计算机网络：第6章 无线网和移动网

1、第6章 无线网和移动网利用无线电信号进行通信的系统。网络构成、采用的协议都与常规网络不同经无线链路通信移动用户改变与网络的连接点1主要内容6.1 概述 6.2 无线链路特性6.3 IEEE 802.11 无线局域网6.4 蜂窝因特网接入6.5 移动管理：原理6.6 移动IP6.7 蜂窝网络中管理移动性6.8 移动性对高层协议的影响无线网络移动网络21、无线网络组成元素网络基础设施无线主机、基站、无线链路、网络基础设施等。无线主机运行应用程序便携机、 PDA、 IP电话可以固定或移动无线不等于移动31、无线网络组成元素 基站与有线网络连接负责与之相联的多个无线主机的传输（向主机发送数据或从主机接

2、收数据）链路层中继：多个无线主机通过基站连接、通信，并与更大网络相连。如蜂窝塔、802.11接入点 网络基础设施41、无线网络组成元素网络基础设施 无线链路连接无线用户到基站也用作主干链路多个接入协议协调链路接入各种数据速率，传输距离5部分无线链路标准的特性384 Kbps56 Kbps54 Mbps5-11 Mbps1 Mbps802.15802.11b802.11a,gIS-95 CDMA, GSMUMTS/WCDMA, CDMA2000 .11 p-to-p link2G3G室内10 30m室外50 200m中距离室外200m 4Km长距离室外5Km 20Km61、无线网络组成元素网络基

3、础设施网络基础设施无线主机与之通信的更大网络72、通信模式基础设施模式：有基站自组织模式：无基站8基础设施模式网络基础设施移动用户通过基站连接到有线网络9自组织模式无基站节点自己组织成为一个网络节点自己提供选路等服务Ad Hoc网络103、无线网络分类划分原则网络中的分组经过了一个无线跳还是多个无线跳网络是否有如基站的基础设施类型单跳，基于基础设施单跳，无基础设施多跳，基于基础设施多跳，无基础设施11单跳，基于基础设施如有基础设施的802.11LAN网络通过基站与有线网络通信。基站与无线主机之间通过一跳通信。Internethub, switchor 路由器APAP12单跳，无基础设施如自组织

4、802.11LAN和蓝牙网无基站无线主机之间通过一跳直接通信M覆盖半径SSSPPPP主设备从设备13多跳，基于基础设施如无线传感网络网络通过基站与有线网络通信基站与无线主机之间可能通过多跳通信卫星互联网移动通信网络汇聚节点管理节点监测区域传感器节点用户14多跳，无基础设施如移动组织网络（Ad hoc）无基站无线主机之间通过多跳通信15无线链路的特征不同于有线链路：衰减的信号强度：当无线电信号传播通过物质时，信号削弱(路径损失)。距离越远，信号越弱来自其他源的干扰: 同频段发送信号互相干扰多路径传播: 无线电信号反射离开物体，以不同的路径时间到达目的地。碰撞检测：发送方可能检测不到发生的冲突。

5、受隐藏终端问题和信号衰减影响。 16例ABC隐藏终端问题B, A 彼此听到B, C 彼此听到A, C彼此听不到对方的传输，在B处发生冲突ABCAs signalstrengthspaceCs signalstrength信号衰退B, A彼此听到B, C彼此听到A, C彼此听不到对方的传输，在B处发生冲突A和C同时向B发送17码分多址CDMACode Division Multiple Access每个节点分配一个唯一的码片序列（CDMA代码）每个节点用其CDMA代码对要发送的数据进行编码不同节点可以同时发送，并正确到达接收方（不会互相干扰）。CDMA代码组成：一个有M个值的序列， 即 C1 ,

6、C2 , Cm , ,CM (每个值取+1或-1)如8个值的CDMA代码，为（1,1,1,-1,1,-1,-1,-1） 18发送方编码设：要发送的初始数据比特流dndid1d0di为第i个比特值，每一位占一个时隙；数据比特“0”用-1表示；数据比特“1”用1表示 编码：每个比特用CDMA代码再细分为M个微时隙将一个数据比特依次乘以其CDMA代码的M个值即对第i个数据比特di，其第m个微时隙，CDMA编码器的输出为： Zi,m = diCm 数据比特“1”（1）：直接发送CDMA代码； 数据比特“0”（-1）：发送CDMA代码的反码；diC1，diC2， ，diCM19编码例设 码片序列是 -1

