第10章-无线网络和移动网络要点ppt课件.ppt

计算机网络计算机网络-第第10章无线网络章无线网络和移动网络和移动网络 目录目录n概述概述nWi-Fin蜂窝网络蜂窝网络n蓝牙蓝牙nCDMA n移动移动IP概述n除大多数常用的有线网络外，还有各种除大多数常用的有线网络外，还有各种不需要有线电缆就可以进行信息传输的不需要有线电缆就可以进行信息传输的技术，这些都被称为无线网络。技术，这些都被称为无线网络。概述概述n电磁波谱电磁波谱概述概述n红外线红外线n光谱中波长自光谱中波长自0.76至至400微米的微米的n近距离视线范围内的通讯载波近距离视线范围内的通讯载波，遥控器遥控器 n优点：成本低、传播范围和方向及距离可以控制、优点：成本低、传播范围和方向及距离可以控制、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等 n只支持一对一的通信只支持一对一的通信 概述概述n射频：频率范围从射频：频率范围从300KHz30GHz之间。之间。n其中音频在其中音频在300-3400HZ，n公众调频广播使用公众调频广播使用87-108MHz频段，频段，n无线电话一般使用无线电话一般使用902-928MHz频段，频段，nGPS一般使用一般使用1.575/1.227 GHz频段频段nIEEE802.11B/G/N使用使用2.400-2.4835GHz频段，频段，n蓝牙和无绳电话也使用蓝牙和无绳电话也使用2.400-2.4835GHz频段，频段，nIEEE802.11A使用使用5.725-5.850 GHz Wi-Fi：802.11nWi-Fi，其实就是，其实就是 IEEE 802.11b 的别称的别称n是一种短程无线传输技术是一种短程无线传输技术 n现在现在IEEE 802.11 这个这个 标准已被统称作标准已被统称作Wi-Fin实际上实际上Wi-Fi是无线局是无线局 域网联盟（域网联盟（WLANA） 的一个商标的一个商标 802.11标准标准n802.11a n802.11bn802.11g n802.11n 802.11 体系结构体系结构 n无线站点无线站点STA（station）n无线接入点无线接入点AP（access point）n独立基本服务组独立基本服务组IBSS（independent basic service set）n基本服务组基本服务组BSS（basic service set）n分布式系统分布式系统DS（distribution system）n扩展服务组扩展服务组ESS（extended service set）802.11 体系结构体系结构n一个无线站点一个无线站点STA可以是包含无线网卡和无线客户可以是包含无线网卡和无线客户端软件的任何设备。端软件的任何设备。nAP主要用来控制有线网络与无线网络直接的连接。主要用来控制有线网络与无线网络直接的连接。 n在对等模式下，将两台或在对等模式下，将两台或 以上的客户端连接到一起，以上的客户端连接到一起， 就可以创建最简单的无线就可以创建最简单的无线 网络。这种不含网络。这种不含AP的的BSS 称为称为IBSS（独立基本服务组）（独立基本服务组） 802.11 体系结构体系结构n在基础架构模式下，采用单元结构。每个单在基础架构模式下，采用单元结构。每个单元中元中AP控制所有通信，确保所有控制所有通信，确保所有STA都能平都能平等访问介质。不同等访问介质。不同STA之间无法直接通信。之间无法直接通信。单个单个AP覆盖的区域称为基本服务组覆盖的区域称为基本服务组(BSS)。n要扩大覆盖，可通过分布系统要扩大覆盖，可通过分布系统DS连接多个连接多个BSS。多个。多个BSS构成一个构成一个ESS（扩展服务组）。（扩展服务组）。 802.11MAC 协议协议n802.11的的MAC层使用了层使用了CSMA/CA（载（载波侦听多点接入波侦听多点接入/冲突避免）。冲突避免）。nCSMA/CA协议中，不进行冲突检测，协议中，不进行冲突检测，而是采用了冲突避免的方法而是采用了冲突避免的方法 n由于无线链路的错误率较高，由于无线链路的错误率较高，802.11的的链路层使用了确认和重传机制链路层使用了确认和重传机制 802.11MAC 协议协议n（1）如果检测的信道空闲，那么将等待一个短时间后）如果检测的信道空闲，那么将等待一个短时间后发送整个数据帧。这段等待的时间成为分布帧间间隔发送整个数据帧。