《计算机组网原理》补充：无线通信网 2018/11/10 上海交通大学计算机系.

《计算机组网原理》补充：无线通信网 2018/11/10 上海交通大学计算机系

一、概述二、移动通信基本原理三、无线局域网—802.11 四、宽带无线接入—802.16 五、兰牙技术六、移动IP
2018/11/10 上海交通大学计算机系

一、概述 1. Wireless Network 大致分成三类： (1) 系统互联短距离的通信。蓝牙技术 2018/11/10
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(2) 无线局域网 IEEE 标准 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(3) 无线广域网低速： GSM、CDMA 第2.5代 GPRS 高速： IEEE 802.16标准

二、移动通信基本原理 2018/11/10 上海交通大学计算机系

移动电话系统第1代移动电话 Analog voice 模拟语音第2代移动电话 Digital voice 数字语音第3代移动电话
Digital voice and data (Internet，，etc.) 数字语音和数据 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1. 第1代移动电话：模拟语音蜂窝的概念移动电话主要采用频率复用，但分配给移动电话的频段很少，远不能满足用户的需要。
1. 第1代移动电话：模拟语音蜂窝的概念移动电话主要采用频率复用，但分配给移动电话的频段很少，远不能满足用户的需要。因此就提出将地区划分成小区，称为蜂窝（Cell），每个蜂窝内使用一组频率，相隔一段距离后，相同的频率又可重复使用。每个蜂窝区域的范围约为10～20公里。最早在AMPS系统中使用(1982年，Bell)。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

GSM The Global System for Mobile Communication
2 . 第2代移动电话：数字语音 D-AMPS GSM The Global System for Mobile Communication CDMA Code Division Multiple Access 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(1) GSM 复用方式：频分+时分 2018/11/10 上海交通大学计算机系

工作原理 2018/11/10 上海交通大学计算机系

AC：用于认证，保护用户不被非法用户盗用 EIR：其中登记有移动电话的设备类型，用于识别设备类型
HLR：用户原登记注册地区的数据库 VLR：用户移动到外地后，当地的数据库 AC：用于认证，保护用户不被非法用户盗用 EIR：其中登记有移动电话的设备类型，用于识别设备类型 2018/11/10 上海交通大学计算机系

呼叫寻址过程 2018/11/10 上海交通大学计算机系

步骤： 1. 呼叫目的移动电话 2. 电话网识别移动电话号码，传送此呼叫到相应的MSC 3. 询问HLR
4. 该移动用户不在本地，转发到用户所在地的VLR（漫游） 5. VLR返回routing number给HLR，并传到MSC 6. 根据routing number，呼叫被转移到用户所在的MSC 7.8. 目的地MSC直接从VLR中访问到目的用户的参数 9. 将呼叫送达目的基站及目的用户移动电话 10. 移动电话回答对方的呼叫 2018/11/10 上海交通大学计算机系

采用编码方式实现信道复用，具有容量大、保密性好、抗干扰性强等优点。
(2) CDMA Code Division Multiple Access 码分多重访问采用编码方式实现信道复用，具有容量大、保密性好、抗干扰性强等优点。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1)Chip Sequence 每个比特(bit)时间被分成m个短的时间片，称为Chip (薄片)。
通常每个比特有64个或128个Chip，以下我们以8个Chip为例。每个站点被指定一个唯一的m位的代码，称为Chip sequence。发送“1”时，站点发送chip sequence的原码；发送“0”时，站点发送chip sequence的反码。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

例如： A的chip sequence为 A发送“1”时为 A发送“0”时为为解释时容易理解，用“+1”代替“1”，用“-1”代替“0”。见下图所示。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

设某站的chip sequence是S，内含S1…Si 另一个站的chip sequence是T，含T1…Ti
2) 正交特性设某站的chip sequence是S，内含S1…Si 另一个站的chip sequence是T，含T1…Ti 得S和T的“内积”： S x T = 0 S x S = 1 S x Ŝ = -1 2018/11/10 上海交通大学计算机系

3) 发送时的复用见图 (c) 其中“-”表示该站未发送。如 B 、C 站均发送1，则得： ( ) + ( ) = ( ) 2018/11/10 上海交通大学计算机系

4) 接收时的还原运用内积规则如收到复用后的S，欲还原C，只需求 S x C即可。例： S = Ā + B + C S x C =( Ā + B + C ) x C = Ā x C + B x C + C x C = = 1 见图(d)所示。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

第一、二代移动通信的标准是由各个国家制定的，因而互通性、兼容性很差。为移动通信的漫游带来很大困难。
3. 第三代移动电话第一、二代移动通信的标准是由各个国家制定的，因而互通性、兼容性很差。为移动通信的漫游带来很大困难。国际电信联盟（ITU）希望在制定第三代(3G)标准时有一个统一的规范。1985年ITU首先提出了第三代移动通信系统，当时被称为“未来公众陆地移动通信系统”，即FPLMTS（Future Public Land Mobile Telecommunication Systems）。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1996年ITU正式将其更名为全球移动通信系统IMT－2000，意即：在2000年左右进入商用；工作在2000MHz频段；
工作带宽是2000kHz。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

按ITU总目标，第三代移动通信系统有如下目标和特征：（1）提供高速率和多种速率支持多种业务，能支持从话音到分组数据到多媒体业务，特别是Internet，应能根据需要来提供必要的带宽。其最低无线传输要求是：快速移动环境：最高速率达114kbps 步行环境：最高速率达384kbps 室内环境：最高速率达2Mbps 2018/11/10 上海交通大学计算机系

