07IEEE80211技术标准分析

IEEE802.11技术标准分析邓佳君[e-mail]15313950203宽带接入与无线网络组建第一讲内容提纲IEEE802.11无线局域网基础802.11系列协议802.11分层协议体系123无线局域网主要特点4宽带接入与无线网络组建第一讲IEEE802.11无线局域网基础无线局域网标准分化IEEE802.11阵营，主张采用无连接的WLAN，是从面向数据的计算机通信发展而来的；另一个阵营是HIPERLAN-2（欧盟1992年提出）是基于连接的WLAN，从面向语音通信的蜂窝电话发展而来的。宽带接入与无线网络组建第一讲IEEE802.11无线局域网基础IEEE802.11发展历程最大传输速率宽带接入与无线网络组建第一讲IEEE802.11无线局域网基础ISM频段ISM（IndustrialScientificandMedical）频段是一个免许可证的可用于发展消费电子产品的频段，由美国联邦通信委员会（FCC）分配。分别规定了工业、科学研究和医疗的使用频段。802.11无线局域网使用的频率为ISM频段中的2.4G和5.8G两部分。宽带接入与无线网络组建第一讲IEEE802.11无线局域网基础802.11无线局域网结构图1-1基础结构图1-2ad-hoc结构802.11无线局域网结构无线终端通过访问接入点设备AP与骨干网相连无线终端在对等的基础上进行通信宽带接入与无线网络组建第一讲IEEE802.11无线局域网基础基础结构的802.11无线局域网基础结构的无线局域网目前有几种常用网络拓扑方式：总线型拓扑、星型拓扑、网状网拓扑。宽带接入与无线网络组建第一讲IEEE802.11无线局域网基础ad-hoc结构的802.11无线局域网安装有无线网卡的计算机实施无线互联，其中一台计算机连接Internet就可以共享带宽。对等、无中心、自组织宽带接入与无线网络组建第一讲802.11系列协议802.11标准作为基础协议，包含了物理层和MAC子层的内容，后续扩展（如：802.11a、802.11b、802.11g和802.11n）都延续了它所定义的MAC协议。IEEE802.11aIEEE802.11bIEEE802.11gIEEE802.11n物理层宽带接入与无线网络组建第一讲802.11系列协议关键参数（十分重要）标准名称数据速率工作频段覆盖范围室内/室外802.111或2Mbps2.4GHz25m/75m802.11a54Mbps5GHz30m/100m802.11b11Mbps2.4GHz35m/110m802.11g54Mbps2.4GHz35m/110m802.11n300Mbps2.4/5GHz70m/160m宽带接入与无线网络组建第一讲802.11分层协议体系IEEE802.11作为无线局域网的技术标准，其主要规定的标准在于物理层（PHYLayer）和媒体接入控制层（MACLayer）。无线局域网与有线局域网的主要区别体现在物理层和数据链路层。宽带接入与无线网络组建第一讲802.11分层协议体系802.11标准协议栈和OSI七层模型的对应图IEEE802.11逻辑链路控制LLCIEEE802.11媒体接入控制MAC跳频扩频直序扩频红外MACPHYOSI2OSI1宽带接入与无线网络组建第一讲802.11物理层物理层定义了设备之间实际连接的电气性能，为上层提供传输链路，包括使用频率、调制技术、频率扩展技术等。IEEE802.11使用2.4GHz频段，数据速率为2Mbit/，物理层定义了3种标准，分别是红外传输（IrDA）、直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）。宽带接入与无线网络组建第一讲802.11媒体接入控制层(MAC)媒体接入控制层关注的则是在多个站点共享信道的情况下，如何将全部的信道资源分配给各个节点，保证传输不冲突，在相对公平的前提下尽量提高系统的吞吐量或保证某些业务的QoS.宽带接入与无线网络组建第一讲802.11物理层关键技术直接序列扩频（DSSS）DirectSequenceSpreadSpectrum码片，密码宽带接入与无线网络组建第一讲802.11物理层关键技术直接序列扩频（DSSS）扩频后，信号带宽变大解扩后，信号带宽恢复扩频是一种在信号的带宽进行扩展的技术。•隐蔽性好，传输中信号隐藏在噪声中•抗干扰性强，误码率低•可以实现码分多址•提高了无线频谱利用率宽带接入与无线网络组建第一讲802.11物理层关键技术跳频扩频(FHSS)FrequencyHoppingSpreadSpectrumFHSS系统在一个扩展或宽波段的信道上使用不同的中心频率，以预先安排好的顺序在固定的时间间隔内进行跳频。跳频现象可以使FHSS系统避免受到信道内窄带噪声的干扰。宽带接入与无线网络组建第一讲802.11物理层关键技术红外线技术红外线局域网采用小于1um波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性。优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。缺点：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。宽带接入与无线网络组建第一讲802.11物理层关键技术正交频分复用技术（OFDM）基本原理：是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波上，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流进行传输。子信道：1,2,3，4，5…正交性：相互间不干扰OFDM的优点：1）抗码间干扰2）抗子载波干扰。