COMP5416 Week 11 WiFi、蜂窝网络与移动性讲课总结

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COMP5416 Week 11 详解。802.11 标准与 BSS / AP 架构、信道选择与关联、被动/主动扫描、为什么无线不能用 CSMA/CD、CSMA/CA 的 DIFS/SIFS/随机退避/ACK、RTS-CTS 预约及其失败场景、暴露终端、速率自适应；蜂窝网络组成、FDMA/TDMA 与 CDMA、2G/3G/4G LTE 架构（EPC 与 OFDM）；移动性术语（归属网络、永久地址、转交地址、归属/外地代理）、路由处理 vs 端系统处理、间接路由与三角路由、直接路由与锚点外地代理、Mobile IP 的三个组成部分、GSM 的 HLR/VLR 与切换流程、切换算法（阈值、迟滞、驻留定时器），以及移动性对 TCP 的影响。

COMP5416 Week 11 讲课总结：WiFi、蜂窝网络与移动性

课程：COMP5416/COMP4416 — Advanced Network Technologies，Semester 2 2026 讲师：Professor Vincent Gramoli 来源：讲义 W11-WiFi.pdf（59 页）。本周 Canvas 有录播 week11-lecture.mp4，但未下载（文件过大），本文只依据讲义 PDF，没有转录稿内容。本周文件夹里没有 tutorial；与本讲内容对应的练习（LTE 时隙分配、Mobile IP 转交地址）在 Week 12 tutorial 里，解答见 Week 12 总结。 教材：Kurose & Ross 9th ed. —— 第 7 章 7.3（WiFi）、7.4（蜂窝网络）、7.5–7.7（移动性原理与实践）

本周覆盖：IEEE 802.11 WLAN → 蜂窝 Internet 接入 → 移动性原理（寻址与路由）→ Mobile IP → 蜂窝网络中的移动性 → 对上层协议的影响。 前置：Week 10 的无线链路特性、隐藏终端、SNR/BER、CDMA。

第一部分：IEEE 802.11 WiFi

一、802.11 标准（讲义 p3）

标准 年份 最大速率 范围 频率
802.11b 1999 11 Mbps 30 m 2.4 GHz
802.11a 1999 54 Mbps 30 m 5 GHz
802.11g 2003 54 Mbps 30 m 2.4 GHz
802.11n（WiFi 4） 2009 600 Mbps 70 m 2.4、5 GHz
802.11ac（WiFi 5） 2013 3.47 Gbps 70 m 5 GHz
802.11ax（WiFi 6） 2020 14 Gbps 70 m 2.4、5 GHz
802.11af 2014 35–560 Mbps 1 km 未用电视频段（54–790 MHz）
802.11ah 2017 347 Mbps 1 km 900 MHz

全部使用 CSMA/CA，都有基站版和 ad hoc 版。 记忆：a 和 ac 只在 5 GHz；b、g 只在 2.4 GHz；n、ax 双频。

二、802.11 LAN 架构（讲义 p4）

概念 说明
无线主机与基站通信 基站 = 接入点（AP）
BSS（基本服务集，又叫「cell」） 基础设施模式下包含：无线主机 + 一个 AP
ad hoc 模式 只有主机

多个 BSS 的 AP 通过集线器/交换机/路由器连到 Internet。

三、信道与关联（讲义 p5）

信道： - 802.11b：2.4–2.485 GHz 被分成 11 个不同频率的信道 - AP 管理员为 AP 选择频率 - 可能有干扰：所选信道可能和邻近 AP 的相同！

（补充：2.4 GHz 的相邻信道频谱重叠，互不重叠的只有 1、6、11，所以相邻 AP 通常选这三个。）

关联（association）—— 主机必须与一个 AP 关联： 1. 扫描信道，监听包含 AP 名字（SSID）和 MAC 地址的信标帧（beacon frame） 2. 选择要关联的 AP 3. 可能进行认证 4. 通常运行 DHCP 获取 AP 所在子网的 IP 地址

