无线网络技术 | My Sharings

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绪论

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第1章绪论.pdf

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📝 Class Notes

计算机网络的发展历程

主要分为四个阶段：

诞生阶段；

将多个终端设备通过通信设备连接到一台中心计算机上，形成以单个计算机为中心的远程联机系统，这个阶段主要以信息传输为目的。

形成阶段；

第二个阶段标志着现代意义的计算机网络形成，主机之间通过 IMP 转接后互连。典型代表为 ARPANET。

形成阶段的计算机网络有资源子网和通信子网两种概念，资源子网主要是终端设备与主机之间构成的网络，能够让用户访问分布在各处的数据并进行数据处理；通信子网主要是主机之间的数据传输，主机之间通过 IMP 转接后互连。

互联互通阶段；

具有统一的网络体系结构并遵循国际标准，典型代表为七层 ISO-OSI/RM 模型和 TCP/IP 模型。

高速网络技术阶段

以 INTERNET 为代表的互联网形成。

无线网络技术兴起

无线网络技术最先在 1971 年由夏威夷大学开发，他们基于封包式技术（分组交换）构建了首个无线通讯网络 ALOHANET，采用双向星型拓扑。

【分组交换：核心思想是将待发送的数据划分为若干个相对独立的小块——“分组”（Packet），然后通过网络中的各个节点按需转发，最终在目的地重新组装成原始数据。】

无线网络技术的分类（覆盖范围分）：

无线个域网；

无线个域网主要是通过短距离通信来实现计算机各个部件的连接，主要代表技术是蓝牙和 ZIGBEE。

无线局域网；

无线局域网分为有固定基础设施的和无固定基础设施的两种。

有固定基础设施的网络以 WLAN 为代表，是通过 AP(Acess Point，接入点) 负责各站的通信，AP 是有线网络与无线设备之间的桥梁，能够不断向无线设备发送信号告诉无线设备某个有线网络的存在，并对无线设备进行管理，而无线设备能够通过 AP 与有线网络连接，访问多种多样的数据。

无固定基础设施的网络以 Ad Hoc 网络（自组织网络）为代表，在这种类型的网络中没有 AP 存在，主要应用于地震、洪水等基础设施受损的场景下。Ad Hoc 网络可以以对讲机来进行理解，对讲机只要开机就能够自动与其他对讲机连接，对讲机间可以形成一个自组织网络，每个对讲机之间既能够发送和接受消息，也能够转发其他设备的消息（如果两台对讲机距离太远）。设备在移动或关机后，对讲机之间形成的网络会自动重组。因此 Ad Hoc 网络是去中心化的。

无线广域网/无线城域网。

以传统的蜂窝网络为代表。

无线广域网和城域网可以看作是局域网的扩展，如果无线局域网是小区内的通信，那么城域网就是小区与小区之间，或城市与城市之间的通信。

这种类型的网络覆盖范围广，能够承载更大容量的数据传输。

无线网络技术的分类（应用方向分）：

无线传感器网络（无线 Mesh 网络）；

无线 Mesh 网络可以看作是无线版本的 Internet 网络，任何传感器节点都能够作为 AP 和路由器，既能够接收和发送数据，也能转发数据，这种网络的好处在于，如果附近的 AP 节点流量太大，节点能够自动路由到流量较小的 AP 进行转发传输。

无线穿戴网络；

穿戴在人体上，能够自动收集人体和附近环境的相关信息的网络。

无线车载自组织网络；

能够实现车与车以及车与路边基站之间的通信

无线互联网；

中国移动，中国联通，中国电信。

网络体系结构

计算机分为硬件和软件两个部分，网络体系结构研究的主要是网络软件部分。

为了保证网络中双方能够实现通信，需要保证通信双方之间的高度协调，绝大多数网络采用的是分层的思想。

在网络通信体系中，每一层对等实体之间采用协议进行通信，而相邻层之间采用接口进行通信。

📌

分层和协议的集合就是网络的体系结构。

网络体系结构中还有一个比较重要的概念——服务。服务定义了上层如何使用本层的功能，上层不需要知道本层是如何实现功能的，只要知道能够通过接口让本层完成其想要的功能即可，比如去银行办业务，客户不需要知道银行职员具体是如何完成的，只需要知道他可以完成就行。

综上所述，网络体系结构的核心就是——分层、协议和服务。

协议参考模型（OSI 七层模型）

OSI 七层模型为理论参考模型，实际中并未使用，但可用于问题的分析，模型的设计。

OSI 七层网络模型自上而下依次为：

第 7 层：应用层（Application Layer）

第 6 层：表示层（Presentation Layer）

第 5 层：会话层（Session Layer）

第 4 层：传输层（Transport Layer）

第 3 层：网络层（Network Layer）

第 2 层：数据链路层（Data Link Layer，也叫 MAC 层）

第 1 层：物理层（Physical Layer，PHY 层）

在发送数据时，自上而下封装数据并发送，在接收数据时，自下而上解析数据并还原消息。

下面我将通过一个例子来类比说明 OSI 七层模型中各层的作用：

应用场景：我在微信中给小明发一条消息。【类比：给小明写一封信，并通过邮局寄件】

应用层：

介绍：应用层需要设计用户交互页面，让用户方便输入文本、表情等，并显示发送者名称、接收者名称、时间戳等形成应用层数据，并传递给下一层。

场景：在应用层，首先我需要打开微信，在聊天框中输入内容，并点击发送。【就像写一封信时，要先在纸上写下内容，并将纸塞入信封】

表示层：

介绍：表示层需要对消息进行编码、加密、压缩（提前与对方确认好加密机制、压缩机制等，后面会细说）并传递给下一层。

场景：应用层的数据到达表示层后，会被编码为计算机能够识别和传输的二进制码，然后进行压缩并加密以防聊天数据泄漏。【就像对信件文字编码为 01 序列，然后再在信封贴上封条】

会话层：

介绍：会话层用于确定确定聊天双方的会话是否要保持，是单工通信、半双工通信还是双工通信（也是需要提前确认，后面会细说）。

场景：这一层并不对应用层的数据做具体的处理，主要是用于会话的建立、保持与终止操作，以防网络波动导致会话终止或聊天结束后会话长时间存在占用资源。

传输层：

介绍：传输层用于确定端口号，与对方建立连接，并确定差错控制机制。一个电脑上可能会有多个应用程序在使用网络，聊天窗口只是其中之一，每个应用程序在电脑上都有一个确定的端口号，避免发送给聊天端口的数据错误抵达其他端口。传输层中需要确定采用何种纠错方式，前向纠错还是后向纠错，是否自动重传等，主要通过三次握手机制来进行确定。首先由发送方发送一个 SYN 信号给接收方，接收方收到后返回一个 SYN+ACK 信号，发送方再发送一个 ACK 信号给接收方，接收方收到后连接就确立了。

场景：在传输层中，加密后的应用层数据会被封装为 TCP 段（TCP 段 + 加密数据），TCP 段中记录了发送方的源端口号和接收方的目的端口号等。【就像在信件上写上对方的门牌号和自己的门牌号，避免寄错到同一栋楼的其他人家中】

网络层：

介绍：网络层用于路由转发，决定数据发送的下一站是哪里。在这一层中，发挥作用的是 IP，IP 分为公网 IP 和私网 IP，公网 IP 是唯一的，私网 IP 在各局域网内部唯一，公网 IP 和私网 IP 结合就是每个设备的 IP 号。设备在不同的网络下会有不同的 IP，路由器会为每个设备（电脑）分配不同的私网 IP 并记录，这样，每个设备就能够连接到网络。此时，路由器中就存储了当前连接的所有设备的 IP 号，存放在路由表里。

场景：在网络层中，被封装的应用层数据会再次被封装为一个数据包（IP 头 + TCP 段 + 加密数据），IP 头中记录了发送方的源 IP 和接收方的目的 IP。【就像是在信件中写上具体的发送地址和接收地址】

数据链路层：

介绍：数据链路层用于链路层寻址。对于每个路由器而言，都有一个唯一的 MAC 硬件地址，如果当前路由器下的路由表中并没有相应的 IP 存在，那么就需要将数据传递到下一个路由器中，再次寻找。当然，链路层也会进行差错检测，检测帧是否出现错误。

场景：在数据链路层中，数据包会被封装为帧（MAC+IP+TCP+加密数据），MAC 中记录了发送方的源 MAC 地址和目标路由器的目的 MAC 地址。【就像是在信件包裹上写上下一个转运中心，假如信件是同城传送，那么直接根据网络层中的地址传输即可；如果是跨省传送，那么就要先送到省转运中心，再在省内传输】

物理层：

介绍：物理层用于传输最终的比特流，将信号调制为无线传输信号并通过天线发出或是将无线传输信号解调为正常信号。

场景：在物理层中，会把帧的分为许多段，经过调制（PCM，QPCM，ACK，QPSK 等方式）后发出。【是信件的具体传输过程，使用飞机传输或是卡车传输】

📌

OSI 七层网络模型是网络协议的参考模型，是理论上的模型。在现实应用中，常常根据自身的需要来进行设计，需要几层就设计几层，比如 TCP/IP 模型。

在前面的各层中，表示层、会话层、传输层都需要在传输数据前与对方预先通信，它们的顺序如下：

先完成传输层（TCP）三次握手，建立可靠连接；

接着进行会话层的协商（如全双工/半双工、是否保持会话等），这些信息会作为“专门的会话控制报文”发送，不和应用正文混在一起；

再进行表示层（如加密/压缩）握手，协商加密和压缩协议；

最后发送真正的应用数据（上述三个过程中都需要进行包、帧的封装，但不包含实际数据，其他与数据的发送相同）。

还有几个你可能疑惑的点：

目标 IP 是如何获取的？当我们点击某个网页链接或是搜索某个网址时，通常使用的是 https://... ，这个称为是 DNS，它本质上就是目标 IP 地址，只不过是为了让我们方便记忆，将一串没什么意义的 IP 地址通过一串有意义的网址表示，比如 https://blog.xiaoyuezhou.top 。

目标 MAC 地址是如何获取的？目标 MAC 地址最开始是未知的，因此节点会先发出“谁是<下一跳 IP>，告诉我你的 MAC 地址”这样的 ARP 请求，路由收到后会回应自身的 MAC 地址。

如果要进行持续通话，过程是什么样的？如果要持续通话，在初次与对方建立连接后，后续就不再进行三次握手了，不断重复

现实中常用的一些概念如下：

TCP/IP 网络模型

TCP/IP 网络模型是实际中使用的网络模型。

OSI 模型与 TCP/IP 模型的比较：

共同点：

OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型都采用了层次结构的概念。

都能够提供面向连接和无连接两种通信服务机制。

不同点：

OSI 采用的七层模型，而 TCP/IP 是四层结构。

OSI 参考模型每一层的功能都很详尽，而 TCP/IP 参考模型的网络接口层实际上并没有真正的定义。

OSI 模型是在协议开发前设计的，具有通用性。而 TCP/IP 不具通用性。

提供无连接/面向连接的通信范围不同。

无线网络的协议模型

不同类型无线网络所关注的协议层次是不一样的；

应用层协议并不是无线网络层的重点，只要支持传统的应用层协议即可，对像蓝牙这样的特殊协议需要进行规范化；

TCP 的传输层协议优化并不适用于无线网络；

无线局域网、无线个域网、无线城域网一般不存在路由问题，因此无需制定专门的网络层协议，采用传统的 IP 协议即可；

无线网络存在共享介质问题，因此 MAC 层协议（数据链路层协议）是所有无线网络协议的重点；

无线频谱的复杂性，导致无线网络的物理层协议也是一个重点；

作业

第一题

网络体系结构是分层和协议的集合。

第二题

1971 年，ALOHANET 的出现标志无线网络正式诞生。

第三题

Internet 中采用的交换技术是分组交换。

第四题

阐述计算机网络的发展阶段及标志。

诞生阶段，多个终端通过通信线路连接到一台计算机上，建立以单台计算机为中心的远程联机系统；

形成阶段，以资源交换为目的，多台计算机通过 IMP 转接后互联，形成分组交换技术，出现了“协议”；

互联互通阶段，出现了统一的网络体系模型，即七层的 ISO 网络模型；

高速网络技术阶段，以 Internet 网络为代表。

第五题

共同点：

OSI 模型和 TCP/IP 模型都使用了分层的思想；

OSI 模型和 TCP/IP 模型都支持面向连接和无连接两种工作模式。

不同点：

OSI 模型采用的是七层模型，TCP/IP 模型采用的是四层结构；

OSI 模型的每一层都很相近，有着确定的功能，但 TCP/IP 模型的每一层实际上并没有真正的定义；

OSI 网络模型具有通用性，而 TCP/IP 模型不具备；

二者提供无连接和面向连接的范围也不同。

第六题

根据覆盖范围分可以分为无线局域网、无线个域网、无线广域网/城域网；

根据应用分可以分为无线传感器网络、无线穿戴网络、无线车载自组织网络、无线互联网。

第七题

不同类型无线网络所关注的协议层次是不一样的；

应用层协议并不是无线网络层的重点，只要支持传统的应用层协议即可，对像蓝牙这样的特殊协议需要进行规范化；

TCP 的传输层协议优化并不适用于无线网络；

无线局域网、无线个域网、无线城域网一般不存在路由问题，因此无需制定专门的网络层协议，采用传统的 IP 协议即可；

无线网络存在共享介质问题，因此 MAC 层协议（数据链路层协议）是所有无线网络协议的重点；

无线频谱的复杂性，导致无线网络的物理层协议也是一个重点；

无线传输媒体

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第2章无线传输技术基础.pdf

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📝 Class Notes

传输媒体

传输媒体是传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。

传输媒体分为导向和非导向两大类。

对导向媒体而言，电磁波会沿着固定媒体前进，如双绞线、同轴电缆等，传输的性能主要取决于媒体的性能。

对非导向媒体而言，它们不会引导电磁波的传输方向，这种传输形式通常称之为无线传输（分为定向、非定向），传输性能主要取决于信号带宽。

无线频谱的分类

统一分配频段；

该频段是由国际组织、各国政府统一分配的，按照信息类型划分专用频段（如 AM/FM 广播），使用者需要申请授权。

工业、医学、科学频段；

该频段无需授权许可，公众可免费使用，但需要严格限制功率，避免大范围干扰。如救护车通信、警察对讲机、出租车电台等。

工业、医学、科学频段（ISM 频段）

免费频段

低频段工作最好，但太过拥挤；中频段主要供蓝牙和 802.11 使用，受微波炉和雷达干扰；高频段设备使用昂贵。

为什么微波炉要使用 2.4GHz 频段？

因为该频率能够被水分子吸收并产生热量，且处于开放频段，降低设备成本。

为什么 Wifi 要使用 2.4GHz 和 5GHz？

因为 2.4GHz 覆盖范围广（易受干扰），5GHz 传输速率高（穿透性差）。

微波、无线电、红外线频段

微波频段：1 GHz ~ 100 GHz，适合于高方向性的波束；

主要特点

微波呈直线传播（定向传播）；

沿途需设立中继站；

发射端和接收端天线需要对准；

穿透性差；

主要使用抛物面天线发送和接收，因为其发送和接收的微波具有高增益、强方向性和抗干扰的特点。

微波分为地面微波和卫星微波。

地面微波主要用于长途通信和点对点的线路传输。它的传输损耗主要来自衰减和干扰，衰减损耗会随着距离的增加而呈指数增大，下雨天衰减也会明显提升（雨衰）；随着微波应用的广泛，越来越多设备发送微波使得微波传输区域间会有重叠，造成干扰。

卫星微波是利用通信卫星接收并转发微波，具体使用上下行两个频段，上行频段接收，经放大后在下行频段传输。

无线电频段：30 MHz ~ 1 GHz，适合于全向运用；

主要特点

无需使用蝶形天线发送；

发送器和接收器无需对准；

限于视距传输；

损耗的主要来源为多路径干扰，雨衰的影响较小。

红外线频谱段：3 GHz ~ GHz，适合于本地运用（有限区域内）。

主要特点

安全性高；

易受光源干扰；

穿透性差。

天线

天线是实现无线传输最基本的设备。天线可看作是一条电子导线或导线系统，用于将电磁能辐射到太空或用于将太空中的电磁能收集起来。

天线的辐射模式

天线是全方位发送功率的，但并非每个方向上的功率都是相同的，因此可以通过天线的辐射模式来描述天线在各个方向上的相对功率。

如下图所示：

天线的类型

天线的类型主要关注偶极天线和反射天线两种。

偶极天线是最简单的对称天线，如下图所示：

反射天线即抛物面反射天线，定向性好：

天线增益

天线增益是天线定向性的度量，通过天线在某个方向上（通常为产生最大增益方向上）的功率来定义。

天线增益指标并非是为了增加天线功率而存在的，而是为了增加天线的定向性。

天线增益的公式如下：

其中，表示的是天线的有效面积。

无线传播类型

主要分为地波、天波和直线传播三种类型：

地波要求的频率比较低，能够传输很长的距离；天波主要依靠电离层反射进行传播；直线传播距离短，通信局限在视距范围内。

直线传输系统的损耗

衰减和衰减失真；

信号强度随所跨越的任一传输媒介的距离而降低。

高频下信号的衰减更为严重，会引起衰减失真。

噪声；

任一接收信号都是由传输信号构成的，传输信号在传输过程中会被插入其他不希望有的额外的信号，即噪声。

全向天线自由空间损耗；

大气吸收；

水蒸气和氧气是产生这种衰减的主要因素，要减少这种损耗，可以适当减少传输路径或是使用低频带进行传输。

多径效应；

信号发出后沿多个路径传播，不同路径的信号延迟和衰减都有所不同，最终抵达接收端的信号延迟和衰减也有所不同。

折射；

当通过大气传播时，无线电波会被折射，导致无线电波向下弯曲，只有一小部分直线波或没有直线波抵达接收端。

衰退效应

衰退指的是传输介质或路径使得接收信号的能量发生变化。

在固定环境下，大气层条件的变化以及在移动环境下，障碍物相对移动造成的多径传播现象都会引起衰退。

多径传播的类型及发生条件：

反射；

信号遇到间距大于信号波长的物体时，会发生反射。

衍射；

信号遇到间距大于信号波长不可穿透物的边缘时，会发生衍射。

散射；

信号遇到间距小于信号波长的物体时，会发散出几个稍弱的信号，造成散射。

衰退的类型：

快速衰退；

当接收端移动距离超过波长的一半时，信号会剧烈变化，此时会出现快速衰退的现象。

慢速衰退；

当接收端跨越了一个尺度较大的障碍物，使得直线传播的信号被阻挡时，会产生慢速衰退的现象，一般需要移动数百至数千米。

平面衰退；

所有的频率成分都会受到相同的衰退，一般是受到大范围环境的影响。

选择性衰退；

信号不同频率成分受到的衰退不同，一般是由多径效应引发的。

差错补偿机制

前向纠错：就是通信原理中学习过的在信号传输时加入监督码，在接收端通过校验码来实现检错和纠错。

后向纠错：即自动重传（ARP），在接收端发现传输来的信号有错误时会让发送端重新发送。

自适应均衡技术：包括频域均衡和时域均衡，用于消除码间串扰的影响。

分集技术：即“不要把鸡蛋放在一个篮子里”。分集技术分为空间分集、频率分集和时间分集三类，空间分集可以将信号通过多根天线进行发送，频率分集可以将信号调制到多个不同的频率上进行发送，时间分集可以将信号分多个时间点进行发送。

