分区覆盖•定向天线小于30°窄波束，增益可达20dBi以上，点对点链路•阵列天线支持波束赋形，适应复杂环境天线下倾角优化•机械下倾物理调整天线角度，简单直观•电子下倾通过相位调整改变波束方向，灵活可远程控制•下倾角计算公式α=arctanh-h′/d•过大下倾导致覆盖空洞，过小造成过远覆盖和干扰多入多出（）配置MIMO•2×2MIMO基本配置，适合普通应用•4×4MIMO提高30-40%容量，适合高密度区域•8×8MIMO高端配置，适合热点区域•Massive MIMO数十至数百天线，5G基站核心技术无线网络性能指标用户体验指标MOS评分、应用响应时间、视频流畅度网络业务指标吞吐量、时延、丢包率、抖动无线链路指标3RSSI、SNR、MCS等级、重传率射频覆盖指标4信号强度、覆盖率、重叠率、频谱效率无线网络性能评估需要全面考虑多层次的关键指标在射频层面，覆盖率指标要求信号强度达到特定阈值的区域比例，通常目标为95%以上的区域RSSI不低于-65dBm室内或-75dBm室外重叠率控制则确保任一位置可接收到2-3个AP的信号，以支持漫游但避免过度干扰吞吐量和频谱效率是衡量网络容量的核心指标现代Wi-Fi6网络在理想条件下可实现单用户