（2）全球覆盖及全球无缝漫游、全球使用共用频段（1885－2025MHz，2110－2200MHz）。但不要求各系统在无线传输设备及网络内部技术完全一致，而要求在网络接口、互通及业务能力方面的统一或协调。（3）高频谱效率。（4）高服务质量：具有长话的话音质量，比特错误率小于10－6的数据业务。（5）低成本、低功耗、小体积、高保密等良好的商业特性。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

W-CDMA (Wideband CDMA) CDMA2000 TD-SCDMA
2000年月ITU从全球各大公司提交的10种第三代通信技术标准建议中选择了三种作为3G应用的技术标准。即： W-CDMA (Wideband CDMA) CDMA2000 TD-SCDMA 2018/11/10 上海交通大学计算机系

WCDMA（Wideband CDMA）宽带CDMA。该标准由欧洲国家提出。WCDMA源于欧洲和日本几种技术的融合。WCDMA采用直扩模式，载波带宽为5MHz，数据传送可达到每秒2Mbps（室内）及384Kbps（移动空间）。WCDMA与GSM网络有良好的兼容性和互操作性，其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

CDMA2000 是美国电信标准组织用于第三代CDMA的名称。该标准由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、朗讯和三星等厂商都有参与。CD－MA2000是由窄频CDMA发展而来，发展路线是CDMA—CDMA1X—CDMA2000，技术的延续性强。但是CDMA2000的多载传输方式比起WCDMA的直扩模式，对频率资源利用率偏低。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

TD—SCDMA（Time Divided Synchronization CDMA）时分同步CDMA。
由中国大唐集团提出，TD—SCDMA的优势在于，采用了智能天线、联合检测等先进技术，通过动态选择业务模式，有较高的频率利用率，不需要对称频段，只需很少的启动频率，而且TDD方式适合承载不对称数据业务。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

世界上已颁发的119张3G牌照中有112张为WCDMA，7张为CDMA2000。
据2003年10月报道：世界上已颁发的119张3G牌照中有112张为WCDMA，7张为CDMA2000。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

三、无线局域网 — 802.11基本概念 802.11标准 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1.无线局域网：802.11 为了规范无线局域网移动数据通信所使用的频率和通信方式， 1997年起IEEE陆续公布了802.11标准系列：
802.11a、802.11b、802.11d、 802.11e、802.11f、802.11g、 802.11h、802.11i。该系列往往简称为Wi-Fi。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

802.11定义了物理层和MAC层的工作，在802.11之上能运行IP协议。它有两种工作模式： (1) 通过基站(base station)通信

基站之间由以太网相连 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(2) 移动主机直接通信 ( 不需要基站 ) Ad hoc 网络，又称为MANETs (Mobile Ad hoc NETworks) Ad hoc为拉丁语，意思是：即席性。

Ad hoc网的主要特点：网络的自主性各移动主机之间直接通信，不需要借助其它网络基础设施。动态变化的网络拓扑结构
移动主机的位置及成员数经常在变动。分布式控制移动主机兼具路由器和主机功能，主机间地位平等。多跳(multihop)无线网络涉及路由选择问题。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

Ad Hoc网需解决路径寻找问题 2018/11/10 上海交通大学计算机系

移动主机自身的局限性如：发射功率小，电池寿命短。无线网络的局限性如：带宽有限，碰撞冲突的特殊性。网络生命周期短
一旦工作结束，原有网络即告消失。网络安全性差 2018/11/10 上海交通大学计算机系

802.11与802.3因处理的对象不同，工作时有以下差异： 1) 无线电波的功率小，使侦听的范围有限，而且信号与噪音的区分更困难。 A 和 C收不到各自发出的信号。

2) 多次反射，造成multipath fading。
在室内环境中，发射信号会在多个物体表面(如：墙面、桌子、天花板、人)发生反射，在不同平面反射后的信号到达接收点时会产生频移，并且比原始信号稍有延迟。在接收端出现多个信号的叠加，使接收端的误码率增加。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

3) 固定通信的应用程序不适用于移动通信。 4) 移动主机在不同的cell(蜂窝)之间移动时对外界是透明的。 Portal。

2.无线局域网 (1) 协议簇 2018/11/10 上海交通大学计算机系

802.11 到现在为止己推出及正在制定的 8个标准如下： 802.11a 5GHz频段上的物理层标准。
802.11b 2.4GHz频段上的物理层标准。 802.11d 当前802.11规定的操作只在几个国家是合法的，该标准扩充802.11在其它国家的应用。 802.11e 改进和管理WLAN的服务质量，保证多媒体业务的传输。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

802.11f 实现不同厂商WLAN之间的互操作，保证网内访问点之间信息的互操作。 802.11g 是802.11b的扩充，通过提
性能和应用。 802.11h 增强5GHz频段的802.11MAC 规范及802.11a物理层规范。 802.11i 增强WLAN的安全和鉴别机制。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

802.11a、b、g的比较： 802.11b是最早推出，也是目前普及最广和应用最多的WLAN标准。工作在无需申请的2.4GHz频段，通信距离100米，具有抗干扰能力强，接入方便，价格低等优点。但其传输速率只有11Mbps，满足不了动态图像传送的需要。 802.11a在很大程度上解决了802.11b的不足，最大传输速率为54Mbps。但是它使用需要申请的5GHz频段，与802.11b不兼容，而且传输过程中信号损耗大，穿越墙壁困难，因而用户比802.11b少。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

802.11g是2003年6月公布的标准。它与802.11b兼容，升级容易，传输速率达54Mbps，而且对障碍物的穿透能力较强，同时又具有802.11a的优点。所以被认为将成为WLAN的主流标准。
物理层最大标准传输速率传输距离频段 802.11b 11(5.5)Mbps 米 GHz 802.11a 54(24)Mbps 米 GHz 802.11g 54(10-20)Mbps 150米 GHz 括孤中为实际传输速率。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

