《计算机网络教程》第5章 无线网络-2

《计算机网络教程》电子教案

第五章无线网络GPRS与无线个人区域网主要内容

5.2移动通信通用分组无线业务GPRS

5.3无线个人区域网WPAN概述蓝牙Zigbee2通用分组无线业务GPRS高速电路数据（HSCSD）每个用户同时分配多个信道，提供高达57.6kbps的数据传输服务。但GSM和HSCSD中一旦信道分配给用户使用后就被该用户独占通用分组无线业务GPRS采用分组交换技术不需要建立端到端的连接，用户可以“永久”在线GPRS只在有数据传输时才动态分配无线资源，适合各种突发性强的数据传输无线带宽可以供多个用户同时共享，频谱利用率较高，数据传输速率最高可达171.2kbpsGPRS提供两类服务PTP提供两点之间的分组传输服务PTM用于有多个接收者的数据传输PTM-M（Point-To-Multicast）用于发送信息给当前位于某一区域的所有用户PTM-G（Point-To-MultipointGroup）用于发送信息给某一区域的一组用户IP-M（IPMulticast）提供IP组播服务。3GPRS体系结构GPRS使用原有GSM网络的频谱资源，在原有的GSM网络的FDMA/TDMA帧结构的基础上通过引入一些新的逻辑信道来支持突发的数据传输4GPRS服务支持节点SGSN相当于GSM中的MSC，是GPRS核心网络与移动台之间的接口GPRS网关支持节点GGSN主要负责与其它分组交换网络的连接以及存储用户的位置（所在SGSN）信息，是GSM网络与外部的IP网络之间的网关GGSN与SGSN之间通过基于IP的GRPS骨干网相连，通过GGSN与SGSN的隧道传输GPRS分组。原有GSM的HLR进行更新，以便保存GPRS的用户信息以及包括移动台正在访问的GGSN等在内的当前位置信息GPRS协议栈GPRS在物理层定义了4种不同的信道编码方案，即使用不同数据速率的CS-1（9.05kbps）、CS-2（13.4kbps）、CS-3（15.6kbps）、CS-4（21.4kbps），最多可以使用8个时槽，从而支持最高171.2kbps的数据速率。无线链路控制RLC层是LLC和MAC层之间的接口，允许选择重传RLC数据块。逻辑链路控制LLC层提供了一条MS到SGSN的链路，基于LAPD，包括差错控制、流量控制、负载加密和逻辑链路维护等功能子网汇聚协议SNDCP将网络层的PDU封装成适合LLC传输的数据分组5GPRS基站系统协议BSSGP为SGSN和BSS之间提供一条无连接的逻辑链路GPRS隧道协议GPRS空中接口GPRS使用与GSM相同的TDMA帧结构，分组数据信道PDCH用于传输GPRS数据和相关的控制信令信息分组公共控制信道PCCCH包括寻呼、入网请求、多播通知和无线资源分配等功能包括分组寻呼信道PPCH、分组接入许可信道PAGCH分组通知信道PNCH用于通知点到多点-组播(PTM-M)分组分组随机接入信道PRACH：分组广播控制信道PBCCH用于广播相关的系统信息分组专用控制信道PDCCHPACCH分组随路控制信道用于传送移动台分组传送期间所需要的信令和其他控制信息PTCCH/U、PTCCH/D（分组上下行定时控制信道）：用于传送时间提前分组数据业务信道PDTCH则用于在上行链路或下行链路上经空中接口传送实际的用户数据。6GPRS复帧结构GPRS系统采用由52个TDMA帧组成的复帧结构，包括12个用来传递用户数据和信令信息的无线块，每个无线块包括4个时槽2个用于传送时间提前量的PTCCH帧T2个用于进行邻区BSIC测量的空闲帧X。7GPRS工作过程GPRS定义了三种不同的移动性管理状态空闲(Idle)状态:用户尚未完全接入GPRS网络，GPRS还没有存储该用户相关的当前位置或路由信息。MS只能收到PTM-M的信息，也无法寻呼该用户等待(Standby)状态手机已经接入到GPRS网络，与SGSN建立了逻辑连接，并且维护相应的PDP环境MS不能进行PTP数据发送和接收，但是可以接收PTM-M和PTM-G数据，同时也可以寻呼该MS。