多普勒效应

所有类型的波都有可能产生多普勒效应，在观察者走近波源时，波的频率变高；当观察者远离波源时，波的频率变低。

移动通信中要充分考虑多普勒效应。

信号编码

模拟数据指的是用连续变化的物理量表示信息；数字数据指的是用离散的数值表示信息。

模拟信号指的是用连续波形表示的信号；数字信号指的是用离散数值表示的信号。

模拟数据既可以使用模拟信号传输，也可以采用数字信号传输；反过来，数字数据也是既可以使用模拟信号传输，也可以使用数字信号传输。

使用理由：

数字数据，数字信号：相比于将数字数据转换为模拟信号的设备，将数字数据转换为数字信号的设备成本更低。

模拟数据，数字信号：将模拟数据转换为数字信号允许对模拟数据采用现代数字传输和交换设备。

数字数据，模拟信号：有些传输媒体只能传输模拟信号。

模拟数据，模拟信号：模拟数据很容易转换为模拟信号进行传输。

模拟传输是传输模拟信号的方法，不考虑信号的内容；

数字传输是传输数字信号的方法，与信号的内容有关。

模拟信号如果表示的是模拟数据，则可以使用模拟传输，如果表示的是数字信号，则可以用数字传输。

数字信号则无法采用模拟传输，只能够采用数字传输。

编码准则：

引入了一个新的术语 —— 吞吐量，指的是有效数据传输速率，有效数据是单位时间内被处理的数据。

决定接收机是否能够还原出数据的主要因素为信噪比、数据率 和 带宽。

扩频技术

扩频即扩展频谱，发展扩频技术的目的是为了阻止通信（阻止敌人接收和译码、检测和干扰军队无线通信）。

扩频的第一种技术为跳频技术，目前最新的技术为直接序列扩频。

跳频技术（蓝牙、Zigbee）

传统的窄带信号都是在一个固定频点发送，频谱固定，这样容易让敌人监听到自己的消息。

而跳频技术的核心是不把信息长期停留在一个固定的频率上，根据预先约定的“跳频序列”在时间片内快速地改变发射/接收频率，使得信号在频域上呈现“稀疏、分散”的特征。

如上图所示，在进行调制时，将某个时刻要传输的信号按频段划分为多个窄频段，再将这些窄频段通过伪噪声发生器的序列调制到不同的频段上，原先应该以一个频段在同一时刻发送的信号，经过跳频处理后分为了多个频段且在不同的时刻发送。具体的过程如下图所示：

(a) 图中，t1 时刻的信号频段为，先将信号频段划分为 8 个窄频段，再通过伪随机序列为这些窄频段标上序号，表明是第几个时隙进行发送，比如头上标了 5，就是说频段的信号在第 5 个时隙发送。只要接收方与发送方约好一个协议，产生相同的随机序列，就能够将信号提取出来。

跳频技术的好处在于：

干扰仅影响某个频率上的有限个比特；

跳频能克服噪声干扰和多径效果；

没有传统意义上的阻塞。

直接序列扩频（Wifi）

直接序列扩频技术是在基带“用一串高速伪随机码”与每个比特相乘，将信号能量分散到更宽的频谱内（扩频）；等到接收端再用相同的伪随机码乘一遍，就把分散的能量重新聚拢，从而有效提高抗干扰能力。

多路复用

当要求传输信号的速率特别高，而通信设备要求的接收速率比较低或是过高的数据率导致传输设备的成本过高时，可以考虑采用多路复用技术将数据分多路传输，但仍然使信号在一个信道内传输。

多路复用的关键在于发送端按某种规则分割好数据后，接收端能够依照相同的方式恢复出数据，正确分割出信号。

多路复用主要分为频分多路复用、时分多路复用和码分多路复用。

频分多路复用（FDMA）：

将频带划分为多个子频带，为每个用户分配不同的固定频带，所有用户在每个时刻都能够同时传输信号。

优点是实现简单，信号解调容易；缺点是各频带之间需要留有保护带，频谱利用率低。

时分多路复用（TDMA）：

时分多路复用是先为每个用户分配不同的时隙，所有用户都可以使用整个频带，在第一个时隙内，用户 1 发送部分数据，在第二个时隙内用户 2 发送部分数据，以此类推，待一个循环结束后，又回到用户 1 继续发送数据。

优点是时隙固定分配，时延可控；缺点是若时隙空闲则会造成资源的浪费，需要有严格的时钟同步。

码分多路复用（CDMA）：

为不同的用户指定不同的伪随机扩频码，在发送端每个原始数据先与自身的伪随机扩频码进行码片级异或或乘法运算，由于不同扩频码之间的互相关系数为 0，因此只要在接收端使用对应的扩频码解码即可得到实现数据的分离，提取出对应用户的数据。

码分多路复用下，所有用户共用一个时隙和频谱。

优点是抗干扰能力强，允许多用户共享信道；缺点是编码设计复杂。

作业

第一题

天线增益是天线定向性的度量，定义为在某一特定方向上的功率输出，特定方向通常指的是产生最大增益的方向。

天线增益的公式为：

第二题

主要有以下几种类型：

衰减和衰减失真；

噪声；

多径干扰；

大气层吸收（水蒸气和氧气）；

折射；

自由空间损耗；

第三题

多径传播的类型主要有反射、衍射和散射。

当信号传输到间距比信号波长大的物体时，会发生反射；

当信号传输到间距比信号波长大的不可穿透物边缘时，会发生衍射；

当信号传输到间距比信号波长小的物体时，会发生散射。

第四题

数据：

模拟数据：用连续物理量来表示信息；

数字数据：用离散数值来表示信息；

信号：

模拟信号：用连续波形来表示信息；

数字信号：用离散数值来表示信息；

传输：

模拟传输：是传输模拟信号的一种方法，不考虑信号的内容，因此无法用于传输数字信号；

数字传输：是传输数字信号的一种方法，传输的是内容本身，既可以用于模拟信号传输，也可以用于数字信号的传输。

第五题

通过将原始信号的每个比特与一串高速伪随机序列信号进行”异或”或“乘法”运算，将信号能量分散到更宽的频谱内，得到混合信号进行传输。

第六题

多路复用技术主要分为频分多路复用、时分多路复用和码分多路复用这三种。

频分多路复用技术是将多个信号调制到不同的频段上进行传输，各个频段之间需要留有保护带，所有信号在一个信道上传输；

时分多路复用技术是将多个信号按时隙进行分配，每个时隙发送一个信号；

码分多路复用技术是通过伪随机序列对信号进行编码，使各路信号之间互不相关，共享一个信道传输，只要接收端使用相同的序列进行“解扩”即可得到相应信号。

无线局域网（802.11）

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第3章无线局域网.pdf

2730.2KB

📝 Class Notes

无线个域网、局域网、城域网、广域网的范围

广义的无线局域网包含无线个域网和无线城域网。

分类	英文全称	缩写	典型技术
无线个域网	Wireless Personal Area Network	WPAN	蓝牙（Bluetooth）
无线局域网	Wireless Local Area Network	WLAN	WiFi（802.11）
无线城域网	Wireless Metropolitan Area Network	WMAN	WiMAX（802.16）
无线广域网	Wireless Wide Area Network	WWAN	蜂窝网络（4G/5G）

无线局域网的组成结构

分布式系统通过各个 BS（Basic Station）或 AP（Access Point）发送数据，数据经过无线介质传输到各个终端设备（STA，Station）中，这就是无线局域网的基本结构。

BS 可以理解为无线运营商的蜂窝网络基站，STA 可以理解为是手机、电脑等需要联网的设备，AP 则是 STA 之间的联络员。

在本章节中，我们所讨论的都是无线局域网 WLAN，因此并不会存在 BS，只会有 AP，BS 存在于无线广域网 WWAN 中，但无线局域网中的 AP 与无线广域网中 BS 是相似的，可以进行对照。

📌

STA 又称为是站、主机或终端，是无线局域网最基本的组成单元。站与站之间可以直接通信，也可以通过 AP 或 BS 进行通信。

无线局域网中的无线介质通过无线局域网的物理层标准来确定。

BS 与 STA 之间的关系如下图所示：

上图中，每个六边形都是一个无线局域网，因此图中共有 3 个无线局域网。图中的 BSS 指的是 Basic Service Set，即基本服务组，是由连接在同一个 BS 或 AP 下的 STA 组成的集合；BSA 指的是 Basic Service Area，即基本服务区，由 BS 或 AP 无线信号直接覆盖的区域称为是基本服务区；DS 指的是 Distributed System，即分布式系统，用于连接多个基本服务区。通过 DS 将多个 BSA 连接起来就能够构成 ESA（Extended Service Area，扩展服务区）。

分布式系统 DS 通过网线、电缆（也可以是无线的）等方式连接 BS，BS 再与 BSS 进行数据交互。通过 DS 连接起来的属于同一个 ESA 下的所有主机（STA）组成一个扩展服务组（ESS，Extended Service Set）。

AP 与 STA 之间的关系如下图所示：

无线接入点 AP/BS 的功能：

无线接入点通常处于 BSA 的中心，且是固定不动的。

无线接入点具有无线网络接口、分布式系统接口以及相关软件，具有以下几个功能：

作为接入点，完成其他非 AP 站对分布式系统 DS 的接入访问以及同一 BSS 下两个不同站点 STA 的联络；

作为无线网络与分布式系统之间的桥接点，完成无线局域网与分布式系统之间的桥接；

作为 BSS 控制中心完成其他非 AP 站的控制和管理。

分布式系统与骨干网相连

在无线局域网的组成结构部分，我们介绍了无线局域网通过 DS 连接为一个扩展服务区 ESA，而 ESA 要与因特网传输信息，也必须要有一个与因特网通信的接口，这个接口就是 Portal。在“无线局域网组成结构”部分，主要涉及的 OSI 模型为数据链路层和物理层，本节涉及的范围则是网络层。

Portal 与前面所讨论的 STA、AP、DS 之间的关系如下：

📌

Portal 是一个逻辑上的接入点，既可以是单一设备，也可以与 AP 一起共存。Portal 可以理解为是路由器，在现实中我们所使用的路由器通常会将 AP 和路由两个功能都合在一起。

Portal 必须要能够识别无线局域网的帧，骨干网的帧以及 DS 的帧，并能够相互转换。

无线局域网的拓扑结构

物理拓扑上分类：分为单区网（SCN）和多区网（MCN）；

单区网只包含单个 BSS，只包含一个 AP 和若干个关联的 STA。

多区网中多个 BSS 通过 DS 互联形成 ESA。

从逻辑上分类：分为对等式、基础结构式和 Mesh 式；

对等式中（Ad Hoc），STA 间直接进行通信（无需 AP），形成独立基本服务集；

基础结构式中，STA 必须通过 AP 中转通信，形成“星型拓扑”；

Mesh 式中，AP 之间通过无线传输的方式形成多条网络，STA 通过多个 AP 传输数据（STA → AP → AP → … → Portal）；

分布对等式拓扑：由单区网组成，该工作模式称为是特别网络或对等式网络。

基础结构集中式：通过 AP 控制各站间的通信。

ESS 网络拓扑：

设备在 BSA 之间的移动称为是散步或越区切换，在 ESA 之间的移动称为是漫游。前者是数据链路层的移动，即只涉及到 MAC 帧的解析与封装，不同 AP 的 MAC 地址不同。后者是网络层的移动，即不同的 ESA 之间涉及到 IP 包的解析与封装，比 MAC 帧更高一层。

中继或桥接型网络拓扑：

这种拓扑结构是将两个或多个网络、网段通过无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线网络互联设备连接起来。

所谓的中继器，是用于接收 AP 发来的无线网络信号并将其放大后重发（代价是网络带宽变窄），正常来说，传输的数据的结构为“MAC 帧 + IP 包 + TCP 段 + 实际加密数据”，而中继器只会接收和传递信号，不会解析数据结构，即不会将数据的帧拆开来，因此属于是物理层的传输。

比方说，家里有一个 AP（纯 AP，无路由功能，无路由功能指的是不会将 IP 包拆开，纯 AP 只会将帧拆开）在一楼，当你在二楼时，信号会比较差，此时如果在二楼设置一个中继器，将一楼的 AP 数据接收、放大后发出，那么二楼的信号就会增强，代价是网络速度会变慢（如 10M/s → 5M/s）。【此处中继器在课件中写的是数据链路层的传输，但 AI 说课件中写的有问题，这里暂且用 AI 的】

所谓的网桥（或桥接器），是用于将两个或多个 ESA 服务区连接起来的装置，更进一步说，网桥是在两个隔离网络（如两栋楼的LAN）间透明转发MAC帧（不修改源/目的MAC地址）的装置，虽然会对帧进行解析，却不修改原来的源/目的 MAC 地址，因此可以看作是透明的，可用于网络扩展。它的工作层级是数据链路层，会对 MAC 帧进行解析。

网桥的好处在于，可以让两个网络隔离的区域共享同一个网络，这样，从一个区域移动到另一个区域时，可以无缝切换，且两个区域共享同一套网络设置。正常来说，两个区域如果使用两个网络，那么在切换时设备会断开重连，使用网桥就可以规避这个问题。而且无线网桥能够替代光线/电缆，降低了施工成本。但网桥的使用也会有许多风险，需要根据具体的应用场景来确定。

ESS 拓扑网络中数据传递的过程简述

到现在这里，也许你对数据是如何在 AP 间传递，如何与互联网交互的已经有了许多疑问了，我也是如此，因此，利用 AI 稍稍把这个过程总结了一下。

假设 STA1 要发送数据给目标 IP，目标 IP 为 IP1，则：

首先由 STA1（而非 AP）根据子网掩码判断 IP1 是否在同一子网内，或者说同一个 ESS 中（子网掩码我也不是特别明白，总之只要子网掩码相同，就能够说明两个设备属于同一子网）。若 IP1 属于本子网（如 192.168.1.0/24），STA1 会在本地广播 ARP 请求查询 IP1 对应的 MAC 地址。此时若 ESS A 与 ESS B 通过网桥连接形成单一广播域（此时 ESS A 与 ESS B 相当于是同一个 ESS），该 ARP 请求将覆盖两个 ESS 的所有设备；若 IP1 设备在线，会直接回应其MAC地址（IP1_MAC），STA1 据此封装 802.11 帧（目的 MAC=IP1_MAC）发送给关联 AP。AP 仅作协议转换（802.11 转 802.3 帧），DS 交换机基于 MAC 表将帧转发至 IP1 关联的 AP，最终送达目标设备。

若 STA1 判定 IP1 属于不同子网（或 ARP 无响应），则直接封装 802.11 帧（目的MAC=默认网关MAC）发送给关联 AP。AP 转换帧格式后经 DS 交换机送至网关路由器。路由器解封MAC 帧提取 IP 包，执行 NAT 转换源 IP 地址后（这里属于是网络层的操作），查询路由表确定下一跳路径：若 IP1 在另一 ESS 的直连子网（如 10.0.1.0/24），路由器向该子网发起ARP 查询获取目标 MAC，重新封装为以太网帧通过网桥送达目标；若 IP1 在互联网，则根据路由表封装新帧（如 PPPoE）转发至 ISP，互联网路由器逐跳转发（每跳重写 MAC 帧头但IP包不变）直至目标网络网关，最终由目标网络内部完成二层投递。

无线局域网的服务

服务可以理解为是无线网络中的“交通规则”，目的是为了数据得到安全地交互与传输。802.11 中一共定义了九种服务，全部都是用于 MAC 层（即数据链路层）的，是 MAC 层的行为规则集合。

这九种服务分为两类，第一种类型是 STA 服务，第二种类型是分布式系统服务。

STA 服务（SS）：

包括认证、解认证和隐私三种服务，存在于每个 STA 和 AP 中。

认证服务：举一个简单的例子，STA 要将数据安全发送给 AP，需要进行四次握手，相互协商生成动态密钥。若动态密钥成功生成，则会对数据帧进行加密传输；若动态密钥未成功生成，则认证失败，AP 丢弃该 STA 的全部数据。由此可见，认证服务本质上是“协商过程”，它定义了 STA 与 AP 之间如何进行交互。

解认证服务：当一个原先已通过认证的节点离开网络时需要利用到解认证服务。

隐私服务：用来防止消息被非指定接收者窃听。

分布式系统服务（DSS）：

DSS 通常是由 WLAN 中的 AP 提供。包括关联服务、解关联服务、重新关联服务、集成服务、分发服务。

关联服务：认证服务是证明设备身份的合法性，而关联服务是告诉网络当前设备连接在哪个 AP 下（与哪个 AP 关联）。只有在设备成功认证后，设备才能够与 AP 进行关联。而设备只有成功关联 AP 后，AP 才能将此设备发出的信息发送给 ESS 内的其他 AP ，以便路由和帧的传递。

重新关联服务：当设备需要从一个 BSS 转移到另一个 BSS 时，需要更换 AP，此时需要利用到重新关联服务。

解关联服务：当 STA 长久闲置时，AP 可主动将设备解关联，当 STA 不想要连接 AP 时，也可以主动与 AP 解关联。

集成服务：当数据交换的双方（即发送 STA 和接收 STA）一个位于 802.11 LAN，一个位于非 802.11 LAN 时，由于协议不同，需要一个“中间翻译官”来将 802.11 下的数据格式转换为非 802.11 下的数据格式。比如，我们使用手机登录学校的文件系统服务器时，就需要集成服务进行转换。

分发服务：确定帧的下一跳路径并执行转发。当分发服务确认目标 STA 与源 STA 在同一个 AP 下时，AP 直接将帧发送给目标 STA；若不在同一个 AP 下，但在同一个 ESS 下，则通过 DS 转发给另一个 AP）；若在 ESS 之外，则通过 DS 进行网络转发。

重新分发服务（课件中未提及）：主要服务于移动性的管理，当目标 STA 从一个 BSS 移动到另一个 BSS 时，若有帧正发或待发往目标 STA，则需要重新分发服务解决这些帧的归属问题，将这些帧发到新的关联 AP，并最终送达目标 STA。

对于认证、解认证、关联、解关联和重新关联可以通过手机连接 WIFI 的例子来理解：

当初次进入公司时，手机未连接过公司的 WIFI，此时手机可以在设置中找到公司的 WIFI ，输入密码后与公司的 AP 进行认证，若密码正确，则手机成功认证，手机会自动与最近的 AP 关联，连接上网络，若密码错误，则手机认证失败。当我们将手机 WIFI 关闭时，手机会与 AP 解除关联，但认证信息仍然保留，此时再次打开 WIFI，会看到之前连接的 WIFI 记录仍然保留在设置中，再次点击即可与最近的 AP 建立关联。若公司在不同区域设有多个 AP，则当我们从一个区域移动到另一个区域时，手机会自动重新关联 AP，确保网络无缝切换，通话流畅。

认证和关联的关系如下图所示：

无线局域网的协议体系

在第一章“无线网络协议模型”中，就曾说过，MAC 层协议的设计和物理层协议的设计是无线网络的重点，无线局域网并不存在路由问题，因此无需制定专门的网络层协议。

无线局域网的协议体系如下图所示：

在上图中，LLC 为上层网络提供了统一的接口，这样，上层网络就无需关注 MAC 层具体的实现细节，只需把数据发送过来即可。LLC 会将数据封装为 LLC PDU，然后将其发送给 MAC 层。【PDU 即 protocol data unit，协议数据单元，指的是每一层协议在其接口处交换的“数据单元”】

MAC 层主要分为两个模块，MAC 管理和 MAC 用户数据传输（在图中并未介绍，课程后面会说明），MAC 管理主要负责 STA 的接入，利用的是前面提到过的两类服务；MAC 用户数据传输的核心是 CSMA/CA 机制，能够控制介质访问，避免数据冲突，同时在这一模块还会对数据进行帧封装，将 LLC PDU 封装为 MPDU，传输到物理层。

物理层分为两个子层，PLCP 和 PMD，PLCP 是将 MAC 层传输来的数据重新封装，将 MPDU 封装为 PPDU，也相当于是一个接口，使得 MAC 层无需关心物理层的实现；PMD 用于实现信号转换，它能够将 PPDU 的数字信号调制为模拟的无线信号（BPSK、QAM），并通过图中的各种技术如 FHSS（跳频扩频）、DSSS（直序扩频）、IR（红外）、OFDM（正交频分复用，以 802.11a，802.11b，802.11g 为核心）等协议对信号进行传输。

