時間：2023-02-27 11:09:25
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關鍵詞：無線網絡IEEE802.11無線接入
一、什么是無線局域網
1.1無線局域網的概念無線局域網(WirelessLocalAreaNetworks，簡稱WLAN)是相當便利的數據傳輸系統，它利用射頻(RadioFrequency；RF)的技術，取代傳統雙絞銅線(Coaxial)所構成的局域網絡，它作為有線局域網的補充和延伸，使得通信的移動化和個性化成為了可能。
1.2無線局域網的主要標準常用的計算機無線通信技術有光波和無線電波。光波包括紅外線和激光，但由于光波易受天氣影響，不具備穿透能力，難以實際應用。無線電波包括短波、超短波和微波等。
擴展頻譜通信（SpreadSpectrumCommunication）簡稱擴頻通信。其基本特征是使用比發送的信息數據速率高許多倍的偽隨機碼把載有信息數據的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶的低功率頻譜密度的信號來發射。
擴頻通信的基本工作方式有4種：直接序列擴頻（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式（簡稱DSSS方式）；跳變頻率（FrequencyHopping）工作方式（簡稱FH方式）；跳變時間（TimeHopping）工作方式（簡稱TH方式）；線性調頻（ChirpModulation）工作方式（簡稱Chirp方式）。目前使用最多、最典型的擴頻工作方式是直擴式（DSSS方式），在無線網絡的通信中，就是采用這種工作方式。
1.3WLAN的主要技術標準由于實現無線通信的手段不一，以無線局域網技術和以GPRS/3G為代表的無線上網技術，制定了包括IEEE802.11、藍牙技術和HomeRF等多項標準和規范，而以IEEE(電氣和電子工程師協會)為代表的多個研究機構針對不同的應用場合，制定了一系列協議標準，推動了無線局域網的規范和實用化，并在眾多廠商的支持下成為目前主流協議標準。
1997年，IEEE了802.11協議，1999年IEEE小組相繼推出了，802.11b和802.11a協議，802.11b在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps兩個新的網絡吞吐速率。802.11a的網絡吞吐速率達到了54Mb/s和25Mb/s，但成本過高，使用頻段5.2GHz是衛星通信頻段，很難大面積投入商用，目前最普及、應用最廣泛的是802.11b無線標準，2001年，IEEE通過了802.11g標準，它向下兼容802.11a、802.11b的同時，網絡吞吐速率54Mbps，而802.11n標準是IEEE推出的最新標準，它通過采用智能天線技術，可以將WLAN的傳輸速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps、108Mbps，提供到300Mbps甚至是600Mbps，引起了市場很大反響。
二、為什么要構建無線校園網
無線接入在校園網中的優勢無線校園網與有線校園網相比，無線局域網具有巨大的靈活性，有線網絡在很多多場合受到布線的制約；布線、改線工程量大；線路易于損壞；固定的網絡各節點無法移動。
遇到網絡盲點時，須鋪設專用通信線路，成本高，難度大、耗時長，線路一旦出現故障排查、維修不便，無線校園網較之有線校園網，具有以下幾點優勢：
2.1網絡綜合成本低，隨著近幾年無線網絡設備不斷普及，無線網絡成本已經接近甚至低于傳統有線網絡成本，而在網絡施工上，無線網絡最大的優勢就是免去或減少了網絡布線的工作量，鋪設無須掘溝埋管，省去了大量線路鋪設的費用和時間。它的安裝周期短，維護方便，同時具有傳統有線網無可比擬的可擴容性。
2.2網絡覆蓋面廣，只要安裝了一個或多個無線接入點AP設備，就可建立覆蓋整個建筑或地區的局域網絡，它不受環境條件制約，網絡的傳輸范圍得到了拓寬，借助于外接天線（做鏈接），傳輸距離則可以達到30～50公里甚至更遠，這要視天線本身的增益而定。
2.3組網靈活方便，無線局域網可以按當時的需要容量來安裝設備，甚至可以“現用現裝”而傳統有線網絡，網絡設備的安放位置受到網絡信息點位置的限制，一旦無線局域網建成后，在無線網的信號覆蓋區域內任何一個位置都可以接入網絡，進行通訊。
2.4強大的移動性，無線局域網的一個重大特性就是可以“隨時、隨地”地實現無線通信，VoIP、資源共享、網絡教學、視頻會議等許許多多基于無線通信的技術將大大方便了師生們工作、學習。
三、無線校園的應用范圍
基礎無線應用。目前，多數高校建設無線網的目的，更主要的是解決難于進行綜合布線的公共區域（如會議中心、圖書館等）上網問題，無線校園網建成后，除了能滿足校內用戶對網絡的移動性需求外，在出現大規模網絡服務需求的場合（如網上考試報名等），提供臨時性的無線網絡服務，新生報名、注冊等工作，財務和學籍管理部門都需要在報到處集中利用計算機錄入信息，并通過網絡將數據遞交到服務器。無線信號覆蓋到校園的任何角落，使整個校園變成一個巨大的信息資源空間。