四、被动扫描 vs 主动扫描（讲义 p6）

被动扫描 主动扫描
① AP 发送信标帧 ① H1 广播探测请求（Probe Request）帧
② H1 向选中的 AP 发关联请求帧 ② 各 AP 回探测响应（Probe Response）帧
③ 选中的 AP 回关联响应帧 ③ H1 向选中的 AP 发关联请求帧
④ 选中的 AP 回关联响应帧

被动 3 步，主动 4 步；区别在于谁先开口：被动是 AP 先发 beacon，主动是主机先发 probe。

五、为什么无线不能用 CSMA/CD（讲义 p7–10）

碰撞仍会发生：传播时延使两个节点可能听不到对方的传输；碰撞浪费整个帧的传输时间。

有线 LAN 的 CSMA/CD： - 短时间内检测到碰撞，立即中止，减少信道浪费 - 检测方法：测量信号强度，比较发送和接收的信号；可以同时发送和侦听

无线 LAN 不行：

原因 说明
自己的发射功率淹没接收信号 本地发射强度远大于收到的信号强度，发送时听不到别人
衰落（fading） 收到的信号太弱
隐藏终端 无论如何都无法感知所有碰撞（Week 10）

所以 802.11 没有碰撞检测，目标是「避免碰撞」：CSMA/C(ollision)A(voidance)。

六、CSMA/CA（讲义 p11，必考流程）

802.11 发送方：

  1. 若侦听到信道空闲达 DIFS（分布式帧间间隔），就发送整个帧（没有碰撞检测）
  2. 若侦听到信道忙：
    • 启动随机退避定时器
    • 定时器只在信道空闲时倒数（忙时冻结）
    • 定时器到期就发送
    • 若没收到 ACK：增大随机退避区间，重复第 2 步

802.11 接收方： - 若帧正确收到，等待 SIFS（短帧间间隔）后回 ACK

sender:   |--DIFS--|====== data ======|
receiver:                              |-SIFS-|=ACK=|
设计细节 原因
为什么需要链路层 ACK 发送方无法检测碰撞，只能靠「有没有 ACK」判断成功
为什么 SIFS < DIFS 让 ACK 优先：接收方等 SIFS 就发 ACK，其他想发数据的站要等更长的 DIFS，不会抢在 ACK 前面
为什么退避只在空闲时倒数 保证公平：等得久的站剩余计数少，下次更早发
为什么失败后扩大退避区间 类似以太网的二进制指数退避，降低再次碰撞概率

与 CSMA/CD 的关键差异：CSMA/CD 侦听到空闲就立刻发，碰撞了再中止； CSMA/CA 即使第一次侦听到忙，也要在信道空闲后随机退避再发，因为碰撞一旦发生，整个帧都会白发（无法中途中止）。

七、RTS/CTS 预约（讲义 p12–13）

思想：允许发送方「预约」信道，而不是随机访问数据帧 —— 避免长数据帧碰撞。

步骤 说明
1 发送方先用 CSMA 向基站发一个小的 RTS（Request-To-Send）帧；RTS 仍可能互相碰撞（但很短）
2 基站广播 CTS（Clear-To-Send）作为响应
3 CTS 所有节点都能听到 → 发送方发数据帧，其他站推迟发送

用小的预约分组彻底避免数据帧碰撞！

讲义 p13 时序：A、B 同时向 AP 发 RTS → 预约碰撞 → 退避重试 → A 的 RTS 成功 → AP 广播 CTS(A) → A 发数据，B 推迟。

讲义思考题：A（或 B）怎么知道 RTS 碰撞了？ 答：没有收到 CTS（超时）。和数据帧一样，发送方无法直接检测碰撞，只能通过「预期的响应没来」推断。

RTS/CTS 如何解决隐藏终端

A、C 互相听不到，但都能听到 AP（或 B）：A 发 RTS → AP 回 CTS(A) → C 虽然听不到 A 的 RTS，但听得到 CTS，于是 C 推迟。CTS 把「预约」广播给了所有能干扰接收方的节点。

