這是計算機網(wǎng)絡第9章ppt，包括了無線局域網(wǎng)WLAN，無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN，無線城域網(wǎng)WMAN，蜂窩移動通信網(wǎng)，兩種不同無線上網(wǎng)等內(nèi)容，歡迎點擊下載。

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第 9 章 無線網(wǎng)絡和移動網(wǎng)絡 第 9 章 無線網(wǎng)絡和移動網(wǎng)絡 9.1 無線局域網(wǎng) WLAN 9.2 無線個人區(qū)域網(wǎng) WPAN 9.3 無線城域網(wǎng) WMAN 9.4 蜂窩移動通信網(wǎng) 9.5 兩種不同無線上網(wǎng) 9.1 無線局域網(wǎng) WLAN 9.1.1 無線局域網(wǎng)的組成 9.1.2 802.11 局域網(wǎng)的物理層 9.1.3 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 層協(xié)議 9.1.4 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 幀 9.1.1 無線局域網(wǎng)的組成 無線局域網(wǎng) WLAN (Wireless Local Area Network)可分為兩大類： 有固定基礎設施的 WLAN 無固定基礎設施的 WLAN 所謂“固定基礎設施”是指預先建立起來的、能夠覆蓋一定地理范圍的一批固定基站。 1. IEEE 802.11 IEEE 802.11 是一個有固定基礎設施的無線局域網(wǎng)的國際標準。 IEEE 802.11 是個相當復雜的標準。但簡單地說，802.11 就是無線以太網(wǎng)的標準： 它使用星形拓撲，其中心叫做接入點 AP (Access Point) 在MAC層使用 CSMA/CA 協(xié)議 凡使用 802.11 系列協(xié)議的局域網(wǎng)又稱為 Wi-Fi (Wireless-Fidelity，意思是“無線保真度”。 1. IEEE 802.11 建立關聯(lián)(association) 一個移動站若要加入到一個基本服務集 BSS，就必須先選擇一個接入點 AP，并與此接入點建立關聯(lián)(association) 。 建立關聯(lián)就表示這個移動站加入了選定的 AP 所屬的子網(wǎng)，并和這個 AP 之間創(chuàng)建了一個虛擬線路。 只有關聯(lián)的 AP 才向這個移動站發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而這個移動站也只有通過關聯(lián)的 AP 才能向其他站點發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 移動站與 AP 建立關聯(lián)的方法 被動掃描 移動站等待接收接入站周期性發(fā)出的信標幀(beacon frame)。 信標幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)（如服務集標識符 SSID 以及支持的速率等）。 主動掃描 移動站主動發(fā)出探測請求幀(probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測響應幀(probe response frame)。 熱點(hot spot) 現(xiàn)在許多地方，如辦公室、機場、快餐店、旅館、購物中心等都能夠向公眾提供有償或無償接入 Wi-Fi 的服務。這樣的地點就叫做熱點。 由許多熱點和 AP 連接起來的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。熱點也就是公眾無線入網(wǎng)點。 現(xiàn)在也出現(xiàn)了無線互聯(lián)網(wǎng)服務提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)這一名詞。用戶可以通過無線信道接入到 WISP，然后再經(jīng)過無線信道接入到互聯(lián)網(wǎng)。 2. 移動自組網(wǎng)絡 移動自組網(wǎng)絡又稱為自組網(wǎng)絡(ad hoc network) 。 自組網(wǎng)絡是沒有固定基礎設施（即沒有 AP）的無線局域網(wǎng)。 這種網(wǎng)絡是由一些處于平等狀態(tài)的移動站之間相互通信組成的臨時網(wǎng)絡。 自組網(wǎng)絡的服務范圍通常是受限的，而且一般也不和外界的其他網(wǎng)絡相連接。 移動自組網(wǎng)絡也就是移動分組無線網(wǎng)絡。 