IEEE 体系结构 2018/11/10 上海交通大学计算机系

BSS：Basic Service Set. 基本服务集合，相当于一个蜂窝（Cell）。
BSS：Basic Service Set 基本服务集合，相当于一个蜂窝（Cell）。由一组执行相同MAC协议，争用同一共享媒体的接入站组成。 BSS内的移动主机可以是分布式的，也可通过位于Access Point（接入点）的基站接入。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

ESS：Extended Service Set. 扩展服务集合。. 由多个BSS通过一个分布式系统互联而成，像一个单一的逻辑局域网。

(2) 物理层 802.11协议的物理层除使用红外线外，主要采用扩频(spread spectrum)技术进行通信。根据不同的扩频技术提出了若干个标准，这些扩频技术主要是： FHSS Frequenc Hopping Spread Spectrum 跳频扩频 DSSS Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列扩频以上两个标准于1997年提出，工作在2.4GHz ISM频段，传输速率为1或2Mbps。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用
1999年提出的802.11a，工作在5GHz频段，传输速率最高为54Mbps。 2001年提出的802.11g采用相同的OFDM，但工作在2.4GHz频段，速率为11Mbps～54Mbps。 HR-DSSS High Rate DSSS 高速直接序列扩频 1999年提出的802.11b，工作在2.4GHz ISM频段，传输速率最高为11Mbps。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

名称解释： FCC Federal Communication Commission 联邦通信委员会 (美国) FCC对频段的划分作出规定。
联邦通信委员会 (美国) FCC对频段的划分作出规定。 ISM Industrial、Scientific、Medical 工业、科学和医学该频段不需经许可就可以使用。另一个不需经许可就能使用的频段是 5GHz，它划归国家信息基础设施使用。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1) FHSS Frequenc Hopping Spread Spectrum

扩频技术简介扩频技术最初是为军事及情报部门的需求而开发的。早期的通信使用固定的频率，很容易被敌方侦测到，并加以窃听或干扰。扩频技术的基本思想是将携带信息的信号扩散到较宽的频谱带宽上，接收端必须知道所传播的扩频信号相关参数才能正确地恢复发送信号，如果接收端没有调整到正确的频率，它收到的扩频信号将是一片噪声。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

下图是扩频数字通信系统的一般模型。输入的数据首先进入信道编码器，并产生模拟信号，这个模拟信号具有围绕某个中心频率的、相对较窄的带宽。

然后这个信号被一个伪随机数字序列进行调制，通过调制使传输信号的带宽有显著增加，即频谱被扩展。在接收端，使用相同的数字序列对扩频信号进行解调。最后，信号进入信道解码器被还原成数据。伪随机数使用一些被称为种子(seed)的初始值通过某个算法得到。在通信过程中，除非知道算法和种子，否则不可能推测出这个序列。因此，只有与发送方共享信息的接收器才能够成功地将信号解码。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

2) DSSS 使用直接序列方式扩频，原始信号中的一个比特在传输信号中采用Chipping code(切片编码)被转换成多个比特(在802
2) DSSS 使用直接序列方式扩频，原始信号中的一个比特在传输信号中采用Chipping code(切片编码)被转换成多个比特(在802.11中为11个)，称为Barker sequence。这种切片编码将信号扩展到较宽的频带范围，而这个频带范围与使用的比特数成正比。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

3) OFDM 不同的信道采用频分多路复用(FDM)方式，但不同的信道在相位上是正交的(成直角)。 802
3) OFDM 不同的信道采用频分多路复用(FDM)方式，但不同的信道在相位上是正交的(成直角)。 a使用了52个频率，其中48个用于传送数据，4个用于同步。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(3) 802.11 MAC 子层协议 1) 隐藏站点与暴露站点问题
问题产生的原因是：每个移动主机的发射功率有限，其发出的信号只使一定半径范围内的机器能够检测到。从而存在两种错误的判断，即：隐藏站点暴露站点 2018/11/10 上海交通大学计算机系

Hidden station problem
A发送报文给B，但因C在A的信号范围之外，C没有察觉A的发射信号，如果C也发报文给B，则会造成C和A信号的重叠，使此次发送失效。见图 4-11 (a) 2018/11/10 上海交通大学计算机系

图4-26 (a)表示A隐藏在B的后面，在C的信号范围之外，A检测不到C的信号，可能造成在B点处A和C的信号冲突。

Exposed station problem 在图4-11(b)中，如果B发送报文给A，但C暴露在B的发送信号范围之内，C检测到有信号，它就不会发报文。但事实上，在这种情况下C发报文给D应该是没有问题的。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

在图4-26中，A发报文给其它主机，但B正好位于A的信号范围之内， B因检测到A的信号，B将不会发报文给C。

2) IEEE MAC层结构 2018/11/10 上海交通大学计算机系

DCF：Distributed Coordination Function. 分布式协调功能
DCF：Distributed Coordination Function 分布式协调功能使用类似CSMA的算法解决竞争问题。 PCF：Point Coordination Function 点协调功能由点协调器采用轮询的方法，所以没有竞争问题。属可选功能。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

CSMA with Collision Avoidance
① CSMA/CA CSMA with Collision Avoidance 如检测到信道空闲，则主机发送报文，不管发送过程中是否发生冲突，发送站都将报文发送完毕。如检测到信道忙，则发送站等待，直至信道空闲时再发送。如果发生冲突，则各站等待一个随机时间 (使用以太网的二进制指数后退算法)后再次尝试。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

