第一章信息通信网的演进.ppt

第二章接入网技术 接入网技术 电话网络接入Internet802 11无线局域网802 16无线城域网 主要内容 1 电话网络接入Internet 电话拨号 9600 64kbps 数字用户线路 DSL DigtialSubcriberLines 对称DSL下行和上行速率相同非对称DSL下行速率一般大于上行速率ADSL AsymetricDSL 非对称数字用户线路 下行速率理论上8 12Mbps 上行小于2MbpsADSL2 下行速率理论上24Mbps 上行小于3 5Mbps 主要接入技术 实际上能够达到的速率与具体的环境有关 包括电话线的长度 线路质量 外界环境干扰 其他用户正在进行的数据业务等等 1 电话网络接入到Internet 利用电话线话音带宽300 3 4KHz采样率为2400次 秒 即2400baud速率 2400 码元位数V 32 4 1 QAM 32 9 6kbpsV 32bis 6 1 QAM 128 14 4kbpsV 34 12 28 8kbpsV 34bis 14 33 6kbps35kbps限制 香农公式 本地回路长度和线路质量一个本地回路 用户到ISP 可达70kbps两个本地回路 两个通过调制解调器和模拟线路连接的用户 可达33 6kbpsV 90 8k采样 电话信道带宽4kHz 8比特量化编码 其中1比特用于控制 上行33 6kbps 较少噪声 56kbps下行 电话拨号 QAM 正交振幅调制 1 电话网络接入到Internet ADSL 电话线的带宽 4kHz电话拨号 端局过滤300Hz 3 4KHz范围外的非话音频率ADSL ADSL将用户线路接到没有滤波器的线路上频率在26khz以上的信号被分离到DSLAM 用户数字线访问复用 DMT DiscreteMultiTone 离散多信道调制 总带宽1 1MHz划分为256条独立信道 256 4312 5Hz 信道0 传统简单电话服务 POTS 信道1 5 避免干扰一条上行控制 一条下行控制 其余全部用于数据 NID 网络接口设备 接入网技术 电话网络接入Internet802 11无线局域网802 16无线城域网 主要内容 2 802 11无线局域网 无线局域网概述无线局域网基本概念802 11协议无线局域网部署 主要内容 2 1无线局域网概述 无线局域网WLAN WirelessLocalAreaNetwork 以无线电波为传输媒介的局域网技术无线电波按照工作的频率的不同被划分为信道 每个信道对应着一个频率范围 WLAN的传输介质是建立在无线信道的基础上的WLAN标准802 11系列标准 IEEE802 11工作组制定HiperLAN系列标准 ETSI的BRAN小组制定 无线局域网协议标准 从目前的WLAN市场来看 IEEE802 11系列标准占了绝对的上风 下面讨论的WLAN如果没有特别说明的话都是基于IEEE802 11系列协议的 2 1无线局域网概述 Wi Fi最初是Wi Fi联盟 Wi FiAlliance 的注册商标 用来描述基于802 11系列协议的无线局域网技术现在也被用来描述WLAN中移动设备的无线接口Wi Fi联盟由工业界发起成立的一个全球性的非盈利组织 负责测试和认证兼容IEEE802 11系列协议的设备 并且对于通过测试和认证的设备打上Wi Fi认证标志 WiFi 2 1无线局域网概述 优势快速部署 deployment 不需要进行繁琐的布线工作支持移动漫游 roaming 在无线信号覆盖范围内 用户可以随意的移动漫游易于扩展 scalability 根据应用的需求来配置相应的网络拓扑结构问题传输带宽和传输效率相比有线网络低移动终端进行功率控制安全性问题 特点 2 2无线局域网基本概念 无线站点STA wirelessSTAtion 配置支持802 11协议的无线网卡的终端STA通过MAC层机制来共享同一个无线信道 最简单的WLAN仅仅由STA组成 它们之间直接通信无线接入点AP wirelessAccessPoint 有时也被称为基站BS BaseStation 数据链路层设备AP为STA之间的通信提供帧转发功能 网络组成 2 2无线局域网基本概念 AdHoc网络 也称为自组织网络仅由STA之间通过无线传输媒介组成的网络 这些STA在彼此无线信号覆盖范围内 因此之间能够互相通信AdHoc网络也被称为IBSSBSS是一个不包含AP的STA集合 或者是一个与一个AP相关联的STA组 IBSS特指前一种情况 网络拓扑 AdHoc网络 BSS BasicServiceSet 基本业务群IBSS IndependentBSS 独立基本业务群 2 2无线局域网基本概念 基础设施 Infrastructure 网络最简单的基础设施网络包括一个AP以及一些和AP关联的STA 组成一个以AP为中心的BSS更大的基础设施网络可能由多个以AP为中心的BSS通过分布式系统DS互连组成 也称为扩展业务群ESSDS可以是一个交换机 一个有线网络或者一个无线网络在基础设施网络中 STA之间不能直接通信 所有的通信都必须经过APSTA可以在ESS内移动漫游 网络拓扑 基础设施网络 ESS ExtendedServiceSetDS DistributionSystem 2 2无线局域网基本概念 BSSID是一个48位的标识 用来指示一个特定区域内的BSSAdHoc网络 BSSID是随机产生基础设施网络 