中文版04 IEEE 80211无线网

1IEEE802.11无线局域网2符合IEEE的移动通信技术本地无线网WLAN802.11802.11a802.11b802.11i/e/f/n/s…802.11gWiFi个人无线网WPAN802.15802.15.4802.15.1BluetoothZigBeeWMAN802.16(宽带无线接入)WiBro,802.20+MobilityWiMAX802.15.3UWBWiFi53无线局域网的设计目标低成本全球,无缝操作低功率的电池使用无特殊许可或牌照稳健传输技术简化的自发合作对每个人而言易于使用，管理简便防御(无人能读到我的数据),隐私(无人能收集用户信息),安全(低辐射)透明度相关应用和高层协议，若有必要也可进行位置感知4基础结构vs.自组织网络基础结构网络自组织网络APAPAP有线网AP:访问点5802.11–基础结构网络的架构站点(STA)带访问部件的终端到无线媒介的连接和无线电连接到访问点基本服务组(BSS)使用相同无线电频率的一组站点访问点被综合到无线局域网和分布式系统的站点入口连接到其他（有线）网络的桥梁分布式系统互联网络形成一个基于几个BSS的逻辑网络(ESS:扩展服务组)802.11标准中未指定!分布式系统入口802.xLAN访问点802.11LANBSS2802.11LANBSS1访问点STA1STA2STA3ESS6802.11–自组织网络的架构一个有限范围内的直接通信站点(STA):带访问部件的终端到无线媒介独立的基本服务组(IBSS):使用同一个无线电频率的一组站点802.11LANIBSS2802.11LANIBSS1STA1STA4STA5STA2STA37IEEE标准802.11移动终端访问点固定终端应用程序TCP802.11PHY802.11MACIP802.3MAC802.3PHY应用程序TCP802.3PHY802.3MACIP802.11MAC802.11PHYLLC基础结构网络LLCLLC8802.11–层次和功能PLCP物理层汇聚协议空闲信道评估信号(载波监听)PMD物理媒介相关调制,编码PHY管理信道选择,MIB管理信息库站点管理协调所有的管理功能PMDPLCPMACLLCMAC管理PHY管理MAC访问机制,分段,加密MAC管理联盟,鉴权,同步,漫游,MIB管理信息库,电源管理PHYDLC站点管理9原有的802.11物理层3个版本:2个RF无线传输(80MHzISM频段在2.4GHz)和1个IR红外线数据率1或2Mbit/s1997年批准FHSS(跳频扩频)在美国有79个跳频信道.DSSS(直序扩频)DBPSK差分二进制相移键控调制用于1Mbit/s,DQPSK查分正交相移键控用于2Mbit/s每帧的前导码和信头总用1Mbit/s传输,剩余的传输使用1或2Mbit/s11-位碎片序列(巴克码)最大发射功率1W(美国),100mW(欧洲)红外脉冲位置调制通过天花板反射的漫射模式10DSSSPHY包格式同步SFD信号服务HEC负载PLCP前导码PLCP信头128168816可变位长度16同步能量检测,定时采集,…11111111…SFD(起始帧分界符)1111001110100000信号负载的数据传输率(0A:1Mbit/s即DBPSK;14:2Mbit/s即DQPSK)服务–未使用长度以微秒计的负载长度HEC(信头差错校验)CRC11红外vs微波无线电红外线光谱几乎无限高数据传输率成为可能红外线光谱无管制设备便宜且简单浅色物体即可反射天花板反射可用于整个房间的覆盖范围不能穿越墙壁更容易确保安全防止窃听不同的房间之间干扰极少室内环境将遭受红外背景辐射阳光和室内光一个红外接收器周围的辐射如噪声般出现A需要高功率发射器受限于关系到人眼的安全和过度的电力消耗有限的范围12IEEE802.11b扩展的802.11DSSS1999巴克码,瑞克接地分离多径接收数据传输率动态变速--1,2,5.5,11Mbit/s,取决于SNRBPSK,QPSK,CCK(5.5,11)用户数据传输率最大达到6Mbit/s传输范围户外300m,室内30m最大数据传输率~室内10m频率自由2.4GHzISM-频段安全WEP服务质量尽力,无保证(除非使用轮询,产品支持有限)13信道选择(非重叠)2400[MHz]24122483.524422472信道1信道7信道13欧洲(ETSI)美国(FCC)/加拿大(IC)2400[MHz]24122483.524372462信道1信道6信道1122MHz22MHz14WLAN:IEEE802.11aOFDM正交频分复用1999年7月数据率6,9,12,18,24,36,48,54Mbit/s,取决于SNRBPSK,QPSK,16-QAM,64-QAM用户吞吐量(1500字节封包基准):5.3(6),18(24),24(36),32(54)传输范围户外100m,室内10m例如54Mbit/s最大5m,48最大12m,36最大25m,24最大30m,18最大40m,12最大60m频率自由5.15-5.25,5.25-5.35,5.725-5.825GHzUNII-频段(不同最大功率)5.15-5.25世界范围服务质量,安全,…同802.11b特别的优点/缺点优点:使用拥挤较少的5GHz频段,高带宽缺点:由于使用更高的频率从而有更强的阴影15802.11a/美国U-NII的运行信道5150[MHz]518053505200364416.6MHz中央频率=5000+5*信道号[MHz]8+4个非重叠信道信道4048525660641491531571615220524052605280530053205725[MHz]57455825576516.6MHz信道5785580516OFDM的基本原理子载波之间正交子载波频率间隔紧密每个子载波的功率谱密度的尖峰发生在其他子载波功率的零点.