7、 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1数据比特 1 ：发送序列 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1数据比特 0：发送序列 +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -120例：发送比特流01 时隙 1时隙 0d1 = -111111-1-1-1-Zi,m= di.cmd0 = 111111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-时隙 0信道输出时隙 1信道输出信道输出 Zi,m发送方CDMA编码数据比特时隙1时隙0d1 = -1d0 = 111111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-时隙 0信道输出时隙

8、1信道输出接收方CDMA编码接收的输入Di = S Zi,m.cmm=1MM 0 121接收方解码 无干扰，会收到连续的编码比特Zi,m 恢复初始的数据比特di ： di = (Zi,1C1 Zi,2C2 Zi,MCM) / M 将收到的每一个编码比特乘以一个对应的CDMA代码的比特值，累加求和，除以M 。 结果： 1表示数据比特1 -1表示数据比特0 22解码例设 码片序列是 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1数据比特 1 ：发送序列 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1数据比特 0：发送序列 +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1码片序列是 -1 -1 -1

9、+1 +1 -1 +1 +1收到： -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1 解码： （+1+1+1 +1 +1+1 +1 +1）/8=1 1收到： +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1 解码： （- 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1）/8=-1 023例：接收比特流01 时隙 1时隙 0d1 = -111111-1-1-1-Zi,m= di.cmd0 = 111111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-时隙 0信道输出时隙 1信道输出信道输出 Zi,m发送方CDMA编码数据比特时隙1时隙0d1 = -1d0 = 111111

10、-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-时隙 0信道输出时隙 1信道输出接收方CDMA编码接收的输入Di = S Zi,m.cmm=1MMd0 =(+8)/8=1d1 =(-8)/8=-1 0 1 0 124多个节点（N个）发送多个发送方传输的比特信号的干扰是叠加的： 同一个微时隙中，所有发送方发送的比特值相加 如，有3个发送端都发送一个1，第4个发送端发送一个-1，那么在该微时隙中所有的接收方接收的信号都是2。设发送方s编码后的传输：Zis,m = diCm线路上传输的比特信号是该微时隙中所有N个发送方传输的比特的总和： 25多个节点（N个）接收

11、 无干扰，接收方将收到迭加的编码比特Zi*,m 恢复初始的数据比特di ： 将收到的每一个编码比特Zi*,m乘以对应发送方的CDMA代码的一个比特值，累加求和，除以M 26多个节点的编码和解码多个发送方传输的比特信号的干扰是叠加的。发送方编码： 每个发送方分别编码，所有发送方发送的码片序列对应位相加，在线路上传输。接收方解码： 将收到的迭加的编码每一位乘以对应发送方的CDMA代码的每一位，累加求和，除以M。 结果：1表示发送比特1 -1表示发送比特0 0表示未发送27CDMA: 两个发送方发送方1发送比特流01发送方2发送比特流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发送方接收方0-202002220202-20028CDMA例例1：设三个站的CDMA代码分别为： A：00011011，B：00101110，C：01000010，若A 站发1，B站发0，C站不发，求混合信号？A 站发1： （-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）B站发0： （+1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1）C 站不发： （ 0 0 0 0 0 0 0 0）混合信号为： （ 0 0 -2 +2 0 -2 0 +2）例2：若基站收到混合信号

13、， 求各站发送的信息？A站：（0+0+2+2+0+2+0+2）/8=+1 A站发 1B站：（0+0-2-2+0-2+0-2）/8= -1 B站发 0C站：（ 0+0-2+2+0+2+0-2）/8=0 C站未发-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无线LAN Wi-Fi（Wireless Fidelity）：无线保真。 Wireless LAN：无线局域网。相关标准：802.11b、802.11a、802.11g无线频率和数据速率不同都使用CSMA/CA多路访问都具有基站模式和自组织模式30IEEE 8