2. 移動自組網(wǎng)絡 移動自組網(wǎng)絡的應用前景 在軍事領域中，攜帶了移動站的戰(zhàn)士可利用臨時建立的移動自組網(wǎng)絡進行通信。 這種組網(wǎng)方式也能夠應用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機群。 當出現(xiàn)自然災害時，在搶險救災時利用移動自組網(wǎng)絡進行及時的通信往往很有效的， 無線傳感器網(wǎng)絡 WSN 無線傳感器網(wǎng)絡WSN (Wireless Sensor Network) 是由大量傳感器結(jié)點通過無線通信技術構(gòu)成的自組網(wǎng)絡。 無線傳感器網(wǎng)絡的應用是進行各種數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，一般并不需要很高的帶寬，但是在大部分時間必須保持低功耗，以節(jié)省電池的消耗。 由于無線傳感結(jié)點的存儲容量受限，因此對協(xié)議棧的大小有嚴格的限制。 無線傳感器網(wǎng)絡還對網(wǎng)絡安全性、結(jié)點自動配置、網(wǎng)絡動態(tài)重組等方面有一定的要求。 傳感器結(jié)點的形狀和組成 無線傳感器網(wǎng)絡主要的應用領域 無線傳感器網(wǎng)絡主要的應用領域就是組成各種的物聯(lián)網(wǎng)IoT (Internet of Things) ，例如： 環(huán)境監(jiān)測與保護（如洪水預報、動物棲息的監(jiān)控）； 戰(zhàn)爭中對敵情的偵查和對兵力、裝備、物資等的監(jiān)控； 醫(yī)療中對病房的監(jiān)測和對患者的護理； 在危險的工業(yè)環(huán)境（如礦井、核電站等）中的安全監(jiān)測； 城市交通管理、建筑內(nèi)的溫度/照明/安全控制等。 移動自組網(wǎng)絡不同于移動 IP 移動 IP 技術使漫游的主機可以用多種方式連接到互聯(lián)網(wǎng)。 移動 IP 的核心網(wǎng)絡功能仍然是基于在固定互聯(lián)網(wǎng)中一直在使用的各種路由選擇協(xié)議。 移動自組網(wǎng)絡是將移動性擴展到無線領域中的自治系統(tǒng)，它具有自己特定的路由選擇協(xié)議，并且可以不和互聯(lián)網(wǎng)相連。 幾種不同的接入 固定接入(fixed access)——在作為網(wǎng)絡用戶期間，用戶設置的地理位置保持不變。 移動接入(mobility access)——用戶設置能夠以車輛速度移動時進行網(wǎng)絡通信。當發(fā)生切換時，通信仍然是連續(xù)的。 便攜接入(portable access)——在受限的網(wǎng)絡覆蓋面積中，用戶設備能夠在以步行速度移動時進行網(wǎng)絡通信，提供有限的切換能力。 游牧接入(nomadic access)——用戶設備的地理位置至少在進行網(wǎng)絡通信時保持不變。如用戶設備移動了位置，則再次進行通信時可能還要尋找最佳的基站 9.1.2 802.11 局域網(wǎng)的物理層 802.11標準中物理層相當復雜。根據(jù)物理層的不同（如工作頻段、數(shù)據(jù)率、調(diào)制方法等），對應的標準也不同。 最早流行的無線局域網(wǎng)是802.11b，802.11a和802.11g。2009年頒布了標準802.11n 802.11 的物理層有以下幾種實現(xiàn)方法： 直接序列擴頻 DSSS 正交頻分復用 OFDM 跳頻擴頻 FHSS （已很少用） 紅外線 IR （已很少用） 幾種常用的 802.11 無線局域網(wǎng) 9.1.3 802.11局域網(wǎng)的 MAC 層協(xié)議 1. CSMA/CA 協(xié)議 無線局域網(wǎng)不能簡單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議。這里主要有兩個原因： “碰撞檢測”要求一個站點在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時，還必須不間斷地檢測信道，但接收到的信號強度往往會遠遠小于發(fā)送信號的強度，在無線局域網(wǎng)的設備中要實現(xiàn)這種功能就花費過大。 即使能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測的功能，并且在發(fā)送數(shù)據(jù)時檢測到信道是空閑的時候，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。 無線局域網(wǎng)的特殊問題 無線局域網(wǎng)的特殊問題 CSMA/CA 協(xié)議 無線局域網(wǎng)不能使用 CSMA/CD，而只能使用改進的 CSMA 協(xié)議。 