移动互联网：原理、技术与应用 第3版 课件全套 第1-9章 移动互联网基础- 移动互联网的应用

移动互联网基础1课程大纲

引言

移动互联网的概念与特点协议和标准化组织移动互联网的设计要求课程安排移动互联网基础无线接入技术移动自组织网络无线传感器网络移动IP技术

2移动互联网传输机制移动云计算移动互联网安全移动互联网的应用移动互联网实验课程大纲

引言

移动互联网的概念与特点协议和标准化组织移动互联网的设计要求课程安排移动互联网基础无线接入技术移动自组织网络无线传感器网络移动IP技术

3移动互联网传输机制移动云计算移动互联网安全移动互联网的应用移动互联网实验移动通信技术两个重要（但有所区别的）的概念

无线:用户通过无线链路进行通信移动:用户网络接入点发生变化4无线通信

在户外使用电磁波传输语音等数据

电磁波特性

光速传播(c=3x108m/s)频率(f)和波长(l)c=fxl高频率意味着高能量

能量越大穿透力越强

长波:100-1000m(30-300kHz)和短波:20-200m(150-1500kHz)5无线传输机制无线传播展现出的物理特性是复杂多样的，但通常来说总结为三种主要特性:反射

衍射

散射

6无线传输机制反射

当电磁波传播经过大小远远大于自身波长的物体时产生例如:从地表和建筑物上反射这些反射可能与源信号之间产生正向或负向干扰

7障碍建筑物RR:反射信号源接收者街道无线传输机制

衍射

当电磁波在信号源和接收者之间传播遇到不能被穿透的物体和锯齿状物体表面而偏离直线传播时发生解释了在城市和乡村中，原本沿直线传播的电磁波如何能传播到因视线被遮挡而看不到的地方

8障碍建筑物DRR:反射D:衍射信号源接收者街道无线传输机制

散射

当电磁波传播经过大小与自身波长相近或比较小的物体时产生

当传播路径中存在众多细小障碍物时产生.当传播路径中存在小颗粒、粗糙表面和其他不规则物体时产生

与衍射遵循相同的原则使得传播过来的电磁波能量朝四周散去

灯柱和路牌都有可能导致散射现象

9障碍建筑物DRSR:反射D:衍射S:散射信号源接收者D街道电磁频谱10基础–传播特性光波沿直线传播在

VLF,LF,andMF

波段,无线电波在地表传播.调幅广播使用MF波段11基础–传播特性在

VLF,LF,andMF

波段,无线电波沿地面传播.调幅广播使用MF波段在

HF

波段,电磁波往往会被地表吸收。

到达电离层(距地表大约100-500km),被吸收吸收反射电离层12基础–传播特性LOS路径反射波定向天线的使用波沿多条路径传播LOS:直线传播反射波干扰原信号VHF传播13基础–传播特性

14高频无线电波特性

难以绕过障碍物

多条直传路径

低频无线电波特性

可以绕过障碍物传输模型15通常关注频率在几MHz到几GHz之间的电磁波的特点和传输模型无线信道建模对以下几方面来说是比较重要的:决定一个信号源的覆盖范围

决定信号源的能量需求

决定电池的使用时间

寻找调制和编码方法以提升信道质量

决定信道容量的上限电磁频谱161m10m100m1km10km100km1000kmSatelliteRadioMobilePhoneWirelessLANBlueteethInfrared（1012~5X1012GHz)（2.4~2.48GHz)（2.4~2.4835GHz)（800M~2GHz)（88~108MHz)（300GHz)载频/信道

载频

发送者和接收者之间传输的信息被承载到一个特殊的频段

信道特性

每个信道都有一个固定的频带宽度(KHz)和容量(bit-rate)不同的频段(信道)之间可以并行和独立的传输信息17移动网络步行移动用户

低速

小范围漫游

通常高带宽/低延迟交通工具

高速

大范围漫游

通常低带宽/高延迟

使用高性能终端设备(手机)

18移动网络网络基础设施无线主机笔记本电脑,PDA,IP电话运行应用19移动设备20移动网络网络基础设施基站(AP)主要连接有线网络中继–主要负责为区域中的无线用户和有线网络之间传送数据21接入设备(AE)22移动网络网络基础设施无线链路主要用来连接移动用户和基站也用作主干链路多种接入协议共同保证链路的可接入

