一、概述二、移動通信基本原理三、無線局域網(wǎng)—802.11四、寬帶無線接入—802.16五、蘭牙技術六、移動IP7/22/20231上海交通大學計算機系一、概述

1.WirelessNetwork大致分成三類：(1)系統(tǒng)互聯(lián)

短距離的通信。

藍牙技術7/22/20232上海交通大學計算機系(2)無線局域網(wǎng)IEEE802.11標準7/22/20233上海交通大學計算機系(3)無線廣域網(wǎng)低速：GSM、CDMA第2.5代GPRS高速：IEEE802.16標準

7/22/20234上海交通大學計算機系二、移動通信基本原理7/22/20235上海交通大學計算機系移動電話系統(tǒng)

第1代移動電話Analogvoice模擬語音第2代移動電話Digitalvoice數(shù)字語音第3代移動電話Digitalvoiceanddata(Internet，E-mail，etc.)數(shù)字語音和數(shù)據(jù)

7/22/20236上海交通大學計算機系1.第1代移動電話：模擬語音

蜂窩的概念 移動電話主要采用頻率復用，但分配給移動電話的頻段很少，遠不能滿足用戶的需要。 因此就提出將地區(qū)劃分成小區(qū)，稱為蜂窩（Cell），每個蜂窩內(nèi)使用一組頻率，相隔一段距離后，相同的頻率又可重復使用。每個蜂窩區(qū)域的范圍約為10～20公里。最早在AMPS系統(tǒng)中使用(1982年，Bell)。

7/22/20237上海交通大學計算機系7/22/20238上海交通大學計算機系2.第2代移動電話：數(shù)字語音

D-AMPSGSMTheGlobalSystemforMobileCommunicationCDMACodeDivisionMultipleAccess

7/22/20239上海交通大學計算機系(1)GSM

復用方式：頻分+時分7/22/202310上海交通大學計算機系工作原理

7/22/202311上海交通大學計算機系HLR：用戶原登記注冊地區(qū)的數(shù)據(jù)庫VLR：用戶移動到外地后，當?shù)氐臄?shù)據(jù)庫AC：用于認證，保護用戶不被非法用戶盜用EIR：其中登記有移動電話的設備類型，用于識別設備類型7/22/202312上海交通大學計算機系呼叫尋址過程7/22/202313上海交通大學計算機系步驟：1.呼叫目的移動電話2.電話網(wǎng)識別移動電話號碼，傳送此呼叫到相應的MSC3.詢問HLR4.該移動用戶不在本地，轉發(fā)到用戶所在地的VLR（漫游）5.VLR返回routingnumber給HLR，并傳到MSC6.根據(jù)routingnumber，呼叫被轉移到用戶所在的MSC7.8.目的地MSC直接從VLR中訪問到目的用戶的參數(shù)9.將呼叫送達目的基站及目的用戶移動電話10.移動電話回答對方的呼叫7/22/202314上海交通大學計算機系(2)CDMA

CodeDivisionMultipleAccess

碼分多重訪問采用編碼方式實現(xiàn)信道復用，具有容量大、保密性好、抗干擾性強等優(yōu)點。7/22/202315上海交通大學計算機系1)ChipSequence每個比特(bit)時間被分成m個短的時間片，稱為Chip(薄片)。

通常每個比特有64個或128個Chip，以下我們以8個Chip為例。每個站點被指定一個唯一的m位的代碼，稱為Chipsequence。發(fā)送“1”時，站點發(fā)送chipsequence的原碼；發(fā)送“0”時，站點發(fā)送chipsequence的反碼。7/22/202316上海交通大學計算機系例如：A的chipsequence為00011011A發(fā)送“1”時為00011011A發(fā)送“0”時為11100100為解釋時容易理解，用“+1”代替“1”，用“-1”代替“0”。見下圖所示。7/22/202317上海交通大學計算機系7/22/202318上海交通大學計算機系2)正交特性設某站的chipsequence是S，內(nèi)含S1…Si另一個站的chipsequence是T，含T1…Ti

得S和T的“內(nèi)積”：SxT=0SxT=0SxS=1Sx?=-17/22/202319上海交通大學計算機系3)發(fā)送時的復用見圖(c)其中“-”表示該站未發(fā)送。如B、C站均發(fā)送1，則得：(-1-1+1-1+1+1+1-1)+(-1+1-1+1+1+1-1-1)=(-2000+2+20-2)7/22/202320上海交通大學計算機系7/22/202321上海交通大學計算機系4)接收時的還原運用內(nèi)積規(guī)則如收到復用后的S，欲還原C，只需求SxC即可。例：S=ā+B+C

SxC=(ā+B+C)xC=āxC+BxC+CxC=0+0+1=1見圖(d)所示。7/22/202322上海交通大學計算機系7/22/202323上海交通大學計算機系7/22/202324上海交通大學計算機系3.第三代移動電話

第一、二代移動通信的標準是由各個國家制定的，因而互通性、兼容性很差。為移動通信的漫游帶來很大困難。國際電信聯(lián)盟（ITU）希望在制定第三代(3G)標準時有一個統(tǒng)一的規(guī)范。1985年ITU首先提出了第三代移動通信系統(tǒng)，當時被稱為“未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)”，即FPLMTS（FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystems）。7/22/202325上海交通大學計算機系

2019年ITU正式將其更名為全球移動通信系統(tǒng)IMT－2000，意即：在2000年左右進入商用；工作在2000MHz頻段；工作帶寬是2000kHz。7/22/202326上海交通大學計算機系

