IEEE 802.11及802.15.4协议

IEEE802.11/IEEE802.15.4协议2020/5/18目录IEEE802.11协议标准概述物理层解析MAC层解析IEEE802.15.4协议标准概述物理成解析MAC层解析IEEE802.11协议标准概述802.11系列协议标准的发展无线局域网（WLAN）物理层MAC层概述IEEE802.11是最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层，随后又推出了802.11g和802.11n标准。IEEE802.11802.11系列协议标准的发展802.11，定义微波和红外线的物理层和MAC子层（2.4GHz，2Mbit/s，1997）802.11a，定义了微波物理层及MAC子层（5GHz，54Mbit/s，1999）802.11b，物理层补充DSSS（2.4GHz，11Mbit/s，1997）802.11b+，物理层补充PBCC（2.4GHz，11Mbit/s，2002）802.11c，关于802.11网络和普通以太网之间的互通协议（2000）802.11d，关于国际间漫游的规范（2000）802.11e，对服务等级QoS的支持（2004）802.11f，基站的互联性（2003）802.11g，物理层补充OFDM（2.4GHz，54Mbit/s，2003）802.11h，扩展物理层和MAC子层标准（5GHz，欧洲，2003）802.11i，安全和鉴权方面的补充（2004）802.11j，扩展物理成和MAC子层标准（5GHz，日本，2004）802.11k，基于无线局域网的微波测量规范（2005）802.11m，基于无线局域网的设备维护规范（2006）802.11n，导入MIMO技术（2.4G/5GHz，100-300Mbit/s,2007）IEEE802.11IEEE802.11在无线网络中的位置IEEE802.11WLANWLAN(WirelessLocalAreaNetwork)是指传输范围在100米左右的无线网络，它的推动联盟为Wi-FiAlliance（目前都以Wi-Fi产品的称呼来形容802.11的产品），可用于单一建筑物或办公室之内，需要使用WLAN的场合主要包括：(1)不方便架设有线网络的环境;(2)使用者时常需要移动位置;(3)临时性的网络。802.11WLAN主要面向两种应用类型：(1)接入：无线站点通过无线接入设备访问企业网络(2)中继：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼(LAN)与大楼(LAN)之间的数据传输IEEE802.11WLAN协议----IEEE802.11在实际使用上，通常会将WLAN和现有的有线局域网结合，不但增加原本网络的使用弹性，也可扩大无线网络的使用范围，目前最热门的WLAN技术就是IEEE的802.11及其相关标准。IEEE802.11(1997.6)，1或2Mbps，工作在2.4GHz频段或使用红外(IR)IEEE802.11a(1999),54Mbps，12个信道，最多8个互不重叠，工作在5GHz频段IEEE802.11b(1999.9),11Mbps，11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段IEEE802.11g(2003.6),54Mbps，11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段（802.11g兼容802.11b）IEEE802.11802.11b/g互不重叠信道的选择16112.412G2.4GHz2.4172.4222.4272.4322.4372.4422.4472.4522.4572.4622.4672.4722.4835GHz234125789101322MHz中国规定使用1－11信道。由上图可知，某信道的信号传送时会与相邻的多个信道产生重叠，若在同一个空间建立多个BSS/IBSS时，要让它们所用的信道不会互相重叠而产生干扰。在同一个空间最多只能使用1、6、11这三个信道，若选用其他信道，最多只能有2个互不干扰的信道。IEEE802.11同一空间多信道的使用增加了带宽Blue=11Mb/s(channel1)Green=11Mb/s(channel6)Red=11Mb/s(channel11)TotalBandwidth=33Mb/s!!IEEE802.11WLAN的组成两种类型的WLAN：1.Infrastructured网（有固定基础设施的网络）2.AdHoc网（特定网络，或称自组网络，无固定基础设施）IEEE802.11BSS（基本服务集）Infrastructured网(基础设施网)有AP(AccessPoint,接入点)，无线站点通信首先要经过APAdHoc网（无线自组网）IBSS(IndependentBSS，独立基本服务集)，无AP，站点间直接通信）IBSSBSSIEEE802.11ESS（扩展服务集）属Infrastructured网(DS:分配系统，AP：接入点，SSID：ESS扩展服务集标识符。一个移动节点使用某ESS的SSID加入到该扩展服务集中，一旦加入ESS，移动节点便可实现从该ESS的一个BSS到另一个BSS的漫游)IEEE802.11WLAN、LAN、Internet连接Portal：门桥(作用相当于网桥)DS：分配系统(可以是以太网、点对点链路或其它无线网)IEEE802.11移动自组网(MobileAdhocnetwork)移动自组网（MANET），无基础设施，没有基本服务集中的接入点AP，而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络中的每一个移动设备都具有路由器的转发分组的功能。自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点IEEE802.11IEEE802.11的物理层WLAN传输方式有红外线(InfraRed,IR)和无线电射频两种红外系统的优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。