無線網絡和移動網絡

7.1概述

無線網絡主要包括以下要素：

無線主機：主機本身可能移動，也可能不移動。

無線鏈路：主機通過無線通信鏈路連接到一個基站或者另一台無線主機。不同的無線鏈路技術具有不同的傳輸速率或者傳輸不同的距離。無線鏈路有時也應用於網絡中以連接路由器、交換機和其他網絡設備。

基站：基站是無線網絡中的一個關鍵部分。基站在無線網絡中沒有明確的對應設備，它負責向與基站相關聯的無線主機發送數據並從主機那裏接收數據。基站通常負責協調與之相關聯的多個無線主機的傳輸。所謂的相關聯通常是指該主機位於該基站的無線通信覆蓋範圍內；該主機使用基站中繼它與更大網絡之間的數據。與基站相關聯的主機通常被稱為一基礎設施模式運行。因為所有傳統的網絡服務都由網絡向通過基站相連的主機提供。在自組織網絡中，無線主機沒有這種基礎設施與之相連。主機本身必須提供路由、地址分配和DNS解析等服務。當一台移動主機超過一個基站的覆蓋範圍而到達另一個基站的覆蓋範圍時，它將接入更大的網絡的連接點，這一過程叫做切換。

網絡基礎設施：這是無線主機希望與其通信的更大的網絡。

在最高層次，可以根據網絡中是否有諸如基站這樣的基礎設施和無線網絡中的分組是否跨越了多個無線跳來對無線網絡進行分類：

單挑，基於基礎設施。這種網絡具有與較大的有線網絡相連的基站。基站與無線主機之間的通信都經過一個無線跳。

單挑，無基礎設施。在這種網絡中，不存在與無線網絡相連的基站。但網絡中的節點之一可以協調其他節點的傳輸。

多跳，基於基礎設施。在這些網絡中，一個基站表現為以有線的方式與更大型的網絡相連接。但是有些節點為了經過該基站可能不得不通過其他無線節點中繼。

多跳，無基礎設施。在這些網絡中，節點為了到達目的地可能會在多個無線節點之間中繼報文。節點可能是移動的，在多個節點中改變連接關係，這類網絡叫做移動自組織網絡（MANET）

7.2無線網絡和網絡特徵

無線鏈路與有線鏈路不同，主要表現在：遞減的信號強度；來自其他源的干擾；以及多路徑傳播。主要原因是因為無線鏈路是通過電磁波傳輸的，信號強度會隨距離或穿過物體等減弱（路徑損耗），同頻段的相互干擾，電磁波的一部分經反射後路徑出現變化在接收方會出現多徑傳播導致信號模糊。

在無線鏈路中的比特差錯會更加常見，因此無線鏈路協議不僅使用CRC錯誤檢測碼，還採用鏈路層的可靠數據傳送協議來重傳受損的幀。

信噪比（SNR）是所收到的信號與噪聲強度的相對測量，單位通常為分貝（dB）

比特差錯率（BER）是指在接收方收到的有錯比特的概率

對於給定的調製方案，SNR越高，BER越低，而發送方增加傳輸功率就能提高SNR，從而降低接收方的BER；對於給定的SNR，採用高傳輸速率的調製技術，BER會降低；物理層調製技術的動態選擇能夠用於適配對信道條件的調製技術。

隱藏終端(無線主機之間的傳輸存在干擾或阻擋)和衰減使得無線網絡中的多路訪問十分困難。

CDMA

碼分多址（CDMA）屬於信道劃分協議的一族協議。在CDMA中，每個比特都通過乘以一個信號的比特來進行編碼，這個信號的變化速率（碼片速率）比初始數據比特序列速率快得多。也就是説CDMA通過給主機分配偽隨機的新號碼來實現多路複用，不同的信號碼就代表不同的信道。接收方通常會通過收到的信號的強度是否達到閾值來過濾掉可能不屬於自己的信號。

7.3WiFi：802.11無線局域網

IEEE 802.11 無線LAN，也稱WiFi，是一種較小範圍的接入網技術。

7.3.1802.11無線局域網體系結構

802.11體系結構的基本構建是基本服務集（BSS）BSS包含一個或多個無線站點和一個接入點（中央基站）在典型的歸屬網絡中，有一個AP和一台將該BSS連接到以太網中的路由器