改進的辦法是把 CSMA 增加一個碰撞避免CA (Collision Avoidance)功能。 802.11 就使用 CSMA/CA 協(xié)議。而在使用 CSMA/CA 的同時，還增加使用停止等待協(xié)議。 下面先介紹 802.11 的 MAC 層。 802.11 的 MAC 層 802.11 的 MAC 層 802.11 的 MAC 層 幀間間隔 IFS 所有的站在完成發(fā)送后，必須再等待一段很短的時間（繼續(xù)監(jiān)聽）才能發(fā)送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔 IFS (InterFrame Space)。 幀間間隔長度取決于該站欲發(fā)送的幀的類型。高優(yōu)先級幀需要等待的時間較短，因此可優(yōu)先獲得發(fā)送權。 若低優(yōu)先級幀還沒來得及發(fā)送而其他站的高優(yōu)先級幀已發(fā)送到媒體，則媒體變?yōu)槊�態(tài)，因而低優(yōu)先級幀就只能再推遲發(fā)送了。這樣就減少了發(fā)生碰撞的機會。 兩種常用種幀間間隔 兩種常用幀間間隔 CSMA/CA 協(xié)議的原理 欲發(fā)送數(shù)據(jù)的站先檢測信道。在 802.11 標準中規(guī)定了在物理層的空中接口進行物理層的載波監(jiān)聽。 通過收到的相對信號強度是否超過一定的門限數(shù)值就可判定是否有其他的移動站在信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。 當源站發(fā)送它的第一個 MAC 幀時，若檢測到信道空閑，則在等待一段時間 DIFS 后就可發(fā)送。 為什么信道空閑還要再等待 這是考慮到可能有其他的站有高優(yōu)先級的幀要發(fā)送。 如有，就要讓高優(yōu)先級幀先發(fā)送。 假定沒有高優(yōu)先級幀要發(fā)送 源站發(fā)送了自己的數(shù)據(jù)幀。 目的站若正確收到此幀，則經(jīng)過時間間隔 SIFS 后，向源站發(fā)送確認幀 ACK。 若源站在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到確認幀 ACK（由重傳計時器控制這段時間），就必須重傳此幀，直到收到確認為止，或者經(jīng)過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。 虛擬載波監(jiān)聽 虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense)的機制是讓源站將它要占用信道的時間（包括目的站發(fā)回確認幀所需的時間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。 這樣就大大減少了碰撞的機會。 “虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。 虛擬載波監(jiān)聽的效果 這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。 所謂“源站的通知”就是源站在其 MAC 幀首部中的第二個字段“持續(xù)時間”中填入了在本幀結(jié)束后還要占用信道多少時間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認幀所需的時間。 網(wǎng)絡分配向量 當一個站檢測到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續(xù)時間”字段時，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。 NAV 指出了必須經(jīng)過多少時間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)。 爭用窗口 信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時，任何一個站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，不僅都必須等待一個 DIFS 的間隔，而且還要進入爭用窗口，并計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道。 在信道從忙態(tài)轉(zhuǎn)為空閑時，為了避免幾個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)（一旦發(fā)送就要把一幀發(fā)送完，不能中途停止），各站就要執(zhí)行退避算法。