移動VoIP應用。作為最搶眼無線網應用，它已經出現在如北京大學等國內知名院校內，移動VoIP將價格低廉的VoIP技術與靈活的無線技術相結合，同時結合了無線網絡的可移動性、隱蔽性和高擴展性的特點及VoIP的實時性、綜合性特點，可以根據所傳輸的圖像質量調節占用的帶寬。符合目前的低成本需求以及移動性需求的技術趨勢。通過無線網絡實現低成本VoIP業務，將使多媒體會議、遠程教學及網絡電話等應用的普及率大幅提高。
鏈路的冗余備份。目前，大學普遍由多個校區組成，通常采用租用鏈路的方式將多個校區互連。我們可以利用無線技術來解決這個問題，只需在各校的建筑物頂上旋轉一個無線網橋，架設高增益天線和放大器后，在50KM的范圍內仍能保證高速數據傳輸，實現多校區間不同網段的鏈路，最大程度地降低在城市路網改造過程中，由于光纖被挖斷而導致的校區間斷網情況的影響。
無線化教學。無線校園網可以對教學資源進行有效地整合和利用，其中包括已經存儲在服務器中的資料（網絡教學平臺、課件下載中心、綜合教務系統等），以及正在上的某一節課，從而改變傳統的教學方式，解決了很多學校學生多機器少，排課困難的問題。而且可以為學生復習提供第一手資料，可以有更多的交互性，學校精品課程、優秀教師的課堂錄像資料等可以通過VOD視頻點播、AOD音頻點播學生可以分享優秀教學資源外提高了學習的效率和質量。
其他應用。出于網絡安全的考慮，各個校園網都建設了自己的用戶認證系統。這雖然保證了校園網的安全，卻形成了新的問題：校園網信息孤島。如何打破校園信息孤島，實現校園無線網之間的互聯互通？由各個校園無線網組成一個龐大的無線聯盟的設想，出現在我們面前，這個設想一旦實現，大大方便了各校園的教學資源交流和學術交流等各方面合作。
四、結束語
在國際上，擁有無線校園網，已經成為現代化校園的一個標志。無線校園網的蓬勃發展正是順應了教育信息化建設的前進步伐，無線局域網正以它的高速傳輸和很好的靈活性、擴容性在高校的教學、管理等各項應用中發揮著日益重要的作用。
摘要：
[1]吳海華，孔為民，徐雪梅.無線網絡應用實例分析[J].現代情報.2008.(09).
1.1設備概述
該設備以高性能計算機主板為核心,將無線AP、計算機、大容量硬盤、POE自適應交換機等功能融合于一體，實現了基于設備內部影音、圖書等數字文化信息移動覆蓋傳播的目的。POE自適應網口可以擴充POE設備，如網絡攝像頭、無線AP等，為該設備功能的擴展提供了保障。
1.2設備構造
“無線數字中心”設備由頂板、底板、主體、后板四部分通過特殊卡件連接而成。正面有電源按鈕及運行指示燈，背面有2個USB3.0接口、1個HDMI高清接口、3個自適應以太網口及1個19V電源適配器供電接口。機殼側面有2.5寸抽拉式硬盤架開口。殼體采用自然對流散熱設計，冷空氣可以通過側面板的散熱孔進入再由后方的風孔排除，達到機箱散熱的目的。該設備外殼采用全鋁材質、橡膠防震腳座。顏色為銀色，表面拉絲處理。設備內部由高密度集成計算機主板，無線AP主板，POE交換機主板及2.5寸抽拉式硬盤架有機結合成為一個整體。
1.3性能特點
（1）主機性能高、功耗低、適應性好。采用intel原裝工業級專用控制主板，高速四核CPU，操作系統裝在固態硬盤中，配合4G內存，采用可更換式大容量高速數據硬盤存儲，主機系統運行流暢。主機中CPU及各元件采用低功耗設計，用電量極低,正常運行功耗只有20W。
（2）WIFI信號覆蓋范圍廣。主機中集成高性能雙極性增強型無線網絡技術AP，功率達到500mW*2，配合戶外雙極性全向天線，WIFI覆蓋距離遠，信號輻射半徑超過1Km。
（3）支持外設豐富。主機融合了POE交換機的功能，可以只通過網線為遠程攝像機提供電源和信號，通過配套軟件可以實現坐在家中通過移動設備監視遠在幾百米外的環境等的功能；同時支持增加更多的移動AP來增強信號。該設備支持3G上網卡的接入，通過軟件配合可以遠程更新系統資源和診斷設備故障；
（4）易用性高、免維護。主機采用“傻瓜式”設計，整個系統只需連接電源線和天線饋線，無需更多連接。接線采用防錯插設計，防止使用人員插錯。設備連接好后，操作人員只需按下主機上唯一的電源鍵即可，無需更多操作，整個系統自動運行。系統設計采用黑匣子模式，整個系統有一個專用視頻接口和兩個USB接口以及三個以太網接口。專用視頻接口用于調試設備時連接顯示器；USB接口用于調試設備時連接無線鍵鼠和更新資源時連接移動硬盤等USB設備。正常使用過程中，普通用戶無需連接顯示器和其他設備。
（5）高度靈活的擴展性。系統采用模塊化設計，充分考慮了擴展性的要求。配置可根據實際覆蓋用戶的數量需求提供高配或低配版本。在用戶數量變化后，也可方便的升級硬件系統。數字資源更換方式多樣靈活，既可采用更換數據硬盤的方式，也可采用千兆網線傳輸的方式，還可采用USB口拷貝的方式，甚至采用無線網絡技術網絡傳輸等多種擴展數字資源的方式。
