无线网络和移动网络

  • 本章最重要的内容为
    • 无线局域网的组成，分配系统DS（Distribution System）和接入点AP（Access Point）的作用。
    • 无线局域网使用的CSMA/CA协议，（弄清楚与CSMA/CD的区别）和无线局域网MAC帧使用的几种地址。
    • 移动用户在移动时怎样保持IP不变。
    • 蜂窝移动通信网中对移动用户的路由选择问题。

无线局域网

  • 无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)。

  • 无线局域网的组成

    • 有固定基础设施的
    • 无固定基础设施的

  • 所谓"固定基础设施"，指的是预先建立起来的，能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。

  • IEEE 802.11

    • 1997年IEEE 802.11制定出无线局域网的协议标准802.11[W-IEEE802.11]系列标准。
    • 802.11是一个相当复杂的协议，但是准确的说，802.11就是无线以太网的标准。采用的是星星拓扑，其中心叫做接入点AP(Access Point)，在MAC层使用的是CSMA/CA协议。凡是使用802.11系列协议的局域网又称为WIFI（Wireless-Fidelity）。
    • 802.11规定无线局域网的最小构件是基于服务集BSS(Basic Service Set)。一个基本服务集包括一个基站和若干个移动站，所有的站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信时候都必须通过本BSS以外的站通信都必须通过本BSS的基站。AP就是基本服务器的基站，当网络管理员安装AP时候，必须为该AP分配一个不超过32字节的服务集标识字符SSID(Service Set IDentifier)和一个通信信道，SSID其实就是使用该AP的无线局域网的名字。一个基本服务集BSS所覆盖的地理范围叫做一个基本服务区BSA(Basic Service Area)。基本服务区BSA和无线移动通信的蜂窝小区相似，无线局域网的基本服务区BSA的范围直径一般不超过100m。
    • 一个基本服务集可以使孤立的，也可以通过接入点AP连接到另一个分配系统DS(Distribution System),然后再连接到另一个基本服务集，这样就够成了一个扩展的服务集ESS(Extend Service Set)。
    • 无线网络和移动网络_数据
    • 分配系统的作用就是使扩展的服务集ESS对上层的表现就像是一个基本服务一样，分配系统可以使以太网，点对点链路或者其他无线网络。扩展服务集ESS还可以为用户提供到802.x局域网（非802.11无线局域网）的接入，在图中移动点A如果要和另一个基本服务集的移动站B进行通信，就必须经过两个接入点AP1和AP2，即A->AP1->AP2->B(AP1->AP2的通信是有线传输)。
    • 基本服务集的范围是由移动站所发射的电磁波的辐射范围所确定的。
    • 802.11标准并没有定义如何实现漫游，但是定义了一些基本工具，例如，一个移动站若要加入到一个基本服务集BSS，就必须先选择一个接入点AP，并与此接入点建立关联。建立关联就表示这个移动站加入了选定的AP所属的子网。并和这个接入点AP建立起了一个虚拟线路。只有关联的AP才能向这个移送站发送数据帧，这和手机开机后必须和附近的某个基站建立关联的概念是类似的。
    • 为了使一个服务基本集BSS能够为更多的移送站提供服务，往往在一个BSS内安装的有多个接入点AP。有时一个移动站也可以收到本基本服务集以外的AP信号。移动站只能在多个AP中选择一个关联，通常选择的是信号最强的一个AP，但有时也可能该AP提供的信道都已经被其他移动站使用了。在这种情况下，也只能与信号强度稍差些的AP建立关联。
    • 此后，这个移动应用站就和选定的AP互相使用802.11关联协议进行对话。移动站点还要和向该AP鉴别身份，在关联阶段后，移动站点要通过关联的AP想该子网发送DHCP发现报文获取IP地址，这时候，互联网中的其他部分就把这个移动站点当做该AP子网中的一台主机。
    • 如移动站使用重建关联（reassociation）服务，就可以把这种关联移植到另一个接入点。当使用分离服务时，就可以终止这种关联。
    • 移动站与接入点AP建立关联的方法有两种。一种是被动扫描，即移动站等待接收接入点AP周期性发出的信标帧。信标帧包含有若干个系统参数（例如服务及标识符SSID以及支持的速率等），另一种是主动扫描，即移动端主动发出探测请求帧，然后等待从接入点发回的探测响应帧。

  • 无线局域网的适配器可以实现802.11的物理层和MAC层的功能，只要在无线局域网信号覆盖的地方，用户就能通过接入点AP连接到互联网。

    • 无线局域网用户在和附近的接入点AP建立连接的时候，一般还要键入用户密码，如果输入正确，才能和在网络中的AP建立关联。在无线局域网初期，这种接入加密方案成为WEP（Wired Equivalent pricavy）意思就是“有线等效的保密”，然而WEP容易被破解，现在无线局域网普遍采用的是保密性更好的加密方案WPA(WiFi Protected Access)"无线局域网受保护的接入"，或者第二个版本WPA2。

