时间：2023-02-27 11:09:25
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关键词：无线网络IEEE802.11无线接入
一、什么是无线局域网
1.1无线局域网的概念无线局域网(WirelessLocalAreaNetworks，简称WLAN)是相当便利的数据传输系统，它利用射频(RadioFrequency；RF)的技术，取代传统双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络，它作为有线局域网的补充和延伸，使得通信的移动化和个性化成为了可能。
1.2无线局域网的主要标准常用的计算机无线通信技术有光波和无线电波。光波包括红外线和激光，但由于光波易受天气影响，不具备穿透能力，难以实际应用。无线电波包括短波、超短波和微波等。
扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）简称扩频通信。其基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率频谱密度的信号来发射。
扩频通信的基本工作方式有4种：直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式（简称DSSS方式）；跳变频率（FrequencyHopping）工作方式（简称FH方式）；跳变时间（TimeHopping）工作方式（简称TH方式）；线性调频（ChirpModulation）工作方式（简称Chirp方式）。目前使用最多、最典型的扩频工作方式是直扩式（DSSS方式），在无线网络的通信中，就是采用这种工作方式。
1.3WLAN的主要技术标准由于实现无线通信的手段不一，以无线局域网技术和以GPRS/3G为代表的无线上网技术，制定了包括IEEE802.11、蓝牙技术和HomeRF等多项标准和规范，而以IEEE(电气和电子工程师协会)为代表的多个研究机构针对不同的应用场合，制定了一系列协议标准，推动了无线局域网的规范和实用化，并在众多厂商的支持下成为目前主流协议标准。
1997年，IEEE了802.11协议，1999年IEEE小组相继推出了，802.11b和802.11a协议，802.11b在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率。802.11a的网络吞吐速率达到了54Mb/s和25Mb/s，但成本过高，使用频段5.2GHz是卫星通信频段，很难大面积投入商用，目前最普及、应用最广泛的是802.11b无线标准，2001年，IEEE通过了802.11g标准，它向下兼容802.11a、802.11b的同时，网络吞吐速率54Mbps，而802.11n标准是IEEE推出的最新标准，它通过采用智能天线技术，可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps、108Mbps，提供到300Mbps甚至是600Mbps，引起了市场很大反响。
二、为什么要构建无线校园网
无线接入在校园网中的优势无线校园网与有线校园网相比，无线局域网具有巨大的灵活性，有线网络在很多多场合受到布线的制约；布线、改线工程量大；线路易于损坏；固定的网络各节点无法移动。
遇到网络盲点时，须铺设专用通信线路，成本高，难度大、耗时长，线路一旦出现故障排查、维修不便，无线校园网较之有线校园网，具有以下几点优势：
2.1网络综合成本低，随着近几年无线网络设备不断普及，无线网络成本已经接近甚至低于传统有线网络成本，而在网络施工上，无线网络最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，铺设无须掘沟埋管，省去了大量线路铺设的费用和时间。它的安装周期短，维护方便，同时具有传统有线网无可比拟的可扩容性。
2.2网络覆盖面广，只要安装了一个或多个无线接入点AP设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络，它不受环境条件制约，网络的传输范围得到了拓宽，借助于外接天线（做链接），传输距离则可以达到30～50公里甚至更远，这要视天线本身的增益而定。
2.3组网灵活方便，无线局域网可以按当时的需要容量来安装设备，甚至可以“现用现装”而传统有线网络，网络设备的安放位置受到网络信息点位置的限制，一旦无线局域网建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络，进行通讯。
2.4强大的移动性，无线局域网的一个重大特性就是可以“随时、随地”地实现无线通信，VoIP、资源共享、网络教学、视频会议等许许多多基于无线通信的技术将大大方便了师生们工作、学习。
三、无线校园的应用范围
基础无线应用。目前，多数高校建设无线网的目的，更主要的是解决难于进行综合布线的公共区域（如会议中心、图书馆等）上网问题，无线校园网建成后，除了能满足校内用户对网络的移动性需求外，在出现大规模网络服务需求的场合（如网上考试报名等），提供临时性的无线网络服务，新生报名、注册等工作，财务和学籍管理部门都需要在报到处集中利用计算机录入信息，并通过网络将数据递交到服务器。无线信号覆盖到校园的任何角落，使整个校园变成一个巨大的信息资源空间。
移动VoIP应用。作为最抢眼无线网应用，它已经出现在如北京大学等国内知名院校内，移动VoIP将价格低廉的VoIP技术与灵活的无线技术相结合，同时结合了无线网络的可移动性、隐蔽性和高扩展性的特点及VoIP的实时性、综合性特点，可以根据所传输的图像质量调节占用的带宽。符合目前的低成本需求以及移动性需求的技术趋势。通过无线网络实现低成本VoIP业务，将使多媒体会议、远程教学及网络电话等应用的普及率大幅提高。
链路的冗余备份。目前，大学普遍由多个校区组成，通常采用租用链路的方式将多个校区互连。我们可以利用无线技术来解决这个问题，只需在各校的建筑物顶上旋转一个无线网桥，架设高增益天线和放大器后，在50KM的范围内仍能保证高速数据传输，实现多校区间不同网段的链路，最大程度地降低在城市路网改造过程中，由于光纤被挖断而导致的校区间断网情况的影响。
无线化教学。无线校园网可以对教学资源进行有效地整合和利用，其中包括已经存储在服务器中的资料（网络教学平台、课件下载中心、综合教务系统等），以及正在上的某一节课，从而改变传统的教学方式，解决了很多学校学生多机器少，排课困难的问题。而且可以为学生复习提供第一手资料，可以有更多的交互性，学校精品课程、优秀教师的课堂录像资料等可以通过VOD视频点播、AOD音频点播学生可以分享优秀教学资源外提高了学习的效率和质量。
其他应用。出于网络安全的考虑，各个校园网都建设了自己的用户认证系统。这虽然保证了校园网的安全，却形成了新的问题：校园网信息孤岛。如何打破校园信息孤岛，实现校园无线网之间的互联互通？由各个校园无线网组成一个庞大的无线联盟的设想，出现在我们面前，这个设想一旦实现，大大方便了各校园的教学资源交流和学术交流等各方面合作。
四、结束语
在国际上，拥有无线校园网，已经成为现代化校园的一个标志。无线校园网的蓬勃发展正是顺应了教育信息化建设的前进步伐，无线局域网正以它的高速传输和很好的灵活性、扩容性在高校的教学、管理等各项应用中发挥着日益重要的作用。
摘要：
[1]吴海华，孔为民，徐雪梅.无线网络应用实例分析[J].现代情报.2008.(09).