每個802.11無線站點都有一個MAC地址存儲在站點的適配器中，每個AP的無線接口也會有一個MAC地址。

部署AP的無線局域網通常被稱為基礎設施無線局域網，基礎設施指的是AP連同互聯AP和一台路由器的有線局以太網。

信道與關聯

當網絡管理員安裝一個AP時，該管理員為該接入點分配一個單字或雙字的服務集標識符（SSID）管理員還需要為該AP分配一個信道號，802.11可以將頻段分為多個部分重疊的信道，使用信道號是為了將不同的信道盡可能的分隔開從而減小相互之間的干擾。

WiFi叢林是指無線站點可以在某個位置接收到多個AP的很強的信號，無線站點可以從這些AP中選擇一個進行關聯，每個AP都可能位於不同的子網中並被獨立分配一個信道。關聯意味着需要從無線站點到AP建立一條虛擬的鏈路，僅有關聯的AP才向你的無線站點發送數據幀，無線站點也只能從關聯的AP接入因特網。802.11標準要求AP週期性的發送信標幀，包括AP的SSID和MAC地址。無線站點為了獲取可用的AP，會掃描所有信道，找到AP發送的信標幀，從而可選擇其中之一進行關聯。

掃描信道和監聽信標幀的過程被稱作是被動掃描，無線主機也可以進行主動掃描，通過向位於無線主機範圍內的所有AP廣播探測幀實現，AP會使用一個探測響應幀來確認該探測請求幀。選定關聯的AP後，無線主機會發送一個關聯請求幀，而AP會反饋一個關聯響應幀。

7.3.2 802.11MAC協議

802.11無線局域網選擇了一種隨機接入協議--帶碰撞避免的CSMA（CSMA/CA）協議。在傳輸前會偵聽信道，如果信道忙就隨機回退；不使用碰撞檢測（一旦發送一個幀，即使發生碰撞也不會停止發送）；且使用鏈路層確認/重傳（ARQ）方案。

為了降低碰撞發生，802.11會採用一些碰撞避免的技術。

當無線局域網發送一個幀時，目的站點會等待一段時間，也叫短幀間間隔（SIFS）然後返回一個確認幀。如果發送方在一定時間內未收到確認，就會重傳，如果多次重傳仍然未被確認就會放棄發送該幀。

站點監聽到信道空閒，等待一個分佈式幀間間隔（DIFS）後發送幀，等確認。

否則，站點選取一個隨機回退值（二進制指數回退），並在偵聽到信道空閒之後遞減該值，信道忙時該值不變。當計數為0時，發送幀，等確認。

收到確認後若有幀要發送，繼續第一步。若未收到確認，進入第二步的回退階段。

1.處理隱藏終端：RTS和CTS

隱藏終端是指雖然對於AP來説每個無線主機都是不隱藏的，但是無線主機之間是互相隱藏的。這導致不同主機之間無法直接偵聽，就容易發送碰撞。

使用請求發送/清除發送（RTS/CTS）機制可以顯著減少隱藏終端問題的影響。在此機制中：

請求發送（RTS）：當一個終端希望發送數據時，它首先發送一個RTS幀，表明要發送數據的意圖。

清除發送（CTS）：接入點接收到RTS後，響應發送CTS幀，告知所有終端，接下來將有數據發送，並指明發送時間。

這樣，系統中其他終端可以意識到即將發生的通信，從而避免在相同的時間內進行發送。

7.3.3IEEE 802.11幀

1.有效載荷和CRC字段：幀的核心是有效載荷，通常由IP數據報或ARP分組組成。CRC字段用於檢測比特錯誤。

2.地址字段：802.11幀具有4個地址字段，都能包含一個6字節的MAC地址，AP在自組織模式下才會使用地址4，正常情況下只使用前三個地址。地址1是接收該幀的無線站點的MAC地址；地址2是傳輸該幀的站點的MAC地址；地址3是與BSS連接的路由器的MAC地址

3.序號、持續期和幀控制字段：與rdt2.1協議類似，序號是為了是接收方區分新傳輸的幀和重傳的幀。802.11協議允許傳輸節點預約信道一段時間，包括傳輸其數據幀的時間和傳輸確認的時間，這個持續期被包含在持續期字段裏面。幀控制包含許多子字段，隨着不同的模式也會發生變化。

