第七章 第1节

第七章：无线与移动网络（一）

1. 这一章到底在讲什么？

前面我们默认通信链路大多是有线的，比如：

主机 —— 网线 —— 交换机 —— 路由器

但是无线网络变成了：

手机 / 笔记本 ))) 空气 ))) AP / 基站

所以问题变了。

有线网络里，线缆比较稳定；无线网络里，信号在空气中传播，会遇到：

距离变远，信号变弱；

墙、桌子、人、车会阻挡；

多个设备同时发，会互相干扰；

主机可能移动；

不同位置听到的信号不一样。

所以第七章前半部分重点是：

无线链路为什么难？WiFi 是怎么解决共享信道问题的？

2. 无线网络中的基本组件

无线网络主要有三个东西。

2.1 无线主机

无线主机就是：

手机；

笔记本；

平板；

IoT 设备；

车载设备。

它们运行应用，也有协议栈。

注意：

无线主机不一定是移动的。

比如家里的台式机插了无线网卡，它是无线主机，但不移动。

2.2 基站 / AP

基站可以理解成：

无线设备连接到有线网络的入口。

在不同场景下叫法不同：

场景 ｜ 名字 WiFi ｜ AP，Access Point 蜂窝网络 ｜ 基站，base station 4G/5G ｜ eNodeB / gNodeB

它负责和无线主机通信，同时连接到有线网络基础设施。

比如你手机连 WiFi：

手机 ))) AP —— 交换机 —— 路由器 —— Internet

AP 就像无线世界和有线世界之间的桥。

2.3 无线链路

无线链路就是：无线主机 ))) AP / 基站

或者：无线主机 ))) 无线主机

无线链路的特点是：

速率不同；

距离不同；

频段不同；

抗干扰能力不同。

比如：

技术 ｜ 大致特点 Bluetooth ｜ 距离短，速率低 WiFi ｜ 中短距离，速率较高 4G/5G ｜ 覆盖范围大，移动性强 卫星 ｜ 范围很大，延迟高

3. 无线网络分类

单跳 多跳 有基础设施 WiFi / 蜂窝网络 mesh network 无基础设施 Bluetooth / ad hoc MANET / VANET

我们用朴素话解释。

3.1 有基础设施 + 单跳

这是最常见的。

比如 WiFi：

手机 ))) AP —— Internet

手机只需要无线连接到 AP，后面就走有线网络。

蜂窝网络也是类似：

手机 ))) 基站 —— 运营商核心网 —— Internet

这种模式特点：

有中心节点，主机通过 AP 或基站接入网络。

3.2 有基础设施 + 多跳

比如无线 mesh 网络。

有一些节点既可以接入主机，也可以帮其他节点中继。

主机 ))) 节点A ))) 节点B ))) Internet

比单跳复杂，因为中间节点还要帮别人转发。

3.3 无基础设施 + 单跳

比如蓝牙。

两个设备直接通信：

耳机 ))) 手机

没有 AP，也没有基站。

3.4 无基础设施 + 多跳

比如 MANET、VANET。

MANET：移动自组织网络；

VANET：车载自组织网络。

节点之间自己组成网络，还要相互转发。

比如车和车之间通信：

车A ))) 车B ))) 车C

这种最复杂，因为：

没有中心；

节点还会移动；

路由经常变化。

4. 基础设施模式和自组织模式

4.1 基础设施模式

基础设施模式就是：有 AP 或基站。

比如 WiFi 里面：

笔记本 ))) AP —— 有线网络

特点：

主机之间通常不直接通信；

都通过 AP 或基站中转；

移动时可能要切换 AP 或基站；

AP / 基站负责接入控制和资源管理。

4.2 自组织模式

自组织模式就是：

没有 AP 或基站，节点自己组网。

比如几个笔记本直接无线互联。

特点：

节点之间直接通信；

节点可能帮别人转发；

网络拓扑容易变化；

路由更难。

5. 无线链路为什么难？

这是第七章前半部分的核心。

有线链路里，信号沿着线走。

无线链路里，信号在空气中传播，所以问题很多。

5.1 信号衰减

距离越远，信号越弱。

可以理解：离 AP 越远，WiFi 越差

原因是无线电磁波传播时能量会扩散，还会被墙、人体、家具吸收。

所以：距离增加，接收信号强度下降。

5.2 干扰

无线频段是共享资源。

比如 2.4GHz 频段里可能有：

WiFi；

蓝牙；

微波炉；

其他邻居家的 WiFi；

无线鼠标键盘。

这些都会产生干扰。

所以即使离 AP 不远，也可能因为旁边干扰太多，网络很差。

5.3 多径传播

无线信号不是只走一条直线。

它可能被墙壁、地面、桌子反射，形成多条路径。

例如：

AP 直接到手机 AP → 墙壁反射 → 手机 AP → 地面反射 → 手机