  • 802.11局域网的MAC层协议

    • CSMA/CA协议

      • 虽然CSMA/CD协议成功的应用于有线连接的局域网。但无线局域网能使用CSMA/CD协议呢？显然，这个协议的前一部分CSMA能够使用。在无线局域网中，在发送数据之前对整个媒体进行载波监听，如果发现有其他站在发送数据，就推迟发送以免发生碰撞。这样做是比较合理的。但问题是碰撞检测CD在无线环境下却不能使用，理由如下：

        • 碰撞检测要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不断的检测信道。一旦检测到碰撞，就立即停止发送，但由于无线信道传输的特殊性，其信号强度的动态范围非常的大，因此802.11适配器接收到的信号强度往往小于发送信号的强度。如果在无线局域网上实现碰撞检测，在硬件上的花费就会过大。
        • 更重要的是，即使我们能够在硬件上实现无线局域网的碰撞检测功能，也仍然无法避免碰撞检测的发生。这就表明，无线局域网不需要进行碰撞检测。

      • 无线电波能够向所有的方向进行传播，且其传播距离有有限，当电磁波在传递过程中遇到障碍物时，其传播距离就会受到限制。图中给出了两个无线移动站A和B以及接入点AP,我们假定无线电信号传播的范围是以发送站为圆心的一个圆形面积

      • 无线网络和移动网络_3g_02

      • 图9-4(a)表示站点A和C都想和B通信，但A和C相距较远 ，当A和C校测到信道空闲时，都向B发送数据，结果发生了碰撞，这种未能检测出信道上其他站点信号无问题叫做隐蔽站问题。

      • 图9-4(b)给出了另一种情况，站点B向A发送数据，而C又想和D进行通信，但C检测到信道忙，于是C就不敢和D进行通信，其实B发送数据给A并不影响C给D发送数据。这就是暴露站问题。

      • 由此可见，无线局域网可能出现检测错的情况：检测到空闲信道，其实新到并不空闲，有时检测到信道忙，其实信道并不忙。

      • 我们知道：CSMA/CD有两个要点：

        • 一是发送前先检测信道，信道空闲就立即发送，信道忙的时候就随机推迟发送。
        • 二是边发送边检测信道，一旦发生碰撞就立即停止发送。但是无线网不能使用碰撞检测，只要开始发送数据，就不能中途停止发送，而一定把整个帧发送完毕。由此可见，如果无线局域网一旦发生了碰撞，那么整个信道资源的浪费就比较严重，因此，无线局域网就应该避免减少碰撞发生的概率。

      • 为此，802.11局域网使用的是CSMA/CA协议，CA表示Collision Avoidance,是碰撞避免的意思。也就是说，协议的设计要尽量减少碰撞发生的概率。

      • 802.11局域网在使用CSMA/CA协议的同时，还使用停止等待协议。这是因为无线信道的通信质量远远不如有线信道的质量。因此无线站点每通过无线局域网发送完一帧后，要等待收到对方的确认帧之后才能继续发送下一帧。这就是链路确认。

      • 802.11 的MAC层

        • 无线网络和移动网络_3g_03
        • 分布协调功能DCF。DCF不采用任何中心控制，而是在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权，因此DCF向上提供征用服务。802.11协议规定，所有的实现都必须有DCF功能。
        • 点协调功能PCF（Point Coordination Function）.PCF是选项，使用接入点AP集中控制整个BSS内的活动，因此自组网络就没有PCF子层，PCF使用集中控制的几种接入算法，用类似于探寻的方法把发送数据权轮流交给各个站，从而避免了碰撞的产生。

      • 为了尽量避免碰撞，802.11规定，所有的站在完成发送后，必须等待一段的很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间通常称为帧间间隔IFS(InterFrame Space)。帧间间隔的长短取决于该站要发送的数据类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可以优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。

      • 无线网络和移动网络_数据_04

        • SISF短帧间间隔：长度为28微秒，SISF是最短的帧间间隔，用来分割开属于一次对话的各帧。
        • DIFS分布协调功能帧间间隔：长度为128微秒，在DCF中，DIFS用来发送数据帧和管理帧。

      • CSMA/CA协议工作原理：

        • 在发送数据的站先检测信道，在802.11标准中规定了在物理层的空间接口进行物理层的载波监听，通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可以判断是否有其他的移动站在信道上发送数据。当源站发送它的第一个MAC帧时候，若检测到信道空闲，则在等待一段时间DIFS后就可以发送。
        • 为什么要等待DIFS时间后才发送？就是考虑到可能有其他站有高优先级的帧要发送。如有，则要让高优先级帧先发送。
        • 现在假设没有高优先级帧发送，因为源站发送了自己的数据帧，目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔SIFS后，向源站发送确认帧ACK。若源站在规定的时间内没有接受到确认ACK帧（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到此帧为止，或者经过若干次失败后放弃重传。
        • 由此可见，802.11无线局域网采用的停止等待协议，是一种可靠传输协议。发送方必须等待接收方发送过来的确认ACK帧。但802.3有线局域网的传输是不可靠的，发送方把数据发送出去就不管了，如果需要可靠传输就要由高层负责。