1.1设备概述
该设备以高性能计算机主板为核心,将无线AP、计算机、大容量硬盘、POE自适应交换机等功能融合于一体，实现了基于设备内部影音、图书等数字文化信息移动覆盖传播的目的。POE自适应网口可以扩充POE设备，如网络摄像头、无线AP等，为该设备功能的扩展提供了保障。
1.2设备构造
“无线数字中心”设备由顶板、底板、主体、后板四部分通过特殊卡件连接而成。正面有电源按钮及运行指示灯，背面有2个USB3.0接口、1个HDMI高清接口、3个自适应以太网口及1个19V电源适配器供电接口。机壳侧面有2.5寸抽拉式硬盘架开口。壳体采用自然对流散热设计，冷空气可以通过侧面板的散热孔进入再由后方的风孔排除，达到机箱散热的目的。该设备外壳采用全铝材质、橡胶防震脚座。颜色为银色，表面拉丝处理。设备内部由高密度集成计算机主板，无线AP主板，POE交换机主板及2.5寸抽拉式硬盘架有机结合成为一个整体。
1.3性能特点
（1）主机性能高、功耗低、适应性好。采用intel原装工业级专用控制主板，高速四核CPU，操作系统装在固态硬盘中，配合4G内存，采用可更换式大容量高速数据硬盘存储，主机系统运行流畅。主机中CPU及各元件采用低功耗设计，用电量极低,正常运行功耗只有20W。
（2）WIFI信号覆盖范围广。主机中集成高性能双极性增强型无线网络技术AP，功率达到500mW*2，配合户外双极性全向天线，WIFI覆盖距离远，信号辐射半径超过1Km。
（3）支持外设丰富。主机融合了POE交换机的功能，可以只通过网线为远程摄像机提供电源和信号，通过配套软件可以实现坐在家中通过移动设备监视远在几百米外的环境等的功能；同时支持增加更多的移动AP来增强信号。该设备支持3G上网卡的接入，通过软件配合可以远程更新系统资源和诊断设备故障；
（4）易用性高、免维护。主机采用“傻瓜式”设计，整个系统只需连接电源线和天线馈线，无需更多连接。接线采用防错插设计，防止使用人员插错。设备连接好后，操作人员只需按下主机上唯一的电源键即可，无需更多操作，整个系统自动运行。系统设计采用黑匣子模式，整个系统有一个专用视频接口和两个USB接口以及三个以太网接口。专用视频接口用于调试设备时连接显示器；USB接口用于调试设备时连接无线键鼠和更新资源时连接移动硬盘等USB设备。正常使用过程中，普通用户无需连接显示器和其他设备。
（5）高度灵活的扩展性。系统采用模块化设计，充分考虑了扩展性的要求。配置可根据实际覆盖用户的数量需求提供高配或低配版本。在用户数量变化后，也可方便的升级硬件系统。数字资源更换方式多样灵活，既可采用更换数据硬盘的方式，也可采用千兆网线传输的方式，还可采用USB口拷贝的方式，甚至采用无线网络技术网络传输等多种扩展数字资源的方式。
（6）便携式。该主机可以被随意带到需要数字信息资源的地方，在没有固定电源的情况下通过太阳能移动电源为主机供电，设备同样可以正常工作3～4小时。也可以配合车载电源逆变器使用，将设备放在汽车里，通过车载电源逆变器为主机供电，成为一台真正可以随处移动的数字信息传播工具。
2设备软件结构及APP应用
该设备同时支持Android、iOS、PC终端系统进行访问。有以下两种连接方式：
（1）Android、iOS系统通过手机、平板电脑终端打开WIFI，连接无线网络技术数字中心ID，下载对应APP应用，安装后进入APP应用连接设备系统资源。
（2）通过电脑PC端在浏览器输入指定的网址，无需下载应用，直接进行资源访问。
3“无线数字中心”设备网络架构
“无线数字中心”各台设备的运行情况通过CATServer服务软件汇总到专用服务器，以便对每台设备进行相应的检测及管理。CATserver是一款与无线数字中心系统配套使用的监控软件，其主要功能为以下几点：
（1）监听无线数字中心的实时状态。通过CATserver用户可以在第一时间知道无线数字中心是否正在运行。
（2）历史记录查询。通过CATserver用户可以得到无线数字中心的历史运行轨迹。譬如，何时曾开机，何时曾关机，设备运行了多长时间。
（3）服务器与设备、设备与设备之间的通讯。如果服务器与设备、设备与设备之间网络通信正常，可以通过移动终端使用应用软件进行文字对话。随着该监控软件功能的逐步拓展，未来“无线网络技术数字中心”的设备故障等重要信息都会被记录、汇总，更加有利于设备的远程维护。
4总结
1.1无线网络
利用无线网络技术，可以建立远距离无线连接全球数据与语音网络，以及近距离无线连接红外与射频技术。相比有线网络来说其在数据的传输上对电缆传输方式进行了改善，以无线电代替传统网线，实现了无线通信，解放了地理位置对的限制，同时还与有线网络形成互为备份的关系。
1.2无线局域网
无线局域网即通过无线数据传送的一种计算机网络，与无线通信技术以及计算机网络技术相结合，对有线局域网进行了延伸，实现了利用无线局域网完成数据传输与接收，达到了不需连线传输的目的。
2无线网络技术在智能楼宇中应用概述
所谓智能楼宇其建设核心即多种系统的集成，想要满足集成系统的有效运行，必须要建立一个可靠性高的通信网络。随着计算机技术与网络技术的快速发展，一个现代化的智能楼宇基本上具备了安防、消防等系统外，还具有复杂的计算机通信网络，只有当建筑满足各项基础通信设备的运行需求，才可以更进一步实现电子邮件、电子数据传输、视频电视以及多年媒体通信等功能。而所有系统的实现必须要以无线网络技术为基础，将其作为连接各分项系统的桥梁。无线网络设计在智能楼宇中的应用，可以节省有线网络通信所需的电缆线，以更低的建设成本来获得相应的功能。并且还可以避免电缆线连接可靠性不高带来的网络故障问题，满足了计算机在一定范围不受位置限制的要求，为整个智能楼宇建立一个重要的技术平台。以某工程无线网络系统应用为例，主要由ZigBee无线传感器网络接入部分、以太网TCP/IP传输以及电力线载传输部分组成，其中ZigBee无线传感器网络可以将整个智能楼宇内有用数据收集汇总到ZigBee协议中规定中心节点上，基于此建立的最底层混合网络与传统方式相比不需要布线处理，并且具有较高的保密性能，整个施工周期也比较短，在建设完成后传输效果高。另外，通过电力线接入处理后，可以将楼层中原本一体的ZigBee网络划分为多个功能子网，受ZigBee协议规定信道频率影响，可以选择用频率复用的方式，将各子网设置为相同频率，利用本工程钢筋混凝土结构天然干扰屏蔽作用避免相同频率之间的相互干扰，可以更好的发挥出楼宇内各个子网传输的优势。一、三楼确定频率为1，二、四楼确定频率为2，可以在保证ZigBee信道数目的情况下，避免了各楼层之间信道的相互干扰。