这些信号到达时间略有不同，会叠加在一起。

可能增强，也可能抵消。

所以会出现：明明只挪了一小步，信号突然变好或变差。

这就是多径带来的影响。

6. SNR 和 BER

6.1 SNR：信噪比

SNR 是：

S 是 signal，信号功率。

N 是 noise，噪声功率。

通常用 dB 表示：

可以这样理解：SNR 越大，信号比噪声强得越多，通信越可靠。

比如：

老师声音很大，教室很安静 → SNR高 老师声音很小，教室很吵 → SNR低

6.2 BER：误码率

BER 是：

误码率。

意思是：传输的 bit 里面，有多少比例出错。

SNR 和 BER 的关系大概是：

SNR 越高 → BER 越低 SNR 越低 → BER 越高

所以无线系统要根据当前 SNR 调整传输方案。

7. 无线通信中的控制手段

无线通信想提高性能，主要调几个东西：

信号强度 调制方式 传输速率 能耗 误码率

朴素理解：如果信道条件好：信号强，干扰少，那就可以用高速率、高阶调制。

如果信道条件差：信号弱，噪声大，那就要降低速率，换更稳的调制方式。

所以 WiFi 里面会看到：

离路由器近，速率高； 离路由器远，速率低。

是系统根据信道质量做自适应。

8. 隐藏终端问题

这是无线网络非常经典的问题。

假设有 A、B、C 三个节点：

A ))) B ))) C

A 能听到 B。

C 能听到 B。

但是 A 和 C 相距较远，互相听不到。

现在：

A 想给 B 发数据；

C 也想给 B 发数据；

A 听不到 C，所以以为信道空闲；

C 听不到 A，也以为信道空闲；

结果 A 和 C 同时发，B 处发生碰撞。

这叫：隐藏终端问题。

重点：

发送方听不到另一个发送方，但它们的信号会在接收方那里相撞。

也就是：A 和 C 彼此隐藏，但都能干扰 B。

9. 暴露终端问题

还有一个暴露终端问题。

假设：

A ))) B C ))) D

B 正在给 A 发数据。

C 听到了 B 的发送，于是 C 以为信道忙，不敢给 D 发。

但其实：

C 给 D 发；

B 给 A 发；

这两个通信可能不会互相干扰。

所以 C 本来可以发送，却因为听到了 B 而不敢发送。

这叫：暴露终端问题。

重点：节点以为自己会造成干扰，其实不会，于是白白不发送，降低效率。

10. CDMA：码分多址

CDMA 是：

码分多址。

它的核心思想是：

大家可以同时用同一个频段发送，但是每个人用不同的“码”来区分。

类比一下：

技术 ｜ 类比 TDMA ｜ 不同人分时说话 FDMA ｜ 不同人去不同房间说话 CDMA ｜ 大家同时说话，但每个人说不同语言

10.1 CDMA 的基本思想

每个站点分配一个码片序列。

比如站点 A 的码是：

如果 A 要发送 bit 1，就发送自己的码：

如果 A 要发送 bit 0，就发送自己码的反码：

也就是：

10.2 为什么能区分不同用户？

因为不同用户的码要满足正交性。

比如 A 和 B 的码正交：

自己的码和自己点乘：

这里里用了平均内积：

所以：

自己的码和自己算 → 1 自己的码和别人算 → 0 自己的码和自己反码算 → -1

这个就是 CDMA 能从混合信号里分离出目标用户数据的原因。

11. CDMA 解码例子

假设同时有三个用户 A、B、C 发送。

无线信道里收到的信号是叠加结果：

现在接收方想知道 C 发了什么。

就拿收到的总信号 S 和 C 的码做内积：

展开：

因为码之间正交：

所以：

这说明 C 发的是 bit 1。

如果算出来是：

说明 C 发的是 bit 0。

如果算出来接近 0，说明 C 没有发送。

12. CDMA 的理解

CDMA

它就是：

给每个用户一个互相正交的码。 发送时用码表示 bit。 接收时用对应码做内积，把目标用户信号提出来。

CDMA 如何让多个用户同时发送？

答：使用不同的正交码片序列。

为什么不同用户不会互相影响？

答：理想情况下码片序列正交，内积为 0。

如何恢复某个用户的数据？

答：接收混合信号与该用户码片序列做内积。

13. IEEE 802.11：WiFi

802.11 就是 WiFi 的标准族。

不同版本速率、频段、范围不同。

标准 ｜ 常见名字 ｜ 频段 ｜ 特点 802.11b ｜ WiFi 早期 ｜ 2.4GHz ｜ 11 Mbps 802.11g ｜ WiFi 早期 ｜ 2.4GHz ｜ 54 Mbps 802.11n ｜ WiFi 4 ｜ 2.4/5GHz ｜ 更高速 802.11ac ｜ WiFi 5 ｜ 5GHz ｜ 更高吞吐 802.11ax ｜ WiFi 6 ｜ 2.4/5GHz ｜ 高效率

