第七章、無線與移動網絡

 

 一、無線網絡基本結構

• 1、無線主機：如便攜機、掌上機、智能手機或者桌面計算機。
• 2、無線鏈路： 主機通過無線通信鏈路連接到一個基站或者另一台無線主機
• 3、基站(base station)： 蜂窩網絡中的蜂窩塔(cell tower) IEEE 802.11無線局域網中的接入點(Access Point , AP)
• 4、網絡基礎設施： 通常是大規模有線網絡，如 Internet、公司網絡或電話網絡等

無線網絡模式

1、基礎設施模式：無線主機與基站關聯，並通過基站實現通信中繼的無線網絡通常被稱為基礎設施模式

2、自組織網絡(Ad Hoc Network)：也稱特定網絡、Ad Hoc網絡，無線主機不通過基站，直接與另一個無線主機直接通信 ；自組織網絡：由一組用戶群構成，不需要基站、沒有固定的路由器的移動通信模式。自組織網絡中的每個結點都兼有路由器和主機兩種功能。

無線鏈路的特點：

• 1、信號強度的衰減：路徑損耗
• 2、干擾：在同一個頻段發送信號的電波源將相互干擾
• 3、多徑傳播：多徑傳播使得接收方收到的信號變得模糊

無線鏈路的隱藏站現象

• 1、站點A、C都向站點B發送數據；
• 2、站點A、C之間有物理阻擋，雙方都無法檢測出對方發送的信號。
• 3、站點A、C都向站點B發送數據時，發生碰撞，站點B無法正確接收任何一發的數 據。

有線網絡與無線網絡的重要區別主要在：數據鏈路層和物理層

二、移動網絡

移動網絡基本原理

• 1、從網絡層的角度分析用戶的移動性
• 2、移動結點的地址始終保持不變的重要性
• 3、可用的有線基礎設施的支持

移動網絡的術語

• 1、移動結點的永久居所：歸屬網絡，家網。
• 2、在歸屬網絡中代表移動結點執行移動管理功能的實體：歸屬代理 ，家代理。
• 3、移動結點當前所在非歸屬網絡：外部網絡，被訪網絡。
• 4、在外部網絡中幫助移動結點做移動管理功能的實體：外部代理。
• 5、通信者：與該移動結點通信的實體

移動尋址： 當某移動結點位於一個外部網絡時，所有指向此結點永久地址的流量需要尋向外部網絡。

保持地址不變的解決辦法

• 方法一：外部網絡通過向所有其他網絡發通告，告訴它們該移動結點正在它的網絡中。(不適合用於大規模網絡) 
• 方法二：將移動性功能從網絡核心搬到網絡邊緣，由該移動結點的歸屬網絡來實現。(實際上移動網絡采取的做法)

將移動性功能從網絡核心搬到網絡邊緣，由該移動結點的歸屬網絡來實現。

• 1、將外部代理放置在外部網絡的邊緣路由器上。外部代理為移動結點創造一個轉交地址(Care-Of Address , COA)
• 2、移動結點與永久地址和COA都相連。
• 3、外部代理告訴歸屬代理該移動結點的COA

數據報尋址並轉發的方法：間接路由選擇和直接路由選擇

1、移動結點的間接路由選擇：通信者將數據報尋址到移動結點的永久地址。

 網絡層新功能：

• 1、移動結點到外部代理的協議：注冊，取消。
• 2、外部代理到歸屬代理的注冊協議：外部代理告訴歸屬代理COA。
• 3、歸屬代理數據報封裝協議：歸屬代理封裝原始數據報，轉發。
• 4、外部代理拆封協議：從封裝好的數據報中提取原始數據報，轉發。

該方式存在 三角路由選擇問題： 通信者和移動結點之間存在一條更有效的路由，發往移動結點的數據報也要先發給 歸屬代理，然后在發送到被訪網絡。

2、移動結點的直接路由選擇

通信者所在網絡中的通信者代理先獲取移動結點的COA。通信者代理將數據報發往移動結點的COA

 

 引入的兩個問題

• 1、需要一個移動用戶定位協議，以便通信者代理向歸屬代理查詢獲得移動結點的COA
• 2、歸屬代理僅在會話開始時被通信者代理詢問一次COA。

三、無線局域網 IEEE 802.11

IEEE 802家族由一系列局域網(LAN)技術規范所組成。 IEEE 802.11發表於1997年，是原始標准

 這 4 個 IEEE 802.11 標准具有許多共同特征:

