移动互联网：原理、技术与应用 第3版 课件 CH2 无线接入技术

无线接入技术1课程大纲引言IEEE802标准族802.11(WiFi)802.15(Bluetooth,UWB)802.16(WiMax)802.20802.22

蜂窝网标准3G4G及5G技术发展22无线网络无线网络是一种将无线电波作为传播媒介的网络用户最后一跳使用无线的方式连接，这就使得在建筑物或校园中的各处都可以连接上网络主干网通常使用有线连接3部署无线网络的建筑物4无线通信的历史古列尔莫-马可尼于1896发明无线电报通过使用模拟信号编码字母数字字符的方式来进行通信跨大西洋发送电报信号1914–首次使用无线电波进行语音通话20世纪60年代发射通信卫星无线技术的进步收音机，电视，移动电话，通信卫星最近卫星通信，无线网络，蜂窝网技术5发展无线网络的原因移动通信的需求无线通信使用在采用有线比较困难或完全无法实现的地方一种通信系统必须能快速部署通信设备必须以较低的初始成本进行安装相同的信息必须被广播到许多地方6无线通信的类型蜂窝网无线计算机网络无线广播7无线应用8无线网络存在的问题在一个不受控的环境中运营,所以更容易受到干扰,造成信号损失、噪音，更容易被窃听通常，无线设备的数据传输速率低于有线设备相对于无线传输媒介，在有线传输媒介中更容易实现频率复用9如何使用无线网络?

想要解决无线网络存在的问题，首先要为无线网络制定各种标准

IEEE802标准族802.1x

蜂窝网标准3G、4G、5G10课程大纲引言IEEE802标准族802.11(WiFi)802.15(Bluetooth,UWB)802.16(WiMax)802.20802.22

蜂窝网标准3G4G及5G技术发展1111处理局域网和城域网限制网络转发可变大小的数据包规定IEEE802底层协议数据链路层

LLC子层

MAC子层

物理层IEEE802标准族

12IEEE802标准族

13IEEE802.22RAN“RegionalAreaNetwork”30-100km54-862MHz18MbpsBW=6,7,8MHz课程大纲引言IEEE802标准族802.11(WiFi)802.15(Bluetooth,UWB)802.16(WiMax)802.20802.22

蜂窝网标准3G4G及5G技术发展1414AP关联场景(日常生活中)15多个接入点（在图中用圆标注出来）提供大量带宽，用户必须从中选择一个“最好”的接入点。AP关联场景(在WMN)用户会连接哪个AP?

左边的AP:信号强,

但负载重并且远离主干网络

右边的AP:信号弱,

但负载轻并且靠近主干网络16802.11WLAN类型依赖基础设施自组织优势部署灵活最大化降低布线难度应对灾难时具有更好的鲁棒性(例如,地震)不足相对于有线网络来说带宽较低需要遵循无线频谱规律17网络基础设施自组织网络APAPAPwirednetworkAP:AccessPoint802.11WLAN(待续)工作组18802.11802.11802.11a802.11b802.11g802.11nProtocolReleasedateOp.FrequencyDatarate(Max)Range(indoor)Range(outdoor)Legacy19972.5~2.5GHz2Mbit/s802.11a19995.15~5.35/5.47~5.725/5.725~5.875GHz54Mbit/s~25m~75m802.11b19992.4~2.5GHz11Mbit/s~35m~100m802.11g20032.4~2.5GHz54Mbit/s~25m~75m802.11n20072.4GHzor5GHz540Mbit/s~50m~125m关联过程IEEE802.11协议的关联过程扫描被动扫描用户扫描监听可用AP发出的信标帧主动扫描用户向AP发送代理请求数据帧用户决定最适合接入的AP用户与接收信号强度指示最强的AP连接用户向AP发送连接请求AP回复连接请求，开始权限认证19MAC(媒体访问控制)层基本接入机制:CSMA/CA半双工信道，冲突无法避免先侦听再发送，一旦信道空闲且节点完成一个随机时间段的等待就尝试发送使用ACK信息保证可靠性存在隐藏站点和暴露站点问题20隐藏站点问题A向B发送数据，C接收不到A发送的数据