子载波间隔(∆f)等于1/Ts(符号传输周期)例如802.11a64个子载波,∆f=312kHz,Ts=3.2μs例如LTE600个子载波,∆f=15kHz,Ts=66.7μs17OFDM的基本原理低速率并行子载波多路引起的延迟传播会引发符号间干扰.保护时间(循环前缀,800ns)足够用以包含延迟传播，于是被加入到每个OFDM符号中(间隔4μs)每个子载波都是低速率的每个MAC帧被通过多个并行子载波进行传输子载波之间正交子载波频率间隔紧密频率选择性衰减弱子载波上的强衰减通过贯穿子载波的前向纠错(回旋编码)来处理CodedOFDM编码正交频分复用18IEEE802.11a中的OFDM带52个已用子载波的OFDM48个数据+4个引导(加上12个虚拟子载波)312.5kHz间隔(=20MHz/64)子载波编号172126-26-21-7-1信道中心频率312.5kHzpilotIEEE802.11g被批准于2003.运行在2.4GHz频段–范围比802.11a大使用DSSS从1Mbps到5.5Mbps–与802.11b相同使用OFDM从6Mbps到54Mbps--与802.11a相同与802.11b向后兼容当802.11b站点存在时（只是相关）吞吐量严重降低,这是由于802.11b/g混合模式互用机制的开销造成的.802.11b站点不能解译OFDM帧,所以CS失败.前传输CTS:在DSSS模式(低速)中发送CTS来设定NAV.RTC/CTS:处理隐藏终端两种时槽时间(短/长)为性能提升进行的专有扩展封包突发信道绑定1920数据传输率vs距离IEEE802.11n批准于2009.MIMO/OFDM(802.11g/a):高达4个空间流(4X4)扩展信道:40MHz更短的保护间隔:400ns代替了800ns–最大600MbpsMAC开销减少:更高效的数据传输率向后兼容2122802.11–MAC层I交通服务异步数据服务(强制)用DCF(分布式协调功能)实现时限服务(可选)用PCF(点协调功能)实现访问方法DCFCSMA/CA(强制)分布式基础无线媒体访问控制通过随机的“后退”机制进行冲突避免连续封包的最小距离ACK封包用以应答(不用于广播)带RTS/CTS的DCF(可选)避免隐藏终端问题PCF(可选)访问点轮询终端免竞争23802.11-MAC优先通过定义不同的帧间空间SIFS(短帧内间隔):10μs(802.11b/g),16μs(802.11a)高优先,用于ACK,CTS,轮询回应PIFS(PCFIFS):PIFS=SIFS+时槽时间,其为20μs在802.11b中,9μs在802.11a/g中中优先,用于使用PCF的时限服务DIFS(DCFIFS):DIFS=PIFS+时槽时间低优先,用于异步数据服务t媒介忙SIFSPIFSDIFSDIFS下一帧竞争如果媒介闲DIFS则直接访问24t媒介忙DIFSDIFS下一帧竞争窗口(随机后退机制)CSMA/CA访问方法站点准备发送开始监听媒介(载波监听基于CCA,空闲信道评估)如果媒介在一个帧内部间隔(IFS)的周期为闲则站点可以开始发送(IFS依赖于服务类型)如果媒介忙,站点就得等待一个闲的IFS,然后站点还得附加等待一个随机后退时间(冲突避免,多个时槽)时槽时间=20μs用于802.11b,9μs用于802.11a/gCW最小值=16用于802.11a,32用于802.11bCW最大值=1024时槽时间25CSMA/CA访问方法(续)如果另一个站点在该站点的后退时间内占据媒介,则后退时间停止(公平)当后退计时器到达零,则开始传输如果多于一个站点在同一时间内减少到零，将引发一个冲突.如果一个冲突被引发(错过ACK),则相应节点将CW的大小翻倍并从已增加的CW中选择其后退时间在成功传输之后,CW大小被重设为其最小值.26一个简单的例子t忙boe站点1站点2站点3站点4站点5封包到达MACDIFSboeboeboe忙已经过的后退时间bor剩余的后退时间忙媒介不为闲(帧,ack等等.)borborDIFSboeboeboeborDIFS忙忙DIFSboe忙boeboeborbor27CSMA/CA访问方法II发送单播封包站点在发送数据前得等到如果封包被正确收到(CRC)接收器立即回应(在等待SIFS之后)–为ACK优先如果发生传输错误(即如果没收到ack)则自动重传–重传不优先.最大重试计数tSIFSDIFS数据ACK等待时间其他站点接收器发射器数据DIFS竞争28RTS/CTS发送单播封包站点可以在等待DIFS之后发送带预留参数的RTS(预留决定了数据封包需要媒介的时间值)接收器在SIFS之后通过CTS进行回应确认(如果准备好接收的话)其他站点通过RTS和CTS储存媒介预留信息两个(可能不同的)NAV组tSIFSDIFS数据ACK推迟访问其他站点接收器发射器数据DIFS竞争RTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)29RTS/CTS(续)避免隐藏终端问题也减少了冲突造成的带宽浪费数据帧可以大到2300bytesRTS=20bytes,CTS=14bytes数据帧越大越有利RTS阈值当帧大于RTS阈值时为帧启用RTS/CTS每个站点的决定在噪声环境(如高错误率)中减小冲突造成的影响的另一个方法是分段分段阈值所分的段按顺序传输(高优先)当在RTS/CTS模式使用时,RTS/CTS只在第一个分段时握手.代价:扩展延迟!30带RTS/CTS的分段模式tSIFSDIFS数据ACK1其他站点接收器发射器分段1DIFS竞争RTSCTSSIFSSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)NAV(分段1)NAV(ACK1)SI