【Part 5】wireless networking

我们的目标:
原则:无线网络通信和移动性
  • CDMA
  • 802.11 wi-fi
  • 蓝牙,3G

协议

概述:

  • 无线通信架构
  • CDMA
  • WLAN

1、无线网络简介

无线束缚,自由
5A通信可以实现
  • 任何人,无论何时何地,无论如何,任何事
无线网络分类:
从覆盖范围:
  • WPAN无线个人区域网络
  • WLAN-无线局域网
  • WMAN / WWAN-无线城域网/无线广域网
从应用程序:
  • WSN无线传感器网络
  • WMN-无线网状网络
  • WWN无线磨损网络
  • WBAN无线体域网

2、无线网络协议的问题

无线网络架构也是分层的
  • 从物理层到应用程序层
不同的网络关注不同的层次
  • Wlan,wpan,wman专注于MAC和物理层,不需要路由
  • WAN,ad hoc网络,WSN和WMN都需要路由,除了MAC和物理层之外,必须关注网络层
  • 无线网络将影响TCP拥塞控制

3、802.15 WPAN

WPAN:无线个人区域网络
用于连接个人设备
  • 笔记本电脑,外围设备,手机,PDA
  • 覆盖范围:10米
  • 工作频率:2.4GHz ISM
WPAN在短距离,低功耗和低成本下运行
  • 可以访问互联网
WPAN是一个ad hoc网络,可以基于
  • IEEE 802.11,HiperLAN2,蓝牙,家庭RF,IrDA和UWB
802.15.X
  • IEEE802.15.1蓝牙
  • IEEE802.15.2-研究蓝牙和WiFi并存
  • IEEE802.15.3-研究高速率WPAN
  • IEEE802.15.4的ZigBee

4、蓝牙


短距离无线通信技术规范
  • 从物理层到应用层
  • 可以用于WPAN
结构
基本单元是微微网:一个主节点+ 10m范围内的7个从节点
  • 微微网除了7个从机外,还可以有255个停放节点
  • 除了响应主人的指示之外,别做任何事情:处于睡眠状态
集中式TDM系统,由主控控制
  • 从站不能直接与另一个从站通信
多个微微网可以通过网桥节点→散射网连接

4.1、蓝牙协议栈

应用程序层
应用程序软件
每个都有自己的应用程序协议
中间层
包含多种协议:
  • 逻辑链接控制
  • 服务发现
  • 链接管理
  • 能源管理
  • 认证和QoS控制
物理层
异步无连接或同步连接通信
跳频扩频传输
  • 1600hops / s,时隙=625μs

5、WLAN

局域网使用射频作为媒体
基于IEEE 802.11标准的WLAN非常受欢迎
  • 2.4GHz或5.3GHz(未经授权的射频范围)
  • 图11A,11B,11G,11N
  • 无线上网
从覆盖范围来看,WLAN分类:
  • 小型WLAN,如家庭WLAN
  • 中等规模的WLAN,如企业WLAN
  • 大规模交换WLAN
--AP很简单
--集中式无线控制器作为交换和路由设备,支持低延迟漫游

5.1、WLAN应用

访问互联网

  • 家庭,办公室,咖啡吧,机场...
内部沟通
  • 办公室沟通
  • 餐饮订单
  • 货物存储管理
  • 集装箱配送中心
  • 监视系统
  • 展厅
  • 赈灾
  • 搜寻及救援
  • ...

6、组织模式

通常,有两种组织模式:
基础架构模式
  • 以AP为中心
  • 可以使用无线网桥或以太网互连设备来扩大WLAN
特设模式
  • 没有AP
  • 临时局域网
  • 可以用于实地考察和军事领域

7、无线局域网中的元素


无线主机:笔记本电脑,掌上电脑,PDA,手机,个人电脑
无线链接:不同的链接,不同的技术。
AP:WLAN中的AP
  • 无线网络基础设施的核心:链路层中继
  • 协调无线主机的传输
  • 他们可以通过基础设施连接到更大的网络
  • 切换:主机从一个BSS移动到另一个
网络基础设施
  •   更大或公共网络

