第9章无线网络与移动网络

章节概述

本章覆盖无线局域网（WLAN/802.11）、无线个人区域网（WPAN：蓝牙/ZigBee）、蜂窝移动通信（2G→4G LTE）和移动IP。核心难点：无线MAC协议（CSMA/CA） 和 LTE网络架构（GTP隧道）。

9.1 无线局域网 WLAN

基本概念与架构

两大类WLAN： 1. 有固定基础设施的WLAN（IEEE 802.11）：使用接入点AP 2. 无固定基础设施的WLAN（移动自组网络）：无AP，节点平等

IEEE 802.11核心构件：

移动站 ←→ AP（接入点）←→ 分配系统DS（有线骨干）←→ 互联网

BSS（基本服务集）：一个AP + 其关联的移动站
ESS（扩展服务集）：多个BSS通过DS互联（支持漫游）
SSID（服务集标识符）：WiFi网络名，≤32字节字符串
BSSID：AP的唯一48位MAC地址（用于帧传输，非SSID）

信道划分（2.4GHz）： - 802.11b/g：约85MHz带宽，11个部分重叠信道 - 相邻信道中心频率差5MHz，每信道带宽约22MHz - 非重叠信道：1、6、11（常用配置）

关联过程

移动站加入BSS前必须先关联（Associate）：

方法1：被动扫描 - AP周期性广播信标帧（Beacon Frame）（含SSID、速率等） - 移动站扫描11个信道，选择AP，发送关联请求帧 - AP回复关联响应帧

方法2：主动扫描 - 移动站广播探测请求帧（Probe Request） - 所有AP回复探测响应帧 - 移动站选择AP，发关联请求

安全关联：建立关联时需验证密码（WEP已淘汰→WPA→WPA2/WPA3）

重建关联（Reassociation）：漫游时将关联转移到另一AP 分离（Dissociation）：终止关联

移动自组网络（Ad Hoc）

无AP，移动站处于平等状态
服务范围受限，通常不与外部网络相连
三个主要问题：路由选择协议、多播、安全
优点：部署灵活，生存性好
应用：无线传感器网络WSN（物联网IoT）

9.1.2 802.11物理层

802.11标准族演进：

标准	年份	频段	最高速率	关键技术
802.11b	1999	2.4GHz	11 Mbit/s	DSSS
802.11a	1999	5GHz	54 Mbit/s	OFDM
802.11g	2003	2.4GHz	54 Mbit/s	OFDM
802.11n	2009	2.4/5GHz	600 Mbit/s	MIMO+OFDM
802.11ac（WiFi 5）	2013	5GHz	6.9 Gbit/s	MU-MIMO
802.11ax（WiFi 6）	2019	2.4/5/6GHz	9.6 Gbit/s	OFDMA

物理层技术：扩频（DSSS/FHSS）、OFDM（正交频分复用）、MIMO（多天线）

9.1.3 802.11 MAC层协议（CSMA/CA）

为什么不用CSMA/CD？

碰撞检测困难：发送时自身信号强度远大于碰撞检测所需信号
隐蔽站问题（Hidden Station Problem）：
A和C各自检测不到对方，都认为B空闲
两者同时向B发送 → 碰撞

A ←(覆盖范围)→ B ←(覆盖范围)→ C
A和C互相听不见，但都能与B通信

CSMA/CA工作原理

先听后发，碰撞避免，ACK确认，退避重传

DCF（分布式协调功能）：基于争用，所有实现必须支持 PCF（点协调功能）：集中轮询，可选，用于时延敏感业务

关键时间间隔： - SIFS（短帧间间隔）：最短，用于ACK、CTS、分片确认 - DIFS：较长，用于数据帧和管理帧的发送 - DIFS > SIFS，确保ACK帧优先于新数据帧发送

典型发送流程：

1. A监听信道
2. 信道空闲超过DIFS → A立即发送DATA
3. B收到DATA，CRC校验无误
4. 等待SIFS → B发送ACK（优先于其他站的DIFS等待）
5. A收到ACK → 成功
6. A未收到ACK → 重传（进入退避）

退避算法： - 检测信道忙时：推迟接入（退避计时器冻结） - 争用期：在 \([0, CW]\) 随机选择时隙数，倒计时 - 计时器先归零的站优先发送 - 若再碰撞：争用窗口近似加倍（指数退避） - 建议：\(15 \leq CW \leq 1023\)，初始CW=15，第i次退避范围为 \(2^{4+i}-1\)