这段等待的时间成为分布帧间间隔（Distributed Inter-frame Space,DIFS）n（2）如果检测到信道忙，选取一个随机值，继续检测）如果检测到信道忙，选取一个随机值，继续检测信道。当检测到信道空闲时，随机值递减；当检测到信道。当检测到信道空闲时，随机值递减；当检测到信道忙时，随机值不变。当随机值减为信道忙时，随机值不变。当随机值减为0时，发送整个时，发送整个数据帧。数据帧。n（3）如果收到了确认，那么就发送下一帧，重复上述）如果收到了确认，那么就发送下一帧，重复上述过程。如果在指定时间内没有收到确认帧，就回到第过程。如果在指定时间内没有收到确认帧，就回到第二步，在更大的范围内选取一个随机值二步，在更大的范围内选取一个随机值 802.11MAC协议协议n由于无线信号的衰减问题，有时候站点认为信由于无线信号的衰减问题，有时候站点认为信道空闲时，其实是会发生碰撞的道空闲时，其实是会发生碰撞的 n所以，在送出数据前，站点可以先送一个请求所以，在送出数据前，站点可以先送一个请求传送帧传送帧(Request to Send，RTS )来预约信来预约信道道 n当当AP收到收到RTS帧后，广播一个允许发送帧帧后，广播一个允许发送帧（Clear to Send，CTS）。）。CST帧有两个作帧有两个作用，一个是允许申请方发送数据，另一个是通用，一个是允许申请方发送数据，另一个是通知其他的站点暂时不要发送数据。知其他的站点暂时不要发送数据。RTS帧和帧和CTS帧都很小，因此用比较小的代价可以避免帧都很小，因此用比较小的代价可以避免冲突。冲突。802.11帧结构n802.11帧格式如图帧格式如图10-7所示。所示。802.11帧由三个基本部分组成：帧由三个基本部分组成：MAC帧头、帧帧头、帧体、帧校验序列体、帧校验序列(FCS)组成。组成。蜂窝网络n蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。户在活动中可相互通信。 n第一代移动通信技术（第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。年代。 n第二代移动通信系统采用了数字化第二代移动通信系统采用了数字化 。n第三代移动通信技术主要采用的是第三代移动通信技术主要采用的是CDMA（码分多（码分多址）技术。址）技术。 n4G是集是集3G与与WLAN于一体并能够传输高质量视频于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。技术产品。 蜂窝网络体系结构n蜂窝组网是指移动网的组网形状像蜂窝蜂窝组网是指移动网的组网形状像蜂窝一样。蜂窝技术把一个地理区域分成若一样。蜂窝技术把一个地理区域分成若干个小区，称作干个小区，称作“蜂窝蜂窝”(即即Cell)，蜂，蜂窝技术因此而得名。窝技术因此而得名。 n蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（系统（NSS）、无线基站子系统）、无线基站子系统(BSS)和移动台（和移动台（MS）三大部分组成）三大部分组成 。交换网路子系统交换网路子系统(NSS)n交换网路子系统（交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。的数据库功能。n网络子系统是由六个功能单元组成的，分别网络子系统是由六个功能单元组成的，分别是移动业务交换中心（是移动业务交换中心（MSC），访问用户位），访问用户位置寄存器（置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器）、归属用户位置寄存器（HLR）、鉴权中心（）、鉴权中心（AUC）、移动设备识）、移动设备识别寄存器（别寄存器（EIR）和操作维护中心（）和操作维护中心（OMC）。）。 无线基站子系统（无线基站子系统（BSS） nBSS系统是在一定的无线覆盖区中由系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，通过无线接口直接与控制，通过无线接口直接与MS进行进行通信。它主要负责完成无线发送接收和通信。它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。无线资源管理等功能。