IEEE 802.11 物理层

在协议体系中，简单介绍了物理层的两个层次，这里详细说明：

物理层汇聚过程子层（PLCP，Physical Layer Convergence Protocol）：

将 MPDU 与无线电波适配，在发送端添加帧同步、速率指示等头部信息，形成 PPDU；

接收端的 PLCP 会解析头部信息，分离出 MAC 帧传递给上层。

物理媒介相关子层（PMD，Physical Media Dependent）：

在发送端，将 PLCP 处理后的 PPDU 数据比特流转换为电磁射频信号并通过天线发送；

在接收端，捕获射频信号并还原为 PPDU，然后传递给相关子层。

802.11 是无线局域网的基础标准框架，是由每个 IEEE 协会制定的标准，后续对该标准的修订都是在代号后面加上字母来表示，如 802.11a，802.11b 等。

为了便于推广，Wi-Fi 联盟引入了新的别名，802.11b → Wi-Fi 1；802.11a → Wi-Fi 2；802.11g → Wi-Fi 3 等。现在我们大众所熟知的 Wi-Fi 其实是 IEEE 802.11 的认证商标，它的出现是为了让大众能够快速接受新技术，Wi-Fi 的全称为 Wireless Fidelity，即无线保真，强调传输的可靠性和稳定性。

802.11 协议主要应用于物理层，表示的是不同的物理层调制技术和使用频段，802.11 a 主要使用的是 5.7GHz，802.11g 和 802.11b 主要使用的是 2.4GHz：

如图所示，802.11a 主要采用的是 OFDM 正交频分复用技术，而 802.11b 和 802.11g 则使用的是 DSSS 直接序列跳频技术，其中 802.11g 的传输速率比 802.11b 更高。

IEEE 802.11ac：

802.11ax：

⭐ IEEE 802.11 媒体访问控制层（MAC）

什么是隐藏终端？

当两个 STA 彼此间无法检测到对方的信号，但都能够与同一个接入点 AP 或中间站点通信时，这两个站点互为隐藏终端。

两个 STA 可能由于距离过远或地理障碍导致信号快速衰减而无法感知到对扽会的存在，导致它们误以为当前介质下没有其他设备发送信号，结果同时发送占用介质导致信号冲突。

MAC 层如何实现可靠的数据传递（ ⭐ 四帧交换：RTS/CTS）

IEEE 802.11 采用的是帧交换协议（双帧交换：DATA+ACK），当一个站点受到来自另一个站点的数据帧时，会返回一个 ACK 确认帧告诉源站点，源站点收到确认帧后会返回另一个 ACK 确认帧给目的站点。如果 ACK 确认帧在发送给源站点途中或是返回给目的站点的途中损坏，使得目的站点在短时间内未收到信号，那么就会重发一次帧。

为了进一步增强可靠性，避免隐藏终端问题（后面会介绍），可以使用 RTC/CTS 交换技术（四帧交换）。“四帧交换”顾名思义就是使用四个帧，即 RTS/CTS + DATA + ACK。具体的流程如下：

RTS（Request to Send）：STA1 向 AP 或 STA2 发送 RTS 帧（包含数据帧长度，目的是告诉对方我要发送这么多数据，需要预留这么多时间），向目标设备声明我要发送数据了；

CTS（Clear to Send）：STA2 收到 RTS 帧后，广播 CTS 帧（回应数据帧传输需要的时长 X）到全网络，目的是 ① 告诉 STA1 可以发送数据了；② 警告其他设备（如隐藏终端 STA3）信道已被预留时长 X，请保持静默。

DATA 帧：STA1 能够在预留时间内安全发送数据；

ACK 帧：STA2 收到数据后返回 ACK，完成传输。

四帧交换技术在实际操作时视为一个原子操作，原子操作是计算机科学中的核心概念，指的是不可中断的单一操作，该操作要么完全执行成功，要么就完全不执行，不存在部分完成的状态。比如，在上面的四帧传输过程中，如果 CTS 未被收到则整个过程重新执行，不会执行后面的帧发送。

接入控制

网络层数据经过 LLC 转换后进入数据链路层（即 MAC 层），在 MAC 层有两种接入控制方式可以选择：① PCF（Point Coordination Function，点协调功能）；② DCF（Distributed Coordination Function，分布式协调功能）。

DCF 是“有竞争服务”，通过 CSMA/CA 机制实现基础的异步传输，同时，它也提供了避免隐藏终端问题的可选功能（RTS/CTS 四帧交换）。关于 CSMA/CA 在后面会详细介绍。

PCF 是“无竞争服务”，通过轮询机制为高优先级的流量提供独占通道。使用 PCF 服务时，所有的设备都会事先确定一个优先级，优先级高的设备先传输数据，传递完成后才轮到低优先级的设备，轮询方式使得设备间无需竞争即可发送数据。

⭐ CSMA/CA 机制

英文全称：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance（载波侦听多路访问/冲突避免）

CSMA/CA 的核心是在无线共享信道中协调多设备的数据，避免冲突而非检测冲突（如 CSMA/CD），适应无线信号传播的不可靠性。

CSMA/CA 的核心步骤如下：

关于上图，你可能会有的疑问？

在上图中，第一次检测到介质为空且在等待 IFS 后第一次检测到介质仍未空的状态下，无需指数退避。

退避本质上是为了避免介质冲突，而在第一次侦听信道时，若持续检测到介质处于 IDLE 空闲状态，能够很大程度上说明当前介质是未被占用的，可以安全发送，此时无需指数退避来避免冲突。

载波侦听：设备在发送数据前持续监听信道，判断当前（无线）介质是否为空。若不为空，则等待数据传输完毕；若为空，则等待分布式帧间隔时长 DIFS（802.11a/g 中为 28μs），等待 DIFS 后再次监听介质是否为空，若仍为空，则开始传输数据帧，否则继续等待。

💡

等待 IFS 的原因有三点：① 公平性考量；② 隐藏终端处理；③ 优先级控制。

首先，当某个 AP 发送完数据时，离该 AP 远的 AP 相比于较近的 AP 更晚获得消息，若没有 IFS 延迟，则较近的 AP 就更可能发送消息，不公平；

其次，若某个设备在进行四帧交换，预留 IFS 时间则能够让隐藏终端接收到 CTS 帧，避免发生碰撞；

最后，IFS 也能够用于实现优先级控制，IFS 时长短的优先级高，时长长的优先级低。

随机退避：在等待了 IFS 时间后，设备仍然不会立即发送数据，因此如果一齐发送的话，仍然会出现碰撞。CSMA/CS 采取的方式是随即退避，即每个设备从竞争窗口中随机选择一个时间延时，谁的延时更小是由概率决定的。

数据传输与确认：退避计时器归零后，设备发送数据帧，接收方成功接收后，等待 SIFS 间隔返回 ACK 帧（这里要延时可能是怕 ACK 帧和数据帧之间冲突，SIFS 是最短的帧间隔，比 DIFS 小），若发送方未接收到 ACK 则会触发重传。

三种不同的帧间隔：

帧间间隔	时长	优先级	用途
SIFS	最短（10μs）	最高	ACK/CTS/轮询响应
PIFS	中（25μs）	中	AP轮询（PCF模式）
DIFS	最长（28μs）	最低	异步数据服务

设置帧间隔的主要原因是避免低优先级的操作占用信道，阻断高优先级操作。比如，设置 SIFS 可以让 AP 接收到信号后延迟 SIFS 后发出 ACK 确认信道，当延时时间达到 PIFS 时，其他 AP 查询信道的占用状态，会发现 ACK 正在传输，此时就不会发送信号与 ACK 冲突。

竞争窗口大小的设置：

竞争窗口的大小需要跟随网络负载的变化而变化，否则，当网络负载大的时候，若竞争窗口太小，则站点选取的随机值接近，此时容易发生冲突；当网络负载小的时候，若竞争窗口太大，则站点选取的随机值离得远，网络引入不必要的延迟。

为了实现竞争窗口长度的动态变化，引入指数退避算法。

指数退避算法的基本步骤如下：

系统将竞争窗口初始化为某个最小值；

当发生冲突时，竞争窗口呈现指数级扩大，，最大不会超过（一般为 1023）；

成功发送数据后，竞争窗口重置为。

之所以使用指数退避，原因是线性的退避增长得太慢，可能会导致系统瘫痪，指数的退避能够快速响应负载变化。

在考试过程中，如果考到 CSMA/CA，可以使用下方的流程图：

注意，要将指数后退的算法也使用流程图表示出来，课件中并没有关于指数后退算法的流程图，图中绿色部分是我根据算法内容绘制的，不一定准确，大家可以参考。

画出流程图后，需要对各个部分进行文字描述，具体的文字描述这里就不赘述了，可以参考前面的部分。

使用 RTS/CTS 解决隐藏终端问题

上图中，A、B、C、D 分别是四个 AP 节点，B 是发送方 AP ，C 是接收方 AP。图中浅蓝色区域的圆表示的是 B 的 RTS 帧覆盖范围，绿色区域的圆表示的是 C 的 CTS 帧覆盖范围。A 位于 RTS 帧覆盖范围内，但在 CTS 帧的覆盖范围外，因此 A 仅能够接收到 RTS 帧，同理，D 仅能接收到 CTS 帧。

为了避免 A 和 D 干扰 B 和 C 之间的通信，当站点接收到 RTS 帧和 CTS 帧的时候都必须进行延时。接收到 RTS 帧的设备延时时间为 SIFS + CTS + SIFS + DATA + SIFS + ACK，而接收到 CTS 帧的设备延时时间为 SIFS + DATA + SIFS + ACK。为了避免接收方也产生延时，RTS 帧中会包含有目标 AP 的 MAC 地址，为了能够回信，RTS 帧中也有发送方 AP 的 MAC 地址。具体的延时图示如下图所示：

图中 NAV 的全称是 Network Allocation Vector，即信道占用倒计时器，是实现 802.11 网络可靠传输的基石。

点协调功能（PCF）

这个部分在老师的复习课件中都没有提及，似乎在最后一节课也没说到。

PCF 是在 DFC 之上的另一种替代方案，用于解决纯 DCF 在实时性和服务质量上的不足，能够保证给实时、敏感的应用一个稳定的传输窗口。在具体实行过程中，通常与 DCF 相结合。

首先要明确以下几个概念：

Mac 帧。在之后讨论的大部分帧都是 Mac 帧中的子类，通过调整 Mac 帧中的参数即可实现数据帧、管理帧和控制帧三种类别的帧，具体是如何实现的在后面会介绍。AP 和 STA 之间仅通过 MAC 帧交流。

Beacon 帧，即信标帧。是 Mac 帧中的管理帧。Beacon 主要是用于建立时序同步的，由 AP 周期性的发送给 STA，标志着一个超帧的开始。

超帧（Superframe）。严格意义上来说并不属于是“帧”，而是一个时间窗口，在进行 PCF 操作时，每个超帧的时间长度都是固定的。

超帧分为两个阶段，CFP 阶段和 CP 阶段。

CFP（Contention-Free Period），即无竞争时期。在这个阶段，AP 进行轮询操作，只有被轮询到的设备才能够发送数据。

CP（Contention Period），即竞争时期。在这个阶段，STA 之间会进行 DCF 操作竞争信道，确保一些旧设备（不兼容轮询操作）仍能够发送数据。

轮询清单。轮询清单是 AP 轮询 STA 的顺序名单，是在 CFP 前组织的，AP 从轮询清单的头部查询到尾部，然后又返回头部，这样循环往复。当 AP 轮询到某个 STA 时，也会同时询问 STA 是否要进行下次轮询，若 STA 同意，则 AP 会将该 STA 记录删除并重新添加到清单尾部，若 STA 不同意，则只将其从轮询清单中移除。

PCF 的算法步骤如下：

AP 定期发送 Beacon 帧，Beacon 帧会携带 CFPollPeriod、CFPollCount 等参数。

CFPollPeriod 以 Beacon Interval（BI）为单位，指定两个连续 CFP（Contention‑Free Period，无竞争期）之间至少要间隔多少个 Beacon。若 CFPollPeriod = 0 ，则表明网络中不使用 PCF，只使用 DCF；若 CFPollPeriod = N 则表示间隔 N 个 Beacon 开始一次 CFP。比如，一次 Beacon = 100ms，若 CFPollPeriod = 3，则会每个 300ms 进入一次 CFP。CFPollCount 用于确定每个超帧中轮询的设备个数，如 CFPollCount = 5 则每次在 CFP 窗口内轮询 5 个 STA，剩下轮询清单中的 STA 需要等待下一个 CFP 窗口。

STA 在收到 Beacon 后，知道无竞争阶段即将开始，会进入 CF-Pollable 状态。

抢占信道阶段。AP 在发送完 Beacon 后，会等待 PIFS 的时间，然后抢占信道（若先前有 DCF 在 DIFS 计时，则可以避免它影响 AP 轮询）；

轮询授权阶段。AP 向某个指定的 STA 发送 CF-Poll 帧（MAC 帧的一种）【若 AP 有发向 STA 的数据，则此时一并发送】，同时 CFPollCount 减 1，被轮询的 STA 在收到 CF-Poll 后等待 SIFS ，若 STA 有要发送的数据，则发送“数据帧”；若无，则直接发送空帧。AP 收到后，等待另一段 SIFS ，发回 CF-ACK 帧确认。

重复上述步骤直到轮询清单结束或 CFPollCount 为 0，此时 AP 发送 CF-End 帧，宣布 CFP 结束；

竞争时期。在 AP 发布 CF-End 后，所有的 AP 和 STA 都开始用 DIFS + 随机退避的方式参与 CSMA/CA 竞争，直到下一次 Beacon 来临。

Mac 帧的介绍：

Mac 帧的结构如下：

Mac 帧共有 6 种控制帧，8 种数据帧，11 种管理帧。如图中底部的蓝色方框所示，Type 为 01 表示的就是控制帧，10 不是表示的就是数据帧，00 表示的就是管理帧，分的是大类。而控制帧、数据帧、管理帧中的各种小类是通过 Subtype 分类的。

现在来依次介绍一下各个字段的含义：

Mac 帧控制字段：

MAC 帧的 6 种控制帧：

Mac 帧的 8 种数据帧：

Mac 帧的 11 种管理帧：

其他 IEEE 802.11 标准

无线局域网安全

面临的安全威胁：

WLAN 传输信号可以被覆盖范围内任意接收机收到。

War-Driving：通过驾驶车辆在目标区域往返进行AP探测（隐蔽性最低，易被记录车牌及轨迹）。

War-Biking：通过骑车等方式在目标区域往返进行AP探测（隐蔽性中等，可混入日常交通）。

War-Walking：通过徒步等方式在目标区域往返进行AP探测（隐蔽性最高，但易受物理安防限制）。

钓鱼 Wi-Fi：伪造合法AP诱导用户连接，结合中间人攻击窃取账号密码、支付凭证等敏感信息，或植入恶意软件。

安全标准：

802.11i 各操作阶段：

第一阶段：安全性能发现。AP 通告自身支持的安全协议，广播安全能力。

第二阶段：认证。移动站点与 AP 间，AP 与认证服务器间都会进行认证操作（双向认证），认证服务器会验证用户凭证，最后生成主会话密钥。

第三阶段：密钥分发。认证服务器向 AP 分发主会话密钥，AP 与终端根据主会话密钥生成成对主密钥，但成对主密钥不直接用于数据加密。

第四阶段：密钥管理。AP 与移动站点间通过四次握手协商动态密钥，动态密钥是根据成对主密钥临时生成的。

第五阶段：数据保护。移动站点与 AP 间通过动态密钥加密数据，实现数据保护。

作业

第一题

分布式系统是用于连接多个 BSA 的架构，通过有线或无线介质将这些独立覆盖区域互联，形成更大的扩展服务区 ESA。

分布式系统的作用：

扩大了网络的覆盖范围。

实现了跨区通信，确保移动端在不同的 BSA 区域间移动时能够无缝切换。

接入了外部网络。通过 Portal，AP 能够与骨干网相连，访问到不同的 ESA 区域。

第二题

认证。进行 STA 身份合法性的验证，只有合法设备能够接入网络。

解除认证。当 STA 离开站点时，终止已认证的站点的连接。

隐私。加密数据帧（WPA3），防止非目标设备接听。

关联。将 STA 与 AP 建立连接，只有经过认证的设备才能与某个 AP 相关联，关联后，STA 可通过 AP 转发数据。

解除关联。若 STA 要离开网络或 AP 资源不足且 STA 长期闲置，则 STA 或 AP 可单方面与对方解除关联。

重新关联。若 STA 由一个 BSS 移动到另一个 BSS ，则需要通过重新关联服务与新的 AP 建立关联。

集成。实现 802.11 网络与非 802.11 网络间的数据转换和传输。

分发。判断目标 STA 所处位置并指导 AP 进行转发。

~~重新分发。动态更新数据路由路径。~~

第三题

STA 接口。AP 作为接入点，完成其他非 AP 站对分布式系统的接入式访问以及同一 BSS 内 STA 之间的通信。

桥接点。AP 需要作为无线局域网与分布式系统之间的桥接点，负责转发 STA 数据。

控制中新。AP 需要作为 BSS 的控制中心，负责同一 BSS 内的所有 STA 的控制和管理。

第四题

802.11ax 物理层的主要技术有：

OFDM 正交频分多址技术。

1024QAM 调制技术。

BSS Coloring 基本服务器着色技术。对不同的 BSS 附上颜色标签，减少同频干扰。

TWT 目标唤醒技术。终端与 AP 协商唤醒时间，节省电池能源。

第五题

MAC 层提供的两类接入控制为 DCF 分布式协调功能和 PCF 点协调功能。

DCF 是纯竞争接入机制，各个设备在侦听到信道空闲后会随即退避竞争信道资源；PCF 则是轮询机制，由 AP 集中轮询控制信道，保证轮询名单上的所有设备都能够有机会占用信道发送数据，同时也与 DCF 配合使少量不支持 PCF 的设备也能够有占用信道的机会。

第六题

当两个节点同时都能够访问到 AP 或某个接入设备但相互之间却无法感知到对方存在时，这两个节点间互为隐藏节点，通常发生在两个节点距离较远或中间隔有障碍物的情况下。

为了避免隐藏终端带来的影响，可以采取四帧交换机制（RTS/CTS 机制）来解决。先由 STA 设备发送 RTS 帧，告诉网络中的其他节点“我要发送数据了”，其他节点收到后会保持沉默，进行 NAV 延时，延时时间为 “CTS 帧+SIFS+DATA帧+SIFS+ACK帧”；AP 收到 RTS 帧后会回复 CTS 帧，AP 周围的节点在收到 CTS 帧后会保持沉默，进行 NAV 延时，时间为“DATA帧+SIFS+ACK帧”；STA 在收到 CTS 帧后会发送数据 DATA 帧；最后 AP 在收到数据后返回 ACK 帧。

第七题

上图是 CSMA/CA 和指数退避的流程图，CSMA/CA 的具体步骤如下：

在 STA 发送数据帧前，会先进行载波侦听，判断介质是否为空；

若介质为空，则 STA 会进入下一阶段，若介质不为空，则 STA 会不断侦听信道，等待直至其他设备传输完毕后进入下一阶段；

STA 等待 DIFS 延时，保证所有 STA 都侦听到了信道空闲且网络中暂没有类似 PCF、RTS/CTS 的操作在进行，延时结束后继续侦听信道，若介质仍为空，则进入下一阶段，否则返回第二阶段继续等待；

STA 设备进入退避阶段，在该阶段中，所有设备会从竞争窗口中随机取一个值作为本次退避时长。为了动态变化竞争窗口，避免冲突并提高效率，采用指数退避算法。先初始化竞争窗口，所有设备选取退避值，若发生冲突，则指数增长竞争窗口，直到无冲突现象后开始帧的传输。