重点是：

802.11 是无线局域网协议，链路层使用 CSMA/CA，而不是以太网的 CSMA/CD。

14. 802.11 LAN 结构

WiFi 有两种模式：

14.1 基础设施模式

这是最常见的。

无线主机 ))) AP —— switch/router —— Internet

一个 AP 加上它服务的一组无线主机，叫：

基本服务集。

比如：

BSS1：AP1 + 一些主机 BSS2：AP2 + 一些主机

14.2 自组织模式

没有 AP。

无线主机之间直接通信。

比如：笔记本A ))) 笔记本B

15. WiFi 连接 AP：关联 associate

手机或笔记本连 WiFi，本质是：

主机和某个 AP 建立关联。

关联之前，主机要先发现附近有哪些 AP。

15.1 被动扫描

被动扫描就是：AP 主动发信标帧 beacon，主机被动听。

过程：

AP 周期性发送 beacon frame；

beacon 里包含 SSID、AP MAC 地址等信息；

主机听到 beacon；

主机选择一个 AP；

主机发送关联请求；

AP 返回关联响应。

像打开手机 WiFi 列表，看到很多 WiFi 名字，本质上就是 AP 在广播自己的存在。

15.2 主动扫描

主动扫描就是：主机主动问：附近有哪些 AP？

过程：

主机广播 probe request；

AP 收到后返回 probe response；

主机选择 AP；

主机发送关联请求；

AP 发送关联响应。

对比：

扫描方式 ｜ 谁先发 被动扫描 ｜ AP 先发 beacon 主动扫描 ｜ 主机先发 probe request

16. 802.11 为什么不用 CSMA/CD？

第六章讲以太网时，我们学过：

也就是：先听再发，边发边检测碰撞。

但是 WiFi 用的是：

也就是：先听再发，尽量避免碰撞。

为什么 WiFi 不用 CSMA/CD？

核心原因：无线中很难边发边检测碰撞。

16.1 原因一：发送信号太强，接收别人的信号太弱

无线网卡自己发送时，自己的信号对自己来说非常强。

别人的信号相对很弱。

所以发送时很难同时听清别人有没有也在发。

就像：

自己大喊的时候，很难听清远处别人是不是也在说话。

16.2 原因二：隐藏终端问题

A 听不到 C。

即使 A 发送时没检测到 C，也不代表 B 那里不会冲突。

所以无线里的碰撞判断更困难。

16.3 原因三：碰撞代价高

无线中一旦长数据帧碰撞，整段数据都浪费了。

所以 WiFi 的思想不是：

碰撞了再处理。

而是：尽量提前避免碰撞。

这就是 Collision Avoidance。

17. CSMA/CA 的基本流程

CSMA/CA 可以这样理解：

先听一会儿，没人说话再随机等一等，然后发送。 收到 ACK 才算成功。

流程如下。

17.1 发送方流程

如果主机要发送数据：

第一步，侦听信道。

如果信道空闲持续 DIFS 时间，就发送整个帧。

信道空闲 DIFS → 发送 data

第二步，如果信道忙，就随机选择一个回退值。

比如选择：

只有在信道空闲时，倒计时才减少。

如果信道又忙了，倒计时暂停。

等信道再次空闲，再继续倒计时。

倒计时到 0 后，发送数据帧。

17.2 接收方流程

接收方收到数据后，如果帧正确，就等一个更短的时间：

然后发送 ACK。

所以：发送方 data → 接收方 SIFS → ACK

注意：

这表示 ACK 的优先级更高。

因为别人要等 DIFS，而 ACK 只等 SIFS，所以 ACK 能抢先发出去。

18. 为什么需要 ACK？

以太网通常不在链路层 ACK。

但是 WiFi 需要 ACK。

原因：

无线链路不可靠，发送方不知道对方是否真的收到了。

可能的情况：

数据帧丢了；

数据帧碰撞了；

数据帧被干扰了；

接收方收到了但 ACK 丢了。

所以 WiFi 中：

收到 ACK → 认为成功 没收到 ACK → 认为失败，重传

19. 为什么要随机回退？

假设两个主机 A、B 都等到信道空闲。

如果都立刻发送：

A 发送 B 发送

那就又撞了。

所以大家要随机等一段时间。

比如：

A 随机等 3 个时隙 B 随机等 7 个时隙

那么 A 先发送，B 听到信道忙，就暂停。