      • 802.11标准还采用了一种叫做虚拟载波监听（Virtual Carrier Sense）的机制，这就是让源站把它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）即使通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间内都停止发送数据，这样就大大减少了碰撞的机会。“虚拟载波监听”，表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。这种效果好像是其他站在监听信道一样。所谓的源点通知，就是源站在MAC帧首部中的第二个字段持续时间中，填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（单位为微秒），包括目的站发送确认帧所需的时间。

      • 当一个站检测到信道上传输的帧MAC首部的持续时间字段的时候，就调整自己的网络分配向量NAV（Network Allocation Vector）,NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的传输，才能使信道进入空闲状态。

      • 图9-6指出，当信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，只要不是要发送的第一个帧，不仅都必须等待一个DIFS的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间，以便再次重新试图接入到信道。请读者注意，在以太网的CSMA／CD协议中，要发送数据的站，在监听到信道变为空闲就立即发送数据，同时进行碰撞检测。如果不巧发生了碰撞，不要紧，马上执行退避算法，大家都停止发送，这样就立即使信道恢复到空闲状态。网络资源被浪费得很少。但在无线局域网 802.11 标准的 CSMA／CA 协议中，因为没有像以太网那样的碰撞检测机制，所以，在信道从忙态转为空闲时，为了避免几个站同时发送数据（一旦发送就要把一帧发送完，不能中途停止），所有想发送数据的站就都要执行退避算法。这样做不仅大大减小了发生碰撞的概率，而且也避免了一个站连续发送长帧，垄断了整个的无线信道。802.11标准也是使用二进制指数退避算法，但具体做法稍有不同。这就是：第i次退避就在22＋i个时隙中随机地选择一个。这就是说，第1次退避是在8个时隙（而不是2个）中随机选择一个，而第2次退避是在16个时隙（而不是4个）中随机选择一个。

      • 当某个要发送数据的站，使用退避算法选择了争用窗口中的某个时隙后，就根据该时隙的位置设置一个退避计时器（backoff timer）。当退避计时器的时间减小到零时，就开始发送数据。也可能当退避计时器的时间还未减小到零时而信道又转变为忙态，这时就冻结退避计时器的数值，重新等待信道变为空闲，再经过时间DIFS后，继续启动退避计时器（从剩下的时间开始）。这种规定有利于继续启动退避计时器的站更早地接入到信道中。

      • 为了更好地了解802.11的退避机制， 下面用个例子来说明（图9—7）

        图9—7表示当A正在发送数据时， B， C和D都有数据要发送（用向上的箭头表示）。由于这三个站都检测到信道忙，因此都要执行退避算法，各自随机退避一段时间再发送数据。802.11标准规定，退避时间必须是整数倍的时隙时间。

        前面已经讲过，第i次退避是在时隙0，1 . ..， 2 1—1）1中随机地选择一个。这样做是为了使不同站点选择相同退避时间的概率减少。因此，第1次退避（i=1）要推迟发送的时间是在时隙0，1. ..，77）（共8个时隙）随机选择一个，而第2次退避是在时隙0， 1， ..， .15）中（共16个时隙）随机选择一个。当时隙编号达到255时（这对应于第6次退避）就不再增加了。这里决定退避时间的变量i称为退避变量。

      • 无线网络和移动网络_数据_05

      • 退避时间选定后，就相当于设置了一个退避计时器（backoff timer）。站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。这可能发生两种情况：若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时；若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS后，从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。

        从图9—7可以看出， C的退避计时器最先减到零，于是C立即把整个数据帧发送出去。请注意， A发送完数据后信道就变为空闲。C的退避计时器一直在倒计时。当c在发送数据的过程中， B和D检测到信道忙，就冻结各自的退避计时器的数值，重新期待信道变为空闲。正在这时E也想发送数据。由于E检测到信道忙，因此E就执行退避算法和设置退避计时器。

        当C发送完数据并经过了时间DIFS后， B和D的退避计时器又从各自的剩余时间开始倒计时。现在争用信道的除B和D外，还有E.D的退避计时器最先减到零，于是D得到了发送权。在D发送数据时， B和E都冻结其退避计时器。

        以后E的退避计时器比B先减少到零。当E发送数据时， B再次冻结其退避计时器。等到E发送完数据并经过时间DIFS后， B的退避计时器才继续工作，一直到把最后剩余的时间用完，然后就发送数据。