第八题

IEEE 802.11 提供了三种帧间隔，分别为 DIFS、PIFS 和 SIFS。

DIFS 为 DFS 中分布式协调采用的帧间隔，是为了保证网络的公平性以及确保没有隐藏终端干扰网络；

PIFS 主要用于点协调功能 PFS 的帧间隔，该间隔比 DIFS 小但比 SIFS 大，用于 AP 轮询 STA 设备；

SIFS 主要用于 ACK 确认帧以及 RTS/CTS 四帧交换的帧延时，是为了避免确认帧之间发生冲突而设置的。

无线个域网（802.15）

🔗 Relevant Information

第4章无线个域网802.15.1(bluetooth).pdf

2429.3KB

第4章无线个域网802.15.4(zigbee).pdf

3116.6KB

📝 Class Notes

什么是无线个域网

无线个域网的出现就是为了解决生活中小范围无线连接的需求，我们希望能够有一个网络将多个功能单一的设备互联，形成一个小型的自组网，且该自组网能够与广域网互通。

无线个域网技术分类

下面这些技术主要掌握蓝牙和 Zigbee，其他技术在选择题中看到是有印象就行。

目前比较流行的无线个域网技术有：

蓝牙；

IrDA；红外数据组织，市场份额最大。

HomeRF；家庭无线互联的标准。

UWB；超宽带，在很宽的频段内发出短脉冲。

Zigbee；低速率低成本的个域网技术，旨在实现比蓝牙更低速率、更低功耗，怎么样功耗低就怎么来。

IEEE 802.15 标准

这个部分了解一下即可。

关于无线个域网技术，IEEE 专门成立了一个工作组 802.15，他们主要开发有关短距离通信的 WPAN 标准（Wireless Personal Area Network）。

802.15.2 802.15.3 802.15.3a 802.15.4 。802.15.4 即为 Zigbee。

蓝牙相关内容

发展历史

蓝牙的出现需要从 1994 年一个工程师的烦恼说起：爱立信（Ericsson）的 Jaap Haartsen 被办公室里的线缆惹恼了——鼠标、键盘、耳机、打印机，每种设备都要不同的线。他萌生一个构想：能否用短距离无线通信替代这些线缆？ 这场针对"线缆暴政"的反抗，拉开了蓝牙（Bluetooth）的史诗序幕。

他拉来了业内同样有此共识的公司（爱立信、诺基亚、英特尔、IBM 和东芝）共同组成了 SIG（蓝牙技术联盟） ，针对蓝牙项目，他们需要一个代号。英特尔工程师 Jim Kardach 提议 "Bluetooth" ——灵感源自 10 世纪统一丹麦和挪威的维京国王 哈拉尔·蓝牙王（Harald Bluetooth）。这个隐喻恰如其分：蓝牙技术要"统一"各自为政的无线外设。

蓝牙的早期对手：当时已有红外线（IrDA），但需直视、无法穿墙；HomeRF 和 IEEE 802.11（WiFi前身）则功耗高、成本贵。

⭐ 蓝牙的标准文档（规范）

蓝牙标准文档由核心规范和概要规范两个部分构成。

核心规范定义了蓝牙的底层基础架构，是所有蓝牙设备都必须实现的通用技术标准，它描述了蓝牙从无线电接口到链路控制等不同层次间蓝牙协议体系结构的细节。

概要规范是基于核心规范构建的应用场景标准，定义特定功能如何实现互操作，分为强制、可选和不适用，可划分为电缆替代或无线音频。

核心规范的协议栈分层：

大大简化了 OSI 七层模型，并不与模型严格地一一对应。

无线电（RF）【可理解为物理层】：物理信道的定义（如 2.4GHz 频段、跳频序列）、调制方式、传输功率控制；

基带（Baseband）【部分数据链路层+部分网络层】：设备连接管理（寻呼/查询流程）、物理链路类型（SCO语音/ACL数据）、分组格式和时序控制；

链路管理器协议（LMP，link manager protocol）【数据链路层的控制子层】：链路加密、身份认证、节能模式（呼吸/保持/休眠状态）；

逻辑链路控制和自适应协议（L2CAP，logical link control and adaptation protocol）【部分数据链路层+部分传输层】：数据分段重组、协议复用（使高层协议适应基带层）；

服务发现协议（SDP）【应用层】：发现并访问其他设备的服务。

概要规范及接纳协议：

概要规范：

RFCOMM（串行电缆替代协议）：属于电缆替代，模拟 RS-232 提供虚拟串行口，使蓝牙设备能够像有线串口设备一样通信；

TCS-BIN（电话控制规范-二进制协议）：属于无线音频中的电话控制协议，定义了蓝牙设备间语音通话的控制信令（如呼叫建立、挂断、号码拨出），二进制通话控制规范；

接纳协议（非蓝牙原生协议，直接纳入的现有成熟协议）：

PPP（点对点协议）：一个在点对点链路上传输 IP 数据包的因特网标准协议，能够实现设备通过蓝牙接入互联网；

TCP/UDP/IP：属于 TCP/IP 协议簇的基础协议，IP 用于设备寻址与路由，TCP 用于实现可靠数据传输（如网页浏览），UDP 用于实现低延迟传输（如实时音视频），这三个协议能够使蓝牙无缝接入 IP 网络体系中；

OBEX（对象交换协议）：由红外数据协会（IrDA）开发的会话层对象交换协议，用于规范设备间数据对象（文件、名片、日历事件等）的交换格式与操作指令，比如蓝牙设备间互传照片；

WAE/WAP：无线应用环境和无线应用协议，WAP 为移动设备优化 HTTP 协议，实现低带宽访问；WAE 定义了移动端应用框架。

💡

除了上述规范外，蓝牙技术联盟 SIG 定义了大量的概要规范，每个概要规范都是对底层核心协议的组合调用，都代表了一种独立的应用模型。

应用模型示例：

文件传输模型：

语音应用：

蓝牙的拓扑结构

蓝牙的基本联网单元是一个微微网（Piconet），有一台主设备和 1~7 台从设备组成。

一个 Piconet 设备也可以作为另一个 Piconet 设备的一部分存在，即在一个 Piconet 中充当从设备的设备也可以在另一个 Piconet 中充当主设备。如果有这种情况产生，那么就会出现两个 Piconet 相互重叠的情况，重叠的网络被称为是散布式网络(Scatternet)。

在一个 Piconet 中，会有四类节点：

主机设备（Master）。用于控制 FH 通信的同步。

活跃从设备（Active Slave）。与主机连接且持续通信的设备，该类设备会被主机动态分配 3 位 AM_ADDR 激活地址（ MAC 地址），使主机快速定义从设备。

休眠从设备（Parked Slave）。仍处在微微网中，但与主机并不发生通信的设备，它们仅周期性唤醒同步信号，其他时候几乎不耗电，这类设备会被动态分配 8 位 PM_ADDR 休眠地址，释放稀缺的 AM_ADDR 地址，并允许更多设备挂在微微网下。

待机设备（Stand By）。待机设备并不与主机连接，功耗是最低的。

散布式网络的拓扑如下图所示：

标准中只定义了散布式网络的概念，并没有给出具体构建方法。

无线电规范【调制/解调、最终发送】

基带规范【把数据分为多个时隙，确保数据间不“打架”】

跳频

需要设计跳频的原因有以下两点：

阻碍干扰和多路效应；

为放置在不同微微网下的设备提供多种接入的形式。

在伪随机序列中，从一个物理信道跳到另一个物理信道就需要调频。

时分双工+跳频的协同工作模式（TDD）：

slot 即为时隙，主机和从机的工作频率不同，每次切换时，频率都需要进行跳变，通过不同的时隙划分能够避免不同频率数据冲突。

⭐ 物理链路

物理链路的类型主要有两种，一种是 SCO 链路（synchronous connection oriented，面向同步连接链路），另一种是 ACL 链路（asynchronous connection-less，本质上是面向已连接但异步分组的链路）。

SCO 链路的特点如下：

主要用于音视频的传输（实时性）；

M 和 S 之间具有固定带宽的点对点连接（M 和 S 每个周期都为对方预留了固定的时隙，在该时隙内，带宽固定）；

M 为 S 预留 2 个连续时间槽（时隙）传输实时数据（预留的固定时隙长度为 2 个时隙）；

全双工通信；主机向从机发数据的同时，从机也可向主机发送数据。

M 可同时支持 3 个 SCO；

意思是主机可以在一个周期内同时预留 3 条 SCO 链路，由于每条链路占用 2 个时隙，因此 3 条链路就是 6 个时隙；这三条 SCO 链路既可以用于一对主从设备，也可以用于多对主从设备，只要总链路数小于等于 3 即可。若分配给同一对主从设备，场景通常为“全双工”通信，比方说手机与蓝牙通信，一条 SCO 链路专门用于手机向蓝牙发送数据（音乐），另一条链路专门用于蓝牙向手机发送数据（麦克风），还有一条链路用于其他的控制信令。由于是在同一个周期内的时分复用，因此看上去就像是同步发生的一样，可认为是全双工通信。具体可以参照下图来理解：

每条 SCO 链路由 M → S 的一个时隙和 S → M 的一个时隙组成，故每条链路占两个时隙。

每个 S 有 2~3 个 SCO；

【补充】低延迟设计，只有前向纠错，无后向纠错；SCO 链路设计的根本原则就是保证传输速率，丢包不重传有助于能保证这一点。

ACL 链路的特点如下：

主要用于 Best-effort（尽力而为）的数据传输服务；不像 SCO 那样保证每个周期都可以在 SCO 链路上传数据。

在没有预留给 SCO 的时间槽（时隙）传送无时间规律的分组；即什么时候不使用 SCO 链路，什么时候就使用 ACL 链路，ACL 链路并不确定在哪个时间点一定会发。

M 和 S 之间的点对点/点对多点（广播）连接；即 ACL 链路中，主机可以一次只通信一个从机，也可以一次通信多个从机。

每个 S 节点只有一条 ACL 链路；

半双工通信；

【补充】保证高可靠性；设立了自动重传（ARQ）机制以及 CRC 校验保证数据完整性。

SCO 链路和 ACL 链路的比较：

SCO 链路是点对点的通信，而 ACL 链路既可实现点对点，也可实现点对多点（广播）通信；

SCO 链路用于传输实时音视频，设计目标是实现低延迟，采用前向纠错，无自动重传机制；而 ACL 链路用于高可靠性地传输数据，采用了自动重传机制；

SCO 链路预先分配好了固定时隙，而 ACL 链路是动态分配的；

SCO 链路是全双工通信，而 ACL 链路是半双工通信；

分组

纠错

蓝牙采用了三种纠错模式：

1/3 比例的前向纠错（FEC）；

2/3 比例的前向纠错；

ARQ 自动重发请求。

逻辑信道

⭐ 信道控制

在前面曾介绍过，蓝牙有四类节点，这些节点中，从设备主要有三种状态：① 连接；② 待机；③ 休眠。

在本部分，主要考虑设备从待机状态到连接状态的建立过程。过程如下：

查询（Inquiry）；

主设备并不知晓处于待机状态下的从设备地址，因此需要广播 Inquiry 包进行查询。

在主设备想要建立一个 piconet 时，79 个无线电载波中有 32 个用来发送 wake-up 载波，这 32 个载波上都会广播查询访问码（IAC）。32 个是一种折中的考虑，既降低时延、功耗和复杂度，又能平衡可靠性。

查询扫描（Inquiry Scan）；

待机状态下的从设备如果想要与主设备建立连接，就会进行查询扫描，定期侦听网络中的 IAC 消息。

查询响应（Inquiry Response）；

当待机从设备监听到 Inquiry 包时，会回复 FHS 分组（packet）告知自己的地址和时钟信息，以便后续与主设备同步、连接。

寻呼（Page）；

主设备通过某个从设备的 BD_ADDR 地址（待机设备临时分配的 MAC 地址，休眠设备则为 PM_ADDR）计算跳频序列，然后在 32 条载波上广播 Page 请求；

寻呼扫描（Page Scan）；

处于待机状态下的从设备继续在 32 条载波上周期性地侦听 Page 请求，一旦接收到就回应主设备；

主站响应；

当主设备接收到从设备的回应后，会回复 FHS 包，告诉从机主站的频率跳变模式、设备地址等信息；

从站响应；

从机根据 FHS 包完成同步，并启动主设备定义的跳频序列。

蓝牙音频

蓝牙音频有两种编码模式：

脉冲编码调制（PCM）；

连接可变斜率增量调制（CVSD）；

采取哪种编码模式由两个设备的链路管理器选择。

蓝牙链路管理器规范（低功耗连接）【配对加密、功率调节并决定谁先发言】

⭐ 蓝牙的节能连接状态：

蓝牙有三种节能连接状态：

Sinff：主设备与从设备定期休眠状态，休眠间隔在早期会协商好；

Hold：挂起状态，主设备不释放 AMA（即 AM_ADDR，活跃成员地址），停止 ACL 传输但保持 SCO 分组；

Park：休眠状态，设备不与主设备连接，但仍属于微微网成员，主设备会为其分配一个新的 PMA 地址。

从待机到低功耗无连接状态的转移过程：

图中从上至下依次为未连接状态、连接状态、活跃状态、低功耗状态，待机设备会先进入查询扫描阶段，查询主设备是否有发送 Inquiry 请求，若有则响应并回复自身的地址、时钟信息；主设备收到后再次发送 Page 请求，从设备通过寻呼扫描再次检测主设备的 Page 请求，若收到则回应，与主设备建立连接关系。主设备会为从设备分配 AMA，从设备此时处于 active 状态，当从设备要发送数据时，使用的地址为 Transmit AMA。

处于活跃状态的从设备可以与主设备协商定期休眠，分配 sniff AMA 地址；或进入挂起状态，不主动发送数据，分配 hold AMA 地址；或进入休眠状态，重新分配 Park PMA 地址，这三种状态下都可以使从设备与主设备建立低功耗连接。

蓝牙逻辑链路控制和自适应协议（L2CAP）【将不同应用数据打包分流到不同逻辑信道】

L2CAP 层主要为蓝牙提供服务质量（QoS）可靠性保障机制，仅用于 ACL。

L2CAP 一方面会接收上层数据分组，将它们分段重组，另一方面也会将上层协议进行多路复用，即将来自不同上层的协议数据流合并到同一条 ACL 逻辑链路上传输，最大化利用信道资源（既然能够实现复用，那么自然也能分用，即将合并后的 ACL 数据流路由到正确的上层协议中）。

L2CAP 信道主要有三种类型：

无连接信道（用于 M → 多 S 的广播）；

面向连接信道（全双工）；

信令信道；

蓝牙发现协议【使蓝牙设备之间能够相互访问】

Zigbee 相关内容（LR-WPAN，Low-Rate Wireless Personal Area Network）

专注于低能耗、短距离、低复杂度的一项技术，传输速率低。

发展历史和现状

二十多年前，无线通信的天地基本由两大“巨人”统治：一个是专攻高速率、高带宽但比较耗电的 Wi-Fi，另一个是专攻短距离、简单设备连接（比如耳机和手机）但也难省电且不能大规模组网的蓝牙。世界需要一种不同的无线力量，一种能为无数小设备提供互联的低功耗、低成本网络，就像星空中不起眼却至关重要的点点繁星。这时，Zigbee 的身影开始在电子工程师们的蓝图上浮现。

这个奇特的名字 “Zigbee” 本身就是一个充满隐喻的创意。在无线信号传播的世界里，信息并非总是直线飞驰，尤其是在障碍物众多的室内环境，它常常需要曲折前行，走出一条 “之字形” (Zig-Zag) 的路径。而蜜蜂 (Bee) 则是自然界高效沟通的代表，它们通过复杂的“蜜蜂舞蹈”传递信息，构建起一个协同工作的蜂群社会。这两个概念——曲折却可靠的通信路径与高效的群体协作网络——完美地融合成了 “Zigbee” 这个名字。它从诞生起就蕴含着组建稳定、低功耗自组织网络的目标。

在 Zigbee 诞生之前，自动化世界面临几个困境。你想在一个工厂里部署数百个传感器监测温度、湿度、振动或开关状态吗？或者你梦想一个能自动感应光线、人体移动、门窗开关并调节灯具和空调的智能家居？使用当时的 Wi-Fi，每个设备都需要接入点，功耗高，电池可能几天就没电了；而蓝牙在当时则像个“独行侠”，很难把众多设备稳定地串成一个网络，覆盖范围也有限。工程师们急需一种协议：它必须 极其省电（能让纽扣电池工作数年）、成本低廉（传感器数量极大）、支持大规模自组网（一个网络容纳成百上千设备）、足够可靠（在复杂环境不掉线）。这就是 Zigbee 诞生的舞台背景。

于是，在世纪之交的 1998-1999 年，一群行业领导者——包括霍尼韦尔、飞利浦、摩托罗拉等——聚集在一起，着手制定这个新标准。他们的目标明确：打造一个基于 IEEE 802.15.4 物理层和 MAC 层（2003 年正式发布）的高层通信协议栈。IEEE 802.15.4 本身定义了低速、低功耗、近距离无线通信的特性，就像提供了优质的“砖块”和“水泥”。Zigbee 联盟（后并入 CSA 连接标准联盟）要做的是在上面盖起一座智能互联的大厦，定义网络层（如何组网、寻址、路由）和应用层（设备间如何“交谈”，理解命令含义）。

Zigbee 的核心魔法在于其 “网状网络” (Mesh Networking) 结构。每个 Zigbee 设备（节点）都不再只是信息的起点或终点——它们可以是信息的“中继站”！一条信息从一个设备发出，可以经由路径上多个邻居节点接力传递，最终到达遥远的目的地。想象一个夜间的森林，萤火虫们并非直接飞到同伴身边，而是点起小灯，让邻近的同伴看到，信息就这样在虫群中接力传递开去。这就极大地扩展了网络覆盖范围，突破了单个设备通信距离的限制。同时，网络具备了自我修复能力：如果某个节点失效（比如电池耗尽或被移走），信息会自动寻找其它路径。这个结构天生就是为大规模、高可靠性应用设计的。

另一个让它脱颖而出的特性是 “低功耗”。Zigbee 设备大部分时间都处于一种类似“深度睡眠”的状态，只有需要通信或监听时才短暂醒来。这使得那些依赖电池工作数年甚至十年的无线门磁、温湿度传感器、遥控器成为可能。它就像一个精打细算的管家，把每一毫安时电量都用到了刀刃上。

Zigbee 的出现如同给物联网世界注入了一股清泉。尤其是在 工业物联网 (IIoT) 领域，它迅速成为连接成千上万传感器和控制器的事实标准。在工厂的管道上、仓库的货架间，Zigbee 传感器默默工作，监测着设备的健康和环境的变化。而在 智能家居 领域，它的影响更为广泛。从飞利浦 Hue 智能灯、三星 SmartThings 传感器、宜家 Tradfri 灯具遥控器到无数的智能门锁、窗帘电机、烟雾报警器，Zigbee 构建了一个看不见却又无处不在的“智能之网”。虽然消费者可能从未直接接触“Zigbee”这个词，但他们享受着它带来的便利——用手机一键关灯、离家时自动布防、温度异常时报警等。

当然，如同任何开拓者，Zigbee 在早期也遇到了挑战。最让人头疼的便是 “互操作性” 问题。不同的产品制造商有时会采用 Zigbee 标准中不同的“应用规范”，导致 A 公司的设备无法直接理解 B 公司设备的指令，就像说同一种语言但方言不同。这需要用户购买支持“网关/桥接器”的中心设备，或者依赖像 Apple HomeKit (通过桥接)、Amazon Alexa 或 Google Home 等生态系统进行整合。好在 Zigbee 联盟持续推进 Zigbee 3.0（2015年底发布）的普及，它统一了过往不同的应用层规范，大大提升了跨品牌设备的互通性，让“混乱的方言”逐渐统一为“共同的标准语”。