9.6Gbps的峰值理论速率，但实际部署中应以用户体验速率为准，如典型办公环境每用户保证10-20Mbps的稳定带宽时延和抖动控制对于实时应用至关重要，语音和视频业务通常要求端到端延迟不超过100ms，抖动不超过30ms，以确保通话质量和视频流畅度无线网络测试与评估驱动测试与步行测试驱动测试和步行测试是评估无线网络覆盖质量的基本方法测试人员携带专业测试终端，按预定路线移动并采集网络参数测试设备通常包括专业测试仪表（如罗德与施瓦茨的网络分析仪）或配备测试软件的智能手机（如TEMS或Nemo）测试过程会收集信号强度、质量、吞吐量和延迟等关键参数，形成详细的网络性能地图热点图（）分析Heat Map热点图是直观展示无线网络覆盖状况的重要工具，通过颜色梯度显示不同位置的信号强度或速率分布制作热点图需要在目标区域均匀采样测量数据，再通过插值算法生成连续分布图高质量的热点图可揭示覆盖盲区、信号重叠区和干扰热点，为网络优化提供直观依据现代测试工具如Ekahau SiteSurvey和AirMagnet Survey能自动生成多维热点图频谱分析与干扰识别频谱分析器可实时监测无线环境中的射频信号，识别各类干扰源常见干扰包括同频干扰（如邻近Wi-Fi网络）、非Wi-Fi干扰（如蓝牙设备、微波炉、无线摄像头）和恶意干扰（如干扰器）频谱分析可显示信号强度随时间和频率的变化，帮助精确定位干扰源MetaGeek的Chanalyzer和Cisco的CleanAir技术是常用的频谱分析工具，可识别干扰类型并提供缓解建议用户体验质量评估最终用户体验是评估网络性能最重要的指标客观评估方法包括应用层性能测试（如网页加载时间、视频流畅度）和标准化QoE评分（如平均意见得分MOS）主观评估则通过用户满意度调查收集反馈企业可建立用户体验管理系统，持续监控关键应用性能并绘制趋势图，及时发现体验退化并采取措施先进的AI分析工具如Cisco DNAAssurance可预测潜在问题并提供主动优化建议无线网络故障排除无线网络故障排除遵循系统化的方法，从确定问题范围开始，分析可能原因，验证解决方案，最后记录经验常见问题可分为四大类信号覆盖不足导致的连接不稳定或速率低；干扰问题造成的性能波动；容量瓶颈引起的高峰期拥塞；配置错误导致的认证失败或漫游异常解决信号覆盖问题可通过优化AP位置、调整天线方向或增加AP数量；干扰问题则需识别干扰源并采取针对性措施，如调整信道规划、启用频谱管理功能；容量瓶颈可通过负载均衡、带宽管理或升级硬件解决；配置问题则需仔细检查和修正网络参数，确保各设备间的兼容性和一致性高效故障排除依赖专业工具和系统方法，而非盲目试错无线网络优化技术自动信道选择ACSACS技术通过分析周围Wi-Fi网络和非Wi-Fi干扰源，为每个AP自动选择最佳工作信道现代ACS不仅考虑信道利用率，还评估噪声底线、干扰类型和信道重叠情况，使用复杂算法计算最优分配方案先进系统会定期重新评估并在低流量时段自动调整信道配置，减少60-80%的同频干扰，提升整体网络性能15-30%传输功率控制TPCTPC动态调整AP的发射功率，保持最佳的覆盖-干扰平衡理想的功率控制应使相邻AP的覆盖边缘信号强度在-65至-75dBm范围，既确保漫游点信号质量又减少过度覆盖高级TPC系统能根据客户端分布、建筑物结构和相邻AP负载自适应调整功率，比静态配置提升频谱效率25-40%企业级WLAN控制器通常支持时间和位置感知的TPC策略负载均衡与用户转移负载均衡技术防止单个AP过载而邻近AP闲置的情况实现方式包括基于连接数的简单均衡、基于带宽利用率的高级均衡，以及考虑信号质量和应用需求的智能均衡当AP负载超过阈值时，系统可通过降低对新客户端的响应速度、减小探测响应信号强度或主动断开低优先级连接等方式引导用户重新关联到负载较轻的AP，提高整体网络效率辅助优化方法AI人工智能正革新无线网络优化流程机器学习算法可分析海量网络数据，识别隐藏模式并预测性能变化AI系统能基于历史数据预测网络拥塞，提前调整资源分配；通过强化学习持续优化无线参数配置；利用异常检测算法快速发现并隔离问题设备实践表明，AI辅助优化可将故障解决时间缩短40-60%，网络容量提升15-25%，用户投诉减少30-50%第五部分融合应用与趋势技术融合垂直应用1无线局域网与广域网的协同发展各行业专用无线网络解决方案未来展望创新应用前沿技术与发展趋势基于无线网络的新型服务模式无线网络技术的快速演进正在催生丰富的融合应用随着与的协同发展，不同类型的无线网络逐渐打破界限，形成更加无缝的Wi-Fi6/6E/75G/6G连接体验网络边缘的计算能力增强，使得更多智能应用能够就近处理，显著降低响应时间并减轻核心网络负担本部分将探讨无线局域网与广域网的融合发展、室内定位技术的创新应用、车联网和智能家居等垂直行业解决方案，以及未来无线通信技术的发展趋势通过了解这些前沿应用与技术发展方向，我们可以更好地把握无线网络的未来演进路径与创新机遇无线局域网与广域网融合异构网络集成架构无缝漫游技术边缘计算赋能无线局域网与广域网的融合首先体现在网络实现不同网络间的无缝切换是融合的关键挑边缘计算成为无线网络融合的关键推动力，架构层面现代异构网络集成架构采用统一战先进的漫游技术使用户在与蜂窝将计算资源下沉到网络边缘，减少时延并优Wi-Fi的策略控制平面，管理包括、、有网络间切换时保持会话连续性，不感知网络化流量路径多接入边缘计算平台可Wi-Fi5G MEC线网络在内的多种接入技术这种融合架构变化同时服务和网络，实现计算资源共Wi-Fi5G通常基于软件定义网络和网络功能虚享和协同优化SDN主要技术手段包括拟化技术，实现资源灵活调度和业务NFV边缘计算在融合网络中的典型应用快速部署接入网络发现与选择功能•ANDSF本地分流减少回传流量热点自动认证•70-80%典型的融合架构包括•