C想要向B发送数据，监听到的信道是空闲的在B处发生冲突，但A并不知道A对于C来说就是隐藏站点

BAC15暴露站点问题B向A发送数据，C想向D发送数据C在B的信号覆盖范围内，所以C必须要等待，因为侦听到的信道是忙碌的因为A不在C的信号覆盖范围，所以C的等待是不必要的C对于B来说就是暴露站点BACD16避免隐藏站点问题A和C想要向B发送数据A首先发送RTS帧C接收到B发送的CTS就先不会发送避免暴露站点问题B想要向A发送数据，C想要向另一个节点发送数据现在C不需要再等待，因为它不会收到从A发送过来的CTS帧解决方案ABCRTSCTSCTSABCRTSCTSRTS17

协调功能分布式和集中式无线介质访问协调功能分布式协调功能(DCF)点协调功能(PCF)24分布式协调功能DCF通过动态的选择竞争窗口CW来实现冲突避免机制使用BEB(二进制指数后退算法):传输数据包时，在[0,CW]之间选择一个随机数执行后退算法

当节点发送RTS帧之后没有收到回复的CTS帧,它就会增加竞争窗口大小CW加倍(直到上限)当一个节点完成数据传输，它就将当前竞争窗口大小存储为CWmin25分布式协调功能DCF(待续)26点协调功能PCF驻留在AP(接入点)来协调通信

AP等待PIFS时长后占用信道AP发送CF-Poll帧通知接收PCF管理的站点允许其进行数据传输PCF的优先权优于DCF27帧的类型协议类型帧类型和子类型与DS之间交互更多片段

重操作

能源管理

更多数据

WEP次序

FCDuration/IDAddress1Address2Address3SequenceControlAddress4DATAFCS2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4

bytesNAV信息

或者PS-Poll帧BSSID–BSS标识TA–发送者

RA–接收者SA–源DA–目的IEEE48bit地址个体/群组

全局/本地46bit地址MSDU序列号分片号CCITCRC-32多项式上层数据最大2048byte256byte上层数据包头28物理层直序扩频(DSSS)技术2.4GHz:1–2Mbps跳频技术(FHSS)2.4GHz:2Mbps红外线技术(IR)2.4GHz:1and2Mbps正交频分多路复用技术（OFDM）–IEEE802.11a5.0GHz:6-54Mbps高速DSSS技术–IEEE802.11b2.4GHz:5.5Mbps–11Mbps多输入多输出技术（MIMO）–IEEE802.11n2.4GHz/5GHz:300Mbps29选择一个AP:

什么是用户想要的?接入合适的资源接入一个特定的网络(适当的)因特网接入低延迟如果用户之前没有与该AP连接过，则应最小化配置和建立连接的时间合理的价格(最好免费)30提出新关联方法的原因接收信号强度不是最适宜决定用户建立连接的因素较高的接收信号强度并不表示有高吞吐量接收信号强度反映下行链路状况但并不反映上行链路状况吞吐量大小取决于AP服务的用户数量31提出新关联方法的原因(待续)用户无法感知网络性能在传统方法中，用户在扫描接入点的过程中无法获取其通信信道品质、干扰情况或者传输功率等相关的信息。为了优化接入和重接入过程上行和下行链路状况、用户数量等情况需要应用到关联机制中用户需要将自身与AP关联起来，以获得连接互联网网关的最佳路径32AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL33AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL34基于全局优化的方法在整个网络做全局优化对所有AP和用户的关联进行全局考虑

容易得到一个全局最优解，但难以具体实现35AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL36AP选择和优化信道分配问题创新点AP选择的优化可以平衡整个网络的负载通过最小化瓶颈AP，使全网可以获得更高的带宽利用率，进而获得更高的吞吐量RAkl,SPark@WMSCI200537用户需求分布图AP信号强度图优化函数和约束条件xij