n基站子系统由基站控制器（基站子系统由基站控制器（BSC）和基）和基站收发信台（站收发信台（BTS）组成。）组成。移动台（移动台（MS） n移动台就是移动客户设备部分，它由移移动台就是移动客户设备部分，它由移动物理设备动物理设备(MS)和和SIM卡组成。卡组成。n移动物理设备就是我们平时所说的手机移动物理设备就是我们平时所说的手机和手机一样可以进行收发的移动终端。和手机一样可以进行收发的移动终端。它可完成话音编码、信道编码、信息加它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接密、信息的调制和解调、信息发射和接收。收。操作维护子系统（操作维护子系统（OSS） nOSS是相对独立的一部分，包括移动用是相对独立的一部分，包括移动用户管理，移动设备管理和网络操作等多户管理，移动设备管理和网络操作等多块。块。n通过它实现对通过它实现对GSM网内各种部件功能的网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。监视、状态报告、故障诊断等功能。蜂窝网络技术和标准n蜂窝的概念是一个系统级的概念，其思蜂窝的概念是一个系统级的概念，其思想是用许多小功率的发射机来代替单个想是用许多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机，每一个小的覆盖区只的大功率发射机，每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。提供服务范围内的一小部分覆盖。频率复用频率复用 n由于小区制中，每个基站发射功率有限，由于小区制中，每个基站发射功率有限，覆盖范围有有限。因此在相距一定距离覆盖范围有有限。因此在相距一定距离的小区可以重复使用同一段工作频率。的小区可以重复使用同一段工作频率。n簇（簇（cluster）：共同使用全部可用频率）：共同使用全部可用频率的的K个小区叫做一簇。典型值为个小区叫做一簇。典型值为4、7或或12。A如图所示，左边的簇如图所示，左边的簇N值为值为4，右，右边的簇边的簇N值为值为7。多址接入技术多址接入技术 n多址技术即区分信道或用户的技术，使众多的多址技术即区分信道或用户的技术，使众多的用户共用公共的通信线路，扩大了通信容量。用户共用公共的通信线路，扩大了通信容量。n当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址（多址接入时，称为频分多址（FDMA）方式；）方式；n当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址（多址接入时，称为时分多址（TDMA）方式；）方式；n当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址（接入时，称为码分多址（CDMA）方式。）方式。多信道共用技术多信道共用技术 n信道分配策略可分为两类：固定的信道分配策略和信道分配策略可分为两类：固定的信道分配策略和动态的信道分配策略。动态的信道分配策略。n固定信道分配法固定信道分配法 ：将某一组信道固定分配给某一基：将某一组信道固定分配给某一基站，即基站的频点是固定不变的站，即基站的频点是固定不变的 。小区内的任何呼。小区内的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道，如果该小区的叫都只能使用该小区中的空闲信道，如果该小区的所有信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户得不到服所有信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户得不到服务。务。n动态信道分配法：不是将信道固定地分配给某个基动态信道分配法：不是将信道固定地分配给某个基站，而是多个基站均可使用同一信道站，而是多个基站均可使用同一信道 ，每次呼叫请，每次呼叫请求来的时候，为它服务的基站就向求来的时候，为它服务的基站就向MSC请求一个信请求一个信道。道。蜂窝网络中的移动性管理n无线接口三个功能层之一，其中定义了无线接口三个功能层之一，其中定义了移动用户位置更新、定期更新、鉴权、移动用户位置更新、定期更新、鉴权、开机接入、关机退出、临时移动台标识开机接入、关机退出、临时移动台标识号重新分配和设备识别等过程。