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
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)
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
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


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)
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)


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


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
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
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
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)
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

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Βιβλιοθήκη Baidu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


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
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
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

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
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

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

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)


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


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
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)
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
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

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
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

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

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