SGSN记录MS所在的路由区域就绪(Ready)状态：已经接入GPRS网络可以进行正常的GRPS数据传输SGSN记录MS所在的小区（基站）8GPRS移动性管理状态转换GPRS接入过程：MS状态从空闲转为就绪状态。MS建立到SGSN的逻辑链路，验证移动用户和移动设备是否合法，然后MS发起一个过程来PDP环境包括PDP类型（如IPv4）、分配给MS的PDP地址、请求的QoS参数和GGSN地址。PDP地址可是静态地址，也可由GGSN动态分配。用户在同一时间可以接入到多个PDN网络9就绪状态计时器超时，从就绪状态转移到等待状态。等待状态计时器超时，从等待状态转移到空闲状态。接入GRPS的节点引入就绪/等待状态的主要目的是减少移动用户在移动过程中由于位置的变动而需要进行的位置更新消息的开销。SGSN覆盖的区域进一步分为多个路由区域，每个路由区域可以包含一个或者多个基站。基站会定期广播其所在的路由区域标识，移动台通过该标识可以知道其是否穿越了路由区域的边界，知道是否穿越了BSS的边界移动台暂时没有数据要传输而处于等待状态下时只有在穿越路由区域时才向SGSN更新位置就绪状态下，在跨越BSS的边界时就更新位置。第三代移动网络ITU规定第三代移动通信系统的无线传输必须满足以下三种速率要求：在快速移动环境下（车载用户），最高速率达到144Kbps步行环境下，最高速率达到384Kbps固定位置环境下，最高速率达到2Mbps业务种类涉及话音、数据、图像以及多媒体等业务。第三代移动通信系统分成无线接入网和核心网2000年5月，ITU最终通过IMT-2000无线接口规范（M.1457），包括美国TIA提交的cdma2000、欧洲ETSI和日本ARIB提交的WCDMA和中国电信科学技术研究院（CATT）提交的TD-SCDMA核心网主要由3GPP和3GPP2进行标准化，两个核心网之间的互连互通通过NNI接口进行。103GPP1998年3GPP成立，以欧洲为主体，负责以GSMMAP核心网为基础制定第三代移动通信标准UMTS1999年12月3GPP发布的第一个协议版本Release99确定采用WCDMA作为无线传输技术的接口，核心网以GSM的移动交换中心和分组交换网络为基础中国于1999年加入3GPP,提出的TD-SCDMA标准被3GPP采纳，作为UTRATDD的低码片速率选项，以区别于WCDMA的TDD方式。2001年3月发布的Release4中纳入了中国提交的TD-SCDMA技术，在核心网电路域中实现了软交换2002年3月发布的Release5采用全IP核心网，引入了IP多媒体子系统（IMS），以更好的对多媒体业务进行控制，同时在无线接口部分支持高速下行分组接入（HighSpeedDownlinkPacketAccess，HSDPA）技术，可以提供最高可达14Mbps的下行数据传输速率。2005年4月发布的Release6支持最高可达5.7Mbps的高速上行分组接入（HighSpeedUplinkPacketAccess，HSUPA）技术，Release7支持下行可达28Mbps、上行可达11Mbps的HSPA+技术。3GPP的无线接口称为陆地无线接入网(UniversalTerrestrialRadioAccess,UTRA),UTRA支持TDD和FDD两种工作方式，分别称为UTRAFDD与UTRATDD。11GSM向UMTS的演进UMTS采用WCDMA标准，与基于TDMA技术的GSM系统相比，只有核心网部分可以比较平滑的过渡。GSM可以先升级到GPRS或最高可达384kbps的增强型数据速率的GSM演化方案（EnhancedDatarateforGSMEvolution，EDGE），再最终过渡到UMTS。123GPP2以ANSI-41核心网为基础，以cdma2000为空中接口制定第三代移动通信标准1999年成立，以美国为主，包括美国、日本和韩国等。3GPP2已经发布了Release0、A、B、C和D五个支持CDMA20001X及其增强型技术的版本独立使用一个1.25MHz载波的方式称为cdma20001x传统的CDMA20001x（