号重新分配和设备识别等过程。位置更新位置更新 n用户的位置信息存储在归属位置寄存器（用户的位置信息存储在归属位置寄存器（HLR）和）和访问位置寄存器（访问位置寄存器（VLR）中。）中。n如果如果MS在新的在新的VLR覆盖区中登记，一般由覆盖区中登记，一般由VLR分分配一个临时识别码配一个临时识别码 (TMSI)并发送给并发送给HLR。n由由HLR给给VLR提供鉴权参数，并把用户新的参数全提供鉴权参数，并把用户新的参数全部发送给部发送给VLR，同时通知旧，同时通知旧VLR删除该删除该MS得有关得有关用户数据。用户数据。n如果位置更新发生在如果位置更新发生在VLR中的不同位置区之间，则中的不同位置区之间，则不需要重新更换新的不需要重新更换新的TMSI，也不需要进行，也不需要进行HLR更更新。新。切换切换 n切换可以分为小区内切换，切换可以分为小区内切换，BSC控制区内不同控制区内不同小区切换，小区切换，MSC内不同内不同BSC之间切换和之间切换和MSC间切换。间切换。n越区切换分为两大类：一类是硬切换，另一类越区切换分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。硬切换是指在新的连接建立以前，是软切换。硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。先中断旧的连接。n而软切换是移动台在从一个小区进入另一个小而软切换是移动台在从一个小区进入另一个小区时，先建立与新基站的通信，直到接收到原区时，先建立与新基站的通信，直到接收到原基站信号低于一个门限值时再切断与原基站的基站信号低于一个门限值时再切断与原基站的通信的切换方式。通信的切换方式。 漫游漫游 n漫游业务的提供一般分成三个步骤：位置更新，呼漫游业务的提供一般分成三个步骤：位置更新，呼叫转移和呼叫建立。叫转移和呼叫建立。n呼叫转移：主叫用户拨打号码，通过公众固定网络呼叫转移：主叫用户拨打号码，通过公众固定网络转到被叫用户的转到被叫用户的MSC最近的最近的GMSC。HLR请当前的请当前的MSC/VLR分配一个移动台漫游号码分配一个移动台漫游号码(MSRN)给被给被叫用户叫用户,并将此号码送给并将此号码送给HLR。GMSC利用利用MSRN重重新接续路由。新接续路由。n呼叫建立：呼叫建立：MSC根据根据MSRN查出该用户的查出该用户的IMSI，将其转换成信令数据，在将其转换成信令数据，在MSC控制区域内的登记位控制区域内的登记位置中发出寻呼。置中发出寻呼。蓝牙n蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般般10m内）的无线电技术。能在包括移内）的无线电技术。能在包括移动电话、动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。交换。 n蓝牙这个名称来自于第十世纪的一位丹蓝牙这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王。麦国王。 工作原理工作原理 n蓝牙工作在全球通用的蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、即工业、科学、医学）频段。科学、医学）频段。n蓝牙的数据速率为蓝牙的数据速率为1Mb/s。n时分双工传输方案被用来实现全双工传输。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。n使用使用IEEE802.15协议。协议。n蓝牙技术采用跳频扩展技术（蓝牙技术采用跳频扩展技术（FHSS），跳频），跳频速率为每秒速率为每秒1600次。次。 n为了避免干扰蓝牙采用了为了避免干扰蓝牙采用了AFH（Adaptive Frequency Hopping）自适应调频技术。）自适应调频技术。 工作原理工作原理n蓝牙技术可以支持点到点和点到多点的通信。多个蓝牙技术可以支持点到点和点到多点的通信。多个蓝牙设备可以组成一个短距离的蓝牙设备可以组成一个短距离的AD-HOC网络，称网络，称之为微微网（之为微微网（piconet）。）。n多个微微网可以同时存在在一个区域，每个网络使多个微微网可以同时存在在一个区域，每个网络使用不同的物理频段。用不同的物理频段。 