計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：第6章 無線網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)

1、第6章 無線網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)利用無線電信號(hào)進(jìn)行通信的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、采用的協(xié)議都與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)不同經(jīng)無線鏈路通信移動(dòng)用戶改變與網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)1主要內(nèi)容6.1 概述 6.2 無線鏈路特性6.3 IEEE 802.11 無線局域網(wǎng)6.4 蜂窩因特網(wǎng)接入6.5 移動(dòng)管理：原理6.6 移動(dòng)IP6.7 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中管理移動(dòng)性6.8 移動(dòng)性對(duì)高層協(xié)議的影響無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)21、無線網(wǎng)絡(luò)組成元素網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施無線主機(jī)、基站、無線鏈路、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等。無線主機(jī)運(yùn)行應(yīng)用程序便攜機(jī)、 PDA、 IP電話可以固定或移動(dòng)無線不等于移動(dòng)31、無線網(wǎng)絡(luò)組成元素 基站與有線網(wǎng)絡(luò)連接負(fù)責(zé)與之相聯(lián)的多個(gè)無線主機(jī)的傳輸（向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或從主機(jī)接

2、收數(shù)據(jù)）鏈路層中繼：多個(gè)無線主機(jī)通過基站連接、通信，并與更大網(wǎng)絡(luò)相連。如蜂窩塔、802.11接入點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施41、無線網(wǎng)絡(luò)組成元素網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 無線鏈路連接無線用戶到基站也用作主干鏈路多個(gè)接入?yún)f(xié)議協(xié)調(diào)鏈路接入各種數(shù)據(jù)速率，傳輸距離5部分無線鏈路標(biāo)準(zhǔn)的特性384 Kbps56 Kbps54 Mbps5-11 Mbps1 Mbps802.15802.11b802.11a,gIS-95 CDMA, GSMUMTS/WCDMA, CDMA2000 .11 p-to-p link2G3G室內(nèi)10 30m室外50 200m中距離室外200m 4Km長距離室外5Km 20Km61、無線網(wǎng)絡(luò)組成元素網(wǎng)絡(luò)基

3、礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施無線主機(jī)與之通信的更大網(wǎng)絡(luò)72、通信模式基礎(chǔ)設(shè)施模式：有基站自組織模式：無基站8基礎(chǔ)設(shè)施模式網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施移動(dòng)用戶通過基站連接到有線網(wǎng)絡(luò)9自組織模式無基站節(jié)點(diǎn)自己組織成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自己提供選路等服務(wù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)103、無線網(wǎng)絡(luò)分類劃分原則網(wǎng)絡(luò)中的分組經(jīng)過了一個(gè)無線跳還是多個(gè)無線跳網(wǎng)絡(luò)是否有如基站的基礎(chǔ)設(shè)施類型單跳，基于基礎(chǔ)設(shè)施單跳，無基礎(chǔ)設(shè)施多跳，基于基礎(chǔ)設(shè)施多跳，無基礎(chǔ)設(shè)施11單跳，基于基礎(chǔ)設(shè)施如有基礎(chǔ)設(shè)施的802.11LAN網(wǎng)絡(luò)通過基站與有線網(wǎng)絡(luò)通信?；九c無線主機(jī)之間通過一跳通信。Internethub, switchor 路由器APAP12單跳，無基礎(chǔ)設(shè)施如自組織

4、802.11LAN和藍(lán)牙網(wǎng)無基站無線主機(jī)之間通過一跳直接通信M覆蓋半徑SSSPPPP主設(shè)備從設(shè)備13多跳，基于基礎(chǔ)設(shè)施如無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)通過基站與有線網(wǎng)絡(luò)通信基站與無線主機(jī)之間可能通過多跳通信衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)用戶14多跳，無基礎(chǔ)設(shè)施如移動(dòng)組織網(wǎng)絡(luò)（Ad hoc）無基站無線主機(jī)之間通過多跳通信15無線鏈路的特征不同于有線鏈路：衰減的信號(hào)強(qiáng)度：當(dāng)無線電信號(hào)傳播通過物質(zhì)時(shí)，信號(hào)削弱(路徑損失)。距離越遠(yuǎn)，信號(hào)越弱來自其他源的干擾: 同頻段發(fā)送信號(hào)互相干擾多路徑傳播: 無線電信號(hào)反射離開物體，以不同的路徑時(shí)間到達(dá)目的地。碰撞檢測(cè)：發(fā)送方可能檢測(cè)不到發(fā)生的沖突。