8、无线链路特性

有线和无线链路的差异
降低信号强度。 无线电信号在通过时衰减
来自其他来源的干扰。 相同的频段和电磁噪声会导致干扰
多路径传播。 波浪反射(来自物体,移动物体,地面)将导致多路和多路径,并导致接收信号模糊
位错误
隐藏的终端问题
  • 障碍
  • 削弱

9、IEEE 802.11标准

物理层和MAC层的规范
802.11包含许多子集:
802.11:54Mbps的
802.11:11Mbps的
802.11d:域名管理
802.11e:QoS
802.11f:AP间协议
802.11g:54Mbps的
802.11h:动态频率选择和电源管理
802.11i:安全
802.11j:对日本标准的补充
802.11n标准:300Mbps的
802.11ac:1Gbps标准
802.11ad:超宽带宽

9.1、802.11物理层

定义3种可选的工具模式:
红外基带
  • 850〜950nm波长
  • 数据传输速率:1Mbps,2Mbps
直接序列扩频
  • 工作频率:2.4GHz ISM
  • 7个通道:每个通道1Mbps或2Mbps
跳频扩频
  • 2.4GHz ISM,
  • 1Mbps或2Mbps
DSSS很受欢迎

9.2、802.11 MAC层

两个MAC算法
集中式MAC
  • 主节点是必需的
  • 主节点协调多个节点的链接使用情况
  • 循环赛
分布式MAC
  • CSMA
  • CSMA/ CA

9.3、Wi-Fi: 802.11 WLANs

受欢迎的WLAN类型:
802.11:
  • 带宽:11Mbps的;
  • 频率:2.4-2.485GHz
802.11a:
  • 带宽:54Mbps,12通道,8
  • 频率:5.1-5.8GHz的
802.11g:
  • 带宽:54Mbps的
  • 频率:2.4-2.485GHz
802.11n标准:
  • 2009年发布
  • MIMO + OFDM,几个Km2覆盖
  • 300Mbps〜600Mbps
特征:
相同点
  • CSMA/ CA
  • 框架结构
  • 传输速率成反比例距离
  • 所有都允许基础架构和特设模式
区别
  • 带宽
  • 给定功率下的距离

9.3、802.11架构


BSS通过互连设备连接
  • BSS = AP +移动主机
  • 设备:路由器,交换机,
  • 无线适配器,48位MAC地址。
两种架构:
  • 基础架构模式
  • Ad hoc模式 - 无需AP
9.3.1、Ad hoc

特设模式
  • 没有基站
  • 节点只能在链路覆盖范围内向其他节点传输
  • 节点组织成一个网络:彼此之间的路线
关键技术:
  • 路由
  • 服务质量
  • 功率控制
  • 安全
  • 拓扑
  • Channnel分享
  • 互连
9.3.2、渠道和基础设施协会
802.11b频道
  • 在85MHz频带内定义了11个部分重叠的信道
  • 非重叠频道必须是由4或5个频道分隔的频道

--1,6,11;2,6,10...

--一个WLAN最多可以使用3个信道,每个信道速率为11Mbps

每个安装的AP都有:
  • SSID服务集标识符,1-2个字长
  • 一个频道号码
站必须与AP关联 - 加入子网
  • 使用802.11关联协议
  • 通过DHCP获取动态IP地址
  • 可能需要身份验证:MAC或名称和密码
在丛林环境中,每个AP周期性发送信标帧(SSID,MAC)。主机扫描11个信道,然后从任何接入点获取信标帧与该AP联系。

9.4、802.11 MAC协议-CSMA / CA


协调共享频道
CSMA/ CA
  • 载波侦听多路访问,避免碰撞
算法:
802.11 CSMA:发送者
如果感测通道闲置DIFS秒。

--分布式帧间空间

然后传输整个帧(没有碰撞检测)
如果感知通道繁忙,则退避和附加的随机退避
802.11 CSMA接收器:
如果收到确定
    在SIFS之后返回ACK(短的帧间距)

