無線局域網(wǎng)WLAN

無線局域網(wǎng)WLAN（wireless local area network）提供了移動(dòng)接入的功能，由于手機(jī)普及率高，通過無線局域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)成為當(dāng)今最常用的上網(wǎng)方式

• 便攜站：便于移動(dòng)的，但是便攜站工作時(shí)位置固定不變
• 移動(dòng)站：不僅能移動(dòng)，而且可以在移動(dòng)的過程中通信， 移動(dòng)站一般使用電池供電

無線局域網(wǎng)的組成

無線局域網(wǎng)可以分為兩類

• 有固定基礎(chǔ)設(shè)施的：有預(yù)先建立起來的、能夠覆蓋一定地理范圍的一批固定基站
• 無固定基礎(chǔ)設(shè)施的

IEEE 802.11

對(duì)于有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)，IEEE制定了無線局域網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)802.11系列標(biāo)準(zhǔn)

802.11是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單一點(diǎn)說，就是無線以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中心點(diǎn)叫接入點(diǎn)AP（access point），在MAC層使用CSMA/CA協(xié)議

802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定無線局域網(wǎng)的最小構(gòu)件是基本服務(wù)集BSS（basic service set），一個(gè)BSS包括一個(gè)基站和若干個(gè)移動(dòng)站，所有的站在本BSS內(nèi)部可以直接通信，但是和外部通信時(shí)必須通過本BSS的基站

基站就是所謂的接入點(diǎn)AP，網(wǎng)管安裝AP時(shí)，必須為其分配一個(gè)不超過32字節(jié)的名字，也就是服務(wù)集標(biāo)識(shí)符SSID，以及一個(gè)通信信道

一個(gè)BSS所覆蓋的地理范圍叫做基本服務(wù)區(qū)BSA（basic service area），直徑范圍一般不超過100米

一個(gè)BSS可以是孤立的，也可以通過AP連入到一個(gè)分配系統(tǒng)DS（distribution system），然后再連接到另一個(gè)BSS，這樣就構(gòu)成了擴(kuò)展的服務(wù)集ESS

分配系統(tǒng)DS的作用是使擴(kuò)展服務(wù)集ESS對(duì)上層表現(xiàn)的像一個(gè)基本服務(wù)集BSS一樣，分配系統(tǒng)可以使用以太網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路或其它網(wǎng)絡(luò)

擴(kuò)展服務(wù)集ESS還可以通過叫門戶（portal）的設(shè)備，為無線用戶提供到802.x局域網(wǎng)的接入

圖中A要和B通信，要經(jīng)過兩個(gè)AP：AP1和AP2，如果移動(dòng)站A漫游到另一個(gè)BSS，仍然可以與B通信，但是接入點(diǎn)AP改變了

一個(gè)移動(dòng)站如果要加入到一個(gè)BSS，那么必須先選擇一個(gè)接入點(diǎn)AP，建立關(guān)聯(lián)，只有關(guān)聯(lián)的AP才向這個(gè)移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，這個(gè)移動(dòng)站也只有通過AP才能向其它站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀

在關(guān)聯(lián)階段過后，移動(dòng)站還要通過關(guān)聯(lián)的AP向該子網(wǎng)發(fā)送DHCP發(fā)現(xiàn)報(bào)文以獲取IP地址。若移動(dòng)站使用重建關(guān)聯(lián)服務(wù)，就可以把這種關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)接入點(diǎn)。當(dāng)使用分離服務(wù)時(shí)，就可以終止這種關(guān)聯(lián)

移動(dòng)站與接入點(diǎn)AP建立關(guān)聯(lián)的方法有兩種

• 被動(dòng)掃描：移動(dòng)站等待接收接入點(diǎn)AP周期性發(fā)出的信標(biāo)幀，信標(biāo)幀中包含若干系統(tǒng)參數(shù)
• 主動(dòng)掃描：移動(dòng)站主動(dòng)發(fā)出探測(cè)請(qǐng)求幀，然后等待從接入點(diǎn)返回的探測(cè)響應(yīng)幀

無線局域網(wǎng)在接入AP時(shí)還要輸入密碼。無線局域網(wǎng)發(fā)展初期，加密方案為WEP，后來又出現(xiàn)了WPA和WPA2

移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)

另一類無線局域網(wǎng)是沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線局域網(wǎng)，稱為自組網(wǎng)絡(luò)

這種自組網(wǎng)絡(luò)沒有接入點(diǎn)AP，而是由一些處于平等狀態(tài)的移動(dòng)站互相通信組成臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)。由于沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，因此服務(wù)范圍通常是受限的，而且自組網(wǎng)絡(luò)一般也不和外界網(wǎng)絡(luò)相連接