3无线网络技术在智能楼宇中应用要点分析
将无线网络技术应用到智能楼宇建设中时，为保证无线通信网络建设效果，需要结合建筑工程结构特点以及无线网络特点来确定管理要点，避免各类因素对网络设计的影响。第一，以智能楼宇本身结构类型为依据来选择相应的网络类型，尤其是对于应用对象为移动状态时，为避免电缆线传输对位置的影响，应选择用无线网络。第二，在选择无线网络技术建立通信网络时，应配置相应的基础性网络保护措施，采取有效的措施来做好无线网络密码的修改与保护，并且为避免通信网络在应用过程中出现故障，应建立专责管理小组，随时进行检测调整。第三，结合建筑内部结构特点确定设计方案的合理性，避免无线信号的流失。
4无线网路技术在智能楼宇中应用措施分析
4.1无线局域网技术应用
第一，IP地址规划。如果为AC的IP地址应选择用静态手工配置，如果为AP的IP地址分配如果选择用静态分配方式，因为AP数量比较多，配置工作量大，在设计与应用过程中容易发生冲突，因此应尽量选择用DHCP动态分配。第二，SSID/VLAN规划。在智能楼宇建设中，业务VLAN主要来区分不同业务类型以及用户群体，SSID在WLAN中也可以起到相同的作用。因此在进行设计时，在业务VLAN规划中需要综合考虑将VLAN与SSID的映射关系，WLAN管理VLAN与业务将VLAN分离，并且业务VLAN根据实际需求与SSID实现1：1、1：N/N：1/N：N多种匹配映射，AC终结VLAN部署。第三，射频管理规划。无线局域网信道比较少，为提高其应用效果，需要做好对信号的分配，并且通过对信道的调整，确保每个AP都能够分配到最优的信道，避免不同信道之间的相互干扰，提高网络信息传输的可靠性。
4.2现场执行层无线网络技术应用
在智能楼宇系统中，为了满足其应用特性以及信息准确快速的传输，以及尽可能的与智能楼宇网络系统相结合，故Infrastructure组网模式在智能楼宇中的应用非常高，智能楼宇中存在很多的数据信息需要交换和传递，并按照某种通信协议来完成。BACnet作为智能楼宇中应为最为广泛的通信协议，其定义了整个智能楼宇实现设备相互操作、抽象的数据共享的对象模型以及信息服务原语。BAC－net通信协议可以通过网络映射方式将不同底层协议映射成BAC－net子网实现不同网络的传输，并支持了多种链路层以及物理层的通信模式。故现场执行层中选取BACnet为基站无线传感器网模式。
5结束语
本文以常用的车载物流过程为研究对象，在货柜中部署传感器节点，来实时监测货物运输过程的相关环境参数，WSN中的汇聚节点通过蓝牙传输协议将数据传给作为网关的智能手机，智能手机通过GPS卫星定位将位置信息加入到参数数据中，再通过移动通信网络将数据传输到后台系统中。本论文研究主体为车载部分，其架构如图2所示。
1.1传感器节点的设计本系统中，传感器节点的主要任务是实时监测相关环境参数，并对其他节点转发来的数据进行存储和转发，使数据通过WSN传输到汇聚节点处，其处理能力、存储能力和通信能力要求不高，因此采用简单节约的设计方案。如图3所示，传感器节点由传感器模块、处理器模块、射频模块、电源模块和电路等部分组成。传感器模块负责对所需参数进行采集和模数转换。处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感器模块采集的以及射频模块发送过来的数据。射频模块负责与其他节点之间的通信，对数据进行发送或接收。电源模块负责为整个节点提供运行所需的能量，是决定节点寿命的关键因素之一。电路则包括声光电路、复位电路及接口电路等。（1）处理器模块。处理器模块是传感器节点的核心部分，本设计方案中，处理器选用德州仪器（TI）公司的16位超低功耗微控制器MSP430F135，该处理器采用1.8V-3.6V的低电压供电，可以在低电压下以超低功耗状态工作，非常适合应用在对功耗控制要求甚高的无线传感器网络。该处理器同时拥有较强的处理能力和较丰富的片内资源，拥有16kB闪存、512BRAM、2个16位的定时器、1个通用同步异步接口（USART）、12位的模数转换器（ADC）和6个8位并行接口。（2）射频模块。在无线传感器网络实际应用中，传感器节点既需要发射又需要接收数据，因此本设计方案中的射频模块采用收发一体的无线收发机。射频模块采用Chipcon公司推出的无线收发芯片CC2420，它的工作电压位于2.1~3.6V之间，收发电流不超过20mA，功耗低；其具有很高的集成度，只需要较少的电路就可工作，天线设计采用PCB天线，进一步减小模块体积。CC2420工作在2.4GHz频段上，支持IEEE802.15.4和Zig-Bee协议；采用O-QPSK调制方式，抗邻道干扰能力强；128B接收和128B发射用的数据缓存空间，数据传输速率高达250kb-ps。（3）传感器模块。传感器节点的数据采集部分根据实际需要选择相应的传感器，如温度、湿度、振动、光敏、压力等传感器。本文的研究重点不在传感器上，因此仅以温湿度传感器作为例子。本方案采用Sensirion公司的SHT15温湿度传感器，该传感器将传感元件和信号处理电路集成在一起，输出完全标定的数字信号[3]。其工作温度范围在-40℃-123.8℃之间，其在-20℃-70℃范围内，温度测量精度在±1℃以内；湿度范围在0%-100%之间，在10%-90%范围内，湿度测量精度在±2%以内。