=abinaryvariable;1whendemandclusteriisassignedtoAPj

and0otherwise

Ci=thecongestionfactor

Bj=themaximumbandwidthofAPjTi=theaveragetrafficloadofademandclusteri

L=totalnumberofdemandcluster

M=totalnumberofcandidateAPs38AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL39在无线网络中使用关联控制来实现公平和负载均衡YigalBejerano@MOBICOM2004创新点数学公式建模无线网络中用户-AP关联问题考虑公平性和负载均衡的结合提出保证解有界的近似算法提供最大最小公平性40最大最小公平的带宽分配方案是指在该方案的基础上提升某用户吞吐量只能通过削弱和它吞吐量相等或比其小的用户。问题:如何通过最大最小公平性的方法来实现用户与AP的关联?最大最小公平性：运行实例

B:带宽向量41Y:AP负载向量42最大最小负载均衡：运行实例

最小最大化负载均衡，最大最小公平43瓶颈链路的检测-例子44取整方法-例子45AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL46改进关联选择参数的基本方法更改IEEE802.11协议信标帧在信标帧中，除了传统的信号强度以外，增加我们自己的关联选择参数用户根据这些参数选择AP动态分布式方法47AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL48在基于802.11的mesh网络中的动态跨层关联提出两种新的动态关联方法Airtime关联方法端对端QoS感知关联方法创新点关联架构符合IEEE802.11协议标准考虑信道状况和备选AP的负载Georgeathanasiou@INFOCOM200749提出的方法:airtime关联方法关联基于airtime参数来做决定Airtime参数提供包含忙碌信道数量信息的STAAP上行链路负载下行链路负载

:Channelaccessoverhead:Protocoloverhead:Numberofbitsintestframe:Frameerrorrate:Bitrate

:Averageuplinkerrorprobability:Averageuplinktransmissionrate:NumberofSTAsassociatedwithAP50提出的方法:端对端Qos感知关联机制根据airtime关联方法,STA1关联提供最小airtime值的MAP但是，根据QoS感知跨层方法STA1的关联决定受自己的路由的影响<无线mesh网络>绿线:ExpectedtotalroutingairtimecosttoMAP2红线:数据流(airtime关联方法)51提出的方法:端对端QoS感知关联机制(待续)基于关联airtime值和路由airtime值来做关联决定端对端QoS感知关联方法的主要步骤STA计算帧错误率并发送探测响应请求，其中包含想要接收

该请求的接收者的地址

关联用户的数量，路由airtime值和STA计算为每一个备选MAP计算STA计算

并选择airtime值最小的MAP

:TotalweightedcostcalculatedforMAPi:Associationairtimecostsforuplink:Associationairtimecostsfordownlink:Routingairtimecost52AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL53基于网络特征感知的AP选择用户不仅仅只基于AP信号强度来进行网络选择，考虑的因素还包括:互联网服务的可用性接入开销注册难度关联/授权然后发现这些因素是耗时和麻烦的，而且很低效，并带有不确定性RMahy,ASlide@IEEEContributionDoc54选择一个网络:

目前糟糕的现状

要选择一个曾经访问过并确定能正常工作的熟知的SSID，而对未知的SSID的选择，仍然存在很多问题…用户无法确定哪个互联网服务可用，直到：

关联上注册上支付后互联网服务相关的一些疑问:互联网接入完全可用吗?IPv6网络可用吗?(例如:3GPP的需求)可以用诸如VoIP、Email、IPsecVPNs、流媒体之类应用吗?其他人可以连接我的主机吗？(例如:远程桌面)55方法使这些信息可以在关联之前被获取互联网接入可用性的一般范畴接入开销使用EAP进行自动注册这一功能的可用性…和用于注册的凭证类型方法：把信息单元(IE，1字节净荷/总共3字节)加入到信标中加入其它新的IE到探测响应中56服务特性IE在信标信息中携带占用单字节表示互联网服务可用性的类别标识服务是否是付费的标识注册是否可以57接入开销IE当有需要时加入到探测响应帧中

一系列8位元组.每一个具有均等优先级现在是一种ISO42173字符的字符串持续时间为分钟级价格是尾数(mantissa)乘以10的指数(exp)58该方法如何解决自动登记问题使功能可以被发现,同时提供一种方法，用以发现什么类型的证书是目标WLAN可接受的，什么类型的证书又是供移动基站使用的希望实际的注册过程中使用EAPBeaconProbeRequestProbeResponseAuthenticateAssociateAAA