5、受隱藏終端問題和信號(hào)衰減影響。 16例ABC隱藏終端問題B, A 彼此聽到B, C 彼此聽到A, C彼此聽不到對(duì)方的傳輸，在B處發(fā)生沖突ABCAs signalstrengthspaceCs signalstrength信號(hào)衰退B, A彼此聽到B, C彼此聽到A, C彼此聽不到對(duì)方的傳輸，在B處發(fā)生沖突A和C同時(shí)向B發(fā)送17碼分多址CDMACode Division Multiple Access每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的碼片序列（CDMA代碼）每個(gè)節(jié)點(diǎn)用其CDMA代碼對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼不同節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送，并正確到達(dá)接收方（不會(huì)互相干擾）。CDMA代碼組成：一個(gè)有M個(gè)值的序列， 即 C1 ,

6、C2 , Cm , ,CM (每個(gè)值取+1或-1)如8個(gè)值的CDMA代碼，為（1,1,1,-1,1,-1,-1,-1） 18發(fā)送方編碼設(shè)：要發(fā)送的初始數(shù)據(jù)比特流dndid1d0di為第i個(gè)比特值，每一位占一個(gè)時(shí)隙；數(shù)據(jù)比特“0”用-1表示；數(shù)據(jù)比特“1”用1表示 編碼：每個(gè)比特用CDMA代碼再細(xì)分為M個(gè)微時(shí)隙將一個(gè)數(shù)據(jù)比特依次乘以其CDMA代碼的M個(gè)值即對(duì)第i個(gè)數(shù)據(jù)比特di，其第m個(gè)微時(shí)隙，CDMA編碼器的輸出為： Zi,m = diCm 數(shù)據(jù)比特“1”（1）：直接發(fā)送CDMA代碼； 數(shù)據(jù)比特“0”（-1）：發(fā)送CDMA代碼的反碼；diC1，diC2， ，diCM19編碼例設(shè) 碼片序列是 -1

7、 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1數(shù)據(jù)比特 1 ：發(fā)送序列 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1數(shù)據(jù)比特 0：發(fā)送序列 +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -120例：發(fā)送比特流01 時(shí)隙 1時(shí)隙 0d1 = -111111-1-1-1-Zi,m= di.cmd0 = 111111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-時(shí)隙 0信道輸出時(shí)隙 1信道輸出信道輸出 Zi,m發(fā)送方CDMA編碼數(shù)據(jù)比特時(shí)隙1時(shí)隙0d1 = -1d0 = 111111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-時(shí)隙 0信道輸出時(shí)隙

8、1信道輸出接收方CDMA編碼接收的輸入Di = S Zi,m.cmm=1MM 0 121接收方解碼 無干擾，會(huì)收到連續(xù)的編碼比特Zi,m 恢復(fù)初始的數(shù)據(jù)比特di ： di = (Zi,1C1 Zi,2C2 Zi,MCM) / M 將收到的每一個(gè)編碼比特乘以一個(gè)對(duì)應(yīng)的CDMA代碼的比特值，累加求和，除以M 。 結(jié)果： 1表示數(shù)據(jù)比特1 -1表示數(shù)據(jù)比特0 22解碼例設(shè) 碼片序列是 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1數(shù)據(jù)比特 1 ：發(fā)送序列 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1數(shù)據(jù)比特 0：發(fā)送序列 +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1碼片序列是 -1 -1 -1

9、+1 +1 -1 +1 +1收到： -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1 解碼： （+1+1+1 +1 +1+1 +1 +1）/8=1 1收到： +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 解碼： （- 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1）/8=-1 023例：接收比特流01 時(shí)隙 1時(shí)隙 0d1 = -111111-1-1-1-Zi,m= di.cmd0 = 111111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-時(shí)隙 0信道輸出時(shí)隙 1信道輸出信道輸出 Zi,m發(fā)送方CDMA編碼數(shù)據(jù)比特時(shí)隙1時(shí)隙0d1 = -1d0 = 111111

10、-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-時(shí)隙 0信道輸出時(shí)隙 1信道輸出接收方CDMA編碼接收的輸入Di = S Zi,m.cmm=1MMd0 =(+8)/8=1d1 =(-8)/8=-1 0 1 0 124多個(gè)節(jié)點(diǎn)（N個(gè)）發(fā)送多個(gè)發(fā)送方傳輸?shù)谋忍匦盘?hào)的干擾是疊加的： 同一個(gè)微時(shí)隙中，所有發(fā)送方發(fā)送的比特值相加 如，有3個(gè)發(fā)送端都發(fā)送一個(gè)1，第4個(gè)發(fā)送端發(fā)送一個(gè)-1，那么在該微時(shí)隙中所有的接收方接收的信號(hào)都是2。設(shè)發(fā)送方s編碼后的傳輸：Zis,m = diCm線路上傳輸?shù)谋忍匦盘?hào)是該微時(shí)隙中所有N個(gè)發(fā)送方傳輸?shù)谋忍氐目偤停?25多個(gè)節(jié)點(diǎn)（N個(gè)）接收