按ITU總目標，第三代移動通信系統(tǒng)有如下目標和特征：（1）提供高速率和多種速率支持多種業(yè)務，能支持從話音到分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務，特別是Internet，應能根據(jù)需要來提供必要的帶寬。其最低無線傳輸要求是：快速移動環(huán)境：最高速率達114kbps步行環(huán)境：最高速率達384kbps室內(nèi)環(huán)境：最高速率達2Mbps7/22/202327上海交通大學計算機系（2）全球覆蓋及全球無縫漫游、全球使用共用頻段（1885－2025MHz，2110－2200MHz）。但不要求各系統(tǒng)在無線傳輸設備及網(wǎng)絡內(nèi)部技術完全一致，而要求在網(wǎng)絡接口、互通及業(yè)務能力方面的統(tǒng)一或協(xié)調(diào)。（3）高頻譜效率。（4）高服務質量：具有長話的話音質量，比特錯誤率小于10－6的數(shù)據(jù)業(yè)務。（5）低成本、低功耗、小體積、高保密等良好的商業(yè)特性。7/22/202328上海交通大學計算機系

2000年月ITU從全球各大公司提交的10種第三代通信技術標準建議中選擇了三種作為3G應用的技術標準。即：

W-CDMA(WidebandCDMA)CDMA2000TD-SCDMA7/22/202329上海交通大學計算機系

WCDMA（Wideband

CDMA）寬帶CDMA。

該標準由歐洲國家提出。WCDMA源于歐洲和日本幾種技術的融合。WCDMA采用直擴模式，載波帶寬為5MHz，數(shù)據(jù)傳送可達到每秒2Mbps（室內(nèi)）及384Kbps（移動空間）。WCDMA與GSM網(wǎng)絡有良好的兼容性和互操作性，其支持者主要是以GSM系統(tǒng)為主的歐洲廠商。

7/22/202330上海交通大學計算機系CDMA2000是美國電信標準組織用于第三代CDMA的名稱。該標準由美國高通北美公司為主導提出，摩托羅拉、朗訊和三星等廠商都有參與。CD－MA2000是由窄頻CDMA發(fā)展而來，發(fā)展路線是CDMA—CDMA1X—CDMA2000，技術的延續(xù)性強。但是CDMA2000的多載傳輸方式比起WCDMA的直擴模式，對頻率資源利用率偏低。

7/22/202331上海交通大學計算機系TD—SCDMA（Time

Divided

Synchronization

CDMA）時分同步CDMA。由中國大唐集團提出，TD—SCDMA的優(yōu)勢在于，采用了智能天線、聯(lián)合檢測等先進技術，通過動態(tài)選擇業(yè)務模式，有較高的頻率利用率，不需要對稱頻段，只需很少的啟動頻率，而且TDD方式適合承載不對稱數(shù)據(jù)業(yè)務。

7/22/202332上海交通大學計算機系據(jù)2019年10月報道：世界上已頒發(fā)的119張3G牌照中有112張為WCDMA，7張為CDMA2000。7/22/202333上海交通大學計算機系

三、無線局域網(wǎng)—802.11802.11基本概念802.11標準

7/22/202334上海交通大學計算機系

1.無線局域網(wǎng)：802.11

為了規(guī)范無線局域網(wǎng)移動數(shù)據(jù)通信所使用的頻率和通信方式，2019年起IEEE陸續(xù)公布了802.11標準系列：802.11a、802.11b、802.11d、802.11e、802.11f、802.11g、802.11h、802.11i。該系列往往簡稱為Wi-Fi。

7/22/202335上海交通大學計算機系802.11定義了物理層和MAC層的工作，在802.11之上能運行IP協(xié)議。它有兩種工作模式：(1)通過基站(basestation)通信7/22/202336上海交通大學計算機系基站之間由以太網(wǎng)相連7/22/202337上海交通大學計算機系(2)移動主機直接通信(不需要基站)Adhoc網(wǎng)絡，又稱為MANETs(MobileAdhocNETworks)

Adhoc為拉丁語，意思是：即席性。7/22/202338上海交通大學計算機系

Adhoc網(wǎng)的主要特點：網(wǎng)絡的自主性各移動主機之間直接通信，不需要借助其它網(wǎng)絡基礎設施。動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲結構移動主機的位置及成員數(shù)經(jīng)常在變動。分布式控制移動主機兼具路由器和主機功能，主機間地位平等。多跳(multihop)無線網(wǎng)絡涉及路由選擇問題。7/22/202339上海交通大學計算機系AdHoc網(wǎng)需解決路徑尋找問題7/22/202340上海交通大學計算機系移動主機自身的局限性如：發(fā)射功率小，電池壽命短。無線網(wǎng)絡的局限性如：帶寬有限，碰撞沖突的特殊性。網(wǎng)絡生命周期短一旦工作結束，原有網(wǎng)絡即告消失。網(wǎng)絡安全性差7/22/202341上海交通大學計算機系802.11與802.3因處理的對象不同，工作時有以下差異：1)無線電波的功率小，使偵聽的范圍有限，而且信號與噪音的區(qū)分更困難。

A和C收不到各自發(fā)出的信號。7/22/202342上海交通大學計算機系2)

多次反射，造成multipathfading。

在室內(nèi)環(huán)境中，發(fā)射信號會在多個物體表面(如：墻面、桌子、天花板、人)發(fā)生反射，在不同平面反射后的信號到達接收點時會產(chǎn)生頻移，并且比原始信號稍有延遲。在接收端出現(xiàn)多個信號的疊加，使接收端的誤碼率增加。7/22/202343上海交通大學計算機系3)固定通信的應用程序不適用于移動通信。4)移動主機在不同的cell(蜂窩)之間移動時對外界是透明的。Portal。7/22/202344上海交通大學計算機系2.無線局域網(wǎng)

(1)802.11協(xié)議簇7/22/202345上海交通大學計算機系

802.11到現(xiàn)在為止己推出及正在制定的8個標準如下：802.11a5GHz頻段上的物理層標準。802.11b2.4GHz頻段上的物理層標準。802.11d當前802.11規(guī)定的操作只在幾個國家是合法的，該標準擴充802.11在其它國家的應用。802.11e改進和管理WLAN的服務質量，保證多媒體業(yè)務的傳輸。7/22/202346上海交通大學計算機系802.11f