        冻结退避计时器剩余时间的做法是为了使协议对所有站点更加公平。

      • CSMA/CA算法如下

        • （1）若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功在进行重传），且检测信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧。
        • （2）否则，站点就执行CSMA/CA协议的退避算法，一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器。只要信道空闲，退避计时器就开始计时。
        • （3）当退避计时器减少到0时，（这时信道可能是空闲的），站点就发送整个帧并等待确认。
        • （4）发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确收到了。这时如果要发送第二个帧，就要从第（2）开始，执行CSMA/CA协议的退避算法。随机选取一段退避时间。若源站在规定时间内没有收到确认ACK帧（）由重传计时器控制这段时间，就必须重传此帧（再次使用CSMA/CA协议争用接入信道），直到收到确认帧为止，或者经过若干次失败后放弃发送。
        • 应当指出,当一个站要发送数据帧时,仅在下面的情况下才不使用退避算法：
          • 检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧。
        • 除此以外的所有情况,都必须使用退避算法。具体来说,以下几种情况必须使用退避
          算法：
          • 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。
          • 每一次的重传。
          • 每一次的成功发送后再要发送下。

    • 对信道进行预约

      • 为了更好地解决隐蔽站带来的碰撞问题,802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。
        具体的做法是这样的。如图9-8所示,A在向B发送数据帧之前,先发送一个短的控制
        帧,叫做请求发送RTS( Request To Send),它包括源地址、目的地址和这次通信(包括相
        应的确认帧)所需的持续时间。当然,A在发送RTS帧之前,必须先监听信道。若信道空
        闲,则等待一段时间DIFS后,才能够发送RTS帧。若B正确收到A发来的RTS帧,且媒
        体空闲,则等待一段时间SIFS后,就向A发送一个叫做允许发送CTS( Clear To send)的控
        制帧,它也包括这次通信所需的持续时间。A收到CTs帧后,再等待一段时间SIFS后,就
        可发送数据帧。若B正确收到了A发来的数据帧,在等待时间SIFS后,就向A发送确认
        帧ACK。
      • 这里要说明一下。根据802.11协议的规定， A在RTS帧中所填写的所需占用信道的持续时间，是从RTS帧发送完毕后，到B最后发送完确认ACK为止的时间。从图9—8可以看出，这段时间就是[SIFS + CTS + SIFS +数据帧+ SIFS + ACK]这些时间段之和。这个时间也就是从RTS帧发完后，信道仍被A和B的通信占用的时间。而B在CTS帧中所填写的所需占用信道的持续时间，是从CTS帧发送完毕后，到B最后发送确认ACK为止的时间。从图9—8可以看出，这就是[SIFS +数据帧+ SIFS + ACK]这些时间段之和。这个时间也就是从CTS帧发完后，信道仍被A和B的通信占用的时间。上述的这两个持续时间，实际上分别是A和B的网络分配向量NAV。其他站注意到NAV后，就不会在这段时间发送数据了。
      • 无线网络和移动网络_数据帧_06
      • 使用RTS帧和CTS帧会使整个网络的通信效率有所下降。但由于这两种控制帧都很
        短,其长度分别为20字节和14字节,与数据帧(最长可达2346字节)相比开销不算大。
        相反,若不使用这种控制帧,则一旦发生碰撞而导致数据帧重发,浪费的时间就更多了。虽
        然如此,协议还是设有三种情况供用户选择：
        • 使用RTS帧和CTS帧。
        • 只有当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS帧和CTS帧(显然,当数据帧本
          身就很短时,再使用RTS帧和CTS帧只能增加开销)
        • 不使用RTS帧和CTS帧。
      • 虽然协议经过了精心设计,但碰撞仍然会发生。例如,有两个站同时向同一个目的站
        发送RTS帧。这两个RTS帧发生碰撞后,使得目的站收不到正确的RTS帧,因而目的站就
        不会发送后续的CTS帧。这时,原先发送RTS帧的两个站就各自随机地推迟一段时间后再
        重新发送其RTS帧。推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。
        在图98中,在除源站和目的站以外的其他各站中,在收到CTS帧(或数据帧)后就
        设置其网络分配向量NAV,以便推迟接入到无线局域网中。这样就保证了源站和目的站之
        间的通信不会受到其他站的干扰。
        为了更好地理解 CSMA/CA协议,图9-9给出了 CSMA/CA协议的基本流程图,它能帮
        助我们抓住这个协议的重点。我们可以看出,在这个流程图中没有考虑许多较为复杂的情况
        (如图97中冻结剩余的退避时间等问题)。
        *无线网络和移动网络_移动通信_07

无线个人区域网WPAN（Wireless Personal Area Network）

  • WPAN就是在个人工作地方把属于个人的电子设备用无线技术连接起来自组网络，不需要接入AP，整个网路的范围约为10m。WPAN可以是个人使用，也可以是若干人使用。这些电子设备可以很方便的进行通信，就想用普通电缆连接在一起一样。

  • WPAN和WLAN并不一样：WPAN是以个人为中心来使用的无限个人区域网，它实际上是一个低功率，小范围，低速度和低价格的电缆代替技术。但WLAN是同时为很多用户提供服务的无线局域网，它是一个大功率，中等范围，高速率的局域网。