ServerEAPIdentityEAPTLS(expected)SpecificEnrollmentMessagesoverEAP59注册实例:信用卡的新ISP账户基站通过信标帧得知AP支持自动注册基站使用请求信息元素IE来获取更多的凭证信息AP和移动基站支持一种通用的注册方法，

所以基站连接，然后再使用802.1x/EAPTTLS与AAA服务器建连基站通过EAP信道提供信用卡信息AAA服务器返回未来基站用来进行802.1x授权的可长期使用的用户名/密码

BeaconProbeRequestProbeResponseAuthenticateAssociateAAA

ServerEAPIdentityEAPTTLS(expected)SpecificEnrollmentMessagesoverEAP60接受凭证IE和提供凭证IE接受凭证IE

(被WLAN接受)不需要证书

(开放注册)一次性PIN码

长期的共享密码

用户名/密码组合

来自于某一受信证书发放机构的X.509证书链自签发的X.509证书

附加PIN码的自签发X.509证书

附加用户名/密码的自签发X.509证书信用卡物理位置

提供凭证IE

(由WLAN提供)无长期的共享密码

用户名/密码

X.509证书PKCS12数据结构生成一次性密码(OTP)当加入新的EAP方法时这两列应该是可以扩展的61AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL62基于扫描和测试的方法

用户自己来控制AP关联扫描可用AP来获取AP列表通过测试列表上的AP来选择一个合适的AP轻量级AP关联方法63AP关联方法AP关联方法全局优化改进的关联选择参数扫描和测试优化信道分配动态跨层关联网络特征感知关联优化公平性VIRGIL64VIRGIL:

改进的接入点选择方法什么是VIRGIL一个自动进行AP发现和选择的系统快速连接

运行一系列的测试通过估计带宽和往返周期

寻找阻塞和重定向端口AnthonyJ.Nicholson@MobiSys200665VIRGIL操作过程扫描所有可用AP测试扫描列表里的每个未加密AP获取AP性能参数(SSID,MAC地址,信号强度等等.)尝试从AP获取DHCP地址如果成功，探测AP在本地数据库中存储测试结果基于测试结果选择最优AP66VIRGIL:探测AP“Quality”是一个高度主观的概念带宽端口流量往返周期67VIRGIL:探测AP(待续)68AP的基本信息ESSID,MAC地址和信道号加密(开启或关闭)信号强度,噪声级,发射功率DHCP成功(由AP分配IP地址？)上次扫描的时刻从上次扫描开始被发现的次数对于通过DHCP分配IP地址的AP

往返周期估计(ms)带宽估计(比特/秒)加密(开启或关闭)每个扫描端口的端口状态(开放,关闭,或重定向)VIRGIL:探测AP(待续)通过维护数据库来提升性能，但不做重复扫描更新时间戳字段每30分钟，但这是一个可以配置的值69VIRGIL:选择最优的AP基于测试结果通过“开放端口”AP给用户分配一个DHCP地址

至少会有一个端口是开放的70仿真:连接时间和连接质量71实验：Virgil优于SSS。Virgil发现可用AP的频率比基于信号强度来选择发现AP的方案提升了22%-100%。Virgil发现的AP的性能质量也更好（基于网络带宽）。课程大纲引言IEEE802标准族802.11(WiFi)802.15(Bluetooth,UWB)802.16(WiMax)802.20802.22

蜂窝网标准3G4G7272802.15WPAN无线个域网(WPANs)短距功率低成本低小型网络在单人可操作空间中通信73802.15WPAN(待续)802.15802.15.1802.15.2802.15.4b802.15.3a802.15.3b802.15.4802.15.3802.15.4a74