這樣做就減少了發(fā)生碰撞的概率。 802.11 使用二進制指數(shù)退避算法。 802.11 的退避機制 二進制指數(shù)退避算法 第 i 次退避就在 22 + i 個時隙中隨機地選擇一個，即：第 i 次退避是在時隙 {0， 1， …， 22+i – 1} 中隨機地選擇一個。 第 1 次退避是在 8 個時隙（而不是 2 個）中隨機選擇一個。 第 2 次退避是在 16 個時隙（而不是 4 個）中隨機選擇一個。 當時隙編號達到255時（這對應于第 6 次退避）就不再增加了。 這里決定退避時間的變量 i 稱為退避變量。 退避計時器 (backoff timer) 站點每經(jīng)歷一個時隙的時間就檢測一次信道。 這可能發(fā)生兩種情況： 若檢測到信道空閑，退避計時器就繼續(xù)倒計時。 若檢測到信道忙，就凍結(jié)退避計時器的剩余時間，重新等待信道變?yōu)榭臻e，并再經(jīng)過時間DIFS 后，從剩余時間開始繼續(xù)倒計時。如果退避計時器的時間減小到零時，就開始發(fā)送整個數(shù)據(jù)幀。 退避算法的使用情況 僅在下面的情況下才不使用退避算法： 檢測到信道是空閑的，并且這個數(shù)據(jù)幀是要發(fā)送的第一個數(shù)據(jù)幀。 除此以外的所有情況，都必須使用退避算法： 在發(fā)送第一個幀之前檢測到信道處于忙態(tài)。 在每一次的重傳后。 在每一次的成功發(fā)送后。 CSMA/CA算法歸納 (1) 若站點最初有數(shù)據(jù)要發(fā)送（而不是發(fā)送不成功再進行重傳），且檢測到信道空閑，在等待時間DIFS后，就發(fā)送整個數(shù)據(jù)幀。 (2) 否則，站點就要等檢測到信道空閑并經(jīng)過時間DIFS后，執(zhí)行CSMA/CA協(xié)議的退避算法，啟動退避計數(shù)器。在退避計數(shù)器減少到零之前，一旦檢測到信道忙，就凍結(jié)退避計時器。一旦信道空閑，退避計時器就進行倒計時。 (3) 當退避計時器時間減少到零時（這時信道只可能是空閑的），站點就發(fā)送整個的幀并等待確認。 (4) 發(fā)送站若收到確認，就知道已發(fā)送的幀被目的站正確收到了。這時如果要發(fā)送第二幀，就要從上面的步驟(2)開始，執(zhí)行CSMA/CA協(xié)議的退避算法，隨機選定一段退避時間。若源站在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到確認幀ACK（由重傳計時器控制這段時間），就必須重傳此幀（再次使用CSMA/CA協(xié)議爭用接入信道），直到收到確認為止，或者經(jīng)過若干次的重傳失敗后放棄發(fā)送。 2. 對信道進行預約 為了更好地解決隱蔽站帶來的碰撞問題，802.11允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進行預約。 2. 對信道進行預約 使用RTS幀和CTS幀會使整個網(wǎng)絡的通信效率有所下降。但與數(shù)據(jù)幀相比，開銷不算大。 相反，若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生碰撞而導致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，則浪費的時間就更多。 2. 對信道進行預約 雖然如此，協(xié)議還是設有三種情況供用戶選擇： (1) 使用RTS幀和CTS幀； (2) 只有當數(shù)據(jù)幀的長度超過某一數(shù)值時才使用RTS幀和CTS幀（顯然，當數(shù)據(jù)幀本身就很短時，再使用RTS幀和CTS幀只能增加開銷）； (3) 不使用RTS幀和CTS幀。 雖然協(xié)議經(jīng)過了精心設計，但碰撞仍然會發(fā)生。 CSMA/CA協(xié)議的基本流程圖 9.1.4 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 幀 802.11 幀共有三種類型：控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。 9.1.4 802.11 局域網(wǎng)的 MAC 幀 802.11 幀共有三種類型：控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。 802.11 數(shù)據(jù)幀的三大部分 MAC 首部，共 30 字節(jié)。幀的復雜性都在幀的首部。 幀主體，也就是幀的數(shù)據(jù)部分，不超過2312 字節(jié)。這個數(shù)值比以太網(wǎng)的最大長度長很多。不過 802.11 幀的長度通常都是小于 1500 字節(jié)。 幀檢驗序列 FCS 是尾部，共 4 字節(jié) 1. 