第九讲-无线传输与IEEE80211v3

©2015YANWei.Allrightsreserved.第九讲无线传输与IEEE802.11协议1©2015YANWei.Allrightsreserved.WLAN与IEEE802.11主要内容无线传输问题802.11体系结构与服务802.11基本DCF服务802.11扩展DCF服务802.11帧格式阅读4.2.54.4.1~4.4.42熟练掌握隐藏/暴露节点熟练掌握802.11基本概念熟练掌握CSMA/CA掌握RTS/CTS机制理解802.11帧格式与协议控制的关系©2015YANWei.Allrightsreserved.无线局域网的发展31980’s开放ISM(Industrial,ScientificandMedical)频段1990年7月成立IEEE802.11WLAN工作委员会1991年WLAN产品问世1997年6月26日发布IEEE802.11标准WLAN：指以无线信道作为传输介质的计算机局域网。©2015YANWei.Allrightsreserved.什么是Wi-Fi？“WirelessFidelity”(无线相容性认证)非盈利组织（起源于WECA）认证基于802.11的产品互操作性IEEE802.11a、802.11b、802.11g无线连接计算机网络通常用来访问Internet包括200多个成员Agere,Cisco,Conexant,Dell,Intel,Microsoft,Nokia,Philips,Sony,SymbolTechnologiesandTexasInstruments。。。。。。4WECA：WirelessEthernetCompatibilityAlliance©2015YANWei.Allrightsreserved.无线传输相关“范围”传输范围(TX_range)可成功接收帧的通信范围，取决于发送能量和无线电波传输特性侦听范围(PCS_range)可检测到传输的范围，取决于接收器灵敏度和无线电波传输特性。干扰范围(IF_range)在此范围内的节点发送帧，将干扰接收端的接收并导致丢帧。5发送模式接收模式干扰范围传输范围侦听范围©2015YANWei.Allrightsreserved.“隐藏”节点问题假设：A正在向B传输数据，C也要向B发送数据。6由于距离太远而导致一个站点无法检测到介质竞争对手的存在。ABCD？没有载波可以传输CSMA©2015YANWei.Allrightsreserved.“隐藏”节点问题（续）7发送方(A)接收方(B)隐藏节点(C)隐藏节点能够干扰接收方但不能侦听到发送方。TX_range(传输范围)IF_range(干扰范围)PCS_range(侦听范围)©2015YANWei.Allrightsreserved.“暴露”节点问题假设：B正在向A传输数据，C要向D发送数据。8由于侦听到其他站点的发送而误以为介质忙导致不能发送。ABCDCSMA载波存在不能传输©2015YANWei.Allrightsreserved.“暴露”节点问题（续）9暴露节点能够侦听到发送方但不会干扰接收方。接收方(A)发送方(B)暴露节点(C)PCS_range(侦听范围)IF_range(干扰范围)TX_range(传输范围)©2015YANWei.Allrightsreserved.IEEE802.11拓扑结构10BasicServiceSet(BSS):一组相互通信的站点IndependentBasicServiceSet(IBSS)InfrastructureBasicServiceSet(BSS)只能直接通信没有中继功能AP提供：到有线网络连接中继功能站不能直接通信©2015YANWei.Allrightsreserved.IEEE802.11体系结构IEEE802.11体系结构802.11满足与其他有线802.x系列的无缝融合应用程序感觉不到任何不同（除了）带宽低接入时间长无线节点的高层协议（应用协议、TCP、IP）与有线节点的高层协议一样11©2015YANWei.Allrightsreserved.IEEE802.11协议栈12802.11PHY802.11MACLLCIPTCPApplication802.3PHY802.3MACLLCIPTCPApplication802.11PHY802.3PHY802.11MAC802.3MACLLC有线网络©2015YANWei.Allrightsreserved.IEEE802.11协议栈13DSSSFHSSIROFDMPHYMACWEPMACMgmtMIBcontrolLLCUpperlayer寻址方式访问控制帧校验序列生成/检查无线传输信号等规范©2015YANWei.Allrightsreserved.IEEE802.11系列协议14802.11a—50m,54Mbps802.11b—100m,11Mbps802.11g—100m,54Mbps802.11n—150m，600M802.11c—用于改进设备之间的互操作802.11d—扩充802.11无线局域网在其他国家应用。