无线:wireless

2024-06-07 17:04
文章标签 wireless 无线

本文主要是介绍无线:wireless,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

第一节:无线链路和网络特征

无线链路特征

  • 与有线链路的重要差别表现在:
    • 衰减的信号强度:decreased signal strength
    • 来自其他信号源的干扰:interference from other sources
    • 多路径传输:multipath propagation(无线电磁波信号在物体表面和地面反射,到达目标端的时间会有轻微的差别,让信号变得模糊)
  • SNR:signal-to-noise ratio(信噪比)
    • SNR是一个测量信号强度相对于背景噪声强度的比率,通常用于表示信号的质量。SNR大说明更容易从噪声中提取信号。
    • BER是比特出错率
    • BER应该和SNR权衡(高传输速率出错率会更高。传输速率也要注意)
      • 给定调制方案:增加信号强度->增加SNR->降低BER
      • 给定SNR:对于给定的调制方案,高速率具有较高的BER
        • SNR可以随着移动性的变化而变化:给定信道条件,自适应物理层调制方案
        • 在可接受BER的情况下,尽可能提升传输速率
  • 多个无线发送端和接收端打来一些组网问题(不仅仅是多路接入问题)
    • 隐藏终端问题:Hidden terminal problem
    • 信号衰减:Signal attenuation:

CDMA:Code Division Multiple Access 

  • 各个站点采用全带宽,用不同的编码(编码正交)同时传输
  • 假定:编码相互正交,且信号同步很好,线性叠加
  • 既不分频,也不分时
  • 比方
    • TDM:不同的人在不同的时刻讲话
    • FDM:不同的组在不同的小房间通信
    • CDMA:不同的人使用不同的语言讲话
  • 过程
    • 所有站点时钟同步,使用同一个频率
    • 一个bit时间(就是发送一个bit的时间),被分为m个时间片,芯片(chip),64或者128位
    • 每个站点被分配一个m位的代码,芯片序列(chip sequence),站点标识
    • 双极性标识(1 —— 1, 0 —— -1)

第二节:WiFi: 802.11 无线局域网

IEEE 802.11 Wireless LAN

  • 不同点:带宽,频率,范围和物理编码技术不同
  • 共同点:在共享无线信道中使用CSMA/CA介质访问控制方式,而且都有基站模式和自组织模式
  • 载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access)
  • CA(Collision Avoldance)

 802.11 LAN 体系结构

  • 基础设施模式
    • 无线主机
    • 接入点(AP):基站Base Station 【通过无线链路把各个无线站点接进来,通过交换机端口/路由器接近互联网】
    • 一个AP和它管理的站点构成基本服务集(BSS:Basic Service Set), cell
  • 自组织模式
    • 只有无线主机

802.11:信道与关联

  • 频谱被分为多个不同频段的信道
    • AP管理员为AP选择一个频段
    • 可能的干扰:邻居AP可能选择同样一个信道
  • 主机:必须在通信之前和AP建立associate
    • 扫描所有的信息,侦听包括AP SSID和MAC地址的信标帧
      • 主动扫描(事件较短):主机发送探测,接受AP的响应
      • 被动扫描(时间较长)
    • 选择希望关联的AP
    • 可能需要执行鉴别(认证)
    • 将会执行DHCP获得IP地址和AP所在的子网前缀

802.11:被动/主动扫描

  • 被动扫描

  • 主动扫描

IEEE 802.11: Multiple Access Problem

  • 802.11: CSMA 在发送前侦听信道
    • 不会和正在进行的传输发生冲突
    • 侦听到别人在发送就不发送
  • 无线链路的特点(衰减干扰多路径),组网特点(隐藏终端,暴露终端)导致无法进行冲突检测(CD: collision detection),CD可以在LAN实现
  • 技术:CA
    • 只能在事前减小冲突,避免2+站点在同一个时刻发送
    • 目标:提高信道的利用率

IEEE 802.11 MAC协议: CSMA/CA

802.11帧结构:地址

  • 地址三:无线站点通过AP接到WLAN,AP通过Switch接到校园网或者机构网,Switch在级联接到路由器通过ISA接到互联网(地址三就是路由器的地址,也就是default gateway)
  • duration预约传输时间的持续期
  • seq control:ACK序号来源
  • CRC循环纠错,放在后面是为了边发边计算