• 1、都使用相同的介質訪問控制協議CSMA/CA(沖突避免) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
• 2、鏈路層幀使用相同的幀格式。
• 3、都具有降低傳輸速率以傳輸更遠距離的能力。
• 4、都支持“基礎設施模式”和“自組織模式”兩種模式。

IEEE 802.11體系結構的基本構件：

1、基站：接入點(Access Point , AP)

2、基本服務集(Basic Service Set , BSS)   ： BSS包含一個或多個無線站點和一個接入點的中央基站。

AP發現：（無線主機怎么找到AP）

• (1)被動掃描：無線主機掃描信道和監聽信標幀。
• (2)主動掃描：無線主機向其范圍內的所有AP廣播探測幀。

IEEE802.3標准采用的介質訪問控制方法是（ CSMA/CD ）

IEEE 802.11的MAC協議

• 1、IEEE 802.11的MAC協議采用CSMA/CA協議。 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ：帶碰撞避免的載波 監聽多路訪問協議。
• 2、CSMA/CA協議工作原理：通過請求發送(RTS)幀和允許發送(CTS)幀的交換，實現信道預約占用，避免數據幀傳輸過程中沖突；該方式可以有效避免隱藏站問題。

CSMA/CA協議工作步驟

• 1、源站發送數據：先監聽，若空閑，等待一個分布式幀間間隔(Distributed Inter-Frame Space , DIFS)的短時間后，發送一個徑短的請求發送(Request To Send , RTS)控制幀。 RTS控制幀：源地址，目的地址，本次通信所需的持續時間。
• 2、目的站正確收到源站發來的RTS幀且物理介質空閑，等待一個短幀間間隔(Short InterFrame Spacing , SIFS )時間后，發送一個徑短的允許發送(Clear To Send , CTS)控制幀作為響應。 CTS控制幀：本次通信持續時間等
• 3、其他站點監聽到兩者要通信，則在其持續通信時間內不會發送數據。這個時間被稱為網絡分配向量(Network Allocation Vector , NAV)。 NAV是其他站根據監聽到的RTS或CTS幀中的持續時間來確定數據幀傳輸的時間。
• 4、源站收到CTS幀則等待一段時間后，發送數據幀，若目的站正確收到了數據幀，在等待時間后，就向源站發送確認幀(ACK)。

IEEE 802.11幀總共有3種類型：

• 控制幀：提高工作站數據傳輸的可靠性。
• 數據幀：運輸想要發送的數據。
• 管理幀：加入網絡，退出網絡的管理事宜。

IEEE 802.11數據幀結構

 

 

 持續期：IEEE 802.11的MAC協允許傳輸結點預約信道一段時間，持續值被包括在該幀的持續期字段中

 序號控制：在IEEE 802.11網絡中，站點正確收到其他站點的幀后，都會發一 個確認幀。確認幀可能丟失，發送站點會發送一個幀的多個副本，使用序號可以區分新傳輸的幀和以前幀的重傳。

四、蜂窩網絡

1、蜂窩網絡體系絀構

• 小區(Cell)：蜂窩網覆蓋的區域分成的六邊形的區域。
• 收發基站(Base Transceiver Station , BTS)：負責小區內的移動站點發送或接收信號。
• 基站控制器(Base Station Controller , BSC )：服務於收發基站，為用戶分配BTS 無線信道、執行尋呼， 執行移動用戶的切換；收發基站(BTS)和基站控制器(BSC)組合形成基站系統 (Base Station System , BSS)
• 移動交換中心(Mobile Switching Center , MSC)：在用戶鑒別和賬戶管理以及呼叫建立和切換中起決定性作用。可以管理5個基站控制器

2、蜂窩網絡中的移動性管理

間接路由選擇方法管理移動性：

• 1、歸屬網絡維護一個歸屬位置注冊器(Home Location Register , HLR)的數據庫： 每個用戶的永久蜂窩電話號碼，用戶個人信息，用戶當前的位置信息。
• 2、被訪網絡維護一個訪問位置注冊器(Visitor Location Register , VLR)的數據庫： 為每一位當前在其服務網絡的移動用戶提供一個表項。

