第七章、无线与移动网络

 

 一、无线网络基本结构

• 1、无线主机：如便携机、掌上机、智能手机或者桌面计算机。
• 2、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
• 3、基站(base station)： 蜂窝网络中的蜂窝塔(cell tower) IEEE 802.11无线局域网中的接入点(Access Point , AP)
• 4、网络基础设施： 通常是大规模有线网络，如 Internet、公司网络或电话网络等

无线网络模式

1、基础设施模式：无线主机与基站关联，并通过基站实现通信中继的无线网络通常被称为基础设施模式

2、自组织网络(Ad Hoc Network)：也称特定网络、Ad Hoc网络，无线主机不通过基站，直接与另一个无线主机直接通信 ；自组织网络：由一组用户群构成，不需要基站、没有固定的路由器的移动通信模式。自组织网络中的每个结点都兼有路由器和主机两种功能。

无线链路的特点：

• 1、信号强度的衰减：路径损耗
• 2、干扰：在同一个频段发送信号的电波源将相互干扰
• 3、多径传播：多径传播使得接收方收到的信号变得模糊

无线链路的隐藏站现象

• 1、站点A、C都向站点B发送数据；
• 2、站点A、C之间有物理阻挡，双方都无法检测出对方发送的信号。
• 3、站点A、C都向站点B发送数据时，发生碰撞，站点B无法正确接收任何一发的数 据。

有线网络与无线网络的重要区别主要在：数据链路层和物理层

二、移动网络

移动网络基本原理

• 1、从网络层的角度分析用户的移动性
• 2、移动结点的地址始终保持不变的重要性
• 3、可用的有线基础设施的支持

移动网络的术语

• 1、移动结点的永久居所：归属网络，家网。
• 2、在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体：归属代理 ，家代理。
• 3、移动结点当前所在非归属网络：外部网络，被访网络。
• 4、在外部网络中帮助移动结点做移动管理功能的实体：外部代理。
• 5、通信者：与该移动结点通信的实体

移动寻址： 当某移动结点位于一个外部网络时，所有指向此结点永久地址的流量需要寻向外部网络。

保持地址不变的解决办法

• 方法一：外部网络通过向所有其他网络发通告，告诉它们该移动结点正在它的网络中。(不适合用于大规模网络) 
• 方法二：将移动性功能从网络核心搬到网络边缘，由该移动结点的归属网络来实现。(实际上移动网络采取的做法)

将移动性功能从网络核心搬到网络边缘，由该移动结点的归属网络来实现。

• 1、将外部代理放置在外部网络的边缘路由器上。外部代理为移动结点创造一个转交地址(Care-Of Address , COA)
• 2、移动结点与永久地址和COA都相连。
• 3、外部代理告诉归属代理该移动结点的COA

数据报寻址并转发的方法：间接路由选择和直接路由选择

1、移动结点的间接路由选择：通信者将数据报寻址到移动结点的永久地址。

 网络层新功能：

• 1、移动结点到外部代理的协议：注册，取消。
• 2、外部代理到归属代理的注册协议：外部代理告诉归属代理COA。
• 3、归属代理数据报封装协议：归属代理封装原始数据报，转发。
• 4、外部代理拆封协议：从封装好的数据报中提取原始数据报，转发。

该方式存在 三角路由选择问题： 通信者和移动结点之间存在一条更有效的路由，发往移动结点的数据报也要先发给 归属代理，然后在发送到被访网络。

2、移动结点的直接路由选择

通信者所在网络中的通信者代理先获取移动结点的COA。通信者代理将数据报发往移动结点的COA

 

 引入的两个问题

• 1、需要一个移动用户定位协议，以便通信者代理向归属代理查询获得移动结点的COA
• 2、归属代理仅在会话开始时被通信者代理询问一次COA。

三、无线局域网 IEEE 802.11

IEEE 802家族由一系列局域网(LAN)技术规范所组成。 IEEE 802.11发表于1997年，是原始标准

 这 4 个 IEEE 802.11 标准具有许多共同特征:

