第二章_无线网络信道访问控制技术(MAC)

1、扩展频谱(Spread Spectrum)技术扩展频谱是对基于频道划分的颠覆。在同一个频道内将几十个或者几百个电路和发射机互相堆积扩频将干扰设计到系统中扩频能使用非常宽的频道扩频系统自动平衡、自我调节发展扩展频谱的实际目的是为了达到阻止通信：阻止敌人接收和译码；检测和干扰军队无线通信扩展频谱在军事上的运用扩展频谱的保密在于其对于军队的重要性能够承受战时战场上严重的干扰；避免敏感通信中途被截获 提供非常好的保密性；不仅具有技术保密性，还具有操作保密性 即使敌人拥有技术/设备，并且准确了解所用频带仍然不能对传输信号干扰或者译码；可避免敌人通过无线传输了解部队位置；由于保密，扩展频谱技术在其发明者去

2、世7年之后、在发明者构想出现30年之后的1978年才发表。扩频系统的一般描述两种扩频方法作为反干扰策略提出的跳频扩展频谱FHSS；为实现保密话音通信提出的直接序列（噪声调制扩频）DSSS；信道编码器信 道信道解码器伪噪声发生器伪噪声发生器输入数据输出数据调制器扩展码解调器扩展码窄带模拟信号窄带模拟信号扩展后的信号跳频干扰游戏（1/3）目的：发射者确保他的发射频率与干扰者不同假设：发射者可在任何时候改变频率选择发射频率选择干扰频率干扰者获胜的序列发射者获胜通信者只有一个信息片干扰者用一系列干扰片发射者和接收者必须具有相同顺序的频率变化；通信双方的唯一优势是可以使用预知的频率变化次序；跳频干扰游戏

3、（2/3）如果一：干扰者能够迅速扫描所有的频道，并在很短时间内找到发射频率。跳频发射者仍然只有一个信息片，但可以移动它。选择干扰频率通信双方设备必须按照顺序完成频率跳变;随着干扰者越来越快地找到发射频率，跳变必须越来越快；跳频干扰游戏（3/3）如果二：两者都能按照物理规律允许的最高速度移动和反应。跳频发射者信息片拆分为短脉冲在一个随机顺序的频率上发射选择干扰频率跳频序列随机化。如果序列是完全随机的，干扰者将完全不能预测将来的跳变位置。跳频序列扩频（FHSS）FSSS特点信号在一串随机序列的频率上广播接收者以与发送者同步的方式跳转频率窃听者听到的难以理解好处干扰仅影响某个频率上的有限几比特；跳频

4、能克服噪声干扰和多径效果；没有传统意义上的阻塞；Frequency Hopping Spread Spectrum相当宽的频带被划分成大量的窄频道FHSS实例FHSS与传统的FSK调制方法类似；FSK通常只使用两个频率，FHSS将使用数千个频率。DSSS噪声调制ITT组发明将类噪声型信号加入到拟传输的信号之中+话音信号已知特征的噪声型看起来更像噪声的调制信号淹没的原始话音信号已知噪声噪声调制信号发送端接收端输入信息信号可以比淹没它的噪声低几千倍仍然能成功地传输。直接序列扩展频谱（DSSS）基本原理将两个数字信号加到一起得到第三个实际传输比特流；第一个信号是信息信号；第二个信号是由随机序列产生器

5、产生的随机比特流；第三个比特流的速率与第二个信号相同；10Kbps信息源100Mbps随机伪噪声100Mbps混合信号Direct Sequence Spread SpectrumTTCTTTTTTTTABC隐藏终端隐藏终端：在接收者的通信范围内而在发送者的通信范围外的终端带来的问题：带来的问题： A向B发送报文，C听不到A的发送。C也发送报文时在B发生碰撞隐藏终端隐藏终端http:/Copyright 2009 YAN Wei. All rights reserved.3763竞争窗口(Contention window)1023CW max511255127Initial attemptF