實現(xiàn)不同廠商WLAN之間的互操作，保證網(wǎng)內(nèi)訪問點之間信息的互操作。802.11g

是802.11b的擴充，通過提高傳輸率來增強802.11b的性能和應用。802.11h

增強5GHz頻段的802.11MAC

規(guī)范及802.11a物理層規(guī)范。802.11i

增強WLAN的安全和鑒別機制。7/22/202347上海交通大學計算機系802.11a、b、g的比較：802.11b是最早推出，也是目前普及最廣和應用最多的WLAN標準。工作在無需申請的2.4GHz頻段，通信距離100米，具有抗干擾能力強，接入方便，價格低等優(yōu)點。但其傳輸速率只有11Mbps，滿足不了動態(tài)圖像傳送的需要。802.11a在很大程度上解決了802.11b的不足，最大傳輸速率為54Mbps。但是它使用需要申請的5GHz頻段，與802.11b不兼容，而且傳輸過程中信號損耗大，穿越墻壁困難，因而用戶比802.11b少。7/22/202348上海交通大學計算機系802.11g是2019年6月公布的標準。它與802.11b兼容，升級容易，傳輸速率達54Mbps，而且對障礙物的穿透能力較強，同時又具有802.11a的優(yōu)點。所以被認為將成為WLAN的主流標準。物理層最大標準傳輸速率傳輸距離頻段802.11b11(5.5)Mbps100米2.4GHz802.11a54(24)Mbps80米5.0GHz802.11g54(10-20)Mbps150米2.4GHz括孤中為實際傳輸速率。7/22/202349上海交通大學計算機系IEEE802.11體系結構7/22/202350上海交通大學計算機系BSS：BasicServiceSet

基本服務集合，相當于一個蜂窩（Cell）。

由一組執(zhí)行相同MAC協(xié)議，爭用同一共享媒體的接入站組成。

BSS內(nèi)的移動主機可以是分布式的，也可通過位于AccessPoint（接入點）的基站接入。7/22/202351上海交通大學計算機系ESS：ExtendedServiceSet

擴展服務集合。

由多個BSS通過一個分布式系統(tǒng)互聯(lián)而成，像一個單一的邏輯局域網(wǎng)。

一般來說，分布式系統(tǒng)是一個有線主干局域網(wǎng)。7/22/202352上海交通大學計算機系(2)802.11物理層

802.11協(xié)議的物理層除使用紅外線外，主要采用擴頻(spreadspectrum)技術進行通信。根據(jù)不同的擴頻技術提出了若干個標準，這些擴頻技術主要是：FHSSFrequencHoppingSpreadSpectrum跳頻擴頻DSSSDirectSequenceSpreadSpectrum直接序列擴頻以上兩個標準于2019年提出，工作在2.4GHzISM頻段，傳輸速率為1或2Mbps。7/22/202353上海交通大學計算機系OFDMOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing正交頻分復用2019年提出的802.11a，工作在5GHz頻段，傳輸速率最高為54Mbps。2019年提出的802.11g采用相同的OFDM，但工作在2.4GHz頻段，速率為11Mbps～54Mbps。HR-DSSSHighRateDSSS

高速直接序列擴頻2019年提出的802.11b，工作在2.4GHzISM頻段，傳輸速率最高為11Mbps。7/22/202354上海交通大學計算機系名稱解釋：FCCFederalCommunicationCommission聯(lián)邦通信委員會(美國)FCC對頻段的劃分作出規(guī)定。ISMIndustrial、Scientific、Medical工業(yè)、科學和醫(yī)學該頻段不需經(jīng)許可就可以使用。另一個不需經(jīng)許可就能使用的頻段是5GHz，它劃歸國家信息基礎設施使用。7/22/202355上海交通大學計算機系1)FHSS

FrequencHoppingSpreadSpectrum7/22/202356上海交通大學計算機系擴頻技術簡介

擴頻技術最初是為軍事及情報部門的需求而開發(fā)的。早期的通信使用固定的頻率，很容易被敵方偵測到，并加以竊聽或干擾。擴頻技術的基本思想是將攜帶信息的信號擴散到較寬的頻譜帶寬上，接收端必須知道所傳播的擴頻信號相關參數(shù)才能正確地恢復發(fā)送信號，如果接收端沒有調(diào)整到正確的頻率，它收到的擴頻信號將是一片噪聲。7/22/202357上海交通大學計算機系

下圖是擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型。輸入的數(shù)據(jù)首先進入信道編碼器，并產(chǎn)生模擬信號，這個模擬信號具有圍繞某個中心頻率的、相對較窄的帶寬。7/22/202358上海交通大學計算機系

然后這個信號被一個偽隨機數(shù)字序列進行調(diào)制，通過調(diào)制使傳輸信號的帶寬有顯著增加，即頻譜被擴展。在接收端，使用相同的數(shù)字序列對擴頻信號進行解調(diào)。最后，信號進入信道解碼器被還原成數(shù)據(jù)。偽隨機數(shù)使用一些被稱為種子(seed)的初始值通過某個算法得到。在通信過程中，除非知道算法和種子，否則不可能推測出這個序列。因此，只有與發(fā)送方共享信息的接收器才能夠成功地將信號解碼。7/22/202359上海交通大學計算機系2)DSSS

使用直接序列方式擴頻，原始信號中的一個比特在傳輸信號中采用Chippingcode(切片編碼)被轉換成多個比特(在802.11中為11個)，稱為Barkersequence。這種切片編碼將信號擴展到較寬的頻帶范圍，而這個頻帶范圍與使用的比特數(shù)成正比。7/22/202360上海交通大學計算機系3)OFDM

不同的信道采用頻分多路復用(FDM)方式，但不同的信道在相位上是正交的(成直角)。802.11a使用了52個頻率，其中48個用于傳送數(shù)據(jù)，4個用于同步。7/22/202361上海交通大學計算機系(3)802.11MAC子層協(xié)議1)隱藏站點與暴露站點問題

問題產(chǎn)生的原因是：每個移動主機的發(fā)射功率有限，其發(fā)出的信號只使一定半徑范圍內(nèi)的機器能夠檢測到。從而存在兩種錯誤的判斷，即：隱藏站點暴露站點

