无线：wireless

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）和公共互联网：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。