时光流转，物联网的舞台上出现了新的竞争者，尤其是同样基于 IEEE 802.15.4 的 Thread 协议。Thread 在底层技术与 Zigbee 极其相似，但它直接在网络层原生使用 IP 地址（基于 6LoWPAN），使其能与互联网无缝衔接，号称是为 IPv6 时代的物联网量身打造。Zigbee 也并未止步，它演化出 Zigbee IP（一种在 Mesh 网络上使用 IP 的选项）来应对挑战。而更大的趋势在于 “统一”：由苹果、谷歌、亚马逊、Zigbee 联盟等巨头共同推动的 Matter 标准横空出世。Zigbee 的核心成员和技术积淀（包括其 Mesh 网络能力）成为了 Matter 的重要基石之一。Matter 本身可以运行在 Thread 或 Wi-Fi 网络上，但其应用层协议的设计大量借鉴和兼容了 Zigbee 的成功实践。这使得成熟的 Zigbee 设备可以通过桥接（Border Router）无缝融入 Matter 生态。某种程度上，Zigbee 的理念和技术正在 Matter 的大伞下焕发新生。

所以，回望 Zigbee 的前世今生，它起源于对“低功耗、低成本、大规模自组网”的迫切需求，诞生于巨头们的智慧结晶，其名字本身就预示了信息在网状网络中可靠“曲折前行”的本质。它为物联网，特别是工业自动化和智能家居奠定了坚实基础。它解决了许多问题——低成本联网、长续航工作、大规模组网，但也留下了互操作性方面的经验教训。尽管面对 Thread 和 Matter 等新技术的挑战，Zigbee 的技术基因和庞大的现存设备基础确保了它在可预见的未来仍将是物联网世界一股不可或缺的力量。它的历史，就是一部默默编织万物互联网线的技术叙事。

FFD 与 RFD

FFD 即 Full Function Device，全功能设备；RFD 即 Reduced Function Device，精简功能设备。

FFD 的特点如下：

支持所有的拓扑类型（星型、对等网、混合网络）；

唯一可担任 PAN 协调器的设备，负责网络创建、设备管理及资源分配；

可与任意设备（ FFD、RFD）直接通信；

完整实现物理层和 MAC 层协议，包括信标帧发送、路由转发和安全加密等；

RFD 的特点如下：

RFD 的设计目标是极简设备和超低功耗。

仅支持星型拓扑或作为对等网中的末端设备（无法担任中继）；

不可作为 PAN 协调器，仅能作为子节点加入现有网络；

硬件复杂度极低，实现简单；

仅实现必要的协议子集，不支持路由或信标帧管理。

运行模式

包含网络设备和 PAN 协调器。

网络设备：作为网络的基础节点。包含 FFD 或 RFD 设备，实现了802.15.4 的 MAC 层协议和物理层无线接口。

PAN 协调器：每个网络有且仅有一个 PAN 协调器，必须由 FFD 设备担任，是网络的主控制器。

拓扑结构及形成过程

星型拓扑；

有一个中心节点作为 PAN 协调器，其他设备都与该 PAN 协调器建立连接。

星型网络的形成过程：

在某个 FFD 激活后，它可以建立自己的网络并成为 PAN 协调器；

该协调器会选择与周围网络不同的 PAN 标识符（在 RF 影响范围内）；

PAN 协调器允许其他设备（可能包括 FFD 和 RFD）加入其网络。

对等网络：

每个设备都能与其无线电影响范围内的任何其他设备通信，首先会有一个设备被提名为 PAN 协调器；

PAN 协调器通过选择一个未使用的 PAN 标识符并向邻近设备广播信标帧，形成第一个集群；

收到信标帧的候选设备可向 PAN 协调器申请加入网络；

如果 PAN 协调器允许该设备加入，它就会在其邻居列表中将新设备添加为子设备。

新加入的设备在其邻居列表中将 PAN 协调器添加为父设备，并开始发射周期性信标；

其他候选设备可在该设备处加入网络；

一旦满足了预定的应用或网络要求（比如单个集群内设备数量太多、边缘设备与协调器距离过远等），第一个 PAN 协调器可指示一个设备成为与第一个 PAN 协调器相邻的新群集的 PAN 协调器（就是新建一个集群，并就近选一个 PAN 协调器来管理）；

其他设备逐渐连接并形成多群集网络结构。

组合拓扑（Combined Topology）；

蓝色的节点称为是簇节点，每个簇节点可以看作是一个酒店的不同房间，每个房间内部都有一个星型拓扑结构存在。

协议栈架构

物理层

物理层提供了两种接口，一种是 PD-SAP 物理层数据服务访问点，一种是 PLME-SAP 物理层管理实体服务访问点。

PD-SAP 提供了物理层数据服务，PLME-SAP 为上层提供了数据和管理服务。

物理层数据服务特点：

可在物理无线电信道上传输和接收 PHY 协议数据单元 (PPDU)；

激活和禁用无线电收发器；

当前信道内的能量检测；

接收数据包的链路质量指示；

CSMA-CA 的净信道评估；

信道频率选择；

信道切换

Mac 层

Mac 层提供了两种接口，MCPS-SAP 为 MAC 公共子层服务访问点，MLME-SAP 为 MAC 管理实体服务访问点。前者为物理层的 MAC 层数据单元（MPDUS）提供了传输和接收服务；后者为上层提供了数据和管理服务。

MAC 子层的特征：

信标管理；

信道访问；

保证时隙 (GTS) 管理；

帧验证；

已确认帧交付；

关联；

解除关联；

为实施与应用相适应的安全机制提供手段

MAC 帧控制字段

802.15.4 定义了 MAC 帧的四种类型——信标帧、数据帧、确认帧和MAC 命令帧。

信标帧：

数据帧：

确认帧：

命令帧：

命令帧的 9 种类型分别为：① 关联请求；② 关联响应；③ 解除关联通知；④ 数据请求；⑤ PAN ID 冲突通知；⑥ 孤儿通知；⑦ 信标请求；⑧ 协调员调整；⑨ GTS 请求。

超帧

信标帧分为两个部分，活跃时期分为 16 个大小相等的时隙；在非活跃时期，协调器可能会进入低功耗模式。

信标用于同步所连接的设备、识别 PAN 以及描述超级帧的结构，信标帧标志着超帧的开始。

超帧结构：

网络信标（头尾的红色部分）：由网络协调器发送。包含网络信息、帧结构和待处理节点信息通知；

信标扩展时期（蓝色部分）：因节点信息待处理而为信标增长预留的空间；

竞争时期（橙色部分）：任何节点均可使用 CSMA-CA 进行竞争；

保证时隙（GTS，绿色部分）：预留给需要保证带宽的节点 [n = 0]，可以理解为无竞争时期。

关于保证时隙（GTS）：

对于低时延或需要特定数据带宽的应用，PAN 协调器可以将超帧的活动周期中的一部分专门分配给这些应用，这些应用无需与其他节点竞争。

PAN 协调器最多可以分配 7 个这样的 GTS（保证时隙），并且一个 GTS 可以占用多个时隙周期。

在数据传输中并不使用 GTS，数据传输有以下三种传输类型：

设备向协调器传输数据；

设备从协调器接收数据；

两个对等设备之间的数据传输；

在星形拓扑中只使用前两种；每种传输类型的机制取决于网络是否支持信标传输。

⭐ 网络设备与协调器间的数据传输（CSMA/CA）

协调器向终端发送数据的两种机制：

上图中，左侧的是启用了信标帧的数据传输，进行的是有时隙的 CSMA/CA 机制，右侧是未启用信标帧的数据传输，进行的是无时隙的 CSMA/CA 机制。

协调器向终端发送数据的两种流程：

左图为间接传输：

协调器在它周期性的 Beacon 帧中设置“有数据挂起”的标志，告诉所有处于空闲或睡眠状态的终端：“我这里有你的数据”

当终端唤醒并收到 Beacon 后，就发一条 Data Request（轮询）给协调器

协调器以 Acknowledgment 确认收到轮询，再把真正的数据包发给终端

终端收到数据后再回一个 ACK，完成一次“协调器→终端”的间接传输

右图为直接应答：

终端按照应用自己定义的速率，主动向协调器发 Data Request

协调器收到后立即回一个 ACK，然后直接把数据发给终端

终端再用 ACK 确认接收

提高数据传输成功概率的机制：

CSMA/CA 机制；

帧确认机制；

数据验证；

下面针对 Slotted CSMA/CA 和 Unslotted CSMA/CA 分别作出介绍。

Slotted CSMA/CA 的算法步骤如下：

初始化退避参数

设备在每次要发数据前，先设置 NB=0（已退避次数）、BE=macMinBE（初始退避指数，一般=3），然后转入退避阶段。

随机退避

从当前 退避期（Backoff Period）里随机选一个整数值 r ∈ [0, ] 作为退避时隙，如果 NB 超过 macMaxCSMABackoffs（默认=4）则本次传输失败。

双重载波侦听

退避结束后做 CCA（载波监听），确认信道是否空闲。若检测到忙，则 NB++、BE=min(BE+1, macMaxBE)，回到第 2 步重新退避；若信道空闲，则成功发送数据。

Unslotted CSMA/CA 的算法步骤如下：

参数初始化

初始时，设置退避计数器 NB = 0，剩余 CCA 重复次数为 1。

判断是否启用电池生命扩展，若启用，则 BE 为 (2, macMinBE) 中的最小值；若不启用，则 BE 为 macMinBE。

定位时隙边界（Locate backoff period boundary）

在有时隙系统中，所有退避和 CCA 都必须对齐到固定的时隙边界。设备首先等待直到下一个时隙开始，以保证后续操作都从时隙边界启动。

随机退避（Random Backoff）

退避时间以整数个时隙为单位：，设备在定位到时隙边界后，延迟 BackoffSlots 个时隙，以分散多设备并发的可能。

载波侦听与CCA（Clear Channel Assessment）

在每个退避时隙结束边界处，执行一次CCA，在时隙边界上检测信道是否空闲。

若空闲（Y）：

则 CW = CW - 1 ，若 CW 为 0，则退避结束，进入成功发送阶段；

否则，继续在下一个时隙边界上重复执行 CCA。

若忙碌（N）：

表示检测到其它设备正在发送或信号干扰，必须重新退避。

初始化 CW = 2（重置CCA计数），自增退避计数 NB = NB + 1，增大退避指数 BE = min(BE+1, aMaxBE)。

如果 NB > macMaxCSMABackoffs ，则判为发送失败；否则返回到第 2 步“定位时隙边界”，重新开始退避。

802.15.4 与 802.11 CSMA/CA 的对比：

前者需要在信道空闲后先等待 DIFS，而后者无需额外的 DIFS；

前者检测到信道忙碌时会一直尝试发送，而后者为了降低功耗，尝试次数达到 macMaxCSMABackoffs 时，会停止发送；

帧确认机制：

成功接收并验证数据帧或 MAC 命令帧后，可选择性地发送确认帧（ACK）。

当选择确认时，如果发送方在超时时间内未收到确认帧，则认为此次传输失败，并在重试次数限制内重发该帧。

当无需确认时，发送方默认此次传输成功。

数据验证机制：

为了检测比特错误，采用了一种 FCS 机制，该机制采用 16 位国际电信联盟-电信标准化部门 (ITU-T) 循环冗余校验 (CRC) 来检测每个帧中的错误。

管理服务

访问 PIB；

关联/解除关联；

GTS 分配；

待处理信息；

节点通知；

网络扫描/启动；

网络同步/搜索；

降低功耗的方式

该协议的制定有利于电池供电的设备。电池供电的设备将需要占空比循环以降低功耗，因此，其运行寿命的大部分时间都将处于睡眠状态。每个设备都会定期监听射频信道，以确定是否有信息待发。

作业

第一题

蓝牙系统的核心规范是蓝牙的基础架构，是所有蓝牙设备都必须实现的通用技术标准，它描述了蓝牙设备各个层次间协议体系的细节；

蓝牙系统的概要规范是基于蓝牙的核心规范构建的应用场景标准，可分为强制、可选和不适用，分为电缆替代和无线音频。

蓝牙的核心规范主要有以下这些：

无线电规范（RF）；规范了信号频率、输出功率等。

基带规范（Baseband）；设备连接管理、物理链路类型等。

链路管理协议（LM）；链路加密、身份认证等。

逻辑链路控制与自适应协议（L2CAP）；数据分组、协议复用等。

服务发现协议（SDP）；发现并访问周围蓝牙设备。

蓝牙的概要规范比如：

RFCOMM：类似 RS-232 的虚拟串口服务，使蓝牙设备能够像有线串口一样通讯，属于电缆替代；

TCS-BIN：属于是无线音频的电话协议，定义了蓝牙设备通讯的控制信令（呼叫、挂断等）。

第二题

蓝牙基带规范的两种物理链路为 SCO 链路和 ACL 链路。

SCO 链路是为传输实时音视频设计的，具有低延迟、高速率的特性，主机和从机都能够分配 2~3 条 SCO 链路，能够实现全双工通信；

ACL 链路是为传输非实时性数据设计的，具有高可靠性，能够实现半双工通信。

SCO 链路与 ACL 链路的比较：

SCO 链路传输的是实时的音视频数据，而 ACL 链路主要用于传输 Best-effort 数据；

SCO 链路能够实现全双工通信，而 ACL 链路能够实现半双工通信；

SCO 链路的主机与从机间是具有固定带宽的点对点通信，而 ACL 链路的主机与从机间既可点对点，也可点对多点；

SCO 链路为了保证传输速率，只有前向纠错，无后向纠错；而 ACL 链路设置有 ARQ 机制和 CRC 校验机制。

第三题

蓝牙处于待机状态时，若主设备记录了待机设备的地址和时钟信息，那么当主设备发出寻呼（page）时，待机设备通过寻呼扫描就能够快速响应主设备，进入 page 连接状态，此时主设备会向从设备发送 FHS 包，与从设备建立连接关系，从设备通过 FHS 包完成同步，主设备为其分配 active AMA 地址。

若主设备未记录待机设备的相关信息，那么主设备会先发出查询（inquiry），若从设备处于查询扫描状态，就能够快速响应主设备，发送自己的地址与时钟信息，主设备收到相关信息后重复前面的过程进行寻呼，与从设备建立连接关系。

当处于连接状态的从设备要发送信息给主设备时，从设备的地址会被设置为 Transmit AMA，当从设备要离开微微网时，可以放弃 Transmit AMA 地址，成为待机设备。

处于连接状态的从设备在无消息发送时可处于低功耗状态，共有三种低功耗模式，分别为 parked、hold 和 sniff。parked 状态下的从设备仍会被分配 PMA 地址，处于微微网中，但不与主设备连接，不向主设备发送数据；hold 状态下的从设备仍使用 AMA 作为地址，但只发送 SCO 链路数据，不发送 ACL 数据；sniff 状态下的从设备会处于定期休眠状态，与主设备协商休眠时间，定期发送数据，其地址也为 AMA。

第四题

对等网络的形成过程如下：

所有设备都能够与其无线电范围内的设备通信，在对等网络中，首先会有一个 FFD 设备被提名为 PAN 协调器；

该协调器会选择一个未被使用的 PAN 标识符作为 ID 并向周围设备广播信标帧，收到信标帧的设备称为候选设备，可申请加入网络；

协调器根据发来设备的申请决定哪些设备加入网络，并将它们作为邻居列表中的子设备；

新加入的设备可在邻居列表中将协调器添加为父设备，并周期性的广播信标帧；

其他候选设备可在新加入的设备处申请加入网络，然后重复上述步骤；

当网络中的节点数量过多或网络中协调器与节点距离过远时，PAN 可就近选择一个新的 PAN 协调器领导一个新集群；

其他设备陆续加入新集群，慢慢构建出多集群的网络。

第五题

信标使能模式下的 CSMA/CA 接入流程：

初始时设置初始退避次数 NB 为 0，退避计数器 CW 为 1，若设备选择电池生命扩展，则 BE 的值最大不会超过 2，若设备不选择，则 BE 的值设置为 macMinBE。

之后，设备对齐时隙，从 0~ 中随即选择一个退避时隙数，当在退避结束的时隙边界进行一次 CCA（载波侦听），若信道空闲，则 CW 赋值为 CW-1，若此时 CW 为 0，则竞争成功，发送数据，否则继续进行随机退避。若信道忙碌，则重置 CW = 2，同时 NB 的值应该增加 1，BE 的值若不超过 macMaxBE，则自增 1，若此时 NB 的值大于最初设定的最大退避次数，则发送失败，否则继续随机退避。

第六题

802.15.4 的超帧结构分为四个部分：

网络信标。该部分位于超帧的头部与尾部，由网络协调器发送，包含网络信息、帧结构和待处理节点信息；

信标扩展时期。由于节点待处理而为信标增长预留的空间；

CAP，竞争时期。各个节点利用 CSMA/CA 机制竞争信道；

CFP，无竞争时期。该部分为保证时隙，预留给那部分需要保证低延迟或固定带宽的应用，无需与其他节点竞争。

无线城域网（802.16）

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第5章无线城域网.pdf

1470.2KB

📝 Class Notes

无线城域网现在虽然已经被取代，但它的很多协议理论都可用于理解 4G、5G 网络。

无线城域网发展背景

在 20 世纪末，互联网正飞速扩张，但城市宽带接入却卡在“最后一公里”的瓶颈上：铺设光纤成本高昂、周期漫长，偏远区域更是难以覆盖。早期虽有一些无线技术（如LMDS），但它们像方言般互不相通——缺乏统一标准导致设备无法兼容，且传输易受天气干扰，稳定性差。人们急需一种像“空中光纤”的技术，能以无线方式快速构建城市级高速网络。

1999 年，IEEE 成立 802.16 工作组，目标直指统一城域无线标准。2001 年，一场产业联盟的“命名革命”悄然发生：英特尔、诺基亚等巨头组建 WiMAX 论坛，将技术命名为 “全球微波接入互操作性”（Worldwide Interoperability for Microwave Access）。微波意味着高频段（因为更好的频段被传统电信商把持），互操作意味着设备兼容性。

早期标准802.16d（2004年）专注于固定接入，采用 正交频分复用（OFDM） 技术对抗多径干扰，并引入 自适应调制编码：晴天用高阶调制飙高速率（如 64-QAM），雨天切回低阶保稳定（如 QPSK）。但真正革命在 2005 年到来——802.16e 首次支持移动性！它允许终端在车速下切换基站，理论速率达 30Mbps，覆盖半径扩至 50公里。韩国政府率先押注，用 WiMAX 替代光纤铺设偏远山区；美国运营商 Sprint 则将其宣传为“4G前哨”，试图挑战传统蜂窝网络。

但由于其频率高，覆盖能力不大，且基站功耗高，逐渐被 4G 取代，在 2010 年被迅速反超。

协议体系

主要聚焦于物理层和 MAC 层。

802.16 的各协议中，MAC 层的功能基本相同，差异都体现在物理层上。

MAC层分会聚子层，公共部分子层和加密子层。

会聚子层主要用于对接收并分类高层的协议数据单元 PDU，将 PDU 映射到 MAC 层连接上。

公共部分子层用于实现 MAC 层所有核心功能，包括竞争解决算法、PDU 数据的构建与发送等。

安全子层（加密子层）用于实现数据帧的加密。

💡

MAC 层会采取链路自适应机制让链路尽可能高效的运行，通过牺牲带宽获得传输质量的提高。其核心思想为：动态调整传输参数以适应实时变化的信道请求，在链路可靠性和传输效率之间寻求最优平衡。