在自組網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)移動(dòng)站，都要參與到網(wǎng)絡(luò)中其它移動(dòng)站的路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，同時(shí)由于移動(dòng)站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能隨時(shí)間變化很快，因此需要新的路由選擇協(xié)議

自組網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多播，也比固定網(wǎng)絡(luò)的多播復(fù)雜的多，需要有實(shí)時(shí)性好而效率又高的多播協(xié)議

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起人們的關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器結(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)構(gòu)成的自組網(wǎng)絡(luò)，目的是進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，一般不需要很高的帶寬，但是對(duì)協(xié)議中大小有嚴(yán)格限制

802.11局域網(wǎng)的物理層

根據(jù)物理層的不同，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也不同

802.11局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議

CSMA/CA協(xié)議

在有線局域網(wǎng)中使用的CSMA/CD協(xié)議，其中CSMA載波監(jiān)聽部分可以在無線局域網(wǎng)中使用，但是CD不行，理由如下：

• 碰撞檢測(cè)要求一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送之前，不間斷檢測(cè)信道，一旦碰撞，就停止發(fā)送。而無線信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍較大，如果要在無線局域網(wǎng)的適配器實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)，在硬件上花費(fèi)會(huì)較大
• 即使能在硬件上實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)的碰撞檢測(cè)功能，也無法避免碰撞的發(fā)生，因此無線局域網(wǎng)不需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)

圖中，a表示A和C都想和B通信，但是AC相距較遠(yuǎn)，因此同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給B，發(fā)生碰撞，這種未能檢測(cè)到信道上其它站點(diǎn)的問題叫做隱蔽站問題

圖中，b表示B向A發(fā)數(shù)據(jù)，C檢測(cè)到信道忙而不敢向D發(fā)數(shù)據(jù)，但是B向A發(fā)數(shù)據(jù)并不影響，這就是暴露站問題

802.11局域網(wǎng)使用CSMA/CA協(xié)議，CA表示碰撞避免（collision avoidance），協(xié)議的設(shè)計(jì)要盡量減少碰撞發(fā)生的概率

802.11局域網(wǎng)還是用停止等待協(xié)議，因?yàn)樾盘?hào)質(zhì)量差，因此每個(gè)站點(diǎn)發(fā)送完一幀后，需要等待收到確認(rèn)幀才發(fā)送下一幀，這就是鏈路層確認(rèn)

802.11標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的MAC層，它通過協(xié)調(diào)功能（coordination function）來確認(rèn)在基本服務(wù)集BSS中的移動(dòng)站，在什么時(shí)間能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。802.11的MAC層在物理層上面，它包括兩個(gè)子層

• 分布協(xié)調(diào)功能DCF：DCF不采用任何中心控制，而是在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)使用 CSMA 機(jī)制的分布式接入算法，讓每個(gè)站通過爭(zhēng)用信道來獲得發(fā)送權(quán)。因此DCF向上提供爭(zhēng)用服務(wù)。802.11規(guī)定所有的實(shí)現(xiàn)都必須有DCF功能
• 點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF：PCF是選項(xiàng)，是用接入點(diǎn)AP集中控制整個(gè)BSS內(nèi)的活動(dòng)，因此自組網(wǎng)絡(luò)就沒有PCF子層。PCF使用集中控制的接入算法，用類似探詢的方法把發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個(gè)站，從而避免碰撞的發(fā)生

為了避免碰撞，802.11規(guī)定一個(gè)站在發(fā)送完畢后，必須等待一段很短的時(shí)間，才能發(fā)送下一幀。這段時(shí)間通稱為幀間間隔IFS。IFS的長(zhǎng)短取決于該站要發(fā)送的幀的類型。各種幀間間隔的具體長(zhǎng)度，則取決于所使用的物理層特性

• SIFS：短幀間間隔，長(zhǎng)度為28μs。SIFS是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對(duì)話的各幀。在這段時(shí)間內(nèi)，一個(gè)站應(yīng)該能從發(fā)送方式切換為接收方式。使用SIFS的幀類型有：ACK、CTS、由過長(zhǎng)的MAC幀分片后的數(shù)據(jù)幀、回答AP探詢的幀和在PCF方式中接入點(diǎn)AP發(fā)送的任何幀
• DIFS：分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔，它比SIFS的幀間間隔要長(zhǎng)的多，為128μs，在DCF方式中，DIFS用來發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀

