第八講無線網絡

北京交通大學電氣工程學院黃彧主要內容基本內容：無線局域網的組成、無線局域網物理層、無線局域網MAC協議、無線個人區域網WPAN和無線城域網WMAN。重點掌握無線網絡基本組成CSMA/CA協議工作原理三種幀間間隔802.11爭用窗口和退避機制無線局域網

有基礎設施的無線局域網AP1AP2一個基本服務集BSS包括一個基站和若干個移動站，所有的站在本BSS以內都可以直接通信，但在和本BSS以外的站通信時，都要通過本BSS的基站。AP1AP2基本服務集內的基站叫做接入點AP(AccessPoint)其作用和網橋相似。AP1AP2當網絡管理員安裝AP時，必須為該AP分配一個不超過32字節的服務集標識符SSID

和一個信道。AP1AP2一個基本服務集可以是孤立的，也可通過接入點AP連接到一個主干分配系統

DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一個基本服務集，構成擴展的服務集ESS(ExtendedServiceSet)。AP1AP2ESS還可通過叫做門戶(portal)為無線用戶提供到非802.11無線局域網（例如，到有線連接的因特網）的接入。門戶的作用就相當于一個網橋。AP1AP2移動站A從某一個基本服務集漫游到另一個基本服務集（到A

的位置），仍可保持與另一個移動站B進行通信。移動自組網絡

又稱自組網絡(adhocnetwork)

自組網絡AEDCBF源結點目的結點轉發結點轉發結點轉發結點自組網絡是沒有固定基礎設施（即沒有AP）的無線局域網。這種網絡由一些處于平等狀態的移動站之間相互通信組成的臨時網絡。802.11局域網的物理層802.11無線局域網可再細分為不同的類型。現在最流行的無線局域網是802.11b，而另外兩種（802.11a和802.11g）的產品也廣泛存在。

802.11的物理層有以下幾種實現方法：直接序列擴頻DSSS正交頻分復用OFDM跳頻擴頻FHSS（已很少用）紅外線IR（已很少用）

幾種常用的802.11無線局域網標準頻段數據速率物理層優缺點802.11b2.4GHz最高為11Mb/sHR-DSSS最高數據率較低，價格最低，信號傳播距離最遠，且不易受阻礙802.11a5GHz最高為54Mb/sOFDM最高數據率較高，支持更多用戶同時上網，價格最高，信號傳播距離較短，且易受阻礙802.11g2.4GHz最高為54Mb/sOFDM最高數據率較高，支持更多用戶同時上網，信號傳播距離最遠，且不易受阻礙，價格比802.11b貴802.11局域網的MAC層協議

CSMA/CA協議

無線局域網卻不能簡單地搬用CSMA/CD協議。CSMA/CD協議要求一個站點在發送本站數據的同時，還必須不間斷地檢測信道，但在無線局域網的設備中要實現這種功能就花費過大。即使能夠實現碰撞檢測的功能，并且當在發送數據時檢測到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發生碰撞。無線局域網的特殊問題當A和C檢測不到無線信號時，都以為B是空閑的，因而都向B發送數據，結果發生碰撞。未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題(hiddenstationproblem)A的作用范圍C的作用范圍ABCD無線局域網的特殊問題B向A發送數據，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，于是就不敢向D發送數據。其實B向A發送數據并不影響C向D發送數據這就是暴露站問題(exposedstationproblem)ADCB？B的作用范圍C的作用范圍CSMA/CA協議無線局域網不能使用CSMA/CD，而只能使用改進的CSMA協議。改進的辦法是把CSMA增加一個碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。802.11就使用CSMA/CA協議。而在使用CSMA/CA的同時，還增加使用停止等待協議。802.11的MAC層MAC層無爭用服務（選用）爭用服務（必須實現）分布協調功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點協調功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層MAC層通過協調功能來確定在基本服務集BSS中的移動站在什么時間能發送數據或接收數據。MAC層無爭用服務爭用服務分布協調功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點協調功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層DCF子層在每一個結點使用CSMA機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發送權。因此DCF向上提供爭用服務。MAC層無爭用服務爭用服務分布協調功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA)點協調功能PCF(PointCoordinationFunction)物理層PCF子層使用集中控制的接入算法把發送數據權

輪流交給各個站從而避免了碰撞的產生幀間間隔IFS所有的站在完成發送后，必須再等待一段很短的時間（繼續監聽）才能發送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔

IFS(InterFrameSpace)。幀間間隔長度取決于該站欲發送的幀的類型。高優先級幀需要等待的時間較短，因此可優先獲得發送權。若低優先級幀還沒來得及發送而其他站的高優先級幀已發送到媒體，則媒體變為忙態因而低優先級幀就只能再推遲發送了。這樣就減少了發生碰撞的機會。三種幀間間隔時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發送第1幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發送下一幀推遲接入等待重試時間有幀要發送源站時間目的站ACKSIFS