CDMA20001xRTT）可以支持144kbps的数据速率CDMA20001xEV（

Evolution）是cdma20001x的增强型技术1xEV-DO（Dataonly）针对数据业务作了优化，下行链路最高可达2.4Mbps1xEV-DV则同时改善了数据业务和语音业务的性能，下行链路最高可达3.08Mbps将三个1.25MHz载波捆绑在一起使用的方式称为cdma20003x。13UMTS-WCDMATD-SCDMACDMA2000多址技术直接序列扩频CDMA时分CDMA多载波直接序列扩频CDMA信道带宽5MHz1.6MHzN×1.25MHz，N=1,3,6,9,12码片速率3.84Mcps1.28McpsN×1.2288Mcps最高数据速率2Mbps2Mbps（步行速度）2.4Mbps双工方式FDD/TDDTDDFDD基站间同步方式异步/同步同步，一般采用GPS同步扩频方式下/上行：Walsh序列划分信道；Gold序列区分用户/小区正交可变扩频因子（OVSF）码SF=1/2/4/8/16下行：Walsh序列或准正交函数划分信道上行：Walsh划分信道PN长/短码的不同相位偏移区分小区/用户调制方式下行链路：QPSK上行链路：BPSKQPSK高速率（2Mbps）8PSK下行链路：QPSK上行链路：BPSK检测方式相干检测联合检测相干检测导频方式下行链路：公共导频信道和用户专用的时分复用导频上行链路：用户专用的时分复用导频公共导频信道下行链路：公共导频信道和辅助导频上行链路：用户专用的导频信道功率控制开环结合快速闭环功率控制（1.5kHz）上行为开环功率控制下行为闭环功率控制（1.4KHz）开环结合快速闭环功率控制（800Hz）信道编码卷积码、RS码和Turbo码卷积码和Turbo码卷积码和Turbo码话音编码AMR话音编码AMR话音编码QCELP或EVRC语音编码14无线个人区域网

（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)IEEE802.15负责指定相对较短的距离（10米范围）内通过无线链路进行通信的WPAN的相关标准802.15WPAN工作在属于ISM频带的2.4GHz，无需申请执照就可以使用IEEE802.15制定的是个人工作区域POS内的便携和移动设备等之间的无线连接的物理层和MAC层标准在这些层次上面构建相应的协议栈以支持不同的应用，则一般由那些由许多厂商联合的WPAN技术推广联盟（比如蓝牙、Zigbee等）来负责15IEEE802.15WPANTG1:802.15.1蓝牙TG2:WPAN与WLAN共存TG3802.15.3HR-WPANTG3a:802.15.3aUWB-WPANTG3c:mm-WPANTG4:802.15.4LR-WPANTG5:802.15.5WPANMeshTG6:802.15.6BAN蓝牙蓝牙（Bluetooth）技术的发展最早始于1994年的爱立信公司的研究1999年蓝牙特别兴趣组发布了超过1500页的蓝牙1.0A规范，2001年发布蓝牙1.1版本，采用GFSK调制IEEE802.15工作组采纳了蓝牙1.1作为IEEE802.15.1WPAN标准，2005年吸纳蓝牙1.2。2004年11月发布蓝牙2.0，支持2Mbps（最高3Mbps）数据速率，采用GFSK和PSK结合的调制策略2009年4月发布蓝牙3.0，采用802.11MAC/PHY来传输数据，最高支持24Mbps蓝牙工作在2.4GHz的ISM频带，能够提供低功耗、短距离（小于10米，如果外接功率放大器可达到100米）、中等传输速度（最多723.2kbps，2.0提高到2Mbps）的无线通信服务。蓝牙设备可以在不要（或者几乎不要）用户干预的情况下和其他蓝牙设备构建一个WPAN，即支持自组织技术蓝牙通过全向的无线信号传输信息蓝牙可以支持64kbps的同步电路交换方式的语音通信，也支持对称或者不对称的无连接方式的数据传输。16蓝牙网络结构蓝牙技术中的基本联网单元是一个微微网（Piconet）Piconet中最多8个蓝牙设备，其中一个设备为主设备，其他称为从设备。主设备负责控制当前Piconet的通信，包括确定所有设备使用的信道（跳频序列）和相位（时槽）。从设备只可以与主设备通信，并且由主设备确定在哪个时槽发送数据。所有蓝牙设备都可能作为主设备或者从设备在同一个区域可以有多个Piconet一个蓝牙设备可以同时加入一个或者多个Piconet散布网（Scatternet）通过那些加入到多个Piconet的蓝牙设备连接起来的多个PiconetScatternet中的Piconet之间不需要同步，同时加入到多个Piconet的蓝牙设备可以在不同的时刻进行传输17蓝牙协议栈蓝牙核心协议描述了从底层的无线接口到链路控制之间的层次的细节蓝牙profile建立在核心协议之上描述如何从蓝牙协议栈中选取不同的协议组合来支持不同类型的应用模型。常用的应用模型包括服务发现、无绳电话、传真、拨号网络、耳机、文件传输、同步、局域网访问等。蓝牙无线电：确定蓝牙设备所采用的频率、跳频的使用、调制模式和发送功率等空中接口细节，传输比特流18

