网络工程师 第5章 无线通信网
5.1 移动通信
5.1.1 蜂窝通信系统
- 蜂窝网络把一个地理区域划分成若干个称为蜂窝的小区(Cell)
5.1.2 第二代移动通信系统
- 全球移动通信系统GSM
- 码分多址技术
- 第二代移动通信升级版2.5G
5.1.3 第三代移动通信系统
- 第三代数字蜂窝通信系统提供第二代蜂窝通信系统提供的所有业务类型，并支持移动多媒体业务
| 运营商 | 2G | 3G | 4G | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 中国移动 | GSM | TD-SCDMA | TD-LTE |
CDMA码分多址 TD时分复用 FDD频分复用 |
| 中国联通 | GSM | WCDMA |
TD-LTE FDD-LTE |
|
| 中国电信 | CDMA | CDMA2000 |
TD-LTE FDD-LTE |
5.2 无线局域网
5.2.1 WLAN的基本概念
| 标准 | 标准发布时间 | 工作频段 | 非重叠信道 | 调制技术 | 物理发送频率 | 实际吞吐 | 兼容性 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 802.11 | 1997 | 2.4GHz | 3 | FHSS/DSSS | 1,2 | 200K | N/A |
| 802.11b | 1999 | 2.4GHz | 3 | CCK/DSSS | 1,2,5.5,11 | 5M | 与11g产品互通 |
| 802.11a | 1999 | 5.8GHz | 5 | OFDM | 6,9,12,18,24,36,48,54 | 22M | 与11b/g不能互通 |
| 802.11g | 2003 | 2.4GHz | 3 | CCK/OFDM | 6,9,12,18,24,36,48,54 | 22M | 与11g产品可互通 |
| 802.11n | 2009 |
2.4GHz 5.8GHz |
3+5 | OFDM | 最大可至600 | 100+M | 向下兼容11a/b/g |
| 802.11ac | 2012 | 5.8G | 5 | OFDM+MIMO | 最大6900（目前1300） | 900M | 向下兼容11a/n |
| 802.11ax | 2018 | 5.8G | 5 | OFDM+MIMO | 9600 | 1G以上 | 向下兼容11a/n |
- IEEE 802.11 定义了两种无线网络拓扑结构
- 基础设施网络(Infrastructure Networking)
- 特殊网络(Ad Hoc Networking)
5.2.2 WLAN通信技术
- 红外(Infrared Ray, IR)通信
- 扩展频谱通信，其主要想法是将信号散布到更宽的带宽上以减少发生阻塞和干扰的机会
- 频率跳动扩展频谱(Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS)
- 直接序列扩展频谱（Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
- 窄带微波通信，窄带微波(Narrowband Microwave) 是指使用微波无线电频带(RF) 进行数据传输
- ISM频段，无限制频段
- 科学，2.4-2.4835GHZ
- 工业，902-928GHz
- 医疗，5.725-5.875GHz
5.2.3 IEEE802.11体系结构
| 数据链路层 | LLC | 管理站，用于协调物理层和MAC 层之间的交互作用 | |
| MAC，负责访问控制和分组拆装 | MAC管理，负责ESS 漫游、电源管理和登记过程中的关联管理 | ||
| 物理层（PHY，physical layer） | PLCP( Physical Layer Convergence Protocol, 物理层会聚协议 )，主要进行载波监听和物理层分组的建立 | PHY管理，负责选择物理信道和调谐。 | |
| PMD( Physical Medium Dependent, 物理介质相关)，用于传输信号的调制和编码 |
- 物理层
- IEEE 802.11 定义了3 种PLCP 帧格式来对应3 种不同的PMD子层通信技术
- FHSS
- DSSS
- DFIR
- IEEE 802.11 定义了3 种PLCP 帧格式来对应3 种不同的PMD子层通信技术
- MAC 子层
- CSMA/CA 支持竞争访问， RTS / CTS 和点协调功能支待无竞争的访问。
- CSMA/CA 作载波监听多路访问／冲突避免协议：
- 帧间隔(Inter Frame Spacing, IFS ) 时间
- 分布式协调功能(Distributed Coordination Function, DCF)：
- 3 种帧间隔（IFS)
- DIFS (分布式协调IFS): 最长的IFS, 优先级最低，用千异步帧竞争访问的时延
- PIFS (点协调IFS) : 中等长度的IFS, 优先级居中，在PCF 操作中使用
- SIFS (短IFS): 最短的IFS, 优先级最高，用于需要立即响应的操作
- 3 种帧间隔（IFS)
- 点协调功能(Point Coordination Function, PCF)，由AP集中轮询所有终端，将发送权限轮流交给各终端
- MAC 管理
- 登记过程
- 移动方式
- 安全管理
- 电源管理
5.2.4 移动AdHoc网络
- 在这种网络中，每一个节点既是主机，又是路由器，它们之间相互转发分组，形成一种自组织的MANET (Mobile Ad Hoc Network) 网络
- MANET 有以下特点：
- 网络拓扑结构是动态变化的，由千无线终端的频繁移动，可能导致节点之间的相互位置和连接关系难以维持稳定
- 无线信道提供的带宽较小，而信号衰落和噪声干扰的影响却很大。由千各个终端信号覆盖范围的差别，或者地形地物的影响，还可能存在单向信道
- 无线终端携带的电源能量有限，应采用最节能的工作方式，因而要尽量减小网络通信开销，并根据通信距离的变化随时调整发射功率
- 由于无线链路的开放性，容易招致网络窃听、欺骗、拒绝服务等恶意攻击的威胁，所以需要特别的安全防护措施
- MANET 中的路由协议
- 扁平的路由协议
- 先验式／表驱动路由
- 反应式／按需分配路由
- AODV 协议，按需分配的距离矢量协议( Ad hoc On-Demand Distance Vector, AODV )
- DSDV 协议，目标排序的距离矢量协议(Destination-Sequenced Distance Vector, DSDV)
- 分层的路由协议
- 地理信息路由协议
- 扁平的路由协议
5.2.5 IEEE802.11的新进展
1. WLAN的安全
- SSID 访问控制，隐藏SSID
- 物理地址过滤，在无线路由器设置MAC地址黑白名单
- 有线等效保密（Wired Equivalent Privacy, WEP)，PSK预共享秘钥认证，RC4加密
- WPA，(Wi-Fi Protected Access)安全认证方案
- 认证：使用了802.1x 协议对用户的MAC 地址进行认证
- 加密：以128位的密钥和48 位的初始向量( IV) 用于RC4 加密
- 采用了可以动态改变密钥的临时密钥完整性协议TKIP ( Temporary Key Integrity Protocol), 通过更频繁地变换密钥来减少安全风险
- 使用报文完整性编码来检测伪造的数据包，并且在报文认证码中包含有帧计数器，还可以防止重放攻击
- IEEE 802.11i（WAP2）
- 重新制定了新的加密协议，称为CBC-MAC 协议的计时器模式(Counter Mode with CBC-MAC Protocol, CCMP)，这是基千高级加密标准AES (Advanced Encryption Standard) 的加密方法。
5.3 无线个人网
5.3.1 蓝牙技术
5.3.2 ZigBee技术
5.4 无线城域网
5.4.1 关键技术
5.4.2 MAC子层
5.4.3 向4G迈进
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