CSMA/CA協(xié)議的工作原理如下：

• 要發(fā)送數(shù)據(jù)的站先檢測(cè)信道：通過收到的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度是否超過門限值可以判斷是否有其它移動(dòng)站在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。若信道空閑，源站在等待DIFS后開始發(fā)送數(shù)據(jù)
• 源站發(fā)出數(shù)據(jù)幀后，目的站正確收到，經(jīng)過時(shí)間間隔SIFS后，向源站發(fā)送確認(rèn)幀ACK。如果源站沒有收到ACK，就必須重傳，直到收到確認(rèn)為止，或者若干次重傳后放棄
• 802.11標(biāo)準(zhǔn)采用虛擬載波監(jiān)聽的機(jī)制，讓源站把占用信道的時(shí)間通知其他站，以便使其他站在這一段時(shí)間停止發(fā)送數(shù)據(jù)。虛擬表示其他站并沒有檢測(cè)信道，而是由于收到了源站的通知，好像是監(jiān)聽了信道
• 當(dāng)一個(gè)站檢測(cè)到信道中傳送的MAC幀首部的持續(xù)時(shí)間字段時(shí)，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV。NAV指出了必須經(jīng)過多少時(shí)間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)
• 當(dāng)NAV時(shí)間過去時(shí)，信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e，任何一個(gè)站只要不是發(fā)送第一個(gè)幀，不僅都必須等待一個(gè)DIFS的間隔，而且還要進(jìn)入爭(zhēng)用窗口。為了避免幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，所有想發(fā)送數(shù)據(jù)的站都要執(zhí)行退避算法
• 當(dāng)某個(gè)要發(fā)送數(shù)據(jù)的站，使用退避算法選擇了爭(zhēng)用窗口中的某個(gè)時(shí)隙后，就根據(jù)該時(shí)隙的位置設(shè)置一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器減小到0后，就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。也可能期間信道又變成忙態(tài)，這時(shí)凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器，重新等待信道空閑。再經(jīng)過DIFS后，繼續(xù)啟動(dòng)退避計(jì)時(shí)器

下面舉例說明退避機(jī)制：

• 圖中表示A正在發(fā)送數(shù)據(jù)，BCD執(zhí)行了退避算法，退避時(shí)間選定后，就相當(dāng)于設(shè)置了一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，站點(diǎn)每經(jīng)過一個(gè)時(shí)隙就檢測(cè)一次信道，如果信道空閑，計(jì)時(shí)器繼續(xù)計(jì)時(shí)；信道忙則凍結(jié)計(jì)時(shí)器，重新等待信道空閑，并經(jīng)過DIFS后繼續(xù)計(jì)時(shí)。如果計(jì)時(shí)器減少到0，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)

• C的退避計(jì)時(shí)器最先減少到0，于是C把數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，此時(shí)B和D檢測(cè)到信道忙，就凍結(jié)自己的計(jì)時(shí)器。同時(shí)E也執(zhí)行了退避算法

• 當(dāng)C發(fā)送完數(shù)據(jù)經(jīng)過DIFS后，B和D的退避計(jì)時(shí)器繼續(xù)計(jì)時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間D得到發(fā)送權(quán)，B和E重新凍結(jié)計(jì)時(shí)器

根據(jù)以上，CSMA/CA算法歸納如下：

• 若站點(diǎn)最初有數(shù)據(jù)要發(fā)送，且檢測(cè)到信道空閑，在等待時(shí)間DIFS后，就發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)幀
• 否則，站點(diǎn)執(zhí)行CSMA/CA協(xié)議的退避算法，一旦檢測(cè)到信道忙，就凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器。信道空閑后重新計(jì)時(shí)
• 退避計(jì)時(shí)器減少到0時(shí)，站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀并等待確認(rèn)
• 如果收到確認(rèn)，則認(rèn)為目的站已經(jīng)正確收到；如果沒有收到確認(rèn)幀ACK，就必須重傳此幀或者經(jīng)過若干次重傳后放棄
• 當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，僅在下面的情況才不使用退避算法
  • 檢測(cè)到信道空閑，并且這個(gè)數(shù)據(jù)幀是它想發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀
• 除此之外，都必須使用退避算法，如
  • 在發(fā)送第一個(gè)幀之前檢測(cè)到信道處于忙態(tài)
  • 每一次重傳
  • 每一次的成功發(fā)送后要再發(fā)送下一幀

對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約

為了更好解決隱蔽站帶來的碰撞問題，802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約，具體做法如下：