（6）便攜式。該主機可以被隨意帶到需要數字信息資源的地方，在沒有固定電源的情況下通過太陽能移動電源為主機供電，設備同樣可以正常工作3～4小時。也可以配合車載電源逆變器使用，將設備放在汽車里，通過車載電源逆變器為主機供電，成為一臺真正可以隨處移動的數字信息傳播工具。
2設備軟件結構及APP應用
該設備同時支持Android、iOS、PC終端系統進行訪問。有以下兩種連接方式：
（1）Android、iOS系統通過手機、平板電腦終端打開WIFI，連接無線網絡技術數字中心ID，下載對應APP應用，安裝后進入APP應用連接設備系統資源。
（2）通過電腦PC端在瀏覽器輸入指定的網址，無需下載應用，直接進行資源訪問。
3“無線數字中心”設備網絡架構
“無線數字中心”各臺設備的運行情況通過CATServer服務軟件匯總到專用服務器，以便對每臺設備進行相應的檢測及管理。CATserver是一款與無線數字中心系統配套使用的監控軟件，其主要功能為以下幾點：
（1）監聽無線數字中心的實時狀態。通過CATserver用戶可以在第一時間知道無線數字中心是否正在運行。
（2）歷史記錄查詢。通過CATserver用戶可以得到無線數字中心的歷史運行軌跡。譬如，何時曾開機，何時曾關機，設備運行了多長時間。
（3）服務器與設備、設備與設備之間的通訊。如果服務器與設備、設備與設備之間網絡通信正常，可以通過移動終端使用應用軟件進行文字對話。隨著該監控軟件功能的逐步拓展，未來“無線網絡技術數字中心”的設備故障等重要信息都會被記錄、匯總，更加有利于設備的遠程維護。
4總結
1.1無線網絡
利用無線網絡技術，可以建立遠距離無線連接全球數據與語音網絡，以及近距離無線連接紅外與射頻技術。相比有線網絡來說其在數據的傳輸上對電纜傳輸方式進行了改善，以無線電代替傳統網線，實現了無線通信，解放了地理位置對的限制，同時還與有線網絡形成互為備份的關系。
1.2無線局域網
無線局域網即通過無線數據傳送的一種計算機網絡，與無線通信技術以及計算機網絡技術相結合，對有線局域網進行了延伸，實現了利用無線局域網完成數據傳輸與接收，達到了不需連線傳輸的目的。
2無線網絡技術在智能樓宇中應用概述
所謂智能樓宇其建設核心即多種系統的集成，想要滿足集成系統的有效運行，必須要建立一個可靠性高的通信網絡。隨著計算機技術與網絡技術的快速發展，一個現代化的智能樓宇基本上具備了安防、消防等系統外，還具有復雜的計算機通信網絡，只有當建筑滿足各項基礎通信設備的運行需求，才可以更進一步實現電子郵件、電子數據傳輸、視頻電視以及多年媒體通信等功能。而所有系統的實現必須要以無線網絡技術為基礎，將其作為連接各分項系統的橋梁。無線網絡設計在智能樓宇中的應用，可以節省有線網絡通信所需的電纜線，以更低的建設成本來獲得相應的功能。并且還可以避免電纜線連接可靠性不高帶來的網絡故障問題，滿足了計算機在一定范圍不受位置限制的要求，為整個智能樓宇建立一個重要的技術平臺。以某工程無線網絡系統應用為例，主要由ZigBee無線傳感器網絡接入部分、以太網TCP/IP傳輸以及電力線載傳輸部分組成，其中ZigBee無線傳感器網絡可以將整個智能樓宇內有用數據收集匯總到ZigBee協議中規定中心節點上，基于此建立的最底層混合網絡與傳統方式相比不需要布線處理，并且具有較高的保密性能，整個施工周期也比較短，在建設完成后傳輸效果高。另外，通過電力線接入處理后，可以將樓層中原本一體的ZigBee網絡劃分為多個功能子網，受ZigBee協議規定信道頻率影響，可以選擇用頻率復用的方式，將各子網設置為相同頻率，利用本工程鋼筋混凝土結構天然干擾屏蔽作用避免相同頻率之間的相互干擾，可以更好的發揮出樓宇內各個子網傳輸的優勢。一、三樓確定頻率為1，二、四樓確定頻率為2，可以在保證ZigBee信道數目的情況下，避免了各樓層之間信道的相互干擾。
3無線網絡技術在智能樓宇中應用要點分析
將無線網絡技術應用到智能樓宇建設中時，為保證無線通信網絡建設效果，需要結合建筑工程結構特點以及無線網絡特點來確定管理要點，避免各類因素對網絡設計的影響。第一，以智能樓宇本身結構類型為依據來選擇相應的網絡類型，尤其是對于應用對象為移動狀態時，為避免電纜線傳輸對位置的影響，應選擇用無線網絡。第二，在選擇無線網絡技術建立通信網絡時，應配置相應的基礎性網絡保護措施，采取有效的措施來做好無線網絡密碼的修改與保護，并且為避免通信網絡在應用過程中出現故障，應建立專責管理小組，隨時進行檢測調整。第三，結合建筑內部結構特點確定設計方案的合理性，避免無線信號的流失。
4無線網路技術在智能樓宇中應用措施分析
4.1無線局域網技術應用