關于 802.11 數(shù)據(jù)幀的地址 802.11 數(shù)據(jù)幀最特殊的地方就是有四個地址字段。地址 4 用于自組網(wǎng)絡。我們在這里只討論前三種地址。 1. 關于 802.11 數(shù)據(jù)幀的地址 2. 序號控制、持續(xù)期和幀控制字段 序號控制字段占 16 位，其中序號子字段占 12 位，分片子字段占 4 位。 持續(xù)期字段占 16 位。 幀控制字段共分為 11 個子字段： 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。 更多分片字段置為 1 時表明這個幀屬于一個幀的多個分片之一。 有線等效保密字段 WEP 占 1 位。若 WEP = 1，就表明采用了 WEP 加密算法。 分片的發(fā)送舉例 9.2 無線個人區(qū)域網(wǎng) WPAN 無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN (Wireless Personal Area Network)就是在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來自組網(wǎng)絡，不需要使用接入點AP。 整個網(wǎng)絡的范圍大約在10 m左右。 WPAN可以是一個人使用，也可以是若干人共同使用。 無線個人區(qū)域網(wǎng) WPAN 和個人區(qū)域網(wǎng) PAN (Personal Area Network)并不完全等同，因為 PAN 不一定都是使用無線連接的。 WPAN 和 WLAN 并不一樣 WPAN 是以個人為中心來使用的無線人個區(qū)域網(wǎng)，它實際上就是一個低功率、小范圍、低速率和低價格的電纜替代技術。 WLAN 卻是同時為許多用戶服務的無線局域網(wǎng)，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。 WPAN 標準 WPAN 的 IEEE 標準由 IEEE 的802.15工作組制定，這個標準也是包括MAC層和物理層這兩層的標準。 WPAN都工作在2.4 GHz的ISM頻段。 順便指出，歐洲的ETSI標準則把無線個人區(qū)域網(wǎng)取名為HiperPAN。 1. 藍牙系統(tǒng)(Bluetooth) 最早使用的 WPAN 是 1994 年愛立信公司推出的藍牙系統(tǒng)，其標準是 IEEE 802.15.1 。 藍牙的數(shù)據(jù)率為 720 kbit/s，通信范圍在 10 米左右。 藍牙使用 TDM 方式和擴頻跳頻 FHSS 技術組成不用基站的皮可網(wǎng)(piconet)。 皮可網(wǎng)(piconet) Piconet 直譯就是“微微網(wǎng)”，表示這種無線網(wǎng)絡的覆蓋面積非常小。 每一個皮可網(wǎng)有一個主設備(Master)和最多7個工作的從設備(Slave)。 通過共享主設備或從設備，可以把多個皮可網(wǎng)鏈接起來，形成一個范圍更大的擴散網(wǎng)(scatternet)。 這種主從工作方式的個人區(qū)域網(wǎng)實現(xiàn)起來價格就會比較便宜。 藍牙系統(tǒng)中的皮可網(wǎng)和擴散網(wǎng) 2. 低速 WPAN 低速 WPAN 主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動化與控制等領域，其速率是 2 ~ 250 kbit/s。 低速 WPAN 的標準是 IEEE 802.15.4。最近新修訂的標準是 IEEE 802.15.4-2006。 低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee。 ZigBee 技術主要用于各種電子設備（固定的、便攜的或移動的）之間的無線通信，其主要特點是通信距離短（10 ~ 80 m），傳輸數(shù)據(jù)速率低，并且成本低廉。 ZigBee 的特點 功耗非常低 在工作時，信號的收發(fā)時間很短；而在非工作時，ZigBee 結(jié)點處于休眠狀態(tài)，非常省電。對于某些工作時間和總時間之比小于 1% 的情況，電池的壽命甚至可以超過10 年。 網(wǎng)絡容量大 一個 ZigBee 的網(wǎng)絡最多包括有255 個結(jié)點，其中一個是主設備，其余則是從設備。若是通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡最多可以支持超過 64000 個結(jié)點。 ZigBee 的標準 在 IEEE 802.15.4 標準基礎上發(fā)展而來的。 所有 ZigBee 產(chǎn)品也是 802.15.4 產(chǎn)品。 