• A向B發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，先監(jiān)聽信道，若空閑則在DIFS后，發(fā)送一個(gè)短的控制幀，叫做請(qǐng)求發(fā)送 RTS，它包括源地址、目的地址、通信時(shí)間
• 若B正確收到A發(fā)來的RTS幀，且媒體空暇，則等待一段時(shí)間SIFS后，就向A發(fā)送一個(gè)允許發(fā)送CTS的控制幀，它也包括通信時(shí)間
• A收到CTS幀后，再等待SIFS后，就發(fā)送數(shù)據(jù)幀
• B收到數(shù)據(jù)幀，在等待SIFS后，向A發(fā)送確認(rèn)幀ACK

使用RTS幀和CTS幀會(huì)使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率有所下降，但是控制幀比較短，與數(shù)據(jù)幀相比開銷不大。如果不使用控制幀，則發(fā)生碰撞時(shí)開銷會(huì)更大。802.11協(xié)議設(shè)有三種情況供用戶選擇

• 使用RTS和CTS
• 僅當(dāng)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度超過某一數(shù)值才使用RTS和CTS
• 不使用RTS和CTS

下圖給出了CSMA/CA協(xié)議的基本流程圖

802.11局域網(wǎng)的MAC幀

802.11幀共有三種類型：控制幀、數(shù)據(jù)幀、管理幀

其中數(shù)據(jù)幀由以下三大部分組成：

• MAC首部：共30字節(jié)，幀的復(fù)雜性都在幀的MAC首部
• 幀主體：也就是幀的數(shù)據(jù)部分，不超過2312字節(jié)
• 幀檢驗(yàn)序列FCS：是MAC尾部，共4字節(jié)

關(guān)于802.11數(shù)據(jù)幀的地址

在MAC首部中，共有4個(gè)地址字段。其中地址4用于自組網(wǎng)絡(luò)，地址1-2-3的內(nèi)容取決于幀控制字段中的去往AP和來自AP的數(shù)值。表中給出了最常用的兩種情況

站點(diǎn)A向站點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)幀，這個(gè)數(shù)據(jù)幀必須經(jīng)過AP轉(zhuǎn)發(fā)

• 當(dāng)站點(diǎn)A把數(shù)據(jù)幀發(fā)送給AP1時(shí)，去往AP=1，來自AP=0
• 當(dāng)AP1把數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給站點(diǎn)B時(shí)，去往AP=0，來自AP=1

當(dāng)數(shù)據(jù)幀從路由器R到AP2的C站時(shí)，AP2將以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)換成無線局域網(wǎng)幀，反之，當(dāng)數(shù)據(jù)從AP2到路由器R時(shí)，AP2要先將數(shù)據(jù)幀從無線局域網(wǎng)幀轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)幀

序號(hào)控制字段、持續(xù)期字段、幀控制字段

• 序號(hào)控制字段：占16位，其中序號(hào)子字段占12位，分片子字段占4位。重傳的幀序號(hào)和分配子字段都不變。序號(hào)控制的作用是使接收方能夠區(qū)分開是新傳送的幀還是重傳幀

• 持續(xù)期字段：占16位，CSMA/CA協(xié)議允許站點(diǎn)預(yù)約信道一段時(shí)間，并把這個(gè)時(shí)間寫入持續(xù)期字段中，這個(gè)字段有多種用途，但是只有最高位為0時(shí)才表示持續(xù)期

• 幀控制字段：共分為11個(gè)子字段

  • 協(xié)議版本字段現(xiàn)在是0
  • 類型字段和子類型字段用來區(qū)分幀的功能
  • 更多分片字段置1表示這個(gè)幀屬于一個(gè)幀的多個(gè)分片之一

• 有線等效保密字段wep：占1位，若為1表示采用了wep加密算法

無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)WPAN

無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)WPAN（wireless personal area network）就是在個(gè)人工作地方把屬于個(gè)人的電子設(shè)備用無線技術(shù)連接來的自組網(wǎng)絡(luò)，不需要使用接入點(diǎn)AP，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的范圍為10m

WPAN的IEEE標(biāo)準(zhǔn)都由IEEE的802.15工作組制定，WPAN都工作在2.4GHz的ISM頻段

藍(lán)牙系統(tǒng)

最早使用的WPAN是1994年愛立信公司推出的藍(lán)牙系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.1，數(shù)據(jù)率為720kbit/s，通信范圍10m左右，藍(lán)牙使用TDM方式和調(diào)頻擴(kuò)頻FHSS技術(shù)組成不用基站的皮可網(wǎng)（piconet）

每一個(gè)皮可網(wǎng)有一個(gè)主設(shè)備和最多7個(gè)從設(shè)備，通過共享主設(shè)備或從設(shè)備，可以把多個(gè)皮可網(wǎng)鏈接起來，形成一個(gè)范圍更大的擴(kuò)散網(wǎng)（scatternet）