7.3.4在相同的IP子網中的移動性

在相同子網下，如圖，如果主機H1想要從BSS1移動到BSS2。

首先對於H1來説，BSS1的信號逐漸減弱，它就會掃描一個更強的信號，與AP1解除關聯並與AP2關聯，保持其IP地址和維持正在進行的TCP會話。

對交換機而言，在H主機從BSS1移動到BSS2的過程中，交換機A的角色主要體現在MAC地址學習、數據包轉發和MAC地址表更新等方面。初始時，交換機A會在其MAC地址表中記錄H主機的MAC地址（例如，假設為MAC_H）並將其映射到連接BSS1的AP的端口上。當H主機決定移動到BSS2時，儘管MAC地址保持不變，通信路徑會轉變為通過連接BSS2的AP與交換機A進行交流，此時，交換機仍然會記得H主機的MAC地址並與BSS1的AP端口相關聯。在H主機移動期間，交換機A會根據來自BSS2的AP轉發的數據包更新其MAC地址表，記錄H主機的新連接端口，從而確保能夠正確轉發到H主機的新位置。然而，在此過程中，某些數據包（如TCP連接）可能會因H主機斷開而中斷，因此在上層應用中需要採用適當的機制（例如重傳機制）來處理會話的連續性。

7.3.5 802.11中的高級特色

1.802.11速率適應

因為不同的解調技術適合不同的SNR，所以某些802.11實現速率自適應能力，如果一個節點連續發送兩個幀沒有收到確認就會減低速率；如果連續十個幀收到確認就會提高速率。

2.功率管理

功率管理的目的：延長電池壽命、維護網絡連接、提高用户體驗；

一個結點可以明顯的在睡眠和喚醒狀態之間交替。

結點向AP指示打算睡眠，並設置定時器，在AP發送信標幀（100ms一次）前喚醒（約250us）結點。

結點睡眠時，AP先緩存幀，待以後傳輸。

短暫的喚醒時間、接收信標幀時間、檢查緩存幀的時間，能大大節約能源。

7.3.6個人域網絡：藍牙

藍牙網絡也被稱為個人區域網絡（WPAN）或微微網

藍牙無線信道使用時分複用，在每個時隙期間，發送方在79個信道之一傳輸，信道的頻率使用偽隨機的方式改變，這種跳頻方式叫跳頻擴頻（FHSS）主要是用於減小干擾。

藍牙網絡的組成

1. 主設備（Master）：控制網絡的設備，負責建立和維護與其他設備（從設備）的連接。主設備可以與多個從設備同時通信，形成個人域網（Piconet）。
2. 從設備（Slave）：響應主設備請求的設備，通常數量較多。一個Piconet最多可以支持7個活動的從設備。
3. 寄放設備（Proxy Device）：在設備之間充當中介，通過它們來實現連接或數據傳輸，特別是在多個設備或長距離通信的場景中

藍牙網絡的工作原理

1. 設備發現：設備在可發現模式下廣播其存在，其他設備可以掃描附近的藍牙設備並識別它們的功能。
2. 配對過程：在建立連接之前，設備會進行安全配對，以確保通信的安全性。配對過程中通過輸入PIN碼或其他驗證方式建立信任關係。
3. 連接建立：主設備向從設備發送連接請求，創建邏輯信道進行數據傳輸。同一時間，主設備可以管理多個從設備，提高網絡的使用效率。
4. 數據傳輸：連接建立後，設備之間可以開始數據傳輸，採用數據包格式以保持數據的完整性和順序。
5. 功率管理：藍牙網絡實現低功耗設計，在設備不活動時進入省電模式，以延長電池壽命。設備定期喚醒檢查數據狀態，保持與網絡的連接。

7.4蜂窩網絡：4G和5G

WiFi熱區範圍較小，蜂窩網通過基站控制器（BSC）和收發基站（, BTS）組成GSM基站系統，並將它們連接，可以進行大範圍的無線覆蓋。一個基站覆蓋的區域類似蜂窩。

7.4.1 4G LTE 蜂窩網絡：架構和部件

4G網絡通常採用4G長期演化標準（4G LTE）4G LTE的主要組成部分有：

移動設備:用户設備

基站：主要負責信號收發、資源管理和轉發數據

歸屬用户服務（HSS）：HSS是一個控制平面組件。HSS是一個數據庫，存儲移動設備的信息，HSS的網絡是它們的歸屬網絡，與MME共同用於設備身份驗證。

服務網關（S-GW）PDN網關（P-GW）等其他網絡路由器。服務網關和分組數據網絡網關(P-GW)是移動設備和因特網數據路徑上的兩台路由器。服務網關負責用户數據轉發與路由，同時處理數據的分組。S-GW連接MME和PDN網關，確保數據流的有效性。P-GW連接外部數據網絡（如互聯網）並負責網絡策略控制與IP地址分配。PGW還負責流量管理和QoS（服務質量）控制。