多种传输速率、传输距离23网络类型无线电报Marconi(1896)从那时起到现在…收音机电视移动电话

卫星(1960s)WLAN传感器网络

移动互联网……24

网络类型蜂窝网

无线局域网(WLAN)PAN卫星

25

蜂窝网

从地理上将网络分成一些圆形的小区域-蜂窝传输能量决定蜂窝大小为什么需要蜂窝?频率复用无线成功的依据!从1996年开始,新的移动用户数量已经超过固话用户26

蜂窝网:演进

第一代(1G):模拟技术FDMA模拟调频电路交换网络通话音质较低

无安全机制

低容量AMPS(高级移动电话系统800-900MHz)27

蜂窝网:演进

2G(第二代)数字编码

高比特率声音有限的数据传输速率(10Kbps)GSM,D-AMPS(TDMA)andCDMA附属服务(数据,传真andSMS)一定程度的加密2.5G2G系统的扩展(GSM)分组交换连接(GPRS)高数据传输率(多达百Kbps)28

蜂窝网:演进

3G(第三代)高数据传输率(Mbps)远不止语音服务…支持接入带宽服务、全动态语音、视频会议、互联网接入(IP)IMT_2000W-CDMA,CDMA2000,TD-SCDMA(China)频率分配

3G&WLAN:互补关系4G5G29

网络类型蜂窝网

无线局域网(WLAN)PAN卫星

30

WLAN-无线局域网

本地使用无线链路连接

IEEE802.11WLAN标准

Example:WaveLan,Aironet,WiFiWirelessLAN可能被用于最后一跳的无线接入在主机和有线网络之间的无线接入31

WLAN标准(待续)

HIPERLAN(高性能无线局域网)多种变化,从带宽23.5Mb/s的类型1到带宽155Mb/s的类型4覆盖范围从50米到5千米暂无相关产品

32

IEEE802.11x

从上世纪90年代末以来,IEEE已经形成4个802.11协议标准:IEEE802.11IEEE802.11aIEEE802.11bIEEE802.11gIEEE802.11n33IEEE802.11

1997:IEEE802.11最原始的无线网络协议标准2.4GHz频段，最高2Mbps带宽调制:FHSS或DSSS安全:WEP&WPA兼容b和g协议34IEEE802.11a1999:IEEE802.11a5GHz频段，最高54Mbps带宽调制:OFDM安全:WEP&WPA“Wi-Fi认证”不兼容802.11,b和g35IEEE802.11b1999:IEEE802.11b2.4GHz频段，最高11Mbps带宽

调制:DSSSwithCCK安全:WEP&WPA“Wi-Fi认证”兼容802.11和g36IEEE802.11g2003:IEEE802.11g2.4GHz频段，最高54Mbps带宽调制:采用OFDM，带宽高于20Mbps,采用补充编码键控的DSSS，带宽最高20Mbps 安全:WEP&WPA“Wi-Fi认证”兼容802.11和b37IEEE802.11n2009:IEEE802.11n2.4GHz频段，最高54Mbps传输速率调制:MCS调制编码表规定了各种调制机制安全:WEP&WPA“Wi-Fi认证”兼容802.11a/b/g38网络类型蜂窝网无线局域网(WLAN)PAN

卫星39

个人局域网(PAN)

使各种设备之间可以短距连接

10米范围内家用电器,办公设备,“可穿戴”计算设备IrDA(红外线数据协会)对使用红外线作为无线用户最后一跳连接的技术进行标准化

数据传输速率总共为4Mb/s,但仅能达到115Kb/s范围在几米内，仅能直线传播

容易受到干扰40

网络类型蜂窝网

无线局域网(WLAN)PAN卫星

41

卫星

卫星天线在地球表面的轨道是固定的

两个或多个（地表）地面站之间的通信主要靠外太空的多个卫星来作为中继站上行链路:地面->卫星

下行链路:卫星->地面

42地面站

地面站卫星TCP工作良好?高度:36000km120ms延迟

课程大纲

引言

移动互联网的概念与特点协议和标准化组织移动互联网的设计要求课程安排移动互联网基础无线接入技术移动自组织网络无线传感器网络移动IP技术

43移动互联网传输机制移动云计算移动互联网安全移动互联网的应用移动互联网实验IEEEIEEE–电气与电子工程师协会1963建立AIEE-

无线电工程师协会(1912):IRE-the

美国电气工程师协会(1884)总部设在纽约在160个国家中拥有超过425,000名会员51.4%的会员在美国宗旨:致力于推动电工技术在理论方面的发展和应用方面的进步.44IEEE-知名协议标准IEEE802