BSSID是AP的无线网络接口的MAC地址SSID是一个最大长度为32个字符的标识符 它有时也被称为网络名 可以用来对STA接入BSS进行控制每个BSS都配置有一个SSID STA要加入必须配置相同的SSIDESSID是SSID的一种扩展形式 它被特定地用于ESS 同一个ESS内的所有STA和AP都必须配置相同的ESSID BSSID和SSID 2 3802 11协议 发展历程 1997年IEEE发布第一个802 11标准 工作在2 4GHz的ISM频段 支持速率为1M或者2M 室内约25米 室外约75米 1999年IEEE发布802 11a 工作在5GHz的ISM频段 支持最大速率为54M 室内约30米 室外约100米 注意 如果没有特别说明 一般用 802 11 来表示 802 11系列协议 802 11history 1999年IEEE发布802 11b 工作在2 4GHz的ISM频段 支持最大速率为11M 室内约35米 室外约110米 2003年IEEE发布802 11g 工作在2 4GHz的ISM频段 支持最大速率为54M 室内约35米 室外约110米 2007年IEEE发布802 11ndraft2 0 工作在2 4GHz的ISM频段 支持最大速率为248M 室内约70米 室外约160米 2 3802 11协议 物理层对应着OSI参考模型的物理层对传输媒介和拓扑的规定OSI参考模型的数据链路层被划分为两个子层 即逻辑链路控制 LLC 子层和媒介访问控制 MAC 子层 局域网体系结构 802参考模型 LLCMAC物理层 OSI参考模型 IEEE802参考模型 IEEE802参考模型由IEEE802委员会开发 并且被所有的制定LAN标准的组织所采用 2 3802 11协议 将数据链路层划分为两个子层的原因在传统的数据链路控制中没有管理访问共享媒介的逻辑需求对于相同的LLC子层 可以提供不同的MAC子层常用以太网 无线局域网等局域网具有相同的LLC子层 只是MAC子层不同MAC子层负责检测错误并且丢弃任何发生错误的帧 而LLC子层可以知道哪些帧被成功接收 并且可以重传出错的帧 局域网体系结构 LLC和MAC LLC LogicalLinkControlMAC MediumAccessControl 2 3802 11协议 局域网体系结构 协议封装 MAC帧 MAC帧尾一般为循环冗余校验 CRC CyclicRedundaryCheck 或者说是帧校验序列 FCS FrameCheckSequence 用来检测帧在传输过程中是否出错 2 3802 11协议 LLC是一个对所有LAN都相同的链路层协议 它定义了在媒介上寻址站点及控制两个用户之间数据交换的机制 提供了三种可选的服务无确认的非连接服务 UnacknowledgedConnectionlessService 连接模式服务 Connection modeService 确认无连接服务 AcknowledgedConnectionlessService 设备厂商将LLC服务作为可选项提供给客户 客户可以根据自己应用的需求选择合适的服务 局域网体系结构 LLC子层 在大多数情况下 无确认的非连接服务是优先考虑的选项 但在一些不可靠的网络环境 例如无线网络 一般使用确认无连接服务 2 3802 11协议 MAC的一个重要的功能是控制网络设备对传输媒介的访问 以实现这些网络设备对传输容量的有序高效共享MAC帧格式 局域网体系结构 MAC子层 MAC地址是网络接口设备例如网卡的物理地址 购买这些设备时一般就固化在设备的内部 它用来标识连接在LAN上的网络接口的物理接入点 2 3802 11协议 经典以太网在总线型共享链路上以10Mbps的速率工作 也称为10M以太网 对应标准为802 3传输媒介同轴电缆 10Base5 10Base2 已经很少使用了 双绞线 10Base T 及光纤 10Base F MAC层使用CSMA CD来实现多台主机竞争访问共享链路 经典以太网 概述 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 带冲突检测的载波侦听多路访问 2 3802 11协议 经典以太网 共享链路问题 解决方法 主机发送数据时以帧为单位 数据帧的头标中包含了接收这个数帧的目的地址 即目的MAC地址 问题1 在共享链路上 任何主机都能够接收其它主机发送的数据 因此需要一种机制来指明数据的接收者 2 3802 11协议 问题2 在共享链路上 需要一种机制协调所有主机之间的数据发送 以公平竞争访问链路 解决方法 每个数据帧都有最大长度限制 数据域部分不超过1500字节 发送完后主机之间要重新使用CSMA CD机制协调对共享链路的访问 经典以太网 共享链路问题 2 3802 11协议 冲突 Collision 有时也叫做碰撞 由多台主机争用传输媒介引起的 当连接在共享链路上的两台或两台以上主机同时发送数据时 表示这些数据的信号将在同一段传输媒介上叠加时 从而导致无法被接收主机正确接收 经典以太网 冲突 2 3802 11协议 CSMA CD机制包括两个步骤 即载波侦听和冲突检测载波侦听 CarrierSense 当某台主机想要发送数据时 它首先侦听媒介是否忙 如果是 表示当前有其它主机正在传输数据 因此将继续侦听 直到媒介空闲 然后发送数据冲突检测 CollisionDetection 如果主机在数据发送过程中检测到冲突 