1.2汇聚节点的设计在本系统中，汇聚节点的主要任务是接收传感器节点转发来的数据，进行存储和处理后传输到网关节点处，同时，接收来自网关节点的信息，向传感器节点监测任务。汇聚节点是连接WSN和外部网络的接口，实现两种协议间的转换，使用户能够访问、获取和配置WSN的资源，对其处理能力、存储能力和通信能力要求较高。而为了与传感器节点匹配，汇聚节点的硬件结构与传感器节点基本相似，如图4所示，汇聚节点没有传感器模块，增加了存储器模块和蓝牙通信模块。（1）处理器模块。同样的，处理器模块也是汇聚节点的核心部分，主要负责控制整个汇聚节点的操作，存储和处理来自射频模块或者蓝牙通信模块的数据，再将处理结果交给射频模块或者蓝牙通信模块发送出去。本设计方案中，处理器选用TI公司的16位超低功耗微控制器MSP430F1611，该处理器和MSP430F135一样，可以在1.8V~3.6V的低电压下以超低功耗状态工作，但其拥有更强的处理能力和更丰富的片内资源，48kB闪存和10KBRAM、2个16位定时器、1个快速12位ADC、双12位DAC、2个USART接口和6个8位并行I/O接口。（2）存储器模块。考虑到物流运输过程中环境多变，容易带来一些不确定因素，这些不确定因素可能引起处理器自带的存储器中的数据丢失，因此汇聚节点需要存储一些重要的数据。本设计方案中，汇聚节点的外部存储器芯片选用由Mi-crochip公司生产的24AA64，工作电压低至1.8V，它采用低功耗CMOS技术，工作时电流仅为1mA，而且可以在恶劣的环境下稳定工作。由于汇聚节点对存储容量要求不高，而且24AA64芯片的存储容量为64KB，擦写次数可达到百万次，因此一块芯片即可满足本系统的存储要求。（3）蓝牙通信模块。本系统采用智能手机作为后台系统和WSN之间的网关，来实现远距离的数据传输。为了使汇聚节点与智能手机能够进行通信，采用蓝牙通信协议。而在汇聚节点使用蓝牙通信方式需要增加一个蓝牙通信模块。本设计方案中，采用SparkFun公司的BlueSMiRF模块，其工作电压为3.3V-6V，工作电流最大为25mA，功耗较低；其最大传输距离为100m，通信速率最高可达115200bps；其天线为PCB天线，所需器件很少，故模块的体积很小，可以通过串行接口直接与处理器模块相连。
1.3网关节点的设计本系统要求在后台系统和WSN部署点间进行双向通信，为了实现远距离的数据传输功能，有两种方案，一是汇聚节点增加移动通信模块，如GPRS模块[4]；二是采用智能手机作为后台系统和汇聚节点之间的网关。方案一对汇聚节点的要求进一步提高，不仅处理过程更加复杂，其能量消耗也大大提高；另一方面要实现物流过程的跟踪，还需有定位功能，一般采用GPS模块[5]，这样成本也将大大提高。相比之下，方案二优势明显，采用智能手机可以进行各种复杂的数据处理，进行大量数据的存储，使用移动通信网络与后台系统进行通信，使用内置的GPS定位功能，后台用户可以在紧急事件发生时直接联系货车司机等。因此，本系统采用智能手机作为网关节点。本设计方案中，采用中国移动M811手机作为测试对象，其支持4G/3G/GPRS等移动网络，可以方便地使用移动网络与后台系统进行通信；其具有GPS定位功能，可以实现货车定位；具有蓝牙通信功能，可与汇聚节点间采用蓝牙通信；使用An-droid4.0操作系统，拥有丰富的开源资源，方便软件的设计。
2系统软件部分设计
本系统使用WSN中的传感器节点检测物流过程中相关环境参数并发送到汇聚节点处，由其将数据通过蓝牙连接传输到智能手机，智能手机通过移动通信网络将加入GPS信息的数据传输到后台服务器。系统各部分的工作任务不一，硬件条件也有很大差别，因此系统的软件设计也十分关键。
2.1传感器节点程序设计传感器节点主要承担数据采集和发送的工作，由于其能量及处理资源有限，因此需要采取节能和减少数据处理的设计方案。本设计方案中，传感器节点采取按需求唤醒的工作方式，检测等待时间（等待时间可由后台设置）未到或者没有收到汇聚节点命令时节点处于休眠状态；当等待时间一到或者收到命令时，立刻开始工作，进行采集数据并发送，或者根据命令完成相应操作，完成后又进入休眠状态，等待下一次激活，其程序流程如图5所示。
2.2汇聚节点程序设计汇聚节点的主要任务是接收传感器节点转发来的数据，处理后通过蓝牙传输到网关节点处，同时接收来自网关的命令，完成相应的操作。相比于传感器节点，汇聚节点的工作更加复杂，而且其能量和处理资源也不多，因此采取与传感器节点相似的节能设计方案，将复杂的数据处理工作交予网关节点，其程序流程如图6所示。
2.3智能手机APP设计智能手机作为本系统的网关节点，承担协议转换、数据传输、数据处理等复杂工作，因此开发相应的应用程序（Applica-tionProgram，简称APP）来实现上述功能，其流程图如图7所示。该APP实现对智能手机内部蓝牙模块的调用，通过蓝牙连接与汇聚节点通信；利用智能手机的GPS模块获取位置信息，加入到接收到的传感器数据中，再通过移动通信网络传输到后台系统；接收后台系统的命令，完成相应的操作；同时通过智能手机对应的界面提供数据显示、告警提醒以及日志功能。
3结语
1.无线或有线链路上存在的安全问题
有线链路网络和无线网络共同构成了我们生活中所使用的网络系统，在Internet和无线网络快速进步的今天，他们的紧密的结合在一起，都为4G移动通信提供着支持和服务，复杂的4G移动通信技术在使用的过程中存在着很多的风险，无线和有线网络也同样在众多的安全威胁下提供着服务，主要表现为：（1）移动性：无线终端设备会在移动的过程中享受不同子网络的服务，不是固定于某一个网络下。（2）容错性：减少因无线网络结构不同而造成的差错。（3）多计费：在无线网络使用过程中，均是通过运营商来实现对接的，然而有些网络运营商通过网络随意加收客户的使用费用等等。（4）安全性：攻击者的窃听、篡改、插入或删除链路上的数据。
