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1、无线移动网络基础知识,课程号 80240333 教师: 崔勇,1,课程大纲,引言 无线移动通信技术 技术特点与存在的挑战 协议和标准化组织 课程安排 无线接入网络技术 移动自组织网络 无线传感器网络 无线Mesh网络 移动IP技术 无线TCP技术,2,课程大纲,引言 无线移动通信技术 技术特点与存在的挑战 协议和标准化组织 课程安排 无线接入网络技术 移动自组织网络 无线传感器网络 无线Mesh网络 移动IP技术 无线TCP技术,3,无线移动通信技术,两个重要（但有所区别的）的概念 无线: 用户通过无线链路进行通信 移动: 用户网络接入点发生变化,4,无线通信,在户外使用电磁波传输语音等数据
2、电磁波特性 光速传播 (c = 3x108 m/s) 频率 (f) 和波长(l) c = f x l 高频率意味着高能量 能量越大穿透力越强 长波: 100-1000m(30-300kHz) 和短波: 20-200m (150-1500kHz),5,无线传输机制,无线传播展现出的物理特性是复杂多样的，但通常来说总结为三种主要特性: 反射 衍射 散射,6,无线传输机制,反射 当电磁波传播经过大小远远大于自身波长的物体时产生 例如: 从地表和建筑物上反射 这些反射可能与源信号之间产生正向或负向干扰,7,无线传输机制,障碍建筑物,R,R: 反射,信号源,接收者,街道,8,无线传输机制,衍射 当电磁波
3、在信号源和接收者之间传播遇到不能被穿透的物体和锯齿状物体表面而偏离直线传播时发生 解释了在城市和乡村中，原本沿直线传播的电磁波如何能传播到因视线被遮挡而看不到的地方,9,无线传输机制,障碍建筑物,D,R,R: 反射 D: 衍射,信号源,接收者,街道,10,无线传输机制,散射 当电磁波传播经过大小与自身波长相近或比较小的物体时产生 当传播路径中存在众多细小障碍物时产生. 当传播路径中存在小颗粒、粗糙表面和其他不规则物体时产生 与衍射遵循相同的原则 使得传播过来的电磁波能量朝四周散去 灯柱和路牌都有可能导致散射现象,11,无线传输机制,障碍建筑物,D,R,S,R: 反射 D: 衍射 S: 散射,信
4、号源,接收者,D,街道,12,电磁频谱,13,基础 传播特性,光波沿直线传播,在 VLF, LF, and MF 波段, 无 线电波在地表传播. 调幅广播 使用MF波段,14,基础 传播特性,在 VLF, LF, and MF 波段, 无 线电波沿地面传播. 调幅广播 使用MF波段,在 HF 波段, 电磁波往往会被地表吸收。 到达电离层(距地表大约100-500km), 被吸收,吸收,反射,电离层,15,基础 传播特性,LOS 路径,反射波,定向天线的使用 波沿多条路径传播 LOS: 直线传播 反射波干扰原信号,VHF 传播,16,基础 传播特性,17,高频无线电波特性 难以绕过障碍物 多条直
5、传路径 低频无线电波特性 可以绕过障碍物,传输模型,18,我们更加关注频率在几MHz到几GHz之间的电磁波的特点和传输模型 无线信道建模对以下几方面来说是比较重要的: 决定一个信号源的覆盖范围 决定信号源的能量需求 决定电池的使用时间 寻找调制和编码方法以提升信道质量 决定信道容量的上限,电磁频谱,19,1m,10m,100m,1km,10km,100km,1000km,Satellite,Radio,Mobile Phone,Wireless LAN,Blueteeth,Infrared,（10125X1012GHz),（2.42.48GHz),（2.42.4835GHz),（800M2GH