② MACAW Multiple Access with Collision Avoidanca for Wireless 该方式在正式发送报文之前有一个预处理过程，即发送站与接收站之间先交换两个短帧(30字节)： RTS： Request To Send CTS： Clear To Send 两个短帧中都包含了发送报文的长度。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

任何移动主机(A)在发送报文前先发一个RTS，接收主机(B)如果同意接收，则送回一个CTS，见图4-27。

A收到CTS后就可发送数据帧，同时启动一个定时器。 B正确地收到数据帧后发一个确认帧ACK，A收到ACK，则此次发送即告结束。如果A在定时器时间内没有收到确认，则重新开始前面的过程。
这个方法的基本思想是：在通信之前发送方和接收方之间互发短帧(RTS和CTS)，发送和接收方周围的站点就会监测到这些短帧，从而不会在即将到来的数据帧期间发送自己的帧。检测到RTS帧的任何其它站点均向A关闭，并且保持足够长的时间不发帧，使A可以无冲突地收到数据帧。所有检测到CTS帧的站点均向B关闭，并在后继数据到来期间保持沉默。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

暴露站点问题的解决：下面结合图4-12与图4-27解释使用RTS和CTS后为什么能解决隐藏站点和暴露站点问题。
在图4-12(a)中，C位于A的范围之内，但在B的范围之外，在A发数据时存在暴露站点问题。现在C收到A发出的RTS，知道A将向B发数据，C在内部发一个NAV(Network Allocation Vector)信号，阻止本站向A发数据帧。同时C只要不和CTS产生干扰，就可以随意地在A发送数据帧时向除A以外的其它站点发送自己的帧。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

图4-12(a) 2018/11/10 上海交通大学计算机系

隐藏站点问题的解决：图4-12(b)中，D位于B的范围之内，而在A的范围之外，在A发数据时存在隐藏站点问题。这种情况下，D听不到A发出的RTS，但是却能听到CTS，此时D在内部产生NAV信号，告诉它不能向B发数据帧，直到A向B发送数据结束为止。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

在无线网中如果产生冲突，要等到传输层发现已经太迟，在MACAW方案中，由数据链路层发ACK。另外又加入载波侦听，当有其它站点发RTS时，自己就不发RTS。采用简单的仃—等算法，发送站只有收到对前一帧的确认后才发下一帧。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

无线网存在的一个严重问题是它的噪声干扰远大于有线网，因而通信不可靠，出错率高。
③ 通过帧分段降低出错率无线网存在的一个严重问题是它的噪声干扰远大于有线网，因而通信不可靠，出错率高。设1位的出错概率为p，每帧有n位，则正确接收1帧的概率为(1 – p)n，随着帧长度的增加，其正确接收的概率减小。对于一个标准的最大长度以太网帧(12,144bits)来说，当 p = 10-6 时，有超过1%的帧出错。在802.11协议中将长帧分段，采用发短帧的方法来解决这个问题。将长帧的发送转变为一串短帧的发送，称为fragment burst。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

④ 帧间间隔 InterFrame Spacing
当PCF与DCF模式在同一个蜂窝中共存时，为了保证工作的平稳和公平运行，802.11规定了它们的工作顺序，这是一组等价于优先级策略的时延。它们是： SIFS PIFS DIFS EIFS 2018/11/10 上海交通大学计算机系

Short InterFrame Spacing
SIFS Short InterFrame Spacing 最短的IFS。接收站在收到RTS或数据帧后等待SIFS时间分别发回CTS或ACK。在fragment bust传输时，发送站每收到1个ACK后间隔SIFS再发下一个短帧。 SIFS取值与物理层有关，DSSS为10s，FHSS为28 s ，IR为7 s。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

PCF InterFrame Spacing
PIFS PCF InterFrame Spacing 在PCF模式中基站发送beacon frame (该帧包含系统的相关参数如站跳顺序、dwell time、时钟同步等，定时发送)或轮询帧的时间间隔。某个站收到询问帧就可以发送数据。其值与物理层有关。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

DCF InterFrame Spacing DCF模式下，一个新的站点开始传输所用的时间间隔。如果发生冲突，则应用二进制指数后退算法解决。
DIFS DCF InterFrame Spacing DCF模式下，一个新的站点开始传输所用的时间间隔。如果发生冲突，则应用二进制指数后退算法解决。 EIFS Extended InterFrame Spacing 某个站收到一个错误的或无法识别的帧进行处理的时间，并等待该段时间，以免影响两站之间的正常通信。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(4) 802.11 帧结构 802.11定义了三种类型的MAC帧：数据帧控制帧管理帧各类帧格式有所不同 2018/11/10

帧控制域 (Frame control) 协议版本 (Version) 允许在同一个蜂窝内同时运行两个版本的协议。类型 (Type)
数据(10)、控制(01)或管理(00)类型。子类型 (subtype) 三种类型中的一些特定要求。例如在控制类型帧中就包含了RTS、CTS和ACK等子类型。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

将帧转发到DS或接收来自DS的帧。DS是指连接不同蜂窝的主干网，如Ethernet。多段 (MF) 表示后面跟随多个段。
去分布式系统 (ToDS) 来自分布式系统 (FromDS) 将帧转发到DS或接收来自DS的帧。DS是指连接不同蜂窝的主干网，如Ethernet。多段 (MF) 表示后面跟随多个段。重试 (Retry) 表示该帧是一个重传帧。电源管理基站将接收站置成睡眠状态或从睡眠状态被唤醒。节约电池消耗是移动设备必须关注的重要问题。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

表示该帧已采用WEP算法加密。有线等效保密 (W)
WEP (Wired Equivalent Privacy)采用RC4算法。这是一种流加密方式，就是将一个短密钥扩展成一个无穷伪随机密钥流，发送端将密钥流和明文进行异或运算，生成加密后的密文。顺序 (O) 通知接收站严格地按顺序处理所收到的连续的帧。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