IEEE 802.15.4 只是定義了 ZigBee 協(xié)議棧的最低的兩層（物理層和 MAC 層），而上面的兩層（網(wǎng)絡層和應用層）則是由 ZigBee 聯(lián)盟定義的。 ZigBee 的協(xié)議棧 ZigBee 的協(xié)議棧 IEEE 802.15.4物理層使用的三個頻段 在MAC層，主要沿用802.11無線局域網(wǎng)標準的CSMA/CA協(xié)議。 在網(wǎng)絡層，ZigBee可采用星形和網(wǎng)狀拓撲，或兩者的組合。 ZigBee 的組網(wǎng)方式 一個ZigBee網(wǎng)絡最多可以有255個結(jié)點。 ZigBee的結(jié)點按功能的強弱可劃分為兩大類： 全功能設備FFD (Full-Function Device) 具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換。 是ZigBee網(wǎng)絡中的路由器。 精簡功能設備RFD (Reduced-Function Device) 是ZigBee網(wǎng)絡中數(shù)量最多的端設備。 電路簡單，存儲容量較小，因而成本較低。 RFD結(jié)點只能與處在該星形網(wǎng)中心的FFD結(jié)點交換數(shù)據(jù)。 ZigBee 的組網(wǎng)方式 在一個ZigBee網(wǎng)絡中有一個FFD充當該網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器(coordinator)。 協(xié)調(diào)器負責維護整個ZigBee網(wǎng)絡的結(jié)點信息，同時還可以與其他ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)。 通過各網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的相互通信，可以得到覆蓋更大范圍、超過65000個結(jié)點的ZigBee網(wǎng)絡。 ZigBee 的組網(wǎng)方式 3. 高速 WPAN 高速 WPAN 用于在便攜式多媒體裝置之間傳送數(shù)據(jù)，支持11 ~ 55 Mbit/s 的數(shù)據(jù)率，標準是 802.15.3。 IEEE 802.15.3a 工作組還提出了更高數(shù)據(jù)率的物理層標準的超高速 WPAN，它使用超寬帶 UWB 技術。 UWB 技術工作在 3.1 ~ 10.6 GHz 微波頻段，有非常高的信道帶寬。超寬帶信號的帶寬應超過信號中心頻率的 25% 以上，或信號的絕對帶寬超過 500 MHz。 超寬帶技術使用了瞬間高速脈沖，可支持 100 ~ 400 Mbit/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。 9.3 無線城域網(wǎng) WMAN 2002 年 4 月通過了 IEEE 802.16 無線城域網(wǎng)(Wireless Metropolitan Area Network) 的標準（又稱為IEEE無線城域網(wǎng)空中接口標準） 。 歐洲的 ETSI 也制訂類似的無線城域網(wǎng)標準 HiperMAN。 WMAN 可提供“最后一英里”的寬帶無線接入（固定的、移動的和便攜的）。 在許多情況下，無線城域網(wǎng)可用來代替現(xiàn)有的有線寬帶接入，因此它有時又稱為無線本地環(huán)路。 WiMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) 常用來表示無線城域網(wǎng) WMAN，這與Wi-Fi 常用來表示無線局域網(wǎng) WLAN 相似。 IEEE 的 802.16 工作組是無線城域網(wǎng)標準的制訂者，而 WiMAX 論壇則是 802.16 技術的推動者。 WMAN有兩個正式標準： 802.16d (它的正式名字是 802.16-2004)：固定寬帶無線接入空中接口標準（2 ~ 66 GHz頻段）。 802.16e (802.16 的增強版本)：支持移動性的寬帶無線接入空中接口標準（2 ~ 6 GHz頻段），向下兼容 802.16-2004。 802.16 無線城域網(wǎng)服務范圍的示意圖 9.4 蜂窩移動通信網(wǎng) 9.4.1 蜂窩無線通信技術簡介 9.4.2 移動IP 9.4.3 蜂窩移動通信網(wǎng)中對移動用戶的路由選擇 9.4.4 GSM中的切換 9.4.5 無線網(wǎng)絡對高層協(xié)議的影響 9.4.1 蜂窩無線通信技術簡介 蜂窩移動網(wǎng)絡的發(fā)展非常迅速，到目前為止，世界上先后已有超過了30種不同的標準。 第一代（1G）蜂窩無線通信是為話音通信設計的模擬 FDM 系統(tǒng)。 