2.移动终端存在的安全问题
4G网络逐渐的已投入使用，用户们通过4G移动终端实现相互间的交流也更为密切，恶意软件及病毒也随着交流而流窜，使得它们的破坏力度和范围都有所扩大，使得移动终端系统遭受严重打击，甚至有关机或失灵等现象的出现。
3.网络实体上存在的安全问题
网络实体身份认证问题，包括接入网和核心网中的实体，无线LAD中的AP和认证服务器等。主要存在的安全威胁如下：（1）目前的网络攻击者利用多种手段，类型也是多样化，让网上用户防不胜防。但他们多半都有一个共同特点就是扮演合法用户使用网络服务，这样一来，网络监管方面也无法察觉，用户这边更是没有任何戒备，使得他们有很大的机会接近用户并进行各种骚扰和不良信息的。（2）无线网相对于宽带而言，它的接口数量有限，而且信号不稳定，容易受其他因素的干扰，这也就为攻击者提供了一个进入的漏洞，安全隐患的可能性也随之大大增强。（3）目前的的搜索功能可谓是越来越强大，尤其是“人肉搜索”，让用户的个人隐私等一再受到侵犯，这些攻击者一般都具有良好的计算机技术水平，对网络系统的运行了如指掌，很容易非法窃取用户信息，并展开下一步的追踪。（4）网络用户不肯承认他们使用的服务和资源，使进一步网络实体的认证增加了难度，这是用户可以逃避和不像曝光的行为，其实这样做只会给自己增加麻烦，到时遇到问题也很难得到有效处理。
二、4G通信安全措施
1.要建立适合未来移动通信系统的安全体系机制
主要有（1）可协商机制：移动终端和无线网络能够自行协商安全协议和算法。（2）可配置机制：合法用户可配置移动终端的安全防护措施选项。（3）多策略机制：针对不同的应用场景提供不同的安全防护措施。（4）混合策略机制：结合不同的安全机制，如将公钥和私钥体制相结合、生物密码和数字口令相结合。一方面，以公钥保障系统的可扩展性，进而支撑兼容性和用户的可移动性
2.对于无线接入网一般可采取的安全措施如下。
（1）安全接入。无线接入网通过自身安全策略或辅助安全设备提供对可信移动终端的安全接入功能。防止非可信移动终端接入无线接入网络。（2）安全传输。移动终端与无线接入网能够选择建立加密传输通道，根据业务需求，从无线接入网、用户侧均能自主设置数据传输方式。（3）身份认证。在移动终端要接入无线网络之前，要通过一个可靠的中间机构的认证，确保双方身份的真实性和可靠性。（4）访问控制。无线接入网可通过物理地址过滤、端口访问控制等技术措施进行细粒度访问控制策略设置。（5）安全数据过滤。在多媒体等应用领域，都可以通过数据过滤技术，对想要接入到网络中的非法数据进行拦截，阻止其进行到内部系统及核心网络，实现无线网络的安全性。
3.提高效率
网络终端的运行效率的提升，最主要就是减少信息量的流通，减少客户端的工作量，不使计算机长期处于超负荷的工作状态中，尽量减少时间的拖延，那么安全协议当中交互的信息量的数额的限定对提高网络运行效率就有一定帮助。
三、结语
在通信中没有稳定通道，且在路由方面会出现极高延迟，无法保证网络通信中的安全问题，例如一些重要信息可能会被拦截并对其泄露，因此网络通信的安全性不够强，则不能够有效的保证信息安全的传输。
2对无线传感器的安全技术造成破坏的因素
2.1破撞攻击。在发包作用处于正常的节点中时，破坏方则会附带的将另一个数据包进行发送，使得破坏的数据由于出现数据的叠加无法有效的被分离开，从而严重的阻碍了正常情况下的网络通信，并且破坏了网络通信的安全性，即为碰撞攻击。建立监听系统则是最好的防卸方法，它是利用纠错系统来查找数据包的叠加状况，并及时的对其进行清除，从而确保数据安全的传输。
2.2拥塞攻击。拥塞攻击指就是破换方对网络通信的频率进行深入的了解之后，通过通信频率附近的区域的得知，来发射相应的无线电波，从而进行一步对干扰予以加大。对于这种状况，则需要采用科学合理的预防方式，来将网络节点装换成另一个频率，才能进行正常的通信。
3加强无线传感器网络安全技术的相关措施分析
3.1密钥管理技术。通常在密钥的管理中，密钥从生成到完毕的这一过程所存在的不同问题在整个加密系统中是极其薄弱的一个环节，信息的泄漏问题尤为频繁。目前我国对密钥管理技术上最根本的管理是对称密钥机制的管理，其中包括非预共享的密钥模式、预共享密钥模式、概率性分配模式以及确定性分配模式。确定性分配模式为一个共享的密码钥匙，处于两个需要进行交换的数据节点间，且为一种非常确定的方式。而概率性分配则是将密码钥匙的共享得以实现，则要根据能够进行计算的合理概率，从而使得分配模式予以提出。
3.2安全路由技术。路由技术的实施就是想节省无线传感器网络中的节点所拥有能量，并最大程度体现无线传感器网络系统。但由于传播的范围较大，因此在传输网络数据信息时常常不同程度的遭受攻击，例如DD路由中最根本的协议，一些恶意的消息通过泛洪攻击方式进行拦截及获取，并利用网络将类似虚拟IP地址、hello时间以及保持时间这样的HSRP信息的HSRP协议数据单元进行寄发的方式，来对正常情况下的传输实行阻碍，使得网络无法进行正常且顺利的通信流程。但通过HSRP协议和TESLA协议进行有效结合所形成的SPINS协议，则可以有效的缓解且减少信息泄露的情况的出现，同时进一步加强了对攻击进行预防的能力，从而保证无线传感器网络整体的系统具有安全性。
3.3安全数据相融合。无线传感器网络就是通过丰富且复杂的数据所形成的一种网络，其中的相关数据会利用融合以及剔除，来对数据信息进行传送，因此在此过程中，必须谨慎仔细的对数据融合的安全性问题予以重视。同时数据融合节点的过程中，必须将数据具体的融合通过安全节点进行开展，并且在融合之后，将一些有效的数据通过供基站予以传送，才能进一步对监测的评价进行开展，从而保证融合的结果具有真实性以及安全性。