11、 無干擾，接收方將收到迭加的編碼比特Zi*,m 恢復(fù)初始的數(shù)據(jù)比特di ： 將收到的每一個(gè)編碼比特Zi*,m乘以對(duì)應(yīng)發(fā)送方的CDMA代碼的一個(gè)比特值，累加求和，除以M 26多個(gè)節(jié)點(diǎn)的編碼和解碼多個(gè)發(fā)送方傳輸?shù)谋忍匦盘?hào)的干擾是疊加的。發(fā)送方編碼： 每個(gè)發(fā)送方分別編碼，所有發(fā)送方發(fā)送的碼片序列對(duì)應(yīng)位相加，在線路上傳輸。接收方解碼： 將收到的迭加的編碼每一位乘以對(duì)應(yīng)發(fā)送方的CDMA代碼的每一位，累加求和，除以M。 結(jié)果：1表示發(fā)送比特1 -1表示發(fā)送比特0 0表示未發(fā)送27CDMA: 兩個(gè)發(fā)送方發(fā)送方1發(fā)送比特流01發(fā)送方2發(fā)送比特流111#2#-1-1-11-11111-1111-111d01 =

12、(2+2+2+2)/8=11# 0 1 1 1d11 =(-2-2-2-2)/8=-10-202002220202-200 0 1發(fā)送方接收方0-202002220202-20028CDMA例例1：設(shè)三個(gè)站的CDMA代碼分別為： A：00011011，B：00101110，C：01000010，若A 站發(fā)1，B站發(fā)0，C站不發(fā)，求混合信號(hào)？A 站發(fā)1： （-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）B站發(fā)0： （+1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1）C 站不發(fā)： （ 0 0 0 0 0 0 0 0）混合信號(hào)為： （ 0 0 -2 +2 0 -2 0 +2）例2：若基站收到混合信號(hào)

13、， 求各站發(fā)送的信息？A站：（0+0+2+2+0+2+0+2）/8=+1 A站發(fā) 1B站：（0+0-2-2+0-2+0-2）/8= -1 B站發(fā) 0C站：（ 0+0-2+2+0+2+0-2）/8=0 C站未發(fā)-1-1-1+1+1-1+1+1-1-1+1-1+1+1+1-1-1+1-1-1-1-1+1-1296.3 Wi-Fi：802.11無線LAN Wi-Fi（Wireless Fidelity）：無線保真。 Wireless LAN：無線局域網(wǎng)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：802.11b、802.11a、802.11g無線頻率和數(shù)據(jù)速率不同都使用CSMA/CA多路訪問都具有基站模式和自組織模式30IEEE 8

14、02.11 標(biāo)準(zhǔn)802.11b2.4 2.485 GHz高達(dá)11 Mbps802.11a 5.15.8 GHz高達(dá) 54 Mbps802.11g 2.4 2.485 GHz高達(dá)54 Mbps316.3.1 802.11 LAN 體系結(jié)構(gòu)基本服務(wù)集 (BSS)無線主機(jī)基站 = 接入點(diǎn) (AP)兩種模式基礎(chǔ)設(shè)施模式：有基站自組織模式：無基站 （ad hoc network）BSS 1BSS 2Internethub, switchor 路由器APAP在運(yùn)動(dòng)中形成，移動(dòng)設(shè)備靠的比較近進(jìn)行通信。 326.3.2 802.11MAC協(xié)議ABCABCAs signalstrengthspaceCs sig

15、nalstrength802.11無線LAN不能感知所有碰撞 采用CSMA/CA協(xié)議隱藏終端問題B, A 彼此聽到B, C 彼此聽到A, C彼此聽不到對(duì)方的傳輸，在B處發(fā)生沖突信號(hào)衰退B, A彼此聽到B, C彼此聽到A, C彼此聽不到對(duì)方的傳輸，在B處發(fā)生沖突33CSMA/CA 協(xié)議基本思想 沖突避免(Collision Avoidance)載波偵聽多路訪問。通過信道預(yù)約，避免數(shù)據(jù)幀完全碰撞發(fā)送前偵聽信道忙：后退等待空：先對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約，預(yù)約成功發(fā)送。避免沖突無碰撞檢測(cè)：隱藏終端、信號(hào)衰退等影響。34信道預(yù)約方法通過“RTSCTS”請(qǐng)求/允許控制幀完成。RTS (Request to Send