6、z),（88108MHz),（300GHz),载频/信道,载频 发送者和接收者之间传输的信息被承载到一个特殊的频段 信道特性 每个信道都有一个固定的频带宽度(KHz)和容量 (bit-rate) 不同的频段(信道)之间可以并行和独立的传输信息,20,移动网络,步行移动用户 低速 小范围漫游 通常高带宽/低延迟 交通工具 高速 大范围漫游 通常低带宽/高延迟 使用高性能终端设备 (手机),21,移动网络,22,移动设备,23,移动网络,24,接入设备(AE),25,移动网络,26,网络类型,无线电报 Marconi (1896) 从那时起到现在 收音机 电视 移动电话 卫星 (1960s) WL
7、AN 传感器网络,27,网络类型,蜂窝网 无线局域网 (WLAN) PAN 卫星,28,蜂窝网,从地理上将网络分成一些圆形的小区域-蜂窝 传输能量决定蜂窝大小 我们为什么需要蜂窝? 频率复用 无线成功的依据! 从1996年开始, 新的移动用户数量已经超过固话用户!,29,蜂窝网: 演进,第一代(1G): 模拟技术 FDMA 模拟调频 电路交换网络 通话音质较低 无安全机制 低容量 AMPS (高级移动电话系统800-900MHz),30,蜂窝网: 演进,2G(第二代) 数字编码 高比特率声音 有限的数据传输速率 (10 Kbps) GSM,D-AMPS (TDMA) and CDMA 附属服务
8、 (数据, 传真 and SMS) 一定程度的加密,31,蜂窝网: 演进,2.5G 2G系统的扩展(GSM) 分组交换连接(GPRS) 高数据传输率 (多达百Kbps),32,蜂窝网: 演进,3G (第三代) 高数据传输率(Mbps) 远不止语音服务 支持接入带宽服务 全动态语音 视频会议 互联网接入(IP) IMT_2000 W-CDMA, CDMA2000, TD-SCDMA (China) 频率分配 3G&WLAN : 互补关系,33,网络类型,蜂窝网 无线局域网 (WLAN) PAN 卫星,34,WLAN- 无线局域网,本地使用无线链路连接 IEEE 802.11 WLAN 标准 Ex
9、ample: WaveLan, Aironet, WiFi Wireless LAN 可能被用于 最后一跳的无线接入 在主机和有线网络之间的无线接入,35,WLAN 标准 (待续),HIPERLAN (高性能无线局域网) 多种变化, 从带宽23.5 Mb/s的类型1到带宽155 Mb/s的类型4 覆盖范围从50米到5千米 暂无相关产品,36,IEEE802.11x,从上世纪90年代末以来, IEEE已经形成4个802.11协议标准: IEEE 802.11 IEEE 802.11a IEEE 802.11b IEEE 802.11g IEEE 802.11 n,37,IEEE802.11,19
10、97: IEEE 802.11 最原始的无线网络协议标准 2.4GHz频段，最高2Mbps 带宽 调制: FHSS 或 DSSS 安全: WEP & WPA 兼容b和g协议,38,IEEE802.11a,1999: IEEE 802.11a 5GHz频段，最高54Mbps带宽 调制: OFDM 安全: WEP & WPA “Wi-Fi 认证” 不兼容802.11, b 和 g,39,IEEE802.11b,1999: IEEE 802.11b 2.4GHz频段，最高11Mbps带宽 调制: DSSS with CCK 安全: WEP & WPA “Wi-Fi 认证” 兼容802.11 和 g,
11、40,IEEE802.11g,2003: IEEE 802.11g 2.4GHz频段，最高54Mbps带宽 调制: 采用OFDM ，带宽高于 20Mbps, 采用补充编码键控的DSSS，带宽最高 20Mbps 安全: WEP & WPA “Wi-Fi 认证” 兼容802.11 和 b,41,IEEE802.11n,2009: IEEE 802.11n 2.4GHz频段，最高54Mbps传输速率 调制: MCS调制编码表规定了各种调制机制 安全: WEP & WPA “Wi-Fi 认证” 兼容802.11 a/b/g,42,网络类型,蜂窝网 无线局域网(WLAN) PAN 卫星,43,个人局域网