3.4密码技术。针对无线传感器网络中的一些极其不安全的特性，可通过密码设置、科学化的密码技术，从而进一步保证网络通信能够安全的进行。同时通过加大密码中相关代码以及数据的长度，来大大降低信息泄露的情况，从而可以有效的保证通信数据的安全性。由于出现的密钥算法无法达到对称性，其中所具备的保护因素较大，并且拥有简单方便的密码设置，从而广泛、普遍的被人们运用到日常生活中。而在应用不同的通信设备时，则需要将相应的密码技术进行使用。
4结束语
总的来说，由于覆盖范围、传输速率和用途的不同，无线网络可以分为无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网。从传输距离角度看，各种网络的比较如图1所示。从网络拓扑结构角度，无线网络又可以分为有中心网络和无中心、自组织网络。有中心网络以蜂窝移动通信为代表；无中心网络以移动自组织网络（AdHoc）为代表，采用分布式、自组织的思想形成网络。
1.1WPAN/WLAN/WMAN通信技术
无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。如蓝牙、ZigBee、RFID等。无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）的工作模式可分为基础结构（Infrastructure）模式和自组织网络（AdHoc）模式，基础结构的拓扑结构是扩展服务集（ExtendedServiceSet，ESS），而自组织网络的拓扑结构是独立基本服务集（IndependentBasicServiceSet，IBSS）。在基础结构网络下，无线终端通过访问节点（AccessPoint，AP）相互通信，而且可以访问有线网络，这是最常用的网络拓扑结构；自组织网络是无线终端之间任意连接相互通信形成的一种工作方式。WLAN的安全架构经历了从有线等效保密（WiredEquivalentPrivacy，WEP）到IEEE802.11i的演进，我国于2003年首次针对WEP的安全机制不足提出无线局域网安全标准（WirelessLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure，WAPI）。无线城域网（WirelessMetropolitanAreaNetwork，WMAN）的推出是为了满足日益增长的无线接入市场需求。在WLAN技术快速发展的同时，由于在用于室外环境时，带宽和用户数方面受到了限制，同时，还存在通信距离较长等一些其他问题。为更好地解决上述问题，IEEE制定了一套全新的、更复杂的全球标准[2]，这个标准能同时解决物理层环境（室外射频传输）和QoS2方面的问题，典型的WMAN如WiMAX，Mesh等。
1.2GSM/GPRS通信技术
全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunications，GSM）是2G系统的典型例子，其运营成本低、网络覆盖范围广、可靠性相对较高。但是该通信方式的实时性相对较差，尤其是在大数据传输的情况下，可能造成较长时间的传输时延，不适用于实时监测系统。而且GSM没有考虑完整性保护的问题，这一点在以语音通信为主的2G通信中不是十分重要，因为丢失或者改动的语音通常可以认为识别。GPRS是在现有二代移动通信GSM系统基础上发展而来的无线数据传输业务。GPRS采用与GSM相同的无线调制标准、频带、突发结构、调频规则及TDMA帧结构。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源。近年来，GPRS技术在配电终端发展非常迅速，但是仍存在不足：GPRS会发生包丢失现象，调制方式不是最优，只采用对用户的单向认证等[3]。
1.33G通信技术
与前两代通信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供多种移动多媒体业务。在高速移动的环境中，其传输速率支持144kbit/s，静止状态下最高支持7.2Mbit/s。3G技术利用在不同网络间的无缝漫游技术，将无线通信系统和Internet连接在一起，从而实现对移动终端用户提供更多、更高级的服务，提高了通信质量、系统容量和传输速率。在安全体系上，3G系统性的考虑了网络接入安全、网络域安全、用户域安全、应用域安全、安全可视性和可配置性。虽然3G和2G相比有很多优点，但还是存在很多缺点：3G缺乏统一的全球标准；3G所采用的语音交换架构不是纯IP的方式，仍采用2G系统的电路交换方式；3G的业务提供和业务管理不够灵活；流媒体的应用不尽如人意；3G的高速数据传输不成熟，接入速度有限；安全方面存在算法过多、认证协议容易被攻击等安全缺陷。
1.44G通信技术
3G正朝着无处不在、全IP化的4G演进。4G网络体系结构如图2所示，4G的关键特征是网络融合，允许多种无线通信技术系统共存，4G致力于融合不同的无线通信系统和技术，以提供普适移动计算环境。用户可以在任何时间、任何地点使用无线网络，这给认证和安全切换提出了更高的要求。在高速移动环境中，移动工作站仍能提供2~100Mbit/s的数据传输速率。4G使用单一的全球范围的IP核心网来取代3G中的蜂窝网络，交换架构从电路交换向分组交换过渡，最终演变成为基于分组交换架构的全IP网络。TD-LTE是时分双工技术（TimeDivisionDupl-exing，TDD）版本的LTE技术，是TD-SCDMA的后续演进技术，同时沿用了TD-SCDMA的帧结构。TD-LTE所采用的不对称频率时分双工方式，是我国拥有自主核心知识产权的国际标准。与之前的通信技术标准相比，TD-LTE技术在物理层传输技术方面有显著改进，主要使用的关键技术包括：多天线技术、多址接入技术、链路自适应、混合自动重传等。1）TD-LTE采用TDD技术，充分利用了有限的频谱资源。在TDD模式下通过将发送和接收信号调度到同一载波下不同时间段传输进行区分，将有限的频谱资源充分利用。2）TD-LTE采用正交频分复用调制编码技术，有效对抗频率选择性衰落或窄带干扰，也提高了单位频谱的传输效率。正交频分复用调制编码技术是将频段内给定的信道分成若干个正交子信道，然后在每个子信道上使用一个载波进行调制，子载波并行传输，从而有效地消除信号波形间的干扰。3）TD-LTE采用多输入输出技术。该技术通过分立式多天线，利用多发射、多接收天线进行空间分集，能将通信链路分解成多个并行子信道，从而提高通信容量。TD-LTE还采用了自适应调制与编码技术、自适应重传技术、载波聚合技术等多种先进技术来实现宽带数据传输[2]。