IEEE802.3————以太网IEEE802.11————无线局域网IEEE802.15————蓝牙IEEE802.16————宽带无线接入…45IETF46IETF—国际互联网工程任务组

公开性质的大型民间国际团体，汇集了与互联网架构和互联网顺利运作相关的网络设计者、运营者、投资人和研究人员首次会议于1986年1月16日召开每年召开三次会议对所有对此行业感兴趣的人士开放IETF-文稿

互联网草案互联网草案是IETF相关领域相关工作组的工作文稿，其他工作组也可以发布草案。互联网草案没有正式的定位，可以在任何时间被修改或删除;因此不能在任何正式的文档中被引用。47IETF-文稿

RFC—征求评议文件RFC是由工程师和计算机科学家以备忘录的形式描述适用于互联网和网络系统的方法、行为、研究和创新工作。它提交同行评审或简单地表达新概念,信息或(偶尔的)工程上的小幽默。IETF将其中一些发布，作为互联网标准的RFC。48IETF-工作组IETF工作组是IETF的主要机构，主要复杂制定规范和指南，而这其中许多最后将变成标准和建议

工作组通常用来解决特定的问题或产生一个或多个特定的可交付成果(指导方针、标准规范等)。49IETF-主要的工作组ApplicationsInternetOps&MgmtRAIRoutingSecurityTransport50ISO国际标准化组织—ISO1946在伦敦建立宗旨:在世界范围内促进标准化工作的发展51什么是标准

标准是一种提供可以持续使用,以确保材料、产品、流程和服务是适合相应目的的需求、规范、指南或特征的文档。

ISO已经发布了超过19500个国际标准，这些标准可以从ISO商店或它们的成员那里购买。52ITU国际电信联盟

ITU-RITU-TITU-DITU-T确保生产标准在全球范围内有效和及时的覆盖电信行业的所有领域为国际电信行业的服务制定关税和会计制度53中国通信标准化协会CCSA（中国通信标准化协会）54其他组织

ANSI（美国国家标准学会）ETSI（欧洲电信标准化协会)ARIB（日本无线工业及商贸联合会）55课程大纲

引言

移动互联网的概念与特点协议和标准化组织移动互联网的设计要求课程安排移动互联网基础无线接入技术移动自组织网络无线传感器网络移动IP技术

56移动互联网传输机制移动云计算移动互联网安全移动互联网的应用移动互联网实验移动互联网的设计要求即时接入

支持突发流量提供无缝的移动性

支持服务质量控制QoS提供安全保障

提供灵活的组网方式57课程大纲

引言

移动互联网的概念与特点协议和标准化组织移动互联网的设计要求课程安排移动互联网基础无线接入技术移动自组织网络无线传感器网络移动IP技术

58移动互联网传输机制移动云计算移动互联网安全移动互联网的应用移动互联网实验课程安排

59无线移动互联网基础知识重要网络类型前沿技术无线接入技术移动自组织网络无线传感器网络移动云计算移动互联网传输机制移动IP技术移动互联网安全无线接入技术60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6161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62部署无线网络的建筑物63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64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65无线通信的类型蜂窝网无线计算机网络无线广播66无线应用67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68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、5G69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7070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

