无线网络的要素

**无线主机：**主机是运行应用程序的端系统设备。无线主机可以是便携机、掌上机、智能手机或者桌面计算机。

**基站：**通常与有线网络链接，中继-负责在它的“区域”的有线网络和无线网络之间发送分组。

**无线链路：**主机通过无线通信链路连接到一个基站或者另一台无线主机。不同的无线链路技术具有不同的传输速率和能够传输不同的距离。

**基础设施模式：**基站连接移动用户到有线网络。

**自组织模式：**无基站，节点仅能传输到在链路覆盖的范围内另外的节点。

无线链路和网络特征

无线网络的类型

1. 基于基础架构的单跳
2. 单跳，无基础架构
3. 基于基础架构的多跳
4. 多条，无基础架构
   
   单跳：通过一次路由就可以和目的地进行通信
   
   多条：通过多次路由才可以和目的地进行通信

无线信道损伤

1. 递减的信号强度。电磁波在穿过物体时强度将减弱。 即使在自由空间中，信号仍将扩散，这使得信号强度随着发送方和接收方距离的增加而减弱。
2. 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。除了来 自发送源的干扰，环境中的电磁噪声也能形成干扰。
3. 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。这使得接收方收到的信号变得模糊。位于发送方和接收方之间的移动物体可导致多径传播随时间而改变。

WIFI:802.11无线LAN

在IEEE802.11协议簇中，有几套有关无线LAN的802. 11标准，包括802.11b、802. 11a和802. llg。表6-1总 结了这些标准的主要特征。802. llg是至今为止最为流行的技术。一些双模式(802.11a/g) 和三模式(802. lla/b/g)设备也可供使用。



这3个802. 11标准具有许多共同特征。它们都使用相同的媒体访问协议CSMA/CA, 我们稍后将对其进行讨论。这3个标准都对它们的链路层帧使用相同的帧格式，它们都具 有降低传输速率以到达更远距离的能力。并且这3个标准都允许“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式。然而，如表6-1所示，这3个标准在物理层有一些重要的区别。

802.11的体系结构

无线主机使用基站通信

基本服务集（BSS）在基础设施模式中包含：

无线主机

接入点（AP）

自组织模式：仅有主机



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）。

与以太网设备类似，每个802.11无线站点都具有一个6字节的MAC地址，该地址存 储在该站适配器（即802.11网络接口卡）的固件中。每个A P 的无线接口也具有一个 MAC地址。与以太网类似，这些MAC地址由IEEE管理，理论上是全球唯一的。

802. 11 MAC 协议

一旦某无线站点与一个AP相关联，它就可以经该接入点开始发送和接收数据帧。然而因为许多站点可能希望同时经相同信道传输数据帧，因此需要一个多路访问协议来协调传输。宽泛地讲有三类多路访问协议：信道划分（包括CDMA）、随机访问和轮流。802.11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，简称为 CSMA/CA。尽管以太网和802. 11都使用载波侦听随机接入，但这两种MAC协议有重要的区別。首先，802.11使用碰撞避免而非碰撞检测；其次，由于无线信道相对较高的误比特率，802.11 使用链路层确认/重传（ARQ）方 案。

使用以太网的碰撞检测算法，以太网结点在发送过程中监听信道。在发送过程中如果检测到另一结点也在发送，则放弃自己的发送，并且在等待一个小的随机时间后再次发送。与802.3以太网协议不同，802. 11 MAC协议并未实现碰撞检测。这主要由两个原因所致：

•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。

由于802.11无线局域网不使用碰撞检测，一旦站点开始发送一个帧，它就完全地发送该帧；也就是说，一旦站点开始发送，就不会返回。正如人们可能猜想的那样，碰撞存在时仍发送整个数据帧将严重降低多路访问协议的性能。为了降低碰撞的可能性，802. 11采用几种碰撞避免技术，我们稍后讨论它们。

然而，在考虑碰撞避免之前，我们首先需要分析802. 11的链路层确认方案。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（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CSMA/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。

1. 如果初始时某站点监听到信道空闲，它将在一个被称作分布式帧间间隔（DIFS）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。
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。
   
   