工作组总结802.15.1:WPAN/蓝牙802.15.2:共存工作组802.15.3:高速(HR)WPAN工作组

802.15.3a:WPAN高速可选物理层工作组

802.15.3b:MAC修改工作组

802.15.4:低速(LW)WPAN工作组(Zigbee)802.15.4a:WPAN低速可选物理层802.15.4b:修订和增强UWB论坛蓝牙什么是蓝牙?工作在2.45GHz频段在10米范围内互联，速度可达1Mbps预计蓝牙芯片成本为5美元低能耗可采用报文交换和分组交换两种模式提供同步和异步的数据服务BluetoothIEEE802.11AUWBfrequency2.4Ghz5GHz3.1~10.6GHzMAXdatarate1Mbps54Mbps100Mbps~1GbpsRange5~10m35~50m10~30mThenumberofchannel7912…..75超宽带(UWB)什么是UWB?使用较大带宽传输数据(>500MHz)对稀缺的无线带宽利用率高

在无线个域网连接中传输速率高，传输距离远2002年2月14日FCC的报告指令授权使用未经许可的UWB2005年11月ITU-R就UWB提交了一份建议报告UWB的优势利用距离和吞吐量的反比关系高带宽:超大吞吐量低能耗轻便灵活无干扰76超带宽(UWB)(待续)WirelesstechnologyPowermWRagemeterBW/channelRatebpsCDMA1xEVDO600~20001.25MHz2.4M802.16(WiMAX)250~400025MHz120M802.11g(WiFi)50~10025MHz54MBluetooth1~101MHz<1MUWB<3010~30500MHz100M~1G77现有无线网络对比主要应用无线USB玩具和游戏消费电子产品位置跟踪手机课程大纲引言IEEE802标准族802.11(WiFi)802.15(Bluetooth,UWB)802.16(WiMax)802.20802.22

蜂窝网标准3G4G及5G技术发展787879802.16WMAN

城域网

(WMAN)能够通过连接802.11协议热点接入互联网覆盖范围可达31英里提出一种工作在10-66GHz和2-11GHz两个频段的点对多点宽带无线接入标准标准涵盖了MAC子层和物理层802.16WMAN(待续)工作组总结80802.16802.16.g802.16.h802.16.k802.16.j802.16.f802.16.m802.16.i802.16f:空中接口管理信息库

802.16g:空中接口管理流程和服务要求

802.16h:优化在免执照的频带上运作的共存机制

802.16i:移动管理信息库

802.16j:多跳中继规范

802.16k:802.16桥接

802.16m:增强的空中接口.移动应用数据传输速率达100Mbps固定应用速率达1GbpsWiMax技术全球微波接入的互操作性(WiMax)提供固定的，移动的，便携的移动无线宽带连接以75Mb/s的速率连接

工作组

WiMAX10-66GHz技术工作组

两份MAC系统配置文件

两份初级的物理层配置文件

WiMAX2-11GHz技术工作组

定义MAC层和物理层系统配置文件

IEEE802.16e和HiperMAN标准

81课程大纲引言IEEE802标准族802.11(WiFi)802.15(Bluetooth,UWB)802.16(WiMax)802.20802.22

蜂窝网标准3G4G8282802.20MBWA

MBWA工作组于2002年12月11日批准成立

为基于IP的服务设计一套基于数据包的正式的空中接口规范，单用户的峰值速率超过1Mbps将在低于3.5GHz的已授权频段上发布MBWA可以在时速高达250km/h(155miles/h)的火车或汽车上为上班族提供可靠的高速无线语音服务和数据传输83802.20特性CharacteristicTargetValueMobilityVehicularmobilityclassesupto250km/hr(asdefinedinITU-RM.1034-1)Sustainedspectralefficiency>1b/s/Hz/cellPeakuserdatarate(Downlink(DL))>1Mbps*Peakuserdatarate(Uplink(UL))>300kbps*Peakaggregatedataratepercell(DL)>4Mbps*Peakaggregatedataratepercell(UL)>800kbps*AirlinkMACframeRTT<10msBandwidthe.g.,1.25MHz,5MHzCellSizesAppropriateforubiquitousmetropolitanareanetworksandcapableofreusingexistinginfrastructure.Spectrum(Maximumoperatingfrequency)<3.5GHzSpectrum(FrequencyArrangements)SupportsFDD(FrequencyDivisionDuplexing)andTDD(TimeDivisionDuplexing)frequencyarrangementsSpectrumAllocationsLicensedspectrumallocatedtothemobileserviceSecuritySupportAES(AdvancedEncryptionStandard)84课程大纲引言IEEE