第一，IP地址規劃。如果為AC的IP地址應選擇用靜態手工配置，如果為AP的IP地址分配如果選擇用靜態分配方式，因為AP數量比較多，配置工作量大，在設計與應用過程中容易發生沖突，因此應盡量選擇用DHCP動態分配。第二，SSID/VLAN規劃。在智能樓宇建設中，業務VLAN主要來區分不同業務類型以及用戶群體，SSID在WLAN中也可以起到相同的作用。因此在進行設計時，在業務VLAN規劃中需要綜合考慮將VLAN與SSID的映射關系，WLAN管理VLAN與業務將VLAN分離，并且業務VLAN根據實際需求與SSID實現1：1、1：N/N：1/N：N多種匹配映射，AC終結VLAN部署。第三，射頻管理規劃。無線局域網信道比較少，為提高其應用效果，需要做好對信號的分配，并且通過對信道的調整，確保每個AP都能夠分配到最優的信道，避免不同信道之間的相互干擾，提高網絡信息傳輸的可靠性。
4.2現場執行層無線網絡技術應用
在智能樓宇系統中，為了滿足其應用特性以及信息準確快速的傳輸，以及盡可能的與智能樓宇網絡系統相結合，故Infrastructure組網模式在智能樓宇中的應用非常高，智能樓宇中存在很多的數據信息需要交換和傳遞，并按照某種通信協議來完成。BACnet作為智能樓宇中應為最為廣泛的通信協議，其定義了整個智能樓宇實現設備相互操作、抽象的數據共享的對象模型以及信息服務原語。BAC－net通信協議可以通過網絡映射方式將不同底層協議映射成BAC－net子網實現不同網絡的傳輸，并支持了多種鏈路層以及物理層的通信模式。故現場執行層中選取BACnet為基站無線傳感器網模式。
5結束語
本文以常用的車載物流過程為研究對象，在貨柜中部署傳感器節點，來實時監測貨物運輸過程的相關環境參數，WSN中的匯聚節點通過藍牙傳輸協議將數據傳給作為網關的智能手機，智能手機通過GPS衛星定位將位置信息加入到參數數據中，再通過移動通信網絡將數據傳輸到后臺系統中。本論文研究主體為車載部分，其架構如圖2所示。
1.1傳感器節點的設計本系統中，傳感器節點的主要任務是實時監測相關環境參數，并對其他節點轉發來的數據進行存儲和轉發，使數據通過WSN傳輸到匯聚節點處，其處理能力、存儲能力和通信能力要求不高，因此采用簡單節約的設計方案。如圖3所示，傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、射頻模塊、電源模塊和電路等部分組成。傳感器模塊負責對所需參數進行采集和模數轉換。處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理傳感器模塊采集的以及射頻模塊發送過來的數據。射頻模塊負責與其他節點之間的通信，對數據進行發送或接收。電源模塊負責為整個節點提供運行所需的能量，是決定節點壽命的關鍵因素之一。電路則包括聲光電路、復位電路及接口電路等。（1）處理器模塊。處理器模塊是傳感器節點的核心部分，本設計方案中，處理器選用德州儀器（TI）公司的16位超低功耗微控制器MSP430F135，該處理器采用1.8V-3.6V的低電壓供電，可以在低電壓下以超低功耗狀態工作，非常適合應用在對功耗控制要求甚高的無線傳感器網絡。該處理器同時擁有較強的處理能力和較豐富的片內資源，擁有16kB閃存、512BRAM、2個16位的定時器、1個通用同步異步接口（USART）、12位的模數轉換器（ADC）和6個8位并行接口。（2）射頻模塊。在無線傳感器網絡實際應用中，傳感器節點既需要發射又需要接收數據，因此本設計方案中的射頻模塊采用收發一體的無線收發機。射頻模塊采用Chipcon公司推出的無線收發芯片CC2420，它的工作電壓位于2.1~3.6V之間，收發電流不超過20mA，功耗低；其具有很高的集成度，只需要較少的電路就可工作，天線設計采用PCB天線，進一步減小模塊體積。CC2420工作在2.4GHz頻段上，支持IEEE802.15.4和Zig-Bee協議；采用O-QPSK調制方式，抗鄰道干擾能力強；128B接收和128B發射用的數據緩存空間，數據傳輸速率高達250kb-ps。（3）傳感器模塊。傳感器節點的數據采集部分根據實際需要選擇相應的傳感器，如溫度、濕度、振動、光敏、壓力等傳感器。本文的研究重點不在傳感器上，因此僅以溫濕度傳感器作為例子。本方案采用Sensirion公司的SHT15溫濕度傳感器，該傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一起，輸出完全標定的數字信號[3]。其工作溫度范圍在-40℃-123.8℃之間，其在-20℃-70℃范圍內，溫度測量精度在±1℃以內；濕度范圍在0%-100%之間，在10%-90%范圍內，濕度測量精度在±2%以內。