n蓝牙设备有很多标准的功率，因此不同功率的蓝牙蓝牙设备有很多标准的功率，因此不同功率的蓝牙设备具有不同的覆盖范围。设备具有不同的覆盖范围。nClass3，有效距离是，有效距离是1米米nClass2，有效距离为，有效距离为10米。米。nClass1，一般用于工业应用，覆盖范围可以达到，一般用于工业应用，覆盖范围可以达到100米。米。 CDMAnCDMA系统具有以下主要优点：系统具有以下主要优点：n(1)具有具有抗干扰、抗多径衰落的能力。具有具有抗干扰、抗多径衰落的能力。n(2)系统容量大。系统容量大。n(3)CDMA系统具有软容量特性。系统具有软容量特性。 n(4)不需要复杂的频率分配。不需要复杂的频率分配。n(5)CDMA系统具有软切换功能。系统具有软切换功能。n(6)由于由于CDMA的低发射功率，还具有保密性强等的低发射功率，还具有保密性强等优点。优点。n(7)设备简单，电路设计简单，电池利用时间也更设备简单，电路设计简单，电池利用时间也更长。长。CDMAnCDMA系统具有以下主要缺点：系统具有以下主要缺点：n(1)由于采用扩展频谱，所以占用频谱较由于采用扩展频谱，所以占用频谱较宽。宽。n(2)由于用户的不完全正交，系统具有码由于用户的不完全正交，系统具有码分多址系统特有的多址干扰和远近效应。分多址系统特有的多址干扰和远近效应。CDMA原理原理 nCDMA技术的原理是基于扩频技术技术的原理是基于扩频技术 nCDMA系统是以码分多址接入技术为基系统是以码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。础的数字蜂窝移动通信系统。 移动移动IP n由于移动的计算机要访问互联网上的资源，所由于移动的计算机要访问互联网上的资源，所以需要一个以需要一个IP地址。但是计算机漫游过程中，地址。但是计算机漫游过程中，IP的权限有发现改变。为了使计算机能访问网的权限有发现改变。为了使计算机能访问网络，并且其他计算机也能访问这台移动的计算络，并且其他计算机也能访问这台移动的计算机。所以出现了移动机。所以出现了移动IP技术。技术。n移动移动IP技术就是让计算机在互联网及局域网中技术就是让计算机在互联网及局域网中不受任何限制的即时漫游，也称移动计算机技不受任何限制的即时漫游，也称移动计算机技术。术。n移动移动IP是移动通信和基于是移动通信和基于IP的的Internet技术技术的融合。的融合。工作原理工作原理 n移动移动IP主要由三个功能实体组成主要由三个功能实体组成n移动节点（移动节点（mobile node）：具有永久）：具有永久IP地址的移地址的移动节点。动节点。n本地代理（本地代理（home agent）：有一个端口与移动节）：有一个端口与移动节点本地链路相连的路由器，它根据移动用户的转交点本地链路相连的路由器，它根据移动用户的转交地址，采用隧道技术转交移动节点的数据包。地址，采用隧道技术转交移动节点的数据包。n外地代理（外地代理（foreign agent）：移动节点的漫游链）：移动节点的漫游链路上的路由器，它通知本地用户代理自己的转交地路上的路由器，它通知本地用户代理自己的转交地址，是移动节点漫游链路的缺省路由器。址，是移动节点漫游链路的缺省路由器。移动移动IP功能实体功能实体 移动移动IP工作流程工作流程n1）移动代理周期广播代理通告报文。）移动代理周期广播代理通告报文。n2）移动节点收悉这些代理通告后，判断其在本地网上，还）移动节点收悉这些代理通告后，判断其在本地网上，还是漫游。是漫游。n3）当移动节点检测到自己位于本地网络上时，那么它不需）当移动节点检测到自己位于本地网络上时，那么它不需要移动服务就可工作。要移动服务就可工作。n4）当移动节点检测到自己漫游时，它获得该外区网上的一）当移动节点检测到自己漫游时，它获得该外区网上的一个转交地址。移动节点通过交换其随带的登记请求和登记答个转交地址。移动节点通过交换其随带的登记请求和登记答复报文，向归属代理登记其新的转交地址。复报文，向归属代理登记其新的转交地址。n5）发往移动节点归属地址的数据包被其本地代理接收，本）发往移动节点归属地址的数据包被其本地代理接收，本地代理截取送往移动节点本地地址的数据包，并通过隧道送地代理截取送往移动节点本地地址的数据包，并通过隧道送往它的转交地址。外地代理从隧道取出原始数据包，并且通往它的转交地址。外地代理从隧道取出原始数据包，并且通过漫游链路送给移动节点。过漫游链路送给移动节点。