802.11::在相同子网中的移动性

802.11:高级能力

  • 速率自适应  Rate adaptation
    • 基站,移动主机动态变化传输速率(当移动站点移动从而SNR变化的时候,改变物理层调制技术)
      • 连续两个帧没有确认,降低
      • 连续10帧得到确认,提高
    • 移动节点离基站近。SNR高,可用高速率调制技术,BER也很低
    • 移动节点离基站远,SNR变低,如果还用原来的调制技术,速率很高但是BER很高难以接受
    • 改变物理调制方案,降低速率使得BER低到可以接受
    • 功率管理 Rate adaptation
      • 目标:最小化节点侦听,传输和接收所需要的打开电路的事件<1% 就是节能, 待机时间长
      • 节点-AP:我会休眠到下一个信标帧的到来,功率表示位置1
        • AP知道不要向该节点进行传输帧,缓存到它的帧
        • 通过定时器,节点在下一个信标帧到来时醒来,耗时150μs
      • 信标帧:包含一个移动节点的列表,AP需要向这些移动节点发送刚刚缓存的帧,每100ms
        • 如果有到达某个节点的帧,该节点活跃状态;向AP发送探寻报文,明确的请求缓存的帧
        • 如果没有,该节点返回睡眠状态,直到下一个信标帧到来

802.15 Personal area network

  • PAN 是一种覆盖范围较小的网络,通常在直径小于 10 米的范围内进行通信和连接。
    • PAN 提供了一种无线替代方案,用于连接诸如鼠标、键盘、耳机等设备,取代传统的有线连接方式。
  • PAN 可以采用自组织的方式进行连接,无需依赖基础设施。这意味着设备可以直接相互通信,而无需依赖中央控制或基站。

  • PAN 中的设备通常会根据主从架构进行组织,其中一个设备充当主设备(Master),而其他设备则是从设备(Slaves)。从设备需要向主设备请求发送数据的权限,主设备会对这些请求进行授权。

  • 802.15 是一组标准,用于定义无线个人区域网络(Wireless Personal Area Network,WPAN)的规范。它起源于蓝牙(Bluetooth)规范,提供了一系列用于无线通信的标准和协议。

  • PAN 使用的无线频段通常位于 2.4 到 2.5 GHz 的无线电频段,这是一种被多种无线技术(如蓝牙、Wi-Fi)共享的频段。

  • PAN 提供的数据传输速率可以达到最高 721 kbps(千比特每秒),这意味着设备之间可以相对较快地进行数据传输。

第三节:蜂窝网络

Components of cellular network

  • 是一种移动通信系统,通常用于提供移动电话和数据服务。它的名称来源于网络的基本构建单元被称为“小区”(Cell),这些小区覆盖地理区域,并相互交叉覆盖以实现连续的服务覆盖

  • Cell(小区)

    • Covers Geographical Region:小区是无线蜂窝网络中的基本单元,覆盖一个特定的地理区域。这个区域可以是一个城市、一个村庄或者一个建筑物

    • 包括:

      • Base Station (BS): 基站类似于 802.11 中的接入点(Access Point,AP),是连接移动用户设备和核心网络的设备。它负责接收和发送无线信号,管理小区内的通信。

      • Mobile Users: 移动用户通过基站连接到网络。当移动设备进入一个小区的覆盖范围内时,它会与该小区的基站建立连接,使用户可以访问网络服务。

      • Air-Interface: 空中接口是移动用户设备与基站之间的物理和链路层协议。它定义了移动设备和基站之间的通信方式和协议,包括信道分配、数据传输和错误处理等。

  • Mobile Switching Center (MSC)(移动交换中心

    • Connects Cells to Wired Tel. Net.: 移动交换中心连接小区与有线电话网络,充当移动网络与传统电话网络之间的接口。它负责将移动网络中的通信转换为传统电话网络中的通信,使移动用户可以与固定电话用户进行通话。

    • Manages Call Setup: 移动交换中心管理电话呼叫的建立过程。当移动用户拨打电话或接听电话时,移动交换中心负责在移动网络内进行呼叫路由和信令处理,以确保通话的顺利建立。

    • Handles Mobility: 移动交换中心处理移动用户的移动性管理。当移动用户从一个小区移动到另一个小区时,移动交换中心负责更新用户的位置信息,并调整通话路由,以确保通话在移动过程中的连续性和稳定性