14、02.11 标准802.11b2.4 2.485 GHz高达11 Mbps802.11a 5.15.8 GHz高达 54 Mbps802.11g 2.4 2.485 GHz高达54 Mbps316.3.1 802.11 LAN 体系结构基本服务集 (BSS)无线主机基站 = 接入点 (AP)两种模式基础设施模式：有基站自组织模式：无基站 （ad hoc network）BSS 1BSS 2Internethub, switchor 路由器APAP在运动中形成，移动设备靠的比较近进行通信。 326.3.2 802.11MAC协议ABCABCAs signalstrengthspaceCs sig

15、nalstrength802.11无线LAN不能感知所有碰撞 采用CSMA/CA协议隐藏终端问题B, A 彼此听到B, C 彼此听到A, C彼此听不到对方的传输，在B处发生冲突信号衰退B, A彼此听到B, C彼此听到A, C彼此听不到对方的传输，在B处发生冲突33CSMA/CA 协议基本思想 冲突避免(Collision Avoidance)载波侦听多路访问。通过信道预约，避免数据帧完全碰撞发送前侦听信道忙：后退等待空：先对信道进行预约，预约成功发送。避免冲突无碰撞检测：隐藏终端、信号衰退等影响。34信道预约方法通过“RTSCTS”请求/允许控制帧完成。RTS (Request to Send

16、)：“请求发送”控制帧。CTS (Clear to Send）：“同意发送”控制帧。35信道预约原理发送节点发送数据前，先发送RTS给接收节点接收节点收到RTS后，同意接收，就广播回发CTS发送节点收到CTS后，开始发送数据。其他同时收到CTS的节点延迟其发送信息。如果发送节点未收到CTS，重发RTS。36工作过程发送前先监听：“忙”，继续听，直到信道“空”。先对信道预约发送节点发送RTS接收节点回发CTS发送节点收到CTS后发送数据接收节点收到后， 无错回发ACK确认；发送节点定时内未收到ACK确认，重发信道预约RTSCTS延迟发送ACK376.3.5 802.15: 个人域网络WPANIE

17、EE802.11：用于不超过100m的通信 大功率、中等范围、高速率的“接入”技术。IEEE802.15：无线个人域网络WPAN低功率、小范围、低速率的“电缆替代”技术距离小于10 m互联笔记本、串行设备、PDA等自组织: 无基础设施采用蓝牙规范38蓝牙（bluetooth）互联一些小电子器件。 如手提电话、PDA、笔记本/台式机、数字照相机、传真机、打印机、键盘、鼠标和游戏杆、家庭报警系统、时钟以及咖啡机等。使用射频无线通信：不需要直接可见，可以支持点对点通信和多点通信。工作在2.4GHz的无线频带，数据率高达721kbps工作范围10100m，取决于蓝牙小器具的功率等级。39M覆盖半径SS

18、SPPPPMS主设备从设备停用设备 (不活动的)P蓝牙皮可网（piconet）最多8个活动设备指定一个主设备主设备：在每个奇数时隙发送。从设备：发送由主设备控制，只能向主设备发送。401、蜂窝网络体系结构 将cells与广域网相连 管理呼叫建立和拆除 处理移动 移动交换中心MSC覆盖部分地理区域基站 (BS)：类似802.11 AP移动用户：通过BS与网络相连空中接口：在移动用户和BS之间的物理和链路层协议发射区cell移动用户 交换中心公共电话网和因特网移动用户 交换中心有线网络蜂窝：一个地理区域被分成多个地理覆盖区域（发射区Cell）41空中接口接入技术FDM/TDM结合： 将频谱划分为频

19、道，再将每个频道划分为时隙。CDMA：码分多址频段时隙422、蜂窝标准1G系统（第一代）：模拟FDMA。2G系统（第二代）：用于语音通信。 将模拟信号转换为数字信号发送。过渡标准IS-136 TDMA: FDMA/TDMA结合 (北美)。GSM (移动通信全球系统): FDMA/TDMA结合。广泛部署IS-95 CDMA: 码分多址432、蜂窝标准2.5 G系统： 用于语音和数据信道。 2G 到3G的过渡：2G扩展。通用分组无线电服务 (GPRS)从 GSM演化而来数据在多个信道发送(如果可能的话)支持全球演化的增强数据速率(EDGE)也从GSM演化而来, 使用增强调制 数据率高达 384KCDMA-2000 (阶段1)数据率高达 144K从 IS-95演化而