圖中展示了皮可網(wǎng)和擴(kuò)散網(wǎng)的概念，其中M表示主設(shè)備，S表示從設(shè)備，P表示擱置的設(shè)備，一個(gè)皮可網(wǎng)最多有255個(gè)擱置的設(shè)備

低速WPAN

低速WPAN主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動(dòng)化與控制等領(lǐng)域，速率為2~250kbit/s，低速WPAN的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4

在低速WPAN中最重要的就是zigbee，主要用于各種電子設(shè)備之間的無線通信，特點(diǎn)是通信距離短，傳輸數(shù)據(jù)率低，成本低廉，功耗非常低

ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量大，一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)最多包括255個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主設(shè)備，其余是從設(shè)備。如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個(gè)結(jié)點(diǎn)

IEEE802.15.4只是定義了zigbee協(xié)議的最低兩層，上面的兩層是由zigbee聯(lián)盟定義的

IEEE802.15.4的物理層表示了三個(gè)頻段

在MAC層，主要沿用802.11無線局域網(wǎng)的CSMA/CA協(xié)議

在網(wǎng)絡(luò)層，zigbee可采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)?#xff0c;或者兩者結(jié)合，一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)最多有255個(gè)結(jié)點(diǎn)

按結(jié)點(diǎn)的功能強(qiáng)弱可以劃分為全功能設(shè)備FFD和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD

RFD結(jié)點(diǎn)是zigbee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的段設(shè)備，電路簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)容量小，成本低。RFD結(jié)點(diǎn)只能與處在該星型網(wǎng)中心的FFD結(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)

在一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)FFD充當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。負(fù)責(zé)維護(hù)整個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)信息FFD結(jié)點(diǎn)具備控制器的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換，是zigbee網(wǎng)絡(luò)中的路由器

高速WPAN

高速WPAN的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.3，是專為在便攜式多媒體裝置之間傳送數(shù)據(jù)而制定的，支持11~55Mbit/s的數(shù)據(jù)率，在個(gè)人使用的數(shù)碼設(shè)備日益增多的情況下特別方便

IEEE802.15.3A工作組還提出了更高數(shù)據(jù)率的物理層標(biāo)準(zhǔn) 超高速WPAN，這種網(wǎng)絡(luò)使用超寬帶UWB技術(shù)

UWB規(guī)定超寬帶技術(shù)使用了瞬間高速脈沖，因此信號(hào)的頻帶很寬，可以支持100~400Mbit/s的數(shù)據(jù)率，可用于小范圍內(nèi)高速傳送圖像或DVD質(zhì)量的多媒體視頻文件

無線城域網(wǎng)WMAN

無線城域網(wǎng)WMAN（wireless metropolitan area network）

早期出現(xiàn)的本地多點(diǎn)分配系統(tǒng)LMDS就是一種寬帶無線城域網(wǎng)接入技術(shù)，許多國(guó)家把27.5~29.5GHz定為L(zhǎng)MDS頻段，然而由于缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，LMDS一直未能普及起來

IEEE在2002年4月通過了802.16無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，WMAN可以提供最后一英里的寬帶無線接入，在許多情況下，無線城域網(wǎng)可以替代現(xiàn)有的有線寬帶接入，因此有時(shí)它被稱為無線本地環(huán)路

802.16可以覆蓋一個(gè)城市的部分區(qū)域，通信的距離變化很大，因此接收到信號(hào)功率和信噪比也會(huì)有很大的差別，這就要求有多種調(diào)制方法，因此工作在毫米波段的802.16必須有不同的物理層

蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)

蜂窩無線通信技術(shù)簡(jiǎn)介

移動(dòng)通信的種類很多，但是目前使用最多的是蜂窩移動(dòng)通信，它又稱為小區(qū)制移動(dòng)通信，特點(diǎn)是把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)劃分為去多小區(qū)（cell），每個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)基站，負(fù)責(zé)本小區(qū)各個(gè)移動(dòng)站的聯(lián)絡(luò)與控制

蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展十分迅速，目前已經(jīng)有多種標(biāo)準(zhǔn)：