八、速率自适应（讲义 p14）

基站和移动设备根据 SNR 的变化，动态改变传输速率（物理层调制方式）。

步骤 说明
1 节点远离基站 → SNR 下降、BER 上升
2 BER 过高时，切换到更低的传输速率（但 BER 更低），例如 QAM256 → QAM16 → BPSK

这就是 Week 10 「给定 SNR 和 BER 要求，选吞吐量最高的调制」的动态版本。

九、暴露终端问题（讲义 p15–16）

场景：S1 → R1 和 S2 → R2，S1 与 S2 相邻（互相能听到），但 R1 离 S2 远、R2 离 S1 远。

  • 理想：S1→R1 和 S2→R2 可以同时进行（各自的接收方不受对方干扰）
  • 实际：S2 侦听到 S1 的载波，于是保持静默 → 白白浪费了一次并行的机会
隐藏终端 暴露终端
问题 该等的时候没等（听不到干扰者） 不该等的时候等了（听到了不相干的发送者）
后果 碰撞 吞吐量浪费
根源 载波侦听是在发送方做的，但碰撞发生在接收方 同左

十、RTS/CTS 也会失败（讲义 p17–18）

讲义答：会。（讲义引用 JHU 课件的图，典型情况如下）

失败场景 说明
CTS 被碰撞 某个隐藏节点没听到 CTS（CTS 在它那里与别的帧碰撞），之后照常发送，干扰接收方
RTS/CTS 与其他节点的传输时间重叠 节点在别人的 CTS 发出时正在发送自己的帧，听不到 CTS，于是不知道要推迟

结论：RTS/CTS 显著减少但不能完全消除碰撞；而且它本身有开销（多两个控制帧），所以实际中只对长帧启用（设一个长度阈值）。

第二部分：蜂窝 Internet 接入

十一、蜂窝网络的组成（讲义 p20）

组件 说明
cell（小区） 覆盖一个地理区域
基站（BS） 类似 802.11 的 AP；移动用户通过 BS 接入网络
空中接口（air-interface） 移动设备与 BS 之间的物理层和链路层协议
MSC（移动交换中心） 把小区连到有线电话网；管理呼叫建立；处理移动性

十二、第一跳：共享无线频谱的两种方式（讲义 p21）

方式 说明
FDMA/TDMA 组合 把频谱分成频率信道，每个信道再分成时隙
CDMA 码分多址（Week 10）

十三、2G / 3G / 4G 架构演进

2G（语音）—— 讲义 p22

移动用户 → BTS（基站收发台）→ BSC（基站控制器）→ MSC → Gateway MSC → 公共电话网
           └──── BSS（基站系统）────┘

3G（语音 + 数据）—— 讲义 p23

  • 语音网络核心不变（MSC → Gateway MSC → 公共电话网）
  • 数据网络并行运行：radio network controller → SGSN（Serving GPRS Support Node） → GGSN（Gateway GPRS Support Node） → 公共 Internet

关键洞察：新的蜂窝数据网络（除边缘外）与现有蜂窝语音网络并行运行。 GPRS = General Packet Radio Service。

4G LTE —— 讲义 p24–26

相比 3G 的两大创新：

# 创新 说明
1 EPC（演进分组核心） 简化的全 IP 核心网，统一了电路交换的蜂窝语音网和分组交换的蜂窝数据网
2 LTE 无线接入网 OFDM（正交频分复用）与时分复用的组合

OFDM + TDM 的资源网格：纵轴频率载波 ，横轴时隙（0.5 ms 一格）。基站可以在任意时隙、任意频率上为任意设备分配资源 —— Week 12 tutorial 的 LTE 题就是在这个网格上做公平分配。

2G 3G 4G
业务 语音 语音 + 数据 全 IP
核心 电路交换 电路 + 分组并行 EPC 统一
空口 FDMA/TDMA CDMA OFDM + TDM

