无线和移动网络(6)复习

基础组成

无线网络的两个重要挑战

• 无线：通过无线链路进行通信
• 移动性：需要网络处理移动（不停变换所接入的网络）用户。

• 无线网络的组件包括终端设备（位置可移动）、基站（连接有线网络，协调节点收发）、无线链路。
• 无线网络模式分为基础设施模式和点模型。
  • 基础设施模式：将无线节点连接到有线网络中，移动节点之间不直接通信。
  • 点模式：没有基站，终端节点自动组成一个可以通信的网络，节点之间相互路由。
    

无线链路和网络特性

1. 信号衰落（衰减）：无线电信号在传播过程中会逐渐衰减，导致信号强度减弱。高频率信号和远距离传播更容易导致衰落。
2. 多径传播：无线电信号在传播过程中通过多条路径到达接收端。多径传播会导致信号叠加，产生干扰，影响信号的接收质量。
3. 噪声：无线网络会受到来自各种来源的噪声干扰。
4. 隐藏终端问题：由于信号衰落，某些节点可能无法感知到其他节点的存在，导致冲突和碰撞。隐藏终端问题会影响CSMA/CA协议的效率，需要采取特殊措施来解决。
5. 其他特性
   • 无线链路通常采用多址接入协议，如CSMA/CA，来协调多个节点对信道的访问。
   • 无线链路可能存在安全问题，需要采取加密、认证等措施来保护数据传输的安全性。

码分多址（CDMA）

1. 基本原理：CDMA是一种多址接入技术，允许多个用户共享相同的频率带宽，但每个用户都使用唯一的“码片”序列来编码数据。码片序列是正交的，这意味着不同用户的码片序列之间没有重叠，从而减少了用户之间的干扰。
2. 编码和解码
   • 编码：将原始数据与码片序列进行内积运算，生成编码后的数据。
   • 解码：将编码后的数据与码片序列进行内积运算，恢复原始数据。
3. 主要优点
   • 频率资源共享：允许多个用户共享相同的频率带宽，提高了频谱利用率。
   • 抗干扰能力强：由于码片序列的正交性，CDMA具有较强的抗干扰能力。
   • 支持软切换：CDMA用户可以在多个基站之间进行平滑切换，不会中断连接。
4. 应用场景
   • CDMA技术广泛应用于蜂窝移动通信系统，如2G、3G、4G网络。
   • CDMA技术也应用于其他无线通信系统，如卫星通信、无线局域网等。

WiFi：802.11无线局域网

1. 标准：802.11是一系列无线局域网标准的统称，包括802.11a/b/g/n/ac/ax等多种标准。
2. 架构：802.11网络由无线主机、接入点（AP）和基础设施组成。无线主机通过AP连接到网络，AP通常连接到有线网络。802.11网络可以工作在基础设施模式或自组织模式下。
3. 信道和关联：频谱被划分为不同的信道，AP管理员为AP选择频率。无线主机需要与AP关联才能进行通信，关联过程包括扫描信道、选择AP、身份验证和获取IP地址。
4. 多址接入：802.11使用CSMA/CA协议进行多址接入，避免冲突。CSMA/CA协议通过侦听信道状态、随机退避和RTS/CTS交换来避免冲突。
5. 帧：802.11帧包含帧控制、地址、序号控制、有效载荷和CRC等字段。帧地址用于识别发送方、接收方和AP。
6. 移动性：802.11支持同一子网内的移动性，无线主机可以在不同的AP之间切换，保持IP地址不变。802.11也支持速率自适应和功率管理，以提高网络性能和节能。
7. 应用场景：WiFi技术广泛应用于家庭、办公室、公共场所等场景，提供无线互联网接入。WiFi技术也应用于物联网、智能家居等领域。