71IEEE802标准族

72IEEE802.22RAN“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7373AP关联场景(日常生活中)74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75802.11WLAN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76网络基础设施自组织网络APAPAPwirednetworkAP:AccessPoint802.11WLAN(待续)工作组77802.11802.11802.11a802.11b802.11g802.11nProtocolReleasedateOp.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78MAC(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79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)83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CWmin84分布式协调功能DCF(待续)85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DCF86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87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:300Mbps88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)89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90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91AP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VIRGIL92AP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VIRGIL93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94AP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VIRGIL95AP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@WMSCI200596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=totalnumberofcandidateAPs97AP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VIRGIL98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99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100Y:AP负载向量101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102瓶颈链路的检测-例子103取整方法-例子104AP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VIRGIL105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106AP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VIRGIL107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@INFOCOM2007108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:NumberofSTAsassociatedwithAP109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)110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:Routingairtimecost111AP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VIRGIL112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@IEEEContributionDoc113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)114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115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116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)117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)SpecificEnrollmentMessagesoverEAP118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)SpecificEnrollmentMessagesoverEAP119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120AP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VIRGIL121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122AP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VIRGIL123VIRGIL:

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@MobiSys2006124VIRGIL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AP125VIRGIL:探测AP“Quality”是一个高度主观的概念带宽端口流量往返周期126VIRGIL:探测AP(待续)127AP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128VIRGIL: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129仿真:连接时间和连接质量130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3G4G131131802.15WPAN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132802.15WPAN(待续)802.15802.15.1802.15.2802.15.4b802.15.3a802.15.3b802.15.4802.15.3802.15.4a133

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…..134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135超带宽(UWB)(待续)WirelesstechnologyPowermWRagemeterBW/channelRatebpsCDMA1xEVDO600~20001.25MHz2.4M802.16(WiMAX)250~400025MHz120M802.11g(WiFi)50~10025MHz54MBluetooth1~101MHz<1MUWB<3010~30500MHz100M~1G136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137137138802.16WMAN

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139802.16802.16.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

140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3G4G141141802.20MBWA

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142802.20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)143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3G4G144144802.22WRAN

IEEE802.22是全球第一个基于认知无线电的标准

无线宽带接入在不产生干扰的前提下复用电视的频段物理层确定下行链路OFDMA参数已经确定上行链路OFDMA参数将很快确定下来145功能需求146功能需求(待续)147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1481483G技术3G技术优于其他数字通信技术，如：GSM(全球移动通信系统)全球通用的通信标准

首先应用于北美的IS-136TDMA标准3G技术WCDMA或者UMTS-FDD(通用移动电信系统——频分双工)直接扩展CDMA2000-1x-EvDO/EvDV多载波UMTS–TDD(时分双工)orTD-SCDMA(时分-同步码分多址)时间编码1493G技术的优势改进的数字语音通信

大带宽–高数据传输速率大用户容量

以宽带的速度提供像E-mail，短信服务和互联网接入这样的高速分组数据服务.更多消费者可能想要的服务

位置服务

网络游戏

流媒体服务

家居监视和控制

谁知道在世界各地漫游时还有什么别的想要的服务？1503G性能堪比公共电话的语音通话质量144Kbps-用户在高速交通工具中384Kbps-静止不动或小范围慢速移动多达2Mbps-诸如办公应用之类的固定应用对称/非对称数据传输速率支持分组交换和电路交换数据服务,如互联网(IP)流量和实时视频151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1521524G技术无缝移动(漫游)在不同协议网络之间随意漫游整合不同的无线通信方式

室内网络(如.无线局域网和蓝牙);蜂窝网;收音机和电视，卫星通信全速移动时速率达100Mb/s(大范围);低速移动时速率达1Gbit/s(局部范围)整合语音，数据，视频的IP化通信系统IPRAN1531534G技术(待续)开放统一的标准流控制传输协议(SCTP)取代TCP单个连接中同时存在多条数据流服务定位协议(SLP)自动资源发现通过基于IP的服务和地址代理使所有网络资源实现自动配置1541545G第五代移动通信技术5G应用场景移动互联网物联网我国2013年2月成立IMT-2020（5G）推进组155156移动自组织网络:MANET157课程大纲

引言媒介访问控制层(MAC)协议单信道MAC协议多信道MAC协议基于功率控制的MAC协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结移动自组织网络与传统网络依赖于网络基础设施PSTNGSMAP不依赖于基础设施的网络AdHoc158159移动自组织网络与传统网络A,C之间进行通信B作为中继协议需求基站示例自组织网络示例

仅有移动节点主机和路由器

多跳基站+移动节点基站和移动节点之间无线链路基站之间的有线链路；160三类不同的无线自组织网络移动自组织网络(MANET)可能高速移动的节点电池能量有限无线自组织传感器/设备网络相对固定的电池能量十分有限大规模的无线自组织骨干网络快速部署的无线基础设施主要为固定节点共同点自组织方式部署,没有基础设施S-D节点之间的路由可能会包含多跳161MANET特性无线和移动性