第三部分：移动性原理

十四、什么是移动性（讲义 p28）

从网络的视角看，移动性是一个谱：

低 → → 高
无线用户，一直用同一个接入点 移动用户，移动时断开网络 移动用户，经过多个接入点并保持正在进行的连接（如手机通话）

问题：地址应该一直不变吗？ - 手机：无论去哪，电话号码都不变 - IP 地址呢？（IP 地址和所在子网绑定，换网就该换地址 —— 这就是难点）

十五、移动性术语（讲义 p29–30，必背）

术语 含义 例子
归属网络（home network） 移动设备的永久「家」 128.119.40/24
永久地址（permanent address） 归属网络中的地址，总能用来到达移动设备 128.119.40.186
归属代理（home agent） 在归属网络中代表移动设备执行移动性功能的实体 —
外地（访问）网络（foreign / visited network） 移动设备当前所在的网络 79.129.13/24
转交地址（care-of-address, COA） 访问网络中的地址 79.129.13.2
外地代理（foreign agent） 在访问网络中代表移动设备执行移动性功能的实体 —
通信者（correspondent） 想和移动设备通信的一方 —

十六、怎么找到一个经常搬家的朋友（讲义 p31）

讲义类比：朋友经常换地址，你怎么找到她？ - 翻遍所有电话簿？（≈ 路由处理） - 打电话问她父母？（≈ 间接路由，问归属代理） - 指望她主动告诉你她在哪？（≈ 直接路由，拿到转交地址）

十七、两类方法（讲义 p32–33）

方法 做法 评价
让路由处理 路由器通过常规路由表交换，通告当前驻留的移动节点的永久地址；路由表指示每个移动设备在哪；端系统不用改 不能扩展到数百万移动设备
让端系统处理 间接路由：通信者 → 归属代理 → 转发给远端；直接路由：通信者拿到移动设备的外地地址，直接发 实际采用

讲义 p33 专门把「let routing handle it」划掉并标注 not scalable to millions of mobiles。

十八、注册（讲义 p34）

  1. 移动设备进入访问网络时联系外地代理
  2. 外地代理联系归属代理：「这个移动设备住在我的网络里」

结果：外地代理知道该移动设备；归属代理知道移动设备的位置。

十九、间接路由（讲义 p35–37）

步 动作
1 通信者用移动设备的归属地址（永久地址）发分组
2 归属代理截获分组，转发给外地代理
3 外地代理收到分组，转发给移动设备
4 移动设备直接回复通信者

要点：

要点 说明
两个地址 永久地址：通信者用（所以移动设备的位置对通信者透明）；转交地址：归属代理用来转发
三角路由（triangle routing） 通信者 → 归属网络 → 移动设备；当通信者和移动设备在同一网络时很低效
在网络间移动 移动设备向新外地代理注册 → 新外地代理向归属代理注册 → 归属代理更新转交地址 → 分组继续转发到新转交地址
效果 更换外地网络对通信者透明：正在进行的连接可以保持！

二十、直接路由（讲义 p38–40）

步 动作
1 通信者向归属代理请求并获得移动设备的外地地址
2 通信者直接把分组发给外地代理
3 外地代理转发给移动设备
4 移动设备直接回复通信者
优点 缺点
克服三角路由问题 对通信者不透明：通信者必须从归属代理获取转交地址
移动设备换了访问网络怎么办？

用锚点外地代理（anchor FA）处理移动

  • 锚点外地代理：会话开始时第一个访问网络的 FA
  • 数据总是先路由到锚点 FA
  • 移动设备移动时：新 FA 安排让旧 FA（锚点）把数据转发过来（链式，chaining）

这和 GSM 的锚点 MSC 是同一思路；Week 12 的 5G 切换里 UPF 作为固定锚点也是一样。

间接 vs 直接对比

间接路由 直接路由
通信者看到的地址 永久地址 转交地址
对通信者透明 是 否
路径 三角路由，可能低效 近似最短
换网处理 归属代理更新 COA 即可 需要锚点 FA 链式转发