则发送干扰信号 jammingsignal 以确保所有主机都知道发生了冲突 并且取消发送 经典以太网 CSMA CD步骤 主机发送数据之前进行载波侦听 主机检测到冲突发送干扰信号 2 3802 11协议 当主机检测冲突后 它将等待一个随机的时间 也称作退避 backoff 二进制指数退避算法 binaryexponentialbackoff 来确定冲突发生后的随机等待时间在一次冲突之后 时间被划分为离散的时槽 其长度等于最差情况下在以太网媒介上往返传播所需要的时间 时槽与以太网所允许的媒介最大长度有关 一般设置为51 2us当第k次冲突发生后 从离散整数集合 0 1 2k 1 中随机地选择一个数r 然后等待r个时槽 因此对于第一次冲突 就是等待0或者1个时槽后再次尝试发送 对于第二次冲突 随机选择0 1 2或者3 然后等待这么多个时槽 等等如果k 10 则保持离散整数集合 0 1 210 1 1023 不变 从其中选择一个随机数r 然后等待r个时槽如果k 16 也就是说尝试16次后仍然没有成功发送 则主机放弃发送 并且产生一个错误 经典以太网 退避算法 2 3802 11协议 经典以太网 CSMA CD 退避算法 媒介忙 发送帧 冲突 发送完 发送干扰 N 16 No No Yes 发送成功 Yes 发送失败 No 执行退避算法 No Yes 发送帧 冲突次数N Yes 2 3802 11协议 物理层与OSI参考模型的物理层对应数据链路层被划分为两个子层 即媒介访问控制MAC和逻辑链路控制LLCMAC子层 确定信道分配方式 也就是决定下一个该由谁传输数据CSMA CA机制 在无线环境下要检测冲突很难 尽量避免冲突LLC子层的任务是隐藏802各个标准之间的差异 使得它们对于网络层而言是一致的确认无连接服务 由于无线信道传输的不可靠性 协议栈 82 11红外线 82 11FHSS 82 11DSSS 82 11aOFDM 82 11bHR DSSS 82 11gOFDM 82 11nMIMO MAC子层 数据链路层 上面各层 物理层 逻辑链路控制子层 LLC 2 3802 11协议 不同的802 11协议采用的传输方式和编码不同除了802 11a 其它都工作在2 4GHz的ISM频段上 而802 11a工作在5GHz的ISM频段上 物理层 82 11红外线 82 11FHSS 82 11DSSS 82 11aOFDM 82 11bHR DSSS 82 11gOFDM 82 11nMIMO MAC子层 数据链路层 上面各层 物理层 逻辑链路控制子层 LLC 2 3802 11协议 MAC子层实现多个无线站点 STA 对共享无线信道的访问问题 无线环境下很难检测到冲突隐藏站点问题暴露站点问题 MAC子层 概述 2 3802 11协议 隐藏站点问题由于并不是所有的STA都在其它STA的无线信号覆盖范围内 因此在一个无线信号覆盖区域内的某一部分正在进行的数据传输可能不会被同一区域内的其它部分接收到 从而导致所谓的隐藏节点问题 MAC子层 概述 2 3802 11协议 暴露站点问题一个无线信号覆盖区域内的某一部分正在进行的数据传输会影响到该区域内其它站点的数据传输 MAC子层 概述 2 3802 11协议 结论在802 11的MAC子层不能直接采用以太网的CSMA CD机制802 11中定义了两种操作模式分布式协调功能与以太网类似 无任何中心控制手段 所有站点竞争访问信道强制要求实现的操作点协调功能使用AP或者基站来控制所有的通信可选的操作 MAC子层 概述 2 3802 11协议 分布式协调功能DCF DistributedCoordinationFunction 带冲突避免的载波侦听多路访问机制CSMA CA CSMAwithCollisionAvoidance 冲突避免CA而不是冲突检测CD 在无线环境下很难检测到冲突两种CSMA CA操作基本CSMA CA 采用物理信道侦听方法 该操作强制要求必须使用扩展CSMA CA 采用虚拟信道侦听方法 使用两个控制帧 即RTS CTS 可解决隐藏站点问题 该操作是可选的 可以根据需要配置 DCF操作 CSMA CA CSMAwithCollisionAvoidance 载波侦听多路访问机制 2 3802 11协议 包括载波侦听和冲突避免两个过程载波侦听 站点在发送帧之前侦听无线信道是否空闲 如果是 则发送数据帧 如果当前信道忙 说明现在有其它站点正在传输数据 则延迟发送帧直到侦听到信道空闲冲突避免 站点在发送帧之前要先等待一个帧间间隔IFS InterFrameSpacing 并且确保在IFS时间内信道空闲为了防止多个站点在等待IFS时间后同时发送而导致冲突 与以太网类似 引入了一个随机退避算法来选择一个退避时间 backofftime 基本CSMA CA概述 2 3802 11协议 基本CSMA CA的具体过程 2 3802 11协议 信道始终空闲侦听到信道忙 基本CSMA CA过程图示 时间 Begintransmitframe IFS 时间 Begintransmitframe IFS BusyMedium Slottime 2 3802 11协议 帧间间隔 IFS 控制了发送帧之前的等待时间不同类型的帧具有不同的IFS 确定了帧的发送优先级IFS越短 帧的优先级就越高三种IFSSIFS ShortIFS 最高优先级 用于CTS ACK等控制帧PIFS PCFIFS 