9.5、802.11 CSMA协议:其他


802.11帧具有传输时间字段
  • 数据传输的持续时间
  • NAV:网络分配矢量
其他人(听证数据)推迟访问NAV时间单位

10、隐藏的终端效应


隐藏的终端:A,C不能听到对方
  • 障碍物,信号衰减
  • 在B碰撞
目标:避免在B处发生碰撞
  • 增强的CSMA:带有避免冲突的CSMA

10.1、碰撞避免:RTS-CTS交换


CSMA / CA:显式频道预约
  • 发件人:发送短期RTS:请求发送
  • 接收方:回复短CTS:清除发送
  • CTS为发送者保留频道,通知(可能隐藏)电台
  • 避免隐藏站点碰撞
RTS和CTS简称:
  • 碰撞可能性较小,持续时间较短

--数据和ACK帧不会发生冲突

  • 接收机的CTS将被所有附近的电台听到,避免隐藏电台和衰落问题
IEEE 802.11允许:
  • CSMA
  • CSMA / CA:保留
  •   来自AP的投票

11、802.11帧结构


帧控制:许多子场,用于区分不同的帧
  • RTS,CTS,ACK,ad hoc或基础设施,是否加密
持续时间:保留RTT的频道
有效载荷:<1500B,IP或ARP数据包
地址:4X48bits,
  • addr1:目标地址; 可能是主机或AP MAC
  • addr2:源地址。
  • addr3:路由器地址。 这是一个LAN MAC
  • addr4:仅适用于Ad hoc
序列控制:序列号,避免复制帧

12、AP中的帧变换


R1→H1
R1将数据报封装到以太网帧中,包括R1和H1的MAC地址。 可以使用ARP。
框架 AP
将802.3帧转换为802.11帧。 源地址是AP的MAC,dest。 addr是H1的MAC,R1的MAC addr插入到addr3中
H1→R1
H1创建802.11帧 AP
  • 源地址:H1的MAC地址。
  • 目标地址:AP的MAC地址
  • R1的MAC地址→addr3
AP将其转换为以太网帧
  • 源地址:H1的MAC地址
  • 目的地。 地址:R1的MAC地址

13、WLAN中的移动性


IP子网可能包含多个BSS
H1从BSS1移到BSS2
  • 同一个IP子网:保持IP地址和TCP连接
  • 不同的子网:更改IP地址,使用移动IP丢弃连接
基于集线器的子网:
  • 当H1远离AP1时,它会从AP2获得更强的信号
  • H1从AP2接收信标帧并与AP2相关联,保持IP地址和TCP连接
基于交换机的子网
  • 一旦H1与BSS2关联,AP2将以H1的源地址广播以太网帧进行切换
  • 交换机自己将这个新记录学习到它的转发表中

14、802.11:高级功能

价格适应
基站,移动台随着移动动态地改变传输速率(物理层调制技术),SNR变化

1.信噪比下降,BER随着节点离开基站而增加
2.当BER变得太高时,切换到较低的传输速率但BER较低
能源管理
节点到AP:“我要休眠,直到下一个信标帧”
  • AP知道不向这个节点传送帧
  • 节点在下一个信标帧之前醒来
信标帧:包含等待发送AP到移动帧的移动设备列表
  • 如果要发送AP到移动帧,节点将保持清醒; 否则再次休眠,直到下一个信标帧

15、WMAN

  • 连接多个WLAN的无线网络
  • 主要用于MAN访问
  • 覆盖范围:数KM至数十KM
  • 解决宽带无线接入(BWA)和“最后一英里”问题
  • 14Mbps
IEEE802.16标准
  • 定义WMAN接口规范
  • 关注高速移动性问题
  • 安全和隐私是强制性的
  • 工作在10GHz〜66GHz
  • 支持QoS和多媒体应用
WiMAX:全球微波接入互操作性
  • BWA设备互操作和传播的公共场所

16、WWAN

WWAN:无线广域网
  • 大范围的覆盖和访问
  • 互连各种分散式WLAN
WWAN架构
  • 终端系统(小区):移动设备+ BS
  • 核心:移动交换中心+
主要用于手机和数据服务
移动互联网也是一个WWAN,架构:
  • WLAN+互联网
  • 移动电脑+基站,移动交换中心,网关,互联网