第二代（2G）蜂窩無線通信提供低速數(shù)字通信（短信服務），其代表性體制就是最流行的 GSM 系統(tǒng)。 2.5G 技術是從 2G 向第三代（3G）過渡的銜接性技術，如 GPRS 和 EDGE 等。 9.4.1 蜂窩無線通信技術簡介 第三代（3G） 移動通信和計算機網(wǎng)絡的關系非常密切，它使用 IP 的體系結(jié)構(gòu)和混合的交換機制（電路交換和分組交換），能夠提供移動寬帶多媒體業(yè)務（話音、數(shù)據(jù)、視頻等，可收發(fā)電子郵件，瀏覽網(wǎng)頁，進行視頻會議等），如 CDMA2000，WCDMA 和 TD-SCDMA。 從3G開始以后的各代蜂窩移動通信都是以傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務為主的通信系統(tǒng)，而且必須兼容2G的功能（即能夠通電話和發(fā)送短信），這就是所謂的向后兼容。 9.4.1 蜂窩無線通信技術簡介 第四代（4G）正式名稱是 IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced)，意思是高級國際移動通信。 4G 的一個重要技術指標就是要實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率。目標峰值數(shù)據(jù)率是：固定的和低速移動通信時應達到 1 Gbit/s，在高速移動通信時（如在火車。汽車上）應達到 100 Mbit/s。 9.4.1 蜂窩無線通信技術簡介 4G 現(xiàn)有兩個國際標準： LTE (Long-Term Evolution)： 又分為時分雙工 TD-LTE 和頻分雙工 FDD-LTE 兩種。 把帶寬增加到 20 MHz，采用了高階調(diào)制64QAM和MIMO技術。 LTE-A (LTE-Advanced)： LTE 的升級版，俗稱為 3.9G。 帶寬高達 100 MHz。 GSM 蜂窩通信系統(tǒng)的重要組成構(gòu)件 9.4.2 移動 IP 移動IP(Mobile IP)又稱為移動 IP 協(xié)議，是由IETF開發(fā)的一種技術。移動 IP 對現(xiàn)在流行的在移動中上網(wǎng)有著重要的意義。 這種技術允許計算機移動到外地時，仍然保留其原來的 IP 地址。 移動 IP 要解決的問題：使用戶的移動性對上層的網(wǎng)絡應用是透明的。 移動 IP 使用的基本概念 通信者B和移動站A的四個重要通信步驟  B發(fā)送給A的數(shù)據(jù)報被A的歸屬代理截獲了（只有當A離開歸屬網(wǎng)絡時，歸屬代理才能截獲發(fā)給A的數(shù)據(jù)報）。 由于歸屬代理已經(jīng)知道了A的轉(zhuǎn)交地址（后面要講到），因此歸屬代理把B發(fā)來的數(shù)據(jù)報進行再封裝，新的數(shù)據(jù)報的目的地址是A現(xiàn)在的轉(zhuǎn)交地址。新封裝的數(shù)據(jù)報發(fā)送到被訪網(wǎng)絡的外地代理。這里使用的就是以前講過的隧道技術或IP-in-IP。  被訪網(wǎng)絡中的外地代理把收到的封裝的數(shù)據(jù)報進行拆封，取出B發(fā)送的原始數(shù)據(jù)報，然后轉(zhuǎn)發(fā)給移動站A。這個數(shù)據(jù)報的目的地址就是A的永久地址。A收到B發(fā)送的原始數(shù)據(jù)報后，也得到了B的IP地址。  如果現(xiàn)在A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)報，那么情況就比較簡單。A仍然使用自己的永久地址作為數(shù)據(jù)報的源地址，用B的IP地址作為數(shù)據(jù)報的目的地址。這個數(shù)據(jù)報顯然沒有必要在通過A的歸屬代理進行轉(zhuǎn)發(fā)了。 網(wǎng)絡層應增加的新功能 (1) 移動站到外地代理的協(xié)議。 (2) 外地代理到歸屬代理的登記協(xié)議。 (3) 歸屬代理數(shù)據(jù)報封裝協(xié)議。 (4) 外地代理拆封協(xié)議。 三角形路由選擇問題 間接路由選擇：把數(shù)據(jù)報發(fā)往移動站的歸屬網(wǎng)絡，由歸屬代理完成以后的尋址工作，進而完成數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)的方式。 間接路由選擇可能會引起數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)的低效，文獻中稱之為三角形路由選擇問題(triangle routing problem)。