推迟接入 vs 退避的区别： - 推迟接入：信道忙时等待（计时器冻结） - 退避：信道空闲后的争用阶段（计时器倒计时）

信道预约（RTS/CTS）

解决隐蔽站问题，减少大帧碰撞：

A ──RTS(含NAV时间)──→ B
A ←──CTS(含NAV时间)── B
（C收到CTS后设置NAV，在NAV期间不发送）
A ──DATA──→ B
A ←──ACK── B

NAV（网络分配向量）：虚拟载波监听，指示信道被占用的时长
RTS/CTS不是强制的，只有数据帧超过阈值时才值得使用
RTS=20字节，CTS=14字节，大帧最大2346字节

9.1.4 802.11 MAC帧格式

帧控制(2B)|持续期(2B)|地址1(6B)|地址2(6B)|地址3(6B)|序号控制(2B)|地址4(6B)|数据(0~2312B)|FCS(4B)

三种帧类型：控制帧、数据帧、管理帧

四个地址字段的含义（最常用两种情况）：

场景	去往AP=1, 来自AP=0	去往AP=0, 来自AP=1
地址1	AP的MAC（接收方）	目的站MAC（接收方）
地址2	源站MAC（发送方）	AP的MAC（发送方）
地址3	目的站MAC	源站MAC

帧控制字段（11个子字段）：协议版本、类型/子类型、更多分片、重试、功率管理、WEP加密标志等

分片：信道质量差时，将长帧分成多个短片，减少重传开销（使用SIFS+ACK确认每个分片）

9.2 无线个人区域网 WPAN

WPAN vs WLAN

特性	WPAN	WLAN
服务对象	个人（1人）	多用户
范围	~10m	~100m
功耗	极低	中
速率	低~高	高
标准	IEEE 802.15	IEEE 802.11

蓝牙（Bluetooth，802.15.1）

1994年爱立信推出，工作于2.4GHz ISM频段
使用跳频扩频（FHSS），抗干扰

皮可网（Piconet）： - 1个主设备（Master）+ 最多7个活跃从设备（Slave）+ 最多255个停放设备 - 主设备控制时隙分配（TDM）

扩散网（Scatternet）：多个皮可网通过共享主/从设备互连

蓝牙4.0低功耗BLE（Bluetooth Low Energy）： - 适合数据量极小的传感器 - 电池可用4-5年 - 距离扩展到30m，速率可达1 Mbit/s

ZigBee（802.15.4）

低速（2~250 kbit/s）、低功耗、低成本
电池寿命可超10年（工作比例<1%）
网络容量大：单网255个节点，通过协调器超过64000个节点
通信距离：10~80m

两类设备： - FFD（全功能设备）：充当协调器，维护网络节点信息 - RFD（精简功能设备）：只与协调器通信，简单终端

ZigBee与802.15.4的关系： - 802.15.4定义物理层和MAC层 - ZigBee联盟定义网络层和应用层

高速WPAN（802.15.3）

11~55 Mbit/s，用于便携多媒体设备间传送
UWB（超宽带）技术：3.1~10.6 GHz，带宽>500MHz

9.3 蜂窝移动通信网

代际演进

代际	年代	代表技术	主要特点	接入技术
1G	~1978	AMPS	模拟话音	FDMA
2G	~1990	GSM	数字话音+SMS	FDMA/TDMA
2.5G	~1999	GPRS	分组数据（171.2 kbit/s）	-
3G	~2000	WCDMA/TD-SCDMA/CDMA2000	移动宽带（2 Mbit/s）	CDMA
4G/LTE	~2008	LTE/LTE-A	全IP化，百Mbit/s	OFDMA/SC-FDMA
5G	~2019	NR	超低延迟，万物互联	OFDMA+Massive MIMO

GSM（2G）重要组成

小区（蜂窝）：整个覆盖区分为多个小区
频率复用：相邻小区用不同频率，避免同频干扰
空口：FDMA/TDMA混合（25MHz分125个200kHz子频带，每子频带8个TDM时隙）
电路交换：提供话音服务
核心网：基站→基站控制器BSC→移动交换中心MSC→网关MSC

GPRS（2.5G）引入分组交换： - 添加PCU（分组控制单元）和SGSN/GGSN节点 - 支持最高171.2 kbit/s（GPRS）和384 kbit/s（EDGE）