6、irst retransmissionCW minFifth retransmissionFourth retransmissionThird retransmissionSecond retransmission31发送端其他节点DIFSDATASIFSACKDATA接收端DIFS留给短控制报文时间确保不会产生冲突竞争窗口(DIFS+各自的后退时间)等待时间单播数据传送CSMA/CA + ACK接收端在CRC正确时立即返回ACK发送端没有收到ACK则在随机后退时间后重传数据帧http:/Copyright 2009 YAN Wei. All rights reserved.42发送端其他节点

7、DATASIFSACKDATADIFS接收端RTSCTSSIFSDIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)延迟访问竞争窗口RTS报文数据分组没有优先权！NAV: Network Allocation VectorRTS-CTS-DATA-ACK 序列报文交换APPIFSstations站点的NAVCFeNAVD1SIFSU1SIFSD2SIFSU2SIFSD3PIFSD4SIFSt2 t3t4Contention-free periodSuperFrame47SIFSU4NextSuperFrameB轮询站2站2回答PCF、DCF与超帧结束标记轮询站1站1回答n节能模式 AP可以指示一个

8、移动站进入睡眠状态，直到由AP或则用户显式唤醒为止 在移动站睡眠期间，AP必须负责把所有发送给该站点的帧全部缓存起来意义同前http:/Copyright 2009 YAN Wei. All rights reserved.68IEEE 802.11协议系列802.11a 50m, 54 Mbps802.11b 100m, 11Mbps802.11g 100m, 54Mbps802.11n 150m，600M802.11c 用于改进设备之间的互操作802.11d 扩充802.11无线局域网在其他国家应用802.11e 改进和管理WLAN的服务质量802.11f 实现不同厂商无线局域网之间的互操

9、作802.11h 增强5GHz的802.11MAC规范以及802.11b高速物理层规范。802.11i 增强WLAN的安全和鉴别机制802.11s 无线MESH机制802.1x Authentication、Authorization、Auditing延伸有线网络取代有线网络基本安全机制加密802.11帧有效负载802.11帧IV,DA,数据加密密钥密钥混合MichelPRNG函数IV,基于数据包的加密密钥DA+SA+优先级+数据,数据完整性密钥密钥流(异或)数据+MIC+ICV802.11报头IV其他Ext IV 数据MICICV802.11报尾802.11报头IV其他Ext IV 数据MI

10、C ICV802.11报尾IV,DA数据加密密钥密钥混合IV,基于数据包的加密密钥PRNG密钥流(异或)加密数据+MIC+ICV数据MICICVMichaelDA+SA+优先级+数据,数据完整性密钥n空中接口是指基站（BS）和用户站（SS）之间的接口n空中接口协议由数据控制平面和管理平面组成，802.16标准仅规范数据控制平面。n数据控制平面由物理层（PHY）和媒质接入控制层（MAC）组成。nMAC层主要负责将数据组装成帧传输，并控制用户如何接入无线信道。在IEEE 802.16 中，MAC帧是通过多个TDMA帧中的一系列时隙组成的逻辑信道来进行传输的。http:/Copyright 2009

11、 YAN Wei. All rights reserved.17Timechannel 4channel 3channel 2channel 1channel 4channel 3channel2channel 1Frequency基带传输技术时分多路复用(Time Division Multiplexing)以时间作为分割信号的依据。它利用每个信号在时间上交叉，可在一个传输通路上传输多个数字信号(或运载数字数据的模拟信号)。Frequencyhttp:/Copyright 2009 YAN Wei. All rights reserved.29C B A C B A C B A C B AB

12、CTime注：From KDD研究所f0多路复用技术的总结TDMATDMASenderApowerpowerpowercyenreqreqncreqnchttp:/Copyright 2009 YAN Wei. All rights reserved.31三种多路复用技术的总结FDMATDMAtimetimeefCDMAyuefueytimfu注：From KDD研究所服务特定汇聚子层服务特定汇聚子层公共部分子层公共部分子层安全子层安全子层物理层物理层管理实体管理实体服务特定汇聚子层服务特定汇聚子层管理实体管理实体公共部分子层公共部分子层管理实体管理实体物理层物理层网网络络管管理理实实体体控制