2.0Passpoint内容缓存降低访问延迟多媒体子系统会话管理•40-60%•IP IMS接入汇聚层整合各类无线接入点和小•网络辅助定位提高室内定位精度达多路径并行传输••TCPMPTCP基站30-50%控制管理层统一的身份认证、策略执这些技术共同确保在网络切换过程中的低延•实时视频分析支持安防监控和应用•AR行和资源管理迟通常和零数据丢失100ms业务编排层基于意图的网络配置和服•务部署室内定位技术车联网技术特性DSRC

802.11p C-V2X LTE/5G通信范围约300米直连模式600米，网络模式不限通信时延~10毫秒直连模式~20毫秒，网络模式50-100毫秒频谱使用

5.9GHz非授权频段授权频段+

5.9GHz非授权频段网络架构分布式，点对点通信支持分布式和中心化架构技术路线已成熟，后续演进有限与蜂窝技术共同演进，前景广阔车联网技术是实现智能交通和自动驾驶的关键基础设施，主要支持车对车V2V、车对基础设施V2I、车对行人V2P和车对网络V2N等通信场景目前存在两条主要技术路线基于IEEE

802.11p标准的专用短程通信DSRC和基于蜂窝网络的C-V2X技术DSRC技术成熟度高，已在美国和欧洲部分地区部署，而C-V2X在中国得到广泛支持5G NR-V2X作为C-V2X的演进版本，带来了毫秒级超低延迟和高可靠通信能力，特别适合高级辅助驾驶和自动驾驶应用车联网的典型应用包括前向碰撞预警、紧急车辆提醒、交叉路口碰撞预警、协同式自适应巡航等安全功能，以及绿波车速引导、远程诊断、实时路况等效率和便利服务预计到2030年，全球将有70%以上的新车配备车联网功能智能家居网络技术技术Wi-Fi Zigbee高带宽连接方案低功耗网状网络覆盖范围米覆盖范围米•30-50•10-100优势带宽大，兼容性好优势超低功耗，网状拓扑••12劣势功耗较高，网络复杂劣势带宽小，互操作性挑战••应用摄像头、智能电视、音箱应用传感器、照明控制、智能锁••家庭安全防护协议Thread多层次安全架构面向物联网的网络IP•设备层安全启动，固件加密43•基于IPv6的6LoWPAN技术网络层分段隔离，流量监控自组织网状网络，无单点故障••应用层强认证，数据加密与标准兼容••Matter更新机制安全更新应用温控器、门铃、烟雾探测器•OTA•工业无线网络工业应用特点Wi-Fi工业环境对无线网络提出了独特要求工业级Wi-Fi需要在恶劣环境中稳定运行，抵抗电磁干扰、振动、粉尘和极端温度工业AP通常采用IP67防护等级，工作温度范围-40°C至+75°C，部分设备支持冗余电源和网络接口与普通Wi-Fi相比，工业Wi-Fi更注重确定性延迟、可靠性和安全性，而非极致带宽，典型应用包括AGV调度、工业控制、远程监控和资产追踪等技术TSN overWi-Fi时间敏感网络TSN是实现工业确定性通信的关键技术，近年来TSN overWi-Fi技术取得重要突破通过Wi-Fi6/6E的调度特性和优先级队列机制，结合增强的时间同步协议，可以在无线环境下实现毫秒级的确定性传输测试表明，在优化配置下，TSN overWi-Fi可将