• 1、都使用相同的介质访问控制协议CSMA/CA(冲突避免) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
• 2、链路层帧使用相同的帧格式。
• 3、都具有降低传输速率以传输更远距离的能力。
• 4、都支持“基础设施模式”和“自组织模式”两种模式。

IEEE 802.11体系结构的基本构件：

1、基站：接入点(Access Point , AP)

2、基本服务集(Basic Service Set , BSS)   ： BSS包含一个或多个无线站点和一个接入点的中央基站。

AP发现：（无线主机怎么找到AP）

• (1)被动扫描：无线主机扫描信道和监听信标帧。
• (2)主动扫描：无线主机向其范围内的所有AP广播探测帧。

IEEE802.3标准采用的介质访问控制方法是（ CSMA/CD ）

IEEE 802.11的MAC协议

• 1、IEEE 802.11的MAC协议采用CSMA/CA协议。 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ：带碰撞避免的载波 监听多路访问协议。
• 2、CSMA/CA协议工作原理：通过请求发送(RTS)帧和允许发送(CTS)帧的交换，实现信道预约占用，避免数据帧传输过程中冲突；该方式可以有效避免隐藏站问题。

CSMA/CA协议工作步骤

• 1、源站发送数据：先监听，若空闲，等待一个分布式帧间间隔(Distributed Inter-Frame Space , DIFS)的短时间后，发送一个径短的请求发送(Request To Send , RTS)控制帧。 RTS控制帧：源地址，目的地址，本次通信所需的持续时间。
• 2、目的站正确收到源站发来的RTS帧且物理介质空闲，等待一个短帧间间隔(Short InterFrame Spacing , SIFS )时间后，发送一个径短的允许发送(Clear To Send , CTS)控制帧作为响应。 CTS控制帧：本次通信持续时间等
• 3、其他站点监听到两者要通信，则在其持续通信时间内不会发送数据。这个时间被称为网络分配向量(Network Allocation Vector , NAV)。 NAV是其他站根据监听到的RTS或CTS帧中的持续时间来确定数据帧传输的时间。
• 4、源站收到CTS帧则等待一段时间后，发送数据帧，若目的站正确收到了数据帧，在等待时间后，就向源站发送确认帧(ACK)。

IEEE 802.11帧总共有3种类型：

• 控制帧：提高工作站数据传输的可靠性。
• 数据帧：运输想要发送的数据。
• 管理帧：加入网络，退出网络的管理事宜。

IEEE 802.11数据帧结构

 

 

 持续期：IEEE 802.11的MAC协允许传输结点预约信道一段时间，持续值被包括在该帧的持续期字段中

 序号控制：在IEEE 802.11网络中，站点正确收到其他站点的帧后，都会发一 个确认帧。确认帧可能丢失，发送站点会发送一个帧的多个副本，使用序号可以区分新传输的帧和以前帧的重传。

四、蜂窝网络

1、蜂窝网络体系绌构

• 小区(Cell)：蜂窝网覆盖的区域分成的六边形的区域。
• 收发基站(Base Transceiver Station , BTS)：负责小区内的移动站点发送或接收信号。
• 基站控制器(Base Station Controller , BSC )：服务于收发基站，为用户分配BTS 无线信道、执行寻呼， 执行移动用户的切换；收发基站(BTS)和基站控制器(BSC)组合形成基站系统 (Base Station System , BSS)
• 移动交换中心(Mobile Switching Center , MSC)：在用户鉴别和账户管理以及呼叫建立和切换中起决定性作用。可以管理5个基站控制器

2、蜂窝网络中的移动性管理

间接路由选择方法管理移动性：

• 1、归属网络维护一个归属位置注册器(Home Location Register , HLR)的数据库： 每个用户的永久蜂窝电话号码，用户个人信息，用户当前的位置信息。
• 2、被访网络维护一个访问位置注册器(Visitor Location Register , VLR)的数据库： 为每一位当前在其服务网络的移动用户提供一个表项。