其他站有幀要發送SIFS，即短(Short)幀間間隔，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。一個站應當能夠在這段時間內從發送方式切換到接收方式。使用SIFS的幀類型有：ACK幀、CTS幀、由過長的MAC幀分片后的數據幀，以及所有回答AP探詢的幀和在PCF方式中接入點AP發送出的任何幀。三種幀間間隔時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發送第1幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發送下一幀推遲接入等待重試時間有幀要發送源站時間目的站ACKSIFS

其他站有幀要發送PIFS，即點協調功能幀間間隔，它比SIFS長，是為了在開始使用PCF方式時（在PCF方式下使用，沒有爭用）優先獲得接入到媒體中。PIFS的長度是SIFS加一個時隙(slot)長度。時隙的長度是這樣確定的：在一個基本服務集BSS內當某個站在一個時隙開始時接入到媒體時，那么在下一個時隙開始時，其他站就都能檢測出信道已轉變為忙態。三種幀間間隔時間SIFSPIFSDIFS媒體空閑發送第1幀SIFSPIFS時間NAV（媒體忙）DIFS爭用窗口發送下一幀推遲接入等待重試時間有幀要發送源站時間目的站ACKSIFS

其他站有幀要發送DIFS，即分布協調功能幀間間隔（最長的IFS），在DCF方式中用來發送數據幀和管理幀。DIFS的長度比PIFS再增加一個時隙長度。虛擬載波監聽虛擬載波監聽(VirtualCarrierSense)的機制是讓源站將它要占用信道的時間（包括目的站發回確認幀所需的時間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發送數據。所謂“源站的通知”就是源站在其MAC幀首部中的第二個字段“持續時間”中填入了在本幀結束后還要占用信道多少時間（以微秒為單位），包括目的站發送確認幀所需的時間。“虛擬載波監聽”是表示其他站并沒有監聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發送數據。網絡分配向量當一個站檢測到正在信道中傳送的MAC幀首部的“持續時間”字段時，就調整自己的網絡分配向量

NAV(NetworkAllocationVector)。NAV指出了必須經過多少時間才能完成數據幀的這次傳輸，才能使信道轉入到空閑狀態。爭用窗口信道從忙態變為空閑時，任何一個站要發送數據幀時，不僅都必須等待一個DIFS的間隔，而且還要進入爭用窗口，并計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道。在信道從忙態轉為空閑時，各站就要執行退避算法。這樣做就減少了發生碰撞的概率。802.11使用二進制指數退避算法。圖例凍結剩余的退避時間幀幀幀幀幀DIFSDIFSDIFSDIFS爭用窗口爭用窗口爭用窗口爭用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt凍結凍結凍結凍結凍結802.11的退避機制二進制指數退避算法第i

次退避就在22+i

個時隙中隨機地選擇一個，即：第I次退避是在時隙{0,1,…,22+i

-1}中隨機地選擇一個。第1次退避是在8個時隙（而不是2個）中隨機選擇一個。第2次退避是在16個時隙（而不是4個）中隨機選擇一個。退避計時器

(backofftimer)站點每經歷一個時隙的時間就檢測一次信道。這可能發生兩種情況。若檢測到信道空閑，退避計時器就繼續倒計時。若檢測到信道忙，就凍結退避計時器的剩余時間，重新等待信道變為空閑并再經過時間DIFS后，從剩余時間開始繼續倒計時。如果退避計時器的時間減小到零時，就開始發送整個數據幀。

退避算法的使用情況僅在下面的情況下才不使用退避算法：檢測到信道是空閑的，并且這個數據幀是要發送的第一個數據幀。除此以外的所有情況，都必須使用退避算法。即：在發送第一個幀之前檢測到信道處于忙態。在每一次的重傳后。在每一次的成功發送后。

A的作用范圍B的作用范圍2.對信道進行預約802.11允許要發送數據的站對信道進行預約ACBDERTSRTS源站A在發送數據幀之前先發送一個短的控制幀，叫做請求發送

RTS(RequestToSend)，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應的確認幀）所需的持續時間。A的作用范圍B的作用范圍2.對信道進行預約802.11允許要發送數據的站對信道進行預約。CTSACBDECTS若媒體空閑，則目的站B就發送一個響應控制幀，叫做允許發送

CTS(ClearToSend)，它包括這次通信所需的持續時間（從RTS幀中將此持續時間復制到CTS幀中）。A收到CTS幀后就可發送其數據幀。

RTS和CTS幀以及數據幀和ACK幀的傳輸時間關系時間DIFSRTSSIFS時間NAV（RTS）DIFS爭用窗口推遲接入源站時間目的站ACK

其他站CTSSIFSSIFS數據NAV（CTS）NAV（數據）802.11局域網的MAC幀802.11幀共有三種類型，即控制幀、數據幀和管理幀。下面是數據幀的主要字段。字節22666260~23124幀控制持續期地址1地址2地址3序號控制地址4幀主體FCS協議版本類型子類型到DS從DS更多分片重試功率管理更多數據WEP順序位22411111111MAC首部802.11數據幀的三大部分MAC首部，共30字節。幀的復雜性都在幀的首部。幀主體，也就是幀的數據部分，不超過2312字節。這個數值比以太網的最大長度長很多。不過802.11幀的長度通常都是小于1500字節。幀檢驗序列FCS