7/22/202362上海交通大學計算機系

Hiddenstationproblem

A發(fā)送報文給B，但因C在A的信號范圍之外，C沒有察覺A的發(fā)射信號，如果C也發(fā)報文給B，則會造成C和A信號的重疊，使此次發(fā)送失效。

見圖4-11(a)7/22/202363上海交通大學計算機系

圖4-26(a)表示A隱藏在B的后面，在C的信號范圍之外，A檢測不到C的信號，可能造成在B點處A和C的信號沖突。7/22/202364上海交通大學計算機系

Exposedstationproblem

在圖4-11(b)中，如果B發(fā)送報文給A，但C暴露在B的發(fā)送信號范圍之內(nèi)，C檢測到有信號，它就不會發(fā)報文。但事實上，在這種情況下C發(fā)報文給D應該是沒有問題的。7/22/202365上海交通大學計算機系

在圖4-26中，A發(fā)報文給其它主機，但B正好位于A的信號范圍之內(nèi)，B因檢測到A的信號，B將不會發(fā)報文給C。7/22/202366上海交通大學計算機系2)IEEE802.11MAC層結構7/22/202367上海交通大學計算機系DCF：DistributedCoordinationFunction

分布式協(xié)調(diào)功能

使用類似CSMA的算法解決競爭問題。

PCF：PointCoordinationFunction

點協(xié)調(diào)功能

由點協(xié)調(diào)器采用輪詢的方法，所以沒有競爭問題。屬可選功能。7/22/202368上海交通大學計算機系①CSMA/CACSMAwithCollisionAvoidance如檢測到信道空閑，則主機發(fā)送報文，不管發(fā)送過程中是否發(fā)生沖突，發(fā)送站都將報文發(fā)送完畢。如檢測到信道忙，則發(fā)送站等待，直至信道空閑時再發(fā)送。如果發(fā)生沖突，則各站等待一個隨機時間(使用以太網(wǎng)的二進制指數(shù)后退算法)后再次嘗試。7/22/202369上海交通大學計算機系②MACAWMultipleAccesswithCollisionAvoidancaforWireless

該方式在正式發(fā)送報文之前有一個預處理過程，即發(fā)送站與接收站之間先交換兩個短幀(30字節(jié))：RTS：RequestToSendCTS：ClearToSend兩個短幀中都包含了發(fā)送報文的長度。7/22/202370上海交通大學計算機系

任何移動主機(A)在發(fā)送報文前先發(fā)一個RTS，接收主機(B)如果同意接收，則送回一個CTS，見圖4-27。7/22/202371上海交通大學計算機系

A收到CTS后就可發(fā)送數(shù)據(jù)幀，同時啟動一個定時器。B正確地收到數(shù)據(jù)幀后發(fā)一個確認幀ACK，A收到ACK，則此次發(fā)送即告結束。如果A在定時器時間內(nèi)沒有收到確認，則重新開始前面的過程。這個方法的基本思想是：在通信之前發(fā)送方和接收方之間互發(fā)短幀(RTS和CTS)，發(fā)送和接收方周圍的站點就會監(jiān)測到這些短幀，從而不會在即將到來的數(shù)據(jù)幀期間發(fā)送自己的幀。

檢測到RTS幀的任何其它站點均向A關閉，并且保持足夠長的時間不發(fā)幀，使A可以無沖突地收到數(shù)據(jù)幀。所有檢測到CTS幀的站點均向B關閉，并在后繼數(shù)據(jù)到來期間保持沉默。7/22/202372上海交通大學計算機系下面結合圖4-12與圖4-27解釋使用RTS和CTS后為什么能解決隱藏站點和暴露站點問題。暴露站點問題的解決：在圖4-12(a)中，C位于A的范圍之內(nèi)，但在B的范圍之外，在A發(fā)數(shù)據(jù)時存在暴露站點問題?，F(xiàn)在C收到A發(fā)出的RTS，知道A將向B發(fā)數(shù)據(jù)，C在內(nèi)部發(fā)一個NAV(NetworkAllocationVector)信號，阻止本站向A發(fā)數(shù)據(jù)幀。同時C只要不和CTS產(chǎn)生干擾，就可以隨意地在A發(fā)送數(shù)據(jù)幀時向除A以外的其它站點發(fā)送自己的幀。

7/22/202373上海交通大學計算機系

圖4-12(a)7/22/202374上海交通大學計算機系隱藏站點問題的解決：圖4-12(b)中，D位于B的范圍之內(nèi)，而在A的范圍之外，在A發(fā)數(shù)據(jù)時存在隱藏站點問題。這種情況下，D聽不到A發(fā)出的RTS，但是卻能聽到CTS，此時D在內(nèi)部產(chǎn)生NAV信號，告訴它不能向B發(fā)數(shù)據(jù)幀，直到A向B發(fā)送數(shù)據(jù)結束為止。7/22/202375上海交通大學計算機系7/22/202376上海交通大學計算機系

在無線網(wǎng)中如果產(chǎn)生沖突，要等到傳輸層發(fā)現(xiàn)已經(jīng)太遲，在MACAW方案中，由數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)ACK。另外又加入載波偵聽，當有其它站點發(fā)RTS時，自己就不發(fā)RTS。802.11采用簡單的仃—等算法，發(fā)送站只有收到對前一幀的確認后才發(fā)下一幀。

7/22/202377上海交通大學計算機系③通過幀分段降低出錯率

無線網(wǎng)存在的一個嚴重問題是它的噪聲干擾遠大于有線網(wǎng)，因而通信不可靠，出錯率高。設1位的出錯概率為p，每幀有n位，則正確接收1幀的概率為(1–p)n，隨著幀長度的增加，其正確接收的概率減小。對于一個標準的最大長度以太網(wǎng)幀(12,144bits)來說，當p=10-6時，有超過1%的幀出錯。在802.11協(xié)議中將長幀分段，采用發(fā)短幀的方法來解決這個問題。將長幀的發(fā)送轉變?yōu)橐淮處陌l(fā)送，稱為fragmentburst。7/22/202378上海交通大學計算機系7/22/202379上海交通大學計算機系④幀間間隔InterFrameSpacing當PCF與DCF模式在同一個蜂窩中共存時，為了保證工作的平穩(wěn)和公平運行，802.11規(guī)定了它們的工作順序，這是一組等價于優(yōu)先級策略的時延。它們是：