  • WPAN的IEEE标准由IEEE802.15工作组制定。WPAN工作在2.4GHz的ISM频段。

  • 蓝牙系统

    • 无线网络和移动网络_时隙_08
    • 图中的M代表主设备，S代表从设备，P小圆圈表示不工作的搁置设备。一个皮网最多可以有255个搁浅的设备。
    • 为了适应不同用户的需求，WPAN还定义了另外两种低速WPAN和高速WPAN
      • 低速WPAN:主要用于工业监控组网，办公自动化与控制领域。其速率大概是2-250kbit/s，低速WPAN标准是IEEE 802.15.4 。在低速WPAN中最重要的是ZigBee(峰通过跳Z形)来通知伙伴所发现的食物的位置，距离和方向等信息。ZigBee主要用于各种电子设备之间的无线通信，其主要特点是通信距离短（10-80m）传输数据速度低，成本低廉，功耗非常的低，网络容量大。
      • 高速WPAN：高速WPAN标准是IEEE 802.15.3,是专门在便携式多媒体装备之间传送数据而制定的。支持11-55Mbit/s的速率，例如打印机，扫描仪，外接硬盘等等。

无线城域网WMAM(Wireless Metropolitan Area Network)

  • IEEE 802.16标准，可以覆盖一个城市的部分区域。通信的距离变化很大（远的高达50公里）

蜂窝移动通信网

  • 想要在任何时间是人地点都能接入互联网，仅靠Wi-Fi无线局域网是不行的，因为很多地方还没有开通WiFi热点。
  • 从覆盖面来讲，蜂窝移动通信网覆盖面比WiFi无线覆盖面要大得多。
  • 蜂窝通信标准：
    • 第一代蜂窝移动通信(1G,这里的G是 Generation而不是Giga的缩写)是为话音通信
      设计的模拟FDM系统。1G的蜂窝无线网络早已淘汰了。
    • 第二代蜂窝移动通信(2G)的代表性体制就是最流行的GSM系统。这个系统使用的带宽
      只有200kz,因此除了基本的话音通信,它只能提供低速数字通信(短信服务)。为了能
      够提供接入到互联网的服务,2G蜂窝移动通信系统增加了如GPRS和EDGE°等技术。也有
      人称GPRS为2.5G,而EDGE为275G,表明它们还属于2G,但比2G要强些,并且是从
      2G向第三代(3G过渡的衔接性技术。目前在我国这种2G手机还在大量使用。
    • 第三代蜂窝移动通信(3G)使用的带宽增大到5MHz,并且使用P的体系结构和混合的
      交换机制(电路交换和分组交换),能够提供移动宽带多媒体业务(话音、数据、视频等,
      可收发电子邮件,浏览网页,进行视频会议等)。3G现有三个无线接口国际标准,即美国提
      出的CDMA2000(中国电信使用),欧洲提出的 WCDMA(中国联通使用)和中国提出的
      TD-SCDMA(中国移动使用),并且都已在我国开通运营。多种移动通信标准的出现是由于不同厂商为各自利益竞争的结果。每一种制式的调制与编码方法都不相同。3G手机的上
      网速率比起2G手机有了很大的提高。从3G开始以后的各代蜂窝移动通信都是以传输数据
      业务为主的通信系统,而且必须兼容2G的功能(即能够通电话和发送短信),这就是所谓
      的向后兼容。
    • 2013年12月工信部正式发放4G牌照,宣告我国移动通信行业进入第四代(4G)。4G
      式名称是 MT-Advanced( nternational mobile Telecommunications- Advanced),意思是高级
      国际移动通信。这是国际电联无线电通信部门ITU-R在2008年3月提出的,其中的一个重
      要技术指标就是要实现更高的数据率。4G的目标峰值数据率是:固定的和低速移动通信时
      应达到1Gbis,在高速移动通信时(如在火车。汽车上)应达到100Mbis。由此可见,
      目前全世界所有声称是4G的蜂窝无线网络,其实都远未达到真正的4G标准。为了商业营
      销的考虑,众多厂家和电信运营商现在都声称自己的产品是4G的,而各种媒体也这样宣
      传。然而事实上现在所谓的4G并非真正的4G,虽然它比3G的速率快得多。
      4G当然也要向后兼容3G。因此,现在很多手机都标明具有4G3G/2G功能。这表示如
      果手机所在地还没有被4G网络覆盖,那么这个手机还可以使用3G网络的功能。而如果手
      机所在地只有2G网络,那么这个手机仍然可以使用原来2G网络的功能。
      4G现有两个国际标准,即LTE(Long- Term Evolution)和LTEA( LTE-Advanced)。LTE
      的意思就是“长期演进”,表明从3G到4G的过渡需要较长的时间。LTE又分为时分双工
      TD-LTE和频分双工 FDD-LTE两种,而LTEA是LTE的升级版,俗称为39G。LTE把带宽
      增加到20MHz,采用了高阶调制64QAM和MMO技术。LTE-A的带宽高达100MHz。据
      2016年6月的统计,全球投入商用的LTEA网络已达100个,分布在49个国家和地区。
  • 3G蜂窝通信系统的重要组成构件
    • 无线网络和移动网络_时隙_09
    • 每个基站的发送功率既能覆盖本小区，也不能太大干扰其他小区的通信。采用蜂窝形状的小区好处是可以最大限度进行频率复用。频率复用指的是在相隔一定距离的不同小区可以采用相同的频率而不会相互影响。