1.2匯聚節點的設計在本系統中，匯聚節點的主要任務是接收傳感器節點轉發來的數據，進行存儲和處理后傳輸到網關節點處，同時，接收來自網關節點的信息，向傳感器節點監測任務。匯聚節點是連接WSN和外部網絡的接口，實現兩種協議間的轉換，使用戶能夠訪問、獲取和配置WSN的資源，對其處理能力、存儲能力和通信能力要求較高。而為了與傳感器節點匹配，匯聚節點的硬件結構與傳感器節點基本相似，如圖4所示，匯聚節點沒有傳感器模塊，增加了存儲器模塊和藍牙通信模塊。（1）處理器模塊。同樣的，處理器模塊也是匯聚節點的核心部分，主要負責控制整個匯聚節點的操作，存儲和處理來自射頻模塊或者藍牙通信模塊的數據，再將處理結果交給射頻模塊或者藍牙通信模塊發送出去。本設計方案中，處理器選用TI公司的16位超低功耗微控制器MSP430F1611，該處理器和MSP430F135一樣，可以在1.8V~3.6V的低電壓下以超低功耗狀態工作，但其擁有更強的處理能力和更豐富的片內資源，48kB閃存和10KBRAM、2個16位定時器、1個快速12位ADC、雙12位DAC、2個USART接口和6個8位并行I/O接口。（2）存儲器模塊。考慮到物流運輸過程中環境多變，容易帶來一些不確定因素，這些不確定因素可能引起處理器自帶的存儲器中的數據丟失，因此匯聚節點需要存儲一些重要的數據。本設計方案中，匯聚節點的外部存儲器芯片選用由Mi-crochip公司生產的24AA64，工作電壓低至1.8V，它采用低功耗CMOS技術，工作時電流僅為1mA，而且可以在惡劣的環境下穩定工作。由于匯聚節點對存儲容量要求不高，而且24AA64芯片的存儲容量為64KB，擦寫次數可達到百萬次，因此一塊芯片即可滿足本系統的存儲要求。（3）藍牙通信模塊。本系統采用智能手機作為后臺系統和WSN之間的網關，來實現遠距離的數據傳輸。為了使匯聚節點與智能手機能夠進行通信，采用藍牙通信協議。而在匯聚節點使用藍牙通信方式需要增加一個藍牙通信模塊。本設計方案中，采用SparkFun公司的BlueSMiRF模塊，其工作電壓為3.3V-6V，工作電流最大為25mA，功耗較低；其最大傳輸距離為100m，通信速率最高可達115200bps；其天線為PCB天線，所需器件很少，故模塊的體積很小，可以通過串行接口直接與處理器模塊相連。
1.3網關節點的設計本系統要求在后臺系統和WSN部署點間進行雙向通信，為了實現遠距離的數據傳輸功能，有兩種方案，一是匯聚節點增加移動通信模塊，如GPRS模塊[4]；二是采用智能手機作為后臺系統和匯聚節點之間的網關。方案一對匯聚節點的要求進一步提高，不僅處理過程更加復雜，其能量消耗也大大提高；另一方面要實現物流過程的跟蹤，還需有定位功能，一般采用GPS模塊[5]，這樣成本也將大大提高。相比之下，方案二優勢明顯，采用智能手機可以進行各種復雜的數據處理，進行大量數據的存儲，使用移動通信網絡與后臺系統進行通信，使用內置的GPS定位功能，后臺用戶可以在緊急事件發生時直接聯系貨車司機等。因此，本系統采用智能手機作為網關節點。本設計方案中，采用中國移動M811手機作為測試對象，其支持4G/3G/GPRS等移動網絡，可以方便地使用移動網絡與后臺系統進行通信；其具有GPS定位功能，可以實現貨車定位；具有藍牙通信功能，可與匯聚節點間采用藍牙通信；使用An-droid4.0操作系統，擁有豐富的開源資源，方便軟件的設計。
2系統軟件部分設計
本系統使用WSN中的傳感器節點檢測物流過程中相關環境參數并發送到匯聚節點處，由其將數據通過藍牙連接傳輸到智能手機，智能手機通過移動通信網絡將加入GPS信息的數據傳輸到后臺服務器。系統各部分的工作任務不一，硬件條件也有很大差別，因此系統的軟件設計也十分關鍵。
2.1傳感器節點程序設計傳感器節點主要承擔數據采集和發送的工作，由于其能量及處理資源有限，因此需要采取節能和減少數據處理的設計方案。本設計方案中，傳感器節點采取按需求喚醒的工作方式，檢測等待時間（等待時間可由后臺設置）未到或者沒有收到匯聚節點命令時節點處于休眠狀態；當等待時間一到或者收到命令時，立刻開始工作，進行采集數據并發送，或者根據命令完成相應操作，完成后又進入休眠狀態，等待下一次激活，其程序流程如圖5所示。
2.2匯聚節點程序設計匯聚節點的主要任務是接收傳感器節點轉發來的數據，處理后通過藍牙傳輸到網關節點處，同時接收來自網關的命令，完成相應的操作。相比于傳感器節點，匯聚節點的工作更加復雜，而且其能量和處理資源也不多，因此采取與傳感器節點相似的節能設計方案，將復雜的數據處理工作交予網關節點，其程序流程如圖6所示。
2.3智能手機APP設計智能手機作為本系統的網關節點，承擔協議轉換、數據傳輸、數據處理等復雜工作，因此開發相應的應用程序（Applica-tionProgram，簡稱APP）來實現上述功能，其流程圖如圖7所示。該APP實現對智能手機內部藍牙模塊的調用，通過藍牙連接與匯聚節點通信；利用智能手機的GPS模塊獲取位置信息，加入到接收到的傳感器數據中，再通過移動通信網絡傳輸到后臺系統；接收后臺系統的命令，完成相應的操作；同時通過智能手機對應的界面提供數據顯示、告警提醒以及日志功能。
3結語
1.無線或有線鏈路上存在的安全問題
有線鏈路網絡和無線網絡共同構成了我們生活中所使用的網絡系統，在Internet和無線網絡快速進步的今天，他們的緊密的結合在一起，都為4G移動通信提供著支持和服務，復雜的4G移動通信技術在使用的過程中存在著很多的風險，無線和有線網絡也同樣在眾多的安全威脅下提供著服務，主要表現為：（1）移動性：無線終端設備會在移動的過程中享受不同子網絡的服務，不是固定于某一個網絡下。（2）容錯性：減少因無線網絡結構不同而造成的差錯。（3）多計費：在無線網絡使用過程中，均是通過運營商來實現對接的，然而有些網絡運營商通過網絡隨意加收客戶的使用費用等等。（4）安全性：攻擊者的竊聽、篡改、插入或刪除鏈路上的數據。