SIFSPIFSDIFSEIFS7/22/202380上海交通大學計算機系7/22/202381上海交通大學計算機系SIFS

ShortInterFrameSpacing

最短的IFS。接收站在收到RTS或數(shù)據(jù)幀后等待SIFS時間分別發(fā)回CTS或ACK。在fragmentbust傳輸時，發(fā)送站每收到1個ACK后間隔SIFS再發(fā)下一個短幀。

SIFS取值與物理層有關，DSSS為10s，F(xiàn)HSS為28s，IR為7s。7/22/202382上海交通大學計算機系PIFS

PCFInterFrameSpacing

在PCF模式中基站發(fā)送beaconframe(該幀包含系統(tǒng)的相關參數(shù)如站跳順序、dwelltime、時鐘同步等，定時發(fā)送)或輪詢幀的時間間隔。某個站收到詢問幀就可以發(fā)送數(shù)據(jù)。其值與物理層有關。7/22/202383上海交通大學計算機系DIFSDCFInterFrameSpacingDCF模式下，一個新的站點開始傳輸所用的時間間隔。如果發(fā)生沖突，則應用二進制指數(shù)后退算法解決。EIFSExtendedInterFrameSpacing某個站收到一個錯誤的或無法識別的幀進行處理的時間，并等待該段時間，以免影響兩站之間的正常通信。7/22/202384上海交通大學計算機系(4)802.11幀結構

802.11定義了三種類型的MAC幀：數(shù)據(jù)幀控制幀管理幀各類幀格式有所不同7/22/202385上海交通大學計算機系7/22/202386上海交通大學計算機系幀控制域(Framecontrol)協(xié)議版本(Version)

允許在同一個蜂窩內(nèi)同時運行兩個版本的協(xié)議。類型(Type)

數(shù)據(jù)(10)、控制(01)或管理(00)類型。子類型(subtype)

三種類型中的一些特定要求。例如在控制類型幀中就包含了RTS、CTS和ACK等子類型。7/22/202387上海交通大學計算機系去分布式系統(tǒng)(ToDS)來自分布式系統(tǒng)(FromDS)

將幀轉發(fā)到DS或接收來自DS的幀。DS是指連接不同蜂窩的主干網(wǎng)，如Ethernet。多段(MF)

表示后面跟隨多個段。重試(Retry)

表示該幀是一個重傳幀。電源管理

基站將接收站置成睡眠狀態(tài)或從睡眠狀態(tài)被喚醒。節(jié)約電池消耗是移動設備必須關注的重要問題。7/22/202388上海交通大學計算機系有線等效保密(W)

表示該幀已采用WEP算法加密。

WEP(WiredEquivalentPrivacy)采用RC4算法。這是一種流加密方式，就是將一個短密鑰擴展成一個無窮偽隨機密鑰流，發(fā)送端將密鑰流和明文進行異或運算，生成加密后的密文。順序(O)

通知接收站嚴格地按順序處理所收到的連續(xù)的幀。7/22/202389上海交通大學計算機系持續(xù)時間(Duration)

數(shù)據(jù)幀、確認幀和NAV占用信道的時間。地址1(Address1)

接收端地址。如果ToDS置“1”，則指DS的接入點地址，如果ToDS置“0”，則是接收站點地址。地址2(Address2)

發(fā)送端地址。如果FromDS置“1”，則指DS的接入點地址，如果FromDS置“0”，則是接收站點地址。7/22/202390上海交通大學計算機系地址3(Address3)發(fā)送基站地址。用于蜂窩間的通信。地址4(Address4)接收基站地址。用于蜂窩間的通信。序列(Seq.)

幀和段的順序號。其中12位用于幀序號，4位用于幀內(nèi)的分段號。數(shù)據(jù)域(Data)

長度可變，最長可達2312字節(jié)。校驗域(Checksum)7/22/202391上海交通大學計算機系(5)服務

802.11定義了9項服務。其中5項為分布服務，用于管理蜂窩成員以及不同蜂窩成員之間的交互工作。另外4項為站點安全可靠服務，用于單個蜂窩內(nèi)的工作。1)分布服務(Distributionservive)

①關聯(lián)(association)

移動主機將自身與基站相連接。在請求連接時向基站報告自已的身份及需求，如數(shù)據(jù)傳輸速率，需要的PCF服務，能源管理等。7/22/202392上海交通大學計算機系

②退出關聯(lián)(Disassociation)移動站或基站撤消它們之間的連接。

③重新關聯(lián)(Reassociation)移動站在不同的蜂窩之間移動時改變所連接的基站，并且在移動過程中不應丟失數(shù)據(jù)。④分發(fā)(Distribution)用于如何將幀送往基站。如果在基站的信號范圍之內(nèi)，則可直接送給基站。反之，將借助有線網(wǎng)發(fā)給基站。⑤整合(Integration)用于802.11網(wǎng)與非802.11網(wǎng)通信時的地址和報文格式轉換。7/22/202393上海交通大學計算機系2)站點服務

①認證(Authentication)為提高通信的安全性，該項服務提供身份認證。在移動站已與基站關聯(lián)進入所屬蜂窩后，基站向移動站發(fā)出一個特殊的查詢幀，通過核對分配給移動站的密鑰(或password)來確認該站的合法性，并最終同意該站在蜂窩注冊。②撤消認證(Deauthentication)當已認證的移動站要離開網(wǎng)絡時需撤消認證，并不再被允許使用原網(wǎng)絡。7/22/202394上海交通大學計算機系