    • 在图9-17中的每一个基站都有一个基站收发信机,其作用就是在移动站和无线网络控
      制器RNC( Radio network Controller)9进行通信时,起到转接作用。无线网络控制器RNC控
      制一组基站(例如控制几十个基站),负责管理无线小区及其无线信道。如果移动站要进行
      电话通信,就必须和小区中的基站相关联,和基站建立起双向的无线通信信道。基站通过
      RNC连接到移动交换中心MSC( Mobile Switching Center)(现在都使用光缆连接)。MSC控
      制所有RNC的话音业务,提供电路交换功能,处理所控制区域内移动站的信令,以及移动
      站的位置更新。移动通信运营商可以建立很多的MSC,然后通过网关移动交换中心连接到
      公用电话网或其他移动通信网。
    • 如果移动站要接入到互联网发送电子邮件或下载视频节目,RNC就把移动站发来的IP
      数据报转发到GPRS核心网络。GPRS核心网络包括两部分,即SGSN( Serving GPRS
      Support Node),即GPRS服务支持结点,和GGSN( Gateway GPRS Support Node),即网关
      GPRS支持结点。
    • sGSN主要完成IP数据报的转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴别和加
      密、话单产生和输出等功能。SGSN还要和移动交换中心MSC进行通信,以便完成用户的
      鉴别、通信的切换等功能。GGSN具有网络接入控制功能,因此又称为GPRS路由器,它选
      择哪些分组可以进入GPRS网络,以保证GPRS网络的安全。
      从图9-17可以看出,无线网络控制器RNC所起的关键作用。RNC处在无线接入网的
      边缘,它进行无线通信和有线通信的转换。在有线通信这边,RNC把电路交换的话音通信
      传送到MSC,而把分组交换的数据传送到SGSN。
  • 移动IP
    • 移动IP( Mobile ip)又称为移动P协议RFC5944,建议标准],是由ITF开发的一种技
      术,这种技术允许计算机移动到外地时,仍然保留其原来的IP地址。移动IP对现在流行的
      在移动中上网有着重要的意义。
    • 现在考虑一种情况。假定某用户在家中使用笔记本电脑上网。后来他关机并把笔记本
      电脑带到外地重新上网。这个用户和他使用的电脑在地理上都移动了,都更换了位置。他在
      不同地点能够很方便地通过动态主机配置协议DHCP自动获取所需的IP地址。虽然用户
      “移动”了,更换了上网的地点,以及更换了所接入的网络,因而也更换了他使用的IP地
      址,但这和我们将要讨论的移动IP毫无关系。我们可以看出,从本质上看,这个用户的上
      网和传统的在固定地点上网并没有本质上的差异。用户在不同地点上网使用了不同的IP地
      址,但这对用户来说并不重要,因为在很多情况下,用户并不关心他所使用的具体的IP地
      址是什么。
    • 在第4章中我们已经强调过,IP地址并不仅仅指明一台主机,还指明了主机所连接到
      的网络。当一个移动站在改变地理位置时,由于所接入的网络不同(我们不可能在任何地点
      所接入的网络都具有同一个网络号),因此,当一个移动站在异地接入到当地的网络时,其
      IP地址必然要改变。我们在第4章中已经讲过,路由器的寻址是先找到目的网络,而目的
      主机就连接在这个目的网络上。如果有个移动站连接到外地的某个网络但并不改变其IP地
      址,那么按常规的寻址方法,互联网中的路由器就无法找到这个移动站。
    • 但是,我们需要在移动中上网。这时就希望移动站所建立的TCP连接在移动站漫游时
      直保持连接,否则我们的上网就会变为断断续续的(因为TCP连接的建立是需要时间
      的,不可能瞬间就建立好)。可见,只要移动站的IP地址改变了,TCP连接就必须先中断再
      重新建立。因此,IP地址的改变对这样的移动用户来说就显得非常重要。
      移动IP要解决的问题,就是要使用户的移动性对上层的网络应用是透明的。或者更加
      具体些说,就是若一个移动站在漫游时仍保持其IP地址不变,就要想办法使已建立的TCP
      连接与移动用户的漫游无关。此外,还要想办法让互联网中的其他主机能够找到这个移动
      站。
    • 移动IP要点
      • 无线网络和移动网络_时隙_10
      • 为了让地址的改变对互联网的其余部分是透明的,移动P使用了代理。归属代理(home
        agen通常就是连接在归属网络上的路由器,然而它作为代理的特定功能则是在应用层完成
        的。因此,归属代理既是路由器,也是主机。
        当移动站A移动到另一个地点,他所接入的网络称为被访网络( visited network)或外地
        网络( ( foreign network)。被访网络中使用的代理叫做外地代理( (foreign agent),它通常就是连
        接在被访网络上的路由器(当然也充当主机)。假定移动站A到达的网络是被访网络