24G通信安全问题与对策
2.14G通信的接入系统与移动终端
4G的核心网是一个全IP网络，即基于IP的承载机制、基于IP的网络维护管理、基于IP的网络资源控制、基于IP的应用服务。4G的根本优点是可以实现不同网络间的无缝互联。因此，4G网络的接入系统包括无线蜂窝移动通信系统（2G、3G）、无线系统（如DECT）、短距离连接系统（如蓝牙）、无线局域网（WLAN）系统、卫星系统、广播电视接入系统（如DAB，DVB-T，CATV）、有线系统、WiMAX等。4G系统的显著特点是智能化终端，通过实现在各种网络系统之间无缝连接和协作，以最优化的工作方式满足用户的通信需求。当智能化多模式终端接入系统时，网络会自适应地分配频带，给出最优化路由，以达到最佳通信效果。4G的特征决定了4G的移动终端不同于3G终端。4G移动终端应能支持高速率和宽带要求，同时还应保证适应不同的空中接口要求及不同的QoS指标和终端用户移动性能。此外，4G系统中的终端形式多样化，具有物联网功能的终端可视为4G系统的终端，如联网的冰箱、热水器、眼镜、手表等。未来4G移动终端具有如下特征：更强的交互性能，更为方便的个人与网络接口；更高的网络联通性，无线设备可通过AdHoc方式组网；丰富的个性化服务，支持视频电话、GPS定位等多种业务；动态自重构能力，可以自适应地改变业务要求及网络条件；增强型的安全保障功能，如嵌入式指纹识别认证。
2.24G通信安全问题
4G系统包括IP骨干网、无线核心网、无线接入网和智能移动终端等部分，因此，其面临的安全威胁也主要来自这几方面。现有无线网络中存在的安全隐患仍然存在于4G系统中。例如，无线网络链路安全问题和攻击者的窃听、篡改、插入或删除链路上的数据；网络实体身份认证问题，包括核心网和接入网中的实体，如无线局域网中的AP和认证服务器等；Internet网络的各类网络攻击问题等。另外，4G的移动终端与用户的交互更为密切，移动终端作为所有无线协议的参与者和各种无线应用的执行者[4]，交互越来越复杂，威胁的来源越来越广泛。而且，随着计算和存储能力的不断增强，可被执行的恶意程序的数量增多，破坏越来越大，使移动终端变得更加脆弱。例如，手机病毒攻击、移动终端硬件平台的篡改、移动终端操作系统漏洞等。
2.34G通信安全策略
4G安全的研究刚刚起步，还需要将来深入的研究。安全解决方案的设计应考虑的因素包括：安全性、效率、兼容性、可扩展性和用户的可移动性。包括[5]：①需要通过移动终端完成的任务量尽可能少，以有效减少计算的时延；②安全协议需要交互的信息量尽可能少，且每条信息的数据长度尽可能短，以减少通信的时延；③被访问网络的安全防护措施应对用户透明；④用户可有效识别和了解被访问网络协商所采用的安全防护措施级别、算法，甚至安全协议；⑤合法的用户可自由配置自身使用的业务是否需要采用安全防护措施；⑥协议要求的计算能力要具有明显的非对称性，较大的计算负担应尽量在服务端完成，而非在移动终端完成，要充分利用移动终端的空闲时间和资源进行预计算和预认证；⑦安全防护方案能够应对用户和网络设备数目的持续增长。具体而言，可采取的安全防护策略主要如下[6]。1）可协商机制：移动终端和无线网络能够自行协商安全协议和算法。2）可配置机制：合法用户可配置移动终端的安全防护措施选项。3）多策略机制：针对不同的应用场景提供不同的安全防护措施。例如，首次登陆网络和再次接入网络的认证可以充分利用已有的验证信息来节约成本、提高效率，切换认证也应该较普通接入认证有更高的效率。4）混合策略机制：结合不同的安全机制，如将公钥和私钥体制相结合、生物密码和数字口令相结合。一方面，以公钥保障系统的可扩展性，进而支撑兼容性和用户的可移动性；另一方面，利用私钥的高效性来保证实时性（如切换过程），进一步确保用户的可移动性。
2.44G通信安全措施
根据安全威胁来源，4G通信的安全措施重点在于移动终端和无线接入网2部分，对于移动终端一般可采取的安全防护措施如下。1）防护物理硬件。提升集成度，减少可被攻击的物理接口；增加电流、电压检测电路，防止物理攻击手段；增加完整性检验、可信启动和存储保护等措施。2）加固操作系统。采用坚强可靠的操作系统，使其支持混合式访问控制、域隔离控制和远程验证等安全策略。对于无线接入网一般可采取的安全措施如下。1）安全接入。无线接入网通过自身安全策略或辅助安全设备提供对可信移动终端的安全接入功能。防止非可信移动终端接入无线接入网络。2）安全传输。移动终端与无线接入网能够选择建立加密传输通道，根据业务需求，从无线接入网、用户侧均能自主设置数据传输方式。必要时，无线接入网可以采用专用网络进行物理隔离或逻辑隔离。3）身份认证。移动终端与无线接入网建立基于高可靠性载体（如数字证书）的双向身份认证机制。4）安全数据过滤。无线接入网可提供安全数据过滤功能。在视频、多媒体等应用领域，通过数据过滤，可以有效地防范非法数据通过抢占无线接入网资源，进而影响内部系统或核心网。5）访问控制。无线接入网可通过物理地址过滤、端口访问控制等技术措施进行细粒度访问控制策略设置。6）统一监控与审计。对移动终端的访问行为、无线接入设备的运行情况建立统一的监控与审计系统，可以有效地分析移动终端行为规律、记录异常操作，保证无线接入网的高效、可靠。无线核心网和IP骨干网Internet的安全措施与传统网络类似，包括设备冗余、链路冗余、容灾技术、带宽优化等系列措施。在传统安全措施基础上，4G通信时主要需要考虑无线接入网与核心网之间的安全问题。核心网需要加强对无线接入网的安全接入防护，建立可信接入机制。