Cellular networks: the first hop 

  • Two techniques for sharing mobile-to-BS radio spectrum
    • Combined FDMA/TDMA:

      • Combined FDMA/TDMA 首先将频谱划分为不同的频道,然后在每个频道内再将时间划分为时隙,使得同一频道上的不同用户可以在不同的时隙内进行通信。这种方法结合了频率和时间的分割,提高了频谱利用率和系统容量。

    • CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址):

      • CDMA 技术采用了完全不同的方法。它不是将频谱划分为不同的频道或将时间划分为时隙,而是使用了码分复用的原理。每个用户都被分配一个唯一的码(码片序列),并且所有用户在同一频率和时间上同时进行通信。不同用户的数据通过不同的码片序列进行编码,使得它们可以在同一频率和时间上同时传输而不会相互干扰。

2G & 3G & 4G

  • 2G
    • 首先,在左上角可以看到一些带有天线符号的小房子(BTS),这些代表了基站收发信台(Base Transceiver Station)。每个BTS都通过一条线路与一个更大的绿色方块相连,这个方块是基地站控制器(BSC),负责控制多个BTS的工作状态。

    • 再往右看,有一个蓝色的长方形盒子,上面写着“MSC”,这就是移动交换中心(Mobile Switching Center),它是整个网络的核心部分,负责处理所有呼叫和数据传输任务。

    • 最右边还有一个绿色的长方形盒子,上面写着“Gateway MSC”。这是网关移动交换中心,用于将手机用户接入公共电话网络或互联网。

    • 在图中还有一些其他元素:比如带箭头的线条表示信号传输方向;小汽车图标则代表移动用户设备(如手机);而那些六边形则用来表示蜂窝小区覆盖范围。

  • 3G

    • 第三代(3G)移动通信网络架构,主要用于支持语音和数据服务。相比于2G网络,3G引入了对高速数据传输的支持,以满足日益增长的数据需求,如网页浏览、电子邮件和流媒体服务。以下是该图的主要组成部分:

      • 基站(BTS):图中左侧的小房子图标代表基站,它们负责与移动设备进行无线通信,并且被无线电网络控制器(RNC)所管理。

      • 无线电网络控制器(RNC):RNC集中管理一组基站,优化无线资源使用,降低功耗,并执行移动性和安全性功能。

      • 分组域服务节点(SGSN):这是3G网络的新组件,负责管理移动设备的位置信息以及数据包的转发。它类似于传统的路由器,但增加了移动性管理和安全功能。

      • 网关分组接入节点(GGSN):GGSN充当了3G网络和公共互联网之间的接口,将数据包从移动设备转换为适合IP网络格式,并负责计费和安全功能。

      • 移动交换中心(MSC):尽管在核心网络中没有改变,但在3G网络中,语音网络和数据网络开始平行运行。这意味着语音业务继续通过原有的MSC路径,而数据流量则通过新的分组域组件(SGSN和GGSN)传输。

      • 网关移动交换中心(GMSC):GMSC仍然是连接到公共电话网络(PSTN)的接口,但它现在也支持数据服务。

      • 公共电话网络(PSTN)公共互联网:这两个网络分别代表了传统电话服务和互联网服务,它们通过3G网络与移动用户进行交互。

      • 无线接口:WCDMA和HSPA是3G网络使用的两种无线技术标准,它们提供了比2G更高的数据传输速率。

      • 通用陆地无线接入网络(UTRAN):这是3G网络的无线接入部分,由基站和RNC组成,负责向移动用户提供无线服务。

      • 分组数据汇聚协议核心网(GPRS Core Network):这是3G网络的数据核心部分,由SGSN和GGSN组成,负责数据包的传输和路由。

      • 这种架构允许3G网络同时处理语音和数据流量,提高了整体效率和用户体验。随着技术的发展,3G网络逐渐演进到了更先进的版本,如HSPA+和DC-HSDPA,提供了更快的速度和更低的延迟。