物理层协议主要解决与工作频率、带宽、数据传输率、调制方式、纠错技术以及收发信机同步有关的问题。

物理层支持的频段及特点：

10~66 GHz：

该频段采用的是单载波调制，该频段属于高频段，要求视距传播，障碍物对其影响小，多径效应弱，无需复杂的抗干扰技术。由于单载波调制实现简单，故采用此技术。

2~11 GHz：

该频段采用多载波调制，该频段支持非视距传播，多径效应显著，通过 OFDM 技术，能够将数据分配到多个子载波上，有效对抗多径干扰和频率选择性衰弱。

部分协议如下：

其中，802.16d 是所有协议中最成熟并且具有实用性的版本。

拓扑结构

802.16 协议中主要定义了两种网络拓扑：① 点对多点结构（PMP）；② 网格结构（Mesh）。

其中，PMP 的业务仅在用户和基站之间传输数据，分为上行链路和下行链路，前者是用户站到基站，后者是基站到用户站；Mesh 网络中，业务可通过其他的站点进行转发，即业务可在用户站之间传递。

MAC 层服务类别

服务类别代表了 MAC 调度器所支持的数据处理机制。

分为主动授予服务（UGS）、实时查询服务（RTPS）、非实时查询服务（NRTPS）和尽力而为（BE）。

UGS：具有固定带宽分配和低开销延迟。

RTPS：能够请求动态带宽并保障实时性。

NRTPS：允许较大的时延和带宽保障。

BE：无保障传输、无可靠性承诺。

作业

第一题

10~66 GHz：

该频段采用的是单载波调制，该频段属于高频段，要求视距传播，障碍物对其影响小，多径效应弱，无需复杂的抗干扰技术。由于单载波调制实现简单，故采用此技术。

2~11 GHz：

该频段采用多载波调制，该频段支持非视距传播，多径效应显著，通过 OFDM 技术，能够将数据分配到多个子载波上，有效对抗多径干扰和频率选择性衰弱。

第二题

MAC层分会聚子层，公共部分子层和加密子层。

会聚子层主要用于对接收并分类高层的协议数据单元 PDU，将 PDU 映射到 MAC 层连接上。

公共部分子层用于实现 MAC 层所有核心功能，包括竞争解决算法、PDU 数据的构建与发送等。

安全子层（加密子层）用于实现数据帧的加密。

第三题

分为主动授予服务（UGS）、实时查询服务（RTPS）、非实时查询服务（NRTPS）和尽力而为（BE）。

UGS：具有固定带宽分配和低开销延迟。

RTPS：能够请求动态带宽并保障实时性。

NRTPS：允许较大的时延和带宽保障。

BE：无保障传输、无可靠性承诺。

第四题

核心思想在于动态调整传输参数以适应实时变化的信道请求，在链路可靠性和传输效率之间寻求最优平衡。

MANET(移动 Ad Hoc 网络)

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第7章 MANET.pdf

2979.9KB

📝 Class Notes

Ad hoc 网络为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络。Ad hoc 网络研究的主要内容是以路由协议核心的网络层设计。

MANET 背景

ALOHA（1968） → PRNET（1972） → SURAN（1983） → GloMo（1994） → MANET（1997）。

MANET（移动自组网）的故事始于20世纪60年代末夏威夷的碧海蓝天。当时，夏威夷大学的研究者们正试图用无线电波将散落在群岛上的教育设备连接起来，这便是 ALOHA网络 的雏形。它像一颗种子，播下了“无线多跳通信”的思想，但ALOHA只能单跳传输，无法跨越复杂地形，更无法应对移动环境。真正的转折点发生在硝烟弥漫的战场——美国国防部高级研究计划局（DARPA）在1973年启动了 分组无线网（PRNET） 项目。战场上，固定通信设施易被摧毁，士兵需要一种能“背着走”的网络：无需基站、自组织、抗毁性强。PRNET 首次实现了多跳路由，让数据像接力赛一样在移动节点间传递，但它的电台笨重如行李箱，网络规模被限制在138个节点以内，且控制信息洪流淹没了本就稀缺的带宽。

1983年，DARPA 再度出手，启动 抗毁自适应网络（SURAN） 项目。这一次，工程师们将 PRNET 的电台缩小到单兵可携带的尺寸，并植入Intel 8086处理器，让网络像“变形虫”般自适应重组。他们引入 动态分簇技术——将大量节点划分为小簇，簇头负责跨簇通信，大幅降低了路由开销。士兵们发现，即使部分节点被炸毁，信号仍能绕开弹坑找到新路径。SURAN像一张打不烂的通信网，悄然潜伏于丛林与沙漠。然而，这些技术被列为军事机密，直到90年代冷战结束才逐渐解密。此时，民用领域的“连接渴望”已如野火蔓延：科考队在极地、救援队在震区、甚至商务会议中的临时协作，都急需一种即开即用的网络。1994年，DARPA 的 全球移动信息系统（GloMo） 计划首次提出“MANET”（Mobile Ad hoc Network）的完整愿景：Mobile（移动）、Multihop（多跳）、Multimedia（多媒体）。这个名字从此烙印在技术史上。

1997年，一场会议改变了 MANET 的命运。互联网工程任务组（IETF）成立 MANET 工作组，将战场技术推向民用标准化。工程师们面临的核心难题是：如何在移动中动态寻路？ 传统互联网协议（如 OSPF）依赖固定拓扑，而 MANET 的节点像舞池中的人群，随时变换位置。

先应式路由派主张“时刻准备着”：每个节点像尽职的邮差，不断广播邻居地图（如DSDV协议）。但频繁更新耗尽了电池与带宽，尤其在节点高速移动时，刚画好的地图已失效。

按需路由派则倡导“需要时才问路”：源节点向全网广播“寻人启事”（如DSR、AODV协议）。1996年，DSR 协议甚至允许数据包“自带导航”，在包头写明每一跳地址，但长路径下包头比数据还重。

折衷方案 ZRP（区域路由协议） 诞生：每个节点维护“邻里小地图”，远途则临时问路。这像把城市划分为街区，快递员先熟悉本区，跨区再问交警。与此同时，蓝牙技术首次将MANET 带入消费电子——手机通过“微微网”（Piconet）自组连接，耳机与电脑无需基站即可传歌。

2004 年印尼海啸中，MANET展现了民用价值。救援队携带WiFi设备深入灾区，在断网地带快速搭建 多跳通信网，实时回传伤员位置与物资需求。此时，MANET 已与物联网交融：野外传感器通过多跳传递温湿度数据，无需每台都连接卫星。2010 年后，MANET 在两项领域爆发：

无人机蜂群：10 架无人机飞越森林火场，通过 MANET 实时共享火势热力图。每架无人机既是侦察员又是信号中继，即使 3 架被浓烟击落，剩余仍能重组路径完成测绘。

车联网（VANET）：在德国A9高速公路上，车辆间建立 车载自组网，前车急刹时，警报以光速向后传递。研究表明，这能避免60%追尾事故。

但 MANET 的缺陷始终如影随形：多跳延迟让实时视频卡顿，安全漏洞让黑客可劫持无人机链路，而 频谱争夺 更使其难以抗衡蜂窝网络。2018 年，当 5G 宣称“万物互联”时，MANET 似乎沦为配角。但工程师们发现：5G基站无法覆盖矿井、战场或火星。于是，MANET化身“最后一公里”的补网者：

登山者在无人区用手机自组网发SOS；

煤矿工人头盔通过多跳传递瓦斯警报；

甚至月球车集群拟用MANET共享月壤数据。

MANET 网络特点

是移动通信和计算机网络的结合，兼具而这特性；

网络拓扑动态变化；

允许节点随意移动。

无中心网络的自组性；

无控制重心、节点可随意退出加入。

多跳组网方式；

中间节点转发可降低无线传输设备的成本，且能大大节约能量消耗。

有限的传输带宽；

无线信道提供的带宽比有线信道低。

移动终端的自组性；

每个终端都有为其他终端转发的义务，终端间始终是协同工作的。

安全性差；

网络容易受到链路层的攻击。

Ad hoc 网络的体系结构

Ad hoc 网络分为平面结构和层次结构两种，前者是完全分布式的，后者是分层分布式的。

完全分布式的结构中所有节点的地位是平等的，它的拓扑结构如下：

分层分布式的结构中网络被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头可形成更高一级的网络，它的拓扑结构如下：

在一般应用中，若网络规模较大且需要一定的 QoS 支持，常采用分级结构。

分级结构根据节点频率的不同分为单频分级和多频分级，单频分级下所有节点采用同一个频率进行通信，簇头之间的通信需要网关的支持，网关与簇头间形成的高一级的网络就称为是虚拟骨干网络（VBN）。多频分级下不同级之间的节点采用不同的频率进行通信。

平面结构的优缺点：

优点：

所有成员的地位相等，组成简单；

只要存在多条路径就能够相对安全；

缺点：

维持网络的控制开销大；

可扩充性差。

层次结构的优缺点：

优点：

分簇成员的功能简单；

分簇存在有利于节点定位；

控制开销低；

可扩展性好；

抗毁性好。

缺点：

簇头需要选择；

所有传输都要通过簇，簇头是瓶颈；

MAC 协议

在 Ad hoc 网络协议栈中，信道接入协议运行在物理层之上，负责协调网络中各节点对无线信道的接入，从而完成相邻节点的数据转发，是所有报文在无线信道上发送和接收的直接控制者，它的性能好坏直接关系到信道的利用率和整个网络的性能。

需要解决的问题

多条信道共享方式；

传统的蜂窝网络、WLAN 中采用的是一跳共享方式，即所有节点直接与中心控制节点通信，无需中间节点转发，节点通过中心节点控制，通过 CSMA/CA 竞争机制发送数据，但若中心节点崩溃，网络便随之崩溃；

Ad hoc 网络采用的多条共享方式，节点通过多个中间节点转发数据，形成多条路径通信，当一个节点发送消息时，只有它覆盖区域的节点能够接收到，不影响覆盖范围外的区域，这样的好处是不同区域间的节点可以同时发送数据，提高了频率的空间复用度；但也带来了隐藏终端和暴露终端的问题。

隐藏终端和暴露终端；

隐藏终端指的是在接收节点覆盖区域内，但在发送节点覆盖区域外的节点。由于它无法感知到发送节点的发送，因此可能会处于等待接收节点恢复数据或准备向接收节点发送数据的状态，这样会与发送节点冲突。前一种情况称为是隐接收终端，后一种情况称为是隐发射终端。

暴露终端指的是在发送节点覆盖区域内，但在接收节点覆盖区域外的节点，暴露终端通常不会影响接收节点的行为，但由于侦听到了发送节点的发送，而引入了自身不必要的延时。暴露终端也分为暴露发送中断和暴露接收终端。

上图中的 A 就是暴露终端，D 就是隐藏终端。

⭐ 采取哪些机制解决隐藏终端和暴露终端问题

首先介绍两个概念：

虚拟载波侦听：靠收到的 RTS/CTS 帧里标注的 NAV（时长）来静默。

物理载波侦听：在任何时刻要发送 RTS、CTS、DATA、ACK 之前，节点都会先做 CCA：判断接收到的射频能量是否超过阈值，如果“信道忙”，就继续做退避。

MACA（Multiple Access Collision Avoidance，多路访问避免碰撞）；

虚拟载波侦听；

CSMA/CA，无退避措施。

采用 RTS/CTS 握手机制，交换 RTS-CTS-DATA，无 ACK 确认帧；

周围节点只有接收到 CTS 时才保持静默；

MACAW（MACA for Wireless）

虚拟载波侦听；

CSMA/CA，采用“公平计数器”实现退避，未采用指数退避；

采用 RTS-CTS-DS-DATA-ACK 握手机制；

周围节点只有听到 CTS 才静默。

DS 帧存在的意义

在 A 向 B 使用 RTS/CTS 传输数据时，C 是暴露终端，D 是隐藏终端。

尽管 C 的发送不会与 A→B 的数据冲突，但若 C 在 A→B 传输过程中发送控制分组（如 RTS），仍可能干扰 B 回复的 ACK 确认帧，导致 A 因未收到 ACK 而重发数据，降低效率。所以 DS 的作用就是保护 ACK。这也是 MACAW 在 MACA 的基础上改进的一点。

你可能会有的疑惑

为什么不直接让发送端周围节点在接收到 RTS 帧和接收端周围节点接收到 CTS 帧时都产生延时呢，这样不是就可以省去一个 DS 帧了？

我咨询了老师，老师给出的解答是“这里存在权衡问题。如果按你所说，大家就都太保守了，影响通信效率。但 DS 的采用其实还是不完美，所以才有了后面使用忙音信道的方案。”

DCF（Distributed Coordination Function，分布式协调）

物理载波侦听和虚拟载波侦听；

CSMA/CA 载波侦听 + 指数退避；

既可采用 RTS-CTS-DATA-ACK，也可在数据分组较短时使用 DATA-ACK；

周围节点只有听到 CTS 时才静默。

💡

可以看到，DCF 中并没有采用 DS 帧，因为 DCF 会通过物理载波侦听提前确认信道是空闲的，在进行 RTS/CTS 时，也会进行虚拟载波侦听，从而确保隐藏终端和暴露终端不会干扰数据传输。

FAMA（Floor Acquisition Multiple Access）

它是对 MACA 和 MACAW 的进一步改进，它可以在 RTS 和 CTS 中记录要发送的数据帧的数目，允许发送方连续发送多个数据帧，在通过 RTS-CTS 握手后，无需重复握手，只需在每个数据帧发送后返回确认帧即可，通过多帧发送，足以使得隐藏终端进入 NAV，消除了隐藏终端的影响，但似乎暴露终端的影响还在。比如，RTS → CTS → DATA1 → ACK1 → DATA2 → ACK2。

DBTMA（Dual Busy Tone Multiple Access，双忙音多点接入协议）

DBTMA 在 MACA 的基础上（RTS-CTS-DATA-ACK）加入了两个频带彼此分开的窄带忙音 BTt（发送忙音）和 BTr（接收忙音），这两个窄带忙音的频带范围都在数据帧的频带范围之外，因此可以与数据帧采用频分复用的方式同时传输。发送忙音由发送端周期性产生，接收忙音由接收端周期性产生，它们与数据帧一同开始，在数据帧传输完毕后一同结束，只要所有的节点接收到两个忙音中的任意一个，都会保持静默，这样无论节点是仅接收了 RTS 的暴露终端还是仅接收了 CTS 的隐藏终端，都不会干扰到数据的正常传输，即消除了隐藏终端和暴露终端问题。

这种方式对发送节点和接收节点的设备有一定的要求，需要增加额外的硬件设备——窄带滤波器和比较器，用于将数据帧与忙音信道分开。

PCMA（功率控制的多点接入协议）

传统的 CSMA/CA 中，节点采取的都是要么“发满功率”，要么“静默”的“开/关”模式。而 PCMA 认为，可以通过调节节点的发射功率，将功率限制在一个区间内，在不破坏已有通信的情况下，以最小功率完成传输，从而最大化并行数。

实现这种模式的核心是正确估计传输功率可调整的范围，保证对新传输的建立，既不会干扰正在进行的传输，又可以尽可能地限制传输所占的区域。

PAMAS（带信号的电源感知多路访问）

PAMAS 的目标是在解决信道接入问题的基础上尽量节约能源。它引入了独立的控制信道（signaling channel）用于交换 RTS/CTS，以及一个数据通道（data channel）用于实际的 DATA/ACK 传输。节点可根据控制信道上的信息决定是否关闭其发射机或收发机，以节省能量。

路由技术

为什么需要新的路由协议？

传统的路由解决方案都是假定网络拓扑结构是相对稳定的，而 Ad hoc 网络的拓扑结构是动态变化的；

传统的路由方案依赖于存储在某些网络节点或管理节点中的分布式路由数据库，但由于 Ad hoc 网络是随时变化的，它们存储的信息并非一直是真实可靠的，且网络中的节点不可能永久存储路由信息。

对路由协议的要求

路由建立的时间越短越好；

路由控制报文数量越少越好；

路由长度越短越好。

路由协议

路由协议可根据驱动模式分为表驱动路由协议和按需驱动路由协议，根据网络拓扑分可分为平面结构的路由协议和分簇路由协议。

先验式路由（表驱动路由）

先验式路由又称为是“主动路由”或“周期更新式路由”，在节点的拓扑变化时，所有节点持续交换并维护全网的路由信息。每个节点都会维护到达网络中所有节点的路由，因而路由请求的时延极低，但反过来的问题是控制开销会很大，尤其是对于 Ad hoc 网络，所有的节点都是动态变化的，需要实时更新全网路由。

对于节点移动性低，网络流量高的网络中，该路由方式表现较好。

反应式路由（按需驱动路由）

反应式路由是根据路由的发现过程来确定路由，开始时所有的节点都不存储网络的路由信息，节点根据发送节点的需求进行路由发现过程，网络拓扑结构和路由表也按需建立（只是整个网络拓扑的一部分），对建立路由进行维护，直到路由中断或不再需要。

这种方式的好处是不用周期性的广播路由信息，能节省网络资源，但随之而来的缺点就是每次发送都要启动路由发现过程，网络延迟大。

在网络流量受限、节点移动性强的网络中，该协议更合适。

DV 算法（先验式路由，无穷计数问题）

DV 的全称是 Distance Vector。

DV 算法中，每个节点都维护一张路由表，路由表中记录了所有可到达的目的地，到达目的地的下一跳，以及到达目的地所需要的开销（<目的地，下一跳，总开销>）。

每个节点都会定期更新节点路由表中的内容，当网络路由信息发生变化时也会触发更新。每个节点在收到“更好”（我觉得可理解为更低开销）路由的情况下更新路由表。

无穷计数问题：

定义：当一条链路失效后，距离向量协议的节点之间因相互更新错误信息，导致路由代价（跳数或度量）不断增大，直到达到预设的“无穷大”阈值才停止。

开始时，假设 A 和 B 是相连的，B 和 C 是相连的。

B 和 C 都维护了一个路由表，表的内容如下：

可以看到，B 的路由表中记录的到 A 的总开销为 3，C 的路由表中记录的到 A 的总开销为 5。

当 A 和 B 之间的链路断开时，B 的路由表触发更新，显示到 A 的开销为无穷大，但此时 C 的路由表还未更新，因此其到 A 的开销为 5。

于是，B 就会错误的以为 C 到 A 有更短的路径，将 C 到 A 的开销加上自己 B 到 C 的开销得到了 B 到 A 的开销为 7：

B 的路由更新触发了 C 的更新，由于 C 对 A 的路由信息都是从 B 处获取的，因此 C 错误的以为 A 和 B 之间的开销增加了，因此更新了自己到 A 的路由开销，变为 9：

最后，B 和 C 互为对方的信息源，互相援引，就出现了无穷计数的情况。

DSDV 算法（先验式路由，路由波动问题）

DSDV 算法基于 DV 算法，但做了一些改进以避免无穷路由等问题，其本质上还是先应式路由。

首先，路由表中的每个表项除了目的地、下一跳和开销外，还加入了目的地序列号（由目的节点生成）以确保无路由回路产生，加入了路由表的创建时间以删除过期路由表，加入了稳定状态数据表 Stable Data 以减缓路由波动。

路由波动是由于节点的路由更新消息到达目标节点时存在时间差，导致了不必要的路由公告的现象。

DSDV 的路由表如下图所示：

最后一列的 Stable Data 是指向一个包含路由稳定状态信息的表，表中记录了目的节点的地址，最近沉淀时间（last settling time），平均沉淀时间（average settling time）【沉淀时间指的是节点收到第一条路由的时间 T₁ 和节点收到最佳路由的时间 T₂ 之间的时间间隔 T₁-T₂，当然，为了避免节点等待太长时间去接收“最佳路由”，会有一个等待时间上限】。

