802.11协议

802.11b/g/n协议一、符合IEEE的移动通信技术二、802.11四种主要物理组件1.工作站(Station)构建网络的主要目的是为了在工作站间传送数据。所谓工作站，是指配备无线网络接口的计算设备，即支持802.11的终端设备。如安装了无线网卡的PC，支持WLAN的手机等。2.接入点(AccessPoint)802.11网络所使用的帧必须经过转换，方能被传递至其他不同类型的网络。具备无线至有线的桥接功能的设备称为接入点，接入点的功能不仅于此，但桥接最为重要。为STA提供基于802.11的接入服务，同时将802.11mac帧格式转换为以太网帧，相当于有限设备和无线设备的桥接器。3.无线媒介(WirelessMedium)802.11标准以无线媒介在工作站之间传递帧。其定义的物理层不只一种，802.11最初标准化了两种射频物理层(2.4GHz和5GHz)以及一种红外线物理层。4.分布式系统(DistributionSystem)当几个接入点串联以覆盖较大区域时，彼此之间必须相互通信以掌握移动式工作站的行踪。分布式系统属于802.11的逻辑组件，负责将帧传送至目的地，将各个AP连接起来的骨干网络。三、无线局域网的网络类型Infrastructure网络架构可以实现多终端共用一个AP。需要AP提供接入服务，AP负责基础结构型网络的所有通信。这种网路可以提供丰富的应用，较多的STA接入数量。Ad-hoc网络没有有线基础设施，网络节点由移动主机构成，无线网卡之间的通讯，不需要通过AP。一般是少数几个STA为了特定目的而组成的一种暂时性网络，又称特设网络。802.11-基础结构网络的架构注意：BSS(basicserviceset)基本服务集由能互相通信的STA组成，是802.11网络提供服务的基本单元；ESS扩展网络由多个BSS构成，是采用相同SSID的多个BSS形成的更大规模的虚拟BSSS，是为了解决单个BSS覆盖范围小的问题而定义的；SSID（服务集标识），标识一个ESS网络，相当于网络的名称；BSSID是AP的MAC地址，用来标识AP管理的BSS。BSS和ESS的关系如下图：802.11-自组织网络的架构四、802.11-层次和功能各种PHY层技术的区别在于不同的编码调制方式、不同的速率以及不同的PHY层帧格式。802.11基本物理层（2.4GHz频段）DSSS：1,2MbpsFHSS：1,2MbpsIR：1,2Mbps802.11b（2.4GHz频段）HR/DSSS：DBPSK：1,DQPSK：2Mbps，CCK：5.5，11Mbps802.11g（2.4GHz频段）--ERP（ExtendedRatePHY）ERP-DSSS/CCK：1,2,5.5,11MbpsERP-OFDM：6,9,12,18,24,36,48,54MbpsERP-PBCC(可选)：22,33MbpsDSSS-OFDM(可选)：6,9,12,18,24,36,48,54Mbps802.11n（2.4GHz、5GHz频段）MIMO-OFDM802.11与ISO对比802．11协议主要工作在ISO协议的最低两层上。802.11PHY分层结构物理层管理实体PLME（PhysicalLayerManagementEntity）与MAC层管理相连，上层通过该模块对PHY进行管理、控制，主要是PHYMIB寄存器。物理层汇聚过程PLCP（PhysicalLayerConvergenceProcedure）子层规定如何将MAC层协议数据单元(MPDU)映射为合适的物理层帧格式，可以理解为PHY层的编码和封包过程。物理媒介相关PMD（PhysicalMediumDependent）子层直接与无线媒介发生关联，主要是最底层涉及编码、调制和无线收发的部分。MSDU：MACServiceDataUnit，MAC层业务数据单元。这是最原始的待发数据信息；MPDU：MACProtocolDataUnit，MAC层协议数据单元。将MSDU按一定帧结构包装后的待发数据信息；PSDU：PLCPServiceDataUnit，PLCP子层业务数据单元。实际就是从MAC层传来的MPDU信息PPDU：PLCPProtocolDataUnit，PLCP子层协议数据单元。将PSDU按照特定的帧格式进行数据封装后的数据包，这也是最终将经由物理介质发送出去的数据封装。PLCP子层将MAC层传来的数据MPDU转换为PSDU，然后，加上PLCP头（PLCPHeader）信息和前导码（PreambleCode）就构成了PPDU数据帧结构。IEEE定义了两种前导码和头信息组成的PPDU帧结构：长前导码（LongPreamble）和头信息组成的长PPDU帧以及短前导码（ShortPreamble）和头信息组成的短PPDU帧。802.11的物理帧结构分为前导信号（Preamble）、信头Header和负载Payload。Preamble主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其它移动台以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔。Preamble完成，接收方才开始接收数据。Header在Preamble之后用来传输一些重要的数据比如负载长度、传输速率、服务等信息。由于数据率及要传送字节的数量不同，Payload的包长变化很大，可以十分短也可以十分长。在一帧信号的传输过程中，Preamble和Header所占的传输时间越多，Payload用的传输时间就越少，传输的效率越低。在接收PPDU数据包时，需要CCA（ClearChannelAssessment）：空闲信道评估，它的作用是PHY根据某种条件来判断当前无线介质是处于忙还是空闲状态，并向MAC通报。