第四部分：Mobile IP（RFC 3344）

二十一、三个组成部分（讲义 p42）

已见过的特性：归属代理、外地代理、外地代理注册、转交地址。标准的三部分：

# 部分
1 数据报的间接路由
2 代理发现（agent discovery）
3 向归属代理注册

二十二、间接路由：分组中的分组（讲义 p43）

通信者发出：          [dest: 128.119.40.186 | payload]
归属代理 → 外地代理：  [dest: 79.129.13.2 | [dest: 128.119.40.186 | payload]]   ← 封装（隧道）
外地代理 → 移动设备：  [dest: 128.119.40.186 | payload]                        ← 解封装

归属代理把原数据报整个封装进一个新的、目的地为转交地址的数据报 —— 这就是 IP-in-IP 隧道。

二十三、代理发现（讲义 p44）

代理通告：外地/归属代理广播 ICMP 消息（type = 9）来通告服务。

字段 说明
type = 9, code = 0 标准 ICMP 路由器通告
移动代理通告扩展（type = 16） 包含 length、sequence #、registration lifetime
R 位 需要注册
H、F 位 是归属代理和/或外地代理
0 个或多个转交地址 —

二十四、注册例子（讲义 p45）

参数：HA = 128.119.40.7，COA = 79.129.13.2（外地代理），MA（移动设备）= 128.119.40.186，访问网络 79.129.13/24。

步 方向 内容
1 FA → 移动设备 ICMP 代理通告，COA: 79.129.13.2
2 移动设备 → FA 注册请求：COA、HA、MA、Lifetime 9999、identification 714、封装格式
3 FA → HA 注册请求（转发）
4 HA → FA 注册回复：HA、MA、Lifetime 4999、identification 714、封装格式
5 FA → 移动设备 注册回复（转发）

两个值得注意的细节： - 归属代理可以缩短生存期：请求 9999，批准 4999。 - identification 714 在请求和回复中相同：用于匹配请求与回复、防重放。

第五部分：蜂窝网络中的移动性

二十五、HLR 与 VLR（讲义 p48）

概念 说明
归属网络 你订阅的蜂窝运营商的网络（如 Vodafone）
HLR（归属位置寄存器） 归属网络中的数据库：永久电话号码、用户资料（服务、偏好、计费）、当前位置信息（可能在别的网络）
访问网络 移动设备当前所在的网络
VLR（访问位置寄存器） 为当前在本网络中的每个用户保存一个条目的数据库；可能就是归属网络

对应关系：HLR ≈ 归属代理，VLR ≈ 外地代理。

二十六、GSM：到移动设备的间接路由（讲义 p49）

步 动作
1 呼叫被路由到归属网络
2 归属 MSC 查询 HLR，得到移动设备在访问网络中的漫游号码（roaming number）
3 归属 MSC 建立到访问网络 MSC 的第二段呼叫
4 访问网络中的 MSC 通过基站完成到移动设备的呼叫

漫游号码 ≈ 转交地址；这就是 GSM 版的间接路由。

二十七、GSM 同一 MSC 下的切换（讲义 p50–51）

切换目标：让呼叫经由新基站继续（不中断）。

切换原因： - 新 BSS 的信号更强（保持连接、更省电） - 负载均衡：释放当前 BSS 的信道 - （GSM 不规定为何、何时切换，那是策略问题） - 切换由旧 BSS 发起

8 个步骤：

步 动作
1 旧 BSS 通知 MSC 即将切换，提供 1 个以上候选新 BSS 列表
2 MSC 建立到新 BSS 的路径（分配资源）
3 新 BSS 分配供移动设备使用的无线信道
4 新 BSS 通知 MSC 和旧 BSS：准备好了
5 旧 BSS 通知移动设备：切换到新 BSS
6 移动设备与新 BSS 交互，激活新信道
7 移动设备经新 BSS 通知 MSC：切换完成；MSC 改路由
8 释放 MSC 到旧 BSS 的资源

