無線およびモバイルネットワーキング
無線およびモバイルネットワーキングは、共有無線リンクを介した通信と、エンドシステムが接続ポイントを変更する際に必要となるサポートを対象とし、Wi-Fi、セルラーネットワーク、および移動中のデバイスを接続状態に保つプロトコルにわたります。
Definition
無線およびモバイルネットワーキングは、無線（電波）リンクを介したデータ通信と、移動する、場所が変化するエンドシステムのために接続性、アドレス指定、およびセッションを維持するネットワークメカニズムに関心を持つコンピュータネットワークのサブフィールドです。
Scope
この分野は、無線リンク特有の課題（減衰、干渉、マルチパス、有線メディアには存在しない隠れ端末問題）と、それらに対処する技術を扱います。具体的には、CSMA/CAメディアアクセスを備えたIEEE 802.11無線LAN、初期世代から4G/5Gアーキテクチャに至るセルラーネットワーク、およびデバイスがネットワーク間を移動する際に接続性とアドレス指定を維持できるようにするモビリティ管理が含まれます。無線をリンクおよびアクセス技術として扱い、スタックの上位層への影響も考慮しますが、詳細な無線周波数物理層エンジニアリングは除外します。
Sub-topics
Core questions
- 無線リンクは有線リンクとどのように異なり、それらの違いはプロトコルにどのように影響しますか？
- 隠れ端末問題はどのように発生し、CSMA/CAはWi-Fiでの衝突をどのように軽減しますか？
- セルラーネットワークはセル、基地局、およびコアにどのように組織され、世代を超えてどのように進化してきましたか？
- ホストのアドレスとルーティングは、ネットワーク間を移動する際にどのように維持されますか（モビリティ管理）？
- モビリティの処理と単に無線リンクの処理との違いは何ですか？
Key concepts
- 無線リンクの障害（減衰、干渉、マルチパス）
- 隠れ端末問題
- CSMA/CA
- IEEE 802.11 (Wi-Fi)
- アクセスポイントとアソシエーション
- セルラーセルと基地局
- 周波数再利用
- ハンドオフ（ハンドオーバー）
- モバイルIPとCoA (care-of address)
- 4G/5Gコアネットワーク
Key theories
- 無線リンクの障害とCSMA/CA
- 無線リンクは信号の減衰、干渉、マルチパスに悩まされ、衝突検出は実用的ではないため、Wi-Fiはキャリアセンス多重アクセスと衝突回避、およびオプションのRTS/CTSハンドシェイクを使用して隠れ端末問題に対処しています。
- セルラーアーキテクチャと周波数再利用
- セルラーネットワークは、地域を基地局によってサービスされるセルに分割し、隣接しないセル間で周波数を再利用してスペクトル効率を最大化します。コアネットワークは認証、セッション管理、および広範なインターネットへの接続を処理します。
- モビリティ管理と間接参照
- 移動するデバイスに到達可能であるためには、その位置を追跡し、現在のネットワークにトラフィックをルーティングする必要があります。これは、従来はホームエージェントとCoA (care-of address)（モバイルIP）を介して、またはセルラーシステムではコアネットワークのモビリティ管理エンティティを介して行われます。
Clinical relevance
無線およびモバイルネットワーキングは、現在ほとんどの人がインターネットにアクセスする方法です。Wi-Fiは家庭、オフィス、公共スペースを接続し、セルラーネットワークは何十億ものデバイスにモバイルブロードバンドを提供しています。モビリティ管理は、ユーザーが移動する際のシームレスなハンドオフを可能にし、5Gのアーキテクチャは、産業オートメーションやモノのインターネットなどの低遅延および大規模デバイスのユースケースを対象としています。キャパシティプランニング、スペクトル利用、ローミングはすべてこれらの概念に依存しています。
History
1970年代のパケット無線研究（ALOHAシステムを含む）は、無線チャネル上でのランダムアクセスを確立しました。IEEE 802.11標準（1997年以降）は無線LANを普及させ、セルラーネットワークはアナログ1GからデジタルGSM、そしてパケットベースの4G LTEおよび5Gへと進化しました。IPホストのモビリティサポートはモバイルIPとして標準化され、現代のセルラーコアはモビリティ、セキュリティ、およびIP接続を統合しています。
Key figures
- Charles Perkins
- Norman Abramson
- Andrew S. Tanenbaum
Related topics
Seminal works
- kurose2021
- ieee80211-2020
- tanenbaum2010
Frequently asked questions
- Wi-Fiが有線イーサネットのような衝突検出ではなく衝突回避を使用するのはなぜですか？
- 無線送信機は、送信中に衝突を検出することが一般的にできません。これは、自身の信号が他の受信信号を圧倒するためであり、また、受信側で衝突している別の送信機を全く聞くことができない場合があるためです（隠れ端末問題）。そのため、Wi-Fiは送信中に衝突を検出するのではなく、キャリアセンシング、ランダムバックオフ、および確認応答を使用して事前に衝突を回避します。
- 無線ネットワークとモバイルネットワークの違いは何ですか？
- 無線とは、単一のホップにワイヤーの代わりに無線リンクを使用することを指し、モビリティとは、デバイスが時間の経過とともにネットワークへの接続ポイントを変更することを指します。デバイスは無線であっても静止している場合もあれば、有線のドッキングポイント間を移動する場合もあります。モバイルネットワーキングは、接続ポイントが変化しても接続性とアドレス指定を維持することに特に対処します。