99.999%的数据包延迟控制在2ms以内，丢包率低于10^-6，满足大多数工业控制应用需求工业专网建设5G5G工业专网为制造业数字化转型提供了强大基础设施与公共5G网络相比，工业专网具有独立控制、定制化服务、数据本地处理和更高安全性等优势专网部署模式包括独立专网使用专用频谱、混合专网共享运营商基础设施和虚拟专网基于网络切片专网建设关键考量包括覆盖规划、容量设计、业务模型、安全架构和与现有OT系统集成，典型投资回收期为3-5年工业物联网连接方案工业环境需要多样化的连接方案满足不同场景需求对于高价值设备监控，Wi-Fi和5G提供高带宽实时连接；对于大量分散传感器，NB-IoT和LoRaWAN提供广覆盖低功耗连接；对于移动设备跟踪，蓝牙和UWB提供精确定位先进工厂通常采用分层架构现场层使用TSN确保实时控制，管理层使用Wi-Fi/5G支持移动操作，企业层利用云连接实现全局协同技术选型应综合考虑延迟要求、带宽需求、功耗限制和部署成本私有网络5G企业专网建设模式•完全自建模式企业获取专用频谱，独立建设和运营网络•运营商托管模式利用运营商网络资源，企业控制服务策略•混合模式核心网自建，无线接入网与运营商共建共享•网络切片模式基于公网5G实现虚拟隔离的企业专属服务专用频谱与共享频谱•专用授权频谱如德国的

3.7-

3.8GHz、日本的

4.6-

4.8GHz•动态频谱共享如美国的CBRS

3.5GHz三层授权模式•非授权频谱5GNR-U技术利用5/6GHz无需许可频段•毫米波频谱26/28GHz频段提供超大容量边缘计算集成MEC•本地数据处理减少90%以上的外发流量，保护数据安全•实时分析典型时延10ms，支持视频分析、AR辅助等应用•应用服务托管部署专业软件，如CAD/CAM、生产控制系统•与OT系统集成实现5G与自动化系统的无缝连接典型应用场景•智能工厂AGV调度、柔性生产线、AR辅助装配•智慧港口远程控制起重机、自动化集装箱搬运•智能矿山无人驾驶矿车、实时环境监测、人员定位•能源电力电网监控、无人机巡检、远程专家支持未来无线技术展望愿景与关键技术6G1峰值速率1Tbps，全新频谱资源利用太赫兹通信100GHz-10THz频段，突破带宽瓶颈智能反射表面IRS可编程电磁环境，突破物理传播限制量子通信与安全基于量子力学原理的无条件安全传输6G作为下一代无线通信技术，预计2030年前后开始商用部署与5G相比，6G不仅是性能的量化提升，更将实现质的飞跃预计6G将实现1Tbps的峰值速率，端到端延迟低至