其次，DSDV 的路由公告中对序列号的更新规则进行了改进：

每当节点更新时，都会将自身的序列号递增 2（保证自己的目的地序列号始终为偶数）；

如果某节点路由表中有节点不再可达，则节点会将路由表中该节点的序列号递增 1（使它的序列号为奇数），也只有在这种情况下不是目的节点自己修改自己的序列号。

节点始终会选择序列号更大的路由，这样能够保证来自目的地的信息始终是最新的；

当序列号相同时，节点会选择开销更小的路由。

第三，DSDV 中对拓扑变化的反映也进行了说明：

关于新路由、链路断开和开销变化的信息会立即传递给邻居节点；

节点可以选择发送路由表中的所有路由信息，也可以选择只发送路由表中发生变化的信息。

优点：

实现简单，与 DV 算法基本一致；

引入了目的序列号以解决无穷计数问题；

无路由发现延迟。

缺点：

网络开销大，大部分路由信息也许是从未使用的；

具有先验式路由普遍有的可扩展性问题（即随着网络规模的增大，协议开销和需求会呈超线性甚至于指数级增长）；

收敛慢；

所有节点都必须公告路由，因此节点不支持休眠（无法直接用于传感器网络）。

DSR 协议（按需式路由，RREP 风暴）

DSR 协议中有两个重要的组成：

路由发现；

在源节点需要发送数据时，帮助源节点获得到达目的节点的路由；

路由维护；

监测源节点发送给目的节点的路由可用情况，当网络拓扑变化导致路由故障时，切换到另一条路由或重新发起路由发现过程。

路由发现和路由维护都是按需进行的，无需周期性维护和邻居感知。

DSR 基本步骤：

在进行 DSR 的过程中，源节点如果想要发送数据，首先会向邻居节点广播路由请求 RREQ（Route Request），路由请求包含了源节点地址、目的节点地址、请求 ID 和路由记录，路由记录会在传播过程中不断更新，记录从源节点到目的节点的完整路径。

中间节点接收到 RREQ 后，会将自己的路径附在路径记录中，同时，节点自身也会缓存从目的节点到该节点的路径，维护 <源节点地址，请求 ID> 的序列对列表。

中间节点会判断转发来的 RREQ 是否重复。具体来说，若 RREQ 中的 <源节点地址，请求 ID> 已经保存在中间节点中，说明它已经转发过其他路径的 RREQ 了，此时判断该 RREQ 重复；若 RREQ 中的路径记录包含了中间节点的地址，比如 E 节点收到的 RREQ 中路径记录为 A → B → E → C，说明这条 RREQ 它之前转发并记录过，也判断该 RREQ 重复。只要检测到重复，中间节点就会丢弃该 RREQ 消息，前一种情况丢弃可以避免泛洪现象，后一种情况丢弃可以避免形成小环路。

目的节点在接收到 RREQ 后会给源节点返回路由应答 RREP（Route Reply），RREP 会拷贝 RREQ 的路由记录（信道对称时，A ⇔ B），本地节点收到后会缓存该路由信息。目的节点收到 RREQ 后，若自身路由缓存中存储了到源节点的路由，则可以直接使用（信道非对称时，A ⇒ B，B ⇍ A），否则需要重新进行路由请求过程。

DSR 逐跳证实机制：

在源节点发送路由信息的过程中，若数据分组经过最大次数的重发仍没有收到下一跳的确认，则节点向源端发送路由错误信息，并且指明中断的链路。

源节点会将该路由从路由缓存中删除，如果源节点路由缓存中存在着另一条到目的节点的路径，则该路由按此路径重发分组，否则要重新开始路由发现过程。

DSR 的路由缓存：

每个节点可以通过以下四种方式缓存路由（假设信道是对称的）：

转发 RREQ。节点能获得当前 RREQ 的路由记录，如 E 转发了 RREQ(A-B-C) 后，节点能获得到 A 的路由（C-B-A）。

转发 RREP。节点能获得 RREP 的路由记录（通常是从源节点到目的节点的完整路由），如 B 开始时只有 A-B 的路由，转发了 RREP(A-B-C-D) 后，B 就获得了到 D 的路由（C-D）。

转发数据分组。DSR 中有两类包，RREQ 和 RREP 都属于控制包，数据分组属于是数据包，数据包中也会包含路由路径，因此当节点转发数据分组时，也能够获得该分组中记录的路由信息。

监听相邻节点发送的分组（RREQ、RREP、数据分组）。

错误路由缓存：

当网络的拓扑变化使得路由缓存中的路径失效时，节点路由缓存中原先保存的信息将不可用，此时若使用该信息来回应 RREP，就会出现错误路由缓存。

可以通过设置缓存路由的有效期来解决，过期的路由直接删除。

RREP 风暴：

RREP 风暴指的是在一次路由发现期间，源节点发出的每个 RREQ 请求都有可能被多个中间节点响应，这些节点同时应答，使网络中短时间内产生大量的 RREP，浪费了网络带宽，并可能使消息间相互冲突。

一个简单的预防方法是让每个节点延时 D 后发送 RREP，延时的时间与该节点和目的节点的跳数成正比，使得短路径的 RREP 优先转发，节点如果监听到有比自己更短的到目的节点的路径，则不发送本节点的 RREP。但对于下面这种类型的拓扑，则仍无法解决：

或许可以考虑在邻居节点间引入随机时延。

优点：

仅在需要通信的节点间维持路由，减少了路由维护的开销；

路由缓存技术能进一步减少路由发现的代价；

采用路由缓存技术能够发现多条到达目的节点的路由；

支持非对称信道。

缺点：

RREP 风暴问题；

错误路由缓存问题；

每个数据分组头中都要携带路由信息，增加了路由开销。

分级路由协议（先验式+按需式）

分级路由协议是将主动和按需两种路由策略结合在一起的协议，结合了两种协议的特点，如 ZRP 协议。

ZRP 协议是以区域为单位划分的，区域内部采用的是主动式路由，每个节点维护自身与区域内其他节点的路由信息，区域间采用的是按需式路由，只在需要时才去区域外找节点。区域是以跳数为半径划分的，当半径为 1 时，ZRP 协议就变为了按需式路由，当半径为所有节点数时， ZRP 协议就变为了主动式路由。

因此区域半径的大小对 ZRP 网络的性能有影响，在节点移动性大的网络中，区域半径应小些，在节点移动性小的网络中，区域半径应大些。

功率控制

介绍

在 Ad hoc 网络中，有两种功率消耗源，一种是与通信有关的，一种是与计算有关的。

与通信有关的功率消耗源在发射时功耗最大，备用方式功耗最小；与计算有关的功率源功率消耗主要集中在协议处理上。

所谓的功率控制就是每个节点按照分布式的方式为每个分组选择发射功率。

在上图中，上半部分，A 要与 B 通讯，C 要与 D 通讯，但 C 未进行功率控制，因此使 B 无法正常接收到信号；下半部分是 C 进行功率控制后的结果。

通用节能途径

尽力减少分组重传；

收发信机的高效使用；

设置优先级，根据节点供电能力调度分组发送；

节点能耗的控制与管理（尽可能保证节点同等的耗尽各自的电池能量）；

暂停组成单元的操作。

IP 地址分配

课程中只有此处涉及 IP 地址。

所有的移动设备都必须分配一个空闲的 IP 地址以及子网掩码才能够参与网络通信，因此 MANET 要实现网络应用，就必须为所有设备分配 IP 地址。

相同 MANET 的所有节点都共享同一个网络地址（IP 地址前缀），对于大规模的 MANET，需要使用动态 IP 分配技术。

地址分配过程中必须应对的三种情形：

一个移动节点加入一个 MANET，然后永久离开；

一个 MANET 分割为互不相连的部分然后又合并；

两个孤立的 MANET 合并。

地址分配要求：

IP 地址不存在冲突；

设备加入网络必须分配 IP 地址，设备离开网络必须释放 IP 地址；

除非无可分配地址，否则设备申请 IP 地址时不能拒绝；

解决合并及分割带来的 IP 地址冲突问题；

节点必须得到授权才能够被分配 IP 地址。

分配方法：

冲突检测分配法；

新节点随机选择一个侯选地址，然后向网络中广播 probe 信号看是否会发生冲突，若网络中无冲突信号产生，得到了所有已配置节点的认可，那么新节点就能够采用该地址。

无冲突分配法；

将整个地址空间看作是一个池子，每个节点都维护着自己的一个子池。假定网络刚开始时只有一个节点，那么它的子池就是全局地址，当新节点加入时，池子会等分为两份，两个节点各自分配一个子池，再加入就再分，这样所有节点的子池就始终是不重叠的，地址不会冲突。

最大努力分配法；

这个方法有点像是前面两种方法的合并。当一个新节点加入网络后，负责地址分配的节点会尽其所知地分配空闲地址给新节点，但为了避免同一时间有多个新节点正在接受不同的地址分配节点分配地址，从而产生地址冲突，新节点得到新地址后会进行冲突检测以保证地址是空闲的。长期运行中，负责地址分配的节点会维护这样的“地址池”，当节点加入时进行池分割，节点离开后进行池合并。

QoS

为了在 Ad hoc 网络中实现诸如视频电话这样的多媒体服务，有必要研究移动 Ad hoc 网络的 QoS 。QoS 为端到端的服务质量，在多媒体服务方面的体现就是多媒体数据的高成功率、时延等。

服务质量（QoS）通常指的是分组流从源节点传输到目的节点时网络必须满足的一个服务要求集合，如发射功率、链路差错率、时延、带宽等。

但 QoS 面临着多个挑战，如隐藏终端和暴露终端问题、节点移动、路由维护、安全性、动态变化的网络拓扑等，为了在动态环境中提供 QoS，有两个折中的原理：软 QoS 和 QoS 自适应。

软 QoS：

通过未满足时间比率（即未满足时间与总满足时间的占比）来量化 QoS 的满足等级，并使得这个比率不高于某个门限值。

QoS 自适应：

允许在一个预留的指定范围内，随着有效资源的变化，重新调整资源分配。

物理层通过自适应提高或降低发射功率来跟踪传输质量的变化；

链路层自动对链路差错率变化作出反应来跟踪；

网络层自动对网络的有效带宽和时节奏作出变化来跟踪。

具体的处理方法为在单一网络层次上先支持 QoS，除此之外在层与层之间建立 QoS 框架体系。

作业

第一题

隐藏终端指的是在接收节点覆盖区域内，但在发送节点覆盖区域外的终端，由于隐藏终端无法侦听到发送端的发射，因而也就不会保持静默，若其同时与接收节点通讯，则可能会影响正常数据传输；

暴露终端指的是在发送节点覆盖区域内，在接收节点覆盖区域外的终端，它有两个方面的考量，一方面，由于暴露终端在接收节点范围外，并不与接收节点直接发生关系，因此若其在不干扰数据传输的情况下与其他节点通信，不应该保持静默，否则会引入不必要的延时；另一方面，若暴露终端与其他节点发送控制分组（如 RTS），可能会干扰发送节点与接收节点间的 ACK 帧确认，此时暴露终端应保持静默。

解决暴露终端和隐藏终端的方法有很多，如 DCF，DBTMA 等，这里以 DBTMA 为例进行介绍。DBTMA 是在 MACA 的基础上，在发送端和接收端分别加入了窄带发送忙音 BTt 和窄带接收忙音 BTr，发送端与接收端间正常进行 RTS-CTS-DATA 的传输，在传输 DATA 帧时，周期性进行发送忙音和接收忙音的广播。所有节点在接收到任一忙音信号时都会保持静默，由于发送忙音和接收忙音的频段与 DATA 帧的频段分隔，可以采用频分复用的方式与 DATA 帧一起传输，这样就可以解决隐藏终端和暴露终端的问题。DBTMA 对发送端和接收端有一定的硬件要求，需要加入窄带滤波器和比较器。

第二题

主动式路由中，每个节点都会存储整个网络的拓扑；按需式路由中，只有在节点有需要时才会启动路由发现过程，每个节点临时存储网络的一部分拓扑，节点用完后丢弃。

主动式路由与按需式路由的比较：

前者的所有节点都存储着网络拓扑，因此其网络延时低，而后者在节点每次需要时都要启动一次路由发现过程，网络延时高；

前者的所有节点需要实时更新网络拓扑，而后者并不需要；

前者的网络开销很大，特别是在网络规模很大时，而后者的网络开销小。

前者的可扩展性差，而后者的可扩展性好。

第三题

路由无穷计算问题出现在网络链路中断时，两个节点间互相作为对方的信息源导致对某个节点的开销不断增大。

可以采用 DSDV 算法来解决，在每个节点的路由表中添加序列号一项，当序列号为奇数时，表明某个节点不可到达，当序列号为偶数时，表明节点存在；同时，每个节点只会选择序列号更大的路由，在序列号相同时，会优先选择开销更小的项。通过这种措施，能够解决无穷计数问题。

第四题

RREP 风暴问题指的是在一次路由发现期间，源节点发出的每个 RREQ 请求都会有多个节点想要响应，这些节点同时应答，使得网络中产生大量 RREP，浪费了网络带宽，造成网络冲突。

可以通过引入网络延时来解决，每个节点依据自身与目的节点之间的距离设置延时（延时大小与距离成正比），这样，拥有最短路径的路由就能够优先转发。还可以在相邻节点之间再增加随机延时进一步避免 RREP 问题。

第五题

路由波动问题指的是由于节点的路由更新消息到达目标节点时存在时间差，引入了不必要的路由公告的现象。

可以在节点的路由表中新增 Stable Data 列来解决，Stable Data 列会指向一个存放沉淀时间的表格，每个节点在接受第一个路由更新消息后会依照表格等待特定的时间，在此期间选择一个最佳路由作为更新值。

第六题

功率控制指的是每个节点按照分布式方式为每个分组选择合适的发射功率。

功率控制等级的选择从根本上影响 MANET 许多方面的操作：

发射功率的等级决定接收节点接收信号的质量；

发射功率的等级决定发射的传输距离；

发射功率等级决定干扰其他接收节点的量级。

发射功率控制影响到了协议栈的各个层次，包括吞吐量、时延和能量消耗。

第七题

QoS 的折中原理分为两个，一个是软 QoS，另一个是 QoS 自适应。

软 QoS 指的是以未满足时间比率来量化 QoS 满足等级，并使得这个比率不超过某个门限值。

QoS 自适应指的是在一个预留范围内，根据有效资源的变化，重新进行资源分配。比如，物理层根据当前传输质量动态调整发送功率，Mac 层自动调整差错控制率，网络层自动对带宽和时延作出调整。

第八题

最大努力分配方法是在新节点加入时，让管理地址分配的节点尽其所知地分配一个空闲地址，由于此时可能有多个新节点在进行相同的操作，因此该地址可能会发生冲突，因此新节点在得到地址后要进行冲突检测，确认无误后才能使用该地址。在一个新节点加入时，管理地址分配的节点要为进行池分割，当一个节点离开时，要进行池合并。

无线传感器网络（WSN）

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第8章无线传感器网络.pdf

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📝 Class Notes

WSN 的网络特性

课件中有比较多的论述，这里挑几个：

传感节点无全局 ID。以数据为中心，无需往来特定节点的路由。

节点具备数据汇聚能力。能够将临近节点数据整合，可降低带宽消耗和能量消耗。

节点能够感知自身的位置。

传感节点的能量要求能够均匀消耗，延长整个网络的寿命。

WSN 的网络体系结构

WSN 通常包括三种类型的节点：① 传感器节点； ② 汇聚节点； ③ 管理节点。

大量的传感器节点分布在监测区域的内部或附近，以自组织的形式形成网络。传感器节点监测的数据通过逐跳方式进行传输，期间可能会被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，汇聚节点将数据整合后通过互联网或卫星转发给管理节点，用户利用管理节点对传感器网络进行配置和管理。

网络体系结构 1：统一网络协议框架（UNPF）：

由一个强大的基站（BS）和围着它的一系列传感器节点组成，基站发送的数据能够一次到达所有节点。

网络体系结构 2：分簇结构：

传感器节点结构

传感器模块。负责区域内数据的采集和数据转换。

处理器模块。负责存储和处理传感器采集的数据和其他节点转发的数据。

无线通信模块。负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。

能量供应模块。负责为传感器节点提供运行所需的能量。

协议栈

早期模型：

网络层主要负责路由生成和路由选择，应该以节能为最重要的考量因素。

数据链路层主要负责介质访问和差错控制，介质访问即各个节点如何共享信道资源（公平有效）。

能量管理平台用于在各个协议层间管理节点如何使用能源；移动管理平台用于检测并注册移动节点，维护汇聚节点的路由，使节点动态跟踪邻居位置；任务管理平台用于在给定区域内平衡和调度检测任务。

改进模型：

MAC 协议

设计无线传感器网络的 MAC 协议需要着重考虑的问题：

节省能量；【→ 如何以更低的能耗合理分配信道资源？】

可扩展性；【→ 如何在网络拓扑动态变化时减少信道冲突？】

网络效率。【→ 公平性、实时性和吞吐率】

可能造成 MAC 层能量浪费的主要原因：

传统的竞争机制可能引起多个节点间的数据碰撞，导致节点重传消耗更多能量；

节点接收并处理不必要的数据；

节点在未发送数据或无可接收数据时过度的空闲侦听以及没必要的空闲侦听造成能量浪费；

在分配信道时，控制消息过多也会消耗更多的网络能量。

主要方法：

在有数据收发时开启无线通信模块，若无数据需求则进入睡眠模式；

节点间协调睡眠和侦听的周期，同时睡眠或唤醒，避免节点过度侦听或错过数据。

MAC 协议分类标准：

分布式控制还是集中式控制；

分布式控制是网络中的所有节点自主、协作来判断何时可以发送数据的（如 DCF），而集中式控制则是由中心控制器统一进行分配（如轮询）。

单一共享信道还是多个信道；

固定信道分配方式还是随机访问信道方式；

时分复用；

随机竞争，如 S-MAC；

确定性接入方式。确定性接入方式的目标是为数据传输提供有界且可预测的时延和可靠的带宽保证，也就是说，能够为特定节点预留或保证一定数量的信道资源。

S-MAC：

S-MAC 是通过周期性睡眠的方式来降低能耗的。

S-MAC 协议下的每个节点都会有一个调度表，在节点启动后，会先侦听信道一段时间，若侦听到邻居节点的 SYNC 同步包（包含睡眠/唤醒表），则采用该调度表并广播调度信息；若未侦听到任何调度，则随机生成自身调度表并广播。相同调度表的节点会形成虚拟簇。

在一个周期中，有同步阶段、数据阶段和睡眠阶段三个阶段，同步阶段用于节点发送或接收 SYNC 包，数据阶段是节点竞争信道收发数据，睡眠阶段的节点会关闭射频模块以节能。

路由协议（定向扩散协议）

负责将数据分组从源节点传输到目的节点，寻找节点之间的优化路径，让数据分组沿着优化路径转发。

特点：

能量优先；

基于局部拓扑信息；

以数据为中心；

应用相关。

在传统的网络中，采用的是“以地址为中心”的路由，目标是将数据包送达特定地址；而 WSN 中则是以“以数据为中心”为原则，目标是获取、收集各个区域的数据，并不关注数据来源于哪个具体的节点，数据在传输路径上也会被中心节点处理、合并。

设计要求：

能量高效（节能）；

可扩展性好（适应动态拓扑）；

鲁棒性强；

能够快速收敛。

定向扩散协议（DD）：

参与的节点：

源节点 source，为产生数据的节点。

汇聚节点 sink，对某个事件感兴趣并寻找有关该事件信息的节点，既可以是一个基站 BS，也可以是一个传感节点，它们向源节点请求“兴趣”数据。

“兴趣”具体而言，可以是某个区域的温度，某个区域是否存在什么现象等。

工作流程：

主要分为三个阶段，兴趣扩散阶段、梯度传输阶段和路径加强阶段。

兴趣扩散阶段：

sink 节点定义兴趣，并通过泛洪广播兴趣消息（包括任务类型、目标区域、数据速率等），节点间建立梯度，中间节点会维护一个兴趣列表，有新兴趣到来则创建，有重复兴趣则更新，丢弃已处理过的兴趣。