移動性管理試圖（MME）MME也是一個控制平面組件，負責用户設備的接入、身份驗證及移動性管理（如切換和位置更新），維護用户的連接狀態。

7.4.2LTE協議棧

LTE將移動設備的鏈路層分為三個子層：

1. 分組數據匯聚 (PDCP)

PDCP層負責對用户數據進行壓縮和加密，以減少傳輸數據量並確保數據安全。它還管理數據的順序，以確保在接收端按正確順序重組數據包。

2. 無線鏈路控制 (RLC)

RLC層處理數據的分段與重組，確保在傳輸過程中監控數據的完整性。如果數據丟失或損壞，RLC會自動請求重傳，保證數據準確無誤。

3. 介質訪問控制 (MAC)

MAC層管理無線資源的調度和分配，確保多個用户可以共享頻譜。它負責將數據包封裝為適合物理信道的形式，並控制發射功率以優化信號質量。

7.4.3LTE無線電接入網

LTE在下行信道使用時分複用和頻分複用的組合，正交頻分複用（OFDM）如何分配根據提供商和運營商提供的算法確定

7.4.4LTE附加功能：網絡連接和功率管理

1.網絡連接

網絡連接分為三個階段：

1. 連接到基站

移動設備（UE）首先通過信號搜索並選擇接入的基站（eNodeB）。連接請求通過無線鏈路發送給基站，基站接收請求後進行資源分配和連接建立。

2. 相互鑑別

連接成功後，eNodeB與移動設備進行身份鑑別，以確認設備的合法性。通過移動管理實體（MME），使用密鑰和身份信息進行用户身份驗證，確保用户數據的安全。

3. 移動設備到PDN網關的數據配置

一旦鑑別成功，MME會為移動設備分配IP地址，並通過服務網關（SGW）將數據傳遞到公共數據網絡網關（PDN網關）。此過程中，配置相關的QoS（服務質量）參數，確保數據流在網絡中得到適當的管理和優化。

2.功率管理：睡眠模式

LTE的睡眠模式允許移動設備（UE）在不活動時自動降低功耗，以延長電池使用時間。當設備長時間沒有數據傳輸時，會進入睡眠狀態，同時定期喚醒以監聽基站的信令，確保能夠迅速響應來電或數據請求。此外，LTE支持多種睡眠狀態，包括深度睡眠和完全休眠，設備根據網絡負載動態選擇最合適的模式，以優化功耗管理。在進入和退出睡眠模式時，設備還需與基站進行信令交互，主要通過無線鏈路控制協議（RRC）層進行，以確保網絡能正確識別設備狀態。通過這些機制，LTE的睡眠模式提升了移動設備的電池壽命，同時保證了用户的連通性和響應速度，是現代移動通信中的重要功能。

7.4.5全球蜂窩網絡：網絡的網絡

7.4.6 5G蜂窩網絡

1. 5G和毫米波頻譜

5G網絡支持多種頻譜，包括毫米波（mmWave）頻段。毫米波頻段的頻率範圍通常在24GHz到100GHz之間，具有極高的數據傳輸速率和容量，能夠支持高帶寬的應用，如高清視頻和虛擬現實。然而，毫米波的傳播距離較短，穿透力弱，通常適合於城市高密度場景。

2. 5G核心網絡

5G核心網絡採用了分佈式架構，主要包括三個重要層次：

a. 用户平面功能（UPF）

用户平面功能負責處理數據流的傳輸，包括數據包的轉發和路由。這一層確保用户數據能夠有效地在網絡中流動，支持高吞吐量和低延遲的數據服務。

b. 控制平面功能（AMF）

控制平面功能管理用户的接入和身份驗證，以及網絡切片的控制。AMF處理與設備的信令交互，確保設備正確連接到網絡，並根據不同的業務需求進行資源分配。

c. 會話管理功能（SMF）

會話管理功能負責管理用户數據會話的生命週期，包括會話的創建、更新和釋放。SMF協調UPF和用户設備之間的數據流，確保在不同的網絡切片和服務之間提供靈活的會話管理，優化數據資源的利用。