③保密(Privacy)處理信息的加密與解密。采用RC4加密算法。④數(shù)據(jù)的遞交(Datadelivery)802.11不提供可靠性保證，當需經(jīng)過Ethernet通信時，Ethernet也不提供可靠性保證，所以必須由高層協(xié)議來負責檢查和校正差錯，以保證最終遞交的正確性。7/22/202395上海交通大學計算機系

四、寬帶無線接入—802.167/22/202396上海交通大學計算機系802.16IEEE802.16標準是一種“l(fā)astmile”(國內(nèi)稱“最后1公里”)的無線寬帶接入解決方案，2019年4月8日公布。正式名稱是“AirinterfaceforFixedBroadbandWirelessAccessSystems”，或稱為“WirelessMetropolitanAreaNetwork”、“wirelesslocalloop”。IEEE802.16標準工作在10～66GHz。7/22/202397上海交通大學計算機系另外二種無線接入方式：LMDS(LocalMultipointDistributionService)工作在24G～38GHz頻譜，利用高容量點對多點微波傳輸。幾乎可以提供任何種類的業(yè)務。速率從64kbps到2Mbps，最高達155Mbps。被稱為“無線光纖”。MMDS(MultichannelMultipointDistributionService)工作在2.5G～3.5GHz頻段，可為用戶提供點對點、點對多點服務，還支持用戶終端業(yè)務、GSM短消息、GPRS電信業(yè)務。常被稱為WDSL。7/22/202398上海交通大學計算機系7/22/202399上海交通大學計算機系1.Comparisonof802.11with802.16802.16是固定用戶的遠距離無線接入標準，而802.11是一個移動主機構成的局域網(wǎng)標準。由于環(huán)境和需要解決的問題不同，兩個標準有根本的差異。7/22/2023100上海交通大學計算機系2.The802.16ProtocolStackIEEE802.16:MAC及10～66GHzPHY；P802.16a:增補方案,需申請許用執(zhí)照的頻段，2～11GHz；P802.16b:增補方案，WirelessHUMAN,無需申請許用執(zhí)照的頻段，5～6GHz；P802.16c:增加了系統(tǒng)的互操作性；P802.16d:2～11GHz互操作性規(guī)范；P802.16e:移動無線城域網(wǎng)的方案。7/22/2023101上海交通大學計算機系7/22/2023102上海交通大學計算機系

MAC層可以與ATM層、以太網(wǎng)層、IP層(包括IPv4和IPv6)連接，并在標準中保留了與其他協(xié)議接口的未來發(fā)展余地，以針對不同的業(yè)務需求，提供多種接口，適應LMDS全業(yè)務系統(tǒng)的特點。7/22/2023103上海交通大學計算機系工作在10-66GHz，采用毫米波(millimeterwave)。毫米波是直線傳送，方向性強。而蜂窩通信無線電波是無方向性的。采用不同的調(diào)制方式，以適應不同傳輸距離的需要。但距離愈遠，其傳輸速率愈低。

QAM-64(6bits/baud)；25MHz時150bpsQAM-16(4bits/baud)；25MHz時100bpsQPSK(2bits/baud)。25MHz時50bps3.The802.16PhysicalLayer7/22/2023104上海交通大學計算機系7/22/2023105上海交通大學計算機系7/22/2023106上海交通大學計算機系物理層（PHY層）被設計成具有高度的靈活性，以利于優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能配置。IEEE802.16物理層定義了兩種雙工方式：TDD和FDD。這兩種方式均使用突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸格式，該傳輸機制支持自適應的突發(fā)業(yè)務數(shù)據(jù)。標準使用的是按需分配多路尋址－時分多址DAMA-TDMA技術。按需分配多路尋址DAMA技術是一種根據(jù)多個站點之間的容量需要的不同而動態(tài)地分配信道容量的技術。時分多址TDMA是一種時分技術，7/22/2023107上海交通大學計算機系它將一個信道分成一系列的幀，每個幀都包含很多的小時間單位，稱為時隙。時分多路技術可以根據(jù)每個站點的需要為其在每個幀中分配一定數(shù)量的時隙來組成每個站點的邏輯信道。通過DAMA－TDMA技術，每個信道的時隙分配可以動態(tài)地改變。

7/22/2023108上海交通大學計算機系802.16中采用Hamming碼作前向糾錯。7/22/2023109上海交通大學計算機系4.The802.16MACSublayer

Protocol(1)Securitysublayer包括兩部分：1)加密封裝協(xié)議，負責對傳輸?shù)姆纸M數(shù)據(jù)加密，包括加密算法以及算法在MACPDU分組數(shù)據(jù)中的應用規(guī)則。加密只針對MACPDU中的載荷部分，MAC頭不被加密，MAC層中的所有管理信息在傳輸過程中也不被加密。加密算法可以是：DES(cipherblockchainingortripleDES)；AES。7/22/2023110上海交通大學計算機系2)密鑰管理協(xié)議(PKM)，負責基站到用戶站之間密鑰的安全分發(fā)、密鑰數(shù)據(jù)的同步以及業(yè)務接入的鑒權。通過使用基于數(shù)字證書的認證方式，進一步加強了PKM的安全性能。PKM采用服務器/客戶機模型，一個SPKM的客戶從基站(即PKM的服務器)那里獲得授權以及密鑰材料，PKM支持周期性地重新授權及密鑰更新。PKM使用X.509數(shù)字證書和RSA算法。

7/22/2023111上海交通大學計算機系(2)Commonpartsublayer(CPS)MAC層的核心部分是共同部分子層(CPS)，它通過MACSAP(MediumAccessControlLayerServiceAccessPoint)接收來自會聚層(CS)的數(shù)據(jù)，形成MACCPS層的SDU(服務數(shù)據(jù)單元)數(shù)據(jù)包。MAC層的一個顯著特征是：它是基于“連接”的，即所有用戶站的數(shù)據(jù)業(yè)務以及與此相聯(lián)系的QoS要求，都是在“連接”的范疇中來實現(xiàn)的。每一個“連接”均由一個連接標識符(16bit)來唯一地標識(CID)。7/22/2023112上海交通大學計算機系MAC層預先規(guī)定了4種上行基本業(yè)務。通過這4種上行預定業(yè)務及相伴隨的QoS，BS可以預期上行數(shù)據(jù)的吞吐量及處理時間，并在適當?shù)臅r間提供查詢或分配帶寬。在建立某個特定“連接”時，要通過協(xié)商確定該“連接”的上行預定業(yè)務的類型。