接收端地址。如果ToDS置“1”，则指DS的接入点地址，如果ToDS置“0”，则是接收站点地址。
持续时间(Duration) 数据帧、确认帧和NAV占用信道的时间。地址1 (Address 1) 接收端地址。如果ToDS置“1”，则指DS的接入点地址，如果ToDS置“0”，则是接收站点地址。地址2 (Address 2) 发送端地址。如果FromDS置“1”，则指DS的接入点地址，如果FromDS置“0”，则是接收站点地址。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

帧和段的顺序号。其中12位用于帧序号，4位用于帧内的分段号。数据域 (Data) 长度可变，最长可达2312字节。
地址3 (Address 3) 发送基站地址。用于蜂窝间的通信。地址4 (Address 4) 接收基站地址。用于蜂窝间的通信。序列 (Seq.) 帧和段的顺序号。其中12位用于帧序号，4位用于帧内的分段号。数据域 (Data) 长度可变，最长可达2312字节。校验域 (Checksum) 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(5) 服务 802.11定义了9项服务。其中5项为分布服务，用于管理蜂窝成员以及不同蜂窝成员之间的交互工作。另外4项为站点安全可靠服务，用于单个蜂窝内的工作。 1) 分布服务 (Distribution servive) ① 关联 (association) 移动主机将自身与基站相连接。在请求连接时向基站报告自已的身份及需求，如数据传输速率，需要的PCF服务，能源管理等。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

② 退出关联 (Disassociation)
移动站或基站撤消它们之间的连接。 ③ 重新关联 (Reassociation) 移动站在不同的蜂窝之间移动时改变所连接的基站，并且在移动过程中不应丢失数据。 ④ 分发 (Distribution) 用于如何将帧送往基站。如果在基站的信号范围之内，则可直接送给基站。反之，将借助有线网发给基站。 ⑤ 整合 (Integration) 用于802.11网与非802.11网通信时的地址和报文格式转换。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

2) 站点服务 ① 认证 (Authentication)
为提高通信的安全性，该项服务提供身份认证。在移动站已与基站关联进入所属蜂窝后，基站向移动站发出一个特殊的查询帧，通过核对分配给移动站的密钥(或password)来确认该站的合法性，并最终同意该站在蜂窝注册。 ② 撤消认证 (Deauthentication) 当已认证的移动站要离开网络时需撤消认证，并不再被允许使用原网络。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

③ 保密 (Privacy) 处理信息的加密与解密。采用RC4加密算法。 ④ 数据的递交 (Data delivery)
802.11不提供可靠性保证，当需经过Ethernet通信时，Ethernet也不提供可靠性保证，所以必须由高层协议来负责检查和校正差错，以保证最终递交的正确性。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

四、宽带无线接入 — 2018/11/10 上海交通大学计算机系

802.16 IEEE 802.16标准是一种“last mile”(国内称“最后1公里”)的无线宽带接入解决方案，2002年4月8日公布。
正式名称是“Air interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”，或称为“Wireless Metropolitan Area Network”、“wireless local loop”。 IEEE 标准工作在10～66 GHz。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

另外二种无线接入方式： LMDS(Local Multipoint Distribution Service)
工作在24G～38GHz频谱，利用高容量点对多点微波传输。几乎可以提供任何种类的业务。速率从64kbps到2Mbps，最高达155Mbps。被称为“无线光纤”。 MMDS(Multichannel Multipoint Distribution Service) 工作在2.5G～3.5GHz频段，可为用户提供点对点、点对多点服务，还支持用户终端业务、GSM短消息、GPRS电信业务。常被称为WDSL。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1. Comparison of with 802.16 802.16是固定用户的远距离无线接入标准，而802.11是一个移动主机构成的局域网标准。由于环境和需要解决的问题不同，两个标准有根本的差异。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

2. The 802.16 Protocol Stack IEEE 802.16: MAC及10～66 GHz PHY；
P802.16a: 增补方案,需申请许用执照的频段，2～11 GHz； P802.16b: 增补方案，WirelessHUMAN,无需申请许用执照的频段， 5～6 GHz； P802.16c: 增加了系统的互操作性； P802.16d: 2～11 GHz互操作性规范； P802.16e: 移动无线城域网的方案。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

MAC层可以与ATM层、以太网层、IP层(包括IPv4和IPv6)连接，并在标准中保留了与其他协议接口的未来发展余地，以针对不同的业务需求，提供多种接口，适应LMDS全业务系统的特点。

3. The Physical Layer 工作在10-66GHz，采用毫米波(millimeter wave)。毫米波是直线传送，方向性强。而蜂窝通信无线电波是无方向性的。采用不同的调制方式，以适应不同传输距离的需要。但距离愈远，其传输速率愈低。 QAM-64(6bits/baud)； 25MHz时 150bps QAM-16(4bits/baud)； 25MHz时 100bps QPSK(2bits/baud)。 25MHz时 50bps 2018/11/10 上海交通大学计算机系

物理层（PHY层）被设计成具有高度的灵活性，以利于优化系统的整体性能配置。IEEE 802
物理层（PHY层）被设计成具有高度的灵活性，以利于优化系统的整体性能配置。IEEE 物理层定义了两种双工方式：TDD和FDD。这两种方式均使用突发数据传输格式，该传输机制支持自适应的突发业务数据。标准使用的是按需分配多路寻址－时分多址DAMA-TDMA技术。按需分配多路寻址DAMA技术是一种根据多个站点之间的容量需要的不同而动态地分配信道容量的技术。时分多址TDMA是一种时分技术， 2018/11/10 上海交通大学计算机系