        150.00/8。外地代理的一个任务就是要为移动站A创建一个临时地址,叫做转交地址(care
        of address)转交地址的网络号显然必须和被访网络一致。我们假定现在A的转交地址是
        15567/8。外地代理的另一个功能就是及时把移动站A的转交地址通知A的归属代理。
        请注意两点:第一,转交地址是供移动站、归属代理以及外地代理使用的,各种应用
        程序都不使用这种转交地址;第二,转交地址在互联网中并不具有唯一性。这就是说,外地
        代理可以给好几个移动站指派同样的转交地址,甚至把自己的IP地址指派为移动站的转交
        地址。这样做并不会引起混乱。这是因为当外地代理要向连接在被访网络上的移动站发送数
        据报时,并不会像通常那样使用地址解析协议ARP,而是直接使用这个移动站的MAC地址
        (当移动站首次和外地代理通信时,外地代理就记录下这个移动站的MAC地址)。
        有时,移动站本身也可以充当外地代理,即移动站和外地代理是同一个设备。这时的
        转交地址叫做同址转交地址(co- located care- of address)。但是,要这样做,移动站必须能够
        接收发送到转交地址的数据报。使用同址转交地址的好处是移动站可以移动到任何网络,而
        不必担心外地代理的可用性。但缺点是移动站需要有额外的软件,使之能够充当自己的外地
        代理。
    • 蜂窝移动通信网中对移动用户的路由选择
      • 假定有一个通信者(固定电话用户)对一个手机移动通信用户进行呼叫。图9-20给出
        了这个呼叫过程所涉及到的一些重要网络构件。在941节中,我们已经讲过移动交换中
        MsC是蜂窝移动通信网中的核心构件。其实MSC还要维护两个非常重要的数据库,即归属
        位置寄存器HLR( Home Location Register和来访用户位置寄存器LR( Visitor location
        Register)。在图9-20中我们各画出了一个作为代表,HR存放签约用户的所有数据信息,
        VLR则临时存放着当前漫游到这个MSC控制区的用户位置信息。当移动用户漫游到新的
        MSC控制区时,只要手机开机,就自动发送信令报文向该地区的VLR进行登记。VLR要
        向该移动用户归属网络的HLR查询有关的参数,并给该移动用户分配一个临时的移动站漫
        游号码MSRN( Mobile Station Roaming Number)。这个MSRN就是移动用户现在的位置信
        息。但HLR怎样知道这个MSRN是什么呢?原来漫游号码MSRN只匙在移动用户进入被
        访网络时才被VLR指派的,其作用和移动IP中的转交地址类似。漫游号码对主叫和被叫用
        户来说都是透明的。VLR必须把这个漫游号码及时告诉移动用户归属网络的HLR。如果移
        动用户从一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区,归属网络的HLR在修改该用户的位
        置信息后(这个新的位置信息是从新的VLR得知的),还要通知原来的VLR,注销此移动
        用户旧的位置信息。
      • 无线网络和移动网络_数据帧_11
      • 呼叫过程的三个重要步骤
        • 找到移动用户的归属网络。通信者(固定电话用户)首先拨移动用户的电话号
          码。从这个电话号码很容易找到了移动用户电话的归属网络。例如,我国的移动
          电话号码是11位。前3位是网络运营商的代码。再后面的第4~7位就是该运营
          商管辖范围内的归属网络号码。所以通信者拨出某个移动用户的号码后,公用电
          话网的交换机就能够把呼叫传送到被叫的归属网络交换中心( Home mso),简称为
          归属MSC。在GSM术语中,移动电话的归属网络的名字很长,叫做归属公共陆
          地移动网络 Home Plmn( Home public land mobile network)。但我们仍采用归属
          网络这个比较简洁的术语。
        • 归属MSC向其HLR查询现在被叫移动用户的位置。HLR向归属MSC返回被叫
          移动用户的移动站漫游号MSRN。请注意,这个MSRN正是被叫移动用户漫游到
          被访网络,并被VLR指派的MSRN,而LR也已及时地把这个MSRN告诉了该
          移动站的归属MSC的HLR。可见HLR不仅存储了移动用户的许多不改变的数据
          信息,而且还临时存放了移动用户当前的位置信息。
          归属MSC按照所得到的漫游号码MSRN进行呼叫的第二段,把通信者发起的呼
          叫从归属MSC传送到被访网络的MSC,再传送到该移动用户所漫游到的小区的
          基站。于是,整个的呼叫就完成了。
        • 归属MsC按照所得到的漫游号码MsRN进行呼叫的第二段,把通信者发起的呼
          叫从归属MSC传送到被访网络的MSC,再传送到该移动用户所漫游到的小区的
          基站。于是,整个的呼叫就完成了。