16、)：“請(qǐng)求發(fā)送”控制幀。CTS (Clear to Send）：“同意發(fā)送”控制幀。35信道預(yù)約原理發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前，先發(fā)送RTS給接收節(jié)點(diǎn)接收節(jié)點(diǎn)收到RTS后，同意接收，就廣播回發(fā)CTS發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CTS后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。其他同時(shí)收到CTS的節(jié)點(diǎn)延遲其發(fā)送信息。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)未收到CTS，重發(fā)RTS。36工作過程發(fā)送前先監(jiān)聽：“忙”，繼續(xù)聽，直到信道“空”。先對(duì)信道預(yù)約發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS接收節(jié)點(diǎn)回發(fā)CTS發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CTS后發(fā)送數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到后， 無錯(cuò)回發(fā)ACK確認(rèn)；發(fā)送節(jié)點(diǎn)定時(shí)內(nèi)未收到ACK確認(rèn)，重發(fā)信道預(yù)約RTSCTS延遲發(fā)送ACK376.3.5 802.15: 個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)WPANIE

17、EE802.11：用于不超過100m的通信 大功率、中等范圍、高速率的“接入”技術(shù)。IEEE802.15：無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)WPAN低功率、小范圍、低速率的“電纜替代”技術(shù)距離小于10 m互聯(lián)筆記本、串行設(shè)備、PDA等自組織: 無基礎(chǔ)設(shè)施采用藍(lán)牙規(guī)范38藍(lán)牙（bluetooth）互聯(lián)一些小電子器件。 如手提電話、PDA、筆記本/臺(tái)式機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)和游戲桿、家庭報(bào)警系統(tǒng)、時(shí)鐘以及咖啡機(jī)等。使用射頻無線通信：不需要直接可見，可以支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和多點(diǎn)通信。工作在2.4GHz的無線頻帶，數(shù)據(jù)率高達(dá)721kbps工作范圍10100m，取決于藍(lán)牙小器具的功率等級(jí)。39M覆蓋半徑SS

18、SPPPPMS主設(shè)備從設(shè)備停用設(shè)備 (不活動(dòng)的)P藍(lán)牙皮可網(wǎng)（piconet）最多8個(gè)活動(dòng)設(shè)備指定一個(gè)主設(shè)備主設(shè)備：在每個(gè)奇數(shù)時(shí)隙發(fā)送。從設(shè)備：發(fā)送由主設(shè)備控制，只能向主設(shè)備發(fā)送。401、蜂窩網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 將cells與廣域網(wǎng)相連 管理呼叫建立和拆除 處理移動(dòng) 移動(dòng)交換中心MSC覆蓋部分地理區(qū)域基站 (BS)：類似802.11 AP移動(dòng)用戶：通過BS與網(wǎng)絡(luò)相連空中接口：在移動(dòng)用戶和BS之間的物理和鏈路層協(xié)議發(fā)射區(qū)cell移動(dòng)用戶 交換中心公共電話網(wǎng)和因特網(wǎng)移動(dòng)用戶 交換中心有線網(wǎng)絡(luò)蜂窩：一個(gè)地理區(qū)域被分成多個(gè)地理覆蓋區(qū)域（發(fā)射區(qū)Cell）41空中接口接入技術(shù)FDM/TDM結(jié)合： 將頻譜劃分為頻

19、道，再將每個(gè)頻道劃分為時(shí)隙。CDMA：碼分多址頻段時(shí)隙422、蜂窩標(biāo)準(zhǔn)1G系統(tǒng)（第一代）：模擬FDMA。2G系統(tǒng)（第二代）：用于語音通信。 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送。過渡標(biāo)準(zhǔn)IS-136 TDMA: FDMA/TDMA結(jié)合 (北美)。GSM (移動(dòng)通信全球系統(tǒng)): FDMA/TDMA結(jié)合。廣泛部署IS-95 CDMA: 碼分多址432、蜂窩標(biāo)準(zhǔn)2.5 G系統(tǒng)： 用于語音和數(shù)據(jù)信道。 2G 到3G的過渡：2G擴(kuò)展。通用分組無線電服務(wù) (GPRS)從 GSM演化而來數(shù)據(jù)在多個(gè)信道發(fā)送(如果可能的話)支持全球演化的增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率(EDGE)也從GSM演化而來, 使用增強(qiáng)調(diào)制 數(shù)據(jù)率高達(dá) 384KCDMA-2000 (階段1)數(shù)據(jù)率高達(dá) 144K從 IS-95演化而