它将一个信道分成一系列的帧，每个帧都包含很多的小时间单位，称为时隙。时分多路技术可以根据每个站点的需要为其在每个帧中分配一定数量的时隙来组成每个站点的逻辑信道。通过DAMA－TDMA技术，每个信道的时隙分配可以动态地改变。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

802.16中采用Hamming码作前向纠错。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

4. The 802.16 MAC Sublayer Protocol
(1) Security sublayer 包括两部分： 1)加密封装协议，负责对传输的分组数据加密，包括加密算法以及算法在MAC PDU分组数据中的应用规则。加密只针对MAC PDU中的载荷部分，MAC头不被加密， MAC层中的所有管理信息在传输过程中也不被加密。加密算法可以是：DES(cipher block chaining or triple DES)；AES。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

PKM采用服务器/客户机模型，一个SPKM的客户从基站(即PKM的服务器)那里获得授权以及密钥材料，PKM支持周期性地重新授权及密钥更新。
PKM使用X.509数字证书和RSA算法。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(2) Common part sublayer (CPS)
MAC层的核心部分是共同部分子层(CPS)，它通过MAC SAP(Medium Access Control Layer Service Access Point)接收来自会聚层(CS)的数据，形成MAC CPS层的SDU(服务数据单元)数据包。 MAC层的一个显著特征是：它是基于“连接”的，即所有用户站的数据业务以及与此相联系的QoS要求，都是在“连接”的范畴中来实现的。每一个“连接”均由一个连接标识符(16 bit)来唯一地标识(CID)。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

MAC层预先规定了4种上行基本业务。通过这4种上行预定业务及相伴随的QoS，BS可以预期上行数据的吞吐量及处理时间，并在适当的时间提供查询或分配带宽。在建立某个特定“连接”时，要通过协商确定该“连接”的上行预定业务的类型。 Constant bit rate service：非请求的带宽分配业务； Real-time variable bit rate service：实时查询业务； Non-real-time variable bit rate service：非实时查询业务； Best-efforts service 2018/11/10 上海交通大学计算机系

CPS中共定义了29种管理信息，用于上下行信道描述、系统接入、注册、连接建立、资源申请、动态服务管理、接入认证等功能。
MAC层的管理信息种类决定了其性能，在已出台的IEEE 标准中还预留了部分管理信息域空间，可增补新的管理信息，以增强未来MAC层的功能。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(3) Service specific Convergence sublayer 该层取代了802标准的LLC，是与网络层的接口。它既适用于无连接的数据报协议(如：PPP、IP、Ethernet)也可用于面向连接的ATM。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

5. The Frame Structure 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(1) 通用帧 HeaderCRC： x8 + x2 + x +1 EC：载荷是否被加密。 Type：帧类型。
CI：是否需要整个帧的校验和。因为在物理层已有纠错码，而且本标准不采用重传方式(特别对实时帧不能重传)，所以有时没必要在MAC层作差错检查。 EK：使用哪个加密密钥。 Length：含帧头的整个帧长度。 Connection identifier：连接标识。 HeaderCRC： x8 + x2 + x +1 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(2) 带宽请求帧第1位为1。 Bytes needed：申请的带宽，以携带的字节数计量。无数据段和帧校验，其余与通用帧相同。

五、兰牙技术 2018/11/10 上海交通大学计算机系

Bluetooth 采用低成本的无线广播技术，用于移动电话与笔记本电脑、PDA、游戏机之间或笔记本电脑之间实现短距离无线连接。
具有距离短、功耗小、成本低等特点。 1999年7月发布1.0版。 Bluetooth有从物理层到应用层完整的协议栈。 IEEE有一个相类似的标准802.15，但仅定义了物理层和数据链路层。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1. Bluetooth Architecture
Piconet 是Bluetooth系统的基本组成单元 2018/11/10 上海交通大学计算机系

Piconet 一个 Piconet 中只有一个master，最多可有255个slaves，但同时只允许7个slaves为active状态，其余的都处于 parked 状态。一个 Piconet 是以master为中心的半径为10 m的空间范围。所谓 parked 状态是除了能接受master的呼叫并应答之外不能做其它任何操作。 Piconet 的核心是一个 TDM 系统，由master控制时钟并决定哪一个slave在哪一个时隙内得到通信权限。 slave只能与master通信，slave与slave之间则不允许通信。 Bluetooth 系统的一个重要考虑是系统实现成本，包括芯片成本、系统功耗、处理开销等。 Piconet之间通过bridge组成scatternet。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

2. Bluetooth Applications
13 applications ( Profiles ) 2018/11/10 上海交通大学计算机系

说明基本协议串行口协议客户- 服务器协议网络相关协议 Generic access：在主 – 从之间建立并维护安全的连接
Service discovery：用于发现已由其它设备提供的服务串行口协议 Serial port：仿真一条串行线路客户- 服务器协议 Generic object exchange：定义一个客户- 服务器关系网络相关协议 LAN access：允许 Bluetooth 设备连到一个固定网络 Dial-up networking：允许 Notebook 与移动电话连接 Fax：允许无线 FAX 与移动电话连接 2018/11/10 上海交通大学计算机系

说明（续）电话相关协议保留协议用于两台无线设备之间名片、图片、数据文件等的交换
Cordless telephony：提供无绳电话与其基站的连接，将来无绳电话会与移动电话合二为一 Intercom：允许两台电话机像步话机一样连接 Headset：提供免提语音通信，如汽车中的免提电话保留协议用于两台无线设备之间名片、图片、数据文件等的交换 Object push：提供简单的交换功能 File transfer：提供更通用的文件传输功能 Synchronization： 2018/11/10 上海交通大学计算机系