802.11e—改进和管理WLAN的服务质量。802.11f—实现不同厂商无线局域网之间的互操作。802.11h—增强5GHz波段的802.11MAC规范以及802.11b高速物理层规范。802.11i—增强WLAN的安全和鉴别机制。802.11s—无线网状网机制802.1x—Authentication、Authorization、Auditing延伸有线网络取代有线网络©2015YANWei.Allrightsreserved.IEEE802.11介质访问控制802.11MAC设计目标单个MAC支持多个PHY抗干扰能力强处理隐藏节点问题支持实时服务、QoS重载下可扩展且稳定提供节能模式提供私密性和访问控制15三大功能①可靠数据传递②访问控制③安全802.11跳频和红外802.11aOFDM802.11b扩频802.11gOFDM802.11nMIMO/OFDMMACLLC/Upperlayer©2015YANWei.Allrightsreserved.IEEE802.11标准IEEE802.11标准CSMA/CA协议（载波侦听多路访问/冲突避免）RTS/CTS机制（用来解决“隐藏/暴露”节点问题）将包分成小帧多信道漫游16“所提议的无线LAN标准的作用范围是为局域网内固定的、便携的和可移动的站点的无线连接开发的规范”在噪声干扰大的地区把包分成小帧传送以降低重传成本移动节点能动态调频到AP设定的频带©2015YANWei.Allrightsreserved.802.11基本访问机制基于CSMA/CA的强制基本功能避免隐藏节点问题的可选功能实时服务的无冲突polling方法17LLCDCFContention-freeserviceContentionservicePCF(optional)分布式协调功能异步传输服务AP协调功能异步传输服务时限服务DCF：distributedcoordinationfunctionPCF：pointcoordinationfunction©2015YANWei.Allrightsreserved.CSMA/CA机制载波侦听（CSMA）如果介质为空，则节点传输帧；如果介质为忙，则等待直到当前传输完全结束。冲突避免（CollisionAvoidance）随机后退算法优先级确认协议18DeferaccessIFSBusymediumContentionwindowNextframetimeCSMA/CA:CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidanceIFS：interframespace©2015YANWei.Allrightsreserved.CSMA/CA算法19帧等待传输介质空？等某个帧间间隔介质仍空？传输帧等待直到传输完毕等某个帧间间隔介质仍空？指数后退传输帧YYYNN1223N冲突避免等待时间越长优先级越低(DIFS为数据帧等待时间)©2015YANWei.Allrightsreserved.使用CSMA/CA的基本DCF如果介质持续为空的时间大于DIFS，则节点可以立即访问介质。网络负载较轻时可缩短访问延迟网络规模增大时需要其他机制的协助如果介质为忙，则等待一段随机时间。从竞争窗口中随机选择一个等待时间等待时间结束后再次侦听介质是否为忙20BusymediumNextframeDIFSDIFStimeSlottime竞争窗口（随机后退机制）©2015YANWei.Allrightsreserved.随机后退（Backoff）过程21当空闲时间某个帧间间隔(视待发帧类别而定)，立即传输当介质忙，延迟直到（当前传输结束+某个帧间间隔）开始随机后退过程选择一个随机数(0,CW)使用侦听确定每个时间槽是否有活动如果没有活动则减少backoff时间使用后退过程延迟发送的目的在于避免多个站点同时传输引起的冲突。©2015YANWei.Allrightsreserved.优先级——控制等待时间的参数帧间隔定义了帧的优先级SIFS(ShortIFS)PIFS(PCFIFS)DIFS(DCFIFS)22最高优先级SIFS优先级中等优先级PIFS=SIFS+1最低优先级DIFS=SIFS+2ACKCTS轮询响应用途使用PCF时限服务异步数据服务BusymediumContentionwindowNextframeDIFSDIFSPIFSSIFStime介质空闲时间大于DIFS则直接访问后退算法选择随机等待时间©2015YANWei.Allrightsreserved.基本DCF特性分析当网络负载大时竞争窗口越小，站点选择的随机值越接近。当网络负载轻时竞争窗口越大，站点等待时间越长。23导致太多的冲突导致不必要的延迟系统应该自我适应当前想发送的站点数目指数后退算法：竞争窗口初始化为某个最小值，发生冲突时加大窗口，直到达到最大值。