7.5移動性管理原理

7.5.1設備移動性：網絡層視角

7.5.2歸屬網絡和在被訪網絡漫遊

1. 歸屬網絡

歸屬網絡是用户設備的原始網絡，負責管理用户的身份、訂閲信息和服務配置。它確保用户能夠安全接入網絡並享受所訂閲的服務，同時處理計費和賬單管理。

2. 被訪網絡漫遊

被訪網絡是在用户離開歸屬網絡後臨時接入的網絡，允許用户在不同地點訪問語音和數據服務。被訪網絡與歸屬網絡通過信令交互驗證用户身份，並維護服務連續性，同時收取額外的漫遊費用。

7.5.3去往/來自移動設備的直接和間接路由

1. 直接路由

直接路由是指數據包在移動設備與目標設備之間的傳輸路徑，通常是通過單一的網絡或鏈路完成。在直接路由中，數據包無需經過其他中介網絡，而是直接從源設備到達目標設備。這種方式通常在以下情況下使用：

同一網絡內通信：當源設備和目標設備在同一蜂窩網絡或Wi-Fi網絡下，數據包可以直接通過網絡的交換機或基站進行轉發。

低延遲需求：直接路由可有效減少延遲，實現實時應用的需求，如視頻通話或在線遊戲，確保數據快速傳輸。

簡單性和效率：由於數據包不需要通過多箇中介，直接路由能減少資源消耗，提高傳輸效率。

2. 間接路由

間接路由是指在數據包從源移動設備到達目標設備時，需要經過一個或多箇中介網絡或節點。這是複雜網絡場景常見的路由方式，具體應用於以下情況：

不同網絡間通信：當源設備和目標設備位於不同的網絡中（如，不同運營商的蜂窩網絡或不同的Wi-Fi網絡），數據包需要通過路由器或網關進行轉發，從而實現互通。

優先級和流量管理：間接路由允許網絡在數據傳輸過程中進行流量控制與管理，例如使用負載均衡策略，將流量分配至多個路徑，以優化網絡性能。

漫遊和信號交互：在移動設備漫遊時，間接路由通常涉及歸屬網絡與被訪網絡的配合，通過信令和數據流的交互，實現設備身份驗證和服務接入。

7.6實踐中的移動性管理

7.6.1 4G/5G中的移動性管理

4G中的移動性管理

核心網絡：

採用演進分組核心（EPC）架構。

移動性管理由移動性管理實體（MME）負責。

位置更新：

用户設備在小區切換時，MME負責處理位置更新和身份驗證。

切換機制：

支持硬切換和軟切換。

切換過程包括信令交換，確保數據流的連續性和用户體驗。

服務質量：

通過切換優化和資源分配，維持QoS（服務質量）要求。

5G中的移動性管理

核心網絡架構：

實現服務驅動架構（Service-Based Architecture, SBA）。

移動性管理功能：

通過接入和移動性管理功能（AMF）進行位置更新和接入控制。

切換機制：

支持增強的切換操作，包括多種切換模式（如基於服務的切換）。

實現對不同無線接入技術（NR和LTE）的無縫切換。

網絡切換性能：

通過優化切換策略和減少延遲，提高切換效率，支持低延遲應用。

7.6.2 移動IP

移動IP（Mobile IP）是一種技術，允許用户在不同網絡之間移動時保持對互聯網的連接。它的基本原理是通過兩個IP地址來實現：一個是永久的歸屬地址（Home Address），另一個是臨時的臨時地址（Care-of Address）。

主要組成部分

移動設備（Mobile Node, MN）：能夠移動並保持網絡連接的設備。

歸屬代理（Home Agent, HA）：位於歸屬網絡的路由器，負責管理移動設備的位置和通信。

被訪代理（Foreign Agent, FA）：位於被訪網絡的路由器，負責轉發發送到移動設備的數據。

工作流程

註冊：移動設備連接到新網絡時向被訪代理註冊，獲取臨時地址。

位置更新：被訪代理將移動設備的臨時地址通知歸屬代理，更新位置信息。

數據轉發：歸屬代理將發往移動設備的數據封裝併發送到被訪代理，再由被訪代理髮送給移動設備。