顺序要点：先把新路建好（2–4），再让移动设备过去（5–6），最后拆旧路（8） —— 「先建后拆」才能不中断。

二十八、切换算法（讲义 p52–55）

问题：两个基站的接收信号强度（RSS）随移动设备移动而变化，什么时候切？

算法 切换条件 特点
朴素 RSS 乒乓效应（ping-pong）：在边界附近信号波动，来回切换
RSS + 阈值 且 旧基站还够好时就不切
RSS + 迟滞 新的必须明显更好才切，抑制乒乓
RSS + 阈值 + 迟滞 且 两者结合
再加驻留定时器（dwell timer） 条件满足时启动定时器；定时器到期时条件仍满足才切换 过滤掉短暂波动

迟滞 vs 阈值的区别：阈值看的是「旧的够不够差」，迟滞看的是「新的比旧的好多少」。 驻留定时器看的是「这种情况持续了多久」 —— 三个维度：绝对水平、相对差值、持续时间。

第六部分：无线与移动性对上层协议的影响（讲义 p57）

逻辑上影响应该很小： - 尽力而为服务模型不变 - TCP 和 UDP 可以（也确实）运行在无线、移动网络上

但性能上：

问题 说明
比特错误导致的丢包/时延 被丢弃的分组、链路层重传带来的时延
切换 切换期间的丢包和时延
TCP 把丢包当成拥塞 会不必要地减小拥塞窗口 —— 无线丢包不是拥塞，却触发了 Week 06 的乘性减
实时流量的时延损伤 VoIP / 视频受影响

这正是 Week 12 讲 QUIC 时「TCP 各种 flavor」表中的「Wireless networks：loss due to noisy wireless links, mobility; TCP treat this as congestion loss」一行。 常见对策（教材知识）：链路层本地重传（802.11 ACK 就是）、TCP 发送方区分丢包原因、分割连接（split TCP）。

第七部分：本周考点速记

项 答案
802.11 多路访问 CSMA/CA
BSS 组成 无线主机 + AP
802.11b 信道数 11 个（不重叠：1、6、11）
关联后通常做什么 DHCP 获取 AP 子网中的 IP
被动 / 主动扫描步数 3 / 4
为什么不用 CSMA/CD 发送时听不到（自身信号太强）、衰落、隐藏终端
ACK 前等待 SIFS（短于 DIFS，ACK 优先）
发送前等待 DIFS
退避计时器 只在信道空闲时倒数
怎么知道 RTS 碰撞 没收到 CTS
RTS/CTS 能否失败 能
暴露终端 能并行却不发
3G 数据核心 SGSN、GGSN，与语音网并行
4G 两大创新 EPC 全 IP 核心、OFDM + TDM
永久地址 vs 转交地址 归属网络 vs 访问网络
间接路由的问题 三角路由
直接路由的问题 对通信者不透明；移动需锚点 FA
Mobile IP 三部分 间接路由、代理发现、注册
代理通告 ICMP type 9 + 扩展 type 16
HLR / VLR 归属库 / 访问库
GSM 切换发起者 旧 BSS
乒乓效应解法 阈值、迟滞、驻留定时器
无线对 TCP 的影响 误把无线丢包当拥塞，不必要地减窗

易错点

  1. SIFS < DIFS，记反了会解释不通「ACK 为什么优先」。
  2. CSMA/CA 中退避只在空闲时倒数，信道忙时冻结，不是重置。
  3. 隐藏终端导致碰撞；暴露终端导致浪费。
  4. 间接路由下通信者始终用永久地址，所以对通信者透明。
  5. Mobile IP 注册回复里的 Lifetime 可能比请求小。
  6. HLR 在归属网络，VLR 在访问网络。
  7. GSM 切换是旧 BSS 发起的，且「先建后拆」。