无线网络与移动网络

概述

我们能够看到无线网络的下列要素∶

无线主机。

无线链路。

● 基站。基站（base station）是无线网络基础设施的一个关键部分。

与基站关联的主机通常被称为以基础设施模式（infrastructure mode）运行，因为所有传统的网络服务（如地址分配和路由选择）都由网络向通过基站相连的主机提供。在自组织网络（ad hoc network）中，无线主机没有这样的基础设施与之相连。在没有这样的基础设施的情况下，主机本身必须提供诸如路由选择、地址分配、类似于 DNS 的名字转换等服务。

当一台移动主机的移动超出一个基站的覆盖范围而到达另一个基站的覆盖范围后，它将改变其接入到更大网络的连接点（即改变与之相关联的基站），这一过程称作切换（handoff）。

● 网络基础设施。这是无线主机希望与之进行通信的更大网络。

● 单跳，基于基础设施。这些网络具有与较大的有线网络（如因特网）连接的基站。

● 单跳，无基础设施。在这些网络中，不存在与无线网络相连的基站。

● 多跳，基于基础设施。在这些网络中，一个基站表现为以有线方式与较大网络相连。

● 多跳，无基础设施。在这些网络中没有基站，并且节点为了到达目的地可能必须在几个其他无线节点之间中继报文。

无线链路的网络特征

递减的信号强度。电磁波在穿过物体（如无线电信号穿过墙壁）时强度将减弱。

来自其他源的干扰。在同一个频段发送信号的电波源将相互干扰。

多径传播。当电磁波的一部分受物体和地面反射，在发送方和接收方之间走了不同长度的路径，则会出现多径传播（multipath propagation）。

信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）是所收到的信号（如被传输的信息）和噪声强度的相对测量。

● 对于给定的调制方案，SNR 越高，BER越低。

● 对于给定的 SNR，具有较高比特传输率的调制技术（无论差错与否）将具有较高的 BER。

● 物理层调制技术的动态选择能用于适配对信道条件的调制技术。

CDMA

码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）属于信道划分协议族。

在 CDMA协议中。要发送的每个比特都通过乘以一个信号（编码）的H特来进行编码，这个信号的变化速率（通常称为码片速率，chipping rate）比初始数据比特序列的变化速率快得多。

WiFi∶802.11无线LAN

802.11体系结构

802.11体系结构的基本构件模块是基本服务集（Basic Service Set，BSS）。一个 BSS包含一个或多个无线站点和一个在802.11术语中称为接入点（Access Point，AP）的中央基站（base station）。两个 BSS中的 AP，它们连接到一个互联设备上（如交换机或者路由器），互联设备又连接到因特网中。在一个典型的家庭网络中，有一个 AP和一台将该 BSS连接到因特网中的路由器（通常综合成为一个单元）。

配置 AP 的无线LAN 经常被称作基础设施无线 LAN（infrastructure wireless LAN），其中的"基础设施"是指 AP连同互联 AP和一台路由器的有线以太网。

当网络管理员安装一个AP时，管理员为该接入点分配一个单字或双字的服务集标识符（Service Set Identifier，SSID）。管理员还必须为该AP分配一个信道号。

WiFi从林（WiFi jungle）是一个任意物理位置，在这里无线站点能从两个或多个 AP中收到很强的信号。

为了获得因特网接入，你的无线站点需要加入其中一个子网并因此需要与其中的一个 AP相关联（associate）。关联意味着这一无线站点在自身和该 AP之间创建一个虚拟线路。

802.11标准要求每个AP周期性地发送信标帧（beacon frame），每个信标帧包括该 AP 的 SSID 和MAC地址。

扫描信道和监听信标帧的过程被称为被动扫描（passive scanning）。无线主机也能够执行主动扫描（active scanning），这是通过向位于无线主机范围内的所有 AP 广播探测帧完成的。

802.11MAC协议

受以太网及其随机访问协议巨大成功的激励，802.11的设计者为802.11无线LAN 选择了一种随机访问协议。这个随机访问协议称作带碰撞避免的 CSMA（CSMA with collision avoidance），或简称为 CSMA/CA。与以太网的 CSMA/CD相似，CSMA/CA中的"CSMA"代表"载波侦听多路访问"，意味着每个站点在传输之前侦听信道，并且一旦侦听到该信道忙则抑制传输。

802.11MAC协议并未实现碰撞检测。这主要由两个重要的原因所致∶

检测碰撞的能力要求站点具有同时发送（站点自己的信号）和接收（检测其他站点是否也在发送）的能力。

更重要的是，即使适配器可以同时发送和监听信号（并且假设它一旦侦听到信道忙就放弃发送），适配器也会由于隐藏终端问题和衰减问题而无法检测到所有的碰撞。

当无线 LAN中某站点发送一个帧时，该帧会由于多种原因不能无损地到达目的站点。为了处理这种不可忽视的故障情况，802.11 MAC使用链路层确认。

目的站点收到一个通过 CRC 校验的帧后，它等待一个被称作短帧间间隔（Short Inter-Frame Spacing，SIFS）的一小段时间，然后发回一个确认帧。如果发送站点在给定的时间内未收到确认帧，它假定出现了错误并重传该帧，使用CS-MA/CA协议访问该信道。如果在若干固定次重传后仍未收到确认，发送站点将放弃发送并丢弃该帧。

描述 802.11 的 CSMA/CA 协议

1）如果某站点最初监听到信道空闲，它将在一个被称作分布式帧间间隔的短时间段后发送该帧。

2）否则，该站点选取一个随机回退值并且在侦听信道空闲 ( 时递减该值。当侦听到信道忙时，计数值保持不变。DIFs 3）当计数值减为0时（注意到这只可能发生在信道被侦听为空闲时），该站点发送整个数据帧并等待确认。