自组织动态部署资源有限完全分布式主机和路由器

…162应用

紧急状况如:灾难救援医疗救助军事行动应用163军事应用1981:美国为海军建立了一套高频自组织网络;1991:美国建立了一套“改进的高频自组织数据网络”,其中充分利用了短波自组织网络技术;1994:美国采用宽带技术提升战术通信的机动性和生存能力;近年来:美国，英国，法国，荷兰和其他一些国家都使用单兵作战系统;等等.…164应用临时或智能应用环境,例如:会议室应用视频点播智能办公蜂窝网络之间的覆盖盲区等等.165挑战频谱分配(ISM波段)介质访问非集中式:TDMA无法使用移动性无干扰接入路由链路经常中断网络拓扑变化CS80240333CUIYong166挑战多播树形可能无法工作?能源利用率电池数据包转发TCP性能面向连接假设节点是静止的丢包和长RTT位置服务安全和隐私167自组织网络的架构应用层新应用传输层拥塞和流量控制

网络层寻址和路由

链路层介质访问物理层误码和接口

移动自组织网络中的关键技术168169课程大纲

引言媒介访问控制层(MAC)协议单信道MAC协议多信道MAC协议基于功率控制的MAC协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结动机无线网络中的介质访问问题信号强度的降低和距离的平方成比例发送者可能会应用CS和CD,但冲突会发生在接收者处发送者可能无法侦听到冲突的发生，例如，CD故障CS可能会故障，例如，终端是“隐藏的”的情况170MAC层协议单信道MAC协议ALOHA,CSMA,MACA,MACAW,FAMA…多信道MAC协议DBTMA,HRMA,RICH,MCSMA,MMAC…基于功率控制的MAC协议PAMAS,PAM,PCMA使用定向天线的MAC层协议DBTMA,DMAC171172课程大纲

引言媒介访问控制层(MAC)协议单信道MAC协议多信道MAC协议基于功率控制的MAC协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结竞争性协议ALOHA经典ALOHA协议

如果用户有数据要发送，就直接发送.干扰和冲突严重18.4%的信道利用率173

Station

1Station2Station

(N–1)Station

NBUSInterfaceALOHA一般模型ALOHA174基站1基站2基站N–1基站N

到达6542317传输传输传输冲突重传冲突重传冲突重传冲突重传ttttt…T02345671T0T0T0T0ALOHA操作过程:ALOHA时隙ALOHA协议

把信道分成若干等长时隙.如果用户有数据要发送，则必须在时隙的起始处发送.提高了信道利用率，但增加了时间开销35%

信道利用率

175

冲突和转发冲突和转发会话1会话2T0T0tt到达到达

到达到达竞争性协议载波侦听多路访问协议(CSMA)ALOHA协议太容易发生冲突而且信道利用率低.CSMA协议中，节点监听信道中是否有其他节点发送数据，只有在信道空闲时自己才发送数据(最初用于IEEE802.3以太网中)176竞争性协议MACAMACA使用控制消息握手来避免冲突RTS(请求发送消息)

在发送实际数据包之前，发送者先向接收者发送一个短RTS包，以此来请求发送实际数据包的权利CTS(清除发送消息)

接收者在准备好接收数据后授予发送者实际数据包的发送权控制消息包含发送者地址接收者地址数据包大小177Karn’90time-out

data;NAKMACA改进协议该改进方法出现在802.11协议中，称作DFWMAC(分布式无线MAC)idlewaitfortherighttosendwaitforACKsenderreceiverpacketreadytosend;RTStime-out;RTSCTS;dataACKRxBusyidlewaitfordataRTS;RxBusyRTS;CTSdata;ACKACK:positiveacknowledgementNAK:negativeacknowledgementRxBusy:receiverbusytime-out

NAK;RTS178MACAWMACAW(无线MACA)：MACA协议的一个修订版发送者监听信道，如果周围站点无人发送RTS(RequestToSend)