梯度传输阶段：

源节点采集到匹配的数据后，按梯度指示的最大数据速率向邻居节点发送数据，最终返回给 sink 节点。

路径加强阶段：

sink 接收到数据后，选择最优的邻居节点（如延迟最低、数据量最大）发送强化信息，提高其数据速率，形成数据梯度。

拓扑控制（LEACH 算法）

LEACH 算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）：

LEACH 算法是一个分簇算法，能够均衡网络中各节点的能耗。在网络中，由于簇头负责数据收集、融合并转发至基站，而簇成员只需要将数据发送给簇头，因此簇头的能耗是比较高的，LEACH 算法通过周期性轮流选取簇头，均衡了网络中簇头的消耗。

LEACH 算法每轮分为两个阶段：

簇建立阶段；

每个节点（【G 是没有做过簇头的节点的集合】）中随机选取一个数，如果 k 低于，则该节点会当选为本轮的簇头。的计算公式如下：

其中，P 指的是本轮需要的簇头的百分比（如 5%），r 表示当前轮数。

所有被选为簇头的节点会通告全体节点，被通告的节点会根据信号的强度就近选择一个簇头，簇头为自己的簇成员制定 TDMA 调度。

稳定阶段；

该阶段会持续相当长的一段时间（节约重组簇带来的开销），每个节点会采用 TDMA 方式将数据发给簇头，簇头进行收集、融合，最终转发给基站（基站为了节省能量也只接受来自簇头的数据）。在一定时间后再次进入建立阶段重新选择簇头。

定位技术（DV-HOP、TDOA）

位置信息是传感器网络至关重要的信息，有位置信息的监测活动才是有意义的。

定位技术的要求：

自组织性。传感器网络的节点随机分布，无法依靠全局的基础设施协助定位。

健壮性（我觉得叫容错性更好）。传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差，需要算法有较好的容错性。

能量高效。尽可能减小计算开销和通信开销（通信开销为主要能量开销），延长网络的生存周期。

分布式计算。每个节点要能够计算自身的位置信息。

定位算法的分类：

基于距离的定位（实际测量节点间的角度或距离）。

如基于 TOA 的定位，基于 TDOA 的定位等。

距离无关的定位。

如基于质心算法的定位、基于 DV Hop 的定位等。

TDOA 算法：

TDOA 是利用信号传播时间差的无线定位技术，通过测量信号到达不同接收点的时延差计算目标位置。核心优势在于无需信号源与接收端严格同步，但对接收点间的时钟同步要求较高。

工作流程：

时差测量。在多个已知位置的接收器上同时接收同一信号的发射源，精确计算时间差。

构建超曲面方程。利用时间差得到距离差的相关方程。

求解位置。通过数学方法求解出发射器的精确位置。

DV-HOP 算法：

步骤如下：

广播位置信息并记录最小跳数。

网络中信标节点的位置信息已知，各信标节点向网络中其他节点广播自己的位置信息和跳数计数器（初始为 0）。中继节点在接收到信标节点的位置信息时会将对应信标节点的跳数计数器加 1 并转发，然后记录到各信标节点的最小跳数。最终，每个未知节点都能够知道自己距各个信标节点的最小跳数。

计算平均跳数距离。

每个信标节点收到其他信标节点的广播后，能够计算出自己与其他信标节点间的距离以及最小跳数，在每个信标节点 i 处计算平均每跳距离：

信标节点将计算出的平均每跳距离转发。

距离估算与位置求解。

未知节点既可采用第一个接收到的平均每跳距离作为该节点最终的平均每跳距离进行求解，也可以采用每个信标节点不同的平均每跳距离一起来求解。考虑到网络中节点分布的随机性，后者比前者有更优越的性能。

未知节点在接收到各信标节点广播来的平均每跳距离后，结合自己与各信标节点间的最小跳数，估算与第 i 个信标节点的距离：

当未知节点获得 3 个或更多与参考节点间的距离信息后（），根据三边测量法或极大似然估计法即可计算出未知节点的位置。

💡

只有在节点分布比较密集的无线传感器网络中才能合理地估算平均每跳距离。

时间同步机制

传感器网络要实现协同工作，需要进行时间同步。

NTP 协议和 GPS 系统都不适用于无线传感器网络中，前者需要拓扑稳定的有限网络，后者需要高成本接收机，且环境受限。

RBS 机制（基于接收者-接收者的同步）：

网络中的某个节点周期性的发送一条“参考广播”消息，消息本身无需携带任何时间戳信息，仅作为一个共同触发事件；

各接收节点在接收到消息的瞬间用本地始终记录当前的时间戳，然后彼此通过交换是时间戳；

节点在接收到其他节点的时间戳后，会计算出相对偏移量来调整。比如，A 与 B 两个节点要同步，A 记录的时间戳为 50，B 为 30，则 A 接收到 B 的时间戳后会调整为，B 接收到 A 的时间戳后会调整为，这样就实现了同步。

TINY/MINI-SYNC 机制：

核心思想是交换极少量的时间戳信息来逐步收敛出节点间的偏移和频率漂移。

双向时间戳交换。

A 在本地时刻发送时间戳给 B，B 收到后以本地时刻立即回复，并在回复中附带，A 收到回复后记录本地时刻，于是，利用，，就得到了一个偏移(offset)和频率漂移(drift)的不等式约束。

维护并收敛线性约束集。

TYNI 同步：每当收到一组约束，就把它加入到约束集中，通过求交集操作不断收敛，得到一个可行区间；

MINI 同步：只保留对收敛有用的边界约束，节省资源和计算开销。

估计并更新本地时钟模型。

当不等式区间足够窄时，节点就可以采用区间中点作为估计，校正自己的时钟。

TPSN 机制：

建立层级结构。

从网络的根节点开始（通常是时钟比较准确的节点），将自己的层级设置为零，根节点向邻居节点广播层级信息，若邻居未标记层级，则其层级加 1，否则跳过，重复这个过程至网络中的所有节点都有层级。

同步阶段。

从根节点开始，自顶而下进行同步。父节点首先在本地时间向子节点发出同步请求，子节点收到后记录下此时的时间；子节点在时刻返回 ACK 确认帧（包含时间戳和），父节点在时刻收到确认帧，此时就得到了两对时间戳。

时间矫正与传播。

父节点根据下面公式计算时间差：

并将时间差发送给子节点，子节点和父节点利用时间差矫正本地时钟。

接着，子节点又向下一级的节点发出同步请求，重复上述过程，直到所有节点都已经同步。

数据库

传感器网络可以看作是一个分布式的数据库，所有的节点都存储着数据库的一个分片。

无线传感器网络的数据管理系统有集中式、半分布式和分布式等，半分布式指的是节点之间以分簇结构存在，簇内的节点采集数据，簇头收集并聚合数据，上传给基站。

半分布式的特点是具有鲁棒性、可扩展性强、网络开销小、节能。

数据融合

无线网络存在能量约束，如果节点能够通过本地计算将数据融合，减少冗余信息，就能够节约网络能量。

但数据融合也会使得网络的延迟增大，鲁棒性降低。

作业

第一题

无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。

大量传感器节点分布在区域内或区域外形成自组织网络，传感器节点监测的数据通过逐跳的方式传输，途中可能会被中间节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，汇聚节点将数据整合后通过互联网或卫星转发给管理节点，管理节点对整个无线传感器网络进行管理和配置。

第二题

MAC 层能量浪费的主要原因：

节点接收不必要的数据。

节点在未接收数据或未发送数据时的过度侦听或无意义的空闲侦听会增加网络开销。

传统的竞争方式可能使多个节点的数据碰撞，节点重传消耗较多能量。

分配信道时大量的控制信息会增加网络开销。

应对方式：

在有数据时开启无线通信模块，无数据需求则进入睡眠模式；

节点间协调睡眠和侦听的周期，同时睡眠或唤醒，避免节点过度侦听或错过数据。

第三题

在兴趣扩散阶段，sink 将自己的兴趣广播到全网络，节点间建立梯度，中间节点会维护一个兴趣列表，若有新兴趣则添加，若为重复兴趣则更新，删除旧兴趣。

在梯度传输阶段，源节点采集到有关数据后，按梯度指示的最大速率将数据传给邻居节点，最终返回给 sink。

在路径加强阶段，sink 接收到数据后，选择最优的邻居节点（如延迟最低、数据量最大等）发送强化信息，提高其数据速率，形成数据梯度。

第四题

拓扑控制与优化的意义：

影响整个网络的生存时间；

利用功率控制技术减小节点间的干扰，提高通信效率；

通过确定转发节点和邻居关系为路由协议提供基础；

通过数据融合节点的选择影响数据融合；

弥补节点失效的影响。

第五题

建立阶段；

每个节点（节点（G 为未当选过簇头的节点集合））随机选择一个数，如果 k 低于，则当选为簇头。的公式如下：

其中，P 为本轮所需要的簇头比例，r 为当前轮数。

选举出簇头后，各个节点会根据信道的强度就近选择一个簇头，簇头为自己的成员制定 TDMA 调度。

稳定阶段；

该阶段会持续相当长的一段时间，在此器件，簇成员根据 TDMA 规则向簇头发送数据，簇头将数据整合后发往基站。在一段时间后再次进入建立阶段重选簇头。

第六题

网络中的信标节点广播自身的位置信息和跳数计数器，中间节点转发后将对应信标节点的跳数计数器加 1，各个未知节点记录到各个信标节点的最小跳数。

信标节点接收到其他信标节点的广播后，会记录自身与其他信标节点的距离和最小跳数，计算出平均每跳距离：

信标节点将平均每跳距离广播给未知节点。

未知节点根据各个信标节点的平均每跳距离和到各个信标节点的最小跳数，估算出距各个信标节点的距离，当未知点得到 3 个或更多距离时，可根据三边测量法或极大似然估计法计算出未知节点的位置。

第七题

见“无线 Mesh 网络部分”。

车辆自组织网络（VANET）

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第6章 VANET.pdf

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📝 Class Notes

VANET 与 MANET 的区别

MANET 和 VANET 的拓扑都是动态变化的，但并不意味着 VANET 就是 “MANET on wheels”。

它们的区别如下：

冗余度受限。冗余度可以理解为备选资源，如备选路径、多余节点或重复广播的机会。

VANET 的冗余度相比 MANET 受到更严格的限制，从时间上看，由于车辆高速移动与单/双车道的限制，车辆之间的链路寿命可能会非常短暂，无法像 MANET 那样长期保持多条备用链路。当一条链路断开后，新链路的建立需要从头开始。

从功能上看，MANET 中的所有节点都可以参与数据的转发工作，从而形成更高的冗余度；而对 VANET 而言，车辆既是通信节点，又有自己的行驶任务与需求，不是所有的车辆都能够接入网络中进行转发，有些车辆甚至只承担特定的服务。

快速的拓扑变化；

车辆之间的高速移动造成链路寿命十分短暂。

很大的规模；车辆数量多，构成的网络庞大。

802.11p

802.11p 是专门为车载环境下的车-车联网及车-路联网通信而设计的标准，是对 802.11a 的物理层和 MAC 层的优化和扩展。

DSRC 是基于 802.11p 为车联网提供的服务，它在频段内划分了 7 个10 MHz 的信道，其中信道 172 用于安全应用，其他信道用于非安全或增值业务。

在 DSRC 中，有两个重要的角色：路载单元（RSU）和车载单元（OBU）。RSU（路侧单元）每秒广播多次服务信息，OBU（车载单元）优先监听安全信道，再按需切换到其他信道执行非安全业务。

在传统的 802.11 中，网络被划分为多个 BSS 服务区，每个节点只能属于与关联到同一个 BSS ，节点发送的数据帧中附带专属的 BSSID，只有接收端与发送端同属于同一个 BSS 时，帧才能够被处理和接收。

为了支持车载网络中无需预先关联也可广播的重要消息，802.11p 引入了 “Wilder-BSSID” （通配 BSSID）的概念，当使用通配的 BSSID 传播数据时，接收方会将其视为“Wilder BSS” 帧，无需先加入任何 BSS 即可接收和处理。这样就允许车辆间快速地、跨 BSS 进行广播，大幅减少关联握手延时。

同时，在 802.11p 中，所有的车辆默认都会处于 WAVE 模式下，无需进行传统的扫描/关联流程，该模式下发送的所有帧数据都可以使用通配的 BSSID，接收方也始终侦听 Wildcard BSS，确保高优先级的紧急消息能够被所有车辆接收。如果车辆需要访问 RSU 或需要参加其他服务，也可以加入 BSS，但仍然可以使用 Wildercard BSS。

QoS

车联网中的 CSMA/CA 不在考试范围内。

802.11p 中的 QoS 是基于 802.11e 的标准，专为实时服务设计。它将传统的 DCF 替换为 EDCA，将固定时延 DIFS（分布式帧间隔）替换为 AIFS（仲裁帧间间隔）。

在 802.11p 中，用户数据被划分为 4 个访问类别：

AC0；最低优先级。

AC1-AC2：中间优先级。

AC3：最高优先级。

高优先级 AC 使用更小的 AIFS 抢占信道，且能够允许多帧连续发送，具有更小的竞争窗口 CW。具体如下表所示：

泛洪（flooding）（广播抑制）

泛洪就是将一条消息以多跳广播的方式尽可能发给所有节点。

多跳广播是最简单的转发协议，每个节点只要收到消息就立即重广播（Smart Flooding），但这样就容易导致广播风暴（Broadcast Storm）。广播风暴会使得信道相互干扰，数据碰撞，竞争激烈，对系统、用户和应用的使用都有影响。

传统的解决方法如下：

轻量级概率泛洪。节点以固定概率转发，无法保证覆盖且参数难以适配不同的场景。

邻居信息交换或成本/收益估计。需额外的控制报文开销。

拓扑的创建与维护（基于分簇、链、树等）。需要拓扑网络的持续维护，在高动态的 VANET 中难以做到。

广播抑制（Broadcast Suppression）：

这是 VANET 中提出的一种特殊的方法，是一种无需邻居信息，无需控制消息的抑制策略，核心思想为： ① 尽量拉大每跳的距离；② 抑制近距离或密集区域的重复发送。

广播抑制的大致流程如下：

首先根据前一跳发送者的距离估算距离系数，有两种方式估算。

第一种是基于 GPS 的，公式如下：

第二种是基于 RSS 的，公式如下：

越大，说明距离前一跳位置更远，更值得做中继。

抑制策略的选择。

Weighted p-persistence。按照概率决定是否进行重广播，距离越远概率越大。

Slotted 1-persistence。将道路划分为若干个时隙，每个节点根据来选择时隙，时隙距离越近越晚发。若在自己时隙前听到重广播，则放弃转发。

Slotted p-persistence。类似 Slotted 1-persistence，但在自己的时隙内，前向传播的概率是固定的。

无线 Mesh 网络（WMN）

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第9章无线Mesh网络.pdf

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📝 Class Notes

网络拓扑分类

平面网络结构；

节点功能一致；

与 WLAN 不兼容；

适用于节点数较少且不需要接入核心网的场合。

多级网络结构；

节点功能不一致；

任意两个终端节点不能直接通信。

混合网络结构。

Mesh 网络与其他技术的融合

802.11s 与 Mesh 网络的无缝扩展。802.11s 通过在传统的 ESS 中引入 Mesh 路由，将普通的 WLAN 扩展点扩展为既能够作为终端接入又能够实现路由转发的 Mesh 路由器；

802.15.x 针对低功耗、低速率场景设计的拓扑，可以与 802.11s 中的 Mesh 在上层互联，构建“感知层-接入层”上层网络；

802.20 与 Mesh 的移动宽带融合。802.20 支持室内外高速移动数据传输，可在 Mesh 骨干网中引入移动节点为车载或行人提供持续的宽带接入。

速率自适应多跳网 MAC 协议

速率自适应指的是运用自适应调制与编码技术，从而最大限度利用信道容量，根据不同终端报告的信道情况，提供个性化调制方式即个性化速率设定方式。

自适应功率方式理论上虽然也能节省功耗，但对周围节点的干扰比较大。

无线 Mesh 网络与 WLAN 的区别

WLAN 是点对多点通信，每个终端仅与所属的 AP 进行单跳转发，AP 仅提供终端接入功能，不支持数据中继；而 WMN 是网状结构，节点可通过多跳转发数据，网络不仅提供终端接入，也承担数据中继，具备自组织和自修复能力。

WLAN 依赖静态的因特网路由或移动 IP 技术，路由生命周期长，网络拓扑变化慢；而 WMN 采用的是按需发现的路由协议，路由更新周期快，能快速响应链路故障。

WLAN 的 AP 需要依靠有线网络回程，部署受限且容易存在单点故障问题；而 WMN 是无线自成网络，部署快速，节点的故障只影响局部链路。

WLAN 覆盖范围有限且已形成“热点”，容易造成信道拥塞；而 WMAN 则能够自动适应最佳路由，均衡信道资源。

无线 Mesh 网络与 MANET （移动 Ad hoc 网络）的区别

移动 Ad hoc 网络的节点兼有独立路由和主机功能，节点地位平等；而 WMN 是由无线路由器构成的无线骨干网组成，该无线骨干网提供了大范围的信号覆盖与节点连接；

WMN 节点中的移动性低于移动 Ad hoc 网络中的节点，前者更注重于无线，后者更注重于移动；

从网络结构上看，WMN 更侧重于是静拓扑或弱移动的拓扑，而移动 Ad hoc 网络则多为随意移动的拓扑；

从业务模式上看，WMN 主要是来往于因特网间的业务，而移动 Ad hoc 网络主要是任意一对节点间的业务；

从应用上看，WMN 主要是因特网或宽带多媒体通信业务的接入，而移动 Ad hoc 网络主要用于军事或其他专业通信。

5G

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这部分老师说涉及到版权问题，没有发给我们课件。

📝 Class Notes

这部分结合考纲，通过咨询 AI 回答相关的问题。

5G 的三大应用场景

增强型移动宽带（eMBB，enhanced Mobile Broadband）

满足超高清视频、VR/AR、云游戏等对带宽和速率有极高要求的应用。

海量物联网通信（mMTC，massive Machine Type Communications）

支撑海量、低功耗、低成本的设备接入，满足智慧城市、智能抄表、环境监测等场景。

超可靠低时延通信（uRLLC，ultra-Reliable and Low-Latency Communications）

提供 1 ms 级时延和 99.999% 以上的可靠性，满足工业自动化、车联网 V2X、远程医疗等关键业务。

列举无线传输新技术

毫米波通信（mmWave）；

大规模多天线（Massive MIMO）；

非正交多址（NOMA）；

全双工通信（Full-Duplex）；

可见光通信（LiFi）；

解释功率域NOMA工作原理

发送端叠加编码。

基站首先根据用户距离基站的距离、信道条件的好坏将用户分为两个群体 —— “弱信道用户” 和 “强信道用户”。通常将“弱信道用户”与“强信道用户”配对后进行发送。

弱信道用户由于其信道条件差，因此需要分配更高的发射功率，分配比例高；而强信道用户则只用更低的发射功率，分配比例低。

基站根据配对的用户群体的将它们的调制信号按分配比例叠加后发送。

接收端串行干扰消除（SIC）。

接收端收到的信号是叠加后的信号再加上噪声信号，弱信道用户的解码比较简单，因其功率占优，直接将强信道用户信号视为噪声，使用常规解调算法即可解调出来。

强信道用户的解码稍复杂些，由于强信道用户的信道条件好，因此可通过三个阶段来解码。第一阶段解码将信号中的高功率成分（弱信号）视为目标，将其解码出来；第二阶段将复合信号与前一阶段解调出的弱用户信号作差，得到强信道用户调制的信号；第三阶段通过常规解调方法解调出强信道用户信号。

假如接收端接收的是弱信道用户的信息，那么就使用弱信道用户解码；如果接收端接收的是强信道用户信息，就使用强信道用户解码。

如果本篇笔记对你有用，能否『请我吃根棒棒糖🍭 』🤠…

相关资源

绪论

无线传输媒体

无线局域网（802.11）

无线个域网（802.15）

无线城域网（802.16）

MANET(移动 Ad Hoc 网络)

无线传感器网络（WSN）

车辆自组织网络（VANET）

无线 Mesh 网络（WMN）

5G