4）如果收到确认，发送站点知道它的帧已被数据目的站正确接收了。如果该站点要发送另一帧，它将从第二步开始 CSMA/CA 协议。如果未收到确认，发送站点将重新进入第二步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。

IEEE802.11帧

有效载荷与CRC字段

帧的核心是有效载荷，它通常是由一个IP数据报或者 ARP分组组成。802.11 帧包括一个循环冗余校验（CRC），从而接收方可以检测所收到帧中的比特错误。

地址字段

802.11帧中最引人注意的不同之处是它具有4个地址字段，其中每个都可以包含一个6字节的 MAC地址。

地址1：接收此帧的无线主机或AP的MAC地址

地址2：传输该帧的站点的 MAC地址。

地址3：AP连接到的路由器接口的MAC地址

地址4：仅在特殊模式下使用

在相同的 IP子网中的移动性

随着 H1 逐步远离 AP1，H1检测到来自 AP1的信号逐渐减弱并开始扫描一个更强的信号。H1 收到来自 AP2 的信标帧在许多公司和大学的设置中它与AP1 有相同的 SSID）。H1 然后与 AP1解除关联，并与AP2关联起来，同时保持其IP地址和维持正在进行的 TCP会话。

个人域网络∶蓝牙和 ZigBee

IEEE 802.11 WiFi标准主要针对相距多达100m 的设备间的通信

蓝牙

IEEE 802.15.1 网络以低功率和低成本在小范围内运行。它本质上是一个低功率、小范围、低速率的"电缆替代"技术，用于计算机与其无线键盘、鼠标或其他外部设备如蜂窝电话、扬声器、头戴式耳机及其他设备的互联。

802.15.1网络有时被称为无线个人域网络（Wireless Personal Area Network，WPAN）。

802.15.1网络是自组织网络∶不需要网络基础设施（如一个接入点）来互连802.15.1设备。因此。802.15.1设备必须自己进行组织。

蓝牙皮可网

802.14.5【IEEE 802.152012】，它被称为ZigBee。虽然蓝牙网络提供了一种"电缆替代"的超过每秒兆比特的数据率，但 ZigBee 较之蓝牙其服务目标是低功率、低数据率、低工作周期的应用。

4G/5G蜂窝网络

4G：长期演进（LTE）标准

与有线互联网的相似之处

边缘/核心区别，但两者都位于同一载体之下

全球蜂窝网络：网络的网络

广泛使用我们研究过的协议：HTTP、DNS、TCP、UDP、IP、NAT、数据/控制平面分离、SDN、以太网、隧道

与有线互联网互联

与有线互联网的区别

不同的无线链路层

作为一流服务的移动性

用户“身份”（通过SIM卡）

商业模式：用户订阅手机提供商

强烈的“家庭网络”概念，而不是在访问过的网络上漫游

全球接入、认证基础设施和运营商间结算

基站：

在运营商网络的“边缘”

管理其覆盖区域（“小区”）内的无线无线电资源和移动设备，与其他元素协调设备身份验证，与WiFi AP类似，但：在用户移动性方面发挥积极作用，与近基站协调，以优化无线电使用

LTE术语：eNode-B

家庭用户服务

存储有关HSS网络为其“家庭网络”的移动设备的信息，该网络与MME在设备身份验证中协同工作

服务网关（S-GW）、PDN网关（P-GW）

位于从移动设备到/从互联网的数据路径上

P-GW

移动蜂窝网络网关

看起来没有其他互联网网关路由器

提供NAT服务

其他路由器：

隧道工程的广泛应用

移动管理实体

与移动家庭网络HSS协调的设备认证（设备到网络、网络到设备）

移动设备管理：

小区间设备切换

跟踪/寻呼设备位置

从移动设备到P-GW的路径（隧道）设置

LTE链路层协议：

分组数据融合：报头压缩、加密

无线链路控制（RLC）协议：分段/重新组装，可靠的数据传输

介质访问：请求、使用无线电传输插槽

LTE无线接入网：

下行信道：频分复用、频分复用（OFDM-正交频分复用）

“正交”：信道之间的干扰最小

上行：FDM、TDM类似于OFDM

每个活动移动设备在12个频率上分配了两个或多个0.5 ms时隙

调度算法未标准化–由操作员决定

每台设备可能达到100 Mbps

隧道：

使用GPRS隧道协议（GTP）封装的移动数据报，在UDP数据报内部发送至S-GW

S-GW将数据报重新传输至P-GW

支持移动性：当移动用户移动时，只有隧道端点发生变化

LTE数据平面：与BS相关联

BS在所有频率上每5毫秒广播一次主同步信号

来自多个载波的bs可以广播同步信号

mobile找到一个主同步信号，然后在此频率上定位第二个同步信号。

然后，移动设备查找BS广播的信息：频道带宽、配置；BS的蜂窝载波信息

移动设备可以从多个基站、多个蜂窝网络获取信息

LTE手机：睡眠模式

与WiFi一样，Bluetooth:LTE mobile可能会将收音机置于“睡眠”状态以节省电池：

轻度睡眠：不活动100毫秒后

定期唤醒（100毫秒），以检查下游传输

深度睡眠：不活动5-10秒后

手机可能会在深度睡眠时改变位置——需要重新建立联系

5G

目标：峰值比特率提高10倍，延迟降低10倍，4G流量容量提高100倍

5G NR（新收音机）：

两个频段：FR1（450 MHz–6 GHz）和FR2（24 GHz–52 GHz）：毫米波频率

与4G不向后兼容

MIMO：多向天线

毫米波频率：更高的数据速率，但距离更短

微微电池：电池直径：10-100米

需要大规模密集部署新基站

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