通信过程：

• 第一步：通信者拨打移动用户的电话号码。
• 第二步：归属移动交换中心收到该呼叫，查询归属位置注册器来确定移动用户的位置。确定移动用户的漫游号码。
• 第三步：漫游号码确定后，归属移动交换中心通过网络呼叫被访网络的移动交换中心，被访网络的移动交换中心呼叫移动用户

3、移动通信2G/3G/4G/5G网络

第一代蜂窝移动通信(1G)：淘汰

第二代蜂窝移动通信(2G)：

• 全球移动通信(Global System for Mobile Communication，GSM)系统
• 短信服务
• 通用无线分组业务(General Packet Radio Service , GPRS)、
• 增强数据速率的GSM演进技术 (Enhanced Data Rate for GSM Evolution , EDGE)

GSM：

• 1、GSM系统是第二代移动电话系统的开端。
• 2、GSM业务可以分为承载业务、电信业务、附加业务三大类。
• 3、GSM系统采用的是FDMA和TDMA混合接入的方式。

第三代移动通信系统(3G)：

• 1、国际电信联盟(ITU)提出并研究。 WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大技术标准。
• 2、3G 是采用宽带 CDMA 技术的通信系统。
• 3、3G 中最关键的技术是无线传输技术。除了卫星接口技术外，被分为CDMA和TDMA两大类，其中CDMA占主导地位。

4G/LTE

• 1、3GPP组织在2004年开始长期演进(Long Term Evolution,LTE)标准化项目。 在2008年9月开启LTE-Advanced项目。
• 2、4G特点：高速率传输，智能化，业务多样化，无缝接入，后向兼容，经济

LTE系统在无线接入技术（空中接口）和网络结构方面都发生了巨大变化：LTE 系统的无线接入技术（空中接口）采用的无线传输技术：

• 下行空中接口：正交频分多路复用（OFDM）技术。
• 上行空中接口：单载波频分复用（SC-FDMA）技术。

从网络结构上看，LTE 系统分为两部分：

• 接入网（E-UTRAN）
• 核心网（EPC）： 1、移动管理实体（MME）：负责移动性控制；2、服务网关（S-GW）：负责数据分组的路由与转发。

5G 5G技术目的：构建网络社会。 5G特点：超高速率传输，超高容量、超可靠性、随时随地可接入性。

五、移动IP网络

移动IP(Mobile IP)：国际互联网工程任务组（The Internet Engineering Task Force，IETF）开发，允许计算机移动到外地时，任然保持其原来的IP地址。

代理发现：当移动IP站点到达一个新网络时，移动站点都必须知道相应的外部代 理或归属代理的身份。

• 1、代理通告：代理周期性的广播一个ICMP报文。
• 2、代理请求：移动结点广播一个ICMP报文。

向归属代理注册：移动 IP 定义了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。 步骤：

• 1、移动结点向外部代理发送一个移动IP注册报文。
• 2、外部代理收到注册报文并记录移动结点的永久IP地址，分配一个COA。
• 3、外部代理把注册请求发送给归属代理，归属代理检查真实性和正确性。
• 4、外部代理接收注册应答

 六、其他典型无线网络简介

其他典型无线网络简介： WiMax、 蓝牙 、ZigBee

全球微波互联接入(World Interoperability for Microwave Access , WiMax)：又名IEEE 802.16标准，宽带无线标准；

• Wi Max优势：更近的传输距离；更高速的宽带接入。
• Wi Max劣势： 不能支持用户在移动过程中无缝切换， 产业基础薄弱 和传统的蜂窝网络无法完全兼容

蓝牙

• 1、IEEE 802.15.1标准。 无线个人区局域网(Wireless Personal Area Network , WPAN)标准。
• 2、工作在全球通用的2.4GHz的频段。
• 3、特点：小范围，低功率、低速率和低成本运行。 （一小三低）

ZigBee

• 1、 IEEE 802.15.4标准
• 2、第二个个人区域网络标准。
• 2、低功率、低数据速率、低工作周期。