13、平面控制平面管理平面管理平面n2、MAC公共子层（MAC Common Part Sublayer），简称CPS子层 CPS子层提供了MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和维护等。 CPS子层通过MAC SAP从不同的CS子层接收数据，形成MAC SDU。MAC SDU可以被拆分，也可以与其他一个或数个MAC SDU合并为一个新的MAC PDU，并按MAC连接分类，以保证QoS。PMP应用模式是一种常用的接入网应用形式，其应用模式是一种常用的接入网应用形式，其特点在于网络结构简洁，特点在于网络结构简洁，应用模式与应用模式与xDSL等线缆接入形式相似，因此，是等线缆接入形式相似，

14、因此，是一种线缆替代的理想选用方案。一种线缆替代的理想选用方案。 WiMAX MACWiMAX MAC技术技术调度类型与调度类型与QOSQOS参数参数WiMAX MACWiMAX MAC技术技术连接管理连接管理MAC层是面向连接的技术：MAC设计的中心思想就是以连接为基础的业务流架构。连接用CID标识，业务流与连接相关联，并用SFID标识。业务流管理：业务流与QOS相关联，上下行业务调度以QOS为基础，MS以连接为基础来请求带宽。BSClassifierSchedulerMSClassifierFTP ServiceVoIP ServiceMAC Connections with QoS Pa

15、rametersPDU(SFID,CID)PDU(SFID,CID)BEUGSrtPS上下行管理信息传送CID：广播、Basic、Primary和第二类管理连接，传送管理消息，对应不同的QoS。调度类型：空口根据标准定义的5类QoS业务等级（UGS，rtps，nrtps， ertps，BE）进行流分类、调度，满足不同类型业务的速率、时延、抖动要求。Mesh应用模式采用多个应用模式采用多个基站（基站（BS）以网状网方）以网状网方式扩大无线覆盖区。式扩大无线覆盖区。其中，有一个基站作为业其中，有一个基站作为业务接入点（务接入点（SAP）与核心）与核心网相连，其余基站（网相连，其余基站（BS）以无线

16、链路与该以无线链路与该SAP相连。相连。因此，作为因此，作为SAP的基站既的基站既是业务的接入点又是接入是业务的接入点又是接入的汇聚点，而其余基站并的汇聚点，而其余基站并非简单的中继站（非简单的中继站（RS）功能，而是业务的接入点。功能，而是业务的接入点。Mesh应用模式的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现应用模式的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸。网络的弹性延伸。对于市郊等远离骨干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范对于市郊等远离骨干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围，其规摸取决于基站半径、覆盖区大小等因素。围，其规

17、摸取决于基站半径、覆盖区大小等因素。 二、802.16 其他应用模式Mesh模式热点回传（热点回传（backhaul）模式采用）模式采用WiMAX无线接入网络把远端无线接入网络把远端WiFi热点热点Hotspot业务回送到核心网，业务回送到核心网，WiMAX基站（基站（BS）的作用仍为业）的作用仍为业务接入点（务接入点（SAP），而），而WiMAX用用户站（户站（SS）是热点侧的无线接入）是热点侧的无线接入设备，提供标准接口与热点相连，设备，提供标准接口与热点相连，作为作为WLAN接入点（接入点（AP，AccessPoint）的热点设备再通过）的热点设备再通过IEEE802.11a/b/g无线