3)信道利用率高。宽带接入与无线网络组建第一讲单载波系统OFDM技术原理-频带效率多载波系统timefrequencyB=1MHz1/(1μs)TBtimefrequencyB1KHzfT(1ms)低速并行码流高速串行码流宽带接入与无线网络组建第一讲OFDM技术原理-码间干扰（ISI）maxμs,20μs(5,)timeamplitude不同波形畸变不同时延宽带接入与无线网络组建第一讲OFDM技术原理-子载波干扰（ICI）FrequencyFDMFrequency节约频谱OFDM消除ICI宽带接入与无线网络组建第一讲802.11物理层关键技术多进多出技术（MIMO）宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术经典以太网—冲突冲突（Collision），有时也叫做碰撞，由多台主机争用传输媒介引起的。当连接在共享链路上的两台或两台以上主机同时发送数据时，表示这些数据的信号将在同一段传输媒介上叠加时，从而导致无法被接收主机正确接收。两台主机同时发送数据宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术CSMA/CA在广播通信网络中，所有的设备共享一条信道，为了解决多个用户争抢信道问题，需要一个公平合理的介质访问控制协议，IEEE802.11所提供的媒体接入控制层的共享信道接入方案是：碰撞避免的载波侦听多址接入（Carrier-SenseMultipleAccessCollisionAvoidance）宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术CSMA/CA步骤•载波侦听（CarrierSense）：当某台主机想要发送数据时，它首先侦听媒介是否忙，如果是，表示当前有其它主机正在传输数据，因此将继续侦听，直到媒介空闲，然后发送数据。这时空闲时间需大于分布式帧间隔（DIFS），否则进行执行退避算法•冲突检测（CollisionDetection）：如果主机在数据发送过程中检测到冲突，则发送干扰信号（jammingsignal），以确保所有主机都知道发生了冲突，并且取消发送主机检测到冲突发送干扰信号主机发送数据之前进行载波侦听宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术经典以太网—退避算法当主机检测冲突后，它将等待一个随机的时间，也称作退避（backoff）二进制指数退避算法来确定冲突发生后的随机等待时间宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术CSMA/CA基本过程站点准备发送帧信道是否空闲等待IFS信道仍空闲传输帧等待直到信道空闲等待IFS信道仍空闲选择随机退避时间信道仍空闲退避计数器为0退避计数器减1传输帧YNYNNNNYYY宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术CSMA/CA基本过程1、检测信道空闲与否（状态检测）2、等待固定时间IFS（等待）3、退避计时：等待随机时长（队列排队）其中，1是每个一个时隙进行的。图例备注：•窗口绿色表示正常工作；•红色表示暂停工作售票大厅1等待状态检测窗口•退避计时中如检测到信道忙，则暂停计时；•信道重新空闲后，等待固定时间IFS后继续计时。宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术802.11MAC管理子层MAC管理子层的功能主要是同步管理、认证与关联、省电管理、业务流TS、块确认操作、直接链路建立、发送功率控制和动态频率选择等。802.11MAC管理子层负责客户端与AP之间的通讯，主要功能包括：接入、扫描、认证、加密、漫游和同步。宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术1、用户接入管理过程验证关联和建立关联关系的AP收发数据宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术2、扫描（Scanning）802.11无线局域网通过扫描方式获取同步信息，扫描方式有两种，一种是主动扫描（ActiveScanning），通过侦听AP定期发送的Beacon帧来发现网络，另一种是被动扫描(PassiveScanning)，在每个信道上发送Proberequest报文，从ProbeResponse中获取BSS的基本信息。宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术3、链路验证（Authentication）宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术4、关联（Association）宽带接入与无线网络组建第一讲802.11数据链路层关键技术5、同步管理在802.11无线局域网中，所有的节点必须采用一个公共的时钟才能实现相互的通信，时钟同步功能（RSF）,使所有节点的定时器保持同步。宽带接入与无线网络组建第一讲无线局域网主要特点与有线网络相比，WLAN具有以下优点：安装便捷使用灵活经济节约易于扩展是蜂窝移动通信的补充与3G网络不同：3G支持移动性，WLAN支持便携性3G支持语音和数据，WLAN主要支持数据宽带接入与无线网络组建第一讲802.11无线局域网的市场应用作为有线网络无线延伸：旅游休闲上网移动办公医疗、金融证券对于难于布线的环境对于频繁变化的环境对于临时需要的宽带接入•结束38