前面讲过，在以太网的CSMA/CD的多路访问协议下，一旦侦听到信道空闲，站点开始发送。然而，使用CSMA/CA,该站点在倒计数时抑制传输，即使它侦听到该信道空闲也是如此。为什么 CSMA/CD和CSMA/CA采用了不同的方法呢？

为了回答这一问题，我们首先考虑这样一种情形：两个站点分别有一个数据帧要发送，但是，由于侦听到第三个站点已经在传输，双方都未立即发送。 使用以太网的CSMA/CD协议中， 两个站点将会在检测到第三方发送完毕后立即开始发送。这将导致一个碰撞，在CSMA/ CD协议中碰撞并非是一个严重的问题，因为两个站点检测到碰撞后都会放弃它们的发送， 从而避免了由于碰撞而造成的该帧剩余部分的无用发送。而在802.11中情况却十分不同， 因为802. 11并不检测碰撞和放弃发送，遭受碰撞的帧仍将被完全传输。因此802.11的目标是无论如何尽可能避免碰撞。在802. 11中，如果两个站点侦听到信道忙，它们都将立即进入随机回退，希望选择一个不同的回退值。如果这些值的确不同，一旦信道空闲，其 中的一个站点将在另一个之前发送，并且（如果两个站点均未对对方隐藏）“失败站点” 将会听到“胜利站点”的信号，冻结它的计数器，并在胜利站点完成传输之前一直抑制传输。通过这种方式，避免了高代价的碰撞。当然，在以下情况下使用802. 11仍可能出现碰撞：两个站点可能互相是隐藏的，或者两者可能选择了非常靠近的随机回退值，使来自先开始站点的传输也必须到达第二个站点。

处理隐藏终端：RTS和CTS

隐藏终端：




H1与AP，H2与AP可以互相听到。

但是H1与H2互相听不到。

假设站点H1正在传输一个帧，并且 在H1传输的中途，站点H2要向A P 发送一个帧。由于H2未听到来自H1的传输，它将首先等待一个DIFS间隔，然后发送该帧，导致产生了一个碰撞。从而在H1和H2的整个 发送阶段，信道都被浪费了。

RTS和CTS


为了避免这一问题，IEEE 802. 11协 议允许站点使用一个短请求发送(RTS)控制帧和一个短允许发送 (CTS)控制帧来预约对信道的访问。当发送方要发送一个DATA帧时，它能够首先向AP发送一个RTS帧， 指示传输DATA帧和确认(ACK)帧需要的总时间。当AP收到RTS帧后，它广播 一个CTS帧作为响应。该CTS帧有两个目的：给发送方明确的发送许可，也指示其他站点在预约期内不要发送。

因此，在传输DATA帧 前，H1首先广播一个RTS帧，该帧能被其范围内包括AP在内的所有站点听到。 AP然后用一个CTS帧响应，该帧也被其范围内包括H1和H2在内的所有站点听到。 站点H2听到CTS后，在CTS帧中指明的时间内将抑制发送。

RTS和CTS帧的使用能够在两个重要方面提高性能：

•隐藏终端问题被缓解了，因为长DATA帧只有在信道预约后才被传输。

•因为RTS和CTS帧较短，涉及RTS和CTS帧的碰撞将仅持续短RTS和CTS帧的持续期。一旦RTS和CTS帧被正确传输，后续的DATA和ACK帧应当能无碰撞地发送。

尽管RTS/CTS交换有助于降低碰撞，但它同样引入了时延以及消耗了信道资源。因 此，RTS/CTS交换仅仅用于为长数据帧预约信道。在实际中，每个无线站点可以设置一个RTS门限值，仅当帧长超过门限值时，才使用RTS/CTS序列。对许多无线站点而言，默认的RTS门限值大于最大帧长值，因此对所有发送的DATA帧，RTS/CTS序列都被跳过。

在相同的IP子网中的移动性

两个BSS的互联设备不是一台路由器，故在两个 BSS 中的所有站点（包括A P ） 都属于同一个IP 子网。因此，当H1从BSS1移动到BSS2时，它可以保持自己的I P地址和所有正在进行的T C P 连接。如果互联设备是一台路由器，则H1必须 在它移动进人的子网中获得一个新地址。这种地 址的变化将打断（并且最终终止）在H1的任何 进行中的TCP连接。在6. 6节中，我们将能看到 一种网络层移动性协议如移动IP能被用于避免 该问题。