等于SIFS 1 中等优先级 用于PCF操作模式下的帧DIFS DCFIFS 等于SIFS 2 最低优先级 用于DCF操作模式下的数据帧 CSMA CA 帧间间隔 2 3802 11协议 站点执行随机退避算法来确定退避时间从0到竞争窗口CW之间的随机选择一个值r 则退避时间为r倍的时槽竞争窗口CW ContentionWindow 采用与以太网类似的指数退避算法来设置CW初始化为一个最小值CWmin当发送方认为发送的帧发生冲突时将CW加倍增大 直到到达最大值CWmax CSMA CA 退避时间 2 3802 11协议 CSMA CA 竞争窗口CW 2 3802 11协议 接收方发送ACK帧接收方正确接收来自发送方的数据帧后发送ACK帧进行确认ACK帧不需要执行随机退避算法 而是直接等待一个SIFS时间后就发送发送方未收到ACK帧发送方执行指数退避算法 将CW的值加倍 并且将重传计数器加1 然后重传数据帧 此时需要再次使用CSMA CA机制竞争信道CW从CWmin开始 每次重传都将CW加倍 直到到达CWmax重传计数器到达一个设定的门限值时 发送方将放弃发送数据帧 并且返回一个错误 接收方确认 ACK 发送方用随机退避算法选择退避时间 也就是说从0到CW之间选择一个随机数r 退避时间即位r倍的时间槽 而CW的确定采用的是指数退避算法 从CWmin开始 每次重传都加倍 直到到达CWmax 2 3802 11协议 发送方在DIFS时间内侦听到信道空闲直接发送数据帧 不执行退避算法 CSMA CA ACK 2 3802 11协议 可选的 但绝大多数的802 11产品都支持 可根据需要配置原理 基于RTS CTS的虚拟信道侦听发送方发送RTS帧 其中包含了一个持续时间域 该域的值表明发送方完成帧交换所需要的时间 包括从发送数据帧到接收ACK帧所需要的时间接收方响应CTS帧中也包含一个持续时间域 该域的值足够大 以保证发送方能够完成数据帧交换收到RTS和CTS的站点根据其中的持续时间为自己声明一个虚拟信道 并且该信道正忙 用网络分配向量 NAV NetworkAllocationVector 来表示 在NAV时间内 该站点不会尝试发送帧NAV更新 只有当RTS CTS中的持续时间域的值大于当前存储的NAV时 该NAV才会被更新 扩展CSMA CA 原理 2 3802 11协议 发送方像发送一般数据帧一样发送RTS帧接收方等待SIFS时间后直接发送CTS帧NAV减为0后 其他站点就开始使用基本的CSMA CA机制发送数据帧 扩展CSMA CA 图示 2 3802 11协议 扩展CSMA CA 隐藏站点 侦听RTS设置NAV 侦听CTS设置NAV 侦听到RTS 发送方附近侦听到CTS 接收方附近 特别注意 RTS CTS只能解决隐藏站点问题 而不能解决暴露站点问题 2 3802 11协议 在误码率较高的无线信道环境下 提高帧传输的可靠性帧越长 被成功接收的概率越小基本原理是将一个大的帧分成更小的分片 每个分片独立地传输和确认 帧分片 原理 2 3802 11协议 帧分片 过程 RTS CTS包含了第一个分片和ACK帧的持续时间 除最后一个分片和ACK帧外 每个分片和ACK帧都包含了下一个分片和ACK帧的持续时间 其它站点根据持续时间设置NAV 最后一个分片和ACK帧的持续时间被设置为0 帧分片在提高可靠性的同时增加了802 11MAC子层的协议开销 2 3802 11协议 分布式协调功能DCF DistributedCoordinationFunction Contention服务强制要求实现没有中心控制 所有的站点都竞争使用无线信道点协调功能PCF PointCoordinationFunction ContentionFree服务可选AP或者基站对其他站点进行轮询 poll 看它们是否需要发送帧站点的传输顺序完全是由AP控制的 所以不会发生冲突 PCF操作 概述 前面802 11MAC子层机制的讨论都是基于DCF PCF操作要求必须有一个中心点 只能用于基础设施模式 2 3802 11协议 整个时间被划分为CFP和CP两个交替出现的阶段CFP ContentFreePeriod PCF操作的时间窗口CP ContentPeriod DCF操作的时间窗口CFP的开始在基础设施网络中 AP广播一个带有以下参数的信标帧 beaconframes 来指示CFP的开始CFPMaxDuration CFP持续的最长时间两次CFP间隔在CFP期间 AP广播的信标帧包含以下参数CFPDurationRemaining CFP还需持续的时间每个站点根据CFPDurationRemaining设置或者更新自己的网络分配向量NAV 并且在CFP期间 所有数据发送由AP控制 PCF操作 概念 2 3802 11协议 DCF操作和PCF操作如何混合工作当决定开始一个CFP阶段时 AP等待一个PIFS间隔就发送一个包含有CF参数信息的信标帧PIFS比DIFS要短一个时槽 因此使得AP能够优先于发送数据帧的DCF站点访问信道 使得这些站点由原来的DCF操作进入到PCF操作PCF操作帧数据帧 记为Data 轮询帧 记为CF Poll 询问站点是否有帧要发送数据和轮询组合帧 记为Data CF Poll CFP结束帧 记为CFP End PCF操作 原理 如果AP没有帧发送 并且没有站点需要轮询 那么AP将发送一个CFP End来结束CFP阶段 2 3802 11协议 