• 第一代蜂窩移動(dòng)通信1G：是為話音通信設(shè)計(jì)的模擬FDM系統(tǒng)
• 第二代蜂窩移動(dòng)通信2G：代表體制就是最流行的GSM系統(tǒng)，帶寬只有200KHz，除了基本的話音通信，它只能提供低速數(shù)字通信（短信服務(wù)），為了能接入互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)，2G蜂窩移動(dòng)通信增加了GPRS和EDGE等技術(shù)
• 第三代蜂窩移動(dòng)通信3G：使用的帶寬增大到5MHz，并且使用IP的體系結(jié)構(gòu)和混合的交換機(jī)制，能夠提供移動(dòng)寬帶多媒體業(yè)務(wù)。3G現(xiàn)在有三個(gè)無線接口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即美國(guó)的CDMA2000，歐洲的WCDMA和中國(guó)移動(dòng)提出的TD-SCDMA
• 第四代蜂窩移動(dòng)通信4G：4G的目標(biāo)峰值數(shù)據(jù)率是：固定和低速移動(dòng)通信時(shí)應(yīng)達(dá)到1Gbit/s，在高速移動(dòng)時(shí)應(yīng)達(dá)到100Mbit/s。4G現(xiàn)在有兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，LTE和LTE-A，LTE又分為時(shí)分雙工和頻分雙工兩種，而LTE-A是LTE的升級(jí)版

從圖中可以看出，用一個(gè)個(gè)相互拼接的六角形小區(qū)就能組成很大的蜂窩狀無線通信系統(tǒng)，每個(gè)基站的發(fā)射功率既能覆蓋本小區(qū)，也不能太大以至于影響相鄰小區(qū)

采用蜂窩形狀結(jié)構(gòu)小區(qū)的好處是可以最大限度進(jìn)行頻率復(fù)用，在相隔一定距離的不同小區(qū)可以采用相同頻率而不會(huì)互相干擾

每一個(gè)基站都有一個(gè)基站收發(fā)信機(jī)，其作用就是在移動(dòng)站和無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC進(jìn)行通信時(shí)，起到轉(zhuǎn)接作用。無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC控制一組基站，負(fù)責(zé)管理無線小區(qū)及其無線信道

如果移動(dòng)站要進(jìn)行電話通信，就必須和小區(qū)中的基站相關(guān)聯(lián)，和基站建立雙向的無線通信信道。基站通過RNC連接到移動(dòng)交換中心MSC，MSC控制所有的RNC的話音業(yè)務(wù)，提供電路交換功能

如果移動(dòng)站要接入互聯(lián)網(wǎng)，RNC就把移動(dòng)站發(fā)過來的IP數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS核心網(wǎng)絡(luò)，GPRS核心網(wǎng)絡(luò)包括SGSN，即GPRS服務(wù)支持結(jié)點(diǎn)，和GGSN，即網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點(diǎn)

SGSN主要完成IP數(shù)據(jù)報(bào)的轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、邏輯鏈路管理、鑒別和加密、話單產(chǎn)生和輸出等功能，SGSN還要和移動(dòng)交換中心MSC進(jìn)行通信，以便完成用戶的鑒別、通信和切換等功能

GGSN具有網(wǎng)絡(luò)接入控制功能，選擇哪些分組進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)，以保證GPRS網(wǎng)絡(luò)的安全

移動(dòng)IP

移動(dòng)IP（mobile IP）又稱為移動(dòng)IP協(xié)議，是由IETF開發(fā)的一種技術(shù)，這種技術(shù)允許計(jì)算機(jī)移動(dòng)到外地時(shí)，仍然保留其原來的IP地址

移動(dòng)IP要解決的問題，就是要使用戶的移動(dòng)性對(duì)上層的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是透明的，或者說，如果一個(gè)移動(dòng)站在漫游時(shí)仍保持其IP地址不變，就要想辦法使已經(jīng)建立的TCP連接與移動(dòng)用戶的漫游無關(guān)，此外還要想辦法讓互聯(lián)網(wǎng)中其它主機(jī)找到這個(gè)移動(dòng)站

移動(dòng)IP使用了如圖所給出的基本概念

• 一個(gè)移動(dòng)站A必須有一個(gè)原始地址，即永久地址或歸屬地址，移動(dòng)站原始連接到的網(wǎng)絡(luò)叫做歸屬網(wǎng)絡(luò)，永久地址和歸屬網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)是不會(huì)改變的
• 為了讓地址的改變對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的其它部分是透明的，移動(dòng)IP使用了代理。歸屬代理通常就是連接在歸屬網(wǎng)絡(luò)上的路由器
• 當(dāng)移動(dòng)站A移動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)，他所接入的網(wǎng)絡(luò)稱為被訪網(wǎng)絡(luò)或外地網(wǎng)絡(luò)，被訪網(wǎng)絡(luò)中使用的代理叫做外地代理，它通常就是連接在被訪網(wǎng)絡(luò)上的路由器。外地代理的一個(gè)任務(wù)就是要為移動(dòng)站A創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)地址，叫做轉(zhuǎn)交地址。轉(zhuǎn)交地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)顯然必須和被訪網(wǎng)絡(luò)一致。外地代理的另一個(gè)功能就是及時(shí)把移動(dòng)站A轉(zhuǎn)交地址通知A的歸屬代理