随着H1逐步远离API，Hl检 测到来自A P I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API有相同的SSID）。Hl然后与API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

1、蓝牙

IEEE 802. 15.1网络以小范围、低功率和低成本运行。

802. 15. 1网络有时被称为无线个人区域网络

802. 15. 1 网络以TDM方式工作于无需许可证的2.4GHz无线电波段，每个时隙长度为625jis。在每个 时隙内，发送方利用79个信道中的一个进行传输，同时从时隙到时隙以一个已知的伪随机方式变更信道。这种被称作跳频扩展频谱的信道跳动的形式将传输及时扩展到整个频谱。802. 15. 1能够提供高达4Mbps的数据率。

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。

2、ZigBee

IEEE标准化的第二个个人域网络是802.14.5，他被称为ZigBee,但ZigBee较之蓝牙其服务目标的低功率，低数据率，低工作周期的应用。

蜂窝因特网接入

蜂窝网体系结构概述

第一代（1G）系统是模拟FDMA系统，其专门用于语音通信。这些1G 系统目前几乎绝迹，它们被数字2G系统所替代。初始的2G系统也是为语音而设计，但后来除了语音服务外还扩展了对数据（即因特网）的支持（2.5G）。当前正在部署的3G 系统也支持语音和数据，但越来越强调其数据能力和更高速的无线接入链路。

2G

3


术语蜂窝是指这样的事实，即由一个蜂窝网覆盖的区域被分成许多称作小区的地理覆盖区域,每个小区包含一个收发基站（ BTS）,负责向位于其小区内的移动站点发送或接收信号。

2G蜂窝系统的GSM标准对空中接口使用了组合的FDM/TDM 。在组合的FDM/TDM系统中，信道被划分为若干频率子带；对于每个子带，时间又被划分为帧和时隙。因此，对于一个组合的FDM/TDM系统，如果信道被划分为F个子带，并且时间被划分为T个时隙，那么该信道将能够支持F*T个并发的呼叫。

一个GSM网络的基站控制器（BSC）通常服务于几十个收发基站。BSC的责任是为移动用户分配BTS无线信道，执行寻呼（找出某移动用户所在的小区），执行移动用户的切换。基站控制器及其控制的收发基站共同构成了GSM基站系统。

在用户鉴别和账户管理以及呼叫建立和切换中，移动交换中心（ MSC）起着 决定性的作用。

3G

3G核心网

3G核心蜂窝数据网将无线电接入网连接到公共因特网。

在3G核心网中有两类结点：服务通用分组无线服务支持结点（SGSN）和网关（GPRS）支持结点。

一个SGSN负责向位于其连接的无线电接人网中的移动结点交付(或从移动结点获取)数据报。SGSN与该区域蜂窝语音网的MSC进行交互，提供用户认证和切换，维护活跃移动 结点的位置(小区)信息，执行位于无线接人网中的移动结点和GGSN之间的数据报转发。GGSN起到网关作用，将多个SGSN连接到更大的因特网。GGSN因此是源于移动结点的一个数据报在进入更大因特网之前遇到的3G基础设施的最后一部分。

3G无线电接入网：网络边缘

3G无线电接入网是我们作为3G用户看见的无线第一跳网络。 无线电网络控制器(RNC)通常控制几个小区的收发基站，类似 于我们在2G网络中遇到的基站。

较之2G网络，在3G UMTS中的一个重大变化是不再使用GSM的FDMA/TDMA方案， UMTS在TDMA时隙中使用称为直接序列宽带CDMA。

4G

与3G相比有两项重要创新：演化的分组核和一个加强的无线点接入网。

演化的分组核

演化的分组核( EPC ) 。 EPC是一个简化的全IP核心网络，该网络将分离的电路交换蜂窝语音网与分组交换蜂窝数据网统一起来。它是一个“全IP”网络，是指语音和数 据将在IP数据报中承载。EPC的关键任务是管理网络资源以提供这种髙质量的服务。EPC也对网络控制和用户数据平面做出了明确划分。EPC允许多种类型的无线电接入网与核心网连接。