这样就避免了同时发送。

这和第六章以太网的二进制指数退避有点像，但 WiFi 的目标更偏向：

事前避免碰撞。

20. CSMA/CA 大体流程

先听信道 空闲等DIFS 忙则随机退避 只在空闲时倒计时 倒计时到0发送 接收方等SIFS回ACK 没ACK则扩大窗口重传

21. CSMA/CA 仍然无法完全避免冲突

CA 是避免冲突，不是消灭冲突。

无线里仍然可能冲突。

比如隐藏终端：

A ))) AP ((( B

A 和 B 互相听不到。

A 觉得信道空闲，B 也觉得信道空闲。

它们可能都发给 AP，结果 AP 处冲突。

所以还需要 RTS/CTS。

22. RTS/CTS 机制

RTS/CTS 的核心思想是：

发送长数据之前，先用短控制帧预约信道。

RTS：

请求发送。

CTS：

允许发送。

22.1 RTS/CTS 流程

假设 A 要给 AP 发数据。

A 先发 RTS 给 AP；

AP 收到后广播 CTS；

周围节点听到 CTS 后，知道 AP 接下来要接收 A 的数据；

其他节点在预约时间内保持安静；

A 发送 DATA；

AP 返回 ACK。

流程：

A → AP：RTS AP → 所有人：CTS A → AP：DATA AP → A：ACK

22.2 RTS/CTS 解决什么问题？

主要解决隐藏终端问题。

比如：

A ))) AP ((( B

A 和 B 互相听不到，但都能听到 AP。

如果 A 发 RTS，AP 回 CTS。

B 虽然听不到 A 的 RTS，但能听到 AP 的 CTS。

于是 B 知道：

AP 现在要接收别人发来的数据，我先别发。

这样就减少了隐藏终端导致的数据帧冲突。

22.3 RTS 本身会不会冲突？

会。

比如 A 和 B 同时发 RTS。

但是 RTS 很短，就算冲突，浪费也小。

这比两个很长的数据帧撞掉更划算。

所以 RTS/CTS 的思想是：用短帧的小代价，保护长帧的大传输。

23. RTS/CTS 的代价

RTS/CTS 也不是永远都用。

因为它多了控制开销：

RTS + CTS + DATA + ACK

如果数据帧本来很短，用 RTS/CTS 反而不划算。

所以实际系统里通常是：

长帧更适合 RTS/CTS，短帧可以直接发。

24. 本部分核心对比：以太网 和 WiFi

对比 ｜ 有线以太网 ｜ WiFi 802.11 介质 ｜ 网线 ｜ 空气 共享信道问题 ｜ 有，但现代交换机减少很多 ｜ 明显存在 MAC 协议 ｜ CSMA/CD ｜ CSMA/CA 碰撞处理思想 ｜ 检测碰撞后停止 ｜ 尽量提前避免碰撞 是否容易检测碰撞 ｜ 容易 ｜ 很难 是否需要链路层 ACK ｜ 通常不需要 ｜ 需要 典型问题 ｜ 碰撞域 ｜ 隐藏终端、暴露终端、信号衰减

以太网是“边发边听，撞了就停”； WiFi 是“发之前多等等，尽量别撞，收不到 ACK 就重传”。

25. 这部分考试重点整理

25.1 无线链路特点

信号衰减 干扰 多径传播 SNR 和 BER 权衡 隐藏终端 暴露终端

25.2 CDMA

不同用户使用不同正交码 发送1：发送码片序列 发送0：发送反码 接收端用对应码做内积恢复数据

公式：

结果：

与自己的码点乘 = 1 与别人码点乘 = 0 与自己反码点乘 = -1

25.3 WiFi 802.11

AP BSS associate passive scanning被动扫描 active scanning 主动扫描 CSMA/CA ACK RTS/CTS

25.4 CSMA/CA

监听信道 空闲DIFS后发送 忙则随机回退 倒计时只在空闲时减少 发送整个帧 接收方SIFS后ACK 没收到ACK就重传

25.5 RTS/CTS

RTS：请求发送 CTS：允许发送 目的：缓解隐藏终端问题 思想：用短控制帧预约信道，避免长数据帧碰撞

26. 总结

无线网络最大的问题是“空气是共享的，而且每个人听到的空气状态还不一样”。 所以 WiFi 不能像有线以太网一样边发边检测碰撞，而是采用 CSMA/CA：先听、随机等、发完等 ACK。 为了解决隐藏终端问题，还可以用 RTS/CTS 先预约信道。 CDMA 则是另一种思路：大家同时发，但用不同正交码把用户区分开。

下一部分就可以继 802.11 帧结构、移动性、4G/5G 蜂窝网络、移动 IP 这些。