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)

红外
脉冲位置调制 通过天花板反射的漫射模式

9
DSSS PHY 包格式
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: 1 Mbit/s 即DBPSK; 14: 2 Mbit/s 即DQPSK)
服务 – 未使用 长度
5350 [MHz]
中央频率 =5000 + 5*信道号 [MHz]
149 153 157 161 信道
8 + 4 个非重叠信道
5725 5745 5765 5785 5805 5825 [MHz] 16.6 MHz
15
OFDM的基本原理

ห้องสมุดไป่ตู้
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
频率
自由5.15-5.25, 5.25-5.35, 5.7255.825GHz UNII-频段(不同最大功率) 5.15-5.25 世界范围

14
802.11a / 美国 U-NII的运行信道
36
40
44
48
52
56
60
64
信道
5150
5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320 16.6 MHz


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

22
802.11 - MAC
优先
通过定义不同的帧间空间 SIFS (短帧内间隔) :

10μs (802.11b/g), 16 μs (802.11a) 高优先, 用于ACK, CTS, 轮询回应

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
11
IEEE 802.11b
扩展的 802.11 DSSS
MAC管理

PMD 物理媒介相关

联盟, 鉴权, 同步, 漫游, MIB管理信 息库, 电源管理
调制, 编码
信道选择, MIB管理信息库 协调所有的管理功能
PHY 管理

站点管理

DLC
LLC MAC PLCP PHY 管理 MAC 管理 站 点 管 理
PHY
PMD
8
原有的 802.11 物理层
3个版本: 2 个RF无线传输 (80MHz ISM 频段在 2.4 GHz) 和1个IR红外线
WMAN 802.16 (宽带无线接入)
+ Mobility
WiMAX
WiBro, 802.20
2
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
802.11 LAN 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

STA1
IBSS1 STA3
STA2
IBSS2 STA5 STA4 802.11 LAN
6
IEEE 标准 802.11
固定终端 移动终端
基础结构网络
访问点 应用程序 TCP IP 应用程序 TCP IP
户外300m, 室内30m 最大数据传输率 ~室内10m

频率

自由2.4 GHz ISM-频段
WEP
安全

12
信道选择 (非重叠)
欧洲(ETSI) 信道 1 信道 7 信道 13
2400
2412
2442 22 MHz
2472
2483.5 [MHz]
美国(FCC)/加拿大(IC) 信道 1 信道 6 信道 11
3
基础结构 vs. 自组织网络
基础结构网络
AP: 访问点
AP AP 有线网
AP
自组织网络
4
802.11 – 基础结构网络的架构
站点 (STA)
802.11 LAN
802.x LAN

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 使用相同无线电频率的一组站点 被综合到无线局域网和分布式系统 的站点 连接到其他（有线）网络的桥梁
2400
2412
2437
2462
22 MHz
2483.5 [MHz]
13
WLAN: IEEE 802.11a
OFDM正交频分复用

服务质量, 安全, …

1999年7月
同802.11b
数据率

特别的优点/缺点
优点: 使用拥挤较少的5 GHz频段, 高 带宽 缺点: 由于使用更高的频率从而有更 强的阴影
DIFS PIFS SIFS 竞争 下一帧 t
如果媒介闲 DIFS则 直接访问
23
CSMA/CA 访问方法
DIFS DIFS 竞争窗口 (随机后退机制)
媒介忙
时槽时间
下一帧
t
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)

以微秒计的负载长度 CRC 128 同步 PLCP 前导码 16 SFD 8 信号 8 服务 16 长度 16 HEC 可变 负载
HEC (信头差错校验)

位
PLCP 信头
10
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
boe
忙
26
CSMA/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

服务质量

1999 巴克码, 瑞克接地分离多径接收
尽力, 无保证 (除非使用轮询, 产品支 持有限)
数据传输率
动态变速 -- 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s, 取 决于SNR BPSK, QPSK, CCK (5.5, 11) 用户数据传输率最大达到6 Mbit/s

传输范围


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 Coded OFDM编码正交频分复用

17
IEEE 802.11a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) 312.5 kHz 间隔 (= 20MHz/64)
802.11
ÿÿÿÿ
符合IEEE的移动通信技术
本地无线网 WLAN 802.11 802.11a WiFi5 802.11b 802.11g 802.11i/e/f/n/s…
WiFi ZigBee
个人无线网 WPAN 802.15 802.15.4 802.15.3 802.15.1
UWB
Bluetooth


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.
25
一个简单的例子
DIFS 站点1 站点2 忙 站点3 站点4 站点5 忙 boe bor boe boe 忙 忙 boe bor boe bor t 媒介不为闲(帧, ack 等等.) 封包到达MAC boe 已经过的后退时间 bor 剩余的后退时间 DIFS boe bor DIFS boe bor DIFS boe 忙
基本服务组 (BSS)
STA1

BSS1 入口 访问点 分布式系统
访问点

入口

ESS BSS2
访问点
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!
STA2
802.11 LAN
STA3
5
802.11 – 自组织网络的架构
一个有限范围内的直接通信
数据率 1 或 2 Mbit/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1 Mbit/s, DQPSK查分正交相移键控 用于2 Mbit/s 每帧的前导码和信头总用1 Mbit/s传输, 剩余的传输使用1 或 2 Mbit/s 11-位碎片序列 (巴克码) 最大发射功率1 W (美国), 100 mW (欧洲)

6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/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 54 Mbit/s 最大5 m, 48最大12 m, 36最大25 m, 24最大30m, 18最大 40 m, 12最大60 m
LLC
802.11 MAC 802.11 PHY
LLC
802.11 MAC 802.11 PHY 802.3 MAC 802.3 PHY
LLC
802.3 MAC 802.3 PHY
7
802.11 – 层次和功能
MAC

PLCP 物理层汇聚协议
访问机制, 分段, 加密

空闲信道评估信号 (载波监听)

时槽时间 = 20 μs用于802.11b, 9 μs用于802.11a/g CW最小值 = 16用于802.11a, 32用于802.11b CW最大值 = 1024

24
CSMA/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


PIFS (PCF IFS) :
PIFS = SIFS + 时槽时间, 其为20 μs在802.11b中, 9 μs在802.11a/g中 中优先, 用于使用PCF的时限服务


DIFS (DCF IFS):
DIFS = PIFS + 时槽时间 低优先, 用于异步数据服务

DIFS 媒介忙


为性能提升进行的专有扩展
封包突发 信道绑定

19
数据传输率 vs 距离
20
IEEE 802.11n



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
pilot 312.5 kHz
-26 -21
-7 -1 1
7
21 26
子载波编号
信道中心频率
18
IEEE 802.11g

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
21
802.11 – 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 用PCF (点协调功能)实现

时限服务 (可选)

访问方法

DCF CSMA/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)


64个子载波, ∆f = 312kHz, Ts = 3.2 μs

例如LTE

600个子载波, ∆f = 15kHz, Ts = 66.7 μs
16
OFDM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, 800 ns) 足够用以包含延迟传播，于是被加入到每个 OFDM符号中 (间隔 4 μs) 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