2.移動終端存在的安全問題
4G網絡逐漸的已投入使用，用戶們通過4G移動終端實現相互間的交流也更為密切，惡意軟件及病毒也隨著交流而流竄，使得它們的破壞力度和范圍都有所擴大，使得移動終端系統遭受嚴重打擊，甚至有關機或失靈等現象的出現。
3.網絡實體上存在的安全問題
網絡實體身份認證問題，包括接入網和核心網中的實體，無線LAD中的AP和認證服務器等。主要存在的安全威脅如下：（1）目前的網絡攻擊者利用多種手段，類型也是多樣化，讓網上用戶防不勝防。但他們多半都有一個共同特點就是扮演合法用戶使用網絡服務，這樣一來，網絡監管方面也無法察覺，用戶這邊更是沒有任何戒備，使得他們有很大的機會接近用戶并進行各種騷擾和不良信息的。（2）無線網相對于寬帶而言，它的接口數量有限，而且信號不穩定，容易受其他因素的干擾，這也就為攻擊者提供了一個進入的漏洞，安全隱患的可能性也隨之大大增強。（3）目前的的搜索功能可謂是越來越強大，尤其是“人肉搜索”，讓用戶的個人隱私等一再受到侵犯，這些攻擊者一般都具有良好的計算機技術水平，對網絡系統的運行了如指掌，很容易非法竊取用戶信息，并展開下一步的追蹤。（4）網絡用戶不肯承認他們使用的服務和資源，使進一步網絡實體的認證增加了難度，這是用戶可以逃避和不像曝光的行為，其實這樣做只會給自己增加麻煩，到時遇到問題也很難得到有效處理。
二、4G通信安全措施
1.要建立適合未來移動通信系統的安全體系機制
主要有（1）可協商機制：移動終端和無線網絡能夠自行協商安全協議和算法。（2）可配置機制：合法用戶可配置移動終端的安全防護措施選項。（3）多策略機制：針對不同的應用場景提供不同的安全防護措施。（4）混合策略機制：結合不同的安全機制，如將公鑰和私鑰體制相結合、生物密碼和數字口令相結合。一方面，以公鑰保障系統的可擴展性，進而支撐兼容性和用戶的可移動性
2.對于無線接入網一般可采取的安全措施如下。
（1）安全接入。無線接入網通過自身安全策略或輔助安全設備提供對可信移動終端的安全接入功能。防止非可信移動終端接入無線接入網絡。（2）安全傳輸。移動終端與無線接入網能夠選擇建立加密傳輸通道，根據業務需求，從無線接入網、用戶側均能自主設置數據傳輸方式。（3）身份認證。在移動終端要接入無線網絡之前，要通過一個可靠的中間機構的認證，確保雙方身份的真實性和可靠性。（4）訪問控制。無線接入網可通過物理地址過濾、端口訪問控制等技術措施進行細粒度訪問控制策略設置。（5）安全數據過濾。在多媒體等應用領域，都可以通過數據過濾技術，對想要接入到網絡中的非法數據進行攔截，阻止其進行到內部系統及核心網絡，實現無線網絡的安全性。
3.提高效率
網絡終端的運行效率的提升，最主要就是減少信息量的流通，減少客戶端的工作量，不使計算機長期處于超負荷的工作狀態中，盡量減少時間的拖延，那么安全協議當中交互的信息量的數額的限定對提高網絡運行效率就有一定幫助。
三、結語
在通信中沒有穩定通道，且在路由方面會出現極高延遲，無法保證網絡通信中的安全問題，例如一些重要信息可能會被攔截并對其泄露，因此網絡通信的安全性不夠強，則不能夠有效的保證信息安全的傳輸。
2對無線傳感器的安全技術造成破壞的因素
2.1破撞攻擊。在發包作用處于正常的節點中時，破壞方則會附帶的將另一個數據包進行發送，使得破壞的數據由于出現數據的疊加無法有效的被分離開，從而嚴重的阻礙了正常情況下的網絡通信，并且破壞了網絡通信的安全性，即為碰撞攻擊。建立監聽系統則是最好的防卸方法，它是利用糾錯系統來查找數據包的疊加狀況，并及時的對其進行清除，從而確保數據安全的傳輸。
2.2擁塞攻擊。擁塞攻擊指就是破換方對網絡通信的頻率進行深入的了解之后，通過通信頻率附近的區域的得知，來發射相應的無線電波，從而進行一步對干擾予以加大。對于這種狀況，則需要采用科學合理的預防方式，來將網絡節點裝換成另一個頻率，才能進行正常的通信。
3加強無線傳感器網絡安全技術的相關措施分析
3.1密鑰管理技術。通常在密鑰的管理中，密鑰從生成到完畢的這一過程所存在的不同問題在整個加密系統中是極其薄弱的一個環節，信息的泄漏問題尤為頻繁。目前我國對密鑰管理技術上最根本的管理是對稱密鑰機制的管理，其中包括非預共享的密鑰模式、預共享密鑰模式、概率性分配模式以及確定性分配模式。確定性分配模式為一個共享的密碼鑰匙，處于兩個需要進行交換的數據節點間，且為一種非常確定的方式。而概率性分配則是將密碼鑰匙的共享得以實現，則要根據能夠進行計算的合理概率，從而使得分配模式予以提出。
3.2安全路由技術。路由技術的實施就是想節省無線傳感器網絡中的節點所擁有能量，并最大程度體現無線傳感器網絡系統。但由于傳播的范圍較大，因此在傳輸網絡數據信息時常常不同程度的遭受攻擊，例如DD路由中最根本的協議，一些惡意的消息通過泛洪攻擊方式進行攔截及獲取，并利用網絡將類似虛擬IP地址、hello時間以及保持時間這樣的HSRP信息的HSRP協議數據單元進行寄發的方式，來對正常情況下的傳輸實行阻礙，使得網絡無法進行正常且順利的通信流程。但通過HSRP協議和TESLA協議進行有效結合所形成的SPINS協議，則可以有效的緩解且減少信息泄露的情況的出現，同時進一步加強了對攻擊進行預防的能力，從而保證無線傳感器網絡整體的系統具有安全性。