基带层：负责管理RF信道，确定所采用的跳频序列、如何同步以及帧的封装，如何寻找其他蓝牙设备，并且建立连接，进行差错控制、流量控制和安全机制等。链路管理协议LMP：负责管理链路的状态，建立链路，协商蓝牙设备之间的空中接口有关参数，建立设备间的安全信任关系，进行功率控制等可选HCI使得高层访问基带、LMP等提供的服务L2CAP向高层协议隐藏底层的细节，提供面向连接和无连接的数据服务服务发现协议SDP采用请求/应答模型，用来查询其它设备的信息、所能提供的服务蓝牙链路2.400～2.4835GHz的频带分成79个间隔为1MHz的信道，采用高斯频移键控GFSK（蓝牙2.0采用相移键控PSK）调制，波特率为1Msps。采用跳频扩频，Piconet中的所有设备都使用由主设备选择的同一个跳频序列跳频速度1600Hz，跳频过程中每条信道的使用时间为一个时槽（625微秒）采用时分双工TDD方式，主设备使用偶数时槽，从设备使用奇数时槽分组长度为奇数（最多为5）个时槽。多时槽分组传输过程中频率保持不变使用短帧和FEC以及快速ARQ技术来处理由于干扰和冲突出现的分组丢失基带层支持两种类型的物理链路主设备和从设备间的同步面向连接SCO链路：用于那些有固定带宽要求、低延迟、不需要可靠传输的信息SCO链路的带宽是固定的，为64kbps，不需要使用CRC和ARQ主设备和所有从设备间的异步无连接ACL链路支持对称和非对称负载主设备采用轮询方式，在需为每个从设备分配相应的时槽支持广播以发送信息给同一个piconet中的所有从设备。19蓝牙多时槽分组主设备在偶数个时槽开始传输，而从设备在奇数个时槽开始传输为了减少头部的开销，允许多时槽分组，每个分组的长度为奇数个时槽（分别为1，3，5）ACL链路使用那些尚未被SCO链路占用的时槽，支持对称和非对称负载注意：ACL和SCO链路可以混合使用20fk表示第k个时槽所采用的载波频率M表示主设备S表示从设备单时槽分组三时槽非对称三时槽对称五时槽非对称ACL链路ACL支持6种类型的链路，每种链路支持对称和非对称两种方式链路Dxn：x为M/H表示采用/不采用FEC，n（=1,3,5)表示该链路上数据分组的时槽数（即DM1/DH1/DM3/DH3/DM5/DH5）对称DH1链路每个时槽携带216比特的数据，每秒使用1600/2=800个时槽数据速率为216*800=172.8kbps。非对称DM5链路：总共使用6个时槽，每秒时槽数为1600/6主设备到从设备采用5个时槽的分组，每个分组携带1792比特的信息从设备到主设备使用一个时槽的分组，携带136比特数据21链路对称非对称分组DM1108.8108.8108.8单时槽分组DH1172.8172.8172.8DM3258.1387.254.4三时槽分组DH3390.4585.686.4DM5286.7477.836.3五时槽分组DH5433.9723.257.6非对称DH5链路：主设备发送的5时槽分组携带2712比特数据723.2kbps从设备的1时槽分组携带216比特的数据16*1600/6=57.6kbps蓝牙分组访问码：同步字段通过48比特蓝牙地址的低24位地址、跳频的伪噪声序列等生成，具有比较好的抗干扰能力。ID分组仅仅包含68比特的访问码询问访问码IAC：预留的询问地址，用于询问设备访问码DAC：蓝牙地址，用于寻呼以及寻呼的响应72比特的信道访问码CAC唯一标识那个piconet，后面紧随分组头和数据FEC1/3