PCF操作 实例 Data 数据帧CF Poll 轮询帧Data CF Poll 数据和轮询组合帧CFP End CFP结束帧 A B C ToA ToB ToC 2 3802 11协议 基础设施网络环境下MAC子层提供2种服务站点连接 即一个站点如何与AP建立通信 也称为关联 Association 站点漫游 即一个站点如何在不同AP之间移动 也称为切换 Handoff MAC子层服务 2 3802 11协议 站点连接 Connectivity 包括三个过程探测过程认证过程关联过程 站点连接 2 3802 11协议 探测过程 Probe 选择建立通信所需的AP具体过程1 站点转换到某个无线信道广播一个802 11探测请求帧2 如果该信道上有AP 则应答一个探测响应帧 站点纪录这些AP的信号强度等信息3 站点转到下一个信道 执行步骤1 直到遍历它所支持的所有信道4 站点根据SSID是否匹配 信号强度等信息从这些AP中选择一个AP来建立通信 站点连接 探测过程 2 3802 11协议 站点连接 探测过程实例 ASSID Marketing A将选择AP2来建立通信 这是因为AP2的SSID与其设置的SSID相同 并且具有最高的信号强度 2 3802 11协议 认证过程 Authentication 对用户身份进行认证 防止没有授权的用户与AP建立通信两种认证模式开放认证 OpenAuthentication 使用空的认证算法 因此开放认证过程总是会成功 它使得站点能够快速访问网络共享密钥认证 Shared keyAuthentication 在站点和AP之间共享一个密钥 站点连接 认证过程 2 3802 11协议 站点连接 认证实例 ASSID Marketing 2 3802 11协议 关联过程 Association AP通过关联过程将一个逻辑端口或者关联标识符映射到站点 就像将一台主机连接到以太网集线器或者交换机的一个物理端口上一样具体过程站点发送一个关联请求帧 开始关联过程AP应答一个关联响应帧 结束关联过程 该帧中包含了状态码 分配的关联标识符 AP支持速率等信息 站点连接 关联过程 完成关联过程以后 STA和AP之间就可以开始进行通信了 有时也说STA与AP建立了连接 或者说STA关联到AP上 2 3802 11协议 站点漫游 Roaming 站点移出一个AP的信号覆盖范围外 进入另一个AP的信号覆盖范围内 这时它需要关联到一个新的AP上 这个过程也被称为漫游 有时也被称为切换 Handoff BreakbeforemakeSTA先与原来的AP分离 Disassocation 然后关联到新的AP漫游域 RoamingDomain 在漫游域内 所有AP属于同一个广播域 并且配置了相同的SSID多个BSS如果属于同一个广播域 那么它们通过DS连接组成的ESS也被称为漫游域 站点漫游 2 3802 11协议 首先 站点决定何时开始漫游过程信号强度减弱帧重传基础设施网络中无法接收到AP周期性广播的信标帧其次 站点决定漫游到何处通过扫描机制得到所有AP的信息主动扫描 ActiveScanning 在每个信道上发送探测请求帧 然后等待来自工作在该信道上的AP的探测响应帧 从而得到所有信道上的所有AP信息被动扫描 PassiveScanning 在每个信道上侦听来自AP的信标帧 从而得到所有信道上的所有AP信息根据SSID是否匹配 信号强度等信息选择一个新的AP最后 站点将和选择的新的AP建立关联 建立关联之前STA还要和新的AP进行认证过程 然后开始关联过程在这里站点发送的是重新关联帧 Reassociation 而不是关联帧 站点漫游 步骤 主动扫描速度快 但是开销大 目前大多数802 11产品都采用主动扫描 2 3802 11协议 站点漫游 图示 AP2 2 3802 11协议 MAC帧结构 FrameControl Type 数据帧 控制帧和管理帧subtype 帧的子类型ToDS 发送到DSFromDS 来自DSRetry 重发帧Duration ID 持续时间 关联标识符SequenceControl 分片编号 2 3802 11协议 MAC帧结构 STA1 STA2 Host STA1 STA1 Host STA1 STA3 2 4无线局域网部署 信道的概念 对于802 11b整个2 4G频段被划分为14个信道 每个信道的带宽为22MHz 在802 11中 每个站点或者AP使用某个信道作为传输媒介 也被称为工作信道 2 4无线局域网部署 为了避免信道间干扰 同一区域内的AP的工作信道不能重叠 中心频率间隔最少为25MHz 因此最多只能有3个工作在不同信道的AP 信道分配 11个信道 每个信道占用22MHz 有且只有1个信道集合中有3个互不重叠的信道 1 6 11 14信道 每个信道占用22MHz 可划分为4个具有3个互不重叠信道的信道集合 1 6 11 2 7 12 3 8 13 4 9 14 但每次只能使用一个信道集合 2 4无线局域网部署 1Mbps 5 5Mbps 11Mbps 2Mbps AP覆盖范围 为保证传输速率 应选择尽量小的AP覆盖范围 2 4无线局域网部署 两种部署方法面向覆盖面向容量 AP部署规划 概述 根据实际应用的需求选择部署方法 2 4无线局域网部署 目标 用最少的AP提供最大的覆盖应用特征 突发性 低速率应用举例 仓库或者零售商店 小型或者中等规模部门的办公室 AP部署规划 