是尾部，共4字節關于802.11數據幀的地址802.11數據幀最特殊的地方就是有四個地址字段。地址4用于自組網絡。到DS從DS地址1地址2地址3地址401目的地址AP地址源地址——10AP地址源地址目的地址——A向B發送數據幀必須先發送到接入點AP1

到DS從DS地址1地址2地址3地址401BAP1A——10AP1AB——序號控制字段、持續期字段

和幀控制字段序號控制字段占16位，其中序號子字段占12位，分片子字段占4位。持續期字段占16位。幀控制字段共分為11個子字段。協議版本字段現在是0。類型字段和子類型字段用來區分幀的功能。更多分片字段置為1時表明這個幀屬于一個幀的多個分片之一。有線等效保密字段WEP占1位。若WEP=1，就表明采用了WEP加密算法。

分片的發送舉例ttt源站目的站

其他站RTSCTS分片

1ACK分片2ACK分片3ACKSIFSNAV(RTS)NAV(CTS)長的幀劃分為許多分片無線個人區域網WPAN

(WirelessPersonalAreaNetwork)

在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來自組網絡，不需要使用接入點AP。整個網絡的范圍大約在10m左右。無線個人區域網

WPAN和個人區域網

PAN(PersonalAreaNetwork)并不完全等同，因為PAN不一定都是使用無線連接的。WPAN和WLAN并不一樣。WPAN是以個人為中心來使用的無線人個區域網，它實際上就是一個低功率、小范圍、低速率和低價格的電纜替代技術。WPAN都工作在2.4GHz的ISM頻段（802.15）。但WLAN卻是同時為許多用戶服務的無線局域網，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網。1.藍牙系統(Bluetooth)最早使用的WPAN是1994年愛立信公司推出的藍牙系統，其標準是IEEE802.15.1。藍牙的數據率為720kb/s，通信范圍在10米左右。藍牙使用TDM方式和擴頻跳頻FHSS技術組成不用基站的皮可網(piconet)。皮可網(piconet)Piconet

直譯就是“微微網”，表示這種無線網絡的覆蓋面積非常小。每一個皮可網有一個主設備(Master)和最多7個工作的從設備(Slave)。通過共享主設備或從設備，可以把多個皮可網鏈接起來，形成一個范圍更大的擴散網(scatternet)。這種主從工作方式的個人區域網實現起來價格就會比較便宜。藍牙系統中的皮可網和擴散網MMSSPSSSSSP皮可網2擴散網皮可網1M——主設備S——從設備P——擱置的設備低速WPAN低速WPAN主要用于工業監控組網、辦公自動化與控制等領域，其速率是2~250kb/s。低速WPAN的標準是IEEE802.15.4。最近新修訂的標準是IEEE802.15.4-2006。低速WPAN中最重要的就是ZigBee。ZigBee技術主要用于各種電子設備（固定的、便攜的或移動的）之間的無線通信，其主要特點是通信距離短（10~80m），傳輸數據速率低，并且成本低廉。ZigBee的特點功耗非常低。在工作時，信號的收發時間很短；而在非工作時，ZigBee結點處于休眠狀態，非常省電。對于某些工作時間和總時間之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。網絡容量大。一個ZigBee的網絡最多包括有255個結點，其中一個是主設備，其余則是從設備。若是通過網絡協調器，整個網絡最多可以支持超過64000個結點。ZigBee的標準在IEEE802.15.4標準基礎上發展而來的。所有ZigBee產品也是802.15.4產品。IEEE802.15.4只是定義了ZigBee協議棧的最低的兩層（物理層和MAC層），而上面的兩層（網絡層和應用層）則是由ZigBee聯盟定義的。ZigBee的協議棧物理層MAC層網絡層應用層IEEE802.15.4定義ZigBee聯盟定義ZigBee協議棧ZigBee的組網方式FFDFFDFFDFFDFFDRFD端設備路由器FFDFFD協調器有一個全功能設備FFD充當網絡的協調器。ZigBee網絡中數量最多的端設備是精簡功能設備RFD結點。高速WPAN高速WPAN用于在便攜式多媒體裝置之間傳送數據，支持11~55Mb/s的數據率，標準是802.15.3，。IEEE802.15.3a工作組還提出了更高數據率的物理層標準的超高速WPAN，它使用超寬帶UWB技術。UWB技術工作在3.1~10.6GHz微波頻段，有非常高的信道帶寬。超寬帶信號的帶寬應超過信號中心頻率的25%以上，或信號的絕對帶寬超過500MHz。超寬帶技術使用了瞬間高速脈沖，可支持100~400Mb/s的數據率，可用于小范圍內高速傳送圖像或DVD質量的多媒體視頻文件。無線城域網WMAN

(WirelessMetropolitanAreaNetwork)

2002年4月通過了