缺点是：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。无线电射频系统采用扩频(SpreadSpectrum)技术进行调制。扩频技术的频率范围开放在ISM频段，此频段不需申请：Industry:902~928Mhz(26MHz)Science:2.4~2.4835GHz(83.5MHz)Medicine:5.15~5.35GHzand5.725~5.825GHz(300MHz)扩频技术主要又分为跳频和直接序列两种技术。IEEE802.11FHSS（跳频扩频）FrequencyHoppingSpreadSpectrumFHSS使用了传统的窄带数据传输技术，但传输频率将发生周期性的切换。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。IEEE802.11FHSS的发送与接收※ModulatorXspreaderFHPseudo-randomfrequencygeneratorDataDemodulatorXdespreaderFHPseudo-randomfrequencygeneratorDataFHSSsignalsTransmitterReceiverIEEE802.11DSSS（直接序列扩频）DirectSequenceSpreadSpectrum（Chipcode也称为pseudo-noice或spreadingcode）DSSS系统则将要传输的数据流通过扩展码调制而人为地扩展带宽，即使在传输波段中存在部分噪声信号，接收机也可以无错误地接收数据。IEEE802.11DSSS的发送与接收※ModulatorXspreaderDSWidebandpseudo-noicecarrierDataDemodulatorXdespreaderDSWidebandpseudo-noicecarrierDataDSSSsignalsTransmitterReceiverIEEE802.11使用扩频技术的好处扩频是一种在信号传输前先将信号的带宽进行扩展的技术。采用扩频的好处是：抗干扰。若使用窄频，容易受到使用相同频率的通信干扰导致完全无法通信(“盖台”)对于非特定的目的接收器，扩展了带宽的信号混在背景噪声中，让蓄意想侦听窃取数据资料的人不易判别真正的信号，避免了他人的截听提供了供多个用户使用同一传输波段的方法，保证了无线设备在频段上的可用性和可靠的吞吐量，也保证使用同一频段的设备不互相影响。IEEE802.11IEEE802.11PHYFHSS－FrequencyHoppingSpreadSpectrum，跳频扩频DSSS－DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频OFDM－OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用（也叫多载波调制技术，载波数可多达52个），802.11a/g用，信号经相应的各种调制（如PSK、QAM等）后，速率可达54/48/36/24/18/12/9/6MbpsHR-DSSS－HighRateDSSS，802.11b用，信号经相应的各种调制（如PSK、CCK等）后，传输速度可达11/5.5/2/1MbpsOFDM/DSSSPhysicalLayerIEEE802.11距离越远、信号越弱、速率越低11Mbps5.5Mbps2Mbps1Mbps距离802.11b采用了动态速率漂移技术，可以根据环境噪声变化对传输速率进行自动调整。在理想情况下，发送节点以最高速率11Mb/s进行发射。当设备移动到覆盖范围之外，或者出现重大干扰时，发送节点将自动逐次降低速率，以5.5Mb/s、2Mb/s或1Mb/s等速率进行发射。类似地，如果无线设备从低速率环境进入高速率环境，发射速率将会随之自动逐次提高。这种动态速率漂移技术对上层协议是透明的。使用不同的调制方法，得到不同的速率。IEEE802.11802.11标准中的MAC层无线局域网虽然也是多个站点共享无线信道，却不能简单地搬用以太网的CSMA/CD协议，这里主要有两个原因：CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种全双工功能花费过大；即使我们能够在发送的同时实现冲突检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生冲突。IEEE802.11802.11MACMAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。IEEE802.11802.11MAC使用DCF或PCF分布协调功能DCF----争用服务（必选项）(DistributedCoordinationFunction)DCF在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供争用服务。点协调功能PCF----无争用服务（可选项）(PointCoordinationFunction)PCF使用AP集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了冲突的产生IEEE802.11802.11MAC:CSMA802.11CSMA发送站：-如监听到信道空闲,经DIFS时间后则发送整个帧（发送时不用冲突检测）-如果监听到信道忙，则坚持监听到不忙时，经DIFS时间后进入竞争期，进行二进制指数退避（第i次退避时，在2i+2个时隙中随机选择一个），退避后重新尝试发送-如果发后未收到ACK(超时)，则重发帧802.11CSMA接收站：-如果接收正确，则在SIFS时间后应答一个ACK帧其它站点：听到信道上在发送数据，则推迟访问信道NAV(NetworkAll