0.1ms，并扩展到水下、太空和高空等全新场景6G将深度融合通信、计算、感知、定位和控制功能，支持全息通信、数字孪生和环境感知等创新应用太赫兹通信利用100GHz-10THz之间的频谱资源，提供充足带宽满足未来超高速需求智能反射表面技术通过可编程电磁环境，主动控制无线信号传播路径，解决信号衰减和盲区问题轨道角动量复用可在同一频率上传输多个独立数据流，显著提升频谱效率量子通信利用量子不可克隆原理，实现理论上无条件安全的通信，为未来网络安全提供新的保障机制无线通信的绿色发展万50%+60+能效提升绿色基站新一代无线技术能源效率提升比例全球太阳能和风能供电基站数量90%12%休眠节能年均减排智能休眠技术在低流量时段的能耗降低比例通过绿色通信技术实现的碳排放年均下降率随着全球气候变化挑战加剧，无线通信行业正积极向绿色低碳方向转型能效提升技术是核心策略，包括高效功率放大器、先进的基带处理算法、智能天线阵列和液冷系统等相比4G，5G每比特能耗降低了约70%，而未来6G技术目标是实现更高的比特每焦耳效率，通过算法优化和新型材料技术再提升50%以上可再生能源基站是另一关键发展方向太阳能和风能混合供电的基站在发展中国家和偏远地区得到广泛应用，全球已部署超过60万站智能休眠技术使设备能根据流量需求动态调整工作模式，在低流量时段可降低90%的能耗，同时保证服务质量碳足迹评估已成为无线设备选型和网络规划的重要指标，业界正努力实现年均12%的碳排放降低目标，朝着2050年碳中和愿景迈进第六部分实验与实践基础实验掌握无线网络基本原理与测试方法，包括信号特性测量、协议分析和基本配置等内容通过直观实验理解理论知识，建立实践能力基础高级实验深入探索复杂网络环境下的部署与优化技术，包括多组网、安全机制实现、性AP能测试与故障排除等培养系统规划和问题解决能力综合项目结合实际案例完成网络设计与实施方案，从需求分析到最终验收的完整项目流程锻炼项目管理和团队协作能力，为实际工作打下基础实验与实践是无线网络课程的重要组成部分，通过动手操作将理论知识转化为实际技能本部分将介绍一系列从基础到高级的实验内容，涵盖无线网络的规划、部署、测试、优化和故障排除等各个环节通过实验课程，学生将接触各类无线网络设备和分析工具，学习专业的测试方法和工程实践，培养解决实际问题的能力同时，我们将分析多个真实案例，探讨不同场景下的网络解决方案，帮助学生将课堂知识与行业应用紧密结合，为未来职业发展奠定坚实基础无线网络实验设计本课程设计了一系列实用的无线网络实验，帮助学生从实践中掌握关键技能Wi-Fi网络规划与部署实验要求学生使用专业工具进行场地勘测，分析信号覆盖和干扰情况，制定AP布置方案并实施部署性能测试实验则教授学生使用吞吐量测试、延迟测量和用户体验评估等方法，掌握不同参数设置对网络性能的影响安全漏洞检测实验通过模拟常见攻击手段，如暴力破解、中间人攻击和恶意AP，让学生了解无线网络的安全风险并学习防护措施网络监控实验则教授使用Wireshark、InSSIDer等专业工具分析网络流量和信号质量，识别并解决常见故障实验环境配备了各类无线路由器、控制器、分析仪表和软件工具，支持学生从基础配置到高级应用的全面学习案例分析校园无线网络部署体育场馆高密度工厂专网建设Wi-Fi5G某综合性大学实施了全校覆盖项目，涉某国际体育赛事主场馆容纳观众万人，需要提某智能制造工厂建设了专网，用于支持Wi-Fi655G AGV及教学区、宿舍区、图书馆和室外公共区域项供高密度服务设计团队采用了小区域、调度、机器视觉质检和辅助维修等应用该项Wi-FiAR目采用了分区分层设计，教学区注重覆盖均匀多、低功率的设计理念，在看台下方每排目采用专用频段，部署个室内小基站和AP

103.5GHz8性，宿舍区强化高密度接入能力，图书馆采用定安装一个定向，功率控制在同时个室外宏基站，覆盖万平方米厂区关键技术AP17-20dBm25向天线控制信号溢出，公共区域则使用户外提实施严格的信道规划，采用优先策略，并包括网络切片（为不同业务提供独立资源）、边AP5GHz供连续覆盖从需求调研到完工历时个月，最通过技术优化漫游系统在赛事高峰缘计算（实现毫秒级响应）和集成（支持精

6802.11k/v TSN终实现了万用户同时在线，全校区域信期支持同时万用户连接，平均用户体验速率达确时间同步）项目上线后，生产效率提升

599.5%

1.5号强度达标的目标，满足高清直播分享等需求，设备故障响应时间缩短，运维成本15Mbps24%67%降低35%总结与展望创新技术、太赫兹通信等前沿技术探索6G融合应用2多网络协同、跨域集成、场景定制知识体系无线网络基础理论与实践技能通过本课程的学习，我们系统地探讨了无线局域网与广域网的基本原理、关键技术和实际应用从无线通信的物理基础到网络架构设计，从技Wi-Fi术演进到网络创新，从网络规划部署到优化运维，形成了无线网络技术的完整知识体系5G未来无线网络将朝着更高速率、更低延迟、更大连接密度、更智能化的方向发展，、太赫兹通信、智能反射表面等前沿技术将不断突破通信的物6G理极限同时，无线网络将与边缘计算、人工智能、区块链等技术深度融合，催生出全新的应用模式和商业形态无线网络人才需求持续增长，特别是具备跨领域知识和实践能力的复合型人才建议同学们通过参与实验实践、阅读前沿文献、关注行业动态等方式持续学习，不断提升专业能力。