Constantbitrateservice：非請求的帶寬分配業(yè)務；Real-timevariablebitrateservice：實時查詢業(yè)務；Non-real-timevariablebitrateservice：非實時查詢業(yè)務；Best-effortsservice7/22/2023113上海交通大學計算機系CPS中共定義了29種管理信息，用于上下行信道描述、系統(tǒng)接入、注冊、連接建立、資源申請、動態(tài)服務管理、接入認證等功能。

MAC層的管理信息種類決定了其性能，在已出臺的IEEE802.16標準中還預留了部分管理信息域空間，可增補新的管理信息，以增強未來MAC層的功能。7/22/2023114上海交通大學計算機系(3)ServicespecificConvergencesublayer該層取代了802標準的LLC，是與網(wǎng)絡層的接口。它既適用于無連接的數(shù)據(jù)報協(xié)議(如：PPP、IP、Ethernet)也可用于面向連接的ATM。7/22/2023115上海交通大學計算機系5.The802.16FrameStructure

7/22/2023116上海交通大學計算機系(1)通用幀EC：載荷是否被加密。Type：幀類型。CI：是否需要整個幀的校驗和。因為在物理層已有糾錯碼，而且本標準不采用重傳方式(特別對實時幀不能重傳)，所以有時沒必要在MAC層作差錯檢查。EK：使用哪個加密密鑰。Length：含幀頭的整個幀長度。Connectionidentifier：連接標識。HeaderCRC：x8+x2+x+17/22/2023117上海交通大學計算機系(2)帶寬請求幀第1位為1。Bytesneeded：申請的帶寬，以攜帶的字節(jié)數(shù)計量。無數(shù)據(jù)段和幀校驗，其余與通用幀相同。7/22/2023118上海交通大學計算機系

五、蘭牙技術7/22/2023119上海交通大學計算機系Bluetooth采用低成本的無線廣播技術，用于移動電話與筆記本電腦、PDA、游戲機之間或筆記本電腦之間實現(xiàn)短距離無線連接。具有距離短、功耗小、成本低等特點。2019年7月發(fā)布1.0版。Bluetooth有從物理層到應用層完整的協(xié)議棧。IEEE有一個相類似的標準802.15，但僅定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。7/22/2023120上海交通大學計算機系1.BluetoothArchitecturePiconet是Bluetooth系統(tǒng)的基本組成單元7/22/2023121上海交通大學計算機系Piconet一個Piconet中只有一個master，最多可有255個slaves，但同時只允許7個slaves為active狀態(tài)，其余的都處于parked狀態(tài)。一個Piconet是以master為中心的半徑為10m的空間范圍。所謂parked狀態(tài)是除了能接受master的呼叫并應答之外不能做其它任何操作。Piconet的核心是一個TDM系統(tǒng)，由master控制時鐘并決定哪一個slave在哪一個時隙內(nèi)得到通信權限。slave只能與master通信，slave與slave之間則不允許通信。Bluetooth系統(tǒng)的一個重要考慮是系統(tǒng)實現(xiàn)成本，包括芯片成本、系統(tǒng)功耗、處理開銷等。Piconet之間通過bridge組成scatternet。7/22/2023122上海交通大學計算機系2.BluetoothApplications13applications(Profiles)7/22/2023123上海交通大學計算機系說明基本協(xié)議

Genericaccess：在主–從之間建立并維護安全的連接

Servicediscovery：用于發(fā)現(xiàn)已由其它設備提供的服務串行口協(xié)議

Serialport：仿真一條串行線路客戶-服務器協(xié)議

Genericobjectexchange：定義一個客戶-服務器關系網(wǎng)絡相關協(xié)議LANaccess：允許Bluetooth設備連到一個固定網(wǎng)絡Dial-upnetworking：允許Notebook與移動電話連接Fax：允許無線FAX與移動電話連接7/22/2023124上海交通大學計算機系說明（續(xù)）電話相關協(xié)議Cordlesstelephony：提供無繩電話與其基站的連接，將來無繩電話會與移動電話合二為一Intercom：允許兩臺電話機像步話機一樣連接

Headset：提供免提語音通信，如汽車中的免提電話保留協(xié)議用于兩臺無線設備之間名片、圖片、數(shù)據(jù)文件等的交換Objectpush：提供簡單的交換功能Filetransfer：提供更通用的文件傳輸功能Synchronization：7/22/2023125上海交通大學計算機系3.TheBluetoothProtocolStackBluetooth協(xié)議棧并不遵循通常的模型規(guī)則，802委員會對Bluetooth的協(xié)議構架作了修改，定義了802.15協(xié)議棧。7/22/2023126上海交通大學計算機系7/22/2023127上海交通大學計算機系(1)ThePhysicalRadioLayer該層對應于OSI和802的物理層。完成無線電波的發(fā)送和調(diào)制。本層最關心的是系統(tǒng)的低成本，以期得到較大的市場份額。7/22/2023128上海交通大學計算機系該層是一個工作半徑僅為10m的低功耗系統(tǒng)，工作頻段為ISM的2.4GHz，實現(xiàn)master與slave間的傳輸。整個頻段被分為79個1MHz的信道。調(diào)制方式為調(diào)頻制，數(shù)據(jù)速率約為1Mbps。使用跳頻擴頻技術，1600hop/sec，每一跳有625s的停留時間。Bluetooth（IEEE802.15）與802.11(b、g)使用相同的頻段，所以會相互干擾，這個問題尚未有一個很好的解決辦法。7/22/2023129上海交通大學計算機系(2)TheBluetoothBaseband