FEC:采用比特重复方法，分组头部都是采用1/3FEC编码的2/3:(15,10)海明码，可以纠正单比特差错，检测出双错访问码（68或72比特）分组头部（0或54比特）负载（0～2745比特）前缀同步尾部4464地址类型流ARQNSEQNHEC314181哪个从设备，全0表示所有从设备停止/恢复ACL分组传输NAK/ACK蓝牙网络维护询问79个载波频率的32个还充当了唤醒载波的功能主设备定期在32个唤醒载波中广播一个带查询访问码IAC的ID消息来询问是否有蓝牙设备。处于低功耗的初始（待机）状态的设备每隔1.28秒唤醒并且在32个跳频中监听蓝牙设备收到查询时发送回一个包含地址和发送者时钟等信息的FHS分组。蓝牙设备也可以设置不回应IAC

ID消息，从而不可被发现寻呼主设备在对应从设备的跳频序列（根据前面从设备的FHS消息）上发送DAC

ID寻呼从设备从设备发送DAC

ID分组确认加入主设备发送FHS分组，给出piconet使用的跳频序列从设备在主设备的跳频序列上发送DAC

ID分组，转为连接状态23蓝牙网络维护连接状态，引入了4个工作模式来降低功耗，能耗从高到低顺序：活跃（Active）：正常数据传输嗅探（SNIFF）:从设备每隔一段时间才在它的时槽（可设定时槽间隔）进行监听以接收数据，主设备也相应的只在指定的时槽才会发送数据保持（HOLD）只能使用SCO链路，ACL链路不再使用保持与，直到有数据传输时重回活跃模式。从设备在某个piconet保持，但可在另一Piconet活跃停靠（PARK）保持与主设备同步只能接收主设备发出的广播分组。通过一个8比特的PM_ADDR来标识，活跃地址被回收给主设备一个piconet最多支持255个停靠设备和7个从设备。24Zigbee2003年5月正式发布针对低速无线个人区域网（LR-WPAN）的IEEE802.15.4标准，给出了LR-WPAN的物理层和MAC层协议2001年9月，菲利普、三星、摩托罗拉等厂商成立ZigBee联盟推广802.15.4，在802.15.4的基础上进一步定义了网络层、安全管理、应用层等协议IEEE802.15.4网络主要具有如下基本特征：低数据速率：在不同的载波频率下支持20kbps、40kbps和250kbps功耗低：发射功率仅1mW，通过采用较小（如1%）的任务周期减少功率消耗。成本低：协议简单，成本较低，ZigBee协议无需象蓝牙一样付专利费。时延短：典型搜索设备时延为30ms，睡眠激活时延为15ms，设备的信道接入时延为15ms。网络容量大：支持星形和点对点两种网络拓扑结构，星形拓扑中可容纳最多255台设备，通过点对点网络扩展所覆盖的范围，最多可容纳6万多台设备。传输可靠：支持冲突避免的载波多路监听技术，同时也可为需要固定带宽的业务预留专用时槽，支持确认机制，保证传输可靠性。安全：采用AES-128加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性。25Zigbee网络拓扑FFD实现了规范中的所有功能，可以与RFD以及其他FFD通信RFD仅仅实现了其中最少一部分功能，RFD设备之间不能直接通信，只能和网络中的FFD通信协调器一定是FFD，通过传输信标帧来提供同步功能，并且完成成员的加入和退出、地址分配以及分组转发等PAN协调器是LR-WPAN网络中的主控制器，负责选取唯一的PAN标识。设备可以是一个FFD或者RFD。26协调器FFDRFDa.星型b.点对点（网状）c.簇树Zigbee网络拓扑星形拓扑最多可以有255个成员，其中一个成员作为PAN协调器所有设备的通信都要通过PAN协调器适合家庭自动化、PC外设、交互式玩具以及个人健康护理等小范围的室内应用。