我国3G三种标准

WCDMA（中国联通）：3GPP欧洲标准
CDMA2000（中国电信）：3GPP美国标准
TD-SCDMA（中国移动）：3GPP主要由中国提出

LTE（4G）体系结构

IMT-Advanced最重要特点：取消电路交换，全部使用分组交换（全网IP化）

LTE（3GPP R8，3.9G）：信道带宽20MHz时，下行100 Mbit/s，上行50 Mbit/s

LTE提高速率的方法： - 下行：OFDMA（正交频分多址） - 多子载波并行传输，子信道频谱重叠但正交（不产生干扰） - 减少多径效应引起的符号间干扰 - 上行：SC-FDMA（单载波频分多址） - MIMO（多天线） - 高阶调制：64 QAM - AMC（自适应调制编码）：基站eNB根据信道反馈动态调整调制方式

LTE网络结构（扁平化）：

UE（手机）←→ eNB（基站）←→ S-GW ←→ P-GW ←→ 互联网
                              ↑
                             MME（控制面：鉴权、移动性管理）

E-UTRAN（演进的无线接入网）：只有eNB
EPC（演进的分组核心网）：MME + S-GW + P-GW
eNB之间可直接通信（X2接口），无需经过核心网

GTP隧道（GPRS隧道协议）： - UE→eNB：无线空口链路 - eNB→S-GW：GTP-U隧道（用TEID标识） - S-GW→P-GW：GTP-U隧道 - 每个GTP分组有TEID（隧道端点标识符）标识属于哪个UE

UE空闲态节能机制： - 释放：UE和eNB间空口链路 + eNB与S-GW间GTP隧道 - 保持：S-GW与P-GW间隧道 + UE的IP地址不变（只要UE不超出P-GW覆盖范围）

LTE寻呼（UE处于空闲态）： - 跟踪区TA（Tracking Area）：位置管理基本单位 - 跟踪区列表TAL：1-16个TA，UE在TAL内漫游不需向MME报告 - MME只在TAL范围内的eNB广播寻呼，不是全网广播

LTE漫游切换： - UE持续测量小区信号强度上报eNB - eNB发现更好的小区→触发切换 - 切换时S-GW和P-GW间的GTP隧道通常不重建（S-GW覆盖范围大） - 切换过程中数据通信不中断

9.4 移动IP

基本概念

问题：移动节点更换网络时IP地址改变，TCP连接中断。

解决方案：让移动节点保留归属地址（永久地址） 不变，由归属代理做地址转发。

核心概念：

概念	说明
归属地址	移动节点的永久IP地址
归属网络	移动节点原始所在网络
归属代理（Home Agent）	归属网络的路由器，代理转发
被访网络（外地网络）	移动时所在的新网络
外地代理（Foreign Agent）	被访网络的路由器
转交地址（CoA）	移动节点在外地网络的临时地址

通信者B向移动站A发送数据（间接路由/三角路由）

① B发送数据报，目的地址=A的归属地址
② A的归属代理HA截获数据报
③ HA将数据报**再封装**（新目的=转交地址CoA），用隧道发给外地代理FA
④ FA拆封，用A的归属地址转发给A
⑤ A直接用归属地址发送回给B（不经过HA）

三角路由问题：B→HA→FA→A路径可能远不如B→A直接路径高效。

直接路由选择（优化）

让B的通信者代理（Correspondent Agent）向HA查询A的转交地址，然后直接用隧道发送：

B的代理 →（查询）→ HA → 获得A的锚外地代理FA1的地址
B的代理 →（隧道）→ FA1（锚外地代理）→ A

锚外地代理（Anchor Foreign Agent）：A首次漫游到的外地代理，即使A继续漫游，数据仍先到FA1，FA1再转发到A的当前位置。

网络层新增功能

移动站到外地代理的协议
外地代理到归属代理的登记协议
归属代理数据报封装协议（IP-in-IP隧道）
外地代理拆封协议

移动性对高层协议的影响

切换期间TCP报文段丢失 → TCP误判为拥塞 → 减小拥塞窗口 → 发送速率降低

三种处理方法： 1. 本地恢复：差错在哪里就在哪里纠正（如无线局域网ARQ） 2. 通知TCP发送方：让TCP知道哪段是无线链路，只在有线部分的丢失才触发拥塞控制 3. 拆分TCP连接：移动用户→无线接入点是一个TCP连接，接入点→对方是另一个TCP连接

参见

[[03-数据链路层]] — CSMA/CD（有线）vs CSMA/CA（无线）
[[04-网络层]] — 移动IP基于IP层
[[08-音视频服务]] — 无线环境的QoS挑战
[[CSMA_CD|CSMA/CD]] — 以太网碰撞检测
[[09-无线网络|5G]] — 下一代蜂窝

第9章 无线网络与移动网络