3.3安全數據相融合。無線傳感器網絡就是通過豐富且復雜的數據所形成的一種網絡，其中的相關數據會利用融合以及剔除，來對數據信息進行傳送，因此在此過程中，必須謹慎仔細的對數據融合的安全性問題予以重視。同時數據融合節點的過程中，必須將數據具體的融合通過安全節點進行開展，并且在融合之后，將一些有效的數據通過供基站予以傳送，才能進一步對監測的評價進行開展，從而保證融合的結果具有真實性以及安全性。
3.4密碼技術。針對無線傳感器網絡中的一些極其不安全的特性，可通過密碼設置、科學化的密碼技術，從而進一步保證網絡通信能夠安全的進行。同時通過加大密碼中相關代碼以及數據的長度，來大大降低信息泄露的情況，從而可以有效的保證通信數據的安全性。由于出現的密鑰算法無法達到對稱性，其中所具備的保護因素較大，并且擁有簡單方便的密碼設置，從而廣泛、普遍的被人們運用到日常生活中。而在應用不同的通信設備時，則需要將相應的密碼技術進行使用。
4結束語
1ZigBee技術簡介和IEEE802.15.4協議
1.1ZigBee技術
ZigBee是一種基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的技術標準，IEEE只能對低級的物理層和MAC層協議進行處理，因此，ZigBee聯盟能標準化相應的網絡協議層和API。完全協議可以直接連接到一個設備的基本節點4k字節、路由器協調器32k字節、Hub協調器的32k字節，由于每個協調器可以連接255個字節，幾個協調器就能形成一個網絡，因此，不會限制路由傳輸的數量。為保證便攜式設備不會因意外泄漏標識，導致利用網絡在傳輸過程中被其它節點獲得信息，ZigBee聯盟還開發了安全層。完整的ZigBee協議是由物理層、數據鏈路層、網絡層、應用匯聚層、高層應用規范等組成的，其中ZigBee聯盟制定網絡層以上的協議，IEEE802.15.4制定物理層和數據鏈路層標準。應用匯聚層主要負責將不同的應用映射到ZigBee網絡中，具有業務發現、設備發現、業務數據流匯聚、安全鑒權等功能；MAC層主要沿用WLAN中802.11標準CSMA/CA方式；在網絡層ZigBee聯盟可以制定星形、網狀及叢集樹狀等幾種形式。ZigBee協議套件十分緊湊，并且結構比較簡單，對于硬件的要求比較低，8位微處理器80c51就能符合要求。
1.2IEEE802.15.4協議
IEEE802.15.4協議是ZigBee技術的基礎，IEEE802.15.4標準是為低成本、低能耗的設備提供有效范圍在10m的低速連接，能用于玩具、庫存跟蹤等領域。IEEE802.15.4定義了單一的MAC層和多樣的物理層，MAC層可以支持多種LLC標準，利用SSCS協議能讓LLC標準直接使用MAC層服務；物理層可以分為869/915MHz物理層和2.4GHz物理層兩個標準，這兩種物理層的數據包格式是相同的，而工作頻率、擴頻碼片長度、調制技術、傳輸速率等方面存在一定的差異。
2ZigBee技術的特點
ZigBee技術和其他無線網絡通信技術相比較，其最大的特點是：
（1）數據傳輸率低。ZigBee技術的數據傳輸率很低，每秒傳輸速率為10k字節-250k字節，只能用于低傳輸。
（2）功耗少。由于ZigBee技術的傳輸速率低、傳輸數據量比較小，因此，在傳輸過程中信號的收發時間很短；當ZigBee停止工作時，節點會處于休眠狀態，使得ZigBee節點的功耗少，十分省電。
（3）安全性高。ZigBee提供有完整的數據檢查和鑒權功能，數據在傳輸過程中提供了三級安全性，并且高級加密標準的對稱密碼，確保數據能安全的進行傳輸。
（4）有效范圍小。ZigBee技術的有效范圍比較小，一般情況下，有效范圍在10m-75m，其具體范圍根據實際應用模式和發射功率的大小確定。
（5）兼容性。ZigBee技術可以和現有的控制網絡標準進行無縫集成，利用網絡協調器自動建立網絡，通過CSMA/CA方式進行信道接入，不僅保證傳遞的可靠性，還提供了全握手協議。
3ZigBee的應用
ZigBee是希望建立一種容易布建、低成本、低耗能的無線網絡，產品研發初期主要用于工業、企業市場的感應式網絡，具有燈光、感應辨識、安全控制等作用，隨著科技的快速發展，ZigBee逐漸應用在家庭中。采用ZigBee技術時，需要滿足以下任何一種條件：
（1）設備的成本低，傳輸的數據量比較小；
（2）設備的體積比較小，沒有安裝比較大的電池模塊；
（3）設備只能使用一次性電池，沒有充足的電力支持；
關鍵詞：無線網絡；MAC；共享信道
1.引言