意思是：本來在B和A之間可能有一條更有效的路由，但現(xiàn)在要走另外兩條路：先要把數(shù)據(jù)報從B發(fā)送到A的歸屬代理，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給漫游到被訪網(wǎng)絡的A。 使用直接路由選擇向移動站發(fā)送數(shù)據(jù)報 使用直接路由選擇向移動站發(fā)送數(shù)據(jù)報  B的通信者代理從移動站A的歸屬代理得到A所漫游到的被訪網(wǎng)絡N1的外地代理。我們把移動站首次漫游到的被訪網(wǎng)絡的外地代理稱為錨外地代理(anchor foreign agent)。  通信者代理把B發(fā)給A的數(shù)據(jù)報再封裝后，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)報發(fā)送給A。  A移動到另一個被訪網(wǎng)絡N2。  A向被訪網(wǎng)絡N2的新外地代理登記。  新外地代理把A的新轉(zhuǎn)交地址告訴錨外地代理。  當錨外地代理收到發(fā)給A的封裝數(shù)據(jù)報后，就用A的新轉(zhuǎn)交地址對數(shù)據(jù)報進行再封裝，然后發(fā)送給被訪網(wǎng)絡N2上的新外地代理。在拆封后轉(zhuǎn)發(fā)給移動站A。 同理，如果移動站再漫游到另一個網(wǎng)絡，則這個網(wǎng)絡的外地代理將仍然要和錨外地代理聯(lián)系，以便讓錨外地代理以后把發(fā)給A的數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)過來。 9.4.3 蜂窩移動通信網(wǎng)中 對移動用戶的路由選擇 9.4.3 蜂窩移動通信網(wǎng)中 對移動用戶的路由選擇  找到移動用戶的歸屬網(wǎng)絡。  歸屬 MSC 向其 HLR 查詢現(xiàn)在被叫移動用戶的位置。HLR 向歸屬 MSC 返回被叫移動用戶的移動站漫游號 MSRN。  歸屬 MSC 按照所得到的漫游號碼 MSRN 進行呼叫的第二段，把通信者發(fā)起的呼叫從歸屬 MSC傳送到被訪網(wǎng)絡的 MSC，再傳送到該移動用戶所漫游到的小區(qū)的基站。 9.4.4 GSM 中的切換 切換(handover)就是移動用戶與相關聯(lián)的基站發(fā)生了改變。 移動用戶在和一個基站相關聯(lián)期間，會周期性地測量來自其當前基站及其鄰近基站的信標信號強度，并將測量結(jié)果以每秒 1 ~ 2 次頻率報告給當前基站。根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)以及鄰近蜂窩的當前負載情況，當前基站決定是否發(fā)起切換。 移動站的切換可能仍處在同一個 MSC 的控制下，而只是相關聯(lián)的基站發(fā)生了變化。但在許多情況下，移動站的切換是相關聯(lián)的 MSC 都改變了。在這種情況下，向移動站的呼叫路由會有很大的變化。 9.4.5 無線網(wǎng)絡對高層協(xié)議的影響 無線網(wǎng)絡在移動站漫游時，會經(jīng)常更換移動用戶到無線網(wǎng)絡的連接點（即到移動站相關聯(lián)的基站）。這樣，網(wǎng)絡的連接就會發(fā)生很短時間的中斷。 由于移動用戶更新相關聯(lián)的基站需要一定的時間，這就可能造成TCP報文段的丟失。只要出現(xiàn)TCP報文段頻繁丟失，TCP的擁塞控制就會采取措施，減小其擁塞窗口，從而使TCP發(fā)送方的報文段發(fā)送速率降低。 當無線信道出現(xiàn)嚴重的比特差錯，或由于切換產(chǎn)生了報文段丟失，減小TCP發(fā)送方的擁塞窗口對改善網(wǎng)絡性能并不會有任何好處。 9.4.5 無線網(wǎng)絡對高層協(xié)議的影響 解決方法： 本地恢復。這是指差錯在什么地方出現(xiàn)，就在什么地方改正。 讓 TCP 發(fā)送方知道什么地方使用了無線鏈路。只有當TCP能夠確知，是有線網(wǎng)絡部分發(fā)生了擁塞時，TCP才采用擁塞控制的策略。 把含有移動用戶的端到端 TCP 連接拆成兩個互相串接的 TCP 連接。 9.5 兩種不同無線上網(wǎng) 前面已經(jīng)介紹了兩種不同的無線上網(wǎng)方法。 但應注意，它們上網(wǎng)所需的費用是很不一樣的。 目前蜂窩移動網(wǎng)絡的運營商的上網(wǎng)收費都是按照用戶所消耗的數(shù)據(jù)流量來計算的。 我國的寬帶入網(wǎng)一般都是根據(jù)用戶使用的帶寬多少，按使用的時間（按月或按年）付費的，因此，使用家庭的無線路由器上網(wǎng)，并不需要再增加任何額外上網(wǎng)的費用。 幾種無線網(wǎng)絡的比較40j紅軟基地

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