LTE无线点接入网

LTE无线电接入网。LTE在下行信道采用频分复用和 时分复用结合的方法，称之为正交频分复用。

移动管理：原理

寻址

外部代理的作用：

1. 为移动结点创建一个转交地址（COA）,该COA的网络部分与外部网络的网络部分相匹配。 因此一个移动结点可与两个地址相关联，即其永久地址与其COA,该COA有时又称为外部地址。
2. 告诉归属代理，该移动节点在它的往里中其具有给定的COA
   
   
   本地代理的作用：
   
3. 负责跟外部代理交互以跟踪移动节点的COA
4. 通过使用移动节点的COA，该数据报先转发给外部代理，然后再从外部代理转发给移动节点。

路由选择到移动节点

移动节点的间接路由选择

通信者只是将数据报寻址到移动节点的固定地址，完全不知道移动节点是在外部网络还是在本地网络中，归属代理接收到数据报后根据COA将数据报发送给外部代理，再由外部代理发送给移动节点。

移动节点的直接路由选择

间接路由选择方法存在一个低效的问题，即三角路由选择问题（即使通信者与移动节点之间存在一条更有效的路由，发往移动节点的数据报也要先发给归属代理，然后再发送到外部网络）直接路由选择克服了三角路由选择的低效问题，但却是以增加复杂性为代价的。在直接路由选择方法中，通信者所在的网络中的一个通信者代理先向归属代理询问移动节点的COA，然后直接向外部代理发送数据报，不经由归属代理转发。



当移动节点从一个外部网络移动端到另一个外部网络时，如何将数据报转发到一个新的网络？

我们将首次发现移动结点的外部网络中的外部代理标识为锚外部代理。当移动结点到达一个新外部网络后，移动结点向新的外部代理注册，并且新外部代理向锚外部代理提供移动结点的新COA 。当锚外部代理收到一个发往已经离开的移动结点的封装数据报后，它可以使用新的COA重新封装数据报并将其转发给该移动结点。如果移动结点其后又移到另一个外部网络中，在该被访网络中的外部代理随后将与锚外部代理联系，以便建立到该新外部网络的转发。

移动IP

支持移动性的因特网体系结构与协议合起来称为移动IP。

移动IP标准由三部分组成：

1. 代理发现。移动IP定义了一个归属代理或外部代理用来向移动结点通告其服务的协议，以及移动结点请求一个外部代理或归属代理的服务所使用的协议。
2. 向归属代理注册。移动IP定义了移动结点和/或外部代理向一个移动结点的归属代理注册或注销COA所使用的协议。
3. 数据报的间接路由选择。该标准也定义了数据报被一个归属代理转发给移动结点的方式，包括转发数据报使用的规则、处理差错情况的规则和几种不同的封装形式。

无线移动性：对高层的影响

1. 本地恢复。本地恢复方法的目标是在比特差错出现的当时和当地将其恢复。如ARQ协议。
2. TCP发送方知晓无线链路。在本地恢复方法中，TCP发送方完全不清楚其报文段跨越一段无线链路。另一种方法是让TCP发送方和接收方知道无线链路的存在， 从而将在有线网络中发生的拥塞性丢包和在无线网络中发生的差错/丢包区分开， 并且仅对有线网络中的拥塞性丢包采用拥塞控制。
3. 分离连接方法。在分离连接方法中，移动用户和其他端点之间的端到端连接被打断为两个运输层连接：一个从移动主机到无线接入点，一个从无线接入点到其他通信端点。该端到端连接因此是由一个 无线部分和一个有线部分级连形成的。经无线段的运输层能够是一个标准的TCP 连接,或是一个特别定制运行在UDP上的差错恢复协议。

考纲

无线网络与移动网络

（1） 无线链路和无线网络的特点

（2） 802.11无线局域网：802.11的体系结构、MAC协议，以及在同一个IP子网中的移动过程

（3） 无线个域网的基本概念：蓝牙和Zigbee技术

（4） 蜂窝因特网的体系结构：3G

（5） 移动管理的原理：寻址和路由选择到移动结点