        • 图9-20所示的呼叫过程使用的是间接路由选择。这就是说,不管被叫移动用户的位置
          如何,呼叫的第一步总是先找到被叫移动用户的归属MsC,呼叫的第二步再从归属MSC找
          到到被访网络的MSC和与该MSC相关联的被叫。
          从以上的讨论可以看出,数据库HLR和VLR都必须具有很高的可靠性和可用性,并
          且查询响应时间必须非常短,否则就不能使电话的接通时间让用户满意。
    • CSM中的切换
      • 移动用户在进行通信时总是处在某一个基站的服务小区内。当移动用户进入到地理上
        相邻的另一个小区时,他就与该小区的基站相关联。所谓切换( handover)就是移动用户与相
        关联的基站发生了改变。我们知道,小区的大小和形状取决于该地区的地形、基站的分布以
        及基站收发信机的功率。设计良好的蜂窝通信网络应当使移动用户在大多数情况下都能够处
        在超过一个基站的服务区内。网络会决定在什么时候由哪一个基站来为该移动用户服务。
      • 切换使得呼叫的传输路由发生变化。切换发生的原因是：
        • 当前的基站和移动用户之间的信号减弱,有使呼叫中断的可能;
        • 蜂窝小区内的呼叫太多,基站不堪重负。这时可以把移动用卢切换到与相邻的
          不太拥塞的蜂窝小区的基站相关联,以减轻原来基站的负荷。
      • 移动用户在和一个基站相关联期间,会周期性地测量来自其当前基站及其邻近基站的
        信标信号强度,并将测量结果以每秒1~2次频率报告给当前基站。根据这些测量数据以及
        邻近蜂窝的当前负载情况,当前基站决定是否发起切换。
        移动站的切换可能仍处在同一个MSC的控制下,只是相关联的基站发生了变化。但在
        许多情况下,移动站的切换是相关联的MSC都改变了。在这种情况下,向移动站的呼叫路
        由会有很大的变化。图921给出了切换前后的对比(为了简洁起见,图中没有画出有关的
        RNC以及HLR或VLR)。
      • GSM使用了锚MSC的概念。锚MSC是在呼叫移动用户首次访问过的MsC,它在整
        个呼叫持续过程中保持不变。在整个呼叫持续期间,不管到移动用户相关联的基站怎样变
        化,整个呼叫路由的前面一段,即从归属MSC到锚MSC这一段,是始终不改变的。移动
        用户在不同的小区之间漫游时,呼叫路由只在从锚MSC到被访网络的MSC这一段发生变
        化。从图9-21可以看出,在通信者和被叫移动用户之间,最多出现三个MSC,即归属
        MSC、锚MSC和被访网络的MSC。
      • 当然,当移动用户在漫游时,路由的改变还是要在蜂窝移动通信网中产生许多信令报
        文的交换。这些过程相当复杂,这里从略。
      • 无线网络和移动网络_3g_12
    • 无线网络对高层的影响
      • 前面讲过的无线网络在移动站漫游时,会经常更换移动用户到无线网络的连接点(即
        到移动站相关联的基站)。这样,网络的连接就会发生很短时间的中断。那么,这种情况对
        高层协议有没有影响呢?现在我们简单讨论一下这个问题。
        我们知道,在TCP连接中,只要发生报文段的丢失或出错,TCP就要重传这个丢失或
        出错的报文段。在移动用户的情况下,TCP报文段的丢失,既可能是由于移动用户切换引
        起的,也可能是由于网络发生了拥塞。由于移动用户更新相关联的基站需要一定的时间(即
        不可能在数学上的瞬间完成),这就可能造成TCP报文段的丢失。但TCP并不知道现在出
        现的分组丢失的确切原因。只要出现TCP报文段频繁丢失,TCP的拥塞控制就会采取措
        施,减小其拥塞窗口,从而使TCP发送方的报文段发送速率降低。这种措施显然是默认了
        报文段丢失是由网络拥塞造成的。可见,当无线信道出现严重的比特差错,或由于切换产生
        了报文段丢失,减小TCP发送方的拥塞窗口对改善网络性能并不会有任何好处。
      • 可以使用三种方法处理此问题
        • 本地恢复。这是指差错在什么地方出现,就在什么地方改正。例如,在无线局域网
          中使用的自动请求重传ARQ协议就属于本地恢复措施。
        • 让TCP发送方知道什么地方使用了无线链路。只有当TCP能够确知,是有线网络
          部分发生了拥塞时,TCP才采用拥塞控制的策略。然而要能够区分是在有线网段还是无线
          网段出现报文段丢失,则还需要一些特殊的技术。
        • 把含有移动用户的端到端TCP连接拆成两个互相串接的TCP连接。从移动用户到
          无线接入点是一个TCP连接(这部分使用无线信道),而剩下的使用有线网段连接的部分则是另一个TCP连接(我们假定TCP连接的另一端是有线主机)。已经有人研究过,采用拆
          分TCP连接的方法,在使用无线信道的TCP连接上,既可以使用标准的TCP协议,也可以
          使用有选择确认的TCP协议,甚至还可以使用专用的、有差错恢复的UDP协议。在蜂窝无
          线通信网中实验的结果表明,采用拆分TCP连接的方法可以使整个性能得到明显的改进。