点对点网络任意两个设备只要信号允许可直接通信协调器只是完成网络初始化、控制节点的加入和退出可采取自组织方式构造更复杂的网络结构，适合于那些需要覆盖较大范围的工业控制、传感器网络、固定资产跟踪等应用。多级簇树结构网络大多数设备是FFD，RFD作为簇树的叶设备连接到网络中。设备的加入维持簇树结构，实际的通信并不一定要按照簇树来进行，而是可以采用网状的结构27Zigbee协议栈IEEE802.15.4定义物理层和MAC。逻辑链路控制LLC在IEEE802.2标准中定义，为上层提供一个统一的接口Zigbee联盟定义了网络层和应用层规范网络层包括发现和维护设备间的路由，发现单跳邻居并保存邻居信息，对于发送的帧加入相应的安全机制等；应用层定义了一个应用框架，同时定义了Zigbee设备对象以及厂商定义的应用对象来描述设备以及应用的属性并进行相应的处理。28物理媒体IEEE802.15.4868/915MHzPHYIEEE802.15.42400MHzPHYIEEE802.15.4MACZigbee网络层NWKZigbee应用框架Zigbee应用逻辑链路控制LLCIEEE802.15.4Zigbee协议Zigbee用户数据链路层物理层频段/MHz带宽/KHz直接序列扩频数据参数码片速率/kcps调制方式数据速率波特率符号868/915868~868.6(1信道，欧洲)600300BPSK2020二进制902~928(10信道，北美)2000600BPSK4040二进制24502400~2483.5(16信道，全球)50002000OQPSK25062.516级正交ZigbeeMAC层主要提供如下6个方面的服务：信标帧的管理，定期或收到请求发送信标帧，使得设备可以与协调器同步。PAN网络的关联和取消关联操作，设备在加入PAN时需要通过关联操作向协调器注册以及进行身份认证，离开PAN时取消关联。采用CSMA/CA的信道访问机制，可以支持尽力递交的数据传输。支持确保时槽机制，支持有时延要求的数据传输。通过确认支持可靠数据传输。为应用提供相应的安全机制。MAC的最大帧长为127字节定义了四种类型的帧：信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧MAC命令帧用于MAC层的控制，包括关联和取消关联、信标请求、数据请求、GTS请求设备可以采用长地址(64比特的IEEE地址)或(加入PAN时由协调器分配的16比特的)短地址标识地址信息字段根据需要可以进一步分为目的PANID（0/2）、目的地址（0/2/8）、源PANID（0/2）和源地址（0/2/8）。29210～20可变2

帧控制顺序号地址信息MAC帧负载FCS

MAC帧数据帧用于传输高层发到MAC子层的数据；确认帧：在收到目的地址为自身的数据帧或者MAC命令帧，且控制信息字段的确认请求位为1时发送，其顺序号设为收到的帧的顺序号信标帧地址信息：16比特的PANID+16比特或64比特的协调器地址超级帧描述：给出了超级帧的持续时间、活跃部分持续时间、竞争访问阶段的持续时间GTS分配字段给出了无竞争阶段分成了多少个时槽，每个时槽分配给哪个设备待转发数据字段给出了目前暂时在协调器处保存的数据对应的设备地址30214/102Kmn2帧控制顺序号地址信息超级帧描述GTS分配待转发数据负载FCS超级帧机制31无信标开启（nonbeacon-enabled）网络PAN的管理仍然需要信标帧来完成，但不是定期发送信标帧。数据和命令帧采用标准的CSMA/CA信道访问机制：首先等待一段随机的时间，监听信道是否空闲，如信道空闲则