Layer

Baseband層在802.15中得以保留，從其所實現(xiàn)的功能來說，分屬802協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。該層處理如何將位流構成幀，master怎樣控制時隙，怎樣為數(shù)據(jù)幀分配時隙等。7/22/2023130上海交通大學計算機系在每個piconet中，master定義一系列的625s的時隙，并規(guī)定master在偶數(shù)序列的時隙內(nèi)開始發(fā)送，而slave允許在奇數(shù)序列的時隙內(nèi)開始發(fā)送。每次跳頻中使其平穩(wěn)的時間約250～260s，即在一個時隙（625s）中366s可用于傳輸數(shù)據(jù)，即可傳輸366個bit對于單時隙的幀來說，存取碼和頭部為126bit，所以尚余240bit可用于有效數(shù)據(jù)的傳輸(366–126=240)對于5個時隙的幀來說，包括存取碼和頭部的126bit在內(nèi)，共有2870bit為數(shù)據(jù)（2744為有效數(shù)據(jù)），很明顯，多時隙幀的有效數(shù)據(jù)傳輸率遠高于單時隙幀。7/22/2023131上海交通大學計算機系

BasebandLayer的邏輯鏈路

主、從機之間存在兩種類型的鏈路：ACL鏈路---異步無連接 （AsynchronousConnection-Less）SCO鏈路---同步面向連接 （SynchronousConnectionOriented）每個幀通過邏輯信道(稱為link，鏈路)在master和slave之間傳送。7/22/2023132上海交通大學計算機系

ACL鏈路直接與L2CAP層接收或遞交數(shù)據(jù)。ACL鏈路允許在無規(guī)則周期（幀的時隙數(shù)不固定）內(nèi)進行報文交換。ACL鏈路提供的是盡力而為的流量控制策略，數(shù)據(jù)幀可能會被丟失而必須重發(fā)。一個slave與master之間的只有一條ACL鏈路。7/22/2023133上海交通大學計算機系SCOSCO鏈路用于實時數(shù)據(jù)的傳輸，如電話（PCM的語音信道）等。每個方向的信道都被定位在固定的時隙上。由于SCO鏈路的實時性，發(fā)送的幀不重發(fā)，采用前向糾錯提供高的可靠性。一個slave最多可有三條與master之間的SCO鏈路。每條SCO鏈路可以是64kbps，PCM方式的語音信道。7/22/2023134上海交通大學計算機系(3)DataLinkLayer數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議由一組相關協(xié)議組成，包括：Linkmanager、L2CAP、Audio和Control。Linkmanager處理設備間邏輯信道的建立，包括電源管理、認證和服務質量等。Logicallinkcontroladaptationprotocol（L2CAP）的作用是對上層協(xié)議屏蔽下層傳輸細節(jié)，類似于802協(xié)議中的LLC（Bluetooth自己的LLC）子層，但實現(xiàn)技術不同。Audio和Control分別完成語音和控制，即應用層可不必通過L2CAP而直接得到下層的服務。7/22/2023135上海交通大學計算機系(4)TheBluetoothL2CAPLayer1)從上層來的數(shù)據(jù)包（分組）最大可達64kB，為了傳輸，很可能必須拆分成較小的幀，而在另一端，又必須重組成數(shù)據(jù)分組。2)多數(shù)據(jù)源的復用和分解，對到達目的端的分組進行重組，并送達不同的上層應用協(xié)議處理。3)在master和slave雙方建立鏈路和正常操作期間處理QoS需求，還協(xié)商設定允許的最大載荷大小，以盡可能少浪費大分組設備的處理能力。L2CAP子層有三個主要功能：7/22/2023136上海交通大學計算機系(5)Middlewarelayer中間件層包含一組不同的協(xié)議，如：LLC、RFcomm、Telephony、Servicediscovery等。這里的LLC是IEEE為與其它802協(xié)議兼容而增加的。RadioFrequencycommunication（RFcomm）仿真一個標準的串口協(xié)議，以與PC上的鍵盤、鼠標、modem等設備連接。Telephony是一個實時的協(xié)議，用于應用層三個面向話音的Profile，包括呼叫的建立和中止。Servicediscovery用于在網(wǎng)絡中定位各種服務。7/22/2023137上海交通大學計算機系(6)Applicationlayer完成相應的應用工作，如圖4-36所列的profile。7/22/2023138上海交通大學計算機系4.TheBlutoothFrame

StructureAccesscode：72bits，標志本數(shù)據(jù)幀來自指定slave所在的區(qū)域內(nèi)的哪一臺master（可能是兩臺中的一臺）Header：54bits，詳細說明在后Data：0～2744bits，如幀長為5個時隙，則有效數(shù)據(jù)可達2744bits7/22/2023139上海交通大學計算機系

Header說明Addr：3bits，最多有8臺設備Type：4bits，幀類型(ACL、SCO、pollornull)Flow：1bits，流控制，slave不能接收數(shù)據(jù)時置位Acknowledgement：1bit，捎帶確認Sequence：1bits，用于對重發(fā)幀檢測的編號，因為采用的是停-等協(xié)議，所以只需1bitChecksum：8bits7/22/2023140上海交通大學計算機系18bits的頭部重復三次，即54bits，接收端的電路檢測這54bits，只要這三個相同的頭部中有兩個以上相同，則被接收，即54bits僅為傳輸10bits之用。這在噪聲環(huán)境中，對于低功耗（僅2.5mW）的設備為減少計算量而增加冗余量是必要的。7/22/2023141上海交通大學計算機系

SCO和ACL類型的幀格式SCO幀格式中的有效數(shù)據(jù)長度固定為240bits（單時隙幀），有三種變體，有效數(shù)據(jù)長度分別為80、160和240bits（剩余的用作糾錯）。但在最可靠版本的格式中固定為80bits，并與格式的頭部一樣，有效數(shù)據(jù)段中80bits被重復三次。ACL幀格式中的有效數(shù)據(jù)的長度有多種格