消息，则发送一个RTS消息.接收者回复CTS(ClearToSend)消息邻居节点如果接收到CTS,则停止发送数据.如果接收到RTS消息而不是CTS消息,则停止发送数据，直到接收到返回的CTS消息.接收者在收到数据消息后回复ACK消息.邻居节点在收到该ACK消息之前都停止发送数据.冲突没有冲突检测.当没收收到CTS消息时，发送者就知道产生了冲突它们等待指数退避时间.179竞争性协议FAMA基于一种由数据发送者和接收者之间的载波侦听操作和冲突避免会话组成的信道访问规则.FAMA-NCS180FAMA181FAMA-NPS182课程大纲

引言媒介访问控制层(MAC)协议单信道MAC协议多信道MAC协议基于功率控制的MAC协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结竞争性协议BTMA传输信道被分为两部分:传输数据信息的数据信道传输忙音信号的控制信道183竞争性协议DBTMABTMA方法的扩展.传输数据信息的数据信道传输控制信息(RTS和CTS消息)和忙音消息的控制信道.184HRMA一种基于半双工、慢跳频扩频的多信道MAC层协议使用预留和握手机制使通信双方保留一个跳变频率来保证无干扰传输.可以看做一种为每个时隙分配独立频段的时隙预留协议.185收方驱动跳频协议RICH与HRMA协议的原理相似RICH是由接收方发起的多信道MAC协议网络中所有节点按照一个共用的跳频序列改变传输信道，通过分组握手后，停留在当前的跳隙上进行数据分组的传输，其他的节点继续跳频。RICH协议无需载波侦听和分配单独的码字，却能够有效减轻隐藏终端问题。RICH协议和HRMA协议类似，只能应用于跳频网络中，对于采用DSSS等机制的系统却不适用。186多信道CSMA协议MCSMAMCSMA协议是在单信道的CSMA/CA协议基础上做出的改进。每个节点需要N个无线收发器，可以同时侦听N个信道基于预留的多信道机制性能好，但传输时延会增大。187动态私有信道协议

动态私有信道（DynamicPrivateChannel，DPC）协议采用一个广播控制信道CCH和多个单播数据信道DCH进行通信。其中CCH可以被所有的节点共享，接入该信道是基于竞争模式的。DPC是面向连接的，只要某个DPC是空闲的，每个节点都可以使用该信道进行单播数据传输。188MMAC协议

支持节点动态切换信道MMAC利用信标将时间划分为固定的时间间隔，收发节点在数据分组传输前在ATIM窗口中进行信道协商。MMAC协议无需专门的控制信道，提高了网络吞吐量，并且每个节点仅需要一个无线收发器。但是，该协议需要节点间的时间同步。189190课程大纲

引言媒介访问控制层(MAC)协议单信道MAC协议多信道MAC协议基于功率控制的MAC协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结功率控制信号MAC协议PAMAS

基于MACA的多信道MAC协议RTS/CTS握手信号在控制信道上交互，数据在数据信道上传输，在数据传输过程中，控制信道上发送忙音有选择地关闭某些不需要接收和发送的节点，节省能量191能量控制MAC协议PCMPCM协议在节点发送数据消息的过程中，周期性地提高发射功率至最高功率阻止了邻近节点因无法感知数据消息的发送而可能导致的冲突有效提高了系统的吞吐量192能量节省MAC协议PCMA采用多信道，一个专门用于忙音信号，另一个用于其他控制消息和数据消息目标：在节能的同时提高信道利用率RPTS/APTS消息类似于RTS/CTS消息，不同的是并不使邻近节点立即推迟发送193194课程大纲

引言媒介访问控制层(MAC)协议单信道MAC协议多信道MAC协议基于功率控制的MAC协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结使用定向天线的MAC层协议有许多优势:降低信号干扰增加系统吞吐量提高信道利用率使用定向天线的MAC层协议使用一种RTS/CTS交互机制使用定向天线来发送和接收数据包例子基于定向忙音的MAC层协议(DBTMA)使用定向天线来传输RTS,CTS,数据帧和忙音.使用定向天线的MAC层协议195196课程大纲