高速PHY至少应该按照下面三个条件中的一个来进行信道状态评估：－CCA模式1：根据接收端能量是否高于一个阈值进行判断。如果检测到超过ED（能量检测，EnergyDetection）阈值的任何能量，CCA都将报告介质当前状态为忙。－CCA模式2：定时检测载波。CCA启动一个3.65ms长的定时器，在该定时范围内，如果检测到高速PHY信号，就认为信道忙。如果定时结束仍未检测到高速PHY信号，就认为信道空闲。3.65ms是一个5.5Mbps速率的PSDU数据帧可能持续的最长时间。－CCA模式3：上述两种模式的混合。当天线接收到一个超过预设电平阈值ED的高速PPDU帧时，认为当前介质为忙。当接收机收到一个PPDU时，必须根据收到的SFD字段来判断当前数据包是长PPDU还是短PPDU。如果是长PPDU，就以1Mbps速率按BPSK编码方式对长PLCP头信息进行解调，否则以2Mbps速率按QPSK编码方式对短PLCP头信息进行解调。接收机将按照PLCP头信息中的信令（SIGNAL）字段和业务（SERVICE）字段确定PSDU数据的速率和采用的调制方式。五、IEEE802.11b/g/n标准对比表2.4Ghz频段还有其他应用包括蓝牙无线连接，手机甚至微波炉，这个频段应用的干扰会进一步限制WLAN用户的可用带宽。1802.11b扩展的DSSS；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;频率--3非重叠ISM频带，自由2.4GhzISM频段；传输范围--户外300m，室内30m最大数据传输率要在室内10m内；安全—WEP802.11b数据传输率2802.11g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RTS/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3802.11n数据传输率支持1、2、5.5、6、9、12、18、24、36、48、54Mbps；正交频分复用(OFDM)、多输入/多输出(MIMO)和通道捆绑(CB)，高达4个空间流；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；3非重叠ISM频带，频率为2.4Ghz；12非重叠需要许可证的国家信息基础设施(UNII)频道，5Ghz频带；向后兼容。802.11nOFDM调制方法、编码和数据率六、频谱划分WiFi总共有14个信道，如下图所示：1)IEEE802.11b/g标准工作在2.4G频段，频率范围为2.400—2.4835GHz，共83.5M带宽2)划分为14个子信道3)每个子信道宽度为22MHz4)相邻信道的中心频点间隔5MHz5)相邻的多个信道存在频率重叠(如1信道与2、3、4、5信道有频率重叠)6)在只允许11个频道的地区，整个频段内只有3个（1、6、11）互不干扰信道2.4GHz中国信道划分802.11b和802.11g的工作频段在2.4GHz（2.4GHz-2.4835GHz），其可用带宽为83.5MHz，中国划分为13个信道，每个信道带宽为22MHz。北美/FCC2.412-2.461GHz(11信道)欧洲/ETSI2.412-2.472GHz(13信道)日本/ARIB2.412-2.484GHz(14信道）七、802.11物理层关键技术IEEE802.11无线局域网络采用微蜂窝，微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络。其关键技术大致有三种：DSSS、CCK技术和OFDM。每种技术皆有其特点，目前，扩频调制技术正成为主流，而OFDM技术由于其优越的传输性能成为人们关注的新焦点。1DSSS(直序扩频)DSSS的基本运作方式：通过精确的控制将RF能量分散至某个宽频频段。扩频器将窄频输入信号的振幅平坦分布至较宽的频段；接收时原始信号可以通过相关器还原，只要逆转整个扩频程序即可。DSSS系统采用了每秒一千一百万的碎片率。原本DSPHY将碎片流分为一系列11位的Barkerword，每秒传送一百万个。每个word当中，编码一或两个位所以速率为1.0Mbps或2.0Mbps。DSSS（直接序列）工作于2.4GHz频段，采用BPSK和QPSK两种调制方式，对应1Mbps和2Mbps两种速率。PLCP子层PLCP子层从MAC层获取MPDU封包，增加PLCP前导和帧头，转化为PPDU封包进行传输。PPDU帧格式如下：各个域作用：SYNC：同步序列128bit，为全‘1’，用于同步发射器和接收器；SFD：帧起始符16bit，为“0x05CF”，用于接收器识别一个帧的开始。Signal域：接收器通过该字段识别后面MPDU封包所用的调制方式和速率，0x0A表示1Mbps，0x14表示2MbpsService域：该域保留，设置为全‘0’。Length域：该域用于表示传输当前帧所需的时间，是一个16位无符号整数，单位是微秒。扰码整个PPDU需要经过扰码器进行扰码，其目的是使数据尽量的随机化，使频谱呈现类似白噪声的特性，从而增强抗衰落的能力。发送和接收过程PPDU的前导和帧头必须采用BPSK调制（1Mbps），MPDU的调试方式从上层传递下来的TXVECTOR决定，并将Signal域设置为相应的值。接收端从Signal域获知MPDU的调制方式并按照相应的调制方式进行解调。PMD子层发送模块扩频DSSS将源数据的一个bit扩展为一个序列，以较高的码片速率对较低的数据比特率进行编码，达到扩频的目的。DSSS采用11位Barker序列作为扩频码，将0用序列{10110111000}代替，1用序列{01001000111}代替，频谱扩展11倍。调制DSSS提供了2种调制方式：DBPSK和DQPSK。两种调制方式都是差分调制，