面向覆盖 2 4无线局域网部署 目标 为每个用户提供尽量大的吞吐量应用特征 高速率 低延迟 用户密集度高应用举例 流媒体应用 AP部署规划 面向容量 接入网技术 电话网络接入Internet802 11无线局域网802 16无线城域网 主要内容 3 802 16无线成域网 802 16概述802 16 2004802 16e 2005 主要内容 3 1802 16概述 无线城域网 WMAN WirelessMetropolitanAreaNetwork 实现城域范围内覆盖的无线宽带接入技术 也可用来替代现有的基于xDSL Cable等的有线宽带接入技术 实现最后1公里接入WMAN标准802 16系列标准 IEEE802 16工作组制定固定场景 802 16 2004 也常被称为802 16d移动场景 802 16e 2005 也常称为802 16eHyperMAN标准 ETSI的BRAN小组制定针对固定场景 最新标准采用802 16规范作为基线文档WiBro WirelessBroadBand可看作是国际标准802 16e在韩国的本土化 KT和SK电信已在韩国实现WiBro的商用 无线城域网协议标准 不论是HyperMAN还是WiBro 都可以看作是802 16系列协议的一部分 是802 16系列协议的补充 3 1802 16概述 WiMAX WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccessWiMAX论坛 WiMAXForum 用来描述基于802 16系列协议的网络系统固定WiMAX 802 16 2004 802 16d 移动WiMAX 802 16e 2005 802 16e WiMAX论坛由运营商和设备制造商联合成立的非赢利性产业联盟目标 促进基于802 16系列标准的产品和系统的应用 保证产品之间的兼容性和互操作性职责 共设立9个工作组 围绕产品认证 网络架构研究 业务和应用模式推广 频谱管理等开展工作 并协调WiMAX系统和其他标准化组织的联系 WiMAX IEEE802 16工作组 制定空中接口规范 包括物理层和MAC层WiMAX论坛 制定基于802 16技术的完整的网络系统 并且推动该系统的商业应用 3 1802 16概述 802 16应用场景 无线城域网协议标准 3 2802 16 2004 2004年发布 基于802 16 802 16a 802 16c等几个版本包括物理层和MAC层规范 概述 物理层 PHY 安全子层 MAC公共部分子层 MACCPS 业务汇聚子层 CS MAC层 802 16系列协议的MAC层的最主要的特征是提供面向连接的服务 引入了服务质量 QoS 支持 可为每个连接设置不同的QoS参数 包括带宽 延迟和延迟抖动等 CSSAP MACSAP PHYSAP 3 2802 16 2004 点对多点 PMP Point to MultiPoint 由一个中心基站 BS BaseStation 和一组由该基站管理的用户站 SS SubscriberStation 组成SS一般以建筑物 家庭或者商业机构 为服务单位BS连接到核心网络 为SS提供最后1公里接入服务在下行信道中 BS是唯一的发射单元上行信道为时分复用 TDD 和按需复用相结合BS在广播消息中指定特别的竞争信道 SS根据业务需求在竞争信道上提出带宽申请BS指定SS在上行信道的固定位置发送业务数据BS与SS建立连接 并且通过轮询 竞争 主动带宽授权等调度方式来管理连接 网络拓扑 下行 从BS到SS的传输上行 从SS到BS的传输 3 2802 16 2004 网状 Mesh 可选支持选项目的 扩大覆盖 增加系统容量数据传输路径不仅仅在BS和SS之间 SS之间也可以进行数据传输采用分布式调度算法来对数据传输进行控制所有节点向其邻居广播调度信息 包括可用资源 资源申请和许可情况 网络拓扑 自组织网络 但复杂度高 3 2802 16 2004 如不特别强调 网络应用模型一般基于PMP 网络应用模型 3 2802 16 2004 频谱范围及采用的技术10 66GHz授权频谱 视距传播 LOS LineofSight 单载波 SC SingleCarrier 调制方式11GHz以下授权频谱 非视距传播 NLOS 考虑多径干扰 采用正交频分复用 OFDM 正交频分多址 OFDMA 功率控制 自动重复请求 ARQ 空时编码等11GHz以下非授权频谱 考虑来自其它系统的干扰 采用动态频率选择最大覆盖范围 50Km最大传输速率 75Mbps OFDM 20MHz带宽 物理层 实际传输速率受环境 频谱带宽以及频谱效率的影响 物理层可选用单载波 OFDM OFDMA等调制技术OFDM 将较宽频谱分成一系列并行的正交子载波OFDMA 将OFDM的子载波划分为不同的子信道 将子信道分配给用户 可以看作是特殊的OFDM系统 3 2802 16 2004 自适应调制和编码在信号条件好的情况下使用高效编码策略 信号条件不好的时候使用稳健的编码策略 物理层 3 2802 16 2004 MAC层提供面向连接的 有服务质量保证的接入和连接管理每个连接有一个16比特的连接标识符 CID 业务流 对应着一个MAC层传输服务 提供单向 上行或者下行 分组传输 定义了在连接上进行交换 传输的分组的QoS参数 包括延迟 延迟抖动 吞吐量等MAC层由3个子层组成业务汇聚子层 CS 为上层业务和MAC连接建立起映射 