3. The Bluetooth Protocol Stack
Bluetooth协议栈并不遵循通常的模型规则，802委员会对Bluetooth的协议构架作了修改，定义了802.15协议栈。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(1) The Physical Radio Layer
该层对应于OSI和802的物理层。完成无线电波的发送和调制。本层最关心的是系统的低成本，以期得到较大的市场份额。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

该层是一个工作半径仅为10 m的低功耗系统，工作频段为ISM的2.4 GHz，实现master与slave间的传输。
整个频段被分为79个1 MHz的信道。调制方式为调频制，数据速率约为1 Mbps。使用跳频扩频技术，1600 hop/sec，每一跳有625 s的停留时间。 Bluetooth（IEEE802.15）与 (b、g)使用相同的频段，所以会相互干扰，这个问题尚未有一个很好的解决办法。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(2) The Bluetooth Baseband Layer
Baseband层在802.15中得以保留，从其所实现的功能来说，分属802协议中的数据链路层和物理层。该层处理如何将位流构成帧，master怎样控制时隙，怎样为数据帧分配时隙等。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

每次跳频中使其平稳的时间约250 ～ 260 s，即在一个时隙（625 s）中366 s可用于传输数据，即可传输366个bit
在每个 piconet 中，master定义一系列的625 s的时隙，并规定master在偶数序列的时隙内开始发送，而slave允许在奇数序列的时隙内开始发送。每次跳频中使其平稳的时间约250 ～ 260 s，即在一个时隙（625 s）中366 s可用于传输数据，即可传输366个bit 对于单时隙的帧来说，存取码和头部为126 bit，所以尚余240 bit可用于有效数据的传输 (366–126 = 240) 对于5个时隙的帧来说，包括存取码和头部的126 bit在内，共有2870 bit为数据（2744为有效数据），很明显，多时隙帧的有效数据传输率远高于单时隙帧。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

Baseband Layer的逻辑链路每个帧通过逻辑信道(称为link，链路)在master和slave之间传送。
主、从机之间存在两种类型的链路： ACL链路 --- 异步无连接（Asynchronous Connection-Less） SCO链路 --- 同步面向连接（Synchronous Connection Oriented） 2018/11/10 上海交通大学计算机系

ACL链路直接与L2CAP层接收或递交数据。 ACL链路允许在无规则周期（帧的时隙数不固定）内进行报文交换。
一个slave与master之间的只有一条ACL链路。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

SCO SCO链路用于实时数据的传输，如电话（PCM的语音信道）等。每个方向的信道都被定位在固定的时隙上。
一个slave最多可有三条与master之间的SCO链路。每条SCO链路可以是64 kbps，PCM方式的语音信道。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(3) Data Link Layer 数据链路层协议由一组相关协议组成，包括： Link manager、L2CAP、Audio和Control。 Link manager处理设备间逻辑信道的建立，包括电源管理、认证和服务质量等。 Logical link control adaptation protocol（L2CAP）的作用是对上层协议屏蔽下层传输细节，类似于802协议中的LLC（Bluetooth自己的LLC）子层，但实现技术不同。 Audio和Control分别完成语音和控制，即应用层可不必通过L2CAP而直接得到下层的服务。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(4) The BluetoothL2CAP Layer
1) 从上层来的数据包（分组）最大可达64 kB，为了传输，很可能必须拆分成较小的帧，而在另一端，又必须重组成数据分组。 2) 多数据源的复用和分解，对到达目的端的分组进行重组，并送达不同的上层应用协议处理。 3) 在master和slave双方建立链路和正常操作期间处理QoS需求，还协商设定允许的最大载荷大小，以尽可能少浪费大分组设备的处理能力。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(5) Middleware layer 中间件层包含一组不同的协议，如： LLC、
RF comm、Telephony、Service discovery等。这里的LLC是IEEE为与其它802协议兼容而增加的。 Radio Frequency communication（RF comm）仿真一个标准的串口协议，以与PC上的键盘、鼠标、modem等设备连接。 Telephony是一个实时的协议，用于应用层三个面向话音的Profile，包括呼叫的建立和中止。 Service discovery用于在网络中定位各种服务。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(6) Application layer 完成相应的应用工作，如图4-36所列的profile。 2018/11/10

4.The Blutooth Frame Structure
Access code：72 bits，标志本数据帧来自指定slave所在的区域内的哪一台master（可能是两台中的一台） Header：54 bits，详细说明在后 Data：0 ～ 2744 bits，如帧长为 5 个时隙，则有效数据可达2744 bits 2018/11/10 上海交通大学计算机系

Header说明 Addr：3 bits，最多有8台设备 Type：4 bits，帧类型(ACL、SCO、pollor null)
Flow：1 bits，流控制，slave不能接收数据时置位 Acknowledgement：1 bit，捎带确认 Sequence：1 bits，用于对重发帧检测的编号，因为采用的是停 - 等协议，所以只需1 bit Checksum：8 bits 2018/11/10 上海交通大学计算机系

18 bits 的头部重复三次，即54 bits，接收端的电路检测这54 bits，只要这三个相同的头部中有两个以上相同，则被接收，即54 bits仅为传输10 bits之用。这在噪声环境中，对于低功耗（仅2.5mW）的设备为减少计算量而增加冗余量是必要的。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

SCO和ACL类型的帧格式 SCO帧格式中的有效数据长度固定为240 bits（单时隙帧），有三种变体，有效数据长度分别为80、160和240 bits（剩余的用作纠错）。但在最可靠版本的格式中固定为80 bits，并与格式的头部一样，有效数据段中80 bits被重复三次。 ACL帧格式中的有效数据的长度有多种格式，包括多时隙帧，如5个时隙的帧，有效数据长度为2744 bits。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