17、蜂窝互联网接入

WLAN覆盖范围很小:10〜100米
我们希望获得更大的覆盖范围:10公里 - 蜂窝移动
蜂窝体系结构

小区+移动交换中心+ PSTN和互联网

  • 一个小区:基站+移动设备
  • 连接到MSC(移动交换中心)的基站
  • MSC管理呼叫建立和拆卸,计费,设备的移动性

链接访问模式:

  • FDM + TDM:频率子带划分为时隙
  • CDMA
  • 3G,4G

17.1、蜂窝网络体系结构的组件


胞体
  • 涵盖地理区域
  • 基站(BS)类似于802.11 AP
  • 移动用户通过BS连接到网络
  • 空中接口:移动和BS之间的物理和链路层协议
MSC
  • 将胞体连接到广域网
  • 管理呼叫设置(稍后更多!)
  • 处理流动性(稍后更多!)

17.2、蜂窝网络:第一跳


两种共享移动台到基站无线电频谱的技术
  • 结合FDMA / TDMA:在频道中划分频谱,将每个频道划分为时隙
  • CDMA:码分多址
17.2.1、CDMA:码分多址
主要用于无线广播频道(蜂窝,无线,卫星等)
  • 分配给每个用户的唯一“代码”; 即代码集划分
  • 所有用户共享相同的频率,但每个用户都有自己的“碎片”序列(即代码)来编码数据
--编码信号=(原始数据)X(切片序列)
--解码:编码信号和片段序列的内积
  • 允许多个用户“共存”并以最小的干扰同时进行传输(如果代码是“正交的”)
17.2.2、CDMA编码/解码

17.2.3、CDMA:双发射机干扰

18、蜂窝标准概述

1G:第一代
  • 模拟FDMA,仅限语音
2G:第二代
  • 数字,仍然是语音
  • 优点:容量更大,安全性更高,服务更先进
2G标准:
  • 临时标准136(IS-136)TDMA,FDM + TDM,在北美使用
  • GSM(全球移动通信系统),FDM + TDM,13kbps,广泛使用
  • IS-95 CDMA,广泛用于北美和韩国
以上所有都适用于语音服务

18.1、转型一代2.5G

GPRS:通用分组无线业务。
  • 从GSM发展而来,可以提供数据服务
  • 基于分组的数据业务:40K〜60kbps
EDGE:全球演进的增强数据速率
  • 384Kbps数据服务
CDMA2000,阶段1
  • 从IS-95发展而来,可以提供高达144.4kbps的分组数据业务

18.2、3G

目标:以更高的速度进行语音和数据通信
  • 144kbps:驱动用户
  • 384kbps:步行用户
  • 2Mbps:室内用户
两大标准
UMTS:通用移动电信服务
  • 从GSM发展而来
  • 使用直接序列宽带CDMA(DS-CDMA)
  • 部署在欧洲
CDMA-2000
  • 与IS-95兼容
  • 部署在北美和亚洲
TD-SCDMA
  • 时分同步码分多址

18.3、4G

任何地方无线上网
以最高速率访问互联网
  • 静态数据传输速率:1Gbps,高速移动:100Mbps
  • 在许多可用的接入中,系统可以自动选择更高速率的接入,例如,WLAN和3G,选择WLAN
维护正在进行的TCP连接
支持多媒体任何地方
  • 多QoS级别
  • 低成本或免费
目前的标准:
  • IEEE802.16m的(WiMAX2)
  • 先进的TD-LTE:TD增强的长期演进
〜1Gbps

18.4、5G

容量:1000×4G

带宽:10×4G
链接技术:
  • 大规模天线阵列
  • 新的网络架构
  • 超密集的网络
  • 全频谱接入
核心技术
  • SDN:软件定义网络
  • NFV:网络功能虚拟化
  • MEC(移动边缘计算)和雾计算

19、IEEE802.20标准

高速移动环境下的宽带无线接入技术
  • 建议在9,2002年
  • 用于移动互联网
  • 移动互联网的趋势
技术
  • 基于分组的纯IP体系结构
  • OFDM + MIMO在物理层
  • 支持QoS
  • 支持ipv4和ipv6
  • 在WLAN和MBWA之间自由切换
性能优于3G
  • 移动性:250KM/ H
  • 覆盖半径:15KM
  • 带宽:4M,16Mbps