假定在圖中，有一個(gè)通信者B要和移動(dòng)站A進(jìn)行通信，B并不知道A在什么地方，但B可以使用A的永久地址作為IP數(shù)據(jù)報(bào)的目的地址，四個(gè)步驟如下

• B發(fā)送給A的數(shù)據(jù)報(bào)被A的歸屬代理截獲了
• 由于歸屬代理已經(jīng)知道了A的轉(zhuǎn)交地址，因此歸屬代理將B發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，新的數(shù)據(jù)報(bào)交給轉(zhuǎn)接地址，發(fā)送到被訪網(wǎng)絡(luò)的外地代理
• 被訪網(wǎng)絡(luò)中的外地代理把收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆封，取出B發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)站A
• 如果現(xiàn)在A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，那么A仍然使用自己的永久地址作為源地址，用B的IP地址作為目的地址，這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)沒有必要通過A的歸屬代理進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)

從以上可以看出，為了支持移動(dòng)性，在網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該增加一些新功能

• 移動(dòng)站到外地代理的協(xié)議：當(dāng)移動(dòng)站接入到被訪網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須向外地代理進(jìn)行登記，以獲得一個(gè)臨時(shí)的轉(zhuǎn)交地址，同時(shí)移動(dòng)站離開時(shí)也必須注銷登記
• 外地代理到歸屬代理的登記協(xié)議：外地代理要向移動(dòng)站的歸屬代理登記移動(dòng)站的轉(zhuǎn)交地址
• 歸屬代理數(shù)據(jù)報(bào)封裝協(xié)議：歸屬代理收到發(fā)送給移動(dòng)站的數(shù)據(jù)報(bào)后，將其再封裝為一個(gè)新的數(shù)據(jù)報(bào)，其目的地址為移動(dòng)站的轉(zhuǎn)交地址
• 外地代理拆封協(xié)議：外地代理收到了歸屬代理封裝好的數(shù)據(jù)報(bào)后，取出原始數(shù)據(jù)并交給移動(dòng)站

現(xiàn)在討論移動(dòng)站A再次從被訪網(wǎng)絡(luò)N1移動(dòng)到被訪網(wǎng)絡(luò)N2的情況

當(dāng)A移動(dòng)到N2時(shí)，就向N2的外地代理登記，N2的外地代理把轉(zhuǎn)交地址告訴A的歸屬代理，此后歸屬代理就會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到N2的外地代理

圖9-18所示的路由選擇，可能會(huì)引起數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)的低效，稱為三角形路由選擇問題

解決這個(gè)問題的一種方法是使用直接路由選擇，但是會(huì)增加復(fù)雜性。這種方法讓通信者B創(chuàng)建一個(gè)通信者代理，讓這個(gè)通信者代理向歸屬代理詢問移動(dòng)站的轉(zhuǎn)交地址，然后再由通信者代理把數(shù)據(jù)報(bào)用隧道技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給外地代理，使用這種方法必須解決以下問題：

• 增加一個(gè)協(xié)議，即移動(dòng)用戶定位協(xié)議，用來使通信者代理向移動(dòng)站的歸屬代理查詢移動(dòng)站的轉(zhuǎn)交地址
• 當(dāng)移動(dòng)站再移動(dòng)到其他網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如何得到移動(dòng)站的位置信息

其中第二個(gè)問題，可以由以下步驟解決

• B的通信者代理從移動(dòng)站A的歸屬代理得到A所漫游到的被訪網(wǎng)絡(luò)N1的外地代理，把移動(dòng)站首次漫游到的被訪網(wǎng)絡(luò)的外地代理稱為錨外地代理
• 通信者代理把B發(fā)送給A的數(shù)據(jù)報(bào)封裝后，發(fā)送到A的錨外地代理
• 錨外地代理把拆封后的數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給A
• A移動(dòng)到另一個(gè)被訪網(wǎng)絡(luò)N2
• A向被訪網(wǎng)絡(luò)N2的外地代理登記
• 新外地代理把A的新轉(zhuǎn)交地址告訴錨外地代理
• 當(dāng)錨外地代理收到發(fā)給A的數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，就用A的新轉(zhuǎn)交地址對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)再次封裝轉(zhuǎn)發(fā)