18、链路与无线无线链路与无线终端连接。终端连接。WiMAX接入网络可根据实际情况接入网络可根据实际情况灵活采用灵活采用PMP或或Mesh结构形式。结构形式。对于移动运营商也可以采用该应用对于移动运营商也可以采用该应用模式，把各小区移动基站业务回传模式，把各小区移动基站业务回传到移动交换中心。到移动交换中心。 WiMAX热点回传模式的主要特点在于作为业务回传应用，采用无线传输方式热点回传模式的主要特点在于作为业务回传应用，采用无线传输方式与传统有线回传模式相比，其特点显而易见，可作为传统回传模式的补充或替代方与传统有线回传模式相比，其特点显而易见，可作为传统回传模式的补充或替代方案。案。驻地网接入模

19、式主要针对集团用驻地网接入模式主要针对集团用户，其目标是把诸如企业、校园户，其目标是把诸如企业、校园和和SOHO（Smalloffice Home Office）等用户驻地网通过）等用户驻地网通过WiMAX接入城域网。接入城域网。与其他应用模式相同，基站与其他应用模式相同，基站（BS）还是作为）还是作为SAP与核心网相与核心网相连提供无线接入服务。在用户侧，连提供无线接入服务。在用户侧，用户无线接入设备用户无线接入设备SS，其一侧通，其一侧通过无线接口上联基站（过无线接口上联基站（BS），），另一侧通过标准接口（例如以太另一侧通过标准接口（例如以太网接口、网接口、E1等）与用户驻地网等）与用户

20、驻地网CPN设备相连。一般用户站（设备相连。一般用户站（SS）采用定向天线，以及各种自适应采用定向天线，以及各种自适应技术，灵活调整工作方式，保证技术，灵活调整工作方式，保证用户的正常接入。用户的正常接入。用户侧驻地网用户侧驻地网CPN设备可以是用户路由器、交换机、集线器等网络设备，甚至可以是另一种设备可以是用户路由器、交换机、集线器等网络设备，甚至可以是另一种无线接入点（例如无线接入点（例如WiFi热点），用于组成用户专用局域网，其典型实例是目前广泛存在的校热点），用于组成用户专用局域网，其典型实例是目前广泛存在的校园网、企业网、政府网或园网、企业网、政府网或SOHO等形式。等形式。 驻地网

21、接入模式特别适合于线缆接入不方便，对接入带宽要求不高的驻地间接入应用。与线驻地网接入模式特别适合于线缆接入不方便，对接入带宽要求不高的驻地间接入应用。与线缆接入方式相比，部署快捷是该模式的竞争优势。缆接入方式相比，部署快捷是该模式的竞争优势。 采用采用WiMAX无线桥接方式，可以避免困难的专线铺设或缴纳昂贵的线缆租金，无线桥接方式，可以避免困难的专线铺设或缴纳昂贵的线缆租金，并能迅速开通使用，连接距离远，连接带宽完全能满足一般应用需要。在用并能迅速开通使用，连接距离远，连接带宽完全能满足一般应用需要。在用户专网建设方面，比有线桥接方式更具竞争力。户专网建设方面，比有线桥接方式更具竞争力。无线桥

22、接模式是一种无线桥接模式是一种点到点无线链接方式，点到点无线链接方式，与远程网桥的作用相与远程网桥的作用相似似.其目的是把地理位置其目的是把地理位置分离的两个子网络通分离的两个子网络通过过WiMAX无线链路无线链路连接在一起。由于无连接在一起。由于无线桥接采用点对点方线桥接采用点对点方式，两端式，两端WiMAX无无线网桥设备天线的方线网桥设备天线的方向可以彼此对准固定，向可以彼此对准固定，因此传输性能相对稳因此传输性能相对稳定，部署也相对简单。定，部署也相对简单。在终端接入模式下，用户终端设在终端接入模式下，用户终端设备（备（TE，Terminal Equipment）直接通过作为直接通过作为