12、(PAN),使各种设备之间可以短距连接 10 米范围内 家用电器, 办公设备, “可穿戴” 计算设备 IrDA (红外线数据协会) 对使用红外线作为无线用户最后一跳连接的技术进行标准化 数据传输速率总共为4 Mb/s, 但仅能达到115 Kb/s 范围在几米内，仅能直线传播 容易受到干扰,44,网络类型,蜂窝网 无线局域网(WLAN) PAN 卫星,45,卫星,卫星天线在地球表面的轨道是固定的 两个或多个（地表）地面站之间的通信主要靠外太空的多个卫星来作为中继站 上行链路: 地面-卫星 下行链路: 卫星-地面,46,地面站,地面站,卫星,TCP 工作良好? 高度: 36000km 120ms
13、延迟,无线移动网络设计,总是在线 支持突发流量 提供无缝的移动性 支持服务质量控制QoS 提供安全保障 提供灵活的组网方式,47,课程大纲,引言 无线移动通讯技术 技术特点与存在的挑战 协议和标准化组织 课程安排 无线接入网络技术 移动自组织网络 无线传感器网络 无线Mesh网络 移动IP技术 无线TCP技术,48,技术特点,49,无线 有限带宽 不稳定的链路质量 链路的不对称性 高延迟 室内3ms, 户外100ms(蜂窝网, 卫星) 空中接口的异构性 易被窥探 需要更多的信号处理!,技术特点,50,移动性 用户和终端位置不断变化 终端移动速度影响无线链路带宽 更多影响因素 位置, 连通性,
14、带宽, I/O 设备和安全域 容易被窥探 需要更多的协议处理!,技术特点,51,便携性 有限的电池容量 有限的计算能力 有限的存储能力 尺寸小 缺乏可靠性 需要更节能的设计!,挑战,52,不可靠信道,稀缺的频谱资源 受管制,位置查找和路由,医疗相关,与有线网络的接口,安全,耗电,课程大纲,引言 无线移动通讯技术 技术特点与存在的挑战 协议和标准化组织 课程安排 无线接入网络技术 移动自组织网络 无线传感器网络 无线Mesh网络 移动IP技术 无线TCP技术,53,IEEE,IEEE 电气与电子工程师协会 1963建立 AIEE- 无线电工程师协会(1912) : IRE- the 美国电气工程
15、师协会(1884) 总部设在纽约 在160个国家中拥有超过425,000 名会员 51.4%的会员在美国 宗旨:致力于推动电工技术在理论方面的发展和应用方面的进步.,54,IEEE-知名协议标准,IEEE802 IEEE802.3以太网 IEEE802.11无线局域网 IEEE802.15蓝牙 IEEE802.16宽带无线接入 ,55,IETF,56,IETF 国际互联网工程任务组 公开性质的大型民间国际团体，汇集了与互联网架构和互联网顺利运作相关的网络设计者、运营者、投资人和研究人员 首次会议于1986年1月16日召开 每年召开三次会议. 对所有对此行业感兴趣的人士开放.,IETF-文稿,互
16、联网草案 互联网草案是IETF相关领域相关工作组的工作文稿，其他工作组也可以发布草案. 互联网草案没有正式的定位，可以在任何时间被修改或删除; 因此不能在任何正式的文档中被引用.,57,IETF-文稿,RFC征求评议文件 RFC是由工程师和计算机科学家以备忘录的形式描述适用于互联网和网络系统的方法、行为、研究和创新工作. 它提交同行评审或简单地表达新概念,信息或 (偶尔的) 工程上的小幽默. IETF将其中一些发布，作为互联网标准的RFC.,58,IETF-工作组,IETF工作组是IETF的主要机构，主要复杂制定规范和指南，而这其中许多最后将变成标准和建议. 工作组通常用来解决特定的问题或产生一个或多个特定的可交付成果(指导方针、标准规