用于PCM语音信道的帧格式 master发送数据必须从偶时隙开始，而slave必须从奇时隙开始，所以如都使用单时隙帧格式，则两者都得到800 slot/sec，如每帧都传输80 bits，那么两个方向都为64 kbps，这正好与一个全双工的PCM语音信道相一致。这也正是跳频的频率选定为1600 hop/sec 的原因之所在。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

虽然一个全双工的语音信道包括两个64 kbps的速率，但已使一个piconet的1 Mbps的带宽完全饱和。
如采用不带冗余的帧格式，即240 bit/slot，则相当于可支持三条全双工的语音信道，这意味着允许每台slave最多可有三条与主机之间的SCO链路。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

六、移动IP 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1. 移动主机的路由下图是一个连接有局域网、城域网和无线蜂窝的广域网。其中包含了静止用户和移动用户。 2018/11/10

寻找移动用户的路由选择过程与2.6节介绍的蜂窝通信呼叫寻址过程非常类似。
每个主机有一个不会改变的永久性的本地方位(home location)，该方位由本地地址(home address)来标识。电话号码是一般电话的主地址，在介绍IP协议和移动IP后，可以知道，IP网中的本地地址就是IP地址。本地代理(home agent)，相当于2.6节中的HLR，用来管理本区域中现正在外地漫游的用户。外地代理(foreign agents)，相当于2.6节中的VLR，用于管理所有来到本区域的外地移动用户。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1)外地代理定期广播，宣告自己的存在及地址。新到的移动主机等待该广播，如等不及也可主动询问外地代理的位置。
(1)移动用户在外地代理登录的过程 1)外地代理定期广播，宣告自己的存在及地址。新到的移动主机等待该广播，如等不及也可主动询问外地代理的位置。 2)移动主机在外地代理登录，并登记它的本地地址、MAC地址和一些安全信息。 3)外地代理向移动主机所属的本地代理核实。 4)本地代理核对安全信息，确认无误后通知外地代理。 5)外地代理获得通知后，开列相关表项，并通知移动用户登录成功。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

(2) 移动主机的路由选择过程 2018/11/10 上海交通大学计算机系

1) 根据接收端的本地网络地址将报文发往原目的地。目的地本地代理根据登录表查到移动主机新的位置，以及该位置的外地代理地址。
步骤： 1) 根据接收端的本地网络地址将报文发往原目的地。目的地本地代理根据登录表查到移动主机新的位置，以及该位置的外地代理地址。 2) 原地点的本地代理将报文重新打包后发往新位置。新位置的外地代理将原报文取出，作为数据链路层的帧送给接收移动主机。这种方式称为隧道。 3) 原地点的本地代理通知发送者当前接收主机所在位置的外地代理地址。 4) 随后的报文直接经由新位置的外地代理发送给接收主机。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

2. 移动IP 回顾固定网络中报文经过路由器选择路由的过程，路由器根据报文目的地址的网络号(或子网号)判别转发的网络，因为路由器所连网络内的主机IP地址都是固定不变的，所以到达目的地网络后可以很方便地找到目的主机。但在移动网中，主机在不同的网络中移动，目的地主机IP地址(该IP地址一旦分配后是不变的)的网络号与路由器所连网络的网络号往往不一致。也就是说在移动网中移动主机固定的网络号与移动主机当前所处的网络号无关。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

IETF于1996年提出了移动IP标准(RFC2002，2003，2005，2006)
因此对移动网的寻址提出了以下要求：每个移动主机如何在任何地方仍能使用原地分配的IP地址。新方法不允许修改固定主机和路由器原有的软件。绝大多数报文要能直接送达已移到新位置的目的主机，不必再到原地绕道。如果移动主机在原地的话不能增加开销。问题的关键是网络如何发现移动主机新的所在地。 IETF于1996年提出了移动IP标准(RFC2002，2003，2005，2006) 2018/11/10 上海交通大学计算机系

移动IP类似于5.2.9节介绍的移动主机的路由选择，其工作步骤如下：（1）用户主机移动到外地后在当地的外地代理登记。管理外地代理的主机与用户主机原所在地的本地代理联系，并将一个care-of address（关照地址）告诉原地的本地代理主机。该关照地址通常是外地代理主机自己的IP地址。 (2）当一个分组报文到达移动用户主机原地所在网络（根据报文内的目的IP地址）。网络路由器广播ARP询问包，以获得目的主机的MAC地址。本地代理主机响应该询问，并给出自己的MAC地址。路由器将报文转发给本地代理。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

（4）外地代理根据目的主机的MAC地址(从原本地代理处获知)将送到目的主机。
（3）本地代理主机将报文装入IP包，根据关照地址转发到(即隧道方式) 移动主机当前所在地的外地代理。同时，本地代理将外地代理的关照地址送给发送者。（4）外地代理根据目的主机的MAC地址(从原本地代理处获知)将送到目的主机。（5）此后发送者根据关照地址直接将剩余的报文分组送往移动主机当前所在地的外地代理，并转送给移动主机。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

移动IP的一些具体问题：外地代理的定位。外地代理定期广播(advertisements)它的地址以及可以提供的服务，移动主机予以回答。移动主机到达新的地点后也可主动广播，告示自已的到来，等侯外地代理的响应。移动主机的有效期。外地代理存放的移动主机项目都有一个有效时间限止，每个移动主机需要定时重新登录，否则过期后即删除该主机。安全问题。本地代理在转发报文时必须验证发送者的身份。移动的层次性。 2018/11/10 上海交通大学计算机系

《计算机组网原理》补充：无线通信网 2018/11/10 上海交通大学计算机系.

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