  • 3G vs 4G

    • 4G基本架构

      • 基站(eNodeB):在4G LTE网络中,基站被称为eNodeB,它们不再需要RNC来管理无线资源,而是直接连接到核心网络。

      • 移动管理实体(MME):MME负责移动性管理、安全性等功能,它是4G LTE网络的核心组件之一。

      • 服务网关(S-GW):S-GW负责UE(用户设备)和EPC(演进分组核心)之间的数据包转发。

      • 分组数据网关(P-GW):P-GW是4G LTE网络和外部网络(如互联网)之间的接口,它执行计费、地址分配和其他功能。

      • 归属用户服务器(HSS):HSS存储有关用户的永久信息,如鉴权参数和签约数据。

      • 演进分组核心(EPC):EPC是4G LTE网络的核心部分,它取代了3G网络中的UTRAN和GPRS核心网络,提供更高效的分组数据传输。

    • 主要区别

      • 全IP核:从基站到网关的IP数据报从隧道(通过核心IP网)传输

      • 声音和数据不分离:所有流量都通过IP核心传递到网关

LTE: Long-Term Evolution

  • 是第四代移动通信技术(4G)的一种标准。它是为了提高移动通信系统的数据传输速度、网络容量和覆盖范围而设计的。LTE作为下一代通信技术,主要应用于移动电话、数据通信、互联网接入和其他无线通信服务
  • 主要架构
    • eNodeB:这是基站设备,负责与移动终端进行无线通信。它包括了PHY、MAC、RLC和PDCP等层,分别对应物理层、媒体接入控制层、可靠层和分组数据汇聚协议层。

    • MME(Mobility Management Entity):这是一个核心网元,负责处理移动性管理任务,如NAS安全、空闲状态下的移动性管理和EPS承载控制等。

    • S-GW(Serving Gateway):这是一个服务网关,用于在EPC内部转发数据包,并作为移动锚点。它还负责UE IP地址分配和包过滤等功能。

    • P-GW(Packet Data Network Gateway):这是对外部网络(如互联网)提供连接的服务网关。它支持包过滤功能,并为UE分配IP地址。

  • Radio+Tunneling: UE – eNodeB – PGW

    • Radio (无线通信): 首先,用户设备(如手机、平板电脑等)通过无线方式与最近的基站(eNodeB)进行通信。这个无线链路使用的是空中接口,遵循LTE的无线通信标准,如使用OFDM(正交频分复用)技术进行高效的数据传输。

    • Tunneling (隧道封装): 接下来,一旦数据从UE通过无线链路到达eNodeB,为了安全和高效地跨过核心网络传输,数据会被封装在一个或多个隧道协议中。在这个场景中,最常用的隧道协议是GPRS隧道协议(GPRS Tunneling Protocol, GTP),尤其是GTP-U用于用户面数据。数据包在eNodeB被封装进GTP-U消息后,通过S1-U接口发送到核心网络。

    • UE – eNodeB – PGW路径: 数据从UE出发,经过eNodeB进行无线空中接口传输和必要的基带处理后,被封装并通过S1接口进入核心网络。在核心网络中,数据包沿路径被路由到PGW。PGW是核心网络与外部网络(如互联网)的边界网关,负责终止数据包的隧道封装,执行必要的策略控制(如计费、过滤),并将数据包最终发送到目的地。

  • Quality of Service in LTE

    • QoS from eNodeB to SGW: min and max guaranteed bit rate: 这指的是从增强型Node B(eNodeB,即基站)到服务网关(Serving Gateway, SGW)的数据传输过程中,确保的最小和最大比特率。这是对用户数据传输速率的承诺,确保无论网络负载状况如何,都能为用户提供至少一个最低的数据传输速率(最小保证比特率),同时也设定了一个速率上限(最大保证比特率)。这种设置有助于确保实时和带宽敏感的服务(如语音通话、视频会议)即使在网络拥塞时也能维持基本的可用性。

    • QoS in radio access network: one of 12 QCI values: 在无线接入网络(Radio Access Network, RAN)中,QoS通过12种QoS分类标识(QoS Class Identifier, QCI)来实现。每种QCI值关联了一套特定的QoS参数,包括但不限于优先级、延迟、丢包率、保证比特率等,这些参数共同定义了数据包在无线接口上的处理方式。QCI值从1到9以及特殊的值65、66、69,分别对应不同级别的服务要求。例如,QCI 1通常分配给语音业务,要求极低的延迟和高优先级;而QCI 9可能对应于背景类数据,如电子邮件,对延迟要求不高。这样的分类使网络能够智能地调度和管理不同类型的流量,确保关键业务获得优先处理,从而优化用户体验。

这篇关于无线:wireless的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1039775

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