蜂窝网络和LTE架构

蜂窝网络是一种广域移动互联网的解决方案，将大范围区域划分为许多小区，每个小区由一个基站提供服务。

• 主要特点：广泛部署，覆盖范围广。提供移动宽带连接，支持高速数据传输。采用用户“身份”认证机制，通过SIM卡进行身份识别。与有线互联网互联，提供全球访问和身份验证基础设施。
• 网元：
  • 移动设备（UE）： 智能手机、平板电脑、笔记本电脑等，带有4G LTE无线电。
  • 基站（eNode-B）： 连接到运营商网络的“边缘”，管理无线电磁波资源，协调设备之间的通信。
  • 归属用户服务器（HSS）： 存储有关“归属网络”的移动设备的信息，在设备身份验证中使用。
  • 移动管理实体（MME）： 与移动家庭网络HSS协调，负责设备认证、移动设备管理和路径建立。
  • 服务网关（S-GW）： 部署在从手机到互联网的数据路径上，负责隧道建立和数据转发。
  • PDN网关（P-GW）： 移动蜂窝网络网关，提供NAT服务和数据封装。

• LTE架构：4G LTE架构是蜂窝网络的一种实现，采用全IP架构，数据和控制平面分离。

• 主要特点：数据和控制平面分离，控制平面负责移动管理、安全和身份验证，数据平面负责数据传输。
  
• 数据平面协议栈：
  • 链路层： 包括RLC协议（分段/重组、可靠传输）和MAC协议（介质访问控制）。
  • 网络层： 使用IP协议，通过GTP协议进行数据封装。
  • 传输层和应用层： 使用TCP、UDP等协议。

• 蜂窝网络和LTE架构为移动用户提供了高速、可靠的互联网接入服务，并支持用户在不同网络之间进行移动。

流动性

1. 移动性定义：从网络的角度来看，移动性是指设备在网络中的位置发生变化。移动性可以分为以下几种情况：
   • 无移动性： 设备固定在一个位置。
   • 低移动性： 设备在同一个AP或同一子网内移动。
   • 高移动性： 设备在多个AP或不同子网之间移动。
   • 跨网络移动性： 设备在不同的网络之间移动，例如从蜂窝网络切换到WiFi网络。
2. 移动性挑战：当设备移动时，网络需要能够找到设备的位置，并将数据包转发到正确的位置。

• 移动性会带来以下挑战：
  • 三角路由： 数据包需要经过归属网络转发到访问网络，效率低下。
  • 连接中断： 设备切换网络时，连接可能会中断。
  • 性能下降： 移动性会导致信号强度变化、延迟增加等问题，影响网络性能。

3. 移动性管理方法

• 让网络（路由器）处理： 路由器通过路由表来跟踪设备的位置，并根据设备的位置转发数据包。
• 让终端系统处理： 终端系统可以通过间接路由或直接路由来处理移动性。
  • 间接路由： 数据包通过归属网络转发到访问网络。
  • 直接路由： 数据包直接发送到设备的外部地址。

4. 归属网络和访问网络
   • 归属网络： 用户签订服务协议的网络，存储用户的身份和服务信息。
   • 访问网络： 用户漫游时接入的网络，负责为用户提供网络连接。
5. 注册：当设备移动到新的网络时，需要在归属网络中进行注册，告知归属网络设备的位置。
6. 4G网络中的移动性管理：4G网络使用MME、S-GW和P-GW等网元来管理移动性。主要移动性任务包括：
   • 基站关联： 设备与基站建立连接。
   • 控制平面配置： MME和归属HSS建立控制平面状态，配置设备参数。
   • 数据平面配置： MME配置转发隧道，建立数据连接。
   • 移动切换： 设备在不同基站之间切换。
7. 移动IP：移动IP是一种移动性管理协议，使用隧道技术实现间接路由，支持设备在不同网络之间移动。
8. 移动性对高层协议的影响：移动性会导致数据包丢失、延迟增加等问题，影响TCP、UDP等协议的性能。需要采取特殊措施来提高协议的移动性，例如：
   • 快速重传： 快速重传丢失的数据包。
   • 平滑切换： 在设备切换网络时，保持连接不中断。
   • 自适应调整： 根据网络状况调整协议参数。