通信過程：

• 第一步：通信者撥打移動用戶的電話號碼。
• 第二步：歸屬移動交換中心收到該呼叫，查詢歸屬位置注冊器來確定移動用戶的位置。確定移動用戶的漫游號碼。
• 第三步：漫游號碼確定后，歸屬移動交換中心通過網絡呼叫被訪網絡的移動交換中心，被訪網絡的移動交換中心呼叫移動用戶

3、移動通信2G/3G/4G/5G網絡

第一代蜂窩移動通信(1G)：淘汰

第二代蜂窩移動通信(2G)：

• 全球移動通信(Global System for Mobile Communication，GSM)系統
• 短信服務
• 通用無線分組業務(General Packet Radio Service , GPRS)、
• 增強數據速率的GSM演進技術 (Enhanced Data Rate for GSM Evolution , EDGE)

GSM：

• 1、GSM系統是第二代移動電話系統的開端。
• 2、GSM業務可以分為承載業務、電信業務、附加業務三大類。
• 3、GSM系統采用的是FDMA和TDMA混合接入的方式。

第三代移動通信系統(3G)：

• 1、國際電信聯盟(ITU)提出並研究。 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大技術標准。
• 2、3G 是采用寬帶 CDMA 技術的通信系統。
• 3、3G 中最關鍵的技術是無線傳輸技術。除了衛星接口技術外，被分為CDMA和TDMA兩大類，其中CDMA占主導地位。

4G/LTE

• 1、3GPP組織在2004年開始長期演進(Long Term Evolution,LTE)標准化項目。 在2008年9月開啟LTE-Advanced項目。
• 2、4G特點：高速率傳輸，智能化，業務多樣化，無縫接入，后向兼容，經濟

LTE系統在無線接入技術（空中接口）和網絡結構方面都發生了巨大變化：LTE 系統的無線接入技術（空中接口）采用的無線傳輸技術：

• 下行空中接口：正交頻分多路復用（OFDM）技術。
• 上行空中接口：單載波頻分復用（SC-FDMA）技術。

從網絡結構上看，LTE 系統分為兩部分：

• 接入網（E-UTRAN）
• 核心網（EPC）： 1、移動管理實體（MME）：負責移動性控制；2、服務網關（S-GW）：負責數據分組的路由與轉發。

5G 5G技術目的：構建網絡社會。 5G特點：超高速率傳輸，超高容量、超可靠性、隨時隨地可接入性。

五、移動IP網絡

移動IP(Mobile IP)：國際互聯網工程任務組（The Internet Engineering Task Force，IETF）開發，允許計算機移動到外地時，任然保持其原來的IP地址。

代理發現：當移動IP站點到達一個新網絡時，移動站點都必須知道相應的外部代 理或歸屬代理的身份。

• 1、代理通告：代理周期性的廣播一個ICMP報文。
• 2、代理請求：移動結點廣播一個ICMP報文。

向歸屬代理注冊：移動 IP 定義了外部代理向一個移動結點的歸屬代理注冊或注銷COA所使用的協議。 步驟：

• 1、移動結點向外部代理發送一個移動IP注冊報文。
• 2、外部代理收到注冊報文並記錄移動結點的永久IP地址，分配一個COA。
• 3、外部代理把注冊請求發送給歸屬代理，歸屬代理檢查真實性和正確性。
• 4、外部代理接收注冊應答

 六、其他典型無線網絡簡介

其他典型無線網絡簡介： WiMax、 藍牙 、ZigBee

全球微波互聯接入(World Interoperability for Microwave Access , WiMax)：又名IEEE 802.16標准，寬帶無線標准；

• Wi Max優勢：更近的傳輸距離；更高速的寬帶接入。
• Wi Max劣勢： 不能支持用戶在移動過程中無縫切換， 產業基礎薄弱 和傳統的蜂窩網絡無法完全兼容

藍牙

• 1、IEEE 802.15.1標准。 無線個人區局域網(Wireless Personal Area Network , WPAN)標准。
• 2、工作在全球通用的2.4GHz的頻段。
• 3、特點：小范圍，低功率、低速率和低成本運行。 （一小三低）

ZigBee

• 1、 IEEE 802.15.4標准
• 2、第二個個人區域網絡標准。
• 2、低功率、低數據速率、低工作周期。