23、SAP的的WiMAX基基站（站（BS）接入核心网。而用户）接入核心网。而用户终端设备（终端设备（TE）若要直接接入）若要直接接入WiMAX网络，则必须配置符合网络，则必须配置符合WiMAX标准的用户单元（标准的用户单元（SU，Subscriber Unit），用户单元），用户单元（SU）一般是）一般是WiMAX无线网卡无线网卡或无线模块形式。或无线模块形式。 由于由于WiMAX接入速率很高，而接入速率很高，而且支持城域内终端设备的移动性且支持城域内终端设备的移动性（对于即将颁布的（对于即将颁布的IEEE 802.16e），因此特别适合于接），因此特别适合于接入速率要求高并且有移动性要求入速率要

24、求高并且有移动性要求的终端应用。的终端应用。 该模式的特点在于允许用户终端直接高速接入网络，并支持便携式终端在城域该模式的特点在于允许用户终端直接高速接入网络，并支持便携式终端在城域范围内的移动和漫游。从技术和业务的角度看，只要再增加支持范围内的移动和漫游。从技术和业务的角度看，只要再增加支持VoIP语音业务语音业务功能，就可成为名副其实的下一代移动通信网络。功能，就可成为名副其实的下一代移动通信网络。 802.16d提供固定和游牧的业务，提供固定和游牧的业务， 802.16e除了提供前两种业务外，还除了提供前两种业务外，还 提供便携、简单移提供便携、简单移 动和全移动动和全移动业务。业务。固

25、定固定游牧游牧便携便携简单移动简单移动自由移动自由移动（Fixed）（Fixed） （Nomadic）（Nomadic） （Portable）（Portable） （Simple Mobility）（Simple Mobility） （Full Mobility）（Full Mobility）SS 的移动性（SS的移动性（SSMobility）Mobility）NoneNoneduring asession5 km/h60 km/h with an optionto support 120 km/hwith graceful degradationof data rate120 km/h切换中

26、网络延迟切换中网络延迟（Network Latency onHandoff)N/AN/ABest effort 1 sec between IP subnets50 ms会话允许中断时长会话允许中断时长（Session Disruption ）N/AN/ABest effort150 ms L2.None会话连续性（会话连续性（SessionContinuity）NoNoBest effortYesYesIDLE 模式支持IDLE 模式支持OptionalOptionalOptionalYesYesRFIDWPANWLANsLow performance,low costHigh perfor

27、mance,higher costMedium Access Control Sub LayerPhysical LayerPhysicalData LinkNetworkTransportSessionPresentationApplicationISO/OSI Reference Model AreaofFocus应用组中间件协议组传输协议组2.5.1 Ad Hoc 网络概况nIEEE 802.11首次提出“ad hoc” 自组织、对等式、多跳无线移动通信网络nInternet工作组 IETF 1997年成立MANET工作组 利用多跳无线网构造基于IP的移动互联网 IRTF在2003年成立

28、了ANS研究组n其他学术/商业团体 大学、军队和工业界的研究项目 商业系统：FireTide、MeshNetworks、SkyPilot Network、Tropos Networksn主机：面向移动用户，完成数据处理等功能n路由器：负责路由选择、转发用户数据报功能n无线收发装置：完成数据传输功能ABC隐藏终端隐藏终端：在接收者的通信范围内而在发送者的通信范围外的终端带来的问题：带来的问题： A向B发送报文，C听不到A的发送。C也发送报文时在B发生碰撞隐藏终端隐藏终端ABCDA向B发送数据时，C听不到，如果C向B发送会造成冲突。所以当A向B发送数据时，C应该被延迟发送，这被成为隐藏发送终端问题隐藏发送终端问题。解决方法：B要通知C此时不能发送。在每次通信之前，双方必须使用控制报文进行握手（RTS-CTS），听到回应握手信号（由接收者B发送的）的站点（C）知道自己是隐藏终端，必须延迟发送。RTSCTSCTS当C延迟发送时，如果D向C发送控制报文请求发送时，因为C要延迟发送，所以D收不到来自C的应答，也不知道为什么（关机、碰撞还是隐终端），就超时重发，浪费了带宽。这被称为隐藏接收终端问题。ABCDRTS解决方法：C接收数据并不影响A到B