使得MACCPS独立于上层协议MAC公共部分子层 MACCPS 系统接入 带宽分配 连接建立和维护 接收来自CS的数据并且映射到特定的MAC连接 同时通过物理层保证数据传输和调度的QoS安全子层 可选 对BS和SS之间的连接进行认证和加密 以及密钥的分发和管理 MAC层 CSSAP MACSAP 3 2802 16 2004 功能接收来自高层的PDU并对高层PDU进行分类和处理接收对等实体的CSPDU 将CSPDU分发给正确的SAP进行净荷帧头压缩 PHS 以提高链路效率802 16协议中定义了两种CS子层ATMCS子层 用于支持基于ATM连接的数据单元 固定长度信元 分组CS子层 用于映射IP 802 3以太网等分组业务的数据单元 业务汇聚子层 CS PDU ProtocolDataUnit 协议数据单元SAP ServiceAccessPoint 服务访问点 3 2802 16 2004 分组CS子层PDU格式上层PDU作为净荷封装在MAC服务数据单元 SDU 中如果采用净荷帧头压缩 PHS 则帧头仅为8bit的净荷帧头压缩索引 PHSI PHSI在连接建立信令中根据帧头压缩规则生成 业务汇聚子层 CS 3 2802 16 2004 分组CS子层分类器实现MACSDU到MAC连接的映射 也就是将MACSDU与一个连接建立起关联 同时也将该SDU与该连接的业务流的QoS特性关联起来分类器实际上是一组匹配规则 包括与协议相关的分组匹配准则 例如 目地IP地址 分类器优先级和CID等 业务汇聚子层 CS 3 2802 16 2004 功能MACPDU的构建和传输网络接入和初始化带宽请求和授予竞争解决算法业务流的管理各种链路自适应技术的实现 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 MAC中的标识MAC地址 48bits 主要用标识设备连接标识符CID MAC管理是针对连接进行的管理连接基本连接 用于传送较短的 实时性要求高的MAC和无线链路控制消息主管理连接 用于传送较长的 实时性要求不高的管理消息 例如认证和连接建立消息次管理连接 用于传送基于标准的管理消息 例如基于DHCP SNMP等协议的管理消息其它连接初始调整 InitialRanging 连接 用于SS还未完成系统注册时的连接 此时SS还未分配任何CID广播连接 为下行方向 发送基于竞争的轮询机会分配信息 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 MAC公共部分子层 CPS 连接 业务 业务流 1 SS注册或者改变业务协定时 上层触发BS建立业务流 SS经过用户认证和业务授权后 业务流将被激活并与一个连接CID关联 2 在802 16中 带宽分配也以连接为基本单位 表现为BS针对不同的CID进行带宽分配 3 对应不同的带宽需求的业务 一个SS可以申请多个CID 4 同时多个业务也可以对应着一个连接CID 例如多个人的业务需求相同 而且这些业务有相同的目的地 那么这些业务在MAC层就对应着一个连接CID 3 2802 16 2004 MACPDU的格式通用帧头 净荷部分可携带MAC管理消息 CS子层传递过来的数据净荷中可能包含子帧头 MAC子帧头有5种类型分段子帧头 当净荷为SDU分段时 用分段子帧头描述净荷分段信息授予管理子帧头 SS向BS发送带宽管理需求打包子帧头 MAC将多个SDU打包成一个PDU时 每一个SDU前用打包子帧头指示该SDU的特性Mesh子帧头 Mesh模式下指示不同节点的ID快速反馈子帧头 只是反馈类型和位置 用于物理层净荷还可能包含MAC层的管理消息 常用的MAC层管理消息UCD 上行信道描述DCD 下行信道描述DL MAP 下行接入定义UL MAP 上行接入定义带宽请求帧头 没有净荷部分 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 MACPDU的格式通用帧头格式 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 MACPDU的格式带宽请求帧头格式 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 MACPDU的构建与传输分段和打包分段 Fragmentation 将一个MACSDU分成一个或者多个MACPDU 分段的目的是使得系统能够根据连接业务流的QoS要求来有效的利用带宽资源打包 Packing 将多个固定或者非固定长度的MACSDU封装成一个MACPDUMACPDU传输多个MACPDU可能经过相同的调制和编码方式连接成一个突发脉冲MACPDU传输过程 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 网络接入和初始化过程下行信道同步调整 Ranging 能力协商认证和注册IP连接建立传输连接建立 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 网络接入过程下行信道同步BS周期性地产生上行信道描述 UCD 消息和下行信道描述 DCD 消息 并且周期性的产生UL MAP和DL MAP消息 这些消息通过广播发送给所有的SS当SS需要进入网络时 它将在定义的频率列表中扫描下行信道 如果SS找到一个下行信道 