蜂窩移動(dòng)通信中對(duì)移動(dòng)用戶的路由選擇

假如一個(gè)固定電話用戶呼叫一個(gè)移動(dòng)電話用戶，圖中給出了整個(gè)呼叫過程涉及的一些重要網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件

其中MSC是移動(dòng)交換中心，是蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中的核心構(gòu)建，其實(shí)MSC還要維護(hù)兩個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)庫(kù)，即歸屬位置寄存器HLR和來訪用戶位置寄存器VLR

HLR存放簽約用戶的所有數(shù)據(jù)信息，VLR則臨時(shí)存放著當(dāng)前漫游到這個(gè)MSC控制區(qū)的用戶位置信息。當(dāng)移動(dòng)用戶漫游到新的MSC控制區(qū)時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)送信令向該地區(qū)的VLR進(jìn)行登記，VKR要向該移動(dòng)用戶歸屬網(wǎng)絡(luò)HLR查詢相關(guān)的參數(shù)，并且給該移動(dòng)用戶分配一個(gè)臨時(shí)的移動(dòng)站漫游號(hào)碼MSRN。這個(gè)MSRN就是移動(dòng)用戶現(xiàn)在的位置信息

漫游號(hào)碼對(duì)主叫和被叫都是透明的，VLR必須把這個(gè)漫游號(hào)碼及時(shí)告訴移動(dòng)用戶歸屬網(wǎng)絡(luò)的HLR。如果移動(dòng)用戶從一個(gè)VLR移動(dòng)到另一個(gè)VLR，歸屬網(wǎng)絡(luò)的HLR還要在修改該用戶的位置信息后，通知原來的VLR，注銷舊的位置信息

下面是呼叫過程的三個(gè)重要步驟

• 找到移動(dòng)用戶的歸屬網(wǎng)絡(luò)：通信者撥出某個(gè)移動(dòng)用戶的號(hào)碼后，公用電話網(wǎng)的交換機(jī)就能把呼叫傳送到被叫的歸屬網(wǎng)絡(luò)交換中心，簡(jiǎn)稱歸屬M(fèi)SC
• 歸屬M(fèi)SC向其HLR查詢現(xiàn)在被叫移動(dòng)用戶的位置：HLR向歸屬M(fèi)SC返回被叫移動(dòng)用戶的漫游號(hào)MSRN
• 歸屬M(fèi)SC按照MSRN進(jìn)行呼叫，把通信者發(fā)起的呼叫傳送到被訪網(wǎng)絡(luò)MSC，再傳送到漫游的基站

GSM中的切換

所謂切換，就是由于移動(dòng)用戶位置變化，相關(guān)聯(lián)的基站也發(fā)生變化

切換使得呼叫的傳輸路由發(fā)生變化，切換發(fā)生的原因是：

• 當(dāng)前基站和移動(dòng)用戶的信號(hào)減弱，有使呼叫中斷的可能
• 一個(gè)蜂窩小區(qū)內(nèi)的呼叫太多，基站不堪重負(fù)。這時(shí)可以把移動(dòng)用戶切換到相鄰的不太擁塞的小區(qū)，以減少原基站的負(fù)荷

移動(dòng)站的切換一般只是基站改變，仍然處于同一個(gè)MSC的控制下。如果連MSC都改變了，這種情況下，向移動(dòng)站的呼叫路由會(huì)有很大變化

GSM使用了錨MSC的概念。錨MSC是在呼叫移動(dòng)用戶首次訪問過的MSC，它在整個(gè)呼叫過程中保持不變

在通信者和被叫移動(dòng)用戶之間，最多出現(xiàn)三個(gè)MSC，即歸屬M(fèi)SC、錨MSC、被訪網(wǎng)絡(luò)MSC

無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)高層協(xié)議的影響

移動(dòng)站在漫游時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連接會(huì)發(fā)生很短時(shí)間的中斷，這種情況對(duì)高層協(xié)議是否有影響？

經(jīng)過研究，有三種方法來處理這個(gè)問題

• 本地恢復(fù)：差錯(cuò)出在什么地方，就在什么地方改正，例如在無線局域網(wǎng)中使用的自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ協(xié)議
• 讓TCP發(fā)送方知道什么地方使用了無線鏈路：只有當(dāng)TCP能夠確知，是有線網(wǎng)絡(luò)部分發(fā)生擁塞時(shí)，才采用擁塞控制策略
• 把含有移動(dòng)用戶的端到端TCP連接拆成兩個(gè)互相串接的TCP連接。從移動(dòng)用戶到無線接入點(diǎn)是一個(gè)TCP連接，而剩下的使用有線網(wǎng)段連接的部分是另一個(gè)TCP連接

總結(jié)

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