引言媒介访问控制层(MAC)协议竞争性协议带有预约机制的竞争性协议带有调度机制的竞争性协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结其他MAC层协议能量控制MAC协议(PCM)允许节点基于单个数据包来改变自身的发送功率基于接收者的自动速率协议(RBAR)使用速率适应的方法交叉载波监听多路访问协议(ICSMA)可用带宽被分成两个大小相等的信道握手是在两个信道之间交叉进行的197其他MAC协议多信道MAC协议(MMAC)多个数据传输信道没有专门的控制信道.基于信道用途可将信道分为三类:高优先权信道(HIGH),中优先权信道(MID)和低优先权信道(LOW)多信道载波侦听访问MAC协议(MCSMA)可用带宽被分为多个信道.198199课程大纲

引言媒介访问控制层(MAC)协议竞争性协议带有预约机制的竞争性协议带有调度机制的竞争性协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结MAC层协议总结无线介质容易出现隐藏站点和暴露站点的问题协议主要基于CSMA/CA基于RTS/CTS的信号使用Ack增加可靠性竞争窗口用于拥塞控制IEEE802.11无线网络标准公平性问题仍未确定200CS80240333CUIYong201移动自组织网络:MANETCS80240333CUIYong202课程大纲

MANET中的路由MANET路由协议设计先应式协议DSR和优化AODV反应式协议OLSRDSDV混合协议ZRP,LANMAR总结CS80240333CUIYong203MANET单播路由主机的移动性因移动而导致的链路失效/恢复可能与其他原因导致的同类问题具有不同的特性不稳定性

当节点快速移动时链路失效/恢复的概率可能会更高需要新的性能标准

不管如何移动路由都要保持稳定能量消耗提出的方法有些专门适用MANET的方法其他的是对旧协议进行修改，并应用于有线网络的没有一个协议是运行良好的一些研究者尝试开发自适应协议CS80240333CUIYong204典型的协议按需/反应式

当需要传输数据时，源节点通过一种路由发现过程来计算路由;全局/预计算

从一开始就计算出到所有目的节点的路由

通过周期性的路由更新来维护路由表混合式

结合上述两种技术来实现网络的路由.优势&不足?互联网路由器?BGP/OSPF/ISIS/RIP?CS80240333CUIYong205如何权衡路由发现的延迟预计算协议因为维护着包含所有路由的路由表所以延迟较低反应式协议因为只有在X试图向Y发送数据时才计算X到Y的路由，所以可能会产生很大的延迟路由发现/维护的开销反应式路由因为只有在有需求时才计算路由，所以开销会较小预计算协议因为需要不断进行路由更新，所以开销可能（但不是必须的）会很大取决于流量类型和移动方式CS80240333CUIYong206如何向目的节点发送消息路由反应式预计算事先没有路由呢?有什么简单的解决方法?CS80240333CUIYong207数据洪泛

BASEFHJDCGIK表示相连的节点在彼此的传输范围内ZY表示已经收到数据包P的节点MNL从S向D发送一个数据包CS80240333CUIYong208数据洪泛BASEFHJDCGIK表示数据包P的传输方向表示首次接收到数据包P的节点ZY广播MNLCS80240333CUIYong209数据洪泛

BASEFHJDCGIK节点H从两个邻居处都接收到数据包P:潜在的冲突ZYMNLCS80240333CUIYong210数据洪泛BASEFHJDCGIK节点C从G和H接收到数据包P,但不再继续转发下去,因为节点C已经转发过一次数据包P了ZYMNLCS80240333CUIYong211数据洪泛BASEFHJDCGIKZYM节点J和K都向节点D广播数据包P

因为节点J和K互为隐藏节点,它们的传输可能会产生冲突=>

尽管使用洪泛的方法，但数据包P可能不会被发送给节点DNLCS80240333CUIYong212数据洪泛

BASEFHJDCGIKZY因为节点D是接收数据包P的目的节点，

所以节点D不会转发数据包PMNLCS80240333CUIYong213数据洪泛

BASEFHJDCGIK

洪泛完成

从节点S无法到达的节点接收不到数据包P(例如,节点Z)

对于所有到S的路径都经过D的节点，也接收不到数据包P(例如:节点N)ZYMNLCS80240333CUIYong214数据洪泛

BASEFHJDCGIK洪泛的方法可能会把数据包发给太多节点(在最坏的情况下,所有可达节点都可能会受到数据包)ZYMNLCS80240333CUIYong215数据洪泛