并且能够获得物理层同步 那么SS的MAC层将搜寻DCD和UCD消息 以获取调制参数以及其它上下行参数 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 网络接入过程下行信道同步调整 Ranging SS和BS通过该过程来维护它们之间射频通信链路的质量初始调整 InitialRanging SS第一次访问网络时执行允许SS获取加入网络所需的正确发射参数 包括时间偏移和发射功率等周期性调整允许SS调整发射参数和维护到BS的上行链路 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 网络接入过程下行信道同步调整 Ranging 竞争调整 ContentionRanging SS第一次访问网络时执行没有给SS分配专用的资源BS分配一个由一个或者多个传输机会组成的初始调整间隔 多个SS请求非竞争调整 Non ContentionRanging BS给SS分配专门用于调整的信道 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 网络接入过程下行信道同步调整 Ranging 能力协商SS告知BS其支持的调制级别 编码方案和编码速率 以及双工方式BS根据自己的能力接受或者拒绝该SS MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 网络接入过程下行信道同步调整 Ranging 能力协商认证和注册认证过程 BS对SS的身份进行确认 每个SS都有一个制造商发布的X 509数字证书和制造商的数字证书 这些证书将SS的MAC地址与其公共RSA密钥关联起来 因此网络可以通过检查这些证书来确认SS的身份注册过程中 SS和BS之间交互的内容包括所支持的IP协议版本 IPv4或者IPv6 支持SS管理或者非SS管理 支持的ARQ参数 支持的分类选项等 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 网络接入过程下行信道同步调整 Ranging 能力协商认证和注册IP连接建立SS激活DHCP机制来获取IP地址以及建立IP连接所需要的其它参数BS和SS使用时间协议保持相同的时间和日期 精确到秒SS使用TFTP协议下载操作参数 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 网络接入过程下行信道同步调整 Ranging 能力协商认证和注册IP连接建立传输连接建立SS正式成为被管理的SS BS或者SS可以发起建立业务传输连接 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 业务调度MAC层通过业务调度来实现对数据的传输管理802 16d的MAC层定义了4种业务调度类型非请求授予业务 UGS 用于有恒定带宽需求的实时业务 数据流中的分组具有固定的大小和发送周期 例如T1 E1业务 对于此类业务 MAC主动地周期性地分配固定带宽实时轮询业务 rtPS 用于实时业务 与UGS业务相比 这类业务的数据流周期性的发送 但是每次发送的分组的大小不同 是速率可变的业务 具有更高的传输效率 可用于MPEG视频等 对于这类业务 BS为SS提供周期性轮询机会非实时轮询业务 nrtPS 对延迟不敏感且不需要恒定速率的业务 例如FTP业务 有一定的速率需求 但是可以容忍一定的延迟 每次发送的分组的大小也不一样 对于此类业务 BS进行非周期性的主动轮询 按照需要分配带宽 SS也可以通过竞争方式提出带宽请求尽力传送业务 BE 用于对QoS没有特殊需求 优先级最低的业务进行调度 例如E mail等 BS在保证其它类型业务的前提下 为此类业务发送数据或者分配上行带宽 SS也可以通过竞争方式提出带宽请求 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 带宽请求与分配对于连续型的业务 例如UGS SS不需要发送带宽请求 BS会主动授予带宽对于突发型的业务 例如rtPS nrtPS等 SS需要发出带宽请求 以获得传送机会非竞争方式 即轮询 Polling 方式 在非竞争方式下 BS会对每个SS进行轮询 为每个SS提供独有的发送机会 而SS也可以在所提供的发送机会下发送带宽请求消息竞争方式 在竞争方式下 多个SS会在共享的竞争时隙发送带宽请求 而MAC层会使用退避算法来解决竞争所产生的碰撞问题 MAC公共部分子层 CPS 3 2802 16 2004 带宽请求与分配竞争解决BS通过UL MAP消息向所有的SS广播上行信道的分配信息 其中包括了进行初始调整和请求带宽所有的时隙 在这两个时隙中可能发生竞争冲突退避算法BS指定初始退避窗口CWINmin和最大退避窗口CWINmax 通过UCD消息中广播给小区内的所有SSSS执行以下步骤 1 当SS需要在竞争时隙中发送请求时 SS开始设置自己的退避窗口CWIN为BS给定的初始退避窗口CWINmin 2 SS在0 CWIN之间随机选择一个数r 然后延迟r个竞争时隙发送带宽请求 3 如果在一定时间内SS没有收到BS许可应答消息 那么SS认为此次消息与其它SS的消息发生冲突 SS将CWIN加倍 但不超过最大退避窗口CWINmax 然后再次执行步骤 2 如果SS在一定时间内收到了BS给自己分配发送