20、移动性管理:原则


什么是移动性? 几种情况:
  • 用户只能在同一单元格内移动
  • 用户从一个网络快速移动到另一个网络,维持TCP连接
  • 用户从一个位置(办公室)移动到另一个(家庭),不需要维护TCP连接
--地址可能是持久的或非持久的

20.1、移动性:词汇


20.2、移动对应用程序透明

一种方法:
  • 只使用永久地址
  • 当一个移动节点移动到一个外部网络时,外部代理将向其邻居通告一条特定路由,并传播到整个网络
  • 不能用于工程
另一种方法:
  • 移动节点到达受访网络时,COA被分配给移动节点
  • 外地代理或移动节点将其位置报告给本地代理。 本地代理保存信息。
--Coa用于将数据包隧道传送给外地代理
  • 从核心到边缘的移动性管理

20.3、移动性:注册


最终结果:
  • 外国代理知道移动(永久添加和COA)
  • 本地代理知道手机的位置(COA)
--一张表格保持

20.4、路由到移动节点

问:只有本地代理知道Mnode的位置,数据报如何转发给Mnode?
间接路由到移动节点

直接路由到移动节点

20.4.1、间接路由到移动节点


如果通信者想要以间接路由方式向移动节点发送数据报,过程如下:
Step1:通讯员发送数据报给家乡代理
  • 永久地址
  • 无论Mnode的位置 - 透明
步骤2:归属代理用Mnode的COA封装数据报并通过WAN发送给外地代理
步骤3:访问代理解封装数据报并发送到具有永久地址的Mnode
  • Mnode注册到外地代理商
步骤4:Mnode使用永久地址通过WAN向通信对方返回数据报
  • Mnode对外地代理
  • 外派代理到通讯代理
  • 通讯员代理记者
20.4.2、间接路由:评价
移动使用两个地址:
  • 永久地址:由通信者使用(因此移动位置对通信者透明)
  • care-of-address:由家乡代理用来将数据报转发给移动设备
外地代理的职能可能由移动自己完成
  • 三角路由:通讯员 - 家庭网络 - 移动
  • 当通信者,移动在同一网络时效率低下

20.4.3、切换和讨论

假设Mnode已注册并连接到外部网络A

  • 接收从其家乡代理路由的数据报
现在,Mnode移动到外部网络B
  • 注册,获得COA
  • 将新的COA通知给本地代理
  • 本地代理将重新路由数据报给B
从A到B的连接更改时间很短
  • 很少数据报丢失
  • 网络层丢包情况正常
  • Mnode和通信者之间的连接被视为不变
移动性,改变外围网络透明:可以保持连接!

低效率三角路由问题

20.4.5、直接路由到移动节点

如果通讯员想要将数据发送到Mnode
  • 通讯代理人/通讯者向家乡代理人索要COA
  • 本地代理返回COA
  • 通讯员代理将数据报直接隧道到Mnode
移动用户位置协议需求
  • 通讯代理查询本地代理获取COA
20.4.6、通过直接路由的移动性

20.4.7、通过直接路由的移动性:评价

克服三角路由问题
通讯员不透明:记者必须从家乡代理处获得转交地址
如果移动更改访问网络会怎么样?
20.4.8、使用直接路由的网络间的移动传输

第一步:数据被转发到Mnode
第二步:Mnode→新建外地网络
第三步:注册,获取新的COA
第四步:外地代理将COA发送给锚代理
第五步:当锚代理收到一个数据报给Mnode时,它使用新的COA重新封装并转发给Mnode
如果Mnode再次移动,新的外地代理将向锚点发送新的COA
另一种方法:家庭代理通知活跃的通信者 - 需要新的协议

20.5、移动IP(RFC 3220) -  IP网络中的移动性

移动IP是一个复杂而灵活的标准

  • 支持有或没有外地代理的操作,代理和Mnode彼此发现的多种方式,多种COA和多种形式的封装...
移动IP标准由三部分组成:
  • 代理发现
  • 注册家庭代理
  • 数据报的间接路由

