无线与移动网络

无线与移动网络涵盖通过共享无线电链路进行的通信，以及当终端系统改变其连接点时所需的支持，包括Wi-Fi、蜂窝网络以及保持移动设备连接的协议。

Definition

无线与移动网络是计算机网络的一个子领域，关注通过无线（无线电）链路进行的数据通信，以及为移动的、位置变化的终端系统维护连接、寻址和会话的网络机制。

Scope

该领域涵盖了无线链路特有的挑战——衰减、干扰、多径效应以及有线媒体中不存在的隐藏终端问题——以及解决这些问题的技术：采用CSMA/CA介质访问的IEEE 802.11无线局域网、从早期蜂窝网络到4G/5G架构的演进，以及移动性管理，它允许设备在网络间移动时保持连接和寻址。它将无线视为一种链路和接入技术，并探讨其对上层协议栈的影响，但不包括详细的射频物理层工程。

Sub-topics

• 蜂窝网络
• 移动性管理
• Wi-Fi 和无线局域网
• 无线链路特性

Core questions

• 无线链路与有线链路有何不同？这些差异如何影响协议？
• 隐藏终端问题是如何产生的？CSMA/CA如何缓解Wi-Fi中的冲突？
• 蜂窝网络是如何组织成小区、基站和核心网的？它在不同代际之间是如何演进的？
• 当主机在网络之间移动时（移动性管理），其地址和路由是如何维护的？
• 处理移动性与仅仅处理无线链路之间有何区别？

Key concepts

• 无线链路损伤（衰减、干扰、多径）
• 隐藏终端问题
• CSMA/CA
• IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• 接入点和关联
• 蜂窝小区和基站
• 频率复用
• 切换（handover）
• 移动IP和转交地址
• 4G/5G核心网

Key theories

无线链路损伤与CSMA/CA

无线电链路会受到信号衰减、干扰和多径效应的影响，并且冲突检测不切实际，因此Wi-Fi使用带冲突避免的载波侦听多路访问，并可选地使用RTS/CTS握手来解决隐藏终端问题。

蜂窝架构与频率复用

蜂窝网络将一个区域划分为由基站服务的小区，并在非相邻小区之间复用频率以最大化频谱效率，核心网负责认证、会话管理以及与更广泛互联网的连接。

移动性管理与间接寻址

保持移动设备可达需要跟踪其位置并将流量路由到其当前网络，传统上通过归属代理和转交地址（移动IP）实现，或者在蜂窝系统中，通过核心网的移动性管理实体实现。

Clinical relevance

无线与移动网络是大多数人现在访问互联网的方式：Wi-Fi连接家庭、办公室和公共场所，而蜂窝网络则为数十亿设备提供移动宽带。移动性管理使得用户在移动时能够实现无缝切换，而5G的架构则针对低延迟和大设备连接用例，例如工业自动化和物联网。容量规划、频谱使用和漫游都依赖于这些概念。

History

20世纪70年代的包无线电研究，包括ALOHA系统，确立了无线信道上的随机接入。IEEE 802.11标准（1997年至今）使无线局域网普及，而蜂窝网络则从模拟1G演进到数字GSM，再到基于分组的4G LTE和5G。IP主机的移动性支持被标准化为移动IP，现代蜂窝核心网集成了移动性、安全性以及IP连接。

Key figures

• Charles Perkins
• Norman Abramson
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020
• tanenbaum2010

Frequently asked questions

为什么Wi-Fi使用冲突避免而不是像有线以太网那样使用冲突检测？

无线发射器在发送时通常无法监听冲突，因为其自身信号会淹没任何传入信号，而且一个站点甚至可能听不到在接收端发生冲突的另一个站点（隐藏终端问题）。因此，Wi-Fi通过载波侦听、随机退避和确认来提前避免冲突，而不是在传输过程中检测冲突。

无线网络和移动网络有什么区别？

无线是指在单个跳中使用无线电链路而不是有线连接，而移动性是指设备随时间改变其连接到网络的接入点。设备可以是无线的但静止的，也可以是跨有线对接点的移动的；移动网络专门解决在接入点改变时保持连接和寻址完整的问题。