3结语
关键词：无线网络；MAC；共享信道
1.引言
近年来，随着通信技术的不断发展，特别是无线网络技术的不断成熟，越来越多的领域开始采用无线网络技术。特别是随着嵌入式技术发展带来的众多便携式产品，它们大都采用无线网络技术实现上网功能。由于涉及到不同的应用场合以及其它的一些要求，产生了众多的无线网络技术。在众多无线网络技术中，基本的协议框架都是类似的，主要是细节的不同。在无线网络的众多技术中，MAC层至关重要。MAC作为介质接入控制协议，其主要的作用就是控制各个通信节点对信道的访问，解决冲突，实现高效的共享。论文将系统的研究常用的无线网络技术中的MA C层协议，并对其进行仿真。
2. 无线网络MAC层协议的研究
无线网络技术众多，满足不同距离、不同层次的需求，本论文主要研究与我们生活紧密联系的3类无线网络技术。它们分别是无线局域网、无线个人区域网和无线传感器网。其中，无线局域网主要应用于类似校园这样的近距离区域，它具有组网灵活、布线费用少、不受线路限制等多个方面的优点，应用十分广泛。无线个人区域网主要是应用于从几米到10米左右空间内的高效数据传输，是普通网络电缆的替代品。无线传感器网是近年来才兴起的，由大量价格低廉、低功耗的传感器节点所构成的无线网络系统。其传输速率较低。
由于上述3类无线网络应用的场景不同，所以采用的协议也有很大的区别。大多数无线局域网采用的协议包括IEEE802.11系列标准和HiperLAN标准；无线个人区域网一般采用的协议是蓝牙、HomeRF及IEEE 802.15系列标准；而无线传感器网络采用的是IEEE 802.15.4标准。
从上面的研究可以看出：不同的无线网络技术采用的协议相差很远，但作为实现网络信道共享的MAC层的功能都是一样的，那就是通过对每个试图对信道进行访问的设备进行控制来实现信道的共享。一般都采用多址接入技术。从这个角度看：MAC层协议主要包括：以FDMA、TDMA、CDMA为代表的固定分配类型，以CSMA/CA为代表的随机竞争类型以及以中心控制MAC层协议和分布控制MAC层协议为代表的按需分配类型。其中，固定分配类型采用的多址接入方案是将一条共享的信道划分为多个相互孤立的子信道，并将每个子信道分配给一个访问节点使用。主要应用于语音网络，由于网络数据传输具有突发性的特点，所以该类协议很少应用于数据传输。随机竞争类型是为了满足网络数据传输突发性的特点而设计的，所以它采用的接入策略是随机接入，并辅助一些冲突避免的方法。故它主要应用于数据传输网络。按需分配类型采用的策略是循环询问每个节点，若有数据，则发送，若无，则转向下一节点。
从上述的研究中，可以看出不同类型的MAC层的协议采用的控制策略是不同的，自然其应用场合也有很大的区别。现在，我们对应用于低速无线网络的IEEE 802.15.4标准涉及到的内容进行研究，从而对常用的MAC层协议有一个整体的认识。在该标准中，其MAC层协议采用的控制策略是随机竞争类型的CSMA/CA。其中，CSMA/CA分为两种类型一种是应用于星型网络的带时隙的CSMA/CA；另一种就是无时隙的CSMA/CA。带时隙的CSMA/CA在星型网络中主要是通过中心节点的超帧来实现对网络信道的控制。其中，超帧具有两个类型的周期，一个是网络中每个访问节点都可使用CSMA/CA控制策略的活动周期；另一个就是所有访问节点都处于休眠情况的非活动周期。超帧的活动周期分为三个部分:信标、竞争访问期和竞争空闲期。其中，若采用信标，那么MAC层在超帧的竞争访问期间采用带时隙的CSMA/CA策略，否则采用无时隙的CSMA/CA。在这两种状态下，均采用随机退让的冲突避让机制。在CSMA/CA策略中，当一个数传输请求到达时，MAC层随机延迟一个时间，然后对物理层请求信道状态检测。在带时隙的CSMA/CA系统中，信道状态检测和数据传输都被安排在时隙边界。在非时隙CSMA/CA系统中，信道状态检测将立即开始。
3. 无线网络MAC层协议的仿真
由于笔者主要研究了IEEE 802.15.4标准的MAC层协议，那么我们的仿真研究也针对它进行。我们采用的仿真工具是NS-2仿真软件，该软件在网络拓扑结构、网络传输的研究中具有很好的效果。在NS-2中仿真MAC层协议的主要步骤是：1.采用C++在NS-2中实现MAC层协议；2.定义分组及包头类型；3.绑定C++和Tcl中的相应类；3.编译连接；4.设置仿真场景和通信模型；5.NS仿真；6.文件分析，输出结果。由于篇幅原因，在此就不详细列出仿真具体的实现过程。通过在NS-2中进行仿真，我们就能清晰的看到MAC层协议的整个过程，并能对在具体网络中的其它内容进行分析，例如可以对其能量情况进行分析。
4.结论
MAC层协议在整个无线网络中具有十分重要的作用。由于应用环境的不同，在不同的无线网络环境中采用的MAC层协议具有很大的区别。论文系统的论述了MAC层协议涉及到的相关内容，并对其仿真技术进行了说明。可以预见由于便利性的需要，覆盖不同层次、不同距离的无线网络技术将会得到快速的发展，其MAC控制策略也将发生巨大的变化，所以深入的研究MAC协议具有十分重要的现实意义和理论价值。
参考文献：
[1] 张太，张晓敏，李莉.IEEE802.11 MAC层协议解析.山东大学学报.2oo2(6):22-26
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