需要验证Mnodes

20.5.1、代理发现

当一个Mnode到达一个新的网络时,它必须发现该代理并添加到网络中

  • 代理广告
  • 代理招标
代理广告:代理周期性地广播ICMP消息
  • Msg包含路由器的IP地址
  • Msg包含COA
代理招标:
  • Mnode广播ICMP msg-solicitation msg
  • 代理将以单播响应
20.5.2、注册
一旦Mnode收到COA,它必须向本地代理注册此COA。 4个步骤:
  • 一旦Mnode接收到代理广告,他会向外地代理发送注册消息
  • 外地代理收到注册消息,并记录该模块的永久IP地址和COA。 将消息转发给家乡代理
  • 家庭代理验证注册信息,将COBN的永久IP与COA绑定并回复
--为未来的隧道
  • 外地代理收到回复并转发给Mnode,注册完成!

注意:每个注册都有一个ttl

20.5.3、代理广告和移动IP注册

20.5.4、数据报的间接路由

然后,一旦节点使用永久IP向移动节点发送数据

  • 数据将首先发送给家庭代理
  • 本地代理将其隧道传送给外地代理
  • 最后数据到达移动节点

21、蜂窝网络中的移动性管理

漫游管理
当移动电话进入访问网络时
  • 注册到受访网络并获得漫游号码
  • 包括漫游号码的注册信息将被转发至本地系统
--主MSC知道用户:在哪里,新号码...
当通信者致电移动用户时:
  • 首先,使用永久号码呼叫归属MSC
  • 归属MSC查找其归属位置寄存器(HLR)并获得新号码并将该呼叫转发到受访网络
  • 被访问网络查找访问者位置寄存器(VLR),将呼叫转发给移动用户

22、GSM:间接路由到移动设备


22.1、GSM:在同一个MSC中进行切换


切换:在通话过程中,移动节点从一个BS切换到另一个
  • 呼叫将被转发到新的BS - 重新路由
交接原因:
  • 信号衰减,当前蜂窝胞体过载
假设旧BS和新BS在相同的MSC中,从旧BS开始切换
  • 移动设备周期性地测量来自附近BS的信标的强度
  • 测量值被报告给相关的BS 1-2次/秒
  • BS决定是否切换

22.2、切换步骤


1)旧的BS通知MSC:“切换到新的BS”
2)MSC将路径设置为新的BS并分配资源
3)新的BS为移动节点分配并激活无线电信道
4)新的BS信号返回到MSC和旧的BS:路径就绪
5)旧BS通知Mnode执行切换
6)Mnode关联新的BS
7)Mnode通过msg发送切换到新的BS,转发给MSC
  • 然后MSC将重新路由正在进行的呼叫
8)分配给旧路径的资源被释放

22.3、GSM:在MSC之间切换

Call→home MSC→anchor MSC→visited MSCs

22.4、移动性:GSM与移动IP

GSM 元素 GSM元素评价 移动IP元素
家庭系统 移动用户的固定电话号码所属的网络 家庭网络
网关,移动交换中心或“归属MSC”。归属位置寄存器(HLR) 归属MSC:获得移动用户的可路由地址的联系点。 HLR:家庭系统中的数据库,包含永久电话号码,配置文件信息,移动用户的当前位置,订阅信息 本地代理
访问系统 网络,而非移动用户当前正处在的家庭系统 访问网络
访问移动服务交换中心。访问者位置记录(VLR) 拜访MSC:负责建立与MSC关联的小区中移动节点的呼叫/来自移动节点的呼叫。 VLR:访问系统中的临时数据库条目,包含每个访问移动用户的订阅信息 外地代理
移动台漫游号码(MSRN)或“漫游号码” 家庭MSC和拜访MSC之间的电话呼叫段的可运行地址,移动站和通讯者都不能看到。 转交地址

22.5、无线和移动性:对更高层协议的影响

对TCP的影响
  • 拥塞,越区切换,误码造成的损失
  • 对于切换和误码,不需要减少拥塞窗口
  • 对策:
--链路层重传或FEC:本地恢复
--终端系统区分有线和无线:TCP发送器/接收器无线链接的意识
对申请的影响
  • 有限的带宽
  • 延误实时流量
  • 提供没有太多图像,视频丰富的内容

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