近年來，隨著通信技術的不斷發展，特別是無線網絡技術的不斷成熟，越來越多的領域開始采用無線網絡技術。特別是隨著嵌入式技術發展帶來的眾多便攜式產品，它們大都采用無線網絡技術實現上網功能。由于涉及到不同的應用場合以及其它的一些要求，產生了眾多的無線網絡技術。在眾多無線網絡技術中，基本的協議框架都是類似的，主要是細節的不同。在無線網絡的眾多技術中，MAC層至關重要。MAC作為介質接入控制協議，其主要的作用就是控制各個通信節點對信道的訪問，解決沖突，實現高效的共享。論文將系統的研究常用的無線網絡技術中的MA C層協議，并對其進行仿真。
2. 無線網絡MAC層協議的研究
無線網絡技術眾多，滿足不同距離、不同層次的需求，本論文主要研究與我們生活緊密聯系的3類無線網絡技術。它們分別是無線局域網、無線個人區域網和無線傳感器網。其中，無線局域網主要應用于類似校園這樣的近距離區域，它具有組網靈活、布線費用少、不受線路限制等多個方面的優點，應用十分廣泛。無線個人區域網主要是應用于從幾米到10米左右空間內的高效數據傳輸，是普通網絡電纜的替代品。無線傳感器網是近年來才興起的，由大量價格低廉、低功耗的傳感器節點所構成的無線網絡系統。其傳輸速率較低。
由于上述3類無線網絡應用的場景不同，所以采用的協議也有很大的區別。大多數無線局域網采用的協議包括IEEE802.11系列標準和HiperLAN標準；無線個人區域網一般采用的協議是藍牙、HomeRF及IEEE 802.15系列標準；而無線傳感器網絡采用的是IEEE 802.15.4標準。
從上面的研究可以看出：不同的無線網絡技術采用的協議相差很遠，但作為實現網絡信道共享的MAC層的功能都是一樣的，那就是通過對每個試圖對信道進行訪問的設備進行控制來實現信道的共享。一般都采用多址接入技術。從這個角度看：MAC層協議主要包括：以FDMA、TDMA、CDMA為代表的固定分配類型，以CSMA/CA為代表的隨機競爭類型以及以中心控制MAC層協議和分布控制MAC層協議為代表的按需分配類型。其中，固定分配類型采用的多址接入方案是將一條共享的信道劃分為多個相互孤立的子信道，并將每個子信道分配給一個訪問節點使用。主要應用于語音網絡，由于網絡數據傳輸具有突發性的特點，所以該類協議很少應用于數據傳輸。隨機競爭類型是為了滿足網絡數據傳輸突發性的特點而設計的，所以它采用的接入策略是隨機接入，并輔助一些沖突避免的方法。故它主要應用于數據傳輸網絡。按需分配類型采用的策略是循環詢問每個節點，若有數據，則發送，若無，則轉向下一節點。
從上述的研究中，可以看出不同類型的MAC層的協議采用的控制策略是不同的，自然其應用場合也有很大的區別。現在，我們對應用于低速無線網絡的IEEE 802.15.4標準涉及到的內容進行研究，從而對常用的MAC層協議有一個整體的認識。在該標準中，其MAC層協議采用的控制策略是隨機競爭類型的CSMA/CA。其中，CSMA/CA分為兩種類型一種是應用于星型網絡的帶時隙的CSMA/CA；另一種就是無時隙的CSMA/CA。帶時隙的CSMA/CA在星型網絡中主要是通過中心節點的超幀來實現對網絡信道的控制。其中，超幀具有兩個類型的周期，一個是網絡中每個訪問節點都可使用CSMA/CA控制策略的活動周期；另一個就是所有訪問節點都處于休眠情況的非活動周期。超幀的活動周期分為三個部分:信標、競爭訪問期和競爭空閑期。其中，若采用信標，那么MAC層在超幀的競爭訪問期間采用帶時隙的CSMA/CA策略，否則采用無時隙的CSMA/CA。在這兩種狀態下，均采用隨機退讓的沖突避讓機制。在CSMA/CA策略中，當一個數傳輸請求到達時，MAC層隨機延遲一個時間，然后對物理層請求信道狀態檢測。在帶時隙的CSMA/CA系統中，信道狀態檢測和數據傳輸都被安排在時隙邊界。在非時隙CSMA/CA系統中，信道狀態檢測將立即開始。
3. 無線網絡MAC層協議的仿真
由于筆者主要研究了IEEE 802.15.4標準的MAC層協議，那么我們的仿真研究也針對它進行。我們采用的仿真工具是NS-2仿真軟件，該軟件在網絡拓撲結構、網絡傳輸的研究中具有很好的效果。在NS-2中仿真MAC層協議的主要步驟是：1.采用C++在NS-2中實現MAC層協議；2.定義分組及包頭類型；3.綁定C++和Tcl中的相應類；3.編譯連接；4.設置仿真場景和通信模型；5.NS仿真；6.文件分析，輸出結果。由于篇幅原因，在此就不詳細列出仿真具體的實現過程。通過在NS-2中進行仿真，我們就能清晰的看到MAC層協議的整個過程，并能對在具體網絡中的其它內容進行分析，例如可以對其能量情況進行分析。
4.結論
MAC層協議在整個無線網絡中具有十分重要的作用。由于應用環境的不同，在不同的無線網絡環境中采用的MAC層協議具有很大的區別。論文系統的論述了MAC層協議涉及到的相關內容，并對其仿真技術進行了說明。可以預見由于便利性的需要，覆蓋不同層次、不同距離的無線網絡技術將會得到快速的發展，其MAC控制策略也將發生巨大的變化，所以深入的研究MAC協議具有十分重要的現實意義和理論價值。
參考文獻：
